頁巖氣威遠區塊軌道整體優化新思路

王 能，徐新華，李若飛

（1.大慶鉆井工程技術研究院，黑龍江 大慶 163413；2.渤海鉆探定向井技術服務公司，天津 300450）

頁巖氣水平井鉆井主要采用批鉆井的施工模式進行開發，主要面臨地面制約條件多、地層復雜、鄰井防碰風險高、井眼軌跡控制困難等諸多難題。因此，頁巖氣水平井鉆井需要解決的關鍵技術不只是簡單的井眼軌跡設計，而是需要結合現場施工難點，將現場施工難點結合到設計里，確定合理的井身剖面參數。本文將現場施工中面臨的一些技術難點和原始設計結合后，對軌跡進行二次優化，新的思路對頁巖氣安全高效鉆井具有重要指導意義。新的軌道優化思路在204HXX平臺進行了應用，有效降低了直井段防碰難度，提高了機械鉆速，實現了小井距叢式水平井井眼軌跡的高效控制。

本文以204HXX 平臺4 口井的設計對比來簡單介紹具體優化思路。

1 204HXX平臺待鉆井基本情況介紹

204HXX 平臺共有4 口待鉆井，均為三維水平井，所有待鉆井的排列關系見圖1，待鉆井的原始設計見圖2。

圖1 待鉆井口排列關系

圖2 204HXX平臺原始井身剖面設計

2 原始設計在現場施工中存在的難點

該井組井口槽間距比較小，上部井段防碰問題突出。不僅如此，該井組所有定向井均為大位移水平井。其中，入靶點處垂深約為3610.0m、水平位移約為500.0m；端靶點垂深約3670.0m、水平位移約為2500.0m；水 平 段 井 斜 角 約88.1° ～88.3° 、長 度2000.0m。下部井段施工難度也比較大，應重點考慮摩阻扭矩問題，其次是水平段井眼高效攜巖問題，避免形成巖屑床。原始設計在現場施工存在一些難點：

（1）頁巖氣區塊地處山地，環境復雜，井場面積受限，大部分為小井距三維叢式水平井。本區塊4口井從待鉆井口排列關系圖中可以看出，1井和2井最近防碰距離5.07m，最小分離系數0.955。3井和4井最近防碰距離5.05m，最小分離系數1.145。頁巖氣地區由于上部地層傾角大，加壓快速鉆進易起井斜，直井段的防碰壓力特別大，需加密測斜，控制鉆進參數，花費大量精力在防碰工作上，嚴重影響鉆進速度。同時4口井的造斜點分別為1200m/1340m/1050m/1000m，造斜點過低，防碰井段偏長。

（2）三口井在穩斜段采取了6°/4.5°/8°度穩斜，穩斜段長度分別為1870.47m/1742.49m/2006.63m。在實際施工過程中，大段穩斜段鉆進的井斜角小于15°時，方位難以控制，井斜角在大于15°時，才能有效地控制住井斜角和方位，原始設計軌跡控制難度較大。

（3）4口井原始設計在二次造斜段均采用了邊增斜邊扭方位的施工方案，入窗時才將方位擺正，增加了軌跡控制的難度，且后期旋導施工過程中，中曲率半徑水平井井斜角增加較快，邊造斜邊扭方位增加了施工難度，每柱都需發指令調整工具面，嚴重影響鉆進效率。

（4）入窗點的狗腿偏高，增加了入窗難度，且對后期水平段施工中摩阻，扭矩，井眼清潔有一定影響。

3 優化軌跡方案

一口水平井的總設計原則，能保證實現鉆井目的，滿足采油工藝及修井作業的要求，有利于安全、優質、快速鉆井。選擇合適的井眼形狀，復雜的井眼形狀，勢必帶來施工難度的增加，因此，井眼形狀的選擇，越簡單越好。選擇合適的井眼曲率，考慮工具造斜能力的限制和鉆具剛性的限制，結合地層的影響，滿足設計和施工要求的前提下，盡量選擇比較低的造斜率，保證鉆具、儀器和套管能順利通過。選擇合適的造斜點，充分考慮到地層的穩定性和可鉆性的限制，盡量把造斜點選擇在穩定、均勻的硬地層，避開軟硬夾層、巖石破碎帶、漏失地層、流砂層、易膨脹或易坍塌的地段，以免出現井下復雜情況，影響定向施工。選擇合適的穩斜段井斜角和入窗井斜角，井斜角的大小，直接影響軌跡的控制。井斜角太小時，方位不好控制，而井斜角太大時，施工難度卻又增加，因此穩斜段的井斜角和入靶井斜角的選擇，應該滿足軌跡控制的需要。

為了降低鉆井風險和提高鉆井速度，同時結合頁巖氣區塊的特殊性，上部井段重點考慮井眼防碰問題，其次是大尺寸井眼定向鉆進、水平段摩阻扭矩、高效攜巖及安全下套管等問題，需要對軌道設計方案進行整體優化。

3.1 軌道類型設計方案

該井組各定向井均為三維水平井，在原始設計中選擇了雙增式軌道設計方案，其基本組成為“直井段—增斜段—穩斜段—增斜扭方位段—穩斜段”。優化設計中，我們選擇了能夠有效降低水平段摩阻扭矩的雙二維水平井設計方法，其基本組成為“直井段—增斜段—穩斜段—降斜段—直井段—增斜段—穩斜段”。

調整后的軌跡見圖3。

圖3 204HXX平臺優化井身剖面設計

3.2 選擇第一造斜段的造斜點及造斜率

選擇第一造斜段的造斜點應綜合考慮地層特性、上部地層井斜情況及直井段防碰安全距離要求。該井組導管下深為50.0m，表套下深為950m 左右。根據鄰井鉆探資料及區域資料分析，204HXX 平臺地層具有厚層泥巖、頁巖，易發生垮塌，可能鉆遇漏層和超壓層。但是該井組各定向井均為大位移水平井，在上述復雜地層以下才開始定向造斜是不現實的。優選造斜點有利于上部井段防碰和減少復雜地層中定向段長度。此外，考慮上部地層井斜及直井段防碰安全距離要求。此外，考慮上部地層井斜及直井段防碰安全距離要求，推薦第一造斜點深度范圍為1000～1050.0m，鄰井造斜點應相互錯開50m左右。

此外，考慮到十二寸二井眼中鉆具造斜率不高，定向鉆井速度也較低，第一造斜段的設計造斜率過高或過低都不合適。據鄰井鉆井資料，十二寸二井眼受鉆井液排量限制，滑動鉆進時攜巖問題突出，需要頻繁劃眼而影響了鉆進速度；為了提高攜巖效率和鉆井速度，需要減少滑動鉆進井段的比例，增加復合鉆進井段的比例，使得第一造斜段的平均造斜率僅2°～3°/30m左右。因此，該井組第一造斜段的設計造斜率不宜太高，合適的造斜率范圍為2.0°～3.0°/30m（建議取1.8°～2°/30m）。

3.3 選擇第二造斜段的造斜點及造斜率

對于雙二維水平井來說，目標點及水平段參數均為已知條件，當第一段軌跡的水平位移確定后，第二段軌跡就不能再同時限定第二造斜段的造斜點和造斜率了，只能給定第二造斜段的造斜率或造斜點，利用軌道設計公式求出第二造斜段的造斜點或造斜率。

對于該井組井身結構優化設計方案，考慮到地層信息以及套管下深，所有井的第二造斜點均選擇在位于8-1/2″井眼龍馬溪地層（垂深3180m），實鉆過程中可以根據地層埋藏深度對第二造斜點適當進行微調。

4 二次設計的優點

（1）在雙二維水平井設計中，只需確定第一造斜段的水平位移，造斜點以及造斜率均可根據現場情況靈活掌握。如一開上直段地質條件允許，可以將造斜點上提至井口附近，從而在直井段增大了鄰井間距，大幅度減少上部直井段防碰風險。當防碰距離安全后，現場施工過程中即可增大鉆進參數，一定程度上也可增加機械鉆速。本區塊調整后將1 井初始造斜點上提150m，2井初始造斜點上提300m。

（2）雙二維水平井在每個鉛垂面內，軌跡只有井斜變化而幾乎沒有方位變化，井眼軌跡控制難度大大減小；進入第二鉛垂面時，軌跡的井斜角很小，近乎于直井，現場施工時，不用考慮扭方位，只用強力增斜即可，避免了常規三維水平井的大幅度扭方位作業。降低了對旋導設備增斜率的要求，同時減少了測斜和調整儀器工具面的次數，可大幅度節省時效。

（3）優化設計中將4 口井的穩斜段井斜從6°/4.5°/8°/15°調整為15°/12°/15°/21°，大大降低了現場施工過程中穩斜段井眼軌跡的控制難度，減少穩斜段軌跡調整次數，增加機械鉆速。

（4）4 口井入窗時的造斜率分別從5/5/5.5/4.8 降低到4.6/4.7/5.4/3.8，即降低了對旋導設備造斜率的要求，又減少了造斜段工作量以及入窗難度。造斜率的降低和雙二維井眼軌跡類型的選擇，都能夠有效降低水平段鉆柱摩阻扭矩，既降低了鉆井施工難度，又提高了機械鉆速。以XX-1 井為例，將兩種軌跡數據輸入Wellplan 軟件，模擬分析不同軌道設計的摩阻扭矩。具體對比見圖4。

圖4 摩阻扭矩對比

5 現場中的應用

204HXX-2 井按照優化設計的思路進行施工，將造斜點上提至1000m，將上直段的防碰系數從1.146增加至1.682，降低上直段防碰風險。在防碰距離達到安全距離后，現場采用激進參數鉆進，增加鉆壓，機械鉆速比鄰井同井段相比，提高12%。穩斜段最大井斜14.26°，1899.97m開始降斜，最小井斜降至1.05°。減少了后期扭方位的工作量。鉆進過程中，扭矩與臨井同井段對比小1～1.5kN·m。

6 結論

（1）根據頁巖氣區塊鉆井現場反饋的一些經驗，指出現有的井眼軌跡中存在的一些問題。從鄰眼防碰風險、穩斜段軌跡控制、機械鉆速和入窗難度等四個方面探討了優化設計的必要性。

（2）指出了雙二維水平井相比三維水平井在現場施工中的優點，其軌跡在每個鉛垂面內只有井斜變化沒有方位變化，施工難度大大降低，且有利于提高時效，降低鉆井成本。

（3）鑒于頁巖氣區塊地質條件的特殊性，很多井的造斜點以上的垂深不夠，靶前位移小，側向位移大，無法對每口井均采取雙二維水平井的優化思路。