頁巖氣雙二維水平井軌跡優化設計與應用

劉茂森，付建紅，白 璟

(1.油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室，四川 成都 610500；2.西南石油大學，四川 成都 610500；3.中國石油川慶鉆探工程有限公司，四川 成都 610051)

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頁巖氣雙二維水平井軌跡優化設計與應用

劉茂森1，2，付建紅1，2，白 璟3

(1.油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室，四川 成都 610500；2.西南石油大學，四川 成都 610500；3.中國石油川慶鉆探工程有限公司，四川 成都 610051)

水平井井眼軌跡設計是“井工廠”模式開發頁巖氣的重要組成部分，研究合理的井眼軌跡有利于降低頁巖氣鉆井施工難度，提高經濟效益。針對頁巖氣水平井的鉆井難點，提出了雙二維井眼軌跡設計方法。從降低鉆井成本、減小鉆柱摩阻扭矩、防止叢式井相碰等方面對比分析了雙二維水平井相對于三維水平井的優點。結果表明：將水平井的軌跡設計在2個相交的鉛垂面中，在每個鉛垂面內只有井斜變化沒有方位變化，大大降低了鉆井施工難度；在鉆具組合和工程參數相同的情況下，雙二維水平井的水平段摩阻扭矩更小；同時，雙二維水平井在降低導向鉆井成本和鄰井碰撞風險等方面具有明顯優勢。雙二維水平井軌跡優化設計方法可有效降低頁巖氣井水平井鉆井成本，實現頁巖氣藏的高效開發。

頁巖氣；雙二維水平井；井眼軌跡；摩阻扭矩；防碰；長寧H1井

0 引 言

頁巖氣通常采用“井工廠”模式進行開發[1-6]，頁巖氣水平井鉆井主要面臨井眼軌跡控制困難、鄰井碰撞風險高、鉆柱摩阻扭矩大等諸多難題[7]。因此，頁巖氣水平井鉆井需要解決的關鍵技術是采用最優化、最經濟的井眼軌跡設計與控制方法，確定合理的井身剖面參數。在二維井眼軌跡的基礎上，開展了頁巖氣雙二維井眼軌跡優化設計研究，研究成果對頁巖氣安全高效鉆井具有重要指導意義。

1 雙二維井眼軌跡設計方法

與三維水平井不同的是，雙二維水平井的井眼軌跡設計在2個相交的鉛垂面中，每個鉛垂面中分別為一段二維軌跡。首先在空間直角坐標系O-XYZ中建立2個相交的鉛垂面ABCD和BDEF，其中ABCD稱為第1鉛垂面，BDEF稱第2鉛垂面(圖1)。圖中，O為坐標原點，X為北坐標，Y為東坐標，Z為垂深，φ為2個平面之間的夾角，I為井口，J和K分別為入靶點和出靶點，M為鉆井軌跡與第1、第2鉛垂面的交點。

圖1 雙二維井眼軌跡設計示意圖

先在第1鉛垂面內設計第1段二維軌跡，采用“直—增—穩—降—穩”的井眼剖面。為降低鄰井相碰的風險，在設計一段直井段后軌跡開始在第1鉛垂面中朝著第2鉛垂面的方向進行增斜，增斜后的井斜角不超過20 °。待增斜到設計井斜角時開始穩斜，穩斜一定長度后開始降斜，降斜段井眼曲率較小，降斜后的井斜角控制在5 °以內。待降斜到設計井斜角后再開始穩斜作業，直到鉆至2個鉛垂面的交匯位置M，該位置為第2鉛垂面內造斜段起點。由于M點處的井斜角較小，其方位角可以不考慮，在第2鉛垂面內可直接按二維水平井設計[8]，唯一的約束就是M點在水平面的投影在水平段的反向延長線上(圖2)。

圖2 水平投影示意圖

雙二維井眼軌跡設計的關鍵是要確定第1段軌跡的水平位移，即水平面投影中M點到I點的距離S。圖2中，井口I、入靶點J和出靶點K的坐標已知，水平段JK相對于正北方向的方位角為θ，則有：

(1)

式中：θ為水平段JK相對于正北方向的方位角，rad；NK為K點的北坐標，m；NJ為J點的北坐標，m；EK為K點的東坐標，m；EJ為J點的東坐標，m。

水平段的偏移距H為：

(2)

式中：H為軌跡水平段的偏移距，m；EI為I點的東坐標，m；NI為I點的北坐標，m。

M點到I點的距離S為：

(3)

式中：S為M點到I點的距離，m；φ為2個平面之間的夾角，rad。

求得第1段軌跡的水平位移S后，便可以根據五段式井眼軌跡設計方法[9]設計第1段井眼軌跡，再以M為起點設計第2段井眼軌跡。

相對于三維水平井，雙二維水平井在第1鉛垂面內造斜點深度較淺，一般為50～170m，從而在直井段增大了鄰井間距，降低了碰撞風險；在每個鉛垂面內，軌跡只有井斜變化而幾乎沒有方位變化，井眼軌跡控制難度大大減小；進入第2鉛垂面時，軌跡的井斜角很小，近似于直井，可以直接調整方位開始造斜，避免了常規三維水平井的大幅度扭方位作業。

2 頁巖氣雙二維水平井軌跡優化理論研究

2.1 鉆柱摩阻扭矩分析

目前常用的摩阻扭矩計算模型主要分為軟桿模型和剛桿模型[10]。雙二維水平井的井眼曲率較小，因此，軟桿模型比較符合現場作業情況，基本方程如下：

(4)

Ti=Rμ|Ni|+Ti-1

(5)

2.2 防碰掃描分析

在頁巖氣“井工廠”鉆井施工過程中存在較高的鄰井相碰風險，需要準確計算參考井上任一點與鄰井之間的距離，目前現場最常用的井眼距離掃描方法為最短距離掃描法[11]。由于各種誤差因素的存在，此次計算中采用誤差橢球模型并引入分離系數來進行分析，分離系數定義為兩測點之間的距離與兩測點誤差橢球長半軸之和的比[12]：

(6)

式中：f為分離系數；R1，2為兩測點間的距離，m；R1、R2分別為兩測點誤差橢球的長半軸長度，m。

3 實例分析

目前，長寧地區已有10余口水平井采用了雙二維井身剖面，取得了良好的應用效果。下面以長寧H1井為例，對雙二維水平井的主要優點進行具體分析。

3.1 井組概況

長寧H1井為一口雙二維水平井，軌跡水平投影如圖3所示。H1井旁邊有一口三維水平井H3井，H3、H1井的井口距離為30m，與H1井屬同一鉆井平臺，H1、H3井的井身結構和水平段鉆具組合相同，軌跡水平投影如圖4所示。

圖3 H1井井眼軌跡水平投影

圖4 H3井井眼軌跡水平投影

由圖3、4可知，H1井與H3井的井眼軌跡水平投影存在明顯差別，H1井由于不存在扭方位造斜段，其軌跡水平投影由2條直線構成；H3井為一口三維水平井，扭方位造斜段在水平面上的投影為一段弧線。

3.2 雙二維井眼軌跡與三維井眼軌跡對比

3.2.1 水平段摩阻扭矩

根據H1井和H3井的實際情況，結合鉆柱摩阻扭矩模型，取以下計算參數：裸眼摩擦系數為0.20，套管摩擦系數為0.17，轉盤轉速為60r/min，鉆壓為60kN，鉆頭扭矩為2.5kN·m，鉆進時管柱運動速度為0.001m/s，起下鉆時管柱運動速度為0.100m/s，鉆井液密度為2.00g/cm3，計算不同工況下，井深為4 700m時2口井的井口大鉤載荷和井口扭矩(表1、2)。

表1 不同工況下的井口大鉤載荷計算結果

表2 不同工況下的井口扭矩計算結果

由表1、2可知，井深為4 700m時，2口井的井口大鉤載荷和井口扭矩均在設備的能力范圍之內，但雙二維水平井在不同工況下的摩阻和扭矩均比三維水平井更小，說明雙二維水平井井身剖面設計更為合理，有利于井眼軌跡控制和水平段鉆壓的傳遞。

3.2.2 鄰井防碰掃描分析

H1井與H3井中間有一口二維水平井H2，H2井與H1井的井口距離為15m，方位為100 °，造斜深度為2 680m，水平段方位為10 °。以H2井作為參考井，分別對H1井和H3井進行防碰分析(圖5)。

為安全起見，工程上一般認為分離系數小于1.5的井段存在碰撞風險，需要加強防碰措施。由圖5可知，三維水平井在2 300～2 700m井段分離系數小于1.5，存在碰撞風險；而雙二維水平井全井段的分離系數均在20.0以上，即雙二維水平井能夠有效降低與鄰井的碰撞風險。

3.2.3 導向鉆井成本

頁巖氣水平井在造斜段通常采用旋轉導向鉆進方式，H1井的造斜段長度為389.6m，H3井的造斜段長度為659.7m，H1的旋轉導向鉆井工具作業進尺較H3井少270.1m。目前，長寧地區的旋轉導向鉆井工具服務費為1 500 元/m，則單井可節約服務費用40.5×104元，占導向費用的12.3%，其工廠化批量作業效益是極其可觀的。

圖5 防碰計算結果

通過對水平段鉆柱摩阻扭矩、鄰井碰撞風險和導向鉆井成本的分析表明，頁巖氣雙二維水平井能夠有效降低水平段鉆柱摩阻扭矩、鄰井碰撞風險和導向鉆井成本，既降低了鉆井施工難度，又提高了經濟效益，具有廣泛的應用前景。但雙二維水平井設計方法也有一定的局限性，由于雙二維水平井在造斜點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，不適合用于埋藏深度較淺的油氣藏。

4 結 論

(1) 根據頁巖氣“井工廠”的開發要求和鉆井難點，在二維井眼軌跡的基礎上，提出了雙二維井眼軌跡的設計方法，從鉆柱摩阻扭矩、鄰井碰撞風險和鉆井成本3個方面探討了雙二維井眼軌跡的優點。

(2) 對比分析了雙二維水平井與三維水平井，雙二維水平井鉆柱摩阻扭矩小，鄰井間碰撞風險低，其軌跡在每個鉛垂面內只有井斜變化沒有方位變化，施工難度大大降低，且有利于提高效益，降低鉆井成本，實現了頁巖氣藏的效益開發。

(3) 雙二維水平井設計方法也具有其局限性，如造斜點以上必須具有足夠的垂深，對于儲層埋藏淺的油氣藏不適用。

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編輯 孟凡勤

20151120；改回日期：20151229

國家“973”項目“頁巖氣水平井井眼軌跡優化設計與地質導向理論研究”(2013CB228003)

劉茂森(1990-)，男，2014年畢業于西南石油大學石油工程專業，現為該校石油與天然氣工程專業在讀碩士研究生，主要從事特殊結構井鉆井工藝方面的研究。

10.3969/j.issn.1006-6535.2016.02.036

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