復(fù)雜條件下鉆井軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)與實(shí)踐

王 建，竇正道，施智玲，徐旭東，趙 進(jìn)

(中國(guó)石化江蘇油田分公司石油工程技術(shù)研究院，江蘇 揚(yáng)州 225009)

隨著江蘇油田勘探開發(fā)的不斷深入，地下含油小斷塊“小、碎、貧、散”的復(fù)雜地質(zhì)條件，與水網(wǎng)、村鎮(zhèn)密集的復(fù)雜地面條件之間的矛盾更加突顯。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)復(fù)雜條件下鉆井做了大量工作[1-6]，主要研究集中于井下復(fù)雜條件下的井身結(jié)構(gòu)、鉆井液性能及鉆進(jìn)工藝優(yōu)化過程，而針對(duì)地下、地面均復(fù)雜的鉆井優(yōu)化研究較少。

在江蘇油田所處的復(fù)雜條件下，井口位置和目標(biāo)靶點(diǎn)均已確定，只有通過優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，才能實(shí)現(xiàn)地質(zhì)目標(biāo)。因此，有必要從鉆井工程優(yōu)化設(shè)計(jì)角度，解決井位部署難題。目前在江蘇油田已成功采用的方法為反向造斜軌道剖面設(shè)計(jì)、定向井高造斜率剖面設(shè)計(jì)和利用報(bào)廢井鉆新井。

1 反向造斜軌道剖面設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)優(yōu)化思路

定向井施工時(shí)需要有合適的位移完成定向鉆進(jìn)，如果井口與一靶較近甚至位于一靶與二靶之間，靶前位移不足或?yàn)樨?fù)值，在傳統(tǒng)觀念下無法施工。從降低施工難度，充分利用現(xiàn)有鉆井工藝技術(shù)角度出發(fā)，提出多目標(biāo)定向井反向造斜軌道設(shè)計(jì)。剖面共分為三段：第一段是井口O至中點(diǎn)D的反向造斜段，該段一般形式為“直—增—穩(wěn)—降”，中點(diǎn)的井斜角為0°；第二段為中點(diǎn)D至定向井入靶點(diǎn)G的增斜段，該段形式一般為“增—穩(wěn)”；第三段為靶點(diǎn)G至井底終點(diǎn)H的穩(wěn)斜段；通過計(jì)算合適的反向造位移量SN，即可完成二次增斜中靶。剖面計(jì)算過程參考小靶前距水平井[7]，反向位移設(shè)計(jì)的反向量由公式1、公式2計(jì)算，最終結(jié)果如圖1所示。

(1)

SN=SZ-SO

(2)

式中：

SZ為DG間的位移，m；SO為井口O至一靶G之間的位移；SN為井口O至中點(diǎn)D的位移，m；K為造斜率，(°)/100m；φ為中靶井斜角，(°)。

1.2 設(shè)計(jì)剖面優(yōu)化案例

LX44井選定井口至第一靶點(diǎn)位移為-189.43 m，按照常規(guī)無法設(shè)計(jì)。利用反向造斜軌道設(shè)計(jì)方法，通過計(jì)算求得設(shè)計(jì)所需的靶前距、入靶井斜角、方位角等基本參數(shù)，然后按8°/100 m的常規(guī)造斜率設(shè)計(jì)出自中點(diǎn)至入靶點(diǎn)井段的軌道，確定常規(guī)造斜率所需的靶前距為167.04 m，計(jì)算出反位移量為356.47 m。再通過設(shè)定造斜點(diǎn)、造斜率、降斜率等參數(shù)，使用“增—穩(wěn)—降”剖面設(shè)計(jì)反向造斜段的井眼軌道。最后，計(jì)算一靶至井底的軌道參數(shù)后完成全井軌道的設(shè)計(jì)。軌道設(shè)計(jì)剖面如表1所示。

圖1 反位移軌道設(shè)計(jì)

表1 LX44井設(shè)計(jì)軌道

1.3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施情況

按照LX44井設(shè)計(jì)軌道的施工難點(diǎn)為311.1 mm井眼反向造斜段(230～1 898.5 m)，該井段順利施工是反向造斜軌道能夠成功實(shí)施的保證，施工中發(fā)現(xiàn)初始造斜井段為鹽城組松軟地層，采用1.25°/1.5°Φ203 mm單彎螺桿的造斜率(≤3.8°/100m)均較低，而1.75 °Φ197 mm彎接頭和直螺桿可以達(dá)到設(shè)計(jì)造斜率，后續(xù)井施工建議采用該套鉆具組合(見表2)。

從設(shè)計(jì)軌道對(duì)后期采油的影響考慮，不建議采用更高造斜率的螺桿，以免發(fā)生采油時(shí)頻繁檢泵的后果。定向施工中應(yīng)控制反向造斜段的全角變化率，盡力趨向直井段的要求。該井段軌跡測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果如圖2所示。

表2 LX44井反向造斜段施工造斜率

圖2 LX44井反向造斜段軌跡測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比

2 定向井高造斜率剖面設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)優(yōu)化思路

江蘇油田定向井設(shè)計(jì)中要求控制井眼曲率最大值(5～12°)/100 m。而在井口和靶點(diǎn)都確定的情況下，只有調(diào)整井口與靶點(diǎn)的連接線才能達(dá)到鉆井目的。因此，在人口、水網(wǎng)密集的小斷塊地區(qū)鉆井，需要突破固有思維的限制，擴(kuò)大井眼曲率的選擇范圍，增加井口位置的可選擇性，降低施工難度。設(shè)計(jì)思路如下：

(1)定向井的造斜段曲率采用水平井的井眼曲率，設(shè)定為(20～28°)/100 m；

(2)將井口位置定于一靶的范圍內(nèi)，采用直井段中第一靶點(diǎn)后，增斜中第二靶點(diǎn)；

(3)要求一靶與二靶之間段長(zhǎng)應(yīng)大于300 m，設(shè)計(jì)井斜角小于60°(確保中一靶后有足夠的井段造斜，且避免大斜度井)。

2.2 設(shè)計(jì)剖面優(yōu)化

2.2.1 設(shè)計(jì)案例

H68-3井位于H68孤島，已經(jīng)部署了H66井、H52井、H2井、H68井、H68-1井等多口井，H68-3井意向與H68-1井組成叢式井組，拖井架后一靶的靶前距約15 m(一靶半徑20 m)，兩靶點(diǎn)之間井段長(zhǎng)490.6 m，計(jì)算最大井斜角為43.59°，按照常規(guī)的造斜率設(shè)計(jì)，靶前距不夠，需要反向造斜，通過采用高造斜率設(shè)計(jì)較好地解決這個(gè)問題。H68-3井采用定向井高造斜率軌道設(shè)計(jì)剖面(見表3)。

表3 H68-3井軌道設(shè)計(jì)剖面

2.2.2 摩阻、扭矩分析

分析H68-3井設(shè)計(jì)軌道的摩阻、扭矩(見表4)，可知，高造斜率剖面可以減少鉆井進(jìn)尺，縮短定向段長(zhǎng)，降低定向工作量，且減小摩阻扭矩。

表4 H68-3井摩阻扭矩計(jì)算

注：計(jì)算時(shí)套管內(nèi)摩阻系數(shù)0.20，裸眼段摩阻系數(shù)0.35，鉆壓160 kN，鉆頭扭矩4.5 kN·m，鉆井液密度1.20 g/cm3，起下鉆速度10 m/min。

2.3 實(shí)施情況與效果

H68-3井施工關(guān)鍵在于Φ215.9 mm定向井段(井深1 400～1 856.81 m)，Φ172 mm 1.5°單彎螺桿定向組合，施工后軌跡測(cè)量關(guān)鍵點(diǎn)數(shù)據(jù)見表5：施工后造斜點(diǎn)在抽油泵的下部，有利于減輕抽油桿負(fù)荷，避免上部抽油桿偏磨，并減少抽油泵的沖程損失；井斜角控制為41.52°，避免大井斜導(dǎo)致套管使用壽命降低。該井實(shí)鉆取得顯著的效果，鉆井周期及完井周期明顯縮短，機(jī)械鉆速大幅度提升。與鄰井施工情況對(duì)比如表6所示。

表5 H68-3井關(guān)鍵點(diǎn)數(shù)據(jù)

表6 H68-3與鄰井施工情況對(duì)比

3 報(bào)廢井側(cè)鉆新井優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)思路

報(bào)廢井側(cè)鉆新井不但可以實(shí)施老油田調(diào)整挖潛，而且也可用于一些滾動(dòng)探邊井。對(duì)于復(fù)雜條件下的老油田，報(bào)廢井重復(fù)利用既解決了井口布置問題，又實(shí)現(xiàn)降本增效的目的。其設(shè)計(jì)思路為：

(1)按照待鉆井靶點(diǎn)推算井口并完成剖面初步設(shè)計(jì)，用Compass掃描并找出所有鄰井；

(2)與采油廠聯(lián)系查找鄰井的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，找出報(bào)廢井；

(3)根據(jù)地質(zhì)設(shè)計(jì)要求，從設(shè)計(jì)軌道與地層相交的方向性篩選出可利用井；

(4)如果報(bào)廢井的軌跡平面投影與待鉆井靶點(diǎn)在同一象限內(nèi)，可以考慮利用報(bào)廢井的斜井段，而依據(jù)地質(zhì)要求多數(shù)情況下僅能利用報(bào)廢井的直井段，要求優(yōu)先考慮裸眼段定向；

(5)待鉆井設(shè)計(jì)方案進(jìn)行施工難度對(duì)比分析與最終方案確定。

3.2 設(shè)計(jì)剖面優(yōu)化

3.2.1 設(shè)計(jì)案例

Xu36A井是采用報(bào)廢井Xu36井直井段側(cè)鉆的一口勘探評(píng)價(jià)井，按照?qǐng)?bào)廢井側(cè)鉆新井設(shè)計(jì)思路，軌道剖面類型為增—穩(wěn)—降—穩(wěn)，其主要參數(shù)：側(cè)鉆點(diǎn)井深1 080.00 m，最大井斜角47.50°，井底深度3 600 m，井底閉合距1 239.57 m，井底閉合方位312.99°，第二穩(wěn)斜段井斜角為11°。與鄰井的平面相對(duì)位置如圖3所示。

圖3 Xu36井與鄰井的平面相對(duì)位置

3.2.2 施工難度分析

理論模擬計(jì)算了在不同摩阻系數(shù)下，起下鉆和鉆進(jìn)過程中鉆具的受力情況(見圖4)，計(jì)算結(jié)果：最大鉤載190～224 t，起鉆摩阻60～94 t最大扭矩33.2～45.2 kN·m，施工難度較大。其原因?yàn)閄u36A井需要穿越多套含油斷塊，設(shè)計(jì)軌道先增后降較復(fù)雜，且井底閉合距為1 239.57 m，鉆具與井壁的接觸面積大也造成摩阻、扭矩增加。

圖4 鉤載、摩阻、扭矩模擬計(jì)算

3.3 實(shí)施情況與效果

Xu36A井施工關(guān)鍵在于降低摩阻、扭矩，為了確保施工安全，選擇鉆機(jī)型號(hào)為70DB以保證足夠的提升能力，并選擇抗扭能力更強(qiáng)的S135鉆桿防止鉆具事故；為了防止長(zhǎng)穩(wěn)斜段形成巖屑床，在鉆具組合中接入清砂鉆桿，保證井眼清潔度。

在井深3 000 m左右將鉆井液轉(zhuǎn)化為潤(rùn)滑性較優(yōu)的聚醚醇胺納米水基鉆井液，利用該體系施工后，井徑較規(guī)則平均值在10%以內(nèi)，且施工中的摩阻較模擬值有所降低，體現(xiàn)出了極強(qiáng)的抑制性和潤(rùn)滑性(見圖5)。

圖5 Xu36A井井徑及起鉆摩阻

據(jù)測(cè)算，Xu36A井共節(jié)約Φ339.7 mm表層套管60 m ，Φ244.5 mm技術(shù)套管1 050 m和鉆井進(jìn)尺800 m，為復(fù)雜條件下鉆井降本增效提供了新的選擇。

4 結(jié)論

(1)反向造斜、高造斜率軌道設(shè)計(jì)，解決了因?yàn)榈孛鏃l件限制導(dǎo)致靶前位移不足，采用常規(guī)軌道設(shè)計(jì)無法實(shí)施或?qū)嵤╇y度大的技術(shù)難題。

(2)反向造斜設(shè)計(jì)使井身質(zhì)量變差，摩阻、扭矩增大，增加了后期采油桿管偏磨，影響油井生產(chǎn)壽命，條件允許情況下應(yīng)盡量避免采用。

(3)綜合利用廢棄井側(cè)鉆新井，為復(fù)雜地面條件下鉆井降本增效，提供了新的思路。