頁巖氣井眼剖面設計技術研究

劉建彬

摘要：合理的軌道設計是長水平段水平井取得成功的關鍵，井眼剖面在保證不超過鉆柱扭矩極限的情形下，還需要滿足盡量增大水平延伸距離，降低摩阻扭矩，提高鉆柱和測量工具的通過能力。鉆井摩阻除了在施工中采取一些技術措施能夠有效控制或在一定范圍內有所降低外，設計低摩阻井眼軌道是非常重要的手段。在設計井眼軌道時，應用摩阻預測技術計算算各種類型井眼軌道的摩阻，選擇出低摩阻井眼軌道，同時為鉆機、鉆井液類型以及下套管方式的選擇等提供依據，為現場施工提供參考。

關鍵詞：頁巖氣;井眼軌跡;

1 剖面設計原則

涪陵頁巖氣水平井水平段長度達到1500～2200米，長水平段水平井施工的最大困難，即管柱在井內的摩阻和扭矩過高。減少長水平段水平井摩阻扭矩的方式有很多，首先要從井眼軌道設計入手，設計出摩阻扭矩最小的井眼軌道是長水平段摩阻扭矩控制技術的關鍵之一，因此長水平段水平井剖面設計的基本原則就在于降低摩阻和扭矩。

2 剖面類型優選

2.1 常用剖面類型

水平井軌道的基本形狀有兩類，一類是單增軌道，由“直一增一平”三段組成，增斜段有圓弧形（恒曲率），也有懸鏈線等（變曲率）形狀。另一類是雙增軌道，由“直一增一穩一增一平”五段組成，兩次增斜段都是圓弧形。單增軌道多用于對目標層位和造斜率掌握較準確的情況下，雙增軌道則多用于地質不確定性較高和對造斜率預計不準確的情況下。

2.2 涪陵頁巖氣水平井所選用的剖面類型

涪陵頁巖氣水平井所選用的剖面基礎類型為“直-增-穩-增-水平”五段制剖面，但由于穩斜井段很長，在鉆進過程中，往往出現“穩不住”的情況，因此將穩斜段設計成“微增穩斜軌道”，剖面類型優化為“直-增-微增-增-水平”剖面。在此基礎上，根據該地區地質特點、工程特點，將二開井段設計為“先低后高”的變曲率剖面，三開井段設計為“先高后低”的變曲率剖面。

2.3 優化剖面的優勢

二開井段采用“先低后高”的變曲率剖面能夠降低最大側向力、降低井下摩阻扭矩，提高鉆柱通過能力和水平段延伸能力，保證井下鉆具安全。

三開采用采用“先高后低”的變曲率井眼剖面能夠很好的應對定向施工中、后期設計靶點的臨時調整，避免井眼軌跡的大幅度變化，保證井眼軌跡平滑。

3 剖面參數設計原則

3.1造斜點

造斜點越淺、斜井段越長，則拉力、扭矩增大，控制井段加長，容易形成鍵槽，井眼軌跡控制困難;滑動鉆進摩阻在穩斜角不變的情況下隨造斜點的提高而增加。在水平位移很大的情況下，就要選擇合適的曲線類型，使造斜點盡量的深，以加長直井段、縮短斜井段，使鉆進和下套管時具有較大的推動力。

3.2造斜率

造斜率和造斜率變化率的減小，曲線更趨平滑，則拉力、扭矩、摩阻減小，造斜率一定要盡量小并且要保證造斜率的穩定。

保證所設計的造斜率達到要求是井眼軌跡控制的關鍵。如果造斜段造斜率難以達到設計要求（低于設計值），一旦出現突發情況，會造成后面施工非常被動。因此造斜段可考慮使用理論造斜率略大的螺桿鉆具，一般會選擇工具的造斜能力比設計造斜率高 20～30%。

3.3 穩斜角

旋轉扭矩、起下鉆摩阻隨穩斜角的增大而減小;滑動鉆進摩阻隨穩斜角的增大而增加。在最佳穩斜角的條件下，應使斜井段長度最短。斜井段越短，摩阻、扭矩越小。在穩斜角相同時，穩斜段越短，摩阻和扭矩越小。

4 剖面設計

通過摩阻扭矩計算分析，一口井中側向力最大的井段主要在造斜點以下100m左右的井段。而側向力越大，摩阻扭矩就越大，同時對鉆柱及套管的磨損和破壞也越大，并且鉆柱、套管發生屈曲破壞、斷裂基本上也全在造斜點附近側向力最大的井段。因此，一定要盡可能減小側向力。而減小側向力的方法，除了鉆具尺寸、鉆井參數、井眼質量等因素外，最主要的就是井眼剖面的優化：在定向剛開始的100m左右，以較低的造斜率定向施工，以減小井斜方位的突然變化率，在井斜達到15～20°以后，再恢復到原設計造斜率施工，這樣可以有效降低最大側向力，降低摩阻扭矩。

復合鉆進狀態比滑動定向鉆進狀態相比有顯著優點：減少摩阻，易加鉆壓;破壞巖屑床，清潔井眼;提高井眼質量，特別是能夠大幅度提高機械鉆速，因此可考慮通過復合鉆進行輔助增斜。二維井中，改變定向鉆具組合，去掉欠尺寸扶正器（平均復合增斜率0.06～0.1°/m）;三維井中，在長穩斜段采用微增鉆具組合（平均復合增斜率0.01～0.02°/m）。通過復合鉆輔助增斜，增加復合鉆進尺，減少定向進尺，提高φ311.2mm大井眼定向速度。并且采用少定向、多打復合鉆的方式也進一步保證了井眼軌跡的平滑，確保中完電測及技術套管的順利下入。

5 結論

1、二維井剖面：剖面類型選為單圓弧剖面（直-增-水平），定向至井斜20～30°，采用復合鉆增斜（造斜率0.06～0.1°/m）直到中完（50～55°）。

2、三維井剖面：剖面類型選為五段制剖面（直-增-微增-增-水平），定向至井斜25°左右，復合鉆600～1400m，井斜微增到35～40°（造斜率0.01～0.02°/m），定向扭連線方位，然后復合鉆微增斜直到中完（50～55°）。

3、優化后的井眼剖面，非常適合于涪陵地區水平井的特點，在提高定向機械鉆速的同時，能有效降低全井摩阻和扭矩，在現場應用取得非常好的效果。