延長油田水平井鉆井優化設計及應用

趙 毅，曹 曉，趙 倩，馬振鋒，李紅梅

（1.陜西延長石油集團研究院，陜西西安 710065；2.中國石油川慶鉆探國際工程公司厄瓜多爾分公司，四川成都 610051）

水平井鉆井一直是國外各大油氣田促進油氣勘探開發的主要手段之一，水平井的廣泛應用極大地促進了世界石油工業的發展，已成為國內外新油田開發、老油田挖潛、難動用油藏提高最終采收率的重要手段。與常規井相比，采用水平井的方式開發低滲透油藏能加快井底滲流向擬線性流的轉變，為提高油井單井產量、提高油田采收率和開發質量提供了新途徑，是解決當前延長油田開發“多井、低產、低效”的有效手段。

1 井身軌跡優化設計

井眼軌跡設計是實現水平井鉆井的重要環節，在滿足鉆井目的前提下，應盡可能選取形狀簡單、易于施工的井身剖面，優化設計井眼軌道，減少井眼軌跡控制的難度和工作量，從而實現安全、優質、快速鉆井[1]。

（1）水平井靶前距＞300 m：優選三增剖面，增大入窗可調范圍，保證入窗精度；二維井通常采用常規“直-增-穩-增-穩-增-水平”三增剖面設計。三維井在第二增斜段扭方位，第三增斜段只調整井斜，從而保障井身軌跡的圓滑。

（2）水平井靶前距在240 m～300 m：對于二維井采用常規“直-增-穩-增-水平”雙增剖面設計，而三維井則根據隊伍的實際控制能力實行個性化設計，若定向隊伍控制能力較高，則二開采用小角度斜井段打側向位移，下部銜接常規二維剖面設計；如定向隊伍控制能力不足，則只在第二增斜段扭方位，降低施工難度。

（3）水平井靶前距＜240 m：根據水平井段長度和井型采取非常規雙增、負位移或側向位移的設計方法。若水平段較短，則采用第一造斜率高于第二造斜率的非常規雙增軌道，降低入窗調整難度；若水平段較長或為三維井，則在直井段實施負位移或側向位移的剖面設計，從而降低施工難度[2]。

2 井身結構優化設計

延長油田開發區域上部第四系黃土層松散、易漏失、易垮塌，但其它地層相對較穩定，壓力系統相對簡單，因此二開井身結構即可滿足安全鉆井需求。

一開采用Φ311.1 mm 鉆頭，下入Φ244.5 mm 表套固井，水泥漿返至地面，封固上部不穩定地層，為二開揭示目的層和安全鉆井創造條件。

二開直井段采用Φ222.3 mm 鉆頭鉆至造斜點，然后采用Φ215.9 mm 鉆頭直至完鉆，從而有效克服了上部地層縮頸帶來的后期起下鉆困難，然后下入Φ139.7 mm 油層套管（篩管）固井，水泥漿返至地面。

圖1 井身結構圖

該井身結構的優化設計綜合考慮了鉆遇地層特征、最大關井壓力、電測濕接頭對接工藝等多種因素影響，通過大量的技術攻關，在確保現場順利施工的前提下，保持了水平井與常規井鉆具結構、管材結構的一致性。總體而言，該井身結構較為簡單，最大限度的降低了鉆井成本，保證了鉆井安全，降低了生產組織的難度，也方便了后期投產、修井作業等施工項目順利進行。

3 底部鉆具組合優化設計

底部鉆具組合的設計原則是保證鉆柱具有足夠的強度，通過合理配置，以減小摩阻，使鉆頭上能夠得到足夠的鉆壓和扭矩。

控制車刀運動的準備功能字是“G00”、“G01”、“G02”、“G03”，其中“G00”表示快速定位到指定坐標位置；“G01”是以給定進給量(以“F”輔助功能字引出)進行直線插補運動到指定坐標位置；“G02”、“G03”準備功能字表示分別以順時針或逆時針方向進行圓弧插補。這些準備功能字決定刀具軌跡的形狀。輔助功能字“X”，“Z”決定軌跡的坐標選擇，并引出具體坐標值，對于圓弧插補，還要提供輔助功能字“R”來標明轉動圓弧半徑。

水平井鉆柱設計的基本形式是“倒裝鉆具”。理論上井斜超過60°鉆壓迅速下降。75°時，傳遞重力只有鉆具懸重的26 %，85°時，鉆柱阻力迅速增加，傳遞重力只有懸重的0.1 %。因此，一般加重鉆桿應放在靠近井眼垂直部分以提供鉆壓，而大斜度井段與水平段則采用普通鉆桿。

BHA 的理論造斜率應略高于設計造斜率，且滿足水平井井身剖面的施工要求，所選BHA 的摩阻應盡可能小，確保井下安全，并保證MWD 和LWD 的安裝要求。通過對單穩定器單彎螺桿鉆具組合滑動模式的研究，認為：

（1）隨著穩定器到鉆頭距離的增加，鉆頭側向力逐漸減少，距離增加到6 m 左右時，鉆頭側向力減少到零，變為穩斜鉆具。

（2）彎曲井眼中隨著鉆壓的增加，鉆頭側向力逐漸增加。

（3）彎曲井眼中鉆壓對鉆頭變方位力的影響不大，隨著鉆壓的增加，鉆頭變方位力略有減少。

（4）隨著井斜角的增加，鉆頭側向力逐漸增加，鉆頭變方位力逐漸減少，井斜角繼續增大，鉆頭側向力增大和鉆頭變方位力減少的趨勢逐漸減弱[3]。

表1 單彎螺桿造斜范圍

實鉆中，單彎螺桿的造斜率大部分與預測相符（見表1），但有些井段因受地層作用、工藝操作方式（如工具面的偏擺太大，送鉆的不均勻程度）的影響，工具的實際造斜率和預測值之間存在一定的差異。輔助landmark 鉆井工程設計系統，以滿足井眼軌跡控制要求和提高鉆速為目標，總結水平井現場施工經驗，目前形成了一套較為成熟的模式化、系列化的水平井鉆具組合。

直井段推薦采用單彎螺桿+鐘擺組合，從而有效控制井斜自然增長，增斜段：推薦“單彎單扶”螺桿+三牙輪鉆頭組合，根據地層變化情況及時調整下部井眼軌跡，確保準確進入油層，水平段：推薦采用“單彎雙扶”螺桿+三牙輪或PDC 鉆頭，優化扶正器間距，滿足一定的增降斜功能，平穩、快速鉆進。同時穩定器方面優選配套非標型號穩定器。

4 實例應用

4.1 井身軌跡設計

東平2 井位于定邊采油廠東仁溝油區，設計井深3 000 m，水平段長580 m，由于井口跟A，B 靶點不在一個平面上，雙增剖面需要在第二增斜段扭方位近11°，施工難度加大，所以設計三增剖面，二開采用小角度斜直井段打側向位移，下部銜接常規二維剖面設計（見表2），施工難度降低。

圖2 東平2 井的垂直剖面圖

圖3 東平2 井的水平投影圖

表2 東平2 井的井身軌跡

圖4 東平2 井二開大鉤載荷分析

圖5 東平2 井二開扭矩分析

東平2 井的垂直投影圖和水平投影圖（見圖2、圖3），通過優化東平2 井的鉆井設計，使得平均機械鉆速達到14.5 m/h，鉆井周期僅14.8 d。

4.2 摩阻扭矩分析

水平井施工過程中摩阻較一般直井和定向井差異較大，準確地分析其摩阻大小，不但可以在剖面設計過程中確定最佳剖面設計方案，而且在實鉆過程中可以較準確地判斷鉆頭上的實際鉆壓及扭矩，從而為調整鉆進參數提供依據。磨阻分析使用行業先進的Landmark 軟件，重點對不同作業階段的大構載荷、磨阻進行模擬分析[4]。

根據鉤載分析得出，水平井隨著鉆深增加，起下鉆、滑動鉆進、復合鉆進、螺旋屈曲呈增大趨勢。隨水平段進尺增加，下鉆過程螺旋屈曲呈降低趨勢，當下鉆至1 610 m 后，屈曲不再增加。最大鉤載897.4 kN。

根據扭矩分析，隨鉆深增加，井底扭矩總體呈上升趨勢，其中直井段磨阻較小，隨著井斜增加，鉆頭扭矩減小，鉆進速度受井底加壓及磨阻影響，不斷降低。井底最大扭矩為18 606 N·m。通過與不同的剖面設計分析對比，該剖面摩阻與井底扭矩均較小，為最優剖面設計方案。

5 結論

近五年來，延長油田水平井實現了從初步探索到規模推廣、從西部向南部的快速發展，通過對延長油田水平井鉆井優化設計，降低了井眼軌跡控制的難度，提高了現場施工的機械鉆速及施工能力，提高了水平井的成功率。對施工單位的設備、工具儀器的組織準備、鉆機的合理配置和現場的科學安全施工具有指導性意義，更好地將科技轉化成了生產力。

［1］ 張亮亮.井眼軌跡設計研究與實現［D］.西安：西安科技大學，2010.

［2］ 李夢剛.水平井井眼軌跡控制關鍵技術探討［J］.西部探礦工程，2009，（1）：42-44.

［3］ 肖云峰，周定照，楊世軍.單彎螺桿鉆具組合非線性瞬態動力學分析［J］.石油機械，2011，39（3）：39-42.

［4］ 華遠信，張桂強，朱偉鴻，等.COMPASS、WELLPLAN 軟件在鉆井設計和施工中的應用［J］.西南石油學報，2004，26（1）：83-84.