大位移水平井井眼軌道設(shè)計(jì)與應(yīng)用

王新剛

（中海油田服務(wù)股份有限公司油田技術(shù)事業(yè)部，北京 101149）

1 大位移水平井井眼軌道概論

國際上對大位移水平井一般有兩種定義：一種是指水平位移大于或等于垂深2倍的定向井或水平井，該定義由英國BP公司及美國ARCO公司共同提出；另一種是指井眼總深度等于或大于垂深2倍的定向井或水平井，當(dāng)大于3倍時(shí)，稱為特大位移井，該定義在第14屆世界石油大會上被提出。

上世紀(jì)20年代，美國開始加大大位移井技術(shù)研究與應(yīng)用，到90年代該技術(shù)有了顯著提升。1997年6月，美國康菲石油公司在中國南海東部西江油田鉆成水垂比達(dá)2.7的鉆井，總井深9236m，水平位移8060.7m。基于此項(xiàng)目，2004年6月，南海東部流花油田成功鉆成了B3ERW4井，總井深6300m，水平位移5634.6m，井底垂深1229.25m，水垂比達(dá)到4.58，成為當(dāng)時(shí)亞洲區(qū)域所鉆大位移井水垂比最高的井。截至目前，世界上所鉆井中，位移最大的井是卡塔爾的BD-04A井，總井深12289.54m，水平位移11045.3m，井底垂深1103.6m。中海油南海東部油田相關(guān)記錄如表1所示。

表1 中海油南海東部油田大位移井作業(yè)記錄

大位移井鉆完井技術(shù)主要應(yīng)用于平臺或?qū)Ч芗荛_發(fā)海上油氣田、陸地開發(fā)近海、湖泊、河流等油氣田，其主要優(yōu)勢如下：第一，用大位移井開發(fā)海上油氣田，尤其是一些邊際小油田，可以節(jié)約大量開發(fā)成本，如使用常規(guī)定向井開發(fā)技術(shù)，需要額外再建海上固定的鉆采平臺或者是人工島，其需要大量的資金投入，經(jīng)濟(jì)性難有保障；第二，根據(jù)當(dāng)前鉆完井技術(shù)發(fā)展水平，距離海岸線10公里以內(nèi)的油氣田，均可以應(yīng)用大位移井鉆完井技術(shù)進(jìn)行開發(fā)生產(chǎn)；第三，應(yīng)用大位移井鉆完井技術(shù)可以避免建設(shè)較復(fù)雜的海底井口裝置，節(jié)省大量投資；第四，對于環(huán)保要求高或環(huán)境敏感區(qū)域，應(yīng)用大位移井鉆完井技術(shù)，可以滿足環(huán)保要求。

2 大位移水平井井眼軌道設(shè)計(jì)原則

大位移水平井井眼軌道設(shè)計(jì)原則基本原則是保證不超過鉆柱上扣扭矩極限，此外還要降低摩阻、扭矩、套管及管柱磨損，其目的是提高管柱、底部鉆具組合、定向井測量儀器等下入能力。平滑井眼軌跡控制是大位移井成功的關(guān)鍵，在作業(yè)安全的前提下，要盡可能增加大位移井延伸距離。大位移井井深剖面主要內(nèi)容如下。

（1）懸鏈線剖面。該剖面的主要特點(diǎn)是扭矩低、摩阻小，鉆柱與井壁之間接觸力幾乎為零。正常作業(yè)中，鉆柱受壓。與常規(guī)井眼剖面相比，懸鏈線剖面井眼軌道長。為降低深度控制誤差，出現(xiàn)了對其修正后的準(zhǔn)懸鏈線剖面。目前，該技術(shù)已經(jīng)在國外大位移井作業(yè)中廣泛使用。

（2）圓弧—雙增剖面。該剖面通常應(yīng)用在井眼軌跡中，上部井段造斜率為2°～5°/30m，下部井段造斜率為1°～2°/30m。圓弧—雙增剖面特點(diǎn)是造斜點(diǎn)淺，容易達(dá)到設(shè)計(jì)造斜率，且下部井段還可以使用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向，有利于平滑軌跡控制，可以順利延伸較長位移。目前，國內(nèi)大位移井作業(yè)大多數(shù)采用該剖面設(shè)計(jì)。

（3）圓弧—單增剖面。該井深剖面的特點(diǎn)是造斜率較低，一般在2°/30m左右。圓弧—單增剖面通常使用于下部井段造斜剖面，由于其造斜點(diǎn)較深，可以有效降低扭矩、摩阻、套管磨損等，而且需要的頂驅(qū)功率也比較小。

3 井眼軌道的優(yōu)化及穩(wěn)斜段穩(wěn)斜角確定

3.1 井眼軌道優(yōu)化

大位移井的主要特點(diǎn)之一就是消耗較小的垂深，得到較大的水平位移，從而達(dá)到更高的水垂比，井眼軌道優(yōu)化主要包括兩箱內(nèi)容。

第一，入靶方位及靶點(diǎn)確定。通常需要考慮地質(zhì)因素，根據(jù)油藏?cái)?shù)據(jù)模擬結(jié)果，確定最佳靶點(diǎn)及入靶方向，保證入靶方位垂直于地層最大主應(yīng)力方向，有利于井壁穩(wěn)定。

第二，井眼軌道幾何形狀優(yōu)化。在井眼軌道設(shè)計(jì)中，既要滿足常規(guī)馬達(dá)導(dǎo)向鉆具造斜率要求及后續(xù)生產(chǎn)管柱對井眼曲率的要求，而且要確保井眼軌道及其摩阻、扭矩趨于最小。另外，還要要求井眼軌道盡可能平滑，造斜率穩(wěn)定，防止局部高曲率現(xiàn)象發(fā)生。

3.2 穩(wěn)斜段井斜角確定

大位移井井眼軌道設(shè)計(jì)中，穩(wěn)斜段井斜角度越大，鉆柱所受重力軸向分量就越小；當(dāng)井斜角超過90°時(shí)或?yàn)樨?fù)值時(shí)，必須克服鉆柱所受重力的垂向分量；當(dāng)井斜角正好等于90°時(shí)，鉆柱所受摩阻力需由上部鉆柱所提供的軸向應(yīng)力來克服。

在大位移井軌道設(shè)計(jì)中，穩(wěn)斜角通常有一臨界值，稱為臨界穩(wěn)斜角αk，當(dāng)最大穩(wěn)斜角等于臨界穩(wěn)斜角時(shí)，該井段鉆柱重力垂向分量等于穩(wěn)斜段鉆柱遇到的摩擦阻力，αk計(jì)算公式如式（1）所示。

式中，μ為井下鉆柱與井壁間的平均摩擦系數(shù)。當(dāng)穩(wěn)斜角小于臨界角時(shí)，鉆柱依靠自身重力的垂向分量可以克服摩擦阻力；當(dāng)平均摩阻系數(shù)為0.2時(shí)，其臨界穩(wěn)斜角為78.7°；當(dāng)平均摩阻系數(shù)為0.25時(shí)，其臨界穩(wěn)斜角為78°。

另外，為了盡可能減小摩阻，在大位移井軌道設(shè)計(jì)中，需要選擇合適穩(wěn)斜段及穩(wěn)斜角，盡量避免彎曲井段鉆柱受壓。通常在泥漿馬達(dá)滑動鉆進(jìn)時(shí)為參考點(diǎn)，開始及結(jié)束位置處軸向拉力T如式（2）所示。

式中，P為鉆壓，kN；ρ為鉆柱平均線密度，kg/m；g為重力加速度，m/s2；LW為穩(wěn)斜井段長度，m；αw為穩(wěn)斜角，°；當(dāng)T=0，可得式（3）。

通過上述計(jì)算及分析可得出如下結(jié)論：

（1）當(dāng)設(shè)計(jì)造斜點(diǎn)一定時(shí)，穩(wěn)斜角度越小，起鉆時(shí)摩阻越大；當(dāng)隨著造斜點(diǎn)的下移，起鉆時(shí)的摩阻隨之增加，而當(dāng)穩(wěn)斜角達(dá)到75°～80°時(shí)，起鉆時(shí)的摩阻則相對較小。

（2）通常情況下，馬達(dá)滑動鉆進(jìn)時(shí)摩阻相對較大，隨著造斜點(diǎn)下移，滑動鉆進(jìn)時(shí)摩阻隨之增加，穩(wěn)斜角越小時(shí)則增加越快。

（3）當(dāng)設(shè)計(jì)造斜點(diǎn)一定時(shí)，穩(wěn)斜角越小，旋轉(zhuǎn)摩阻越大；通常穩(wěn)斜角在75°～80°之間時(shí)，旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)扭矩基本穩(wěn)定；隨著造斜點(diǎn)下移，其穩(wěn)斜角越小，旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時(shí)摩阻增加越快。

（4）當(dāng)設(shè)計(jì)造斜點(diǎn)一定時(shí)，如穩(wěn)斜角增大，則井眼長度增加；隨著造斜點(diǎn)下移，井眼長度增加，穩(wěn)斜角變大，井眼長度增加幅度也越大。

綜上所述，造斜點(diǎn)位置越靠上，其總井深越短，起鉆、旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)、滑動鉆進(jìn)時(shí)摩阻越小。

4 井眼軌道設(shè)計(jì)方法

目前國內(nèi)常用的是“圓弧－雙增”、“圓弧－單增”剖面。而變曲率設(shè)計(jì)通常是指造斜率為變量，主要有懸鏈線、準(zhǔn)懸鏈線、側(cè)位懸鏈線、側(cè)位修正懸鏈線、修正懸鏈線、側(cè)位拋物線和擺線等。圓弧法井眼曲線計(jì)算過程如式（4）～式（7）所示。

擺線法井眼曲線計(jì)算過程如式（8）～式（15）所示。

修正懸鏈線法井眼曲線計(jì)算過程如式（16）～式（23）所示。

準(zhǔn)懸鏈線法井眼曲線計(jì)算過程如式（24）～式（30）所示。

側(cè)位懸鏈線法井眼曲線計(jì)算過程如式（31）～式（40）所示。

側(cè)位拋物線法井眼曲線計(jì)算過程如式（41）～式（55）所示。

5 大位移井軌道設(shè)計(jì)原則

5.1 軌跡設(shè)計(jì)必須滿足現(xiàn)場安全作業(yè)施工工況要求

鉆井作業(yè)主要工況有旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)、滑動鉆進(jìn)（馬達(dá)鉆具）、劃眼、倒劃眼、下完井管柱和起下鉆等。在不同的工況下，井下鉆柱受力不同，管柱在井內(nèi)產(chǎn)生的摩阻、扭矩也各不相同。因此設(shè)計(jì)時(shí)，必須要對最大工況載荷進(jìn)行考慮和優(yōu)化。

鉆進(jìn)期間，井下鉆具所受各種力復(fù)合作用，主要包括拉力、應(yīng)力、彎曲力以及側(cè)向力等，要保證鉆具組合在受到各種有效軸向載荷下不發(fā)生屈曲彎曲或正弦彎曲，上部井口鉆具受到的各種有效載荷就不超過其軸向屈服強(qiáng)度值的80%；劃眼及倒劃眼期間，鉆柱所產(chǎn)生側(cè)向力最大，尤其在上部高狗腿度井段，對套管磨損非常嚴(yán)重；起鉆期間，整個(gè)鉆柱受到軸向拉力，摩擦阻力增大，需要考慮起鉆過程中發(fā)生阻、卡時(shí)的鉆機(jī)提升能力余量。因此，優(yōu)先選擇使用頂驅(qū)鉆機(jī)進(jìn)行大位移井作業(yè)，而且還可以進(jìn)行倒劃眼起鉆，有利于清潔井眼、修整井壁。

5.2 軌道設(shè)計(jì)的摩阻及扭矩值應(yīng)當(dāng)最小

大位移井作業(yè)中，通常井下摩阻和扭矩較大，是制約水平位移延伸的主要因素。因此，軌道不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)是減小大位移井摩阻及扭矩的主要方法之一。

5.3 設(shè)計(jì)的井眼深度盡可能最短

在軌道設(shè)計(jì)中，造斜點(diǎn)與目標(biāo)靶點(diǎn)間，可以優(yōu)化設(shè)計(jì)出無數(shù)條井眼軌道，而且每一條長度均存在差異，作業(yè)中應(yīng)盡量選擇長度短的軌道，降低作業(yè)難度和風(fēng)險(xiǎn)。

總之，大位移井的軌道設(shè)計(jì)是一項(xiàng)較復(fù)雜的工程，不是一條幾何曲線的抽象計(jì)算，而是結(jié)合鉆柱力學(xué)、巖石水力學(xué)、鉆完井管材質(zhì)量以及鉆井現(xiàn)場作業(yè)等多個(gè)專業(yè)與知識點(diǎn)的系統(tǒng)工程。在設(shè)計(jì)過程中，不僅要考慮硬件條件，如鉆機(jī)設(shè)備能力、循環(huán)系統(tǒng)能力以及固控設(shè)備等，還要考慮井下鉆柱各種受力分析，如井壁穩(wěn)定性研究、管柱磨損及順利下入等。

6 設(shè)計(jì)方法優(yōu)選及實(shí)例應(yīng)用

某大位移井水平位移3183.07m，垂深1272m，KOP深度300m，最大井斜90°，套管下深3193m，該井平均摩阻系數(shù)為0.25，在進(jìn)行軌跡設(shè)計(jì)及摩阻扭矩計(jì)算時(shí)，可使用加權(quán)評判法優(yōu)選最佳軌道。經(jīng)過計(jì)算，圓弧法最后加權(quán)值最小，因此圓弧剖面是最佳軌道。

在南海東部海域大位移井作業(yè)中，應(yīng)用“圓弧－雙增剖面”做了流花11-1油田B1H2井的軌跡設(shè)計(jì)，該井從B1ST1老井眼的1000m、井斜35.2°處開窗側(cè)鉆井眼，垂深1225.5m，水平位移3767.88m，井深4761.7m。設(shè)計(jì)中，由于該井與相鄰井存在碰撞隱患，因此出窗后首先調(diào)整方位，繞障成功后再連續(xù)增斜，在1000～1470m井段，設(shè)計(jì)造斜率為4.5°/30m，使用泥漿馬達(dá)1.5°彎角＋MWD鉆具組合。后續(xù)6＃井眼井段，設(shè)計(jì)理論造斜率為1.5°/30m，工具選擇旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向PDX5鉆具組合，目的是減小摩阻，確保所鉆井眼軌跡平滑。

該井施工難度主要集中在6＃井眼，因此重點(diǎn)對其做了較詳細(xì)的摩阻扭矩及水力學(xué)分析。實(shí)際結(jié)果表明，在正常鉆至完鉆井深時(shí)，底部鉆具組合BHA未發(fā)生彎曲和屈曲，上部鉆具組合最大軸向載荷也小于其軸向屈服強(qiáng)度值的60%。同時(shí)其受到的最大扭矩值也低于鉆柱額定上扣扭矩值。起鉆過程中，出現(xiàn)鉆柱遇阻，井口鉆柱及鉆桿頂部應(yīng)力未超過最小屈服強(qiáng)度值的60%；倒劃眼時(shí)上部鉆柱產(chǎn)生側(cè)向力小于2klbf/30ft，對套管磨損較輕；起下鉆時(shí)，模擬套管和裸眼井段中不同摩阻系數(shù)的鉤載。綜合分析得知，起鉆時(shí)最大鉤載小于鉆機(jī)額定提升能力，下鉆時(shí)可以安全順利到井底。

7 結(jié)論

在大位移水平井眼軌道設(shè)計(jì)過程中，要根據(jù)平均井眼摩阻系數(shù)優(yōu)化計(jì)算大位移井軌道的穩(wěn)斜角，并在條件允許前提下，遵循“宜深不宜淺”設(shè)計(jì)原則。通過不同軌跡優(yōu)化對比，優(yōu)選出了“圓弧－雙增剖面”為大位移井軌道設(shè)計(jì)的首選剖面。