水平井鉆井軌跡控制研究

謝 鑫，徐 浩，付成林，金 晶，楊小敏

中國石化江蘇油田分公司石油工程技術(shù)研究院，江蘇揚州 225009

對于江蘇油田小斷塊或小儲油構(gòu)造的薄儲層油藏，在鉆井施工中，靶點垂深根據(jù)實鉆地層的情況會變深或變淺。當(dāng)井眼鉆至水平段時，油藏傾角往往和設(shè)計不一致，導(dǎo)致鉆井軌跡頻繁調(diào)整。目前常規(guī)的無線隨鉆導(dǎo)向儀器存在測斜零長的問題，因此井底鉆頭處的井斜方位需要根據(jù)已鉆井段測斜估算，導(dǎo)致預(yù)測軌跡與實鉆軌跡不一致，極易出現(xiàn)在中靶前和油層穿行時軌跡脫靶或者出層［1-2］。在井眼軌跡進入靶點前，采用合適的穩(wěn)斜角探頂，可以為靶點調(diào)整預(yù)留足夠的施工余量；當(dāng)軌跡在水平段鉆進時，采用合適的鉆進參數(shù)，在最短的鉆進進尺下將井眼軌跡調(diào)整到油藏傾角的方向，可以防止軌跡出層。因此，開展穩(wěn)斜探頂?shù)木苯呛陀筒貎A角突變研究，對提高水平段的儲層鉆遇率具有很強的指導(dǎo)意義［3-6］。

江蘇油田在花莊地區(qū)完成水平井29 口，水平井的油藏剖面通常是一個正弦波動的曲線（如圖1）。鉆頭在油層中穿行時，因地質(zhì)復(fù)雜且斷層發(fā)育，需要頻繁調(diào)整軌跡，導(dǎo)致軌跡復(fù)雜，從而影響后期施工和完井作業(yè)。此外，許多井段在油層外，會降低儲層鉆遇率，影響產(chǎn)量。在頁巖油井花頁AHF 井的鉆進中（如圖2），油藏埋深和傾角走向變化大，鉆進至4 576 m 時，根據(jù)隨鉆導(dǎo)向儀器測量的伽馬值和電阻率值，判斷已經(jīng)出層，此時井斜已經(jīng)75°，軌跡難以調(diào)整回到油藏中，導(dǎo)致填井側(cè)鉆［7-8］。

圖1 花莊地區(qū)水平井水平段垂直投影

圖2 花頁AHF井實鉆井眼軌跡

1 鉆具變形計算原理

采用有限元的方法，任取一單元，如圖3 所示。在每個節(jié)點上取3 個移動位移和3 個轉(zhuǎn)動位移共六個自由度，其中，3 個移動位移即節(jié)點軸向位移包括沿x方向的位移ui、uj，沿y方向的位移vi、vj，沿z軸的位移wi、wj；3 個轉(zhuǎn)動位移包括繞x軸的扭轉(zhuǎn)角θxi、θxj，繞y軸的扭轉(zhuǎn)角θyi、θyj，繞z軸的轉(zhuǎn)角θzi、θzj。

圖3 鉆具力學(xué)模型

在有限元分析中，通常把節(jié)點位移作為基本未知量，即每個單元在任一瞬間時的位置是用該單元所含節(jié)點位移來表示的。因此，系統(tǒng)內(nèi)各節(jié)點的位移就組成了系統(tǒng)的廣義坐標［9-10］。

對于三維彈性梁，梁內(nèi)任一截面上的軸向位移的位移模式可取為z的線性函數(shù)，扭轉(zhuǎn)角θ(z)的位移模式也取為z的線性函數(shù)，則梁單元的節(jié)點位移插值函數(shù)為：

式中，L(z，t) =(1，z)，H(z，t) =(1，z，z2，z3)，

l表示單元長度，m。

2 穩(wěn)斜探頂最優(yōu)井斜角計算

2.1 82°井斜角穩(wěn)斜探頂

假設(shè)鉆進至油頂前77 m，井斜角已經(jīng)達到82°，開始增斜入層施工，地層油藏傾角分別為75°、90°、95°，如圖4 所示。不同油藏傾角下的鉆進參數(shù)如表1所示，鉆壓為80 kN，轉(zhuǎn)速為50 r/min。鉆具受力變形計算結(jié)果如圖5所示。

圖4 82°井斜角穩(wěn)斜探頂示意

表1 82°井斜角時不同油藏傾角下的鉆進參數(shù)

由圖5可知：在油藏傾角為95°時，鉆具下部各點在井中位移大部分在20 m 的靶框內(nèi)，且比較集中，鉆具受力變形較小，中靶的概率最高；油藏傾角為90°時，雖然鉆具下部各點在井中位移都在20 m的靶框內(nèi)，但是位移分散，鉆具受力變形較大，中靶的概率高；油藏傾角為75°時，鉆具下部各點在井中位移僅有50%落在20 m 的靶框內(nèi)，且位移分散，鉆具受力變形較大，軌跡調(diào)整難度大，鉆具易出現(xiàn)疲勞損壞，中靶的概率低。因此，采用82°井斜角穩(wěn)斜探頂，油藏傾角為95°和90°均適用。

圖5 82°井斜角穩(wěn)斜探頂鉆具變形法向圖

2.2 77°井斜角穩(wěn)斜探頂

開始增斜入層的施工前，井斜角已經(jīng)達77°，地層傾角分別為85°、90°、95°，如圖6 所示。鉆具受力變形計算結(jié)果如圖7所示。

圖6 77°井斜角穩(wěn)斜探頂示意

由圖7 可知：油藏傾角為95°、90°和85°時，鉆具下部各點在井中位移大部分在20 m 的靶框內(nèi)，且都比較集中，鉆具受力變形較小，軌跡調(diào)整難度小，中靶的概率高。因此，采用77°井斜角穩(wěn)斜探井，油藏傾角為95°、90°、85°均適用。

圖7 77°井斜角穩(wěn)斜探頂鉆具變形法向圖

2.3 65°井斜角穩(wěn)斜探頂

軌跡井斜角已經(jīng)達65°時，水平段井斜角分別為85°、90°、95°，如圖8 所示。鉆具受力變形計算結(jié)果如圖9所示。

圖8 65°井斜角穩(wěn)斜探頂示意

由圖9 可知：油藏傾角為95°時，鉆具下部各點在井中位移大部分在10 m 以內(nèi)，很集中，鉆具受力變形較小，中靶的概率最高；油藏傾角為90°和85°時，雖然鉆具下部各點在井中位移都在20 m的靶框內(nèi)，但是位移分散，鉆具受力變形較大，軌跡調(diào)整難度大，中靶的概率低。因此，采用65°井斜角穩(wěn)斜探頂，油藏傾角為95°適用。

圖9 65°井斜角穩(wěn)斜探頂鉆具變形法向圖

3 油藏傾角突變的鉆進參數(shù)優(yōu)化

3.1 油藏傾角由90°變95°

假設(shè)已鉆進至A靶附近，井深為3 308.51 m，井斜角已達90°。設(shè)計油藏傾角為90°，實鉆油藏傾角為95°，需增加井斜，調(diào)整軌跡至油層中穿行。井眼軌跡垂直投影如圖10 所示。此時，井眼造斜點為2 850.00 m，井 斜 為90°，A靶井深為3 308.51 m，井底深度為3 361.23 m，不同井深下的井眼軌跡如表2 所示，不同鉆進進尺的軌跡變化如表3 所示，進尺為20 m 時不同鉆壓下的軌跡變化如表4所示。

表2 油藏傾角由90°變95°時不同井深下的井眼軌跡

表3 油藏傾角由90°變95°時不同鉆進進尺的軌跡變化

表4 油藏傾角由90°變95°時進尺為20 m時的軌跡變化

圖10 油藏傾角90°時井眼軌跡垂直投影

由表3可知：隨著鉆進進尺由10 m增加至25 m，鉆具在鉆進中，軌跡的平均井斜變化率減小，平均方位變化率增加。由表4可知：在進尺為20 m時，隨著鉆壓的增加，平均井斜變化率增加，平均方位變化率增加，且井斜也會增加。當(dāng)鉆壓為15 t、工具面為60°時，井斜可由90°增加至95°，滿足軌跡調(diào)整的要求。

3.2 油藏傾角由90°變85°

井眼軌跡已鉆至井深3 323.61 m，井斜角已達90°，實鉆油藏傾角為85°。井眼軌跡垂直投影如圖11 所示。此時井眼造斜點為2 950.00 m，井斜為90°，A靶井深為3 323.61 m，井底深度為3 462.18 m，不同井深下的井眼軌跡如表5 所示，不同鉆進進尺的軌跡變化如表6 所示，進尺為20 m時不同鉆壓下的軌跡變化如表7所示。

圖11 油藏傾角由90°變85°時井眼軌跡垂直投影

表5 油藏傾角由90°變85°時不同井深下的井眼軌跡

表6 油藏傾角由90°變85°時不同鉆進進尺的軌跡變化

表7 油藏傾角由90°變85°時進尺為20 m時的軌跡變化

由表6 可知：隨著鉆進進尺由10 m 增加至25 m，鉆具在鉆進中，井眼軌跡的平均井斜變化率減少，平均方位變化率增加。由表7 可知：鉆進進尺為20 m 時，當(dāng)鉆壓為13 t、工具面為165°時，井斜可由90°降至85°，滿足軌跡調(diào)整的需求。

4 結(jié)論

1）下部鉆具在井中的各點位移，若分散，則鉆具受力大，軌跡調(diào)整難度大；反之，若集中，則鉆具受力小，軌跡調(diào)整難度小。

2）采用82°井斜角增斜中靶施工中，油藏傾角為95°和90°均適用。采用77°井斜角增斜中靶施工中，油藏傾角為95°、90°、85°均適用。采用65°井斜角增斜中靶施工中，油藏傾角為95°適用。

3）隨著鉆進進尺的增加，在相同的鉆壓下，鉆具鉆進中，井眼軌跡的井斜變化率減少，方位變化率增加。

4）在相同的進尺下，水平段在鉆進中，隨著鉆壓的增加，井眼軌跡的井斜變化率增加，方位變化率增加，且井斜會增加。當(dāng)鉆進進尺為20 m，油藏傾角由90°變95°時，鉆壓取15 t，工具面取60°，可滿足軌跡調(diào)整要求；油藏傾角由90°變85°時，鉆壓取13 t，工具面取165°，可滿足軌跡調(diào)整要求。