中淺層水平井井眼軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)與現(xiàn)場(chǎng)施工

李增樂(lè)

（大慶鉆探工程公司鉆井工程技術(shù)研究院，黑龍江大慶 163413）

中淺層水平井井眼軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)與現(xiàn)場(chǎng)施工

李增樂(lè)

（大慶鉆探工程公司鉆井工程技術(shù)研究院，黑龍江大慶 163413）

針對(duì)大慶油田中長(zhǎng)、長(zhǎng)水平段水平井鉆井施工和下套管過(guò)程中摩阻、扭矩大，導(dǎo)致鉆井速度慢，而井眼浸泡時(shí)間長(zhǎng)易導(dǎo)致井壁失穩(wěn)而進(jìn)一步減緩施工速度，從而形成惡性循環(huán)，對(duì)鉆完井施工影響極大的問(wèn)題，從井眼軌道的合理設(shè)計(jì)進(jìn)行了模擬計(jì)算，針對(duì)不同的剖面類型、造斜率和靶前距進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定合理的井眼軌道，以降低定向鉆進(jìn)和下套管過(guò)程中的摩阻和扭矩，為中長(zhǎng)、長(zhǎng)水平段水平井的順利施工提供技術(shù)支持。

水平井;井眼軌道;摩阻;扭矩;靶前距

近年來(lái)，隨著水平井在大慶油田的推廣應(yīng)用，中短、短水平段水平井鉆井技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，而對(duì)于中長(zhǎng)、長(zhǎng)水平段水平井的鉆完井技術(shù)還需要不斷地完善。目前中長(zhǎng)、長(zhǎng)水平段水平井在鉆完井過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)主要體現(xiàn)在降摩減扭技術(shù)、定向控制技術(shù)、井眼清潔技術(shù)等方面，而解決這些問(wèn)題的前提是合理的井眼軌道設(shè)計(jì)。因此本文主要針對(duì)中淺層長(zhǎng)水平段水平井井眼軌道的優(yōu)化進(jìn)行模擬分析，從而進(jìn)行合理的井眼軌道設(shè)計(jì)，盡可能地降低在鉆井過(guò)程中鉆具的摩阻/扭矩和下套管時(shí)摩阻，從而避免鉆進(jìn)托壓和鉆具的疲勞破壞，降低下套管風(fēng)險(xiǎn)，從而實(shí)現(xiàn)安全高效鉆井［1］。

1 井眼軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)

井眼軌道設(shè)計(jì)的前提:首先必須滿足勘探開(kāi)發(fā)目的及后期作業(yè)需求;其次應(yīng)考慮定向鉆具造斜能力及完井管柱、采油管柱和采油設(shè)備順利下入所需求的最小曲率半徑;再次要求設(shè)計(jì)斜深相對(duì)較短，管柱的摩阻/扭矩相對(duì)較小。

1.1 優(yōu)化井眼軌道剖面

目前水平井井眼軌道設(shè)計(jì)主要采用恒曲率法和變曲率法2種。恒曲率法指造斜率為常量，變曲率法指造斜率為變量。變曲率法又可分為懸鏈線、準(zhǔn)懸鏈線等方法［2］，3種方法的優(yōu)缺點(diǎn)在很多文獻(xiàn)中均有明確的說(shuō)明，在此不再贅述。

假設(shè)水平位移3000 m，套管內(nèi)摩阻系數(shù)0.20，裸眼內(nèi)摩阻系數(shù)0.30，進(jìn)行懸鏈線、準(zhǔn)懸鏈線和圓弧剖面的井眼軌道設(shè)計(jì)和摩阻/扭矩計(jì)算，其中圓弧剖面井眼軌道相對(duì)圓滑，井眼曲率最大為5.00°/30 m，設(shè)計(jì)最大井斜角為89.66°，水平段井眼曲率最大不超過(guò)0.50°/30 m;而懸鏈線剖面和準(zhǔn)懸鏈線剖面井眼曲率最大，分別為達(dá)到 6.66°/30 m、7.80°/30 m，設(shè)計(jì)最大井斜角均超過(guò)90°，水平段井眼曲率達(dá)到0.58°/30 m左右。同時(shí)結(jié)合不同井眼軌道數(shù)據(jù)進(jìn)行摩阻/扭矩模擬計(jì)算，分別從起鉆摩阻、下鉆摩阻以及平均摩阻3方面進(jìn)行對(duì)比（見(jiàn)表1），其中圓弧剖面平均摩阻最小，所以綜合考慮井眼曲率和平均摩阻大小，優(yōu)選圓弧剖面為最優(yōu)設(shè)計(jì)剖面。

圓弧剖面應(yīng)用最多，最有代表性的為單弧剖面、雙弧剖面、三弧剖面。結(jié)合大慶油田中淺層水平井實(shí)際情況，綜合考慮工具的造斜能力和地層不確定性，優(yōu)選出井眼軌道剖面設(shè)計(jì)采用“直井段-造斜段-穩(wěn)斜段-造斜段-微增探油頂著陸段-水平段”二維六段制三增圓弧剖面，優(yōu)化第一穩(wěn)斜段長(zhǎng)度10～15 m，探油頂段長(zhǎng)度30～50 m，探油頂井眼曲率3°/30 m，該軌道設(shè)計(jì)法有利于在實(shí)鉆過(guò)程中對(duì)工具造斜率的誤差進(jìn)行調(diào)整，同時(shí)又能實(shí)現(xiàn)在油層頂界深度存在誤差（地層提前或滯后）時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)井眼軌跡的有效控制［3］。

表1 三種井眼軌道的摩阻預(yù)測(cè)計(jì)算數(shù)據(jù)

1.2 優(yōu)化井眼軌道靶前距和井眼曲率

影響水平段鉆進(jìn)長(zhǎng)度的最大因素為摩阻、扭矩，即由于鉆柱和套管或裸眼之間的接觸力的存在而產(chǎn)生的摩阻，接觸力的大小取決于井眼曲率、井斜角、鉆具自重等因素，因此對(duì)井眼軌道剖面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，選擇合理的井眼曲率是減少接觸力的重要措施。而井眼曲率的大小直接受制于靶前距的大小，如果靶前距過(guò)小，則造斜段短，井眼曲率大，鉆具的彎曲應(yīng)力會(huì)直接作用在井壁上，從而增大摩擦阻力;若靶前距過(guò)大，將增加造斜段長(zhǎng)度，導(dǎo)致接觸面積增加，從而同樣會(huì)增大摩擦阻力，并且過(guò)多的無(wú)效進(jìn)尺會(huì)降低鉆井效率。因此，對(duì)于不同水平段長(zhǎng)的水平井，應(yīng)對(duì)靶前距與井眼曲率大小進(jìn)行優(yōu)化，在條件允許的情況下，盡量選擇合適的靶前距和造斜率，從而在降低鉆柱（或套管）摩阻/扭矩的同時(shí)盡可能縮短設(shè)計(jì)井深，減少無(wú)效進(jìn)尺，提高鉆井時(shí)效，降低鉆井成本。因此筆者以1000、1500、2000、3000 m 四種水平段長(zhǎng)為例進(jìn)行了不同靶前距、不同井眼曲率下的鉆具摩阻/扭矩和屈曲情況的模擬計(jì)算（見(jiàn)表2），以探索最優(yōu)的靶前距和井眼曲率，為不同水平段長(zhǎng)的水平井軌道設(shè)計(jì)提供參考［4］。

表2 不同水平段長(zhǎng)度時(shí)不同靶前距、不同井眼曲率下摩阻/扭矩和屈曲計(jì)算數(shù)據(jù)

已知條件:（1）靶點(diǎn)情況:A點(diǎn)垂深2099.00 m，水平段井斜角86°;（2）鉆具組合:215.9 mm鉆頭+172 mm螺桿 +172 mm LWD+127 mm無(wú)磁加重鉆桿×1根+127 mm加重鉆桿×（3～6）根+127 mm斜坡鉆桿×若干根（根據(jù)進(jìn)尺調(diào)整斜坡鉆桿長(zhǎng)度，使加重鉆桿處于井斜角30°以上）+127 mm加重鉆桿×（24～30）根+127.0 mm斜坡鉆桿至井口;（3）設(shè)計(jì)參數(shù):二開(kāi)套管下到靶點(diǎn)A，水包油ρ=1.20 g/cm3，滑動(dòng)鉆進(jìn)鉆壓80 kN;（4）摩阻系數(shù):套管內(nèi)0.20，裸眼內(nèi)0.30，采用六段制三增圓弧剖面。試計(jì)算在不同水平段長(zhǎng)、不同靶前距和造斜率情況下的摩阻扭矩。

水平段長(zhǎng)為1000 m時(shí)，綜合考慮平均摩阻、扭矩、屈曲情況及鉆井時(shí)效，靶前距設(shè)計(jì)以300 m左右為宜，造斜率以（5.0°～6.0°）/30 m為宜，雖然在滑動(dòng)鉆進(jìn)時(shí)有一段正弦彎曲，但長(zhǎng)度很短，且正弦彎曲對(duì)鉆具影響程度不大。

水平段長(zhǎng)為1500 m時(shí)，靶前距以350 m左右為宜，造斜率以（4.8°～5.5°）/30 m 為宜。

水平段長(zhǎng)為2000 m時(shí)，靶前距以350 m左右為宜，造斜率以（4.8°～5.5°）/30 m 為宜。

水平段長(zhǎng)為3000 m時(shí)，靶前距以350 m左右為宜，造斜率以（4.8°～5.5°）/30 m 為宜。

通過(guò)對(duì)以上數(shù)據(jù)進(jìn)行分析:隨著水平段的增長(zhǎng)，相同靶前距情況下，鉆具的屈曲程度增加，因此可以適當(dāng)增加靶前距，降低造斜率，來(lái)改善鉆具的屈曲情況。綜合考慮靶前距、井眼曲率、鉆柱受力以及屈曲程度等多種因素，水平段長(zhǎng)為1000 m時(shí)，靶前距推薦300 m左右，造斜率推薦（5.0°～6.0°）/30 m;水平段長(zhǎng)為1500～3000 m時(shí)，靶前距推薦350 m左右，造斜率推薦（4.8°～5.5°）/30 m。

2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

大慶油田A平1井設(shè)計(jì)井深3938.71 m，水平段長(zhǎng)1802.51 m，目的層垂深2094.40 m，該井設(shè)計(jì)采用“直-增-穩(wěn)-增-探-著-平”七段制剖面，多段圓弧造斜率采用 6.50°-7.70°-3.00°-7.80°/30m，靶前距253.73 m，完鉆斜深3532.00 m，垂深2047.25 m，鉆進(jìn)周期149.96 d，造斜段采用1.5°單彎螺桿常規(guī)導(dǎo)向鉆具組合，發(fā)生2起復(fù)雜，因此起下鉆頻繁，平均機(jī)械鉆速僅為1.08 m/h;水平段采用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆具組合進(jìn)行施工，平均機(jī)械鉆速8.40 m/h。

針對(duì)該井施工中遇到的問(wèn)題，為了降低摩阻對(duì)鉆井施工的影響，通過(guò)理論分析和軟件模擬，對(duì)井眼軌道剖面和靶前距、造斜率等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，將2011年部署的垣平1井優(yōu)化設(shè)計(jì)為“直-增-穩(wěn)-增-探-平”二維六段制三增圓弧剖面，造斜率分別采用4.80°-5.00°-3.00°/30 m，靶前距353.91 m。該井水平設(shè)計(jì)井深 4693.75 m，水平段長(zhǎng)3017.04 m，目的層垂深1546.40 m，于2011年6月開(kāi)鉆，由于后期鉆進(jìn)過(guò)程中巖性為干砂巖，決定提前完鉆，完鉆井深4300.00 m，水平段長(zhǎng)2660.00 m，造斜段采用1.5°單彎螺桿常規(guī)導(dǎo)向鉆具組合，共進(jìn)行6趟鉆施工，平均機(jī)械鉆速達(dá)到3.72 m/h;水平段進(jìn)尺2660 m，平均機(jī)械鉆速17.59 m/h，是同區(qū)塊水平井水平段鉆速的2.1倍，且全井安全無(wú)復(fù)雜、事故，完井電測(cè)及下套管施工順利，鉆進(jìn)周期57.31 d，與之前井相比縮短了92.65 d，縮短62%，充分證明了本井軌道剖面的類型、靶前距和造斜率設(shè)計(jì)合理，使施工中井眼軌跡流暢，摩阻小，滿足施工需要［5］。

2012年，在A平1井附近部署A平2井，設(shè)計(jì)斜深3530.88 m，水平段長(zhǎng)1200.01 m，目的層垂深2152.50 m，根據(jù)井眼軌道優(yōu)化成果采用，“直-增-穩(wěn)-增-探-平”六段制圓弧剖面，造斜率分別采用 5.00°-6.00°-3.00°/30 m，靶前距 321.26 m。完鉆斜井深3530.00 m，垂深2174.37 m，鉆進(jìn)周期54.92 d，與A平1井相比縮短了63.38%。

上述應(yīng)用結(jié)果表明，改進(jìn)后的井眼軌道設(shè)計(jì)合理，能夠有效降低中長(zhǎng)、長(zhǎng)水平段水平井鉆完井過(guò)程中的摩阻/扭矩，從而有效降低施工風(fēng)險(xiǎn)和難度，有利于安全高效鉆井。

3 認(rèn)識(shí)與建議

（1）合理的靶前距與井眼曲率，可以降低鉆柱發(fā)生屈曲的程度和摩阻/扭矩大小，降低施工難度，提高鉆井效率。

（2）在保持水平段條件不變的情況下，隨著靶前距的增加和井眼曲率的降低，滑動(dòng)鉆進(jìn)時(shí)鉆柱發(fā)生正弦與螺旋屈曲的長(zhǎng)度減少，最終達(dá)到一個(gè)臨界值后保持不變。

（3）合理的軌道設(shè)計(jì)是降低中長(zhǎng)、長(zhǎng)水平段水平井鉆井施工過(guò)程中摩阻與扭矩的有效技術(shù)措施之一。

［1］ 楊國(guó)發(fā).古平1井井眼軌道設(shè)計(jì)與控制［D］.黑龍江大慶:東北石油大學(xué)，2011.

［2］ 劉修善，石在虹.水平井軌道實(shí)用設(shè)計(jì)方法［J］.石油鉆采工藝，1994，（1）.

［3］ 蘇義腦.大斜度井和水平井井眼軌道控制的幾個(gè)問(wèn)題［J］.石油鉆采工藝，1992，（2）.

［4］ 竇玉玲.長(zhǎng)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）.

［5］ 相玉輝，屈展.大位移井鉆井工程優(yōu)化設(shè)計(jì)與應(yīng)用［J］.石油機(jī)械，2006，34（10）.

Optimized Design of Trajectory for Middle-shallow Horizontal Well and the Site Construction

LI Zeng-le（Drilling Engineering Technology Research Institute of Daqing Drilling＆ Exploration Engineering Corporation，Daqing Heilongjiang 163413，China）

Low drilling efficiency was caused by large friction and high torque in drilling and casing running process in middle-long and long horizontal wells in Daquing oilfield and the borehole wall collapsing led by long time contact with drilling fluid further slowed down the construction speed.The stimulation was made to rationally design the well trajectory according to different profile types，build-up rates and frontal distances to hitting target to reduce the friction and torque in drilling and casing running process and provide technical support for the smooth construction of middle-long and long horizontal wells.

horizontal well;well trajectory;friction;torque;frontal distance to hitting target

P634.5;TE243

B

1672-7428（2013）10-0043-03

2013-05-10

李增樂(lè)（1982-），男（漢族），山東青州人，大慶鉆探工程公司鉆井工程技術(shù)研究院設(shè)計(jì)中心，化學(xué)工程與工藝專業(yè)，主要從事鉆井工程設(shè)計(jì)及相關(guān)科研工作，黑龍江省大慶市紅崗區(qū)八百坰，lizengle@cnpc.com.cn。