長水平段水平井井眼軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

胥 豪，董志輝

(中石化勝利石油管理局鉆井工藝研究院，山東東營257017)

長水平段水平井的主要特點(diǎn)在于水平段長度較長;又由于不同于普通大位移定向井，其井斜角多在90°左右，因此形成了長水平段水平井施工的最大困難，即管柱在井內(nèi)的摩阻和扭矩特別大。在相同工況下，長水平段水平井的水平段長度延伸能力主要取決于管柱摩阻扭矩的大小;或者說長水平段水平井延伸能力取決于克服管柱摩阻扭矩的技術(shù)水平和能力。

減小長水平段水平井摩阻扭矩的方式方法有很多，首先從井眼軌道設(shè)計(jì)入手，設(shè)計(jì)出摩阻扭矩最小的井眼軌道是長水平段水平井摩阻扭矩控制技術(shù)的關(guān)鍵之一，而長水平段水平井設(shè)計(jì)的基本原則則在于降低摩阻和扭矩［1］。

1 最困難作業(yè)工況分析［2］

長水平段水平井作業(yè)的工況也不外乎起鉆、下鉆、滑動鉆進(jìn)、旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)、劃眼、下套管油管等作業(yè)工況。對應(yīng)不同的工況，管柱的受力也不相同，所遇到的困難也不同，哪種工況的作業(yè)難度最大，則可能成為整口井施工的制約因素，因此，軌道設(shè)計(jì)時(shí)需首先考慮作業(yè)難度最大的工況。

(1)起鉆。起鉆時(shí)大鉤需要承受全部的鉆柱重力和提升加速階段的動載荷，還要承受井眼對鉆柱的摩阻，而且起鉆時(shí)鉆柱所受的摩阻在鉆柱所有作業(yè)工況中是最大的。在起鉆過程中，會出現(xiàn)大鉤載荷的最大值、鉆柱所受的軸向力最大值，這將可能導(dǎo)致現(xiàn)場提升設(shè)備的提升能力不夠，或者鉆柱強(qiáng)度不夠，但是就目前的鉆機(jī)設(shè)備提升能力和鉆具的抗拉強(qiáng)度而言，起鉆不應(yīng)當(dāng)成為最困難的工況。

(2)下鉆。下鉆過程中鉆柱摩阻的方向與重力方向相反，所以大鉤載荷和鉆柱軸向受力都不會太大，不會出現(xiàn)鉆機(jī)提升能力不夠或者鉆柱強(qiáng)度不夠的情況;但是下鉆過程中如果摩阻很大，甚至可能會出現(xiàn)大鉤載荷為零的情況，導(dǎo)致下鉆下不下去的現(xiàn)象。國內(nèi)目前長水平段水平井鉆井多采用頂驅(qū)系統(tǒng)進(jìn)行鉆進(jìn)，可在下放鉆具的同時(shí)旋轉(zhuǎn)鉆具，使一部分軸向摩阻變?yōu)橹芟蚰ψ瑁瑥亩蟠鬁p小軸向摩阻。因此，下鉆工況不應(yīng)當(dāng)成為最困難的工況。

(3)旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)。旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時(shí)下部鉆具承受著軸向壓力，上部鉆柱承受著軸向拉力，全井鉆具承受著破巖和旋轉(zhuǎn)摩阻產(chǎn)生的扭矩，同時(shí)還有少量的軸向摩阻。此工況時(shí)鉆柱軸力不是很大，但是所承受的扭矩是所有工況下的最大值，甚至?xí)霈F(xiàn)鉆柱強(qiáng)度不夠的問題，所以旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮鉆柱扭矩［3］。

(4)滑動鉆進(jìn)。滑動鉆進(jìn)時(shí)全井鉆柱不旋轉(zhuǎn)，只有軸向運(yùn)動，其狀態(tài)基本與下鉆相同，但該工況下的最大問題在于軸向摩阻可能很大，大到完全平衡掉上部鉆柱重力在軸向上的分量，使得鉆頭難以得到鉆壓，鉆頭無鉆壓將無法鉆進(jìn)。頂部驅(qū)動裝置對此也無能為力，而要解決這個(gè)問題，只能通過降低摩阻的方式，因此滑動鉆進(jìn)是長水平段水平井最困難的工況之一。

(5)劃眼。正劃眼類似于下鉆過程，倒劃眼則類似于起鉆過程，又由于均劃眼時(shí)均旋轉(zhuǎn)鉆柱，因此不屬于困難工況。

(6)下套管。下套管類似于下鉆工況，但是由于管柱不同，下套管工況要比下鉆工況困難。一方面套管尺寸、重力、剛度都比鉆柱大很多，摩阻也比鉆柱大，另一方面，套管柱的連接螺紋多屬于細(xì)螺紋扣，不能承受較大扭矩，因此下套管作業(yè)也是長水平段水平井作業(yè)的難點(diǎn)。但是由于下套管作業(yè)是一次性作業(yè)，而且現(xiàn)場也有較好的辦法來克服下套管摩阻，如采用漂浮法下套管、采用滾輪式扶正器將滑動摩阻變?yōu)闈L動摩阻等。所以下套管不應(yīng)成為最困難工況。

綜上所述，長水平段水平井井眼軌道設(shè)計(jì)的基本原則在于降低摩阻和扭矩，而滑動鉆進(jìn)時(shí)的摩阻力最大，旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時(shí)的扭矩值最大，設(shè)計(jì)時(shí)可主要考慮這2方面的問題，以簡化問題并達(dá)到降低作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)和困難的目的。

2 關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)

通過分析可知，長水平段水平井軌道設(shè)計(jì)的基本原則是降低鉆進(jìn)時(shí)的摩阻和扭矩［4］。由于滑動鉆進(jìn)時(shí)摩阻最大，旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時(shí)扭矩最大，設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮這兩方面的因素，以簡化作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)和困難、提高效率。

影響長水平段水平井摩阻和扭矩的參數(shù)較多，通常需要考慮水平段長度、靶前位移、軌道類型及造斜點(diǎn)、造斜率、造斜率變化趨勢等。其中，水平段長度主要取決于油藏地質(zhì)需要和鉆井施工能力，其余參數(shù)則成為長水平段水平井軌道設(shè)計(jì)的重點(diǎn)考慮對象。

2.1 靶前位移的選擇

進(jìn)行長水平段水平井軌道設(shè)計(jì)，靶前位移的選擇是關(guān)鍵。如果靶前位移大，則完鉆位移也大，由此可以導(dǎo)致后期摩阻和扭矩增大，施工難度增加;若靶前位移過小，則造斜率較高，鉆具與井壁的接觸力增大，不僅導(dǎo)致摩阻和扭矩增加，而且不利于鉆井安全。因此，選取合適的靶前位移是長水平段水平井設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

2.2 井眼軌道類型的選擇

靶前位移確定后，需要優(yōu)選井眼軌道類型，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)斜段主要是為軌跡調(diào)整留有余地，確保在造斜率不理想的時(shí)候能夠采取措施，避免井眼軌跡失控。該類型軌跡在各大油田得到普遍推廣，對其進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，造斜點(diǎn)的優(yōu)化主要考慮穩(wěn)斜角度，合適的穩(wěn)斜角度可以避免巖屑床堆積。

2.3

造斜率的選擇

優(yōu)選長水平段水平井的造斜率也是軌道設(shè)計(jì)重點(diǎn)，造斜率太高，鉆具與井壁的接觸力增大，必然導(dǎo)致摩阻和扭矩增加，但造斜率過低，又會使井眼長度增加，不利于現(xiàn)場施工。在選取造斜率的時(shí)候，針對工具的造斜能力和入靶控制難度，需要對造斜率變化趨勢進(jìn)行優(yōu)選。

3 輔助軟件選擇

井眼軌道和摩阻扭矩計(jì)算涉及大量公式，利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)軟件可以達(dá)到化繁為簡，事半功倍的效果。

3.1 COMPASS 設(shè)計(jì)軟件

Landmark公司旗下COMPASS(計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和測量分析系統(tǒng))應(yīng)用軟件能進(jìn)行復(fù)雜井眼軌跡設(shè)計(jì)和分析，該軟件的設(shè)計(jì)功能強(qiáng)大，可進(jìn)行多種剖面類型和參數(shù)的井眼軌道設(shè)計(jì)，能夠進(jìn)行必要的軌跡優(yōu)化設(shè)計(jì)，可對同一口井預(yù)設(shè)計(jì)出多套設(shè)計(jì)方案，并對多套設(shè)計(jì)和實(shí)鉆數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化，供最終選擇一種相對合理的軌道剖面。

3.2 WELLPLAN設(shè)計(jì)軟件

Landmark旗下WELLPLAN應(yīng)用軟件(數(shù)據(jù)分析和技術(shù)工程應(yīng)用軟件)可進(jìn)行鉆具受力分析、摩阻扭矩分析、臨界轉(zhuǎn)速分析、疲勞破壞系數(shù)分析。將鉆井設(shè)計(jì)和理論分析一體化，以幫助鉆井技術(shù)人員更有效分析數(shù)據(jù)，最終作出更好的決策［5］。

同時(shí)WELLPLAN與COMPASS軟件共享數(shù)據(jù)庫，可以簡化參數(shù)輸入，提高效率。因此長水平段水平井可優(yōu)先采用該系列軟件進(jìn)行軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4 設(shè)計(jì)實(shí)例

以華北油田某長水平段水平井為例，進(jìn)行井眼軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)。

該井 A靶點(diǎn)垂深 2471.50 m，B靶點(diǎn)垂深2475.00 m，一開采用φ444.5 mm鉆頭鉆深301.00 m，套管下深300.00 m;二開采用φ311.2 mm鉆頭鉆進(jìn)至 A靶點(diǎn)，套管下入至 A靶點(diǎn);三開采用φ215.9 mm鉆頭鉆進(jìn)，要求水平段長度2000.00 m。

井眼軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的是減小施工過程中的摩阻、扭矩，其關(guān)鍵參數(shù)是靶前位移、造斜點(diǎn)、造斜率、造斜率變化趨勢。在優(yōu)化過程中由于參數(shù)較多，因此進(jìn)行某一參數(shù)優(yōu)化時(shí)，其余參數(shù)均采用相同設(shè)置，可以達(dá)到簡化操作的目的。

4.1 靶前位移優(yōu)化

選取水平段長度2000.00 m，靶前位移分別選取 300.00、400.00、500.00、600.00、750.00、900.00 m，套管內(nèi)摩阻系數(shù)取0.20，裸眼段摩阻系數(shù)取0.40，進(jìn)行井眼軌道優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同靶前位移對應(yīng)的摩阻和扭矩值

根據(jù)對比結(jié)果可知，當(dāng)靶前位移為500.00 m時(shí)，滑動摩阻值最小，當(dāng)靶前位移為 300.00和500.00 m時(shí)，扭矩值最小，因此軌道優(yōu)化應(yīng)當(dāng)首選500.00 m靶前位移。

4.2 造斜點(diǎn)優(yōu)化

選取500.00 m靶前位移，以18°/100 m造斜率，分別選取造斜點(diǎn) 1900.00、2000.00、2100.00 m進(jìn)行井眼軌道優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同造斜點(diǎn)對應(yīng)的摩阻和扭矩值

根據(jù)對比結(jié)果可知，造斜點(diǎn)深度2000.00 m時(shí)扭矩值最小，造斜點(diǎn)深度增大，滑動摩阻變大，因此優(yōu)選造斜點(diǎn)1900.00～2000.00 m。

4.3 造斜率優(yōu)化

選取靶前位移500.00 m，造斜點(diǎn)2000.00 m，分別選取 30°/100 m、20°/100 m、18°/100 m、16°/100 m、13°/100 m進(jìn)行井眼軌道優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同造斜率對應(yīng)的摩阻和扭矩值

根據(jù)對比結(jié)果可知，隨著造斜率增加，滑動摩阻呈現(xiàn)降低趨勢;當(dāng)造斜率為16°～20°/100 m時(shí)，扭矩值最低。因此優(yōu)選造斜率16°～20°/100 m。

4.4 造斜率變化趨勢

靶前位移選取500.00 m，造斜點(diǎn)選取2000.00 m，分別采用 16°/20°、17°/19°、18°/18°、19°/17°、20°/16°/100 m變曲率軌道，進(jìn)行井眼軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同造斜率變化趨勢對應(yīng)的摩阻和扭矩值

根據(jù)對比結(jié)果可知，造斜率變化趨勢對摩阻和扭矩影響不大。當(dāng)采用增曲率時(shí)，滑動摩阻呈現(xiàn)降低趨勢，而扭矩呈現(xiàn)增大趨勢。為了降低入靶時(shí)造斜率壓力，可采用降曲率方式進(jìn)行井眼軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4.5 井眼軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果

根據(jù)以上分析采用靶前位移500.00 m，造斜點(diǎn)1920.00 m，造斜率18°/100 m和16°/100 m前高后低方式。井眼軌道優(yōu)化結(jié)果如表1所示。

5 結(jié)論

(1)長水平段水平井井眼軌道設(shè)計(jì)是摩阻扭矩控制的關(guān)鍵因素之一，對于鉆井施工具有重要的意義。

(2)長水平段水平井井眼軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)的首要原則在于降低摩阻和扭矩。

表1 井眼軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果

(3)長水平段水平井井眼軌道施工的難點(diǎn)在于滑動鉆進(jìn)摩阻和旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)扭矩的設(shè)計(jì)優(yōu)化，軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)以這兩個(gè)指標(biāo)為介入點(diǎn)。

(4)通過COMPASS和WELLPLAN軟件可以大大提高長水平段水平井井眼軌道優(yōu)化效率，得到最優(yōu)剖面。

(5)長水平段水平井軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素在于靶前位移、造斜點(diǎn)、造斜率及造斜率變化趨勢，軌道優(yōu)化時(shí)應(yīng)首先考慮這4個(gè)參數(shù)，但不局限于這4個(gè)參數(shù)，有時(shí)還應(yīng)當(dāng)考慮地層、工具、設(shè)備能力等。

［1］ 唐洪林，唐志軍，閆振來.金平1井淺層長水平段水平井鉆井技術(shù)［J］.石油鉆采工藝，2008，30(6)：11 －15.

［2］ 韓志勇.定向井設(shè)計(jì)與計(jì)算［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1989.

［3］ 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(7)：14 －16.

［4］ 竇玉玲.長水平段大位移井井眼軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2011，38(7)：50 －52.

［5］ 華遠(yuǎn)信，張桂強(qiáng)，朱偉鴻，等.COMPASS、WELLPLAN軟件在鉆井設(shè)計(jì)和施工中的應(yīng)用［J］.西南石油學(xué)院學(xué)報(bào)，2004，26(1)：83－86.