斷塊油氣藏大落差階梯水平井軌道優(yōu)化

孔 華蘭 凱劉明國晁文學(xué)朱 軍張 敏（.中原石油工程有限公司鉆井工程技術(shù)研究院，河南濮陽 45700；. 中原油田石油工程技術(shù)研究院，河南濮陽 45700）

引用格式：孔華，蘭凱，劉明國，等. 斷塊油氣藏大落差階梯水平井軌道優(yōu)化［J］.石油鉆采工藝，2015，37（5）：22-25.

斷塊油氣藏大落差階梯水平井軌道優(yōu)化

孔 華1蘭 凱1劉明國1晁文學(xué)1朱 軍2張 敏1
（1.中原石油工程有限公司鉆井工程技術(shù)研究院，河南濮陽 457001；2. 中原油田石油工程技術(shù)研究院，河南濮陽 457001）

引用格式：孔華，蘭凱，劉明國，等. 斷塊油氣藏大落差階梯水平井軌道優(yōu)化［J］.石油鉆采工藝，2015，37（5）：22-25.

摘要：為了降低東濮凹陷斷塊油氣藏大落差階梯水平井管柱下入摩阻，開展了大跨距階梯水平井軌道優(yōu)化研究。考慮地層實(shí)際造斜能力，優(yōu)化了造斜段的靶前位移和造斜率；建立了帶封隔器（或扶正器）的完井管柱下入摩阻模型，優(yōu)化了階梯過渡段的井眼曲率和位移差。分析表明，造斜段靶前位移控制在300~400 m，造斜率先低后高，適當(dāng)降低階梯過渡段造斜率和位移差，有利于降低鉆進(jìn)和管柱下入摩阻。設(shè)計成果在東濮凹陷4口階梯水平井中應(yīng)用，階梯著陸中靶率100%，儲層鉆遇率最大95.3%，水平段最長達(dá)到1 214 m，斷塊落差控制范圍7.14~40.3 m。應(yīng)用結(jié)果表明，采用分段評估的方法優(yōu)化階梯水平井軌道參數(shù)具有針對性和全面性，為同類型階梯水平井的設(shè)計提供了借鑒。

關(guān)鍵詞：東濮凹陷；階梯水平井；大落差；斷塊油氣藏；軌道優(yōu)化；管柱下入能力

階梯水平井是在常規(guī)水平井基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種特殊水平井，由于其水平段可在垂直剖面上穿越不同深度的油層，能夠增大泄油面積，提高單井控制儲量，是開發(fā)斷塊油氣藏的重要手段。國內(nèi)部分油田進(jìn)行了階梯水平井鉆井實(shí)踐，取得了一定的效果，但階梯段落差一般小于15 m［1-2］。劉修善［3-4］、佟長海［5］、閆鐵［6］等從階梯水平井幾何軌道參數(shù)設(shè)計方面開展了相關(guān)研究。中原油田東濮凹陷具有儲層斷塊發(fā)育、油層多而薄等特點(diǎn)，適合采用階梯水平井進(jìn)行開發(fā)；但由于斷層落差在50~150 m［7］，受井眼曲率變化的影響，定向鉆井中摩阻大，帶有封隔器或扶正器的完井管柱下入較困難，因此優(yōu)化軌道參數(shù)，保證油層鉆遇率，降低鉆進(jìn)和完井管柱下入難度，是階梯水平井軌道設(shè)計的關(guān)鍵。

針對東濮凹陷斷塊油氣藏埋藏深、落差大、地層復(fù)雜等特點(diǎn)，采取分段設(shè)計、分段評估的方法，開展了斷塊油氣藏大落差階梯水平井軌道設(shè)計方法研究。集成應(yīng)用水平井井眼軌道優(yōu)化技術(shù)，以降低鉆進(jìn)摩阻、扭矩為主要目標(biāo)，優(yōu)化了造斜點(diǎn)至A點(diǎn)的井眼軌道；以提高完井管柱安全下入能力為基礎(chǔ)，分析了階梯段軌道參數(shù)對管柱摩阻的影響。

1　階梯水平井軌道優(yōu)化設(shè)計原則

階梯水平井軌道設(shè)計原則主要包括：（1）降低井下摩阻及扭矩，以提高鉆進(jìn)速度；（2）考慮垂深不確定性和鉆具造斜能力的不確定性，確?，F(xiàn)有的鉆井工具和技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)；（3）階梯段保證鉆具和管柱的安全下入。

2　A點(diǎn)之前軌道優(yōu)化設(shè)計

A點(diǎn)之前以降低摩阻、扭矩為主要優(yōu)化目標(biāo)，同時考慮地層垂深不確定性［8］。為了保證后期精確著陸，實(shí)鉆軌跡有調(diào)整余地，水平井以“直–增–穩(wěn)–增平”五段制剖面為主。而對于五段制剖面，靶前位移和造斜率成為了影響軌道最終設(shè)計的重要參數(shù)，并且二者相互制約。

靶前位移分別選取250 m、300 m、350 m、400 m、450 m，均采用相同造斜率7.2（°）/30 m，A靶垂深3 000 m，軌道參數(shù)見表1。

表1　不同靶前位移下的軌道參數(shù)

不同靶前位移下，滑動鉆進(jìn)摩阻及旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)最大扭矩值變化見圖1。由圖可知，在相同造斜率條件下，隨著靶前位移的增加，相應(yīng)的斜井段長度也隨之增加，轉(zhuǎn)盤扭矩值顯著增加，而摩阻近似余弦變化，綜合兩者變化趨勢，靶前位移控制在300~400 m范圍內(nèi)時能兼顧降摩減扭和優(yōu)化斜井段長度的需求，這與文獻(xiàn)［9］計算結(jié)果基本吻合。

圖1　 不同靶前位移對應(yīng)的摩阻和扭矩值

為了提高實(shí)鉆與設(shè)計之間的剖面符合率，在造斜段設(shè)計過程中要充分考慮地層的自然造斜能力。實(shí)鉆統(tǒng)計表明，東濮凹陷上部地層較為疏松，螺桿受到的地層側(cè)向力相對較小，地層自然造斜能力較低（滑動造斜率為0.1~0.2（°）/m），為了保證造斜率與實(shí)鉆情況相符，應(yīng)選擇相對較小的設(shè)計造斜率；而下部地層隨著井斜角的增大以及地層壓實(shí)程度的提高，鉆頭側(cè)向力逐漸增加（滑動造斜率0.22~0.5（°）/m），在第二造斜段可適當(dāng)加大造斜率。因此在剖面設(shè)計中宜采用“上低下高”或“上下相等”，造斜率控制在3.9~6（°）/30 m。但兩段的造斜率不要有太大差異，否則實(shí)鉆油層著陸時調(diào)整余地不足。

3　階梯段軌道優(yōu)化設(shè)計

3.1 階梯段完井管柱下入模型的建立

管柱下入過程中，在軸向力作用下，封隔器（或扶正器）之間的管柱發(fā)生彎曲。文獻(xiàn)［10］研究表明，管柱因重力作用產(chǎn)生的最大位移，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于井眼彎曲所產(chǎn)生的縱向位移。因此，以剛桿模型為基礎(chǔ)，考慮扶正器或封隔器對管柱變形的影響，同時作如下假設(shè)：（1）將管柱的接箍或者扶正器作為約束點(diǎn)，其與井壁接觸為點(diǎn)接觸，且接箍兩端的鉆具內(nèi)有內(nèi)彎距；（2）完井管柱彎曲狀態(tài)與井眼曲率一致［10］。

基于上述假設(shè)，建立完井管柱下入靜力學(xué)平衡方程，依據(jù)縱橫彎曲連續(xù)梁理論判斷接箍或扶正器的接觸狀態(tài)，依據(jù)套管柱與井壁接觸關(guān)系，將管柱劃分為若干段，可以求得各接觸點(diǎn)下入摩阻［10］，見式（1）。對各接觸點(diǎn)下入摩阻進(jìn)行累加，即可得到整個井段的下入摩阻。

式中，F(xiàn)i為第i個接觸點(diǎn)所受摩阻，N；μ為管柱與井壁間的摩擦因數(shù)；E為管柱彈性模量，N/m2；I為管柱的極慣性矩，m4；Li為2個接觸點(diǎn)間管柱長度，m；Ki為接觸點(diǎn)之間井眼平均井眼曲率，（°）/30 m。

3.2 階梯水平井軌道摩阻影響因素分析

假定階梯段前后2個水平段都是水平的，且在一個鉛垂面內(nèi)，則描述階梯過渡段特征的參數(shù)有井眼曲率、落差和水平位移差。通過改變這3個參數(shù)，利用完井管柱下入模型，計算相應(yīng)階梯過渡段摩阻，就可以分析這3個參數(shù)對軌道摩阻的影響［10］。

計算參數(shù)：A靶垂深為3 000 m，階梯段垂增為40 m，過渡段位移差為450 m，井眼為?152.4 mm，裸眼段摩擦因數(shù)為0.35，其中，裸眼封隔器外徑為149 mm，完井管串長度為1 000 m，封隔器間距為100 m；套管外徑114.3 mm，壁厚8.56 mm，線重224.7 N/m。3.2.1 階梯過渡段曲率 受兩水平段之間空間限制，階梯段采用剖面有平–降–增–平和平–降–穩(wěn)–增–平2種類型進(jìn)行剖面設(shè)計，并進(jìn)行全井管柱摩阻下入計算，結(jié)果見圖2。由圖2可知，當(dāng)階梯段垂增和位移均一定時，無增斜段剖面，全井下入摩阻最小。隨著造斜率增加，彎曲段管柱的剛度效應(yīng)明顯增強(qiáng)，管柱與井壁間接觸反力增大，摩阻明顯增加，其中帶有裸眼封隔器的壓裂管柱下入摩阻增加顯著，而常規(guī)套管下入摩阻隨著曲率變化相對平緩。因此，在階梯段設(shè)計過程中，應(yīng)盡可能地降低井眼曲率。

圖2　 完井管柱下入摩阻隨井眼曲率的變化（落差40 m，位移差450 m）

3.2.2 落差和位移差 圖3為壓裂管柱下入摩阻隨階梯過渡段的落差/位移差的變化關(guān)系?？梢钥闯?，在過渡段落差不變的條件下，隨著二者比值的增大（平移差的減少），管柱的下入摩阻逐漸減小。即在過渡段落差一定時，盡量減少過渡段之間的位移差有利于降低下入摩阻。但受空間限制，當(dāng)落差和造斜率固定時，位移差不能無限制地減少［10］。

4　現(xiàn)場應(yīng)用

4.1 設(shè)計實(shí)例

圖3　 壓裂管柱下入摩阻隨階梯段高度差/位移差變化關(guān)系（井眼曲率3（°）/30 m）

白-平2HF井位于東濮凹陷白廟氣田白44塊，由于目的層埋藏深、溫度高、地層壓力大，該井采用四開井身結(jié)構(gòu)，其中三開技術(shù)套管下至著陸點(diǎn)，封隔上部易坍塌地層，保證井眼在儲層中的有效延伸，井身結(jié)構(gòu)見表2。

表2　白-平2HF井井身結(jié)構(gòu)

針對A靶前剖面設(shè)計，分別計算不同雙增剖面造斜率對鉆進(jìn)摩阻和扭矩的影響，見表3，最終確定雙增軌道上下兩段的造斜率分別為3.9（°）/30 m和4.2（°）/30 m。

前期勘探表明，該井2個目的層均有一定的傾角，第1個目標(biāo)層終點(diǎn)到第2個目標(biāo)層入靶點(diǎn)垂深相差40.3 m，若采用平–降–穩(wěn)–增–平或平–降–增–平剖面，過渡段曲率將超過2.9（°）/30 m（見表4），管柱實(shí)際下入摩阻相對較大?？紤]到后期分段壓裂完井方式控制的儲層范圍較大，同時為了便于施工和完井管柱的下入，該井2個靶區(qū)過渡段采用平–降–穩(wěn)型剖面，在保證第1個儲層鉆遇率的情況下，穩(wěn)斜鉆穿第2目標(biāo)儲層，最終軌道剖面參數(shù)見表5。

該井實(shí)鉆水平段長度為1 214 m、水平段全角變化率控制在1.8（°）/30 m以下，階梯段9級壓裂管柱下入摩阻控制在260 kN以下，保證了后期完井作業(yè)順利進(jìn)行。

4.2 應(yīng)用效果

針對不同完井類型和斷塊特征，大落差階梯水平井軌道優(yōu)化技術(shù)指導(dǎo)了東濮凹陷4口大落差斷塊階梯水平井的軌道設(shè)計，階梯著陸中靶率100%，儲層鉆遇率最大95.30%，水平段長最大達(dá)1 214 m，軌道設(shè)計垂直落差范圍7.14~40.3 m，保證了跨斷層、非常規(guī)油氣藏等不同類型階梯水平井的安全高效施工，提高了復(fù)雜斷塊油氣藏的動用能力。

表3　白-平2HF井不同造斜率下摩阻扭矩分析

表4　不同曲率下白-平2HF井階梯段剖面摩阻對比

表5　白-平2HF井軌道參數(shù)

5　結(jié)論與認(rèn)識

（1）鉆進(jìn)摩阻主要受到井眼彎曲程度和井眼接觸長度二者的限制，因此A點(diǎn)之前，要合理優(yōu)化靶前位移，使井眼曲率和斜井段長度最優(yōu)。

（2）結(jié)合地層造斜數(shù)據(jù)，建立合理的軌道剖面，能夠有效提高實(shí)鉆剖面符合情況，降低階梯水平井施工過程中的摩阻和扭矩，保證水平段的順利鉆進(jìn)。

（3）對于階梯水平井，由于階梯段軌道存在增/降斜變化，與鉆柱相比，完井管柱下入過程中無法旋轉(zhuǎn)，下入難度加大。因此根據(jù)不同管柱類型，應(yīng)有針對性地選擇階梯段剖面類型、井眼曲率及剖面參數(shù)，以降低完井管柱的下入風(fēng)險。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 馮志明， 頡金玲. 階梯水平井鉆井技術(shù)［J］. 石油鉆采工藝， 2000， 22（5）：22-26.

［2］ 張書瑞， 申胡成， 楊春和， 等. 南 246-平 309 階梯水平井井眼軌跡控制技術(shù)［J］. 石油鉆采工藝， 2007， 29（4）：13-15.

［3］ 劉修善. 階梯形水平井段設(shè)計方法研究［J］. 石油鉆探技術(shù)， 2005， 33（3）： 1-5.

［4］ 劉修善， 何樹山. 井眼軌道的軟著陸設(shè)計模型及其應(yīng)用［J］. 天然氣工業(yè)， 2002， 22（2）：43-45.

［5］ 佟長海， 常漢章， 魯港. 多控制點(diǎn)水平井靶體參數(shù)的計算［J］. 天然氣工業(yè)， 2007，27（9）：68-70.

［6］ 閆鐵， 劉維凱， 鄒野， 等. 階梯水平井軌跡優(yōu)化設(shè)計［J］. 石油鉆采工藝， 2007， 29（3）：8-10.

［7］ 許化政，周新科. 渤海灣盆地東濮凹陷文留構(gòu)造發(fā)育特征與氣藏形成［J］. 石油實(shí)驗(yàn)地質(zhì)，2003， 25（6）：712-719.

［8］ 劉修善. 井眼軌道幾何學(xué)［M］. 北京：石油工業(yè)出版社，2006.

［9］ 牛洪波， 陳建隆， 隋小兵. 淺層大位移水平井鉆井關(guān)鍵技術(shù)分析［J］. 天然氣工業(yè)， 2012， 32（2）： 71-74.

［10］ 伊明， 劉曉蘭， 顧維亮， 等. 水平井大尺寸完井管柱下入摩阻計算探討［J］. 新疆石油科技， 2005， 15（4）：5-9.

（修改稿收到日期 2015-08-06）

〔編輯 薛改珍〕

Well-path optimization technology for stepped
horizontal wells with large drop in the fault block reservoirs

KONG Hua1, LAN Kai1, LIU Mingguo1, CHAO Wenxue1, ZHU Jun2, ZHANG Min1
（1. Drilling Engineering and Technology Research Institute, SINOPEC Zhongyuan Petroleum Engineering Co. Ltd., Puyang 457001, China;
2. Research Institute of Petroleum Engineering Technology, SINOPEC Zhongyuan Oilfield Company, Puyang 457001, China）

Abstract:In order to reduce the friction when running string in stepped horizontal wells in the fault block reservoir with large drop in the Dongpu depression, studies on optimization of well-path of stepped horizontal well with large span were carried out. Given the actual angle building rate of the formations, the pre-target displacement and build-up rate of the building up section were optimized. A model for analyzing the running friction of completion string with packer (or centralizer) and stress was built, and the wellbore curvature and displacement difference of the stepped transition interval was optimized. Analysis shows that, when the pre-target displacement at building up section is controlled at 300~400 m, the building rate is low first, then becomes high. Properly reducing the building rate and displacement difference of the stepped transition interval help reduce drilling friction and string running friction. The design result was used in four stepped horizontal wells in Dongpu Depression, the targeting rate of stepped landing was 100%, the maximum reservoir encountering ratio was 95.3%, the maximum horizontal section was 1 214 m, and the drop difference of faulted block was controlled at 7.14~40.3 m. The result of application indicates that the use of staged assessment method to optimize the parameters of stepped horizontal well track is pertinent and comprehensive and provides reference for the design of similar stepped horizontal wells.

Key words:Dongpu depression; stepped horizontal well; large drop; fault block reservoirs; well-path optimization; string running capacity

作者簡介：孔華，1984年生。2010年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（華東）油氣井工程專業(yè)，獲得油氣井工程專業(yè)碩士學(xué)位，主要從事定向井、水平井技術(shù)服務(wù)與研究工作，工程師。電話：13461637575。E-mail：konghua0537@163.com。

基金項(xiàng)目：國家科技重大專項(xiàng)課題“高含硫氣藏超深水平井鉆完井技術(shù)”（編號：2011ZX05017-002）；中國石化集團(tuán)公司項(xiàng)目“中原油田深層水平井關(guān)鍵技術(shù)研究”（編號：JP12005）。

doi:10.13639/j.odpt.2015.05.006

文章編號：1000 – 7393（2015）05 – 0022 – 04

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

中圖分類號：TE243