三維水平井難度系數的界定與應用

薛讓平， 李錄科， 楊 光

(中國石油川慶鉆探工程有限公司長慶鉆井總公司)

一、三維水平井概念的確定

目前，井眼靶前距、閉合距、偏移距等各項指標參數，都被用于量化井眼軌跡或評估鉆井施工的難度[1-3]。本文引入難度系數概念，與定性地量化井眼相比，更客觀地描述井眼軌跡，作為衡量一口水平井的施工難易程度。

圖1 固平24-23井閉合距、靶前距、偏移距等參數示意圖

1.靶前距

三維水平井井口到入窗點的方位與水平段設計方位不在同一條線上，閉合距比視平移值大，此時靶前距到底是閉合距還是視平移，到目前為止，沒有明確的定論和行業標準。為了將閉合距靶前距與視平移靶前距概念進行區分，將靶點處的視平移稱作靶前距，也叫有效靶前距。

1.1 視平移

井口到入窗點的垂直距離，即圖1中線段AD長度。

1.2 靶前位移

井口鉛垂線到入窗點連線的距離，或者靶點在水平面上的投影與井口之間的連線長度，即靶點處的閉合距。圖1中線段OA長度。

垂直靶前距與有效靶前距都影響整體斜井段狗腿度和施工難度。

2.偏移距

井口所在鉛垂線到水平段設計方位延長線的垂直距離，圖1中線段OD長度。

3.最大位移

垂直靶前距與水平段長度之和，反映井眼最后一點與井口鉛垂線之間的距離在設計方位線上的投影，即為井眼最后一點的視平移，圖1中線段AD長度+水平段長度。

二、數據的確定與分析

1.偏移比系數

偏移距與垂直靶前距的比值，這一數值越趨近與1，需要消除的偏移距施工量越大，也越難施工。

K1=PL/DL

(1)

式中：PL—偏移距，m；DL—垂直靶前距，m；K1—偏移比系數。

2.偏垂比系數

偏移距與有效垂深的比值,目的層越淺，穩斜段越少[4-5]，用于消除偏移距的井段越少，該值越大，所需要的施工量和難度也會越大。

K2=PL/(TVD-D1)×10

(2)

式中：PL—偏移距，m；TVD—垂深，m；D1—表層井深，m；K2—偏垂比系數。

3.位垂比

最大位移與有效垂深的比值。

K3=V/TVDX

(3)

式中：V—最大位移(靶前距+水平段長度)，m；TVDX—有效垂深(靶點垂深-表層深度)，m；K3—位垂比系數。

4.糾偏難度系數

由于偏移距的存在，需要控制段越長井斜越大施工難度越大[3]。為增加穩斜段井斜對于該值的影響程度，使用穩斜段井斜平方做為加權，糾偏難度系數為：

K4=(WL×INC2/90)/100

(4)

式中：WL—穩斜段長度，m；INC—穩斜段最大井斜角，°；K4—糾偏難度系數。

三、不同比例系數的應用

以固平24-23井為例，該井設計垂深1 721 m，偏移距335 m，有效靶前距545 m，造斜點300 m。具體比例系數見表1。

表1 固平24-23井比例系數

1. 偏移比系數應用

按照原設計方案需要在400～1 400 m之間以18°井斜穩斜施工1 000 m井段，以消除部分偏移距，該方案在1 440 m處已經出現了12.67 m的負位移，如果同樣偏移距情況下靶前距減小，偏移比系數值大于1的情況下，就需要更大的負位移以確保斜井段施工[6-8]，這樣一方面造成摩阻扭矩大幅度增加，另一方面對于井組防碰極為不利[9-12]。垂直靶前距233 m，偏移距261 m，由式(1)得偏移比系數1.12，該井需要151 m的負位移來確保斜井段施工，后期施工摩阻達到22 t，相比同區塊其他井增加10 t。修改后的設計方案見表2。

表2 固平24-23井修改后設計方案

2.偏垂比系數應用

由表1看出，固平24-23垂深1 721 m，有效垂深1 521 m，偏移距335 m，偏垂比2.20，穩斜段以18°井斜穩斜施工1 000 m井段，然后在30°之前消除完偏移距使方位對準靶心方位，如果偏移比系數值大于3，如表3，則需要以30°井斜進行穩斜消偏施工，大井斜穩斜段占斜井段總長度50%，該井斜區間處于斜井段第二清洗區[13]，該區域為巖屑運移最難區域，造成大段巖屑堆積，同時由于后期扭方位井斜過大，施工難度同時加大[14-15]。

表3 偏垂比系數在設計方案中的應用

3. 糾偏難度系數應用

從表3得出，如果該井偏垂比為3.05則穩斜所需井斜達29.98度，穩斜段長505 m，由式(4)可得糾偏難度系數為5.04，由此得出結論，糾偏難度系數大于5的三維水平井施工困難。

4. 位垂比系數應用

摩阻力公式：

M=μ·N·D/2

(5)

式中：M—總的摩阻力，kN；μ—摩擦系數；N—總的正壓力,kN；D—管柱的外徑,mm。

由式(5)可知，在同一井眼中管柱外徑一定，位移越大，總的正壓力越大，水平段越長，摩擦系數越大，即位移越大，總的摩阻扭矩值越大[16-17]。不同偏移距、靶前距摩阻扭矩數值見表4。

表4 扭矩摩阻統計分析

表5 新鉆桿的強度數據

通過統計數據，可以看出當位垂比的值超過0.8，鉆進中最大摩阻達到30 t，最大扭矩達到23.8 kN·m，即將達到施工允許最大值，參照表5如果繼續增大將會嚴重影響滑動施工效率和機械鉆速，甚至可能超過鉆桿允許抗扭屈服強度引起井下鉆具事故。

四、結論

(1)三維水平井的偏移比系數值大于1，即偏移距長度超過垂直靶前距的長度時，在施工中需要在直井段產生較大的負位移，對井組防碰和降低摩阻扭矩不利，應該在設計中避免此類井的出現。

(2)偏垂比系數值盡量控制在小于等于3，同時糾偏難度系數控制在小于等于5的范圍內，以避免在穩斜消偏過程中，穩斜最大井斜角過大造成后期扭方位施工困難。

(3)位垂比系數值越接近1，施工過程中摩阻扭矩值越大，位移過大的井需要進行井眼軌跡優化，除考慮最大限度減小扭矩和摩阻為依據外，還需進行現場施工可行分析。