長水平段大位移井井眼軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)

竇玉玲

(勝利石油管理局鉆井工藝研究院，山東東營 257017)

長水平段大位移井井眼軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)

竇玉玲

(勝利石油管理局鉆井工藝研究院，山東東營 257017)

摩阻和扭矩是制約長水平段大位移井水平段延伸的主要因素，井眼軌道優(yōu)化是減小鉆具摩阻和扭矩的方法之一。模擬了不同造斜率和靶前位移情況下長水平段大位移井的摩阻和扭矩，分析了不同軌道類型對摩擦系數(shù)的敏感性。結(jié)果表明，長水平段大位移井應(yīng)優(yōu)先選用較低造斜率的軌道，無特殊需要時(shí)盡量簡化軌道類型。

水平井;大位移井;長水平段;井眼軌道;優(yōu)化設(shè)計(jì)

長水平段大位移井的突出特點(diǎn)是水平位移大、裸眼井段長，施工中鉆柱和套管柱在井眼內(nèi)的摩阻和扭矩大［1］。長水平段大位移井與常規(guī)大位移井有著本質(zhì)的區(qū)別，后者的水平位移長主要體現(xiàn)在靶前位移大，前者則主要體現(xiàn)在水平段長度大。對于常規(guī)大位移井而言，由于其靶前位移大，井眼軌道的造斜點(diǎn)、穩(wěn)斜角、造斜率和軌道類型可選擇的范圍很大，井眼軌道優(yōu)化的空間也很大［2～5］。長水平段大位移井因水平段很長，靶前位移一般不宜太大，否則井底水平位移會(huì)更長，從而導(dǎo)致鉆井過程中的摩阻和扭矩過大，嚴(yán)重時(shí)鉆壓難以傳遞到井底，無法進(jìn)行正常的鉆井施工。受靶前位移的限制，在大位移井軌道優(yōu)化中倍受青睞的懸鏈線軌道的優(yōu)勢難以體現(xiàn)。實(shí)踐表明，減小造斜率對降低摩阻有較好的效果，但對于長水平段水平井來說，造斜率不能過低，因?yàn)檫^低的造斜率需要較大的靶前位移。因此，長水平段水平井軌道優(yōu)化的另一個(gè)關(guān)鍵是造斜率與靶前位移的平衡。

筆者借助現(xiàn)有軟件對長水平段大位移井井眼軌道進(jìn)行了模擬分析，對比了目前常用的幾種軌道類型，力求找到造斜率與靶前位移的平衡點(diǎn)，最大限度地優(yōu)化井眼軌道及降低摩阻和扭矩，為長水平段大位移井的設(shè)計(jì)、施工提供指導(dǎo)。

1 井眼軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)模擬分析

1.1 造斜率對摩阻和扭矩的影響

對造斜率分別為 7.5°、15°、20°和準(zhǔn)懸鏈線軌道進(jìn)行摩阻和扭矩的模擬分析，軌道基本數(shù)據(jù)見表1。分析條件:鉆頭扭矩4011 N·m;復(fù)合鉆進(jìn)鉆壓120 kN;滑動(dòng)鉆進(jìn)鉆壓80 kN;鉆井液密度1.05 g/cm3;鉆井液塑性粘度18 mPa·s;鉆井液動(dòng)切力10 Pa;套管內(nèi)摩擦系數(shù)0. 15;裸眼段摩擦系數(shù)0.2。模擬結(jié)果見表2。

表1 不同造斜率情況下的模擬軌道基本參數(shù)

表2 不同造斜率情況下的摩阻和扭矩

由表2可以看出，在靶前位移相同的情況下，隨著造斜率的增大，井眼軌道的摩阻和扭矩逐漸加大，懸鏈線軌道因受靶前位移的限制，優(yōu)勢不明顯(軌道1～4的靶前位移均為900 m，若再縮小靶前位移，懸鏈線軌道的優(yōu)勢會(huì)更不明顯)。因此，在靶前位移允許的情況下，長水平段大位移井井眼軌道設(shè)計(jì)應(yīng)優(yōu)先選用低造斜率。

1.2 靶前位移對摩阻和扭矩的影響

在水平井井眼軌道設(shè)計(jì)參數(shù)中，靶前位移和造斜率不是2個(gè)獨(dú)立的變量，靶前位移制約著造斜率的選擇。靶前位移大，造斜率的可選擇范圍廣，反之則只能采用相對高的造斜率才能設(shè)計(jì)出較為合理的井眼軌道。假定靶前位移取350、500、600和700 m，基于前面的結(jié)論，對每種靶前位移優(yōu)選造斜率最小的軌道進(jìn)行摩阻和扭矩的模擬分析，模擬軌道的基本參數(shù)見表3，模擬結(jié)果見表4。

表3 不同靶前位移情況下的模擬軌道基本參數(shù)

表4 不同靶前位移情況下摩阻和滑動(dòng)鉆進(jìn)鉤載對比

目前國內(nèi)尚未應(yīng)用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向，在此情況下滑動(dòng)鉆進(jìn)是制約長水平段水平井鉆探成功的主要工況。由表4可見:裸眼內(nèi)摩擦系數(shù)為0.3時(shí)，隨著靶前位移的增大，滑動(dòng)鉆進(jìn)鉤載有所減小，但均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于零(鉤載大于零說明正常鉆進(jìn)時(shí)可以順利施加鉆壓);裸眼內(nèi)摩擦系數(shù)達(dá)到0.6時(shí)，滑動(dòng)鉆進(jìn)鉤載漸漸增加，表明靶前位移較大的軌道對水平段延伸的“驅(qū)動(dòng)”能力強(qiáng);裸眼內(nèi)摩擦系數(shù)達(dá)0.66時(shí)，350 m的靶前位移對應(yīng)的滑動(dòng)鉆進(jìn)鉤載為負(fù)值，表明鉆壓已無法傳遞到井底，但大于500 m的靶前位移仍可以施加鉆壓正常鉆進(jìn)。

通過對模擬結(jié)果進(jìn)行分析，得出如下結(jié)論。

(1)摩擦系數(shù)小時(shí)，小靶前位移更有利于鉆進(jìn)。該結(jié)論已被鉆井實(shí)踐證明，常規(guī)水平井水平段短，摩擦系數(shù)很容易控制在0.3以內(nèi)。目前，勝利油田已完鉆的常規(guī)水平井，其設(shè)計(jì)軌道一般均采用中曲率半徑，靶前位移在350 m左右，可以滿足常規(guī)水平井的順利施工。

(2)摩擦系數(shù)大時(shí)，大靶前位移更有利于水平段的延伸。長水平段水平井井壁穩(wěn)定問題、攜巖問題突出，鉆進(jìn)過程中摩擦系數(shù)很難控制在較低的水平。這類水平井的關(guān)鍵問題是如何延伸水平段，因此應(yīng)選擇大一些的靶前位移。

1.3 井眼軌道對摩擦系數(shù)的敏感性對比

假定軌道5、軌道6和軌道8的摩擦系數(shù)不同(其他參數(shù)取值相同)，隨著摩擦系數(shù)的變化，不同靶前位移對應(yīng)的軌道摩阻的變化趨勢見圖1。

圖1 滑動(dòng)鉆進(jìn)時(shí)井眼軌道對摩擦系數(shù)的敏感性

由圖1可見:造斜率(8°～9°)/100 m的軌道對摩擦系數(shù)的敏感性明顯小于造斜率(16°～17°)/100 m的軌道。這主要是因?yàn)槟Σ磷枇Φ拇笮∨c摩擦系數(shù)和正壓力有關(guān)系，正壓力包括管柱重力引起的接觸正壓力、軸向力和彎曲井眼耦合作用產(chǎn)生的正壓力、管柱彎曲剛度與彎曲井眼耦合作用產(chǎn)生的正壓力，在裸眼段摩擦系數(shù)較小時(shí)，管柱重力引起的接觸正壓力對摩擦力的影響最大，造斜率較高的井眼軌道其造斜段短，正壓力相對較小，因此摩擦力小。隨著摩擦系數(shù)的增大，軸向力和彎曲井眼耦合作用產(chǎn)生的正壓力在總正壓力中的比例升高，此時(shí)“狗腿度”對摩擦力的影響開始表現(xiàn)出來，造斜率較高的井眼軌道其“狗腿度”較大，與鉆柱軸向力耦合產(chǎn)生的正壓力較高，因此摩擦力相對較大。

對于長水平段大位移井來說，隨著水平段的延伸，井眼底邊易形成巖屑床，且水平段通常為裸眼段，易出現(xiàn)井壁穩(wěn)定問題，巖屑床、井壁掉塊導(dǎo)致摩擦系數(shù)增大。隨著摩擦系數(shù)的增大，滑動(dòng)鉆進(jìn)摩阻會(huì)迅速增加，為了盡可能降低摩阻增量，長水平段大位移井井眼軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)優(yōu)選合適的造斜率，盡量降低井眼軌道對摩擦系數(shù)的敏感性。

2 井眼軌道類型優(yōu)選

水平井常用軌道類型有“直—增—平”、“直—增—增—平”、“直—增—穩(wěn)—增—平”3種。其中，“直—增—穩(wěn)—增—平”軌道中的穩(wěn)斜段主要是為入靶留有余地，即在入靶前井斜角達(dá)到85°左右時(shí)穩(wěn)斜鉆進(jìn)30～40 m，以調(diào)整軌跡，確保水平段在預(yù)定油層穿過。這種考慮主要是基于造斜率較高〔(20°～25°)/100 m或更高〕時(shí)，若地層深度預(yù)測不準(zhǔn)，沒有穩(wěn)斜段預(yù)留的調(diào)整余地，地層提前時(shí)很難命中目的層。

“直—增—平”或“直—增—增—平”剖面(“直—增—增—平”剖面斜井段的造斜率為先高后低)既能滿足LWD/FEWD儀器鉆水平井的使用條件，又有利于準(zhǔn)確控制著陸點(diǎn)(第一靶點(diǎn))及縮短靶前位移和造斜段的長度，改善水平井斜井段的井眼形狀，使井眼軌道更加平滑，降低摩阻和扭矩。因此，長水平段大位移井宜優(yōu)先選用單增(或雙增)剖面，沒有穩(wěn)斜段，軌道更平滑，而且不用調(diào)整鉆具組合及相應(yīng)的技術(shù)措施，同時(shí)10°/100 m左右的造斜率即使地層提前也能滿足入靶的需要。

3 實(shí)鉆分析

一口部署在大牛地氣田的長水平段大位移井，水平段井眼尺寸φ215.9 mm，設(shè)計(jì)水平段長1500 m，靶前位移500 m(大牛地工區(qū)首次采用該種設(shè)計(jì))，造斜率11.4°/100 m左右。由于本井目的層以上沒有煤層，不用考慮鉆遇煤層而設(shè)計(jì)穩(wěn)斜段，而且設(shè)計(jì)造斜率較低，如果地層提前完全有能力滿足入靶的需要，因此軌道類型選用了單增剖面。

實(shí)鉆過程中，斜井段充分利用了地層和鉆具組合的自然造斜規(guī)律，復(fù)合鉆進(jìn)比例達(dá)到75%以上，創(chuàng)造了該工區(qū)二開鉆井周期最短的紀(jì)錄(二開完鉆累計(jì)29.75天)。同時(shí)，因斜井段“狗腿度”較小，水平段施工順利，在水平段長度＜1300 m之前能很好的實(shí)現(xiàn)滑動(dòng)鉆進(jìn)，取得了較好的實(shí)鉆效果。

4 結(jié)論

(1)綜合考慮摩阻扭矩及軌道對摩擦系數(shù)的敏感性，長水平段大位移井井眼軌道優(yōu)先選用10°/100 m左右的造斜率，在此前提下，優(yōu)選靶前位移較小的軌道類型。

(2)對于淺層長水平段大位移井，由于受目的層垂深的限制，如果采用10°/100 m的造斜率，其造斜點(diǎn)可能太淺，無法保證定向的順利實(shí)施，只能采用中曲率半徑造斜率的井眼軌道。

(3)在造斜率為10°/100 m左右的情況下，如果不存在需要設(shè)計(jì)穩(wěn)斜段進(jìn)行軌道調(diào)整的特殊地層，軌道剖面優(yōu)選單增或雙增剖面。

(4)為了保證長水平段大位移井水平段能順利延伸，上述分析是從優(yōu)化軌道設(shè)計(jì)方面進(jìn)行的模擬探索，目前該項(xiàng)技術(shù)尚處于探索階段，在理論上還需做進(jìn)一步的研究。

［1］陳樂亮.水平井鉆井的降摩阻問題綜述［J］.鉆采工藝，1994，17(1):6－10.

［2］董德仁，齊月魁，何衛(wèi)濱，等.大位移井鉆井摩阻預(yù)測及井眼軌道優(yōu)選［J］.石油鉆采工藝，2005，27(S1):14 －16.

［3］盧明輝，管志川.大位移井?dāng)[線軌道設(shè)計(jì)方法［J］.石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2003，27(6):33 －35.

［4］盧明輝，管志川.大位移井軌道設(shè)計(jì)中關(guān)鍵參數(shù)的確定［J］.石油鉆探技術(shù)，2003，31(5):70 －71.

［5］宋執(zhí)武，高德利，李瑞營.大位移井軌道設(shè)計(jì)方法綜述及曲線優(yōu)選［J］.石油鉆探技術(shù)，2006，34(5):24－27.

Optimizing Design of Well Trajectory for Extended Reach Well with Long Horizontal Section

DOU Yu-ling(Shengli Drilling Technology Research Institute，Dongying Shandong 257017，China)

Friction and torque are main factors that hinder extending of long horizontal section well.Optimization of well trajectory is one way to reduce friction and torque.Friction and torque of various well profiles with different build-up rate and different displacement before target are calculated，and the influence of friction coefficient on various well profiles is analyzed.The results show that low build-up rate and simple trajectory are suitable for extended reach horizontal well with long horizontal section.

horizontal well;extended reach well;long horizontal section;well trajectory;optimizing design

TE243

A

1672－7428(2011)07－0050－03

2010－12－28

竇玉玲(1981－)，女(漢族)，山東青州人，勝利石油管理局鉆井工藝研究院工程師，油氣井工程專業(yè)，碩士，從事鉆井技術(shù)研究與鉆井工程設(shè)計(jì)工作，山東省東營市東營區(qū)北一路827號，douyuling163@163.com。