“井工廠”水平井組勺形井眼軌道設(shè)計(jì)方法研究

楊振中，李杰，張恒，劉思格，趙江林，謝鵬，黨文輝

1.中國(guó)石油新疆油田分公司瑪湖勘探開發(fā)項(xiàng)目部，新疆 克拉瑪依 834000 2.中國(guó)石油新疆油田分公司百口泉采油廠，新疆 克拉瑪依 834000 3.中國(guó)石油新疆油田分公司工程技術(shù)研究院，新疆 克拉瑪依 834000

近年來，“井工廠”或“工廠化”的鉆井作業(yè)模式越來越受到業(yè)內(nèi)重視。頁(yè)巖油氣或致密油氣藏高效開發(fā)也越來越提倡采用該作業(yè)模式進(jìn)行水平井鉆井。國(guó)外相關(guān)技術(shù)趨于成熟，而國(guó)內(nèi)尚處起步階段[1-6]。同時(shí)，為了減小死油區(qū)面積，美國(guó)巴肯地區(qū)提出勺形井眼作為“井工廠”作業(yè)軌道，它能盡可能早地進(jìn)入儲(chǔ)層，使井眼與儲(chǔ)層接觸最大化以提高致密油的采收率[7]。勺形井眼軌道在一些文獻(xiàn)中均有所提及[8-9]，但是具體的設(shè)計(jì)方法未見報(bào)道。基于前人三維井眼軌道設(shè)計(jì)理論來研究勺形井眼軌道的設(shè)計(jì)問題，探討“井工廠”水平井作業(yè)模式的井眼相碰問題，研究一套適用于“井工廠”水平井組勺形井眼軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，并以新疆吉木薩爾“井工廠”作業(yè)區(qū)為例進(jìn)行相關(guān)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用。

1 “井工廠”作業(yè)軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

1.1 勺形水平井井眼軌道

圖1 勺形井眼與常規(guī)井眼剖面對(duì)比圖Fig.1 Profile comparison between scoop horizontal well and conventional horizontal well

相比于常規(guī)井眼，勺形井眼在造斜后需要先向靶區(qū)相反方向鉆進(jìn)，再轉(zhuǎn)向靶區(qū)鉆進(jìn)，如圖1所示，在垂直剖面圖上具有一段明顯的反向視平移。勺形井眼是三維井眼軌道的一種特殊情況，其約束條件是靶前位移。靶前位移越小，反向視平移越大，也就是較小的靶前位移才能導(dǎo)致設(shè)計(jì)出井眼軌道具有反向視平移。基于前人建立的三維水平井井眼軌道設(shè)計(jì)方法[10-14]，通過優(yōu)化靶前位移來進(jìn)行勺形水平井井眼軌道設(shè)計(jì)。

1.2 設(shè)計(jì)步驟

圖2 井場(chǎng)布井方式優(yōu)化Fig.2 Oplimization of well site layout

1)確定井場(chǎng)布井?dāng)?shù)量。平臺(tái)化布井取決于油藏井網(wǎng)井距、三維水平井實(shí)施難度(偏移距等)、地面條件、鉆井周期和建產(chǎn)要求等。

2)井場(chǎng)布井方式優(yōu)選。常見的鉆井平臺(tái)井口布置方式有單排布井和雙排布井，雙排布井方式由于其井口集中、平臺(tái)占地面積小、平臺(tái)井?dāng)?shù)多，因此更有利于工廠化鉆井模式降低鉆井成本和后期的管理成本，雙排布井又分為正對(duì)和交錯(cuò)2種方式。

3)優(yōu)化靶前位移。以圖3為例，反向視平移是造斜段各點(diǎn)水平位移在設(shè)計(jì)方位上的投影距離，在其他條件都一致的情況下，靶前位移從0 m開始，每增加50 m計(jì)算一次，計(jì)算式如下：

式中：S為反向視平移，m；Smax為最大反向視平移，m；NA、EA分別為水平井入靶點(diǎn)A的北坐標(biāo)和東坐標(biāo)，m；NO、EO分別為水平井井口的北坐標(biāo)和東坐標(biāo)，m；Ni、Ei分別為水平井造斜段軌跡i點(diǎn)的北坐標(biāo)和東坐標(biāo)，m；α為井眼軌跡i點(diǎn)的閉合方位與設(shè)計(jì)方位線的夾角，(°)。

對(duì)應(yīng)的垂直剖面圖見圖4。當(dāng)靶前位移為0、50、100、150、200、250、300 m時(shí)，最大反向視平移分別為-227.17、-189.9、-152.86、-112.7、-69.64、-23.95、1.88 m。根據(jù)靶前位移與最大反向視平移的對(duì)應(yīng)情況可知，最大反向視平移隨靶前位移的增大而減小，小靶前位移會(huì)使得設(shè)計(jì)出的井眼軌道出現(xiàn)勺形段。為了盡量減小死油區(qū)面積，靶前位移應(yīng)越小越好，但是對(duì)于一口井，需要綜合多種因素進(jìn)行靶前位移的優(yōu)化。

圖3 井眼軌跡視平移與水平位移關(guān)系圖圖4 不同靶前位移的井眼軌道垂直剖面圖Fig.3 Relationship between apparent translation and Fig.4 Vertical profile of borehole trajectory with horizontal displacement of borehole trajectory different target front displacements

表1 靶區(qū)錯(cuò)開不同間距的防碰掃描結(jié)果

圖5 “井工廠”作業(yè)軌道設(shè)計(jì)流程圖Fig.5 Operation track design flowchat of“well plant”

4)造斜點(diǎn)位置優(yōu)化。以勺形井眼作為“井工廠”作業(yè)軌道時(shí)，由于在造斜點(diǎn)處開始反向鉆進(jìn)，如果不錯(cuò)開造斜點(diǎn)位置，在造斜點(diǎn)后一段井眼極易相碰，因此需要優(yōu)化鄰井造斜點(diǎn)位置，建議至少錯(cuò)開30 m。

5)靶區(qū)錯(cuò)開間距優(yōu)選。靶前位移越小，井排間的兩口鄰井相碰風(fēng)險(xiǎn)越高，特別是入靶前一段井段極易相碰。為了降低因靶前位移帶來的相碰風(fēng)險(xiǎn)，建議將井排間鄰井的靶區(qū)錯(cuò)開一定間距。以實(shí)例中的“井工廠”水平井組為例，在相同情況下，錯(cuò)開間距從0 m開始，每增加5 m進(jìn)行一次防碰掃描，結(jié)果見表1，在入靶前一段井段防碰掃描的最近距離隨著靶區(qū)錯(cuò)開間距的增大而增大。為滿足防碰要求，井排間的鄰井需錯(cuò)開10 m以上。

6)利用三維井眼軌道設(shè)計(jì)方法完成井場(chǎng)內(nèi)所有井的軌道設(shè)計(jì)。“井工廠”作業(yè)軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)的主要步驟如圖5所示。

2 設(shè)計(jì)實(shí)例

2.1 井眼軌道設(shè)計(jì)及死油區(qū)分析

以新疆昌吉致密油田“井工廠”水平井組為例，采用雙排布井，每排3口井，排間距為10 m，同排井口間距為10 m，水平段間距為300 m，設(shè)計(jì)靶前位移為385 m，水平段段長(zhǎng)為1 300 m。要求造斜點(diǎn)至少錯(cuò)開30 m，設(shè)計(jì)時(shí)采用空間五段制(以1井井眼軌道為例)，第一造斜率采用6°/30 m，第二造斜率采用5.5°/30 m，設(shè)計(jì)結(jié)果見表2和圖6。

表2 常規(guī)井眼軌道設(shè)計(jì)結(jié)果

圖6 常規(guī)三維軌道“井工廠”水平井組示意圖Fig.6 Schematic diagram of horizontal well group of conventional 3D track “well plant”

圖7 “井工廠”作業(yè)常規(guī)水平井設(shè)計(jì)軌道的“死油區(qū)”Fig.7 Bypassed oil area of design track of conventional horizontal wells operated by “well plant”

如圖7所示，設(shè)死油區(qū)的長(zhǎng)為a，寬為b，則有：

a=2ΔS+d

(1)

b=(n-1)ΔL

(2)

S=ab

(3)

式中：ΔS為每口井的靶前位移，m；n為單排的井?dāng)?shù)；ΔL為水平段間距，m；S為死油區(qū)面積，m2。

因此，計(jì)算死油區(qū)面積：

S=(2×385+10)×(3-1)×300

=468 000(m2)

利用筆者提出的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，將靶前位移改為0 m，在造斜率保持不變的前提下，重新進(jìn)行“井工廠”水平井組軌道設(shè)計(jì)，結(jié)果見表3和圖8。

如圖8所示，該勺形井眼軌道“井工廠”水平井組的死油區(qū)為排間距對(duì)應(yīng)的面積，可以忽略不計(jì)。對(duì)比常規(guī)井眼軌道與勺形井眼軌道的“井工廠”水平井組，在相同造斜率下，勺形井眼能夠?qū)星拔灰瓶s減到0 m，有效地減小了死油區(qū)面積，同時(shí)充分?jǐn)U大井眼進(jìn)入儲(chǔ)層前的空間區(qū)域，有效地避免了井眼相碰風(fēng)險(xiǎn)，在開發(fā)致密油時(shí)，能夠提高經(jīng)濟(jì)效益。

表3 勺形井眼軌道設(shè)計(jì)結(jié)果

圖8 勺形井眼軌道“井工廠”水平井組示意圖Fig.8 Schematic diagram of horizontal well group of “well plant” with spoon-shaped borehole jrajectory

2.2 鉆柱力學(xué)分析

1)鉆具組合：?152.4 mm PDC鉆頭+?120 mm彎螺桿+MWD+?101.6 mm加重鉆桿×3根+?101.6 mm無磁承壓鉆桿×1根+?101.6 mm斜坡鉆桿×170根+?101.6 mm加重鉆桿×110根+?101.6 mm斜坡鉆桿。

2)工況參數(shù)：鉆井液密度1.55 g/cm3，旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)鉆壓40 kN，滑動(dòng)鉆進(jìn)鉆壓20 kN，起下鉆速度10 m/min，鉆頭扭矩7 000 N·m。

3)管內(nèi)和管外的摩擦系數(shù)取值分別為0.25、0.30。

采用WellPlan軟件分析常規(guī)水平井和勺形水平井(以1井為例)的摩阻、扭矩情況，得到下鉆、滑動(dòng)鉆進(jìn)和旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)等不同工況下的摩阻、扭矩結(jié)果，如表4所示。數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，在正常起下鉆、鉆進(jìn)情況下，設(shè)計(jì)的勺形水平井井眼軌道較常規(guī)水平井井眼軌道摩阻增加約13%，不會(huì)影響正常的鉆井作業(yè)。

表4 摩阻扭矩結(jié)果對(duì)比表

3 應(yīng)用實(shí)例

新疆油田A區(qū)塊由于受到地面井位條件和地下井網(wǎng)條件限制，為充分動(dòng)用井口下方優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層，兩井平臺(tái)的B井采用勺形水平井剖面，利用優(yōu)化設(shè)計(jì)方法對(duì)該井井眼軌道進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 A區(qū)塊B井勺形井眼軌道設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)表

該井入靶點(diǎn)設(shè)置在井口正下方，較常規(guī)水平井增加有效水平段長(zhǎng)188 m，實(shí)鉆最大反向位移達(dá)到261 m，三開采用?311.2 mm鉆頭自2 603 m開始造斜，經(jīng)反向增斜、穩(wěn)斜、降斜、正向增斜鉆至井深3 408 m，四開采用?215.9 mm鉆頭進(jìn)行正向增斜段和水平段鉆進(jìn)，完井階段通井、下套管實(shí)際摩阻較鄰井增加10～15 kN，油層尾管一次性成功下入。該井充分利用勺形井眼，縮小靶前距，避免平臺(tái)井組下方的死油區(qū)。

4 結(jié)論及建議

1)針對(duì)“井工廠”作業(yè)平臺(tái)下方出現(xiàn)死油區(qū)的特點(diǎn)，提出了以勺形井眼水平井組軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，能顯著降低死油區(qū)面積，同時(shí)可降低水平井組井眼之間的碰撞風(fēng)險(xiǎn)。

2)在進(jìn)行勺形井眼軌道設(shè)計(jì)時(shí)，為了降低平臺(tái)下方死油區(qū)面積，在地質(zhì)和工程條件允許的情況下應(yīng)盡量縮小靶前距，并且靶前距越小，勺形井眼的反向位移越大。

3)勺形水平井的鉆完井施工更加復(fù)雜，井眼摩阻相對(duì)常規(guī)水平井井眼軌道的管柱摩阻會(huì)有所提高，在優(yōu)化設(shè)計(jì)階段要對(duì)施工過程進(jìn)行充分模擬，確保施工階段不會(huì)出現(xiàn)因摩阻過大引起管柱下入困難等復(fù)雜問題。