川東北河壩區(qū)塊大斜度井軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)

摘 要

摘要：中國石油化工股份有限公司川東北河壩區(qū)塊大斜度定向井，在不同工況作業(yè)(如正常、滑動(dòng)鉆進(jìn)、起下鉆等)過程中都存在著造斜段軌跡控制難度大、施工摩擦阻力大等難題。為此，從
摘要：中國石油化工股份有限公司川東北河壩區(qū)塊大斜度定向井，在不同工況作業(yè)(如正常、滑動(dòng)鉆進(jìn)、起下鉆等)過程中都存在著造斜段軌跡控制難度大、施工摩擦阻力大等難題。為此，從井眼軌道設(shè)計(jì)入手，在系統(tǒng)分析常用軌道設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上，得出除了查圖法和作圖法外，一般應(yīng)采用解析法進(jìn)行設(shè)計(jì)的認(rèn)識(shí)，設(shè)計(jì)思路：首先根據(jù)給定設(shè)計(jì)條件求出不同軌跡關(guān)鍵參數(shù)，然后求出軌道節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，最后求出軌道分點(diǎn)數(shù)據(jù)。結(jié)合該區(qū)塊大斜度定向井的特點(diǎn)，對(duì)軌道設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵參數(shù)、軌道剖面類型等進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化設(shè)計(jì)原則：①軌跡設(shè)計(jì)必須滿足地質(zhì)靶點(diǎn)、中靶方位以及現(xiàn)場施工條件(如鉆機(jī)型號(hào)、定向儀器等)的要求；②井眼軌跡幾何形狀最優(yōu)化設(shè)計(jì)首先須滿足常規(guī)導(dǎo)向鉆具組合造斜率的要求、特定套管柱和井眼軌跡的相互適應(yīng)性，其次要求軌跡最短、管柱的摩擦阻力相對(duì)最小，最后要求軌跡光滑過渡和井眼曲率均勻。優(yōu)化設(shè)計(jì)的步驟：先根據(jù)地質(zhì)參數(shù)(如靶點(diǎn)垂深、水平位移等)和工藝水平(如定向工具型號(hào)、性能等)，對(duì)造斜點(diǎn)以下井段進(jìn)行鉆井方式和鉆具組合設(shè)計(jì)，然后才能對(duì)大斜度井井眼軌道進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。將所形成的大斜度定向井軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)成果應(yīng)用于HB1-1D等多口大斜度井鉆井設(shè)計(jì)和施工作業(yè)中，均順利實(shí)現(xiàn)了地質(zhì)中靶和完井作業(yè)，為該區(qū)塊后續(xù)部署井的軌道設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。
關(guān)鍵詞：四川盆地東北部；河壩區(qū)塊；大斜度井；軌跡控制；摩擦阻力；扭矩；軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)；鉆具組合設(shè)計(jì)
    大斜度定向井是解決井位部署難題和提高油氣單井產(chǎn)能的一種新井型。近年來，中國石油化工股份有限公司為了加快四川盆地東北部河壩區(qū)塊勘探開發(fā)進(jìn)程，針對(duì)山區(qū)地貌部署了一批以下三疊統(tǒng)嘉陵江組嘉二段和飛仙關(guān)組飛三段為目的層的大斜度定向井，大都具有鉆遇多套陸海相地層、井深逾5000m，鉆井液密度逾2.0g/cm3、造斜點(diǎn)深度逾4000m，水平位移逾1500m等特點(diǎn)，其中上部陸相地層傾角大、易井斜，軌跡控制難度大；地層呈不整合接觸，漏層多、位置不確定，地層承壓能力低；下部海相地層屬于高壓地層、嘉五段一嘉四段鹽膏層發(fā)育，存在縮徑現(xiàn)象[1]且大都處于造斜井段，進(jìn)一步增加了不同工況作業(yè)(如正常、滑動(dòng)鉆進(jìn)、起下鉆等)過程中造斜段軌跡控制的難度。為此，從井眼軌道設(shè)計(jì)入手，在系統(tǒng)分析常用軌道設(shè)計(jì)方法上[2～6]，結(jié)合河壩區(qū)塊大斜度定向井特點(diǎn)，對(duì)軌道設(shè)計(jì)中關(guān)鍵參數(shù)、軌道剖面類型等進(jìn)行優(yōu)化，形成了該區(qū)大斜度井軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)，并成功應(yīng)用于HB1-1D等多口大斜度井鉆井設(shè)計(jì)和施工中。
1 軌道設(shè)計(jì)方法對(duì)比分析
1.1 基本數(shù)據(jù)
    設(shè)計(jì)井眼軌道通常由4部分組成：oa段——直井段，ab——圓弧過渡段，bc段——特殊曲線井段(圓弧、懸鏈線或擬懸鏈線等)，cd段——穩(wěn)斜井段(如圖1所示)。主要參數(shù)有：①靶點(diǎn)垂深Dd，水平位移Sd；②oa段：造斜點(diǎn)垂深Da，井斜角αa；③ab段：造斜率Ka或曲率半徑Ra；④cd段：穩(wěn)斜角αc、穩(wěn)斜段長度Lw等[3]。

1.2 設(shè)計(jì)方法
    當(dāng)前，定向井井眼軌道設(shè)計(jì)有常規(guī)(直線和圓弧)和非常規(guī)(直線、圓弧和某種特殊曲線)兩大類，主要有圓弧、擺線、懸鏈線、擬懸鏈線、側(cè)位懸鏈線、側(cè)位拋物線及修正懸鏈線等設(shè)計(jì)方法?？傮w上說，井眼軌道都具有垂直段、造斜段和穩(wěn)斜段三段共性，其主要區(qū)別在于各種設(shè)計(jì)方法在造斜段采用不同的設(shè)計(jì)曲線形狀。筆者對(duì)近年廣泛采用圓弧、懸鏈線以及側(cè)位懸鏈線軌道設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了歸一分析，得出除了查圖法和作圖法外，一般采用解析法進(jìn)行設(shè)計(jì)的認(rèn)識(shí)，其設(shè)計(jì)步驟是：首先根據(jù)給定設(shè)計(jì)條件求出不同軌跡關(guān)鍵參數(shù)，然后求出軌道節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，最后求出軌道分點(diǎn)數(shù)據(jù)。
1.2.1圓弧軌道(b、c點(diǎn)為同一圓弧段上兩點(diǎn))
    1) 關(guān)鍵參數(shù)αc和Lw
   
2) 節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)
 
3) 分點(diǎn)數(shù)據(jù)
 
1.2.2懸鏈線軌道(b點(diǎn)為圓弧終點(diǎn)，c點(diǎn)為懸鏈線終點(diǎn))
1.2.2.1 關(guān)鍵參數(shù)αb和Lbc
 
1.2.2.2 節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)
 
1.2.2.3 分點(diǎn)數(shù)據(jù)
 
1.2.3側(cè)位懸鏈線軌道(b、c點(diǎn)為同一側(cè)位懸鏈線上兩點(diǎn))
1.2.3.1 關(guān)鍵參數(shù)Lw和特征參數(shù)α
 
1.2.3.2 節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)
 
1.2.3.3 分點(diǎn)數(shù)據(jù)
 
2 大斜度井軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)
    在大斜度定向井井眼軌道設(shè)計(jì)中，采用合理軌道參數(shù)(造斜點(diǎn)、造斜率及穩(wěn)斜角等)和剖面類型可有效評(píng)價(jià)不同工況下鉆具延伸能力，利于指導(dǎo)現(xiàn)場施工，能為鉆機(jī)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[7-10]。
2.1 基本原則
    1) 軌跡設(shè)計(jì)必須滿足地質(zhì)靶點(diǎn)、中靶方位以及現(xiàn)場施工條件(如鉆機(jī)型號(hào)、定向儀器等)要求。
    2) 井眼軌跡幾何形狀最優(yōu)化：首先須滿足常規(guī)導(dǎo)向鉆具組合造斜率的要求，特定套管柱和井眼軌跡的相互適應(yīng)性；其次要求軌跡最短，管柱的摩擦阻力相對(duì)最??；再次要求軌跡光滑過渡和井眼曲率均勻。
2.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)
    首先根據(jù)地質(zhì)參數(shù)(如靶點(diǎn)垂深、水平位移等)和工藝水平(如定向工具型號(hào)、性能等)，對(duì)造斜點(diǎn)以下井段進(jìn)行鉆井方式和鉆具組合設(shè)計(jì)，然后才能對(duì)大斜度井井眼軌道進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，其主要步驟如下：
2.2.1確定合理的穩(wěn)斜角
    依據(jù)穩(wěn)斜段起始點(diǎn)處設(shè)計(jì)的鉆具組合零軸向力條件[2]，計(jì)算出穩(wěn)斜井段的最大穩(wěn)斜角αcmax，然后與穩(wěn)斜井段對(duì)應(yīng)的臨界穩(wěn)斜角αk=tan-1(1/μ)進(jìn)行對(duì)比，若αcmax＜αk則設(shè)計(jì)鉆具組合滿足滑動(dòng)定向鉆進(jìn)要求，此時(shí)最大穩(wěn)斜角αcmax即為確定合理的穩(wěn)斜角；若αcmax＜αk則需對(duì)鉆具組合重新設(shè)計(jì)。
2.2.2不同剖面軌道設(shè)計(jì)
    在確定合理的穩(wěn)斜角上，利用上述軌道設(shè)計(jì)方法對(duì)不同軌道進(jìn)行計(jì)算，設(shè)計(jì)出各種軌道對(duì)應(yīng)的關(guān)鍵參數(shù)、節(jié)點(diǎn)參數(shù)和分點(diǎn)數(shù)據(jù)；然后從井眼長度、最大狗腿度和增斜段長等方面，對(duì)不同設(shè)計(jì)軌道進(jìn)行幾何形狀評(píng)價(jià)。
2.2.3不同軌道摩擦阻力評(píng)價(jià)
    在相同條件下，對(duì)不同設(shè)計(jì)軌道對(duì)應(yīng)的不同工況(如正常、滑動(dòng)鉆進(jìn)、起下鉆等)的摩擦阻力進(jìn)行評(píng)價(jià)，以優(yōu)化出相對(duì)最優(yōu)設(shè)計(jì)軌道。
3 應(yīng)用實(shí)例及效果分析
3.1 設(shè)計(jì)參數(shù)
    河壩區(qū)塊大斜度定向井設(shè)計(jì)參數(shù)如下：靶點(diǎn)垂深Dd=5200m，水平位移Sd=2000m，閉合方位120°；oa段：造斜點(diǎn)垂深Da=4000m，井斜角αa=0，ab段：造斜率Ka=6°～18°/100m。
   穩(wěn)斜段鉆進(jìn)鉆具組合設(shè)計(jì)結(jié)果如表1所示。

3.2 軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)
3.2.1確定合理的穩(wěn)斜角
    1) 依據(jù)穩(wěn)斜段起點(diǎn)處鉆柱零軸向力條件，可計(jì)算出最大穩(wěn)斜角αcmax，其計(jì)算過程如下：
軸向拉力
 
式中p為鉆壓，kN；ρ為鉆柱平均線密度，kg/m。
設(shè)T=0將鉆具組合及鉆井參數(shù)代入化簡為：
 
    通過簡化式可試算出最大穩(wěn)斜角，即假設(shè)一個(gè)穩(wěn)斜角αc，對(duì)應(yīng)算出一個(gè)穩(wěn)斜段長度Lw，然后與設(shè)計(jì)井在該穩(wěn)斜角下確定的圓弧軌道穩(wěn)斜段對(duì)比結(jié)果見表2，確定出最大穩(wěn)斜角αcmax=65.00°。
 

    2) 依據(jù)套管內(nèi)摩擦阻力系數(shù)0.25和裸眼段內(nèi)摩擦阻力系數(shù)0.30，可計(jì)算出在平均摩擦阻力系數(shù)0.28條件下穩(wěn)斜段對(duì)應(yīng)的臨界穩(wěn)斜角αk=74.36°＞αcmax=65.O0°，滿足滑動(dòng)定向鉆進(jìn)要求，可確定出3種設(shè)計(jì)軌道穩(wěn)斜段對(duì)應(yīng)的合理穩(wěn)斜角為65.00°。
3.2.2 3種不同剖面軌道設(shè)計(jì)
    3種設(shè)計(jì)軌道分段數(shù)據(jù)結(jié)果如表3所示。
    從表3可知，在設(shè)計(jì)井相同條件下，3種不同軌道具有幾何形狀特點(diǎn)如下：①設(shè)計(jì)井深以圓弧線最長(6415.79m、65.00°)，懸鏈線次之(6413.63m、65.00°)，側(cè)位懸鏈線最短(6402.69m、65.00°)，最大相差13m左右；②增斜段長以側(cè)位懸鏈線最長(659.56m、10.30%)，懸鏈線次之(493.63m、7.70%)，圓弧線最短(478.05m，7.45%)；③最大井眼曲率以側(cè)位懸鏈線最大(5.52°/30m)，懸鏈線次之(4.20°/30m)，圓弧線最小(4.08°/30m)。
3.2.3 3種不同軌道摩擦阻力評(píng)價(jià)
    為了評(píng)價(jià)上述3種井眼軌道剖面優(yōu)劣性，采用LandMark軟件對(duì)在相同條件下不同軌道剖面進(jìn)行摩擦阻力評(píng)價(jià)，其分析結(jié)果如表4所示。從表4可知，3種不同軌道各項(xiàng)摩擦阻力值：圓弧線>懸鏈線＞側(cè)位懸鏈線，其值大小大致與增斜段長度呈反比關(guān)系，但總體上說單項(xiàng)摩擦阻力相差不大，誤差在10%以內(nèi)。結(jié)合河壩區(qū)塊以大斜度深井開發(fā)為主，為方便現(xiàn)場定向施工，宜采取相對(duì)簡單的“直-增-穩(wěn)”圓弧軌道進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.3 應(yīng)用效果
    2008年以來，河壩區(qū)塊先后部署了HB1-1D、HF302、HF203和HJ203H等4口大斜度井或水平井。在鉆前設(shè)計(jì)和鉆井施工中，采用“直-增穩(wěn)”或“直增-穩(wěn)-增-平”圓弧軌道進(jìn)行了4井次原軌道和4井次軌道調(diào)整設(shè)計(jì)，很好實(shí)現(xiàn)了井眼軌跡控制，都順利完成了地質(zhì)中靶和后期大斜度井下套管等作業(yè)。
4 結(jié)論
    1) 根據(jù)河壩區(qū)塊大斜度井地質(zhì)參數(shù)和工藝水平特點(diǎn)，通過對(duì)軌道設(shè)計(jì)關(guān)鍵參數(shù)、軌道剖面類型等進(jìn)行優(yōu)化，形成了該地區(qū)大斜度定向井軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)。
    2) 軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)成功應(yīng)用在HB1-1D等多口井鉆井設(shè)計(jì)和施工中，均順利實(shí)現(xiàn)了地質(zhì)中靶和完井作業(yè)，為河壩區(qū)塊后續(xù)部署井軌道設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。
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(本文作者：朱禮平1 吳玉君2 刁素1 王希勇1 王毅1 1.中國石化西南油氣分公司工程技術(shù)研究院；2.中國石化西南油氣分公司鉆井工程處)