頁(yè)巖氣雙二維水平井軌跡優(yōu)化設(shè)計(jì)與應(yīng)用

劉茂森，付建紅，白 璟

(1.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610500；2.西南石油大學(xué)，四川 成都 610500；3.中國(guó)石油川慶鉆探工程有限公司，四川 成都 610051)

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頁(yè)巖氣雙二維水平井軌跡優(yōu)化設(shè)計(jì)與應(yīng)用

劉茂森1，2，付建紅1，2，白 璟3

(1.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610500；2.西南石油大學(xué)，四川 成都 610500；3.中國(guó)石油川慶鉆探工程有限公司，四川 成都 610051)

水平井井眼軌跡設(shè)計(jì)是“井工廠”模式開發(fā)頁(yè)巖氣的重要組成部分，研究合理的井眼軌跡有利于降低頁(yè)巖氣鉆井施工難度，提高經(jīng)濟(jì)效益。針對(duì)頁(yè)巖氣水平井的鉆井難點(diǎn)，提出了雙二維井眼軌跡設(shè)計(jì)方法。從降低鉆井成本、減小鉆柱摩阻扭矩、防止叢式井相碰等方面對(duì)比分析了雙二維水平井相對(duì)于三維水平井的優(yōu)點(diǎn)。結(jié)果表明：將水平井的軌跡設(shè)計(jì)在2個(gè)相交的鉛垂面中，在每個(gè)鉛垂面內(nèi)只有井斜變化沒有方位變化，大大降低了鉆井施工難度；在鉆具組合和工程參數(shù)相同的情況下，雙二維水平井的水平段摩阻扭矩更??；同時(shí)，雙二維水平井在降低導(dǎo)向鉆井成本和鄰井碰撞風(fēng)險(xiǎn)等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。雙二維水平井軌跡優(yōu)化設(shè)計(jì)方法可有效降低頁(yè)巖氣井水平井鉆井成本，實(shí)現(xiàn)頁(yè)巖氣藏的高效開發(fā)。

頁(yè)巖氣；雙二維水平井；井眼軌跡；摩阻扭矩；防碰；長(zhǎng)寧H1井

0 引 言

頁(yè)巖氣通常采用“井工廠”模式進(jìn)行開發(fā)[1-6]，頁(yè)巖氣水平井鉆井主要面臨井眼軌跡控制困難、鄰井碰撞風(fēng)險(xiǎn)高、鉆柱摩阻扭矩大等諸多難題[7]。因此，頁(yè)巖氣水平井鉆井需要解決的關(guān)鍵技術(shù)是采用最優(yōu)化、最經(jīng)濟(jì)的井眼軌跡設(shè)計(jì)與控制方法，確定合理的井身剖面參數(shù)。在二維井眼軌跡的基礎(chǔ)上，開展了頁(yè)巖氣雙二維井眼軌跡優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，研究成果對(duì)頁(yè)巖氣安全高效鉆井具有重要指導(dǎo)意義。

1 雙二維井眼軌跡設(shè)計(jì)方法

與三維水平井不同的是，雙二維水平井的井眼軌跡設(shè)計(jì)在2個(gè)相交的鉛垂面中，每個(gè)鉛垂面中分別為一段二維軌跡。首先在空間直角坐標(biāo)系O-XYZ中建立2個(gè)相交的鉛垂面ABCD和BDEF，其中ABCD稱為第1鉛垂面，BDEF稱第2鉛垂面(圖1)。圖中，O為坐標(biāo)原點(diǎn)，X為北坐標(biāo)，Y為東坐標(biāo)，Z為垂深，φ為2個(gè)平面之間的夾角，I為井口，J和K分別為入靶點(diǎn)和出靶點(diǎn)，M為鉆井軌跡與第1、第2鉛垂面的交點(diǎn)。

圖1 雙二維井眼軌跡設(shè)計(jì)示意圖

先在第1鉛垂面內(nèi)設(shè)計(jì)第1段二維軌跡，采用“直—增—穩(wěn)—降—穩(wěn)”的井眼剖面。為降低鄰井相碰的風(fēng)險(xiǎn)，在設(shè)計(jì)一段直井段后軌跡開始在第1鉛垂面中朝著第2鉛垂面的方向進(jìn)行增斜，增斜后的井斜角不超過20 °。待增斜到設(shè)計(jì)井斜角時(shí)開始穩(wěn)斜，穩(wěn)斜一定長(zhǎng)度后開始降斜，降斜段井眼曲率較小，降斜后的井斜角控制在5 °以內(nèi)。待降斜到設(shè)計(jì)井斜角后再開始穩(wěn)斜作業(yè)，直到鉆至2個(gè)鉛垂面的交匯位置M，該位置為第2鉛垂面內(nèi)造斜段起點(diǎn)。由于M點(diǎn)處的井斜角較小，其方位角可以不考慮，在第2鉛垂面內(nèi)可直接按二維水平井設(shè)計(jì)[8]，唯一的約束就是M點(diǎn)在水平面的投影在水平段的反向延長(zhǎng)線上(圖2)。

圖2 水平投影示意圖

雙二維井眼軌跡設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是要確定第1段軌跡的水平位移，即水平面投影中M點(diǎn)到I點(diǎn)的距離S。圖2中，井口I、入靶點(diǎn)J和出靶點(diǎn)K的坐標(biāo)已知，水平段JK相對(duì)于正北方向的方位角為θ，則有：

(1)

式中：θ為水平段JK相對(duì)于正北方向的方位角，rad；NK為K點(diǎn)的北坐標(biāo)，m；NJ為J點(diǎn)的北坐標(biāo)，m；EK為K點(diǎn)的東坐標(biāo)，m；EJ為J點(diǎn)的東坐標(biāo)，m。

水平段的偏移距H為：

(2)

式中：H為軌跡水平段的偏移距，m；EI為I點(diǎn)的東坐標(biāo)，m；NI為I點(diǎn)的北坐標(biāo)，m。

M點(diǎn)到I點(diǎn)的距離S為：

(3)

式中：S為M點(diǎn)到I點(diǎn)的距離，m；φ為2個(gè)平面之間的夾角，rad。

求得第1段軌跡的水平位移S后，便可以根據(jù)五段式井眼軌跡設(shè)計(jì)方法[9]設(shè)計(jì)第1段井眼軌跡，再以M為起點(diǎn)設(shè)計(jì)第2段井眼軌跡。

相對(duì)于三維水平井，雙二維水平井在第1鉛垂面內(nèi)造斜點(diǎn)深度較淺，一般為50～170m，從而在直井段增大了鄰井間距，降低了碰撞風(fēng)險(xiǎn)；在每個(gè)鉛垂面內(nèi)，軌跡只有井斜變化而幾乎沒有方位變化，井眼軌跡控制難度大大減??；進(jìn)入第2鉛垂面時(shí)，軌跡的井斜角很小，近似于直井，可以直接調(diào)整方位開始造斜，避免了常規(guī)三維水平井的大幅度扭方位作業(yè)。

2 頁(yè)巖氣雙二維水平井軌跡優(yōu)化理論研究

2.1 鉆柱摩阻扭矩分析

目前常用的摩阻扭矩計(jì)算模型主要分為軟桿模型和剛桿模型[10]。雙二維水平井的井眼曲率較小，因此，軟桿模型比較符合現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)情況，基本方程如下：

(4)

Ti=Rμ|Ni|+Ti-1

(5)

2.2 防碰掃描分析

在頁(yè)巖氣“井工廠”鉆井施工過程中存在較高的鄰井相碰風(fēng)險(xiǎn)，需要準(zhǔn)確計(jì)算參考井上任一點(diǎn)與鄰井之間的距離，目前現(xiàn)場(chǎng)最常用的井眼距離掃描方法為最短距離掃描法[11]。由于各種誤差因素的存在，此次計(jì)算中采用誤差橢球模型并引入分離系數(shù)來進(jìn)行分析，分離系數(shù)定義為兩測(cè)點(diǎn)之間的距離與兩測(cè)點(diǎn)誤差橢球長(zhǎng)半軸之和的比[12]：

(6)

式中：f為分離系數(shù)；R1，2為兩測(cè)點(diǎn)間的距離，m；R1、R2分別為兩測(cè)點(diǎn)誤差橢球的長(zhǎng)半軸長(zhǎng)度，m。

3 實(shí)例分析

目前，長(zhǎng)寧地區(qū)已有10余口水平井采用了雙二維井身剖面，取得了良好的應(yīng)用效果。下面以長(zhǎng)寧H1井為例，對(duì)雙二維水平井的主要優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行具體分析。

3.1 井組概況

長(zhǎng)寧H1井為一口雙二維水平井，軌跡水平投影如圖3所示。H1井旁邊有一口三維水平井H3井，H3、H1井的井口距離為30m，與H1井屬同一鉆井平臺(tái)，H1、H3井的井身結(jié)構(gòu)和水平段鉆具組合相同，軌跡水平投影如圖4所示。

圖3 H1井井眼軌跡水平投影

圖4 H3井井眼軌跡水平投影

由圖3、4可知，H1井與H3井的井眼軌跡水平投影存在明顯差別，H1井由于不存在扭方位造斜段，其軌跡水平投影由2條直線構(gòu)成；H3井為一口三維水平井，扭方位造斜段在水平面上的投影為一段弧線。

3.2 雙二維井眼軌跡與三維井眼軌跡對(duì)比

3.2.1 水平段摩阻扭矩

根據(jù)H1井和H3井的實(shí)際情況，結(jié)合鉆柱摩阻扭矩模型，取以下計(jì)算參數(shù)：裸眼摩擦系數(shù)為0.20，套管摩擦系數(shù)為0.17，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速為60r/min，鉆壓為60kN，鉆頭扭矩為2.5kN·m，鉆進(jìn)時(shí)管柱運(yùn)動(dòng)速度為0.001m/s，起下鉆時(shí)管柱運(yùn)動(dòng)速度為0.100m/s，鉆井液密度為2.00g/cm3，計(jì)算不同工況下，井深為4 700m時(shí)2口井的井口大鉤載荷和井口扭矩(表1、2)。

表1 不同工況下的井口大鉤載荷計(jì)算結(jié)果

表2 不同工況下的井口扭矩計(jì)算結(jié)果

由表1、2可知，井深為4 700m時(shí)，2口井的井口大鉤載荷和井口扭矩均在設(shè)備的能力范圍之內(nèi)，但雙二維水平井在不同工況下的摩阻和扭矩均比三維水平井更小，說明雙二維水平井井身剖面設(shè)計(jì)更為合理，有利于井眼軌跡控制和水平段鉆壓的傳遞。

3.2.2 鄰井防碰掃描分析

H1井與H3井中間有一口二維水平井H2，H2井與H1井的井口距離為15m，方位為100 °，造斜深度為2 680m，水平段方位為10 °。以H2井作為參考井，分別對(duì)H1井和H3井進(jìn)行防碰分析(圖5)。

為安全起見，工程上一般認(rèn)為分離系數(shù)小于1.5的井段存在碰撞風(fēng)險(xiǎn)，需要加強(qiáng)防碰措施。由圖5可知，三維水平井在2 300～2 700m井段分離系數(shù)小于1.5，存在碰撞風(fēng)險(xiǎn)；而雙二維水平井全井段的分離系數(shù)均在20.0以上，即雙二維水平井能夠有效降低與鄰井的碰撞風(fēng)險(xiǎn)。

3.2.3 導(dǎo)向鉆井成本

頁(yè)巖氣水平井在造斜段通常采用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆進(jìn)方式，H1井的造斜段長(zhǎng)度為389.6m，H3井的造斜段長(zhǎng)度為659.7m，H1的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具作業(yè)進(jìn)尺較H3井少270.1m。目前，長(zhǎng)寧地區(qū)的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具服務(wù)費(fèi)為1 500 元/m，則單井可節(jié)約服務(wù)費(fèi)用40.5×104元，占導(dǎo)向費(fèi)用的12.3%，其工廠化批量作業(yè)效益是極其可觀的。

圖5 防碰計(jì)算結(jié)果

通過對(duì)水平段鉆柱摩阻扭矩、鄰井碰撞風(fēng)險(xiǎn)和導(dǎo)向鉆井成本的分析表明，頁(yè)巖氣雙二維水平井能夠有效降低水平段鉆柱摩阻扭矩、鄰井碰撞風(fēng)險(xiǎn)和導(dǎo)向鉆井成本，既降低了鉆井施工難度，又提高了經(jīng)濟(jì)效益，具有廣泛的應(yīng)用前景。但雙二維水平井設(shè)計(jì)方法也有一定的局限性，由于雙二維水平井在造斜點(diǎn)位置處需要有足夠的垂深以滿足鄰井防碰和水平段偏移距的要求，不適合用于埋藏深度較淺的油氣藏。

4 結(jié) 論

(1) 根據(jù)頁(yè)巖氣“井工廠”的開發(fā)要求和鉆井難點(diǎn)，在二維井眼軌跡的基礎(chǔ)上，提出了雙二維井眼軌跡的設(shè)計(jì)方法，從鉆柱摩阻扭矩、鄰井碰撞風(fēng)險(xiǎn)和鉆井成本3個(gè)方面探討了雙二維井眼軌跡的優(yōu)點(diǎn)。

(2) 對(duì)比分析了雙二維水平井與三維水平井，雙二維水平井鉆柱摩阻扭矩小，鄰井間碰撞風(fēng)險(xiǎn)低，其軌跡在每個(gè)鉛垂面內(nèi)只有井斜變化沒有方位變化，施工難度大大降低，且有利于提高效益，降低鉆井成本，實(shí)現(xiàn)了頁(yè)巖氣藏的效益開發(fā)。

(3) 雙二維水平井設(shè)計(jì)方法也具有其局限性，如造斜點(diǎn)以上必須具有足夠的垂深，對(duì)于儲(chǔ)層埋藏淺的油氣藏不適用。

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編輯 孟凡勤

20151120；改回日期：20151229

國(guó)家“973”項(xiàng)目“頁(yè)巖氣水平井井眼軌跡優(yōu)化設(shè)計(jì)與地質(zhì)導(dǎo)向理論研究”(2013CB228003)

劉茂森(1990-)，男，2014年畢業(yè)于西南石油大學(xué)石油工程專業(yè)，現(xiàn)為該校石油與天然氣工程專業(yè)在讀碩士研究生，主要從事特殊結(jié)構(gòu)井鉆井工藝方面的研究。

10.3969/j.issn.1006-6535.2016.02.036

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