沈海超， 張華衛(wèi)， 劉暢， 王建寧

基于軌跡優(yōu)化擴展大位移井窄安全密度窗口

沈海超1， 張華衛(wèi)2， 劉暢1， 王建寧1

（1.中國石化集團國際石油勘探開發(fā)有限公司，北京 100029；2.中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101）

沈海超，張華衛(wèi)，劉暢，等.基于軌跡優(yōu)化擴展大位移井窄安全密度窗口[J].鉆井液與完井液，2017， 34（1）：65-69.

SHEN Haichao， ZHANG Huawei，LIU Chang，et al.Trajectory optimization of extended reach well to widen safe drilling window[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid，2017， 34（1）：65-69.

S 區(qū)塊位于俄羅斯薩哈林島東部海域，計劃采用大位移井海氣陸采技術(shù)進行開發(fā)。該區(qū)設計井深達12 000 m（垂深為2 800 m），水平位移約 11 000 m， 水平位移與垂直深度之比達 3.93，初步設計四開井身結(jié)構(gòu)。以往直井鉆探表明， 該區(qū)奧科貝凱組（Okobykaiskiy） 下部及達吉組（Daginskiy） 地層安全鉆井液密度窗口窄（約 0.3～0.4 g/cm3）、 漏、塌、 卡風險高，而大位移開發(fā)井相應井段窄安全密度窗口問題愈加突出。針對當前對于擴展窄安全密度窗口相關(guān)研究的不足、特別是局限于通過鉆井液性能優(yōu)化擴展安全密度窗口的現(xiàn)狀，圍繞窄安全密度窗口大位移井鉆井難題，提出應綜合力學、化學多手段全方位擴展窄安全密度窗口：首先，自井眼軌跡設計環(huán)節(jié)將優(yōu)化井身剖面、改善井周圍巖應力狀態(tài)、擴展安全密度窗口有機結(jié)合起來，開展井眼軌跡主要參數(shù)對安全密度窗口的影響規(guī)律分析，在此基礎上，兼顧井眼軌跡控制難度及施工摩阻等因素優(yōu)化井眼軌跡，降低坍塌壓力、提高地層破裂壓力，實現(xiàn)安全密度窗口的先期擴展，為后續(xù)通過優(yōu)化鉆井液性能等手段進一步提高安全密度窗口奠定良好基礎，并最終為窄安全密度窗口安全、高效鉆井創(chuàng)造有利條件。研究形成的擴展密度窗口相關(guān)技術(shù)在S區(qū)塊大位移井鉆井設計中成功應用，使得目標層段安全密度窗口較軌跡優(yōu)化前擴展幅度達25%～100%，對窄安全密度窗口難題的應對及防治具有指導意義。

窄安全鉆井液密度窗口；擴展；井眼軌跡；優(yōu)化；超大位移井

0 引言

窄安全密度窗口是長期以來困擾安全、快速鉆井作業(yè)的技術(shù)難題之一，對于攜巖難度大、環(huán)空壓耗大、激動壓力高的大位移井更是如此，若應對不當、極易引發(fā)噴、漏、塌、卡等井下復雜[1-2]。影響安全密度窗口因素包括地質(zhì)和工程2方面[3]，由于客觀地質(zhì)條件無從改變，工程途徑是有效處理及應對窄安全密度窗口的突破口，且關(guān)鍵在于提高地層破裂壓力、降低坍塌壓力、減小循環(huán)壓耗，進而擴展安全密度窗口。目前以控壓鉆井技術(shù)為代表的關(guān)于如何在既定的窄安全密度窗口下，實施鉆井作業(yè)的相關(guān)研究較多[4-10]，而關(guān)于如何擴展安全密度窗口的研究較少且局限于通過優(yōu)化鉆井液性能等物理化學手段嘗試提高地層承壓、降低坍塌壓力、減小環(huán)空壓耗[11-15]，忽視了通過井型優(yōu)選、井眼軌跡優(yōu)化等技術(shù)手段改善井周圍巖應力狀態(tài)等力學手段擴展安全密度窗口，尤其對于窄密度窗口作業(yè)風險更高，井眼軌跡可調(diào)范圍大的大位移井更是如此，然而目前大位移井井眼軌跡設計多側(cè)重于通過井眼軌跡優(yōu)化降低施工摩阻，很少兼顧擴寬安全密度窗口。

該研究提出從力學、化學多角度擴展窄安全密度窗口；并針對窄安全密度窗口大位移井鉆井難題，從井眼軌跡設計環(huán)節(jié)將優(yōu)化井身剖面、改善井周圍巖應力狀態(tài)、擴展安全密度窗口有機結(jié)合起來，基于井眼軌跡主要參數(shù)對安全密度窗口的影響規(guī)律分析，兼顧井眼軌跡控制難度及施工摩阻來優(yōu)化井眼軌跡、擴展安全密度窗口，為安全、高效鉆井創(chuàng)造有利先期條件，并結(jié)合S區(qū)塊窄安全密度窗口大位移井進行了實例應用。

1 S區(qū)塊大位移井窄安全密度窗口基本特征

S區(qū)塊位于俄羅斯薩哈林島東部海域，地層從上至下依次為普米組、努托瓦組、奧科貝凱組、達吉組，主要目的層為達吉組，計劃采用大位移井海氣陸采技術(shù)進行開發(fā)。該區(qū)井深約為12 000 m，垂深約為2 800 m，水平位移約11 000 m，水平位移與垂直深度之比達3.93，主要技術(shù)指標已進入世界級超大位移井范疇，初步設計為四開井身結(jié)構(gòu)：φ660.4 mm×560 m+φ444.5 mm×5 000 m+φ312 mm×10 910 m+φ215.9 mm×12 000 m。以往直井鉆探表明，該區(qū)奧科貝凱組（Okobykaiskiy）下部及達吉組（Daginskiy）地層安全鉆井液密度窗口窄（約0.3～0.4 g/cm3）， 漏、 塌、 卡風險高， 而大位移開發(fā)井相應井段窄安全密度窗口問題愈加突出。

以該區(qū)典型超大位移井SV-1井為例，依據(jù)該井井口及地質(zhì)靶點坐標等參數(shù)完成了井眼軌跡初步設計?；趲r石力學參數(shù)實驗資料，利用測井資料建立了孔隙壓力、坍塌壓力、破裂壓力剖面，并通過地層壓力測量資料、地層完整性試驗等資料驗證了壓力剖面的可信度，由此得到的初步井眼軌跡及安全鉆井液密度窗口如圖1所示。

圖1 SV-1井井眼軌跡初步設計及安全鉆井液密度窗口

由圖1看出，該井奧科貝凱組底部（井深約10 580 m）及達吉組地層的安全鉆井液密度窗口普遍較窄，其中目的層達吉組地層破裂壓力明顯低于奧科貝凱組，安全密度窗口普遍為0.2～0.3 g/cm3，而奧科貝凱組底部泥巖作為主力目的層的蓋層，其坍塌壓力當量密度高達1.56 g/cm3，安全密度窗口僅為0.1～0.2 g/cm3，由于埋深大、井段長、井斜大，根據(jù)初步井身結(jié)構(gòu)、鉆具組合、鉆井液性能參數(shù)測算，鉆井過程中該層位環(huán)空壓耗可達0.12～0.15 g/cm3，再加上激動壓力及抽吸壓力等因素影響，防漏及防塌難以兼顧、卡鉆風險高，技術(shù)難度較前期垂直探井明顯加大，從源頭上擴展安全鉆井液密度窗口已成為確保施工安全的先行條件。

2 大位移井井眼軌跡對安全鉆井液密度窗口的影響規(guī)律

井眼軌跡是影響斜井井壁圍巖應力狀態(tài)以及安全鉆井液密度窗口的重要因素，對井眼軌跡控制參數(shù)的影響規(guī)律分析是通過大位移井井眼軌跡優(yōu)化擴展密度窗口的重要基礎。S區(qū)塊奧科貝凱組底部以及達吉組地層安全鉆井液密度窗口最窄，該層段是制約全井安全施工的技術(shù)瓶頸，故將該層段設為密度窗口擴展的目標層段，分析井眼軌跡控制參數(shù)對該層段安全密度窗口的影響規(guī)律，見圖2、圖3。

圖2 奧科貝凱組底部安全密度窗口與井斜角的敏感性分析

圖3 奧科貝凱組底部安全密度窗口與方位角的敏感性分析

由圖2和圖3可以看出，①隨著井斜角增加，安全密度窗口逐步變窄，越不利于安全鉆井施工；②安全密度窗口與方位角關(guān)系呈現(xiàn)近似正弦曲線變化規(guī)律，且當方位角與最小水平地應力方向（NE155°）一致時，安全密度窗口最寬，最有利于安全鉆井施工。

由于工區(qū)地貌、環(huán)境保護等因素限制，大位移井的井位受限，無法調(diào)整，再加上地質(zhì)靶點既定，方位角幾乎沒有調(diào)整余地，約為95°～97°，基于上述規(guī)律分析，合理減小井斜角是拓寬目標層段安全密度窗口的可行方向。

3 井眼軌跡優(yōu)化

基于以上影響規(guī)律分析，以井斜角為突破口并兼顧井眼軌跡質(zhì)量及控制難度，通過井眼軌跡優(yōu)化擴展目標層段安全密度窗口。引入數(shù)學最優(yōu)化理論，以井斜角為自變量，目標層段安全密度窗口為最優(yōu)化目標函數(shù)，設定約束條件4項：給定井位坐標及靶點坐標、限定最大全角變化率不超過3°/30 m、限定起鉆最大摩阻、限定下技術(shù)套管最大摩阻，基于數(shù)學最優(yōu)化理論及安全密度窗口相關(guān)原理進行了計算程序開發(fā)。計算機程序包括3大核心模塊：井眼軌跡設計模塊、3個壓力（孔隙壓力、破裂壓力、坍塌壓力）剖面分析模塊、摩阻及扭矩分析模塊，程序原理如圖4所示。

圖4 計算機程序基本原理

最終優(yōu)化后的井眼軌跡垂直投影圖如圖5所示，優(yōu)化后的奧科貝凱組底部窄安全密度窗口井段井斜角由優(yōu)化前的86°～88°，降至69°。

井眼軌跡優(yōu)化前后目標層段的安全密度窗口對比分析見圖6、圖7。由圖6、圖7看出，優(yōu)化后的井眼軌跡合理降低了奧科貝凱組底部井斜角，該層段坍塌壓力當量密度呈現(xiàn)整體下降趨勢，其中最大坍塌壓力當量密度已從1.56降至 1.47 g/cm3，同時隨著井眼軌跡優(yōu)化，鉆遇地層強度相對較高，該段破裂及漏失壓力當量密度整體有所增加，使得奧科貝凱組底部安全密度窗口當量密度整體擴展約0.1 g/cm3，與軌跡優(yōu)化前相比，安全密度窗口擴展幅度達50%～100%。與此同時，井眼軌跡優(yōu)化后，達吉組地層破裂及漏失壓力當量密度整體有所增加、坍塌壓力有所降低，該層安全密度窗口當量密度整體擴展約0.05～0.10 g/cm3，與軌跡優(yōu)化前相比，安全密度窗口擴展幅度達25%～33%。整個目標層段奧科貝凱組底部以及達吉組地層，安全密度窗口較軌跡優(yōu)化前擴展幅度達25%～100%。

圖5 初始井眼軌跡及優(yōu)化后的井眼軌跡垂直投影圖

圖6 井眼軌跡優(yōu)化前目標層段的安全密度窗口對比

由圖8可以看出，軌跡優(yōu)化后井眼軌跡質(zhì)量提高、易于控制，最大全角變化率不超過2.5°/30 m，且施工摩阻明顯降低，以φ311.1 mm井段起下鉆工況為例，優(yōu)化后的井眼軌跡剖面的施工摩阻較優(yōu)化前普遍降低了15%。

圖7 井眼軌跡優(yōu)化后目標層段的安全密度窗口

圖8 軌跡優(yōu)化前后φ311.1 mm井段起鉆摩阻對比

由此可見，通過井眼軌跡優(yōu)化，成功擴展了目標井段安全密度窗口、降低了大位移井施工摩阻、減小了作業(yè)難度，從而為安全、高效鉆井施工創(chuàng)造了有利條件，在此基礎上再結(jié)合鉆井液相關(guān)技術(shù)手段進一步降低坍塌壓力，必要時利用控壓鉆井技術(shù)實現(xiàn)窄安全密度窗口井底壓力精細控制，可為最終實現(xiàn)安全、高效施工提供強有力的保障。

4 結(jié)論

1.針對目前普遍忽視窄安全密度窗口的先期防治，提出窄安全密度窗口問題應注重防治為先、應對為后、2者結(jié)合的原則?！胺乐螢橄取标P(guān)鍵在于通過井型優(yōu)選及軌跡優(yōu)化等手段從源頭改善井壁圍巖應力狀態(tài)，結(jié)合相關(guān)鉆井液技術(shù)降低坍塌壓力，協(xié)同擴展安全密度窗口，為鉆井施工創(chuàng)造有利的先行條件；在此基礎上結(jié)合控壓鉆井等窄安全密度窗口相關(guān)應對技術(shù)，從而最大限度實現(xiàn)窄安全密度窗口地層安全、高效鉆進。

2.研究形成一套基于井眼軌跡優(yōu)化擴展大位移井安全密度窗口技術(shù)，并基于數(shù)學最優(yōu)化理論及安全密度窗口相關(guān)原理完成了計算程序開發(fā)；相關(guān)技術(shù)成果成功應用于S區(qū)塊大位移井工程設計，有效擴展了窄安全密度窗口，降低了大位移井施工難度，類似情況下值得參考借鑒。

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Trajectory Optimization of Extended Reach Well to Widen Safe Drilling Window

SHEN Haichao1, ZHANG Huawei2, LIU Chang1, WANG Jianning1
(1. Sinopec International Petroleum Exploration and Development Corporation, Beijing 100029; 2. Sinopec Research Institute of Petroleum Engineering, Beijing 100101)

Narrow safe drilling window; Widen; Well trajectory; Optimization; Extended reach well

TE22 TE28

A

1001-5620（2017）01-0065-05Abstract Extended reach well technology has been used to produce the natural gas in the offshore area from onshore in developing the Block S located in the east of Sakhalin, Russia. The designed well depth (MD) was 12,000 m (TVD 2,800 m) and the horizontal displacement was about 11,000 m. The ratio of horizontal displacement to vertical depth was 3.93. The wells were designed to have four intervals. It was found from the previous experiences that the lower Okobykaiskiy formation and the Daginskiy formation had narrow safe drilling windows (0.3-0.4 g/cm3), downhole problems such as lost circulation, borehole wall collapse and pipe sticking etc. were drilling risks that needed to be considered, especially in drilling extended reach wells. Researches on how to widen narrow safe drilling window were inadequate to meet fi eld requirement, most of which were focused on the optimization of drilling fl uid properties to widen the safe drilling window. To solve the narrow safe drilling window problem in extended reach well drilling, mechanical and chemical measurements shall be adopted. First, well prof i le optimization, improvement of stress state around the borehole and widening of safe drilling window should all be taken into account in the well trajectory designing stage. In this stage, the effects of the main well trajectory parameters on safe drilling window should be analyzed. Based on the analyses, the well trajectory was optimized to reduce borehole collapse pressure and increase formation fracture pressure, thereby realizing the widening of safe drilling window through mechanical method, which in turn paved the way for further widening safe drilling window through chemical method, and created favorable conditions for eff i cient drilling in areas with narrow safe drilling windows. The technologies of widening safe drillingwindow obtained have been used successfully in drilling the extended reach wells in Block S, with the safe drilling window widened by 25%-100% compared with the safe drilling window prior to the well trajectory optimization. This work is of importance in dealing with narrow safe drilling window problem.

2016-10-5；HGF=1702M1；編輯 馬倩蕓）

10.3969/j.issn.1001-5620.2017.01.012

沈海超，高級工程師，博士，1982年生，畢業(yè)于中國石油大學（華東）油氣工程力學專業(yè)，現(xiàn)在從事鉆井技術(shù)研究工作。電話15010435972；E-mail：hcshen.sipc@sinopec.com。