SHL大位移井井眼軌跡設計

王孝山，蘇志波，姜 韡，王宏民

（中國石油化工股份有限公司上海海洋油氣分公司，上海 200120）

SHL大位移井井眼軌跡設計

王孝山，蘇志波，姜 韡，王宏民

（中國石油化工股份有限公司上海海洋油氣分公司，上海 200120）

SHL維寧氣田的大位移井采用超大位移定向井作業(yè)方式，設計井深在12 000 m左右，水平位移達11 000 m，水垂比接近4，作業(yè)難度大，對施工設計、設備、材料提出了極高的要求。此文主要從鉆井井眼軌跡設計入手，著力對井眼軌跡組成的幾個要素進行優(yōu)化，分別從造斜點的選擇、穩(wěn)斜段井斜角的確定及造斜段設計方法的優(yōu)選等三個方面，在滿足有效開發(fā)儲層的前提下，確定SHL大位移定向井井眼軌跡的最適合設計，以期降低作業(yè)期間的扭矩摩阻，減少施工難度。

超大位移；定向井；造斜點；井斜角；井眼軌跡

SHL維寧區(qū)塊位于SHL大陸架柴沃灣和納比利灣之間，距離岸邊6~7 km，海域水深26~28 m，為了有效開發(fā)該區(qū)塊，根據(jù)當?shù)氐牡乩憝h(huán)境，在保利角南端采用海油陸采大位移井方案進行開發(fā)。大位移井的定義一般是指井的水平位移與井的垂深之比等于或大于2的定向井，大于3時一般稱為超大位移井，大位移井具有很長的大斜度穩(wěn)斜段，大斜度穩(wěn)斜角一般大于60°[1]。SHL大位移井井眼軌跡屬于超大位移定向井范疇，該井設計垂深2 920 m，目標靶點水平位移設計達到11 332 m，施工難度大，作業(yè)時要保證井眼扭矩不能超過鉆柱和設備的極限，盡量降低扭矩、摩阻和套管磨損，提高鉆柱及鉆具組合的下入能力等。目前，大位移井井身剖面類型主要有：恒曲率剖面和準懸鏈線剖面、側位懸鏈線剖面、拋物線剖面、擺線剖面等，各種剖面都有自身的特點，最終的目的是減小井眼的摩阻和扭矩，增加水平井段的延伸能力，光滑的井眼軌跡是鉆大位移井成功的關鍵，下面主要從三個方面對SHL大位移井井眼軌跡進行分析及優(yōu)選。

1 造斜點的選擇

造斜點的正確選擇是對水平井能否順利達到鉆井目標的至關重要的一步，根據(jù)造斜點選擇的深度相對于目的層的深度可以把造斜點大致分為較淺、中等和較深幾類。

1.1 不同造斜深度的優(yōu)缺點

造斜點較淺，其優(yōu)點是可供選擇的目標區(qū)域較大，對斜井段的斜率和狗腿度的調(diào)整有較大的自由度，也能較好的降低扭矩及摩阻。缺點為：對位移較小的目標區(qū)域較難控制，井眼斜井段相對較長，靶前距較大。

造斜點較深，其優(yōu)點為對位移較小的目標容易控制，井眼的斜井段較短，靶前距較小。缺點為：對目標較遠的區(qū)域較難控制，斜井段的狗腿度較大，增加了扭矩及摩阻，不利于長斜井段的鉆進。

1.2 SHL大位移井不同造斜點模擬分析

現(xiàn)以維寧地區(qū)GP2井為例，目標點（A靶）垂深2 755 m，水平位移10 333 m，造斜點深度變化范圍160~500 m，穩(wěn)斜角80~90°（穩(wěn)斜角低于78°時需要進行多次造斜），按圓弧形軌道剖面，在不同造斜點深度和穩(wěn)斜角時，進行井眼軌道設計和摩阻、扭矩計算，不同條件下的剖面參數(shù)見表1及圖1、圖2。

表1 不同造斜點深度、不同穩(wěn)斜角井眼軌道設計參數(shù)

圖1 不同造斜點及穩(wěn)斜角在不同工況下的扭矩

圖2 不同造斜點及穩(wěn)斜角在不同工況下的懸重

預設模擬參數(shù)主要為：

（1）鉆具組合：12-1/4"PDC鉆頭+9-1/2"旋轉導向馬達+ARC+8" MWD+12-1/8"穩(wěn)定器+8"無磁鉆鋌×2根+6-5/8"加重鉆桿×1根+8"隨鉆震擊器+6-5/8"加重鉆桿×5根+6-5/8"鉆桿×若干。

（2）工況參數(shù)：鉆井液密度1.44 g/cm3，旋轉鉆進鉆壓50 kN，滑動鉆進鉆壓30 kN，起下鉆速度10 m/min，鉆頭扭矩8 kN·m。

（3）摩阻系數(shù)：套管內(nèi)0.17，裸眼井段0.21，13-3/8"套管下深5 500 m。

由上表和圖可以得出如下結論：

（1）井眼長度：如表1，當造斜點深度一定時，隨著穩(wěn)斜角增大，井眼長度依次增加；隨著造斜點深度下移，井眼長度也依次增加，穩(wěn)斜角越大，增加幅度越大。

（2）扭矩分析：如圖1所示，當造斜點深度一定時，穩(wěn)斜角越小，扭矩越大；當穩(wěn)斜角不變，造斜點深度下移，扭矩也越大。

（3）摩阻分析：如圖2大鉤懸重所示，當造斜點深度一定時，穩(wěn)斜角越小，大鉤懸重越大，摩阻越?。浑S著造斜點深度下移，大鉤懸重逐步減少，摩阻也隨著增加。

綜上所述，造斜點深度越淺，井眼長度越短，起下鉆摩阻、滑動鉆進摩阻和旋轉鉆進扭矩越小，所以大位移井的造斜點應以實施井區(qū)塊地層允許造斜的較高點為宜。

1.3 SHL大位移井造斜點優(yōu)選

根據(jù)SHL大位移井作業(yè)的特點，其水平位移總體在10 000 m左右，垂深2 000~3 000 m，水垂比很大，且目的層橫跨多層，需采用定向井的模式進行穿越，宜采用較淺的造斜點，在150~250 m之間，來獲得較小的狗腿度，盡量簡化井眼軌跡，避免二次造斜，降低井眼的扭矩摩阻。

2 穩(wěn)斜段井斜角的確定

穩(wěn)斜段的井斜角越大，鉆柱重力的軸向分量就會越小，甚至為負值，當穩(wěn)斜段鉆柱重力的軸向分量小于等于零時，將需要上部井段的鉆柱提供軸向壓力來克服，因為不僅需要克服穩(wěn)斜段鉆柱遇到的摩阻力，還要克服穩(wěn)斜段鉆柱重力的軸向分量。

穩(wěn)斜段的井斜角和長度，取決于穩(wěn)斜段以上井段內(nèi)的鉆柱能夠提供多大的軸向壓力。穩(wěn)斜段的井斜角，有一個臨界穩(wěn)斜角αk。當最大穩(wěn)斜角等于臨界井斜角時，穩(wěn)斜段鉆柱重力的軸向分量正好等于穩(wěn)斜段鉆柱遇到的摩阻力。據(jù)此可得臨界穩(wěn)斜角αk：

式中：μ為鉆柱與井壁之間的平均摩阻系數(shù)。

對于水基、油基鉆井液，鉆柱與井壁的平均摩阻系數(shù)在0.15~0.30之間，則由公式1計算的臨界穩(wěn)斜角，計算結果見表2。

表2 臨界穩(wěn)斜角計算結果

由以上分析可知，臨界穩(wěn)斜角與井眼平均摩阻系數(shù)成反比關系，即平均摩阻系數(shù)越小，臨界穩(wěn)斜角則越大。顯然在大位移井中，臨界穩(wěn)斜角越大對井眼狀況要求越高。

3 造斜段設計方法選擇及驗證

3.1 造斜段常用設計方法

大位移井常用的剖面設計方法可以分為恒曲率設計和變曲率設計。恒曲率設計是在定向井鉆井中普遍采用的“直-增-穩(wěn)”三段制剖面，即造斜率為常量；而變曲率設計的造斜率為變量，主要有懸鏈線、準懸鏈線、側位懸鏈線、拋物線、擺線等[2]。有時因地質(zhì)要求，需設計三維剖面，三維剖面設計的方法主要有圓柱螺線法和斜平面法。下面就SHL大位移井所涉及到的設計方法做一個簡要分析。

（1）恒曲率設計方法

恒曲率剖面即通常所說的“直-增-穩(wěn)”三段制剖面，這是定向井、水平井常用剖面類型，也是比較簡單、實用的剖面類型。

（2）變曲率設計方法——準懸鏈線[3]

“準懸鏈線”也稱為恒變增曲率曲線軌跡，見圖4，其設計思路為，初始造斜率為1.0~1.5°/30 m，逐漸增至最大造斜率2.5°/30 m?？刹捎妹吭黾右粋€固定的井斜角度數(shù)，造斜率等量增加，或在每個相同段長，其造斜率等量增加這兩種方式。這種曲線的特點是：曲線的曲率是變化的，此變化率是個常數(shù)，即曲率隨井深的變化是線性關系。

（3）變曲率設計方法——側位懸鏈線[3]

所謂側位懸鏈線，就是將正常懸鏈線的右半部分順時針旋轉90°或?qū)⒆蟀氩糠帜鏁r針旋轉90°所得到的曲線。該曲線在上端點處與縱坐標軸夾角為0°，將該點與造斜點重合，則不需要圓弧過渡段。所以其基本方程與懸鏈線是一樣的，只不過懸鏈線方程中的α要用（90° + α）來代替，并將x軸和y軸交換。

3.2 SHL大位移井井眼軌跡設計對比

3.2.1 井眼軌跡設計

根據(jù)北維尼凝析氣田大位移井開發(fā)方案，對維寧區(qū)塊GP2井井眼軌跡進行模擬分析，其設計基礎數(shù)據(jù)見表3。

表3 GP2井設計基礎數(shù)據(jù)表

由于該井是超大位移定向井，后續(xù)井眼造斜困難，宜采用二維井眼軌跡。造斜點的選擇根據(jù)上述分析結果及鄰井的井眼軌跡資料，選擇造斜深度為160 m，使用Compass軟件，分別使用準懸鏈線法、側位懸鏈線法和恒曲率法對GP2井進行了井眼軌道設計，見表4、表5、表6。

表4 準懸鏈線剖面井眼軌跡設計數(shù)據(jù)表

表5 側位懸鏈線剖面井眼軌跡設計數(shù)據(jù)表

表6 恒曲率剖面井眼軌跡設計數(shù)據(jù)表

由以上各表可以看出，在選擇同一造斜點深度的情況下，各剖面的井眼長度關系為：側位懸鏈線剖面>準懸鏈線剖面>恒曲率剖面。

3.2.2 三種井眼軌跡扭矩摩阻分析

針對3種井身剖面，采用本文1.2節(jié)給定的模擬參數(shù)，使用Wellplan軟件對摩阻、扭矩進行計算并進行對比分析[4]，見圖3、圖4。

圖3 三種軌跡各種工況下扭矩對比

圖4 三種軌跡各種工況下大鉤懸重對比

由圖3、圖4可以看出：

（1）三種剖面對應的旋轉鉆進、空轉、倒劃眼扭矩的大小關系皆為：恒曲率剖面＞側位懸鏈剖面＞準懸鏈線剖面。

（2）三種剖面對應的各種工況下的大鉤懸重的大小關系皆為：恒曲率剖面>準懸鏈線剖面>側位懸鏈線剖面。大鉤懸重越大，鉆柱與井眼的摩阻相應越小。

根據(jù)SHL作業(yè)區(qū)鉆井設備的實際配備情況，因最大作業(yè)扭矩已超過100 000 N·m，接近了設備的極限，相比之下，鉆柱摩阻對作業(yè)的影響較小，因此建議采用準懸鏈線井眼剖面。

4 小結

依據(jù)大位移井井眼軌道設計原則，進行了造斜點的選擇、臨界穩(wěn)斜角的計算和造斜井段的設計方法三方面的分析研究，以北維尼凝析氣田大位移井GP2井為例進行了以上三方面的計算，得出了以下結論：

（1）依據(jù)SHL北維尼地區(qū)的作業(yè)經(jīng)驗和數(shù)據(jù)模擬結果，宜采用較淺的造斜點，深度在150~250 m之間。

（2）根據(jù)鉆井液的潤滑效果及摩阻系數(shù)的大小，推薦SHL大位移定向井的穩(wěn)斜角為80°左右。

（3）經(jīng)過對采用不同方法設計的井眼軌跡模擬計算，結合分析數(shù)據(jù)對當前作業(yè)的重要性，SHL大位移井建議采用準懸鏈線井眼剖面。

[1]劉修善. 井眼軌道設計理論與描述方法[M]. 哈爾濱： 黑龍江科學技術出版社， 1993.

[2]劉修善. 懸鏈線軌道設計方法研究[J]. 天然氣工業(yè)， 2007， 27（7）： 73-75.

[3]韓志勇. 定向井懸鏈線軌道的無因次設計方法[J]. 石油鉆采工藝， 1997， 19（4）： 13-16.

[4]雷正義， 付建紅， 姜偉， 等. 擬懸鏈線軌跡設計方法及其摩阻扭矩評價[J]. 石油鉆采工藝， 2004， 26（6）： 13-15， 17.

Trajectory Design of Sakhalin ERD Wells

WANG Xiaoshan, SU Zhibo, JIANG Wei, WANG Hongmin
（SINOPEC Shanghai Offshore Oil & Gas Company, Shanghai 200120, China）

The trajectory design of ERD wells in Veni gas feld of Sakhalin area belongs to extra-ERD well, with design well depth about 12 000 m, and the horizontal displacement up to 11 000 m. The operation is so diffcult that high requirements for construction design, equipment and material have been proposed. In this paper, several main factors of the borehole trajectory have been optimized to design the drilling hole trajectory, including selection of the KOP, determination of sailangle and optimization of inclined section design methods. On the premise of satisfying the effective development of reservoir, the most suitable design of Sakhalin extra-ERD directional well trajectory has been determined in order to lower the torque and friction, and reduce the operation diffculty.

Extra-ERD; directional well; KOP; angle of inclination; hole trajectory

TE243

A

10.3969/j.issn.1008-2336.2017.01.080

1008-2336（2017）01-0080-05

2016-07-18；改回日期：2016-09-30

王孝山，男，1981年生，高級工程師，2004年畢業(yè)于中國地質(zhì)大學勘查技術與工程專業(yè)，主要從事海上石油技術服務及研究工作。E-mail：wangxsh.shhy@sinopec.com。