淺層叢式水平加密井合理偏移距設計研究

劉勝娃，詹 勝，聶翠平

(1.川慶鉆探工程有限公司長慶鉆井總公司，陜西西安710021；2.西安石油大學，陜西西安710065)

淺層叢式水平加密井合理偏移距設計研究

劉勝娃*1，詹 勝1，聶翠平2

(1.川慶鉆探工程有限公司長慶鉆井總公司，陜西西安710021；2.西安石油大學，陜西西安710065)

目前長慶油田埋深2000m左右淺層原油開發中，應用水平井開采低滲儲層具有顯著的經濟效益。由于地面井場與原油集輸建設受到諸多限制，隨著鉆井技術的顯著進步，在原叢式井組井場采用叢式水平加密鉆井具有明顯優勢。但由于低滲、超低滲儲層需要水力壓裂改造才能獲得經濟產能，水平井水平段走向必須沿最大水平地應力方向，因而在原叢式井組井場所能鉆水平井數量受限。偏移距決定了井場可鉆淺層叢式水平井數量和鉆井施工安全，通過模擬摩阻分析和鉆柱屈曲分析，得到了量化結果，可作為鉆井設計中合理偏移距的確定提供關鍵依據。

叢式水平井；偏移距；鉆柱；摩阻；屈曲

1 偏移距對布井和施工的影響

水平井施工中具有較大的摩阻和扭矩，而對于陜北淺層叢式水平井，合理偏移距的確定一直是困擾鉆井施工的難題。一方面希望增大偏移距，增大控油面積和增加布井數量；而另一方面，偏移距直接影響到施工安全，如鉆機負荷、鉆柱屈曲與疲勞預防等。

目前，陜北淺層叢式水平加密井最大偏移距已經達到300m，而大偏移距水水平井具有控油面積更大、叢式井組加密鉆井數量更多、繞障能力更強的優點，在叢式水平井中還能夠有效減少待鉆井與老井發生碰撞事故。因此，通過鉆柱摩阻和屈曲分析，結合在用鉆機和鉆柱合理設計偏移距，成為叢式水平井工程設計中需要考慮的關鍵問題。

2 影響鉆柱正常工作的主要因素

2.1 鉆柱屈曲

由于鉆柱自重和鉆柱與井壁摩擦的影響，鉆柱受壓時可能發生不同形式的屈曲。通常，鉆柱在井中可能出現的狀態有：直線穩定，平面正弦彎曲和空間螺旋彎曲，以及自鎖。

當軸向壓載較小，鉆柱位于下井壁保持在直線平衡狀態；隨軸向載荷增大并達到某臨界值時鉆柱產生屈曲變形成正弦波彎曲，鉆柱沿井眼低邊變形且并未觸及井壁高邊；載荷繼續增大，鉆柱彎曲為螺旋，通常環繞井壁并產生屈曲變形，摩阻急劇增大，鉆柱發生“自鎖”[1-4]。

2.2 鉆柱臨界屈曲載荷的確定

對于鉆柱，中性點以下部分受壓，可能出現屈曲。在實際工程中，影響鉆柱屈曲載荷的因素很多，包括井眼軌道的幾何形狀、鉆井液壓力、井壁的剛度和硬度、鉆柱自重、鉆柱長度及其端部邊界條件等[5-7]。

鉆柱屈曲改變了鉆柱與井壁的接觸狀態，增大了鉆柱與井壁之間的接觸力，從而增大鉆柱摩阻。通常，可通過鉆柱屈曲分析，給出其正弦屈曲和螺旋屈曲判據。

鉆柱發生正弦屈曲臨界載荷為：

式中：Fcτs——正弦屈曲臨界載荷，kN；

E——鉆柱材料的彈性模量，MPa；

I——鉆柱截面的軸慣性矩，N·m；

r——鉆柱與井眼間的間隙，m。

螺旋屈曲臨界載荷：

式中：Fτe——軸力，kN；

fn——正壓力鉆柱自重qe，kN/m；

φ——井斜角，（°）；

ψ——方位角，（°）；

r——井眼視半徑，m，其值為井眼半徑與鉆柱半徑之差。

根據上述公式，結合現場常用鉆桿和加重鉆桿相關參數，可以算出對應的臨界屈曲載荷，如表1所示（表1中標注為G105“加重鉆桿”的鉆桿為目前現場實際使用的壁厚較大的API標準鉆桿）。

表1 鉆桿臨界屈曲載荷

在施工過程中，由于摩阻的影響，實際施加鉆壓不明，地面指示的施工鉆壓可大致考慮為“實際鉆壓＋摩阻”。

陜北叢式水平井施工中，通常使用G105普通鉆桿和厚壁鉆桿，并未使用API標準加重鉆桿。目前常用倒裝鉆具組合：?215.9mmPDC鉆頭+?172mm螺桿×1.0°+ 431×410接頭+回壓凡爾+?213mm扶正器+?159mm無磁鉆鋌×1根+?127mm“加重鉆桿”×9根+?127mm鉆桿（若干）+?127mm加重鉆桿×36根+?127mm鉆桿（若干）+411×520接頭+下旋塞+?133mm方鉆桿。

施工中，造斜、扭方位和水平段以滑動鉆進方式為主，其它井段多采取復合鉆進。計算表明，在全井段鉆井“加重鉆桿”達不到臨界彎曲載荷（92kN）。在滑動鉆進中，假設施加最大鉆壓為10t，下部有螺桿＋鉆鋌，“加重鉆桿”也達不到臨界彎曲載荷。

因此鉆具屈曲可能發生在水平段鉆進中，位于水平段的普通鉆桿、“加重鉆桿”之下的普通鉆桿有可能發生屈曲。

3 偏移距對施工的影響

3.1 偏移距對摩阻的影響

長慶油田公司常見的埋深2000m左右淺層叢式水平井為兩開完鉆，造斜點多在600m左右，二開采用?215.9mm鉆頭、穩斜扭方位方式控制偏移距，采用?139.7mm套管射孔完井。

為分析偏移距對摩阻的影響，通過計算機模擬分別計算了水平段為1000m，偏移距分別為0、100m、200m、300m、400m、500m和600m時起下鉆、滑動鉆進和旋轉鉆進4種工況狀態下的摩阻；同時還計算了偏移距為300m時，水平段長度分別為1000m、1500m、 2000m和2500m時的摩阻。

應用常用商業軟件，輸入設計井身剖面的節點數據及其它信息，首先得到了起鉆、下鉆、滑動鉆進和旋轉鉆進4種狀態下水平段長為1000m時，不同偏移距的摩阻。

圖1 偏移距為600 m摩阻

圖1給出了偏移距分別為600m的摩阻分布圖，可以看出，摩阻和偏移距相關性明顯，尤其是水平段施工中起鉆摩阻明顯增大。不同偏移距下的摩阻分布見表2。

圖2為不同偏移距下摩阻變化示意圖。由表2和圖2可以看出，水平段長為1000m時，隨偏移距增大，摩阻整體上呈增大趨勢。偏移距從100m增大到600m，滑動鉆進摩阻增加了約20%。

但上述計算結果是按照目前設計軌跡得出的，鉆井液潤滑性、實際井眼規則程度對摩阻影響很大。所以實際施工中，還應考慮實際軌跡的影響以及鉆井液性能的影響。為驗證模擬計算分析結果的準確性，對照了偏移距為300m全井實鉆實測摩阻，符合良好，驗證了軟件計算的可行性。

表2 水平段長為1000m時的最大摩阻

圖2 不同偏移距摩阻分布

從分析結果看，只要能保證鉆井施工質量，水平段長為1000時，偏移距600m是可行的。進一步的模擬計算表明，水平段長不超過2500m，偏移距在500m以內是可行的。

3.2 鉆具屈曲分析

前面已經從屈曲載荷初步分析了水平段施工中可能發生屈曲的井段，還需要進一步分析不同偏移距、不同水平段長鉆柱屈曲可能性。分別計算了水平段長為1000m時不同偏移距下的鉆柱屈曲。

圖3為水平段長1000m、偏移距為300m時的鉆柱屈曲分析結果，滑動鉆井安全。

圖3 偏移距為300m鉆具屈曲分析圖

圖4為水平段長1000m、偏移距為600的摩阻分析結果，說明鉆具組合不會出現屈曲，滿足現場施工要求。

圖4 偏移距為600m鉆具屈曲分析圖

為考察水平段長的影響，進一步分析計算了不同水平段長和不同偏移距條件下的鉆柱屈曲結果。

圖5 偏移距為600m鉆具屈曲分析

文中僅給出偏移距為300m、水平段長2500m時鉆柱屈曲分析結果（圖5），可以看出，鉆具有發生有正弦屈曲可能。計算表明，偏移距一定，隨水平段長增加，鉆柱屈曲趨勢增大；水平段長一定，隨偏移距增大，鉆柱屈曲可能性增大。

偏移距和水平段長對于鉆柱屈曲有顯著影響。從鉆柱屈曲分析結果看，實際工程設計中，應該合理匹配偏移距與水平井段長度。陜北淺層叢式水平井水平段長與偏移距匹配的極限范圍大致為2500～300m、2200～400m、1900～500m、1400～600m。

4 結論

偏移距和水平段長對摩阻、鉆柱屈曲有顯著影響，淺層叢式水平井軌道設計中應依據屈曲分析結果合理匹配兩者的關系。目前常用裝備、工具、工藝和常用軌道設計條件下，陜北淺層叢式水平井最大偏移距不宜大于500m。

[1]姜麗紅.端部約束條件對鉆柱正弦屈曲的影響[D].江蘇大學，2010.

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[3]林元華,鄒波,施太和，等.鉆柱失效機理及其壽命預測研究[J].石油鉆采工藝,2004,26(1).

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[5]孫書貞,張炎山,茍昌瓊.鉆柱疲勞破壞的預防[J].西部探礦工程，2004（2）.

[6]夏天果，朱紅鈞，林元華，等.一種預測鉆柱疲勞失效的新方法[J].石油礦場機械，2011（9）.

[7]李文飛,管志川,趙洪山.基于可靠性理論的鉆柱疲勞壽命預測[J].石油鉆采工藝，2008（1）.

TE32.4

A

1004-5716(2016)12-0017-04

2016-02-29

2016-03-02

劉勝娃（1963-），男（漢族），甘肅慶安人，高級工程師，現從事鉆井工程領域信息專業工程研究與應用工作。