JPH-411 井三維井眼軌道設(shè)計及軌跡控制技術(shù)

牛似成

（中國石化華北油氣分公司石油工程技術(shù)研究院，河南鄭州 450006）

杭錦旗區(qū)塊在規(guī)?；_發(fā)過程中，面臨井場征 地費(fèi)用高、征地協(xié)調(diào)時間長、環(huán)保壓力大等問題，利用老井場打新井可以大幅縮短建井周期、降低征地及鉆前作業(yè)成本，對于華北油氣分公司加快產(chǎn)建進(jìn)度意義重大。三維水平井可有效提高老井場利用率，單個井場可鉆進(jìn)多口三維水平井，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)有利發(fā)育區(qū)的集約化開發(fā)，同時多個井口位于同一井場，也便于后期作業(yè)管理。目前，國內(nèi)三維水平井組鉆井技術(shù)較成熟，涪陵頁巖氣田、長慶油田、勝利油田、渤海油田等多家單位均已進(jìn)行了大規(guī)模的現(xiàn)場應(yīng)用[1-5]。2015 年，華北油氣分公司在涇河油田及洛河油田成功實(shí)施了多口三維水平井[6-8]，包含首個三維水平井組——LH1-2-7，同一井場實(shí)施 3 口井（2 口三維水平井）。國內(nèi)外很多學(xué)者針對水平井三維井眼軌道設(shè)計及軌跡控制技術(shù)進(jìn)行了研究[9-13，并取得了較好的認(rèn)識，針對杭錦旗區(qū)塊JPH-411 井鄰井情況及地質(zhì)中靶要求等對三維井眼軌道進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，并在實(shí)鉆過程中總結(jié)出一套實(shí)鉆軌跡控制技術(shù)。

1 三維井眼軌道設(shè)計及控制難點(diǎn)

杭錦旗區(qū)塊構(gòu)造上位于鄂爾多斯盆地伊盟北部隆起帶，JPH-411 井位于杭錦旗區(qū)塊錦 58 井區(qū)工程復(fù)雜中低風(fēng)險區(qū)，與 JPH-410 井同井場。JPH-411 井設(shè)計目的層為下石盒子組盒1 段，垂深3 152 m，A 靶點(diǎn)靶前距450 m，偏移距218 m，設(shè)計水平段長1 000 m，水平段方位150.79°?；贘PH-411 井地質(zhì)中靶數(shù)據(jù)，分析三維井眼軌道設(shè)計及控制難點(diǎn)主要有三點(diǎn)：①JPH-411 井與JPH-410 井井口間距僅為4.62 m，直井段若未進(jìn)行防碰設(shè)計則最近距離均小于30.00 m，必須進(jìn)行軌道防碰設(shè)計，直井段進(jìn)行防碰設(shè)計后，必然增大后續(xù)三維增斜扭方位井段的設(shè)計及實(shí)施難度；②JPH-411 井靶前距及偏移距均較大，扭方位時機(jī)確定難度較大，若提前扭方位偏移距，可能無法達(dá)到設(shè)計要求，會造成中靶困難，若滯后扭方位，靶前距位移又很難滿足定向工具造斜要求，大井斜情況下扭方位難度非常大，且較大的靶前距及偏移距必然造成斜井段較長，鉆具組合與井壁的接觸面積增大，摩阻扭矩必然增大，且鉆進(jìn)后續(xù)井段托壓亦會較嚴(yán)重；③杭錦旗區(qū)塊在前期的勘探開發(fā)過程中，儲層非均勻性分布較為明顯，且對儲層垂深的預(yù)測存在較大的不確定性，往往需要根據(jù)實(shí)鉆地層情況調(diào)整中靶軌跡，這給三維井眼軌道順利著陸帶來了較大的挑戰(zhàn)。

2 三維井眼軌道優(yōu)化設(shè)計

2.1 設(shè)計思路

針對JPH-411 井地質(zhì)中靶要求及實(shí)鉆面臨問題，將三維井眼軌道優(yōu)化設(shè)計為“直井段（微增斜）-二維增斜段-三維增斜扭方位井段-穩(wěn)斜段-二維增斜段-水平段”六段制軌道剖面。直井段采用微增井斜增大設(shè)計軌道與JPH-410 井實(shí)鉆軌跡最近距離及分離系數(shù)，實(shí)現(xiàn)有效防碰；第一段二維增斜段沿初始扭方位鉆進(jìn)，減小偏移距及靶前距，降低后續(xù)增斜方位對中靶難度；三維增斜扭方位段同時增斜扭方位，盡量減小斜井段長度，減低摩阻扭矩；穩(wěn)斜段預(yù)探目的層頂界，可根據(jù)目的層頂界垂深變化及時調(diào)整長度，后續(xù)緊跟第二段二維增斜段著陸中靶；水平段按照多靶點(diǎn)控制要求實(shí)施，具體情況見圖1。

圖1 JPH-411 井六段制三維井眼軌道設(shè)計示意圖

2.2 直井段防碰繞障軌道

待設(shè)計JPH-411 井與實(shí)鉆JPH-410 井井口相距4.62 m，JPH-411 井井眼軌道若不進(jìn)行防碰繞障設(shè)計，則由井口至造斜點(diǎn)最近距離均小于30.00 m，且部分井段分離系數(shù)小于2，碰撞減風(fēng)險較大。JPH-411井一開后直井段采用微增斜沿增大最近距離方位鉆進(jìn)，即120°左右，最大井斜角控制在1.5°左右。井眼軌道水平位移增大至30.00 m左右后降斜至0°，不再增大水平位移，避免水平位移增大后對后續(xù)增斜扭方位產(chǎn)生較大影響，具體數(shù)據(jù)見表1。

2.3 第一段二維增斜段軌道

第一段二維增斜段軌道設(shè)計主要目的為確定初始方位角、縮短偏移距。初始方位角確定后，初始方位角與水平段方位角的夾角即為扭方位工作量，一般扭方位工作量在 60°～70°較為合適。扭方位工作量和偏移距與靶前距之比值相關(guān)性較強(qiáng)，偏移距與靶前距之比值越大，則扭方位工作量越大；反之，實(shí)鉆過程中初始方位角與水平段方位角夾角越大，則偏移距減小越快。初始扭方位角與水平段方位夾角為90°時，偏移距減小最快，但增加了扭方位工作量，大大增加了后續(xù)增斜扭方位井段實(shí)施難度。

表1 JPH-411 井直井段防碰繞障軌道

JPH-411 井基于水平段靶點(diǎn)垂深、方位情況，通過迭代計算得到了初始扭方位角度為78.96°，與水平段方位角150.79°夾角為71.83°。根據(jù)國內(nèi)多名學(xué)者研究結(jié)果[15]，第一段二維增斜段井斜角不宜大于40°，可為后續(xù)扭方位鉆進(jìn)提供足夠的井斜變化空間。考慮到造斜工具能力、完井管柱下入需求和減小降摩減扭等多方面因素，第一段二維增斜段造斜率控制在4°～6°/30 m。

2.4 三維增斜扭方位段軌道

三維增斜扭方位段以扭方位為主、增斜為輔，對比了多種井眼軌道計算方法，最終確定采用恒工具面角法設(shè)計了三維增斜扭方位井段軌道[9]。恒工具面角法計算井眼軌道，工具面角及造斜率恒定，井斜小時方位變化率較大，而井斜較大時方位變化率小。造斜率仍考慮造斜工具能力、完井管柱下入需求、減小降摩減扭等多方面因素，取值4°～6°/30 m，井斜增大至78°時，方位扭正至水平段方位150.79°。

2.5 穩(wěn)斜段及第二段二維增斜段軌道

針對杭錦旗區(qū)塊儲層垂深不確定性，采用穩(wěn)斜段+第二段二維增斜段著陸中靶，即通過穩(wěn)斜段預(yù)探儲層頂界，調(diào)整穩(wěn)斜段長及第二段二維增斜段造斜率確保準(zhǔn)確中靶。根據(jù) JPH-411 井鄰井盒 1 段儲層，預(yù)測垂深與實(shí)鉆垂深誤差為3～10 m，以扭正方位150.79°、井斜78°計算出穩(wěn)斜段長45 m，第二段二維增斜段以扭正方位 150.79°和造斜率 4°～6°/30 m 鉆進(jìn)著陸中靶。穩(wěn)斜段垂深變化10 m 左右、造斜段垂深變化6 m 左右，即該井盒1 段儲層垂深提前或滯后出現(xiàn)10 m，可縮短或增加穩(wěn)斜段長，調(diào)整第二段二維增斜段造斜率，確保準(zhǔn)確著陸中靶。

2.6 水平段軌道及全井段三維井眼軌道

長慶油田、勝利油田三維水平井均采用三級井身結(jié)構(gòu)。長慶油田三開水平段采用φ215.9 mm 鉆頭鉆進(jìn)，從而完成1 500 m 水平段施工；勝利油田三開水平段采用φ152.4 mm 鉆頭鉆進(jìn)，水平段長度多為800～1 500 m[3-5]。JPH-411 井采用三級井身結(jié)構(gòu)，針對三開水平段進(jìn)行了鉆具鉆進(jìn)及完井管柱下入模擬分析，計算結(jié)果表明三開水平段以不超過2 000 m為宜。水平段井眼采用多靶點(diǎn)井眼軌道設(shè)計，每100 m 設(shè)置一個中間靶點(diǎn)，通過多個靶點(diǎn)確保水平段井眼軌道在目的層內(nèi)穿行?；诟骶稳S井眼軌道設(shè)計，得到了JPH-411 井全井段三維井眼軌道設(shè)計（表 2）。

表2 JPH-411 井全井段三維井眼軌道設(shè)計

3 井三維井眼軌跡控制技術(shù)

JPH-411 井優(yōu)化設(shè)計的六段制井眼軌道剖面實(shí)鉆過程中必須精細(xì)控制才可以滿足地質(zhì)中靶要求，解決實(shí)鉆問題。與常規(guī)二維井眼軌跡控制不同的是，三維井眼軌跡具有較大的偏移距，井斜及方位均要發(fā)生變化，且大井斜下方位變化較為困難，且控制三維井眼軌跡變化平滑是保證后續(xù)套管下入的關(guān)鍵。因此，對三維井眼軌跡進(jìn)行了分井段精細(xì)化控制。

3.1 直井段井眼軌跡控制

JPH-411 井直井段井眼軌跡控制關(guān)鍵是防碰繞障及軌跡平滑。直井段首先按照防碰繞障設(shè)計要求沿擴(kuò)大與JPH-410 井實(shí)鉆軌跡最近距離方位120°進(jìn)行微增斜鉆進(jìn)，采用“PDC 鉆頭+1.25°單彎螺桿+MWD”鉆具組合定向滑動鉆進(jìn)出增斜趨勢后，再采用復(fù)合鉆進(jìn)，實(shí)時測量井斜數(shù)據(jù)并及時調(diào)整。計算JPH-411 井實(shí)鉆軌跡與JPH-410 井實(shí)鉆軌跡最近距離，待最近距離增大至安全允許范圍后（大于30 m），逐步在井斜不變的情況下將方位調(diào)整至80°左右，與后續(xù)第一段二維增斜段初始方位角相同。為保證直井段井眼軌跡光滑，不再強(qiáng)行將井斜降至0°，即直井段沿初始方位角方向進(jìn)行微增斜鉆進(jìn)，提前縮小偏移距，減小第一段二維增斜段偏移距工作量。整個直井段井眼軌跡控制要求井斜角小于 2°，全角變化率小于1°/30 m。

優(yōu)選直井段鉆具組合，具體為：φ222.3 mm PDC鉆頭+φ165.0 mm×1.25°單彎螺桿+短鉆鋌+φ220.0 mm 扶正器+定向接頭+MWD+φ165.0 mm 無磁鉆鋌×2+φ165.0 mm 鉆鋌×8+φ127.0 mm 加重鉆桿×31+φ127.0 mm 鉆桿串。

3.2 第一段二維增斜段軌跡控制

第一段二維增斜段沿初始方位角進(jìn)行增斜鉆進(jìn)，因前期直井段已鉆進(jìn)了一部分偏移距，對增斜段待鉆井眼軌道進(jìn)行了重新設(shè)計。增斜段重點(diǎn)井斜角由38°減小至30°，垂深及偏移距不變，造斜率5.4°/30 m，實(shí)鉆過程中實(shí)時調(diào)整定向鉆進(jìn)與復(fù)合鉆進(jìn)比例，確保增斜段井斜、垂深及偏移距成比例增加。

優(yōu)選斜井段鉆具組合，具體為：φ222.3 mm PDC鉆頭+φ165.0 mm×1.50°螺桿+MWD+φ165.0 mm 無磁鉆鋌×2+φ127.0 mm 鉆桿×45+φ127.0 mm 加重鉆桿×40+φ127.0 mm 鉆桿串。

3.3 三維增斜扭方位段軌跡控制

經(jīng)過第一段二維增斜段增斜鉆進(jìn)，井斜角增大至30°左右，偏移距亦縮小至合理范圍，井眼軌跡進(jìn)入最佳增斜扭方位井段。增斜扭方位段前期通過試鉆，明確在地層等多因素影響下，不同工具面角對井斜變化率及方位變化率的分配情況，即在某一工具面角下定向鉆進(jìn) 1 m，井斜及方位分別變化多少，由此確定后續(xù)工具面角擺放的范圍。每鉆進(jìn)1 個單根測量實(shí)鉆軌跡井斜數(shù)據(jù)，預(yù)測井底實(shí)鉆軌跡數(shù)據(jù)，并對待鉆井眼軌道適當(dāng)修正，制定下個單根復(fù)合鉆進(jìn)及定向鉆進(jìn)比例、定向鉆進(jìn)時的工具面角，由此保證實(shí)鉆軌跡沿著設(shè)計井眼軌道進(jìn)行鉆進(jìn)。根據(jù)地層調(diào)整復(fù)合鉆進(jìn)及定向鉆進(jìn)比例可以降低定向?qū)嵤╇y度，提高鉆進(jìn)速度，但同時也會增大全角變化率，對軌跡實(shí)施帶來一定的不確定性。通過精細(xì)控制三維增斜扭方位段軌跡，井斜增大至78°，方位扭正至149.39°，水平段方位要求 150.79°，基本實(shí)現(xiàn)了方位扭正。

3.4 穩(wěn)斜段及第二段二維增斜段軌跡控制

三維增斜扭方位井段之后，設(shè)計45 m 穩(wěn)斜段，預(yù)探盒1 段目的層頂界。實(shí)鉆結(jié)果表明，各層位垂深較設(shè)計預(yù)測值稍有滯后，預(yù)測A 靶點(diǎn)垂深3 144.5 m，較設(shè)計預(yù)測A 靶點(diǎn)垂深3 143.0 m 推遲1.5 m 左右，適當(dāng)縮短穩(wěn)斜段長度，采用單增模式著陸中靶，提高鉆進(jìn)速度。穩(wěn)斜段及第二段二維增斜段繼續(xù)采用增斜鉆具組合鉆進(jìn)，穩(wěn)斜段采用增斜鉆具鉆進(jìn)需要不斷調(diào)整工具面定向鉆進(jìn)消減增斜趨勢，鉆進(jìn)速度較低。

3.5 水平段軌跡控制

水平段采用多靶點(diǎn)井眼軌道設(shè)計，實(shí)鉆軌跡亦采用多靶點(diǎn)實(shí)現(xiàn)有效控制。通過前期理論分析及不同鉆具組合應(yīng)用實(shí)踐表明，三開鉆具組合加放φ 150.0 mm 扶正器可以提高鉆具整體剛性，消減帶螺桿鉆具增斜趨勢，減少三開水平段穩(wěn)斜鉆進(jìn)過程中的定向鉆進(jìn)比例，保障三開水平段井眼軌跡光滑平順，提高三開水平段機(jī)械鉆速。優(yōu)選水平段鉆具組合：φ152.4 mm 鉆頭+φ127.0 mm×1.25°螺桿+φ 150.0 mm 扶正器+MWD+φ127.0 mm 無磁鉆鋌+φ 88.9 mm 鉆桿×150+φ88.9 mm 加重鉆桿×40+φ 88.9 mm 鉆桿串。

4 實(shí)施效果分析

實(shí)施三維井眼軌道設(shè)計及軌跡控制技術(shù)，提高了三維水平井現(xiàn)場可操作性，實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確著陸中靶，確保了三維水平井快速安全成井。JPH-411 井鉆井周期63.79 d，機(jī)械鉆速10.42 m/h，與同井場JPH-410 井機(jī)械鉆速10.56 m/h 相當(dāng)。

采用水平距離法計算了JPH-411 井直井段、斜井段軌跡符合率，測點(diǎn)間距為30 m， JPH-411 井實(shí)鉆軌跡復(fù)合率為81.70%。此外，統(tǒng)計分析了JPH-411 井直井段、斜井段各測點(diǎn)水平距離及全角變化率（圖2 和圖3），從圖中可明顯看出，JPH-411 井實(shí)鉆軌跡與設(shè)計軌道吻合度較高。

圖2 JPH-411 井實(shí)鉆軌跡與設(shè)計軌道水平距離

針對實(shí)鉆軌跡進(jìn)行了二開中完技術(shù)套管下入能力分析及三開完井管柱下入能力分析。計算結(jié)果表明，均可安全下入，現(xiàn)場亦實(shí)現(xiàn)了二開中完技術(shù)套管及三開完井管柱安全下入。

5 結(jié)論與建議

（1）針對杭錦旗區(qū)塊地質(zhì)中靶要求及實(shí)鉆面臨問題，以快速安全鉆井、減小施工難度為目標(biāo)，優(yōu)化形成六段制三維井眼軌道設(shè)計及軌跡控制技術(shù)，在現(xiàn)場應(yīng)用過程中取得了較好的效果。

（2）杭錦旗區(qū)塊在現(xiàn)場實(shí)施三維水平井過程中，建議推廣應(yīng)用六段制三維井眼軌道設(shè)計及軌跡控制技術(shù)。

圖3 JPH-411 井實(shí)鉆全角變化率與設(shè)計全角變化率