葡北油田三維大斜度平行斷層近水平井軌道優化設計技術研究

李 杉，常 雷，王洪英，楊麗晶，趙英楠，張仲智

（大慶油田有限責任公司采油工程研究院，黑龍江大慶163453）

1 概述

葡北油田三斷塊位于松遼盆地中央凹陷大慶長垣二級構造帶南部的三級構造帶葡萄花構造中部。葡北油田三斷塊經過三十多年的注水開發，目前雖已進入特高含水開發階段，但該區仍存在大量的剩余油，其中斷層邊部一個井距內剩余油儲量占該區剩余油總儲量的14.66%。為了最大限度挖掘斷層邊部剩余油，根據精細地質和剩余油研究成果，在斷層邊部設計了大斜度平行斷層定向井，定向井在斷層邊部以一定的井斜角度平行斷層面，井軌跡從上到下貫穿整個葡萄花油層，預測平均單井鉆遇視砂巖厚度116.4m，有效厚度94.8m，對應垂直砂巖厚度12.0m，有效厚度9.5m。由于設計井平行于斷層邊部且入靶井斜角較大，最大達到86.86°，將該類井定義為大斜度平行斷層近水平井。

2 大斜度平行斷層近水平井鉆井難點分析

大斜度平行斷層井近水平井鉆井設計和現場施工不同于常規定向井鉆井技術，存在井眼軌道設計優化難度大、扭矩和摩阻大以及井眼易垮塌等技術難點。

2.1 井眼軌道設計優化難度大

為了實現葡北油田平行斷層的大斜度高效井的地質目的，既要平行于斷層又要達到多穿層及指定目標靶點，設計難度非常大；由于井斜角較大，最大達到86.86°，用常規定向井模型很難實現，也無法同時通過接近水平的各個目標靶點；根據開發需要兼顧上部油層，既要實現地質目的，又要滿足現場鉆井工程的施工要求；為了平行斷層，設計井井眼軌道必須在目的層中扭方位，目的層扭方位最大達到16.15°，給施工帶來困難。

2.2 扭矩和摩阻大

大斜度井井下工具在重力作用下依附于井壁下沿，隨著井深的增加會出現嚴重的摩擦問題，出現大的扭矩和阻力。

通過對常規定向井（井斜角30°）與大斜度井（井斜角70°）摩阻扭矩分析，得出井斜角70°時起鉆摩阻是井斜角30°時的3.07倍，下鉆2.20倍，滑動鉆進2.58倍；井斜角70°時旋轉鉆進鉆壓5t時是井斜角30°時地面扭矩的1.94倍，10t時是1.75倍。所以大斜度井的摩阻扭矩與常規定向井相比均大幅度增長，施工難度加大。大斜度平行斷層近水平井井眼軌道更加復雜，井眼摩阻扭矩大幅增大。見表1。

2.3 井眼易垮塌

大斜度井斜井段較長，施工周期較長，要求鉆井液對泥巖抑制性好；防止井眼縮徑、剝落、坍塌；攜巖能力好并滿足長時間浸泡要求，所以要求高性能的鉆井液體系。另外平行斷層井，井眼軌跡距離斷層較近，易發生井漏。

表1 常規定向井與大斜度井不同工況下摩阻扭矩分析

2.4 易形成巖屑床，增加卡鉆風險

大斜度井鉆井中非常容易產生巖屑床，特別是在45°～60°井段。巖屑床一旦產生，嚴重影響大斜度井鉆井施工，所以要通過加大洗井液排量、保持均勻環空流速等措施高質量洗井，起鉆前要對鉆井液進行多次循環，并短程起下鉆和分段循環，保證井眼清潔。

3 大斜度井軌道優化設計技術

在大斜度近水平井井眼軌道設計中，采用合理軌道參數和剖面類型可有效評價不同工況下鉆具延伸能力，利于指導現場施工，能為鉆機選型、鉆井液類型、鉆井方式以及下套管方式選擇等提供參考。

3.1 基本要求

（1）軌跡設計必須滿足地質靶點、中靶方位以及現場施工條件（如鉆機型號、定向儀器等）要求。

（2）井眼軌跡幾何形狀最優化：首先須滿足常規導向鉆具組合造斜率的要求；其次要求設計井眼軌道最短，管柱的摩擦阻力相對最小；再次要求軌跡光滑過渡和井眼曲率均勻。

3.2 應用實例及效果分析

葡北油田P82-S742大斜度平行斷層近水平井設計參數如下：靶點垂深、靶點閉合距、閉合方位、距斷層距離等參數見表2。

表2 P82-S742井軌道參數設計表

圖1 P82-S742井軌跡剖面圖和平面圖示意圖

從表2及圖1可以看出，為了實現葡北油田的大斜度平行斷層近水平井的地質開發目的，設計軌道既要達到多穿層及指定目標靶點，又要平行于斷層在目的層井段需要扭方位，設計難度非常大。

3.2.1 軌道設計方法對比分析

根據地質地層特點及現場施工要求選擇3種不同剖面軌道設計，設計結果見表3。

分別對3種不同剖面設計軌道進行了摩阻扭矩分析，3種不同剖面設計軌道摩阻扭矩對比分析結果見表4。

表3 3種不同剖面設計軌道分段數據結果表

表4 不同剖面設計軌道摩阻扭矩對比結果

從表3可以看出，水平井增穩增增模型設計井眼軌道最短，單圓弧次之，二維三段制模型設計軌道最長；從表4可以看出，3種不同軌道各項摩擦阻力值：二維三段制模型＞水平井增穩增增模型≈單圓弧模型，水平井增穩增增模型和單圓弧模型摩擦阻力值均較小且相差不大。將設計軌道調入砂體模型進行反演擬合，水平井增穩增增模型很好地中靶和鉆遇砂體，同時結合葡北油田大斜度井開發特點，為實現現場定向施工及安全快速找準目的層，宜采取水平井增穩增增模型進行設計。

經過反復設計，完成了葡北油田P82-S742、P83-S742、P74-S772三口大斜度近水平井設計，為地質合理中靶和大斜度井鉆井順利施工奠定了基礎。

4 結論

（1）根據葡北油田大斜度井地質參數和現場實際鉆井特點，通過對軌道關鍵設計參數、軌道剖面類型進行優化，形成了該地區大斜度近水平井軌道優化設計技術。

（2）軌道優化技術應用于葡北油田多口井的設計當中，取得了良好的設計效果。