常規(guī)水平井懸空側(cè)鉆井眼軌道設(shè)計(jì)與應(yīng)用

范光第，王 麗，馬慶濤，劉 華，黃根爐

(1.中國(guó)石化勝利石油工程有限公司，山東 東營(yíng) 257061；2. 中國(guó)石化勝利油田石油開(kāi)發(fā)中心，山東 東營(yíng) 257061；3.中國(guó)石油大學(xué)(華東)，山東 青島 266500)

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常規(guī)水平井懸空側(cè)鉆井眼軌道設(shè)計(jì)與應(yīng)用

范光第1，王 麗2，馬慶濤1，劉 華1，黃根爐3

(1.中國(guó)石化勝利石油工程有限公司，山東 東營(yíng) 257061；2. 中國(guó)石化勝利油田石油開(kāi)發(fā)中心，山東 東營(yíng) 257061；3.中國(guó)石油大學(xué)(華東)，山東 青島 266500)

針對(duì)勝利油田常規(guī)水平井鉆井過(guò)程中的懸空側(cè)鉆問(wèn)題，現(xiàn)場(chǎng)主要憑借經(jīng)驗(yàn)對(duì)側(cè)鉆軌道進(jìn)行設(shè)計(jì)，但設(shè)計(jì)精度低、失誤率高。采用平面圓弧和斜面圓弧的設(shè)計(jì)方法，將側(cè)鉆井眼軌道設(shè)計(jì)為：穩(wěn)斜段+造斜段，同時(shí)分別推導(dǎo)出了二維和三維側(cè)鉆井眼軌道計(jì)算公式，并對(duì)關(guān)鍵計(jì)算參數(shù)進(jìn)行了說(shuō)明。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)例證明了此方法設(shè)計(jì)精度高，能夠提高側(cè)鉆成功率，為同類(lèi)水平井懸空側(cè)鉆提供一定的技術(shù)支持。

常規(guī)水平井；懸空側(cè)鉆；軌道設(shè)計(jì)；平面圓??；斜面圓弧

0 引 言

目前，勝利油田部署的水平井大多為常規(guī)水平井。該類(lèi)井的建井周期較短，如果在施工過(guò)程中需要側(cè)鉆，采用填井側(cè)鉆時(shí)間較長(zhǎng)，而采用懸空側(cè)鉆則可以直接將鉆具提至側(cè)鉆點(diǎn)進(jìn)行施工，該種方式可大大減少施工周期，降低鉆井成本[1-2]。該文對(duì)側(cè)鉆井眼軌道設(shè)計(jì)問(wèn)題進(jìn)行了研究，針對(duì)鉆井過(guò)程中以螺桿鉆具為主、恒曲率井眼軌道更容易施工的現(xiàn)狀，采用了平面圓弧和斜面圓弧的設(shè)計(jì)方法，推導(dǎo)出二維和三維側(cè)鉆井眼軌道計(jì)算公式，軌道設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用方便。

1 側(cè)鉆軌道設(shè)計(jì)

選擇合適的側(cè)鉆點(diǎn)是實(shí)施懸空側(cè)鉆的第一步，也是側(cè)鉆成功的先決條件[3-4]。在造斜段中，管柱的受力如圖1所示，管柱在自身重力和彎曲變形作用下，其下端始終與下井壁接觸。所以側(cè)鉆方向一般都是斜向下，使新井眼保持在老井眼的斜下方，以此來(lái)確保管柱能順利進(jìn)入新井眼。圖中G為管柱的重力，F(xiàn)1、F2、F3為管柱受到的井壁支撐力。

在選擇側(cè)鉆點(diǎn)時(shí)應(yīng)盡量減少返工進(jìn)尺，縮短鉆井周期。同時(shí)，保證靶點(diǎn)與側(cè)鉆點(diǎn)之間垂距合適，若垂距過(guò)短，會(huì)造成后期井眼軌道調(diào)整空間太小，出現(xiàn)較大狗腿度及較大的摩阻扭矩，并給隨鉆儀器帶來(lái)危險(xiǎn)，也增加了后期電測(cè)及下套管過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)。因此，應(yīng)根據(jù)后期作業(yè)要求以及隨鉆儀器的規(guī)定，選擇合適的側(cè)鉆點(diǎn)并做好側(cè)鉆井眼軌道設(shè)計(jì)。

圖1 造斜井段管柱受力分析示意圖

2 二維井眼軌道設(shè)計(jì)

二維井眼軌道設(shè)計(jì)是在只考慮井斜角的變化，不考慮方位角的情況下，在井斜平面內(nèi)設(shè)計(jì)合理的側(cè)鉆軌道，如圖2所示。圖中C點(diǎn)為懸空側(cè)鉆點(diǎn)，CA為原始井眼軌道，CDT為新井眼軌道，CD為側(cè)鉆初始井段，DT為圓弧段。因此，二維懸空側(cè)鉆井眼軌道設(shè)計(jì)為：穩(wěn)斜段(微增段)+造斜段(平面圓弧段)，對(duì)應(yīng)圖2中CD段+DT段。

穩(wěn)斜段(微增段、CD段)既能保證新老井眼的快速分離，又可以連接上下造斜段，使井眼軌跡平滑。D點(diǎn)的井斜角、垂深通過(guò)計(jì)算可得[5-6]。

(1)

(2)

(3)

Δh=HA-HD

(4)

(5)

(6)式中：αC、αD分別為C點(diǎn)和D點(diǎn)井斜角，°；HA、HC、HD分別為A、C、D點(diǎn)垂深，m；kL為螺桿造斜率，°/m；Δh為垂深差，m；R為井眼曲率半徑，m；k為井眼曲率，°/m。

通過(guò)式(6)可得到新井眼軌道的曲率k，根據(jù)k是否滿(mǎn)足隨鉆儀器和后期作業(yè)要求，來(lái)調(diào)整側(cè)鉆點(diǎn)的位置。D點(diǎn)的參數(shù)由式(1)、(2)計(jì)算得到，當(dāng)kL為0時(shí)，D點(diǎn)垂深由式(3)計(jì)算得到。kL值與鉆進(jìn)時(shí)的眾多參數(shù)有關(guān)[7-8]，需要進(jìn)行預(yù)測(cè)，一定程度上存在預(yù)測(cè)誤差，因此，選擇的新井眼軌道曲率不能接近最大值，要保留調(diào)整余地。

3 三維井眼軌道設(shè)計(jì)

當(dāng)已鉆井眼嚴(yán)重偏離設(shè)計(jì)軌道，需要同時(shí)調(diào)整井斜角和方位角才能中靶時(shí)，或已鉆遇的油層未能達(dá)到預(yù)期效果，需要更改原設(shè)計(jì)來(lái)找到合適油層時(shí)，一般會(huì)采用三維井眼軌道設(shè)計(jì)(圖3)。圖3中C為懸空側(cè)鉆點(diǎn)，CA為原始井眼軌道，CDT為新井眼軌道，CD為側(cè)鉆初始井段，DT為斜面圓弧段。DE為D點(diǎn)的鉛垂線(xiàn)，DF為井眼軌跡在D點(diǎn)的方向線(xiàn)，EF為DF在水平面上的投影線(xiàn)(D點(diǎn)的方位線(xiàn))，T點(diǎn)為新目標(biāo)點(diǎn)，F(xiàn)T為側(cè)鉆方位線(xiàn)。因此，三維懸空側(cè)鉆井眼軌道設(shè)計(jì)為：穩(wěn)斜段(微增段)+造斜段(斜面圓弧段)，對(duì)應(yīng)圖3中CD段+DT段。

圖3 三維空間側(cè)鉆井眼軌道示意圖

側(cè)鉆設(shè)計(jì)時(shí)，C點(diǎn)的參數(shù)已知，A點(diǎn)方位角、垂深已知(即油頂垂深)，D點(diǎn)的井斜角、方位角、垂深需要通過(guò)C點(diǎn)參數(shù)及螺桿造斜率計(jì)算得到。由于側(cè)鉆初期需要新老井眼快速分離，所以重力工具面一般擺在180 °左右，這樣導(dǎo)致初期井段的方位角變化較小，基本可以忽略，即φD=φC，而D點(diǎn)的其他參數(shù)可以通過(guò)式(1)～(3)計(jì)算得到[10]。

Δh=DE=HA-HD

(7)

αD=∠EDF

(8)

Δφ=∠AFT=|φT-φD|

(9)

(10)

式中：φD、φT分別為D點(diǎn)和T點(diǎn)的方位角，°。

式(10)中的Δφ如果為0，則arccos(sinαDcosΔφ)=90-αD，式(10)就轉(zhuǎn)化為式(5)。側(cè)鉆井眼軌道的方位與原井眼軌道方位一致，也就演變成了二維井眼軌道設(shè)計(jì)。

4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)例應(yīng)用

以勝利油田平1井為例，該井部署在區(qū)塊邊部，油層發(fā)育差、厚度薄，施工難度大，依據(jù)原設(shè)計(jì)鉆遇油層20m，將油層打穿。與甲方討論，更改原設(shè)計(jì)方案，減小設(shè)計(jì)方位，為降低鉆井成本，選擇懸空側(cè)鉆。

該井原軌道設(shè)計(jì)造斜率為0.192 3 °/m，設(shè)計(jì)方位角為136 °，更改設(shè)計(jì)后，方位角變更為126 °。由老井眼軌跡數(shù)據(jù)得出油層頂部垂深為1 311.0m，選擇初始側(cè)鉆點(diǎn)為1 280.5m(對(duì)應(yīng)圖3中C點(diǎn))，各參數(shù)為：井斜角為52.11 °，方位角為136.56 °，垂深為1 247.1m。依據(jù)側(cè)鉆施工步驟，第1根斜向下鉆進(jìn)使新老井眼快速分離，第2根穩(wěn)斜鉆進(jìn)保證夾壁墻穩(wěn)定[8]，第3根開(kāi)始增斜和變方位施工。根據(jù)螺桿造斜率預(yù)測(cè)2根后(井深為1 299.7m，對(duì)應(yīng)圖3中的D點(diǎn))的井斜角為53.5 °，方位角為136 °，垂深為1 259m。將上述各參數(shù)代入式(7)～(11)計(jì)算得到井眼軌道造斜率為0.223 5 °/m，滿(mǎn)足后期完井作業(yè)與隨鉆儀器的要求(Halliburton公司的LWD要求狗腿度最大為0.250 0 °/m)。最后通過(guò)測(cè)斜數(shù)據(jù)、隨鉆測(cè)井曲線(xiàn)，確定側(cè)鉆成功。

平1井側(cè)鉆完成后，利用D點(diǎn)的實(shí)際參數(shù)(井斜角為53.17 °，方位角為135.86 °，垂深為1 258.7m)，計(jì)算得到井眼軌道的造斜率為0.228 5 °/100m，比設(shè)計(jì)值略大，完全滿(mǎn)足儀器要求。但是比原井眼軌道設(shè)計(jì)造斜率增大較多，正是由于側(cè)鉆初期井斜角的減小以及后期方位角的變化，導(dǎo)致了側(cè)鉆井眼軌道造斜率的增大。

由新井眼軌跡數(shù)據(jù)看出，井深為1 309.3m處井斜角為53.95 °，井斜角增加很小，基本為穩(wěn)斜鉆進(jìn)，可以認(rèn)為該點(diǎn)至側(cè)鉆點(diǎn)距離為1 280.5m為側(cè)鉆的初始井段，該點(diǎn)為上述需要預(yù)測(cè)的D點(diǎn)。將其實(shí)際各參數(shù)(井斜角為53.95 °、方位角為135.51 °、垂深為1264.4m)代入式(7)～(10)，計(jì)算得到造斜率為0.244 0 °/m，基本接近隨鉆儀器的最高要求。所以側(cè)鉆初始井段的預(yù)測(cè)非常重要，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)D點(diǎn)的各項(xiàng)參數(shù)，可以精確設(shè)計(jì)井眼軌道。但由于預(yù)測(cè)存在一定誤差，不能將設(shè)計(jì)側(cè)鉆井眼軌道的造斜率接近最高要求，保留一定的調(diào)整余地。

如果沒(méi)有進(jìn)行側(cè)鉆初始井段的預(yù)測(cè)，而是將側(cè)鉆點(diǎn)為1 280.5m作為圓弧段井眼軌道設(shè)計(jì)的起始點(diǎn)(對(duì)應(yīng)圖3中D點(diǎn))，將其各參數(shù)代入上式(7)～(10)，計(jì)算得到造斜率為0.195 6 °/m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于最高要求，所以會(huì)重新選擇側(cè)鉆點(diǎn)。如果選擇原井深1 328.6m為側(cè)鉆點(diǎn)，計(jì)算得到造斜率為0.205 0 °/m，依然遠(yuǎn)低于最高要求，可能會(huì)進(jìn)一步加深側(cè)鉆點(diǎn)，最終導(dǎo)致側(cè)鉆點(diǎn)距A靶點(diǎn)垂距過(guò)短，無(wú)法進(jìn)行施工。為此不能混淆側(cè)鉆點(diǎn)C與點(diǎn)D，即在做側(cè)鉆設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)的圓弧段井眼軌道起始點(diǎn)并不是實(shí)際側(cè)鉆點(diǎn)，而是新老井眼分離穩(wěn)定后，開(kāi)始正常進(jìn)行增斜和扭方位的起始點(diǎn)。

5 結(jié) 論

(1) 對(duì)于常規(guī)水平井出現(xiàn)的懸空側(cè)鉆，由于其原井眼軌道設(shè)計(jì)的造斜率較高，而側(cè)鉆初始井段的井斜角較小，后期方位角變化必然導(dǎo)致造斜率的增大。只有通過(guò)選擇合適的側(cè)鉆點(diǎn)，做好可行的側(cè)鉆井眼軌道設(shè)計(jì)才能保證懸空側(cè)鉆順利地實(shí)施。

(2) 做側(cè)鉆井眼軌道設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮到側(cè)鉆初始井段井斜角減小的影響。圓弧段井眼軌道設(shè)計(jì)的起始點(diǎn)并不是實(shí)際側(cè)鉆點(diǎn)，而是新老井眼分離穩(wěn)定后開(kāi)始增斜點(diǎn)，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)該點(diǎn)各參數(shù)可以比較合理的設(shè)計(jì)后期井眼軌道。

(3) 針對(duì)二維平面和三維空間問(wèn)題，采用穩(wěn)斜段(微增段)+平面圓弧(斜面圓弧)作為側(cè)鉆的井眼軌道，軌道設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，參數(shù)計(jì)算方便，有利于現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

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編輯 朱雅楠

20151008；改回日期：20160104

國(guó)家自然科學(xué)基金“導(dǎo)向鉆井下部鉆具運(yùn)動(dòng)狀態(tài)識(shí)別的理論與實(shí)驗(yàn)研究”(51274234)

范光第(1984-)，男，工程師，2008年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)(華東)石油工程專(zhuān)業(yè)，2011年畢業(yè)于該校油氣井工程專(zhuān)業(yè)，獲碩士學(xué)位，現(xiàn)從事定向井、水平井現(xiàn)場(chǎng)施工工作。

10.3969/j.issn.1006-6535.2016.02.035

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