大位移井井眼軌道優化設計

摘 要：井眼軌道的選擇對大位移井鉆井很重要，關系到鉆井設備的能力、井眼的控制、井眼的清洗、安全鉆井和下套管、井下作業等。大位移井的顯著特點是水平位移大，井斜角大，鉆柱和套管柱在井眼內摩阻和扭矩大，因此選擇合適的井眼軌跡，對于降低摩阻扭矩，確保大位移井安全鉆進具有重要的意義。

關鍵詞：大位移井；摩阻；扭矩；井眼軌道優化

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.22.082

大位移井軌跡設計，不僅考慮鉆機和頂驅設備的能力、設計軌跡的摩阻扭矩大小和現場施工的難易程度，同時還要考慮鉆柱的強度優化設計及套管磨損等因素。大位移井的軌跡設計是與鉆柱力學、鉆井現場實際作業密切相關的一項系統工程[1-2]。

1 井眼軌跡設計的原則

不同的軌跡設計方法有各自的優缺點，但必須遵循以下三項原則：

（1）軌跡設計必須滿足各種不同工況的要求；

（2）軌跡設計應當考慮最短軌跡的要求；

（3）軌跡設計的鉆柱摩阻和扭矩應當相對最小；

2 大位移井不同井眼軌跡類型分析

井眼軌道主要有單圓型、雙增型、懸鏈型幾種類型剖面。設計時必須分別針對不同剖面類型應用摩阻預測技術進行比較分析，優選摩阻更低的井身剖面。

單圓弧剖面造斜率為國內目前常用2.4°/30m，常用于造斜點較深，位移比相對小的大位移井；準懸鏈型，初始造斜率較小，一般是1°～1.25°/30m，每鉆進一段井段后，造斜率遞增加0.5°/30m，分數次造斜，最后用相對高造斜率在井斜45°～90°井段，此方法可減少易產生巖屑床40°～60°段的長度，保持井眼清潔。無論那一種造斜井段，其最高造斜率都應控制在3°/30m，其主要是為了減小鉆桿在造斜段處的側向力，減少鉆具彎曲，防止在鉆進下部井段時套管被嚴重磨損和增大鉆井摩阻。雙增接近于二者之間。圖1為大位移井不同井眼軌跡類型圖。

優化軌跡剖面可以降低摩阻，確保技術套管距離延伸，大位移在首先優化剖面的前題下，才可能使下步工作更加順利。而懸鏈線剖面可以減小鉆具與井眼的接觸面積，使摩擦系數在正壓力的作用下，產生的扭矩相對較小，扭矩與井眼中旋轉半徑成正比，鉆桿直徑越大旋轉半徑越小減少了與井壁接觸面積，則扭矩越小。

增大穩斜角度改善井眼扭矩，盡量避開井斜角40～60°穩斜段，井眼長度對扭矩的影響比穩斜角對扭矩的影響大一些。然而，井斜角較大的井確實趨向于降低總扭矩，因為鉆柱中有較多部分處于受壓狀態，有利于降低上部造斜段處的拉力和接觸力，但克服大位移井中的軸向摩阻是個極大的難題。

準懸鏈線剖面鉆柱對井壁的軸向載荷阻力小，鉆具在起鉆時，因狗腿角小使鉆具的側向力最小，可以有效的降低摩阻，使滑動鉆進極限位移得到延伸。所以，大位移井設計應采用準懸鏈線剖面，降低鉆具及下套管作業中摩阻、扭矩和側向力，可使套管下入鉤載增大20%～25%，減少鉆井事故的發生。

3 應用實例

以ZH8Ng-H1井為例，采用準懸鏈線軌跡設計與雙增剖面側向力對比：

由圖2、圖3表明采用變曲率準懸鏈線剖面最大的側向力在147m處為649kgf/10m，常規雙增剖面最大的側向力在128m處為1087 kgf/10m，顯然準懸鏈剖面側向力比雙增剖面低59%可降低鉆具卡鉆及疲勞破壞的風險，說明準懸鏈線變曲率剖面設計更為理想。

4 結論與建議

ZH8Ng-H1井采用準懸鏈線軌跡設計，通過管柱受力分析及應用表明：

（1）優選出變曲率軌跡，使其能減少管柱在造斜段摩阻扭矩，增加管柱下入能力；

（2）大位移水平井造斜率范圍選在1.5°/30m-3.5°/30m范圍內，造斜率逐漸遞增；

（3）對于位移較大的井，穩斜段井斜角盡量避開40°-60°區間，以利于井眼的清潔與穩定。

參考文獻：

[1]張焱，李驥，劉坤芳等.定向井井眼軌跡最優設計方法研究[J].天然氣工業，2000，20（01）：57-60.

[2]竇玉玲.長水平段大位移井井眼軌跡優化設計[J].探礦工程，2011，38（07）：50-53.

作者簡介：劉天恩（1984-），男，工程師，從事鉆井工程相關工作。endprint