川東北河壩區(qū)塊大斜度井軌道優(yōu)化設(shè)計技術(shù)

朱禮平 吳玉君 刁 素 王希勇 王毅

1.中國石化西南油氣分公司工程技術(shù)研究院 2.中國石化西南油氣分公司鉆井工程處

川東北河壩區(qū)塊大斜度井軌道優(yōu)化設(shè)計技術(shù)

朱禮平1吳玉君2刁 素1王希勇1王毅1

1.中國石化西南油氣分公司工程技術(shù)研究院 2.中國石化西南油氣分公司鉆井工程處

中國石油化工股份有限公司川東北河壩區(qū)塊大斜度定向井，在不同工況作業(yè)（如正常、滑動鉆進、起下鉆等）過程中都存在著造斜段軌跡控制難度大、施工摩擦阻力大等難題。為此，從井眼軌道設(shè)計入手，在系統(tǒng)分析常用軌道設(shè)計方法的基礎(chǔ)上，得出除了查圖法和作圖法外，一般應(yīng)采用解析法進行設(shè)計的認(rèn)識，設(shè)計思路：首先根據(jù)給定設(shè)計條件求出不同軌跡關(guān)鍵參數(shù)，然后求出軌道節(jié)點數(shù)據(jù)，最后求出軌道分點數(shù)據(jù)。結(jié)合該區(qū)塊大斜度定向井的特點，對軌道設(shè)計中的關(guān)鍵參數(shù)、軌道剖面類型等進行優(yōu)化，優(yōu)化設(shè)計原則：①軌跡設(shè)計必須滿足地質(zhì)靶點、中靶方位以及現(xiàn)場施工條件（如鉆機型號、定向儀器等）的要求；②井眼軌跡幾何形狀最優(yōu)化設(shè)計首先須滿足常規(guī)導(dǎo)向鉆具組合造斜率的要求、特定套管柱和井眼軌跡的相互適應(yīng)性，其次要求軌跡最短、管柱的摩擦阻力相對最小，最后要求軌跡光滑過渡和井眼曲率均勻。優(yōu)化設(shè)計的步驟：先根據(jù)地質(zhì)參數(shù)（如靶點垂深、水平位移等）和工藝水平（如定向工具型號、性能等），對造斜點以下井段進行鉆井方式和鉆具組合設(shè)計，然后才能對大斜度井井眼軌道進行優(yōu)化設(shè)計。將所形成的大斜度定向井軌道優(yōu)化設(shè)計技術(shù)成果應(yīng)用于HB1－1D等多口大斜度井鉆井設(shè)計和施工作業(yè)中，均順利實現(xiàn)了地質(zhì)中靶和完井作業(yè)，為該區(qū)塊后續(xù)部署井的軌道設(shè)計提供了依據(jù)。

四川盆地東北部 河壩區(qū)塊 大斜度井 軌跡控制 摩擦阻力 扭矩 軌道優(yōu)化設(shè)計 鉆具組合設(shè)計

大斜度定向井是解決井位部署難題和提高油氣單井產(chǎn)能的一種新井型。近年來，中國石油化工股份有限公司為了加快四川盆地東北部河壩區(qū)塊勘探開發(fā)進程，針對山區(qū)地貌部署了一批以下三疊統(tǒng)嘉陵江組嘉二段和飛仙關(guān)組飛三段為目的層的大斜度定向井，大都具有鉆遇多套陸海相地層、井深逾5 000 m，鉆井液密度逾2.0 g／cm3、造斜點深度逾4 000 m，水平位移逾1 500 m等特點，其中上部陸相地層傾角大、易井斜，軌跡控制難度大；地層呈不整合接觸，漏層多、位置不確定，地層承壓能力低；下部海相地層屬于高壓地層、嘉五段—嘉四段鹽膏層發(fā)育，存在縮徑現(xiàn)象［1］且大都處于造斜井段，進一步增加了不同工況作業(yè)（如正常、滑動鉆進、起下鉆等）過程中造斜段軌跡控制的難度。為此，從井眼軌道設(shè)計入手，在系統(tǒng)分析常用軌道設(shè)計方法上［2－6］，結(jié)合河壩區(qū)塊大斜度定向井特點，對軌道設(shè)計中關(guān)鍵參數(shù)、軌道剖面類型等進行優(yōu)化，形成了該區(qū)大斜度井軌道優(yōu)化設(shè)計技術(shù)，并成功應(yīng)用于HB1－1D等多口大斜度井鉆井設(shè)計和施工中。

1 軌道設(shè)計方法對比分析

1.1 基本數(shù)據(jù)

設(shè)計井眼軌道通常由4部分組成：oa段——直井段，ab段——圓弧過渡段，bc段——特殊曲線井段（圓弧、懸鏈線或擬懸鏈線等），cd段——穩(wěn)斜井段（如圖1所示）。主要參數(shù)有：①靶點垂深Dd，水平位移Sd；②oa段：造斜點垂深Da，井斜角αa；③ab段：造斜率Ka或曲率半徑Ra；④cd段：穩(wěn)斜角αc、穩(wěn)斜段長度Lw等［3］。

1.2 設(shè)計方法

當(dāng)前，定向井井眼軌道設(shè)計有常規(guī)（直線和圓弧）和非常規(guī)（直線、圓弧和某種特殊曲線）兩大類，主要有圓弧、擺線、懸鏈線、擬懸鏈線、側(cè)位懸鏈線、側(cè)位拋物線及修正懸鏈線等設(shè)計方法?？傮w上說，井眼軌道都具有垂直段、造斜段和穩(wěn)斜段三段共性，其主要區(qū)別在于各種設(shè)計方法在造斜段采用不同的設(shè)計曲線形狀。筆者對近年廣泛采用圓弧、懸鏈線以及側(cè)位懸鏈線軌道設(shè)計方法進行了歸一分析，得出除了查圖法和作圖法外，一般采用解析法進行設(shè)計的認(rèn)識，其設(shè)計步驟是：首先根據(jù)給定設(shè)計條件求出不同軌跡關(guān)鍵參數(shù)，然后求出軌道節(jié)點數(shù)據(jù)，最后求出軌道分點數(shù)據(jù)。

圖1 常見定向井軌道剖面示意圖

1.2.1 圓弧軌道（b、c點為同一圓弧段上兩點）

1）關(guān)鍵參數(shù)αc和Lw

2）節(jié)點數(shù)據(jù)

3）分點數(shù)據(jù)

穩(wěn)斜cd段：αj＝αc，Dj＝Dc＋（Lj－Lc）cosαc，Sj＝Sc＋（Lj－Lc）sinαc。

1.2.2 懸鏈線軌道（b點為圓弧終點，c點為懸鏈線終點）

1.2.2.1 關(guān)鍵參數(shù)αb和Lbc

1.2.2.2 節(jié)點數(shù)據(jù)

1.2.2.3 分點數(shù)據(jù)

1.2.3 側(cè)位懸鏈線軌道（b、c點為同一側(cè)位懸鏈線上兩點）

1.2.3.1 關(guān)鍵參數(shù)Lw和特征參數(shù)a

1.2.3.2 節(jié)點數(shù)據(jù)

1.2.3.3 分點數(shù)據(jù)

2 大斜度井軌道優(yōu)化設(shè)計技術(shù)

在大斜度定向井井眼軌道設(shè)計中，采用合理軌道參數(shù)（造斜點、造斜率及穩(wěn)斜角等）和剖面類型可有效評價不同工況下鉆具延伸能力，利于指導(dǎo)現(xiàn)場施工，能為鉆機選型、鉆井液類型、鉆井方式以及下套管方式選擇等提供參考［7－10］。

2.1 基本原則

1）軌跡設(shè)計必須滿足地質(zhì)靶點、中靶方位以及現(xiàn)場施工條件（如鉆機型號、定向儀器等）要求。

2）井眼軌跡幾何形狀最優(yōu)化：首先須滿足常規(guī)導(dǎo)向鉆具組合造斜率的要求，特定套管柱和井眼軌跡的相互適應(yīng)性；其次要求軌跡最短，管柱的摩擦阻力相對最小；再次要求軌跡光滑過渡和井眼曲率均勻。

2.2 優(yōu)化設(shè)計

首先根據(jù)地質(zhì)參數(shù)（如靶點垂深、水平位移等）和工藝水平（如定向工具型號、性能等），對造斜點以下井段進行鉆井方式和鉆具組合設(shè)計，然后才能對大斜度井井眼軌道進行優(yōu)化設(shè)計，其主要步驟如下：

2.2.1 確定合理的穩(wěn)斜角

依據(jù)穩(wěn)斜段起始點處設(shè)計的鉆具組合零軸向力條件［2］，計算出穩(wěn)斜井段的最大穩(wěn)斜角αcmax，然后與穩(wěn)斜井段對應(yīng)的臨界穩(wěn)斜角αk＝tan－1（1／μ）進行對比，若αcmax＜αk則設(shè)計鉆具組合滿足滑動定向鉆進要求，此時最大穩(wěn)斜角αcmax即為確定合理的穩(wěn)斜角；若αcmax＜αk則需對鉆具組合重新設(shè)計。

2.2.2 不同剖面軌道設(shè)計

在確定合理的穩(wěn)斜角上，利用上述軌道設(shè)計方法對不同軌道進行計算，設(shè)計出各種軌道對應(yīng)的關(guān)鍵參數(shù)、節(jié)點參數(shù)和分點數(shù)據(jù)；然后從井眼長度、最大狗腿度和增斜段長等方面，對不同設(shè)計軌道進行幾何形狀評價。

2.2.3 不同軌道摩擦阻力評價

在相同條件下，對不同設(shè)計軌道對應(yīng)的不同工況（如正常、滑動鉆進、起下鉆等）的摩擦阻力進行評價，以優(yōu)化出相對最優(yōu)設(shè)計軌道。

3 應(yīng)用實例及效果分析

3.1 設(shè)計參數(shù)

河壩區(qū)塊大斜度定向井設(shè)計參數(shù)如下：靶點垂深Dd＝5 200 m，水平位移Sd＝2 000 m，閉合方位120°；oa段：造斜點垂深Da＝4 000 m，井斜角αa＝0，ab段：造斜率Ka＝6°～18°／100 m。

穩(wěn)斜段鉆進鉆具組合設(shè)計結(jié)果如表1所示。

3.2 軌道優(yōu)化設(shè)計

3.2.1 確定合理的穩(wěn)斜角

1）依據(jù)穩(wěn)斜段起點處鉆柱零軸向力條件，可計算出最大穩(wěn)斜角αcmax，其計算過程如下：軸向拉力

表1 穩(wěn)斜段鉆進鉆具組合設(shè)計結(jié)果表

式中p為鉆壓，k N；ρ為鉆柱平均線密度，kg／m。

設(shè)T＝0將鉆具組合及鉆井參數(shù)代入化簡為：

通過簡化式可試算出最大穩(wěn)斜角，即假設(shè)一個穩(wěn)斜角αc，對應(yīng)算出一個穩(wěn)斜段長度Lw，然后與設(shè)計井在該穩(wěn)斜角下確定的圓弧軌道穩(wěn)斜段對比結(jié)果見表2，確定出最大穩(wěn)斜角αcmax＝65.00°。

表2 不同穩(wěn)斜角條件下兩種穩(wěn)斜段長度試算結(jié)果表

2）依據(jù)套管內(nèi)摩擦阻力系數(shù)0.25和裸眼段內(nèi)摩擦阻力系數(shù)0.30，可計算出在平均摩擦阻力系數(shù)0.28條件下穩(wěn)斜段對應(yīng)的臨界穩(wěn)斜角αk＝74.36°＞αcmax＝65.00°，滿足滑動定向鉆進要求，可確定出3種設(shè)計軌道穩(wěn)斜段對應(yīng)的合理穩(wěn)斜角為65.00°。

3.2.2 3種不同剖面軌道設(shè)計

3種設(shè)計軌道分段數(shù)據(jù)結(jié)果如表3所示。

從表3可知，在設(shè)計井相同條件下，3種不同軌道具有幾何形狀特點如下：①設(shè)計井深以圓弧線最長（6 415.79 m、65.00°），懸鏈線次之（6 413.63 m、65.00°），側(cè)位懸鏈線最短（6 402.69 m、65.00°），最大相差13 m左右；②增斜段長以側(cè)位懸鏈線最長（659.56 m、10.30%），懸鏈線次之（493.63 m、7.70%），圓弧線最短（478.05 m，7.45%）；③最大井眼曲率以側(cè)位懸鏈線最大（5.52°／30 m），懸鏈線次之（4.20°／30 m），圓弧線最?。?.08°／30 m）。

表3 3種設(shè)計軌道分段數(shù)據(jù)結(jié)果表

3.2.3 3種不同軌道摩擦阻力評價

為了評價上述3種井眼軌道剖面優(yōu)劣性，采用Land Mark軟件對在相同條件下不同軌道剖面進行摩擦阻力評價，其分析結(jié)果如表4所示。

表4 3種不同軌道幾何特征及摩擦阻力評價結(jié)果表

從表4可知，3種不同軌道各項摩擦阻力值：圓弧線＞懸鏈線＞側(cè)位懸鏈線，其值大小大致與增斜段長度呈反比關(guān)系，但總體上說單項摩擦阻力相差不大，誤差在10%以內(nèi)。結(jié)合河壩區(qū)塊以大斜度深井開發(fā)為主，為方便現(xiàn)場定向施工，宜采取相對簡單的“直—增—穩(wěn)”圓弧軌道進行設(shè)計。

3.3 應(yīng)用效果

2008年以來，河壩區(qū)塊先后部署了HB1－1D、HF302、HF203和HJ203H等4口大斜度井或水平井。在鉆前設(shè)計和鉆井施工中，采用“直—增—穩(wěn)”或“直—增—穩(wěn)—增—平”圓弧軌道進行了4井次原軌道和4井次軌道調(diào)整設(shè)計，很好實現(xiàn)了井眼軌跡控制，都順利完成了地質(zhì)中靶和后期大斜度井下套管等作業(yè)。

4 結(jié)論

1）根據(jù)河壩區(qū)塊大斜度井地質(zhì)參數(shù)和工藝水平特點，通過對軌道設(shè)計關(guān)鍵參數(shù)、軌道剖面類型等進行優(yōu)化，形成了該地區(qū)大斜度定向井軌道優(yōu)化設(shè)計技術(shù)。

2）軌道優(yōu)化設(shè)計技術(shù)成功應(yīng)用在HB1－1D等多口井鉆井設(shè)計和施工中，均順利實現(xiàn)了地質(zhì)中靶和完井作業(yè)，為河壩區(qū)塊后續(xù)部署井軌道設(shè)計提供了依據(jù)。

［1］胡永章，謝潤成，鐘敬敏，等.河壩構(gòu)造復(fù)雜工程地質(zhì)問題與安全優(yōu)快鉆井技術(shù)對策［J］.中外能源，2010，15（8）：35－38.

［2］宋執(zhí)武，高德利，李瑞營.大位移井軌道設(shè)計方法綜述及曲線優(yōu)選［J］.石油鉆探技術(shù)，2006，34（5）：24－26.

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Well trajectory optimization for highly deviated wells in the Heba Block，northeastern Sichuan Basin

Zhu Liping1，Wu Yujun2，Diao Su1，Wang Xiyong1，Wang Yi1
（1.Engineering Technology Institute，Southwest Petroleum Branch，Sinopec，Deyang，Sichuan，618000，China；2.Drilling Engineering Department，Sinopec Southwest Branch，Chengdu，Sichuan 610016，China）

NATUR.GAS IND.VOLUME 31，ISSUE 11，pp.78－82，11／25／2011.（ISSN 1000－0976；In Chinese）

Such difficulties as trajectory control at the build－up section and high friction forces in operation are easily encountered during normal drilling，sliding drilling or tripping operation in highly deviated wells at the Heba Block，operated by the Sinopec in the northeastern Sichuan Basin.Therefore，a systematic analysis is made of the commonly used trajectory design methods and it is found that the analytical method is preferred for well trajectory design besides the table／figure looking－up and mapping／plotting methods.The basic procedure of this recommended method is as follows：First to calculate the key parameters of different trajectories according to the given conditions，then to calculate the nodal data of the trajectories，and finally to calculate the data of diverting points.In combination with the specific features of highly deviated wells in this block，trajectory parameters and profile patterns are optimized by the following principles.（1）A well trajectory design should meet the requirements of geological target，target azimuth and operating conditions，such as drilling rig types and directional drilling instruments used.（2）The wellbore geometry should first satisfy the need of the build－up rate of the conventional steering BHA；being co－adaptive should be necessary between the trajectory and the specific casing string；the shortest length of the trajectory should be the most preferable；the tubing friction resistance should be as small as possible；and smooth transition and uniform borehole curvature should be required for the well trajectory design.Before optimizing the high－angle section，the operators should first optimize the drilling mode and BHA for sections below the kickoff point based on the geological parameters，such as the defined True Vertical Depth（TVD）of the target，horizontal displacement，etc.，and the state－of－the－art drilling technologies，such as directional drilling tool types and behaviors，etc.With this set of optimization technology applied to the planning and drilling of such wells as HB1－1D etc.，successful targeting and completion operations have been completed，which provides reference for future well trajectory designs in this block.

Sichuan Basin，northeast，Heba Block，highly deviated well，trajectory control，friction，torque，trajectory optimization design，BHA design

朱禮平等.川東北河壩區(qū)塊大斜度井軌道優(yōu)化設(shè)計技術(shù).天然氣工業(yè)，2011，31（11）：78－82.

10.3787／j.issn.1000－0976.2011.11.020

中國石化西南油氣分公司項目“河壩區(qū)塊定向井鉆井工藝技術(shù)應(yīng)用研究”（編號GJ－109－0821）。

朱禮平，1981年生，工程師，碩士；2007年畢業(yè)于西南石油大學(xué)油氣井工程專業(yè)；現(xiàn)從事鉆井、固井等方面的設(shè)計和科研工作。地址：（618000）四川省德陽市龍泉山北路298號。電話：13908105539。E－mail：zhulipingswpi＠126.com

（修改回稿日期 2011－09－15 編輯 居維清特約編輯 楊 斌）

DOI：10.3787／j.issn.1000－0976.2011.11.020

Zhu Liping，engineer，born in 1981，graduated in oil／gas well engineering from Southwest Petroleum University in 2007.He is now

engaged in drilling and cementing planning and the related research.

Add：No.298，North Longquanshan Rd.，Deyang，Sichuan 618000，P.R.China

Mobile：＋86－13908105539 E－mail：zhulipingswpi＠126.com