摘要：准确掌握钻具组合与地层相互作用表现出来的造斜率是控制水平井井眼轨迹的关键。为了实现对鄂尔多斯盆地大牛地气田长水平段水平井井眼轨迹的高效控制，利用大牛地气田长水平段实钻资料进行了统计分析，获得了使用特定钻具组合在复合钻进条件下地层可钻性级值与井眼全角变化率的对应关系。以此为基础，结合螺杆钻具的实际造斜能力，提出了以地层可钻性级值作为设计依据，构建适应地层可钻性的底部钻具组合设计指导原则，并结合现场应用情况形成了考虑岩石性能变化的井眼轨迹控制方法。该方法提高了底部钻具组合及钻进参数优选的针对性和可操作性，进而可达到提高复合钻进进尺比例和长水平段井眼轨迹控制效率的目的。还从井眼轨迹控制技术的角度出发，提出了一种用于钻具组合及钻进参数优选的地层分级方法，并在实际钻井过程中得到了应用和验证。
关键词：鄂尔多斯盆地；大牛地气田；长水平段；轨迹控制；地层分级方法；底部钻具组合；钻进参数
目前国内水平井钻井技术大多采用以“钻头+单弯螺杆动力钻具”为基本底部钻具组合的连续导向钻井技术[1]。该技术对井眼轨迹的控制是通过复合钻进与滑动钻进交替进行实现的[2～3]。在实际应用中，由于很难预测复合钻井段的导向能力，所以一般用滑动导向来频繁调整井眼轨迹[4]。因此，如何提高复合钻进井段的长度，尽量减少水平段滑动钻进的工作量，从而提高水平井井眼轨迹的圆滑程度，已经成为水平井，特别是长水平段水平井井眼轨迹控制的关键。
这一问题的核心集中体现在如何把握不同地层物性条件对复合钻进的响应规律。因此，发现和认识地层对钻井手段的响应规律，进而针对不同的地层物性条件选择合理的钻进方式，对于实现长水平段水平井井眼轨迹的高效控制意义重大。
1 地层可钻性对水平井井眼轨迹控制的影响
研究分析地层物性条件对水平井井眼轨迹的影响规律，至少需要解决2个问题：①地层物性条件的标识问题，即如何将地层的各种物性特征按照统一标准归类、分级；②如何建立地层物性条件与井眼姿态参数(井斜角、方位角)的对应关系。其中，地层物性条件的标识问题可以从众多的地层可钻性分级方法中优选；而对于第二个问题则可以利用统计分析的方法建立某一区块特定钻具组合在复合钻进方式下的钻进特性与地层物性的统计关系予以解决。
1.1 岩石可钻性分级方法及其对比
岩石的可钻性即岩石破碎的难易性。现有的岩石可钻性分级方法种类繁多，较有代表性的有以下6种。
1.1.1压入硬度法
压入硬度法是测定岩石某点或有限点抵抗外力入侵能力的一种方法，而岩石是由大大小小不规则的矿物颗粒组成的，矿物颗粒在空间的排列是任意的，颗粒间存在很多空洞和缝隙，岩石结构上的这种特殊性决定岩石各点的压入硬度值有很大的差异，整块岩石的可钻性不应该也不可能由某个或某几点的压入硬度值来确定。
1.1.2点载法
该方法不能从可钻性上把岩石分开，因为岩石在三向应力状态下，产生张性破坏，而各种岩石都存在许多缝隙，岩石破坏是由于在缝隙处产生应力集中。点载法的测定结果实际上是岩石裂隙发育程度的反映。
1.1.3凿岩比功法
凿碎比功是针对凿岩破碎的，它破碎岩石的方式反应了凿岩机破碎岩石的碎岩机理，不能用于回转钻进的岩石分级。
1.1.4纵波速度法
岩石本身根本不能算是一种完全弹性媒质，弹性波是在岩石矿物颗粒、胶结物、空隙以及结构界面(节理面、裂隙等)上传播的，岩石矿物成分、颗粒大小、胶结状况、孔隙度、松散程度等因素将会引起声速值的差异，用纵波速度来反映岩石的可钻性是不准确的。
1.1.5综合法
综合法是把岩石的各项物理力学性质分级法看成岩石分级的单因素，对各种方法作线性回归分析。
1.1.6微钻法和切槽法
采用模拟的方法能够反映岩石破碎过程，但在磨削过程中，测量用的磨削工具的性能是变化的，即测试标准无法固定。因此，它们无法解决模拟化与标准化的矛盾[5]。
在上述方法中，最有代表性的是压入硬度法和微钻法。20世纪50年代，我国地质、矿山、石油等部门广泛使用前苏联学者史立涅尔提出的压入硬度表示岩石可钻性，并对岩石进行分类，指导实际生产。但也有不少学者认为，单纯按某一项岩石机械性质去评价岩石的可钻性是不合适的，岩石的可钻性取决于所用的钻井方法，因此提出测定可钻性的正确方法应是进行钻孔实验。罗劳(ROLLOW A G)的微钻法正是这种思想的产物[6]。我国石油部门从1976年开始对其进行研究，在参照其测试方法的基础上，记录钻深2.4mm所耗时间，换算成以2为底的对数来表示可钻性，称为可钻性级值。20世纪80年代后，我国石油行业改用微钻法测定岩石可钻性，并用岩石可钻性级值作为岩石可钻性的定量指标，将岩石按可钻性级值划分为10级，该方法成为我国测定岩石可钻性的标准方法[7]。但微钻法是否比压入硬度法在原理、测定方法及应用效果方面更先进呢？张厚美、薛佑刚等人从破岩原理、测定方法、结果表达等3个方面对压入硬度法和微钻法进行了对比，但并未发现后者比前者优越[8]。
综上所述，国内外对地层物性分级方法众多[9～11]，各有所长。但地层标识方法在此只是一种需要被借用的手段，而不是我们关注的核心问题。要探索地层物性对于井眼轨迹控制的影响规律只需要一个相对统一的地层物性认知方法即可。在没有出现一种得到公认的新的地层分级方法之前，以可钻性级值为代表的微钻法是用来探索这一规律的必然选择。
1.2 钻井工程手段的标准化
钻井工程手段涵盖的内容非常广泛，但不外乎底部钻具组合、钻进参数、钻井介质及其性能等几个最主要的方面。尽管钻进参数和钻井介质是地层物性条件影响水平井轨迹变化规律的重要影响因素，但目前还没有一种普遍使用的技术方法能对井底实际钻进参数进行精确量化分析，所以对钻进参数的相关影响笔者不作讨论。而钻井介质的性能干差万别，即便使用了相同钻井介质、参考指标十分接近的两口井，其钻进效果也可能存在较大差距，且目前没有形成统一的钻井介质量化分析方法，笔者对此也不作深入分析，故只对底部钻具组合进行分析、说明。
目前，“钻头+单弯螺杆动力钻具+无磁钻铤……”是水平井钻井最常用的钻具组合[12]。在不同地区钻水平井时，钻具组合会有少许差别，但复合钻进的钻进特性大多表现为微增井斜[13～14]。因此，在许多定向井、水平井钻井施工中，为了达到稳定井斜和减少方位漂移的目的，使用了“钻头+单弯螺杆动力钻具+欠尺寸扶正器(或变径稳定器)+无磁钻具+……”的底部钻具组合。可以说，该钻具组合已经把滑动导向技术发挥到了较高的水平。如果使用该钻具组合还无法满足水平井井眼轨迹控制的要求，理论上就只能使用旋转导向钻井技术。因此，“钻头+单弯螺杆动力钻具+欠尺寸扶正器(或变径稳定器)+无磁钻具+……’的底部钻具组合应作为评价地层物性条件对井眼轨迹影响的标准组合。
1.3 研究方法及步骤
研究前提条件如下：①数据源来自相同的井眼尺寸及钻具组合；②不考虑钻井介质和钻进参数影响；③井筒规则；④忽略地层倾角、构造影响；⑤需要一定的数据规模。
既然是建立复合钻进的钻进特性与地层物性的统计关系，那就要求有一定的数据规模作保障。在水平段，特别是水平段较长的水平井，则有可能进行长井段复合钻进，因此在选择数据采集井位时，水平段长度是一个需要高度重视的条件。
1.3.1确定地层可钻性级值
声波时差与岩石可钻性的内在联系是由两者的本质特征所决定的，反映了岩石综合物理力学性质。因此，声波时差与岩石可钻性之间存在着确定的关系，只要确定这种关系，就可以利用声波时差资料求取岩石可钻性[15]。前人已经在这方面做了大量的工作，有众多的资料可供借鉴，利用声波时差资料可计算出不同区块任意井段对应的地层可钻性级值。
1.3.2筛选复合钻进工程数据
水平段钻进时，滑动钻进与复合钻进是交替进行的，必须把复合钻进的井段筛选出来，再找到与之对应的全角变化率等工程数据，才能最终建立起工程数据与相应井段地层可钻性级值的对应关系。利用地质综合录井数据中的工程资料把复合钻进井段剥离出来，与井眼轨迹实钻资料对应，就可以得到与地层可钻性级值等步长的工程数据链。
1.3.3建立对应关系图版
有了与井深相对应的等步长的地层可钻性级值和工程数据，就可以利用统计分析的方法建立二者之间的关系图版。
1.4 实例分析
选取鄂尔多斯盆地大牛地气田DP4、DP6两口长水平段水平井的钻井数据，并利用上述方法进行数据处理，可以得出DP4、DP6井地层可钻性级值与工程数据的对应关系(图1、2)。表1所示的为DP4井的统计数据。
由图1、2可以看出：①地层可钻性级值与井眼全角变化率存在函数关系；②随着地层可钻性级值的增加，井眼全角变化率递增。
2 基于地层可钻性的水平段井眼轨迹控制方法
用于水平井钻井的井下工具的工程实现能力是有限的，或者说常用的单弯动力钻具在滑动钻进时的造斜率是有既定空间的。因此，如果在水平井施工前能够了解地层对于复合钻进的响应规律，就可以更合理地选择钻具组合和钻进参数。而利用直井或定向井的测井资料可以对储层的地层可钻性进行评估，把该评估结果与本文第一部分提到的统计规律进行类比，即可预测出在目的层复合钻进时可能的井眼轨迹变化情况，依此即可选择合理的轨迹控制方法。
基于上述认识，可进而提出以工程实现能力为依据的地层分级方法。即根据井眼尺寸和地层对于钻井手段的响应效果进行分级。例如，在大牛地气田，根据地层可钻性级值，Φ215.9mm井眼可以将地层分为3级(图3)。地层可钻性级值(Kd)小于3的可划分为I级，对应的复合钻进全角变化率小于3.5°/100m，即复合钻进60m，井斜最大增加2.1°，使用1.25°单弯动力钻具滑动钻进10m左右即可控制井眼轨迹。滑动钻进与旋转钻进的比例接近1：6。实际施工中，当所钻地层Kd＜3时，可以使用“钻头+单弯螺杆动力钻具+无磁钻具+……”的常用钻具组合，通过多次划眼、控制钻压等方法均可有效降低复合钻进井段的全角变化率。根据地层可钻性级值选择底部钻具组合及井眼轨迹控制的方法见表2。
3 应用情况
在大牛地气田DP22、DP19等水平井施工中，通过地层可钻性分析得知地层可钻性级值大多在4～6，实际施工中使用了欠尺寸扶正器，并将螺杆钻具本体扶正器外径缩小，从而进一步降低了复合钻进时的增斜率，减少了滑动钻进进尺。滑动钻进进尺占水平段全部进尺的10%。此外，上述方法在苏里格气田的桃2-6-12H、苏14-6-24H等水平井钻井中也得到了应用，效果明显。
4 结论
1) 通过建立地层可钻性级值与工程数据的对应关系，研究了地层条件对井眼轨迹的影响规律。这一研究方法思路可行，有助于确定具体区块水平井施工的基本钻具组合和相应钻进措施。
2) 提出了以地层可钻性级值作为设计依据，构建适应地层可钻性的底部钻具组合设计指导原则，并结合现场应用形成了考虑岩石性能变化的井眼轨迹控制方法。
3) 从钻井工程的角度初步提出了一种新的地层分级方法，并在实际钻井过程中得到应用和验证，有助于拓宽岩土力学在钻井工程方面的应用范围。
4) 地质构造、钻井介质、钻进参数等影响水平井井眼轨迹变化规律的重要因素在此并未讨论，值得今后开展相关研究。
参考文献
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(本文作者：牛洪波 中国石油化工集团公司胜利石油管理局钻井工艺研究院)
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