米桑油田井眼軌道優化設計

王勝翔，楊培龍，劉克明，梁奇敏

(1.中國海油伊拉克有限公司，北京100010；2.中國石油大學石油工程教育部重點實驗室，北京102249)

米桑油田井眼軌道優化設計

王勝翔*1，楊培龍1，劉克明1，梁奇敏2

(1.中國海油伊拉克有限公司，北京100010；2.中國石油大學石油工程教育部重點實驗室，北京102249)

在定向井鉆井中，優化井眼軌道，是實現優快鉆井的重要手段。研究了米桑油田井眼軌道的優選問題，考慮了井壁穩定、目標垂深和造斜率不確定、井眼清潔、著陸的難易程度以及井下鉆具受力情況等多個約束條件對井眼軌道優選問題的影響。需要綜合考慮上述所有約束條件才能得出該井段的穩斜角大小，最終得到米桑油田不同約束條件下井眼軌道計算結果。探討了所有約束條件下的軌道優化過程，對今后該區塊定向井的鉆井工程理論和技術中的井眼軌道優選設計的深入研究與實踐有重要參考價值。

米桑油田；鉆井；定向井；軌道優化；約束條件

1 概述

眾所周知，提高鉆井速度是加快油氣勘探開發步伐的重要途徑。多年來，鉆井工作者已經擁有了一系列優快鉆井速度的技術[1-4]，鉆井速度也逐年提高，但與國外先進的鉆井速度指標相比，仍存在著很大的差距。在其他條件一定的情況下，鉆井軌道的優選對于優快鉆井起著決定性作用。

盡量選擇形狀簡單、易于施工的井眼軌道是定向井、水平井設計的一個基本原則，因此在環境和地下條件允許的情況下，如果對鉆井工藝技術沒有特殊要求，都會將井眼軌道設計成二維剖面。至今大約已有10多種剖面類型，如懸鏈線剖面和直線、圓弧組合剖面等。其中直線、圓弧組合剖面是由多個直線段和多個圓弧段組合而成，最典型的剖面有“L型”、“S型”和雙增型剖面。所選出的最優井眼軌道模型往往只能作為井身剖面的一個組成部分，不能保證全井井眼軌道是最優的。總之，對于井眼軌道模型及井身剖面的選擇，需要進行綜合分析與評價才能做出科學的決策，為此前人已經做了很多工作[5-12]。本文的井眼軌道優選問題考慮了井壁穩定、目標垂深和造斜率不確定、井眼清潔、著陸的難易程度以及井下鉆具受力情況等多個約束條件。通過本文優選出的井眼軌道，能夠完成米桑油田定向井的施工任務，并為優快鉆進的深入研究與實踐提供重要的參考價值。

2 井眼軌道優化

“雙增型剖面”是水平井常用的一種類型，其中穩斜角的合理確定是關鍵參數優化之一。以下在幾個約束條件下優化穩斜角。

2.1 井壁穩定約束條件下穩斜角的優選

每一個區塊的坍塌壓力隨井斜角和方位角都有一個變化規律圖。沿著不同的方位鉆井有不同的坍塌壓力；雖然都是同一方位下進行鉆井，但在不同的井斜下，坍塌壓力波動值也不容忽略。穩斜角太大或太小，都不利于井壁穩定。所以從井壁穩定的角度考慮，穩斜段的井斜應選擇在坍塌壓力最小的井斜處。

2.2 目標垂深和造斜率不確定條件下穩斜角的優選

對于一般的定向井，目標垂深和造斜率都不確定的情況在現場施工過程中都是可能存在的[13]，如圖1所示。

式中，第一造斜段的最高造斜率和最低造斜率分別是K1max和K1min，第二造斜段的最高造斜率和最低造斜率分別是K2max和K2min，αE是目標段的井斜角，σ是目標層窗口的半高度，αm是標志層的傾角。上式即為關于目標垂深和造斜率都不確定情況下的最優穩斜段井斜角αtan的隱函數，對該隱函數求解即可得最優穩斜段井斜角αtan的大小。

圖1 目標垂深和造斜率不確定性的雙增型水平井垂直剖面圖

2.3 井眼清潔約束條件下穩斜角的優選

井斜角是影響巖屑運移的重要因素，不同井斜角下由于巖屑顆粒的重力作用效果發生了變化，因而導致巖屑在運移方式上存在很大的差別。

0°～30°井斜角井段，雖然當井斜角大于10°后，巖屑顆粒具有向井壁下側沉積的趨勢，但該井段內一般形不成穩定的巖屑床，巖屑在鉆井液作用下推動前進。此時鉆柱的旋轉攪動會使巖屑不斷進入高速流區而被鉆井液攜出，此井段中，環空返速高于0.8m/s即可獲得較滿意的攜屑效果。

在30°～60°井斜角井段，隨著井斜角的增大，巖屑下沉到下井壁的機會增多，逐漸形成巖屑床。由于巖屑床的形成，使得環空巖屑濃度增大，且井斜角增加巖屑濃度及巖屑床厚度急劇增加，在45°～60°井斜角范圍內巖屑床厚度及巖屑濃度達到全井段最大值，巖屑床開始形成的“臨界井斜角”[14-16]。同時，由于巖屑床存在較大的下滑分力，使該井段成為攜屑最困難井段。

當井斜角在60°～90°范圍時，所形成的巖屑床基本穩定,且床體不存在沿井壁下滑的現象。此時由于液流輸送巖屑的作用方式發生了變化，使得這一井段內的環空巖屑濃度較0°～30°井斜角井段高而比30°～60°井段低。

2.4 井下鉆具受力約束條件下穩斜角的優選

由于穩斜段的井斜大，管柱在井下運動時會受到很大的摩擦力，致使起下鉆和下套管以及施工加鉆壓等作業困難。

一般情況下，當井斜角在大于60°時，就需要“倒裝鉆具結構”，防止下部鉆具因受到的軸向力過大而出現失穩的現象。鉆具旋轉時受到的交變應力，將加劇鉆具的疲勞破壞[17]。在鹽膏層穩斜鉆進時，鉆具在井下受到的扭矩將增很大，受力狀態更為復雜，要求精心設計鉆具組合。

所以從摩阻扭矩的角度考慮，設計時穩斜角盡量小于60°。

2.5 著陸難以程度約束條件下穩斜角的優選

如果穩斜段底部到著陸點的垂深很近，而且穩斜角太小，就要以較大的造斜率實現著陸，這樣對定向工具的要求高和施工過程都會帶來很大的困難，而且狗腿度太大容易卡鉆，所以穩斜角又不能太小。

圖2 井眼剖面中各井段間的幾何關系圖

穩斜段與第二造斜段的幾何關系圖見圖2，顯然第二造斜段的造斜率和穩斜角的大小關系如式（2）所示。

3 算例

3.1 米桑油田定向井基本數據

為了提高控制精度和降低控制難度，米桑油田的水平井均采用圖3所示的“雙增式剖面類型”，在垂深在2100～2900m的鹽膏層中穩斜鉆進，采用旋轉鉆進模式快速通過，縮短鹽膏層段的作業時間，更有利于減小鹽膏層中井下復雜事故的出現，更容易達到實現優快鉆井的目的。

3.2 多約束條件下井眼軌道計算結果

米桑油田Lower Fars層（約2100～2900m）坍塌壓力隨井斜角和方位角變化規律圖如圖4所示，從井壁穩定的角度考慮，穩斜段的井斜應選擇在坍塌壓力最小的井斜處，25°～35°間。

在伊拉克米桑油田中，垂深不確定性取10m，窗口半高度是2m，第一造斜段的造斜率的不確定性是在2.5°/30m～3.5°/30m之間，第二造斜段的造斜率的不確定性是在4.5°/30m～5.5°/30m之間，由于地層不確定性造成的垂深為3100m上下波動10m，著陸點的井斜角是90°。通過式（1），優化出來的穩斜角是79.27°，穩斜段的長度是52.8m。這樣一來，必然會導致在鹽膏層中進行定向造斜，故不能根據此條件下計算的穩斜角來進行作業。

從洗井方面考慮，米桑油田的穩斜角盡量大于60°或小于30°。

圖3 米桑油田鹽膏地層水平井剖面類型

圖4 米桑油田Lower Fars層坍塌壓力隨井斜角方位角的變化規律

從摩阻扭矩的角度考慮，設計時穩斜角盡量小于60°。

TB2如果取200m的話，穩斜角不能太小，如果第二造斜段取5°/30m的造斜率，計算結果顯示不能小于24.8°。

綜合上面5個約束條件下的優化結果，米桑油田的穩斜角選取25°。

基于各種約束條件下得到的井眼軌道計算結果各不相同，綜合考慮所有因數可得到結果，既滿足了安全鉆井的要求，又最大限度地實現了優快鉆井，驗證了多約束條件下排量優選計算結果的科學性。

4 結論

(1)米桑油田中，采用“雙增”剖面類型，考慮井壁穩定、目標垂深和造斜率不確定、井眼清潔、著陸的難易程度以及井下鉆具受力情況等多個約束條件優選出的穩斜角是25°；造斜率分別是3°/30m和5°/30m，優化出的造斜點1850m落在硬鹽膏層中，適合造斜。

(2)在實際鉆井過程中，每口井的目標垂深不確定，軌道控制受多種因素的限制，需要做小調整。為使所設計的軌道具有使用價值，須確保每口井優選的井眼軌道必須滿足上述所有約束條件。

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TE21

A

1004-5716(2015)08-0017-04

2014-08-18

2014-08-18

王勝翔（1972-），男（漢族），河南南陽人，工程師，現從事油氣田鉆井技術工作。