基于摩阻分析的大偏移距平臺(tái)雙二維水平井偏移點(diǎn)位置優(yōu)化

張盛良，車 陽，孫 達(dá)，關(guān)躍陽

（1.中國石油吉林油田鉆井工藝研究院，吉林 松原 138000；2.中國石油工程技術(shù)研究院有限公司，北京 102200）

0 引言

吉林油田已轉(zhuǎn)入低滲透、低豐度、低產(chǎn)量開發(fā)階段，針對(duì)低滲透油藏開展大井叢平臺(tái)井集約化建設(shè)是提高單井產(chǎn)量與區(qū)塊采收率、降低產(chǎn)能建設(shè)投資與運(yùn)行成本的有效手段。但大偏移距平臺(tái)水平井常規(guī)設(shè)計(jì)方法存在造斜段施工難度大，水平段后期摩阻大[1-2]的難題，而采用三維降為“雙二維”的第1剖面走偏移距而第2剖面小井斜扭方位的井眼軌跡優(yōu)化技術(shù)，理論上不僅使得水平井軌跡易控制，還能有效防碰，降低鉆柱摩阻[3-5]，從而促進(jìn)鉆井的提速降本。

國內(nèi)一些學(xué)者在雙二維水平井優(yōu)化設(shè)計(jì)方面開展了研究。劉茂森等對(duì)比分析了雙二維水平井與三維水平井，指出雙二維水平井具有施工難度小、鄰井碰撞風(fēng)險(xiǎn)低和作業(yè)費(fèi)用低的優(yōu)點(diǎn)；并針對(duì)頁巖氣雙二維水平井，分析了水平段極限延伸能力的影響因素。肖俊指出雙二維軌道設(shè)計(jì)在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)受到一些客觀條件的制約，如水平井的偏移距和垂深，推薦了采用雙二維剖面小偏移距井眼的偏移距與靶前距的數(shù)值范圍。時(shí)培忠[6]以鉆具扭矩、套管安全下入為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)比分析了雙二維軌跡、小井斜扭方位軌跡及常規(guī)三維設(shè)計(jì)方法，指出三類軌跡各有優(yōu)缺點(diǎn)，在偏移距處于130～340 m范圍內(nèi)優(yōu)先推薦雙二維軌跡設(shè)計(jì)方法。

對(duì)于大偏移距的雙二維水平井，偏移距越大，剖面優(yōu)化難度越大，且鉆井無效進(jìn)尺越多，摩阻扭矩也會(huì)相應(yīng)增大，水平段長(zhǎng)度延伸難度也加大，然而目前對(duì)此大偏移距井眼軌跡的優(yōu)化設(shè)計(jì)尚未見報(bào)道。因此，本文對(duì)大偏移距平臺(tái)雙二維剖面井眼軌跡關(guān)鍵參數(shù)——偏移點(diǎn)的位置參數(shù)（如偏移距，垂深和偏移角）對(duì)鉆柱摩阻的影響規(guī)律展開研究，確定較優(yōu)偏移點(diǎn)位置參數(shù)范圍，并結(jié)合雙二維剖面井實(shí)際采油的檢泵情況，為大偏移距平臺(tái)雙二維水平井井眼軌跡優(yōu)化設(shè)計(jì)提供建議與參考。

1 雙二維水平井井眼軌跡設(shè)計(jì)及鉆柱摩阻計(jì)算參數(shù)設(shè)置

1.1 雙二維水平井井眼軌跡設(shè)計(jì)

雙二維水平井井眼軌跡設(shè)計(jì)是將三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)鉛垂面內(nèi)為一段二維軌跡，如圖1所示，ABCD稱第1鉛垂面，BCEF稱第2鉛垂面。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；β為兩個(gè)鉛垂面間的夾角；I為井口，J和K分別為水平段入靶點(diǎn)和出靶點(diǎn)；M為鉆井軌跡在第1、2鉛垂面的交點(diǎn)，即偏移點(diǎn)。如圖1所示，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)”的五段式井眼剖面。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，待降斜到設(shè)計(jì)井斜角后再開始穩(wěn)斜，直到鉆至與第2個(gè)鉛垂面的交匯點(diǎn)M，再扭方位進(jìn)入第2鉛垂面中。由于M點(diǎn)處的井斜角較小，其方位角可不考慮，在第2鉛垂面內(nèi)可直接按二維水平井設(shè)計(jì)，唯一的約束就是點(diǎn)M在水平面的投影在水平段反向延長(zhǎng)線上（圖2）。偏移點(diǎn)M的主要位置參數(shù)為：偏移距H，垂深BM（亦第1剖面井眼軌跡的垂深）和偏移角α（亦兩個(gè)鉛垂面間夾角的補(bǔ)角）。

圖1 雙二維剖面井眼軌跡設(shè)計(jì)示意圖[3（]注：粗線為井眼軌跡）

圖2 雙二維剖面井眼軌跡水平投影示意圖（注：實(shí)線為井眼軌跡）

根據(jù)雙二維剖面井眼軌跡中偏移點(diǎn)與井口和靶點(diǎn)間的相互關(guān)系，首先設(shè)計(jì)計(jì)算出不同偏移距下偏移點(diǎn)和靶點(diǎn)的位置。參照吉林油田大偏移距平臺(tái)水平井實(shí)鉆井眼數(shù)據(jù)，選取井眼總垂深2000 m，水平段長(zhǎng)1500 m?？紤]的偏移點(diǎn)位置參數(shù)有：偏移距、垂深和偏移角。偏移距范圍為100 m～700 m，垂深為1200 m～1900 m，偏移角為55°～90°。然后，利用Landmark軟件根據(jù)雙二維剖面井眼軌跡設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)不同偏移點(diǎn)位置參數(shù)下的井眼軌跡。設(shè)計(jì)時(shí)保證直井段至少有350 m作為套管段，同一偏移距下水平段的靶點(diǎn)保持不變。其中，偏移距300 m時(shí)偏移點(diǎn)在垂深1500 m和偏移角75°時(shí)設(shè)計(jì)的雙二維剖面井眼軌跡分段數(shù)據(jù)見表1。

表1 偏移點(diǎn)偏移距300 m，垂深1500 m和偏移角75°時(shí)雙二維井眼軌跡設(shè)計(jì)分段數(shù)據(jù)

1.2 鉆柱摩阻計(jì)算參數(shù)設(shè)置

參照實(shí)際鉆井?dāng)?shù)據(jù)，采用Landmark軟件首先進(jìn)行不同偏移點(diǎn)位置下雙二維水平井井眼軌跡設(shè)計(jì)，然后進(jìn)行相應(yīng)井眼軌跡下的鉆柱摩阻計(jì)算[7-8]。主要考察的影響因素為偏移點(diǎn)的偏移距、垂深和偏移角。摩阻扭矩計(jì)算模型采用剛桿模型[9]，同時(shí)考慮黏滯扭矩和摩阻[10]。

根據(jù)吉林油田大偏移距平臺(tái)水平井的實(shí)鉆資料，選取以下鉆井參數(shù)：套管長(zhǎng)度為350 m，摩擦系數(shù)為0.30，裸眼段摩擦系數(shù)為0.45。鉆井液為合成液，為賓漢塑性流體，密度為1320 kg/m3，黏度為65 mPa·s。鉆作業(yè)方式為滑動(dòng)鉆進(jìn)，鉆壓50 kN。鉆具組合為Φ215.9 mm PDC鉆頭+Φ172 mm螺桿（1.50°）+Φ165 mm無磁鉆鋌（內(nèi)裝MWD）+Φ165.1 mm鉆鋌+Φ127.0 mm加重鉆桿+Φ127.0 mm普通鉆桿+Φ127.0 mm加重鉆桿+Φ165 mm鉆鋌+133 mm×133 mm方鉆桿。

2 鉆柱摩阻隨井眼軌跡的變化

在進(jìn)行不同偏移點(diǎn)位置和相應(yīng)雙二維水平井設(shè)計(jì)而得到的井眼軌跡基礎(chǔ)上，計(jì)算并分析鉆柱摩阻隨鉆進(jìn)井眼深度下的變化規(guī)律。

2.1 垂深的影響

圖3為偏移點(diǎn)偏移距300 m偏移角75°時(shí)不同垂深下鉆柱摩阻隨鉆進(jìn)深度的變化。結(jié)合表1和圖3可知，在第1剖面的井段分為直-增-穩(wěn)-降-穩(wěn)五段，摩阻在直井段為0，在增-穩(wěn)-降-穩(wěn)的斜井段有較大的增加和波動(dòng)，這是由于重力部分分量轉(zhuǎn)化成了正壓力，從而產(chǎn)生了摩擦力，且大小與井斜角有關(guān)[9]。在第2剖面，摩阻在扭方位穩(wěn)斜段小幅增加，而在增斜段和水平段大幅增加，這與重力分量逐漸全部轉(zhuǎn)化為正壓力有關(guān)。

圖3 偏移點(diǎn)不同垂深下鉆柱摩阻隨鉆進(jìn)深度的變化（偏移距300 m，偏移角75°）

從圖3可以看出，在偏移點(diǎn)偏移距和偏移角一定時(shí)，垂深對(duì)摩阻的影響主要體現(xiàn)在從第1剖面增-穩(wěn)-降-穩(wěn)斜段至第2剖面扭方位井段。不同垂深下，摩阻在進(jìn)入水平段后隨著鉆進(jìn)深度幾乎呈平行線性增大，說明此井段對(duì)摩阻的影響較小。以圖中偏移點(diǎn)偏移距300 m偏移角75°垂深1500 m時(shí)摩阻變化為例，摩阻在第1剖面內(nèi)增-穩(wěn)-降-穩(wěn)斜段隨著鉆進(jìn)深度而呈平均約8.2 N/m的幅度增加，而在隨后進(jìn)入第2剖面的扭方位穩(wěn)斜段呈平均約90.8 N/m左右的幅度增加，之后的增斜入靶段約380 m內(nèi)基本呈691.2 N/m大幅線性增加，最后在水平段也基本呈線性增加，幅度為122.6 N/m。由此可見，雙二維剖面井眼軌跡下，在第2剖面由偏移點(diǎn)扭方位后增斜入靶段雖然長(zhǎng)度較短，但摩阻增幅較大，該段摩阻約占總值的40%～50%，在對(duì)井眼優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)需著重考慮此井段。

從圖3中偏移點(diǎn)不同垂深下的摩阻總值來看，垂深1200～1700 m范圍內(nèi)，摩阻基本隨著垂深的增大而逐漸減小。這是因?yàn)槠泣c(diǎn)垂深越小，在第1剖面走相同的偏移距時(shí)所需的鉆井進(jìn)尺越小，但所需的井斜越大，同時(shí)在第2剖面扭方位增斜入靶段仍需走完剩下較大的垂深落差，大曲率井段長(zhǎng)，因此總體上造成小垂深的摩阻偏大。

2.2 偏移角的影響

圖4為偏移點(diǎn)偏移距300 m垂深1500 m時(shí)不同偏移角下鉆柱摩阻隨鉆進(jìn)深度的變化圖。從圖4可以看出，與圖3中垂深對(duì)摩阻的影響規(guī)律略有不同，偏移角對(duì)摩阻的影響主要體現(xiàn)在第2剖面從偏移點(diǎn)扭方位至增斜入靶井段。對(duì)比圖3和圖4來看，相對(duì)垂深的影響而言，偏移角對(duì)摩阻的影響較小，不同偏移角下的摩阻值差別不明顯。

圖4 偏移點(diǎn)不同偏移角下鉆柱摩阻隨鉆進(jìn)深度的變化（偏移距300 m，垂深1500m）

3 偏移點(diǎn)位置參數(shù)對(duì)鉆柱摩阻的影響

通過不同偏移點(diǎn)位置參數(shù)設(shè)計(jì)及相應(yīng)井眼軌跡下鉆柱摩阻的計(jì)算，獲得了偏移點(diǎn)不同位置參數(shù)下的摩阻變化規(guī)律，以期獲得摩阻最小化下較優(yōu)偏移點(diǎn)位置參數(shù)，為鉆井設(shè)計(jì)與施工提供參考。

3.1 垂深的影響

圖5為偏移點(diǎn)偏移角75°時(shí)不同偏移距下鉆柱摩阻隨垂深的變化。從圖5可以看出，偏移距為100 m時(shí)，摩阻在垂深1300 m時(shí)最小，約為519 kN；偏移距為300 m時(shí)，摩阻在垂深1500 m時(shí)最小，約為581 kN；偏移距為500 m時(shí)，摩阻在垂深1600 m時(shí)最小，約為650 kN；偏移距為700 m時(shí)，摩阻在垂深1600 m時(shí)最小，約為735 kN，是偏移距為100 m時(shí)的1.42倍左右。由此可見，在偏移點(diǎn)偏移角一定時(shí)，偏移距越大摩阻越大，較優(yōu)垂深基本隨著偏移距的增大而增大。

圖5 偏移點(diǎn)偏移角75°時(shí)不同偏移距下鉆柱摩阻隨垂深的變化

3.2 偏移角的影響

圖6為偏移點(diǎn)垂深1500 m時(shí)不同偏移距下鉆柱摩阻隨偏移角的變化?？梢钥闯觯谄凭酁?00 m時(shí)，摩阻在偏移角為60°時(shí)最小，約為511 kN；偏移距為300 m時(shí)，摩阻在偏移角72°時(shí)最小，約為571 kN；偏移距為500 m時(shí)，摩阻在偏移點(diǎn)偏移角為87°時(shí)最小，約為645 kN；偏移距為700 m時(shí)，摩阻在偏移點(diǎn)偏移角為87°時(shí)最小，約為723 kN，是偏移距為100 m時(shí)的1.41倍左右。由此可見，在偏移點(diǎn)垂深一定時(shí)，偏移距越大摩阻越大，較優(yōu)偏移角基本隨著偏移距的增大而增大。

圖6 偏移點(diǎn)垂深1500 m時(shí)不同偏移距下鉆柱摩阻隨偏移角的變化

3.3 偏移距的影響

圖7為偏移點(diǎn)垂深1500 m偏移角75°時(shí)鉆柱摩阻隨偏移距的變化。可以看出，隨著偏移距的增大，摩阻基本呈線性增大趨勢(shì)，如偏移距700 m時(shí)的摩阻約為100 m時(shí)的1.39倍。通過線性擬合可以得到偏移點(diǎn)偏移距在100～700 m范圍內(nèi)，鉆柱摩阻與偏移點(diǎn)偏移距的大致關(guān)系為：

圖7 偏移點(diǎn)垂深1500 m和偏移角75°時(shí)摩阻隨偏移點(diǎn)偏移距的變化

式中：F為鉆柱摩阻，kN；H為偏移距，m。通過公式（1）可估算雙二維剖面井眼軌跡下一定偏移距時(shí)的摩阻值，可為鉆井施工提供參考。

3.4 偏移點(diǎn)位置參數(shù)優(yōu)化建議

通過對(duì)大偏移距平臺(tái)雙二維水平井偏移點(diǎn)位置參數(shù)對(duì)鉆柱摩阻的影響分析表明，優(yōu)化偏移點(diǎn)位置參數(shù)能夠有效降低摩阻。但也存在一定的局限性，一方面，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，因此不適合用于埋藏深度較淺的油藏。另一方面，如偏移距過大，需要大量穩(wěn)斜進(jìn)尺才能將第1剖面偏移距消耗至降斜扭方位井段，這樣會(huì)增加雙二維井的施工難度而失去雙二維提速降本的實(shí)用價(jià)值。因此，在條件允許的情況下，偏移距不宜過大，且穩(wěn)斜時(shí)的井斜角盡可能小，從而降低全井摩阻。不同偏移距下推薦的偏移點(diǎn)位置參數(shù)見表2。建議在進(jìn)行大偏移距雙二維水平井設(shè)計(jì)和施工時(shí)結(jié)合油藏情況盡量采用或靠近此位置參數(shù)。

表2 不同偏移距下偏移點(diǎn)位置優(yōu)化參數(shù)值

4 結(jié)論與建議

設(shè)計(jì)了不同偏移點(diǎn)位置參數(shù)下大偏移距平臺(tái)雙二維水平井井眼軌跡，并計(jì)算了相應(yīng)的鉆柱摩阻，得到了偏移點(diǎn)位置參數(shù)對(duì)摩阻的影響規(guī)律，最后結(jié)合采油現(xiàn)場(chǎng)檢泵情況給出了井眼軌跡優(yōu)化建議。具體結(jié)論如下：

（1）在雙二維剖面井眼軌跡下偏移點(diǎn)垂深對(duì)鉆柱摩阻的影響主要體現(xiàn)在第1剖面斜井段和第2剖面扭方位井段，而偏移角主要對(duì)第2剖面扭方位至增斜段的有影響。第2剖面扭方位后增斜入靶井段的長(zhǎng)度雖短但鉆柱摩阻增幅較大，該段摩阻約占總值的40%～50%，建議在進(jìn)行井眼軌跡優(yōu)化時(shí)著重考慮該井段。

（2）偏移點(diǎn)位置參數(shù)對(duì)摩阻的影響中偏移距的影響最大，其次是垂深，然后是偏移角。

（3）在偏移點(diǎn)一定垂深和偏移角下，隨著偏移距的增大，摩阻基本呈線性增大趨勢(shì)。在偏移點(diǎn)垂深1500 m偏移角75°，偏移距在100～700 m范圍內(nèi)，摩阻與偏移距的大致關(guān)系為：F=485+0.355H。

（4）偏移點(diǎn)較優(yōu)垂深和偏移角基本隨偏移距的增大而增大。在偏移距為100～700 m時(shí)，偏移點(diǎn)較優(yōu)垂深和偏移角范圍分別為1300～1600 m和60～87°，摩阻范圍511～735 kN。