長寧地區(qū)頁巖氣水平井井眼軌跡優(yōu)化設(shè)計(jì)

關(guān)小旭西南石油大學(xué)；2成都理工大學(xué)能源學(xué)院

長寧地區(qū)頁巖氣水平井井眼軌跡優(yōu)化設(shè)計(jì)

楊火海1；2張楊1關(guān)小旭1；21西南石油大學(xué)；2成都理工大學(xué)能源學(xué)院

目前我國在頁巖水平井井眼軌跡設(shè)計(jì)上所面臨的問題主要有：優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層預(yù)測難度大；最優(yōu)井眼方位尚未明確;頁巖氣井的井壁掉塊、垮塌等井壁穩(wěn)定性問題頻發(fā)；井眼軌跡難以控制（地層環(huán)境復(fù)雜）。因此要實(shí)現(xiàn)頁巖氣高效開發(fā)，需要從預(yù)測優(yōu)質(zhì)頁巖儲(chǔ)層、提高儲(chǔ)量動(dòng)用程度、減少鉆井事故方面來開展基礎(chǔ)研究。以寧201—X井為例，根據(jù)所得數(shù)據(jù)及測井資料選擇優(yōu)質(zhì)頁巖儲(chǔ)層段，合理設(shè)計(jì)井斜角、井身剖面、曲率半徑、造斜點(diǎn)、著陸點(diǎn)、井眼方位等數(shù)據(jù)，利用井眼軌跡設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)出二維及三維的水平井井眼軌跡。

儲(chǔ)層；頁巖氣；龍馬溪組；水平井；井眼軌跡

目前我國在頁巖水平井井眼軌跡設(shè)計(jì)上所面臨的問題主要有：優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層預(yù)測難度大；最優(yōu)井眼方位尚未明確；頁巖氣井的井壁掉塊、垮塌等井壁穩(wěn)定性問題頻發(fā)；井眼軌跡難以控制（地層環(huán)境復(fù)雜）。因此要實(shí)現(xiàn)頁巖氣高效開發(fā)，需要從預(yù)測優(yōu)質(zhì)頁巖儲(chǔ)層、提高儲(chǔ)量動(dòng)用程度、減少鉆井事故方面來開展基礎(chǔ)研究。

1 井眼軌跡設(shè)計(jì)方法

（1）二維設(shè)計(jì)。水平井的井身剖面設(shè)計(jì)類型應(yīng)用最多、最有代表性的有3種類型：①單增剖面（三段式），即直—增—穩(wěn)（平）剖面；②雙增剖面（五段式），即直—增—穩(wěn)—增—穩(wěn)（平）剖面；③三增剖面，即直—增—穩(wěn)—增—穩(wěn)—增—穩(wěn)（平）剖面。水平井井眼軌跡設(shè)計(jì)主要包括恒曲率法和變曲率法兩種。恒曲率法指造斜率為常量；變曲率法因其造斜率為變量可分為擺線法、懸鏈線等方法。

（2）三維設(shè)計(jì)。一般情況下，在鉆井之初，就已確定了井眼方位、起始點(diǎn)位置和目標(biāo)點(diǎn)位置，由此開始進(jìn)行三維井眼軌道的設(shè)計(jì)。而根據(jù)不同的設(shè)計(jì)目的和要求，可以將目標(biāo)點(diǎn)的井眼方位分為不限定和限定兩種類型。前者的靶一般為以該點(diǎn)為圓心的水平圓，其設(shè)計(jì)目標(biāo)為空間點(diǎn)，要求軌道達(dá)到目標(biāo)點(diǎn)即可；后者的靶常為以該線為中心線的長方體，其設(shè)計(jì)目標(biāo)為空間直線，要求軌道按矢量方向進(jìn)入目標(biāo)點(diǎn)(著陸點(diǎn))。因此，用于其設(shè)計(jì)要求的模型分別稱之為點(diǎn)目標(biāo)設(shè)計(jì)模型和線目標(biāo)設(shè)計(jì)模型。

2 井眼軌跡設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)選

（1）水平井最大井斜角的確定。根據(jù)北美頁巖氣開發(fā)的經(jīng)驗(yàn)，最大井斜角一般設(shè)計(jì)為>90°，因?yàn)檫@樣可以使得水平段微微上翹，從而便于排水；再根據(jù)儲(chǔ)層厚度（當(dāng)然，所設(shè)計(jì)的水平段井眼軌跡要滿足與儲(chǔ)層層段平行，這樣才能有效增大泄流面積），設(shè)計(jì)符合要求的出、入靶點(diǎn)（A、B）；利用優(yōu)化對(duì)齊的方式，即入靶點(diǎn)A對(duì)應(yīng)出靶點(diǎn)B，從而可以計(jì)算出這口水平井的最大井斜角。

（2）井眼曲率的選取。水平井井眼曲率太大時(shí)，會(huì)給鉆井、采氣和修井作業(yè)帶來一定的困難。因此，需要根據(jù)具體的情況適當(dāng)選擇井眼曲率。由于頁巖儲(chǔ)層的特殊性，國內(nèi)外開發(fā)頁巖氣主要以長曲率半徑水平井為主，相應(yīng)的造斜率選取為（2°～6°）/30m。

（3）造斜點(diǎn)的選擇：①正確選擇造斜點(diǎn)時(shí)應(yīng)當(dāng)避開巖石破碎帶和漏失地層，盡量選擇在儲(chǔ)層性質(zhì)較為穩(wěn)定的地層。②必須要滿足頁巖氣開采工藝的要求。③地層巖石的可鉆性應(yīng)當(dāng)均勻，地層不應(yīng)當(dāng)含有夾層。④對(duì)于垂深小、水平位移大的井，造斜點(diǎn)應(yīng)選區(qū)中較淺的位置，以減少定向施工的工作量。然而，對(duì)于垂深大、水平位移大的井，造斜點(diǎn)應(yīng)選取在較深的位置，以簡化井身結(jié)構(gòu)，從而提高鉆速。⑤在井眼方位容易漂移的地區(qū)，應(yīng)使斜井段避開方位漂移大的地層。

（4）著陸點(diǎn)的選擇。根據(jù)目的層和地層傾角不同，來選擇合適的著陸段、著陸點(diǎn)位置、著陸井斜角及靶前位移提前量。當(dāng)氣層為下傾方向時(shí)，水平段井斜角小于90°時(shí)，控制井眼軌跡在A點(diǎn)前40～50 m，垂深達(dá)到設(shè)計(jì)氣頂位置，井斜達(dá)到82°～84°，以便順利進(jìn)入氣層。當(dāng)氣層為上傾方向時(shí)，水平段井斜角大于90°時(shí)，控制井眼軌跡在A點(diǎn)前20～30m，垂深達(dá)到設(shè)計(jì)氣頂位置，井斜達(dá)到85°～87°，然后復(fù)合鉆進(jìn)探氣頂，保證井斜角為微增趨勢，進(jìn)入氣層。

（5）井眼方位角的確定。例如長寧地區(qū)志留系龍馬溪組SHmax＞Sv＞Shmin，屬于走滑地應(yīng)力類型，地層情況較為復(fù)雜。因此，該區(qū)頁巖氣水平井井眼方位的確定，需要滿足以下兩個(gè)條件：能夠很好地保持井壁穩(wěn)定性（尤其是針對(duì)水平段而言），減少井下復(fù)雜情況的發(fā)生；最大機(jī)率地鉆遇裂縫，為壓裂等后期儲(chǔ)層改造做好鋪墊。

3 設(shè)計(jì)實(shí)例

以寧201—X井為例，根據(jù)所得數(shù)據(jù)及測井資料選擇優(yōu)質(zhì)頁巖儲(chǔ)層段，合理設(shè)計(jì)井斜角、井身剖面、曲率半徑、造斜點(diǎn)、著陸點(diǎn)、井眼方位等參數(shù)，利用井眼軌跡設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)出二維及三維的水平井井眼軌跡。

由于寧201—X井附近龍馬溪組埋藏深度一般為2 500m左右，即埋藏深度較深。因此，根據(jù)井眼軌跡設(shè)計(jì)原則采用二維的五段式軌跡剖面。由于是長半徑水平井，所以造斜點(diǎn)選取在龍馬溪組上一層較厚的牛欄石組中。根據(jù)北美頁巖氣開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，采用靶點(diǎn)間優(yōu)化對(duì)齊方式計(jì)算出最大井斜角設(shè)計(jì)為91.00°(＞90°)，井眼方位角選擇為70°。寧201—X井井身剖面設(shè)計(jì)參數(shù)見表1，寧201—X井三維井眼軌跡圖見圖1。

表1 寧201—X井的井身剖面設(shè)計(jì)參數(shù)

本井采用穩(wěn)斜探頂、復(fù)合入窗的井眼軌跡控制方式，復(fù)合鉆進(jìn)儲(chǔ)層，可以增強(qiáng)應(yīng)對(duì)儲(chǔ)層變化進(jìn)行垂深調(diào)整的主動(dòng)性。

采用隨鉆地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)能夠根據(jù)實(shí)測資料及時(shí)地評(píng)價(jià)儲(chǔ)層情況，從而保證井眼軌跡在最優(yōu)的儲(chǔ)層段中穿行，發(fā)揮地質(zhì)錄井作用，建立工程與地質(zhì)相結(jié)合的導(dǎo)向模式。堅(jiān)持少滑動(dòng)、多轉(zhuǎn)動(dòng)、微調(diào)及勤調(diào)的原則。根據(jù)井眼軌跡控制要造斜工具精度高及盡可能地減少起下鉆次數(shù)，減小施工時(shí)間及減少事故發(fā)生，可以采用可變徑單彎螺桿進(jìn)行定向，或者使用變徑扶正器來有效調(diào)節(jié)造斜率的變化。對(duì)于水平段的后半段施工過程中的扭矩、摩阻明顯增大導(dǎo)致鉆壓無法順利加到鉆頭的情況，可以采用倒裝鉆具組合，并結(jié)合旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆進(jìn)的方式進(jìn)行。此方法能夠很好地降低摩阻，并且能夠及時(shí)地清理巖屑床。寧201—X井的井眼軌跡控制計(jì)劃見表2。

圖1 寧201—X井三維井眼軌跡

表2 寧201—X井的井眼軌跡控制計(jì)劃

4 結(jié)論

（1）我國川南地區(qū)頁巖氣儲(chǔ)層形成背景復(fù)雜，主要形成于海相與海濱相沉積環(huán)境條件下，頁巖黏土含量較高，儲(chǔ)層埋深大，如四川盆地頁巖氣層埋深在2 000～3 500m。

（2）應(yīng)針對(duì)研究工區(qū)進(jìn)行儲(chǔ)層段的巖石性質(zhì)、地應(yīng)力等進(jìn)行分析，充分考慮井壁穩(wěn)定性和后期儲(chǔ)層改造等因素，確定最優(yōu)井眼方位。

（3）建立了水平井井眼軌跡設(shè)計(jì)的一般模型，總結(jié)出適用于水平井井眼軌跡設(shè)計(jì)的二維和三維設(shè)計(jì)思路，建立便捷的計(jì)算方程。并通過論證得出適合長寧地區(qū)頁巖氣水平井勘探開發(fā)的長半徑、井斜角>90°、五段式井身剖面形式。

（欄目主持 張秀麗）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.7.029