王勝翔，楊培龍，劉克明，梁奇敏

(1.中國海油伊拉克有限公司，北京100010；2.中國石油大學(xué)石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗室，北京102249)

米桑油田井眼軌道優(yōu)化設(shè)計

王勝翔*1，楊培龍1，劉克明1，梁奇敏2

(1.中國海油伊拉克有限公司，北京100010；2.中國石油大學(xué)石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗室，北京102249)

在定向井鉆井中，優(yōu)化井眼軌道，是實(shí)現(xiàn)優(yōu)快鉆井的重要手段。研究了米桑油田井眼軌道的優(yōu)選問題，考慮了井壁穩(wěn)定、目標(biāo)垂深和造斜率不確定、井眼清潔、著陸的難易程度以及井下鉆具受力情況等多個約束條件對井眼軌道優(yōu)選問題的影響。需要綜合考慮上述所有約束條件才能得出該井段的穩(wěn)斜角大小，最終得到米桑油田不同約束條件下井眼軌道計算結(jié)果。探討了所有約束條件下的軌道優(yōu)化過程，對今后該區(qū)塊定向井的鉆井工程理論和技術(shù)中的井眼軌道優(yōu)選設(shè)計的深入研究與實(shí)踐有重要參考價值。

米桑油田；鉆井；定向井；軌道優(yōu)化；約束條件

1 概述

眾所周知，提高鉆井速度是加快油氣勘探開發(fā)步伐的重要途徑。多年來，鉆井工作者已經(jīng)擁有了一系列優(yōu)快鉆井速度的技術(shù)[1-4]，鉆井速度也逐年提高，但與國外先進(jìn)的鉆井速度指標(biāo)相比，仍存在著很大的差距。在其他條件一定的情況下，鉆井軌道的優(yōu)選對于優(yōu)快鉆井起著決定性作用。

盡量選擇形狀簡單、易于施工的井眼軌道是定向井、水平井設(shè)計的一個基本原則，因此在環(huán)境和地下條件允許的情況下，如果對鉆井工藝技術(shù)沒有特殊要求，都會將井眼軌道設(shè)計成二維剖面。至今大約已有10多種剖面類型，如懸鏈線剖面和直線、圓弧組合剖面等。其中直線、圓弧組合剖面是由多個直線段和多個圓弧段組合而成，最典型的剖面有“L型”、“S型”和雙增型剖面。所選出的最優(yōu)井眼軌道模型往往只能作為井身剖面的一個組成部分，不能保證全井井眼軌道是最優(yōu)的?？傊?，對于井眼軌道模型及井身剖面的選擇，需要進(jìn)行綜合分析與評價才能做出科學(xué)的決策，為此前人已經(jīng)做了很多工作[5-12]。本文的井眼軌道優(yōu)選問題考慮了井壁穩(wěn)定、目標(biāo)垂深和造斜率不確定、井眼清潔、著陸的難易程度以及井下鉆具受力情況等多個約束條件。通過本文優(yōu)選出的井眼軌道，能夠完成米桑油田定向井的施工任務(wù)，并為優(yōu)快鉆進(jìn)的深入研究與實(shí)踐提供重要的參考價值。

2 井眼軌道優(yōu)化

“雙增型剖面”是水平井常用的一種類型，其中穩(wěn)斜角的合理確定是關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化之一。以下在幾個約束條件下優(yōu)化穩(wěn)斜角。

2.1 井壁穩(wěn)定約束條件下穩(wěn)斜角的優(yōu)選

每一個區(qū)塊的坍塌壓力隨井斜角和方位角都有一個變化規(guī)律圖。沿著不同的方位鉆井有不同的坍塌壓力；雖然都是同一方位下進(jìn)行鉆井，但在不同的井斜下，坍塌壓力波動值也不容忽略。穩(wěn)斜角太大或太小，都不利于井壁穩(wěn)定。所以從井壁穩(wěn)定的角度考慮，穩(wěn)斜段的井斜應(yīng)選擇在坍塌壓力最小的井斜處。

2.2 目標(biāo)垂深和造斜率不確定條件下穩(wěn)斜角的優(yōu)選

對于一般的定向井，目標(biāo)垂深和造斜率都不確定的情況在現(xiàn)場施工過程中都是可能存在的[13]，如圖1所示。

式中，第一造斜段的最高造斜率和最低造斜率分別是K1max和K1min，第二造斜段的最高造斜率和最低造斜率分別是K2max和K2min，αE是目標(biāo)段的井斜角，σ是目標(biāo)層窗口的半高度，αm是標(biāo)志層的傾角。上式即為關(guān)于目標(biāo)垂深和造斜率都不確定情況下的最優(yōu)穩(wěn)斜段井斜角αtan的隱函數(shù)，對該隱函數(shù)求解即可得最優(yōu)穩(wěn)斜段井斜角αtan的大小。

圖1 目標(biāo)垂深和造斜率不確定性的雙增型水平井垂直剖面圖

2.3 井眼清潔約束條件下穩(wěn)斜角的優(yōu)選

井斜角是影響巖屑運(yùn)移的重要因素，不同井斜角下由于巖屑顆粒的重力作用效果發(fā)生了變化，因而導(dǎo)致巖屑在運(yùn)移方式上存在很大的差別。

0°～30°井斜角井段，雖然當(dāng)井斜角大于10°后，巖屑顆粒具有向井壁下側(cè)沉積的趨勢，但該井段內(nèi)一般形不成穩(wěn)定的巖屑床，巖屑在鉆井液作用下推動前進(jìn)。此時鉆柱的旋轉(zhuǎn)攪動會使巖屑不斷進(jìn)入高速流區(qū)而被鉆井液攜出，此井段中，環(huán)空返速高于0.8m/s即可獲得較滿意的攜屑效果。

在30°～60°井斜角井段，隨著井斜角的增大，巖屑下沉到下井壁的機(jī)會增多，逐漸形成巖屑床。由于巖屑床的形成，使得環(huán)空巖屑濃度增大，且井斜角增加巖屑濃度及巖屑床厚度急劇增加，在45°～60°井斜角范圍內(nèi)巖屑床厚度及巖屑濃度達(dá)到全井段最大值，巖屑床開始形成的“臨界井斜角”[14-16]。同時，由于巖屑床存在較大的下滑分力，使該井段成為攜屑最困難井段。

當(dāng)井斜角在60°～90°范圍時，所形成的巖屑床基本穩(wěn)定,且床體不存在沿井壁下滑的現(xiàn)象。此時由于液流輸送巖屑的作用方式發(fā)生了變化，使得這一井段內(nèi)的環(huán)空巖屑濃度較0°～30°井斜角井段高而比30°～60°井段低。

2.4 井下鉆具受力約束條件下穩(wěn)斜角的優(yōu)選

由于穩(wěn)斜段的井斜大，管柱在井下運(yùn)動時會受到很大的摩擦力，致使起下鉆和下套管以及施工加鉆壓等作業(yè)困難。

一般情況下，當(dāng)井斜角在大于60°時，就需要“倒裝鉆具結(jié)構(gòu)”，防止下部鉆具因受到的軸向力過大而出現(xiàn)失穩(wěn)的現(xiàn)象。鉆具旋轉(zhuǎn)時受到的交變應(yīng)力，將加劇鉆具的疲勞破壞[17]。在鹽膏層穩(wěn)斜鉆進(jìn)時，鉆具在井下受到的扭矩將增很大，受力狀態(tài)更為復(fù)雜，要求精心設(shè)計鉆具組合。

所以從摩阻扭矩的角度考慮，設(shè)計時穩(wěn)斜角盡量小于60°。

2.5 著陸難以程度約束條件下穩(wěn)斜角的優(yōu)選

如果穩(wěn)斜段底部到著陸點(diǎn)的垂深很近，而且穩(wěn)斜角太小，就要以較大的造斜率實(shí)現(xiàn)著陸，這樣對定向工具的要求高和施工過程都會帶來很大的困難，而且狗腿度太大容易卡鉆，所以穩(wěn)斜角又不能太小。

圖2 井眼剖面中各井段間的幾何關(guān)系圖

穩(wěn)斜段與第二造斜段的幾何關(guān)系圖見圖2，顯然第二造斜段的造斜率和穩(wěn)斜角的大小關(guān)系如式（2）所示。

3 算例

3.1 米桑油田定向井基本數(shù)據(jù)

為了提高控制精度和降低控制難度，米桑油田的水平井均采用圖3所示的“雙增式剖面類型”，在垂深在2100～2900m的鹽膏層中穩(wěn)斜鉆進(jìn)，采用旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)模式快速通過，縮短鹽膏層段的作業(yè)時間，更有利于減小鹽膏層中井下復(fù)雜事故的出現(xiàn)，更容易達(dá)到實(shí)現(xiàn)優(yōu)快鉆井的目的。

3.2 多約束條件下井眼軌道計算結(jié)果

米桑油田L(fēng)ower Fars層（約2100～2900m）坍塌壓力隨井斜角和方位角變化規(guī)律圖如圖4所示，從井壁穩(wěn)定的角度考慮，穩(wěn)斜段的井斜應(yīng)選擇在坍塌壓力最小的井斜處，25°～35°間。

在伊拉克米桑油田中，垂深不確定性取10m，窗口半高度是2m，第一造斜段的造斜率的不確定性是在2.5°/30m～3.5°/30m之間，第二造斜段的造斜率的不確定性是在4.5°/30m～5.5°/30m之間，由于地層不確定性造成的垂深為3100m上下波動10m，著陸點(diǎn)的井斜角是90°。通過式（1），優(yōu)化出來的穩(wěn)斜角是79.27°，穩(wěn)斜段的長度是52.8m。這樣一來，必然會導(dǎo)致在鹽膏層中進(jìn)行定向造斜，故不能根據(jù)此條件下計算的穩(wěn)斜角來進(jìn)行作業(yè)。

從洗井方面考慮，米桑油田的穩(wěn)斜角盡量大于60°或小于30°。

圖3 米桑油田鹽膏地層水平井剖面類型

圖4 米桑油田L(fēng)ower Fars層坍塌壓力隨井斜角方位角的變化規(guī)律

從摩阻扭矩的角度考慮，設(shè)計時穩(wěn)斜角盡量小于60°。

TB2如果取200m的話，穩(wěn)斜角不能太小，如果第二造斜段取5°/30m的造斜率，計算結(jié)果顯示不能小于24.8°。

綜合上面5個約束條件下的優(yōu)化結(jié)果，米桑油田的穩(wěn)斜角選取25°。

基于各種約束條件下得到的井眼軌道計算結(jié)果各不相同，綜合考慮所有因數(shù)可得到結(jié)果，既滿足了安全鉆井的要求，又最大限度地實(shí)現(xiàn)了優(yōu)快鉆井，驗證了多約束條件下排量優(yōu)選計算結(jié)果的科學(xué)性。

4 結(jié)論

(1)米桑油田中，采用“雙增”剖面類型，考慮井壁穩(wěn)定、目標(biāo)垂深和造斜率不確定、井眼清潔、著陸的難易程度以及井下鉆具受力情況等多個約束條件優(yōu)選出的穩(wěn)斜角是25°；造斜率分別是3°/30m和5°/30m，優(yōu)化出的造斜點(diǎn)1850m落在硬鹽膏層中，適合造斜。

(2)在實(shí)際鉆井過程中，每口井的目標(biāo)垂深不確定，軌道控制受多種因素的限制，需要做小調(diào)整。為使所設(shè)計的軌道具有使用價值，須確保每口井優(yōu)選的井眼軌道必須滿足上述所有約束條件。

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TE21

A

1004-5716(2015)08-0017-04

2014-08-18

2014-08-18

王勝翔（1972-），男（漢族），河南南陽人，工程師，現(xiàn)從事油氣田鉆井技術(shù)工作。