大位移井井眼軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)

摘 要：井眼軌道的選擇對(duì)大位移井鉆井很重要，關(guān)系到鉆井設(shè)備的能力、井眼的控制、井眼的清洗、安全鉆井和下套管、井下作業(yè)等。大位移井的顯著特點(diǎn)是水平位移大，井斜角大，鉆柱和套管柱在井眼內(nèi)摩阻和扭矩大，因此選擇合適的井眼軌跡，對(duì)于降低摩阻扭矩，確保大位移井安全鉆進(jìn)具有重要的意義。

關(guān)鍵詞：大位移井；摩阻；扭矩；井眼軌道優(yōu)化

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.22.082

大位移井軌跡設(shè)計(jì)，不僅考慮鉆機(jī)和頂驅(qū)設(shè)備的能力、設(shè)計(jì)軌跡的摩阻扭矩大小和現(xiàn)場(chǎng)施工的難易程度，同時(shí)還要考慮鉆柱的強(qiáng)度優(yōu)化設(shè)計(jì)及套管磨損等因素。大位移井的軌跡設(shè)計(jì)是與鉆柱力學(xué)、鉆井現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際作業(yè)密切相關(guān)的一項(xiàng)系統(tǒng)工程[1-2]。

1 井眼軌跡設(shè)計(jì)的原則

不同的軌跡設(shè)計(jì)方法有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，但必須遵循以下三項(xiàng)原則：

（1）軌跡設(shè)計(jì)必須滿足各種不同工況的要求；

（2）軌跡設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)考慮最短軌跡的要求；

（3）軌跡設(shè)計(jì)的鉆柱摩阻和扭矩應(yīng)當(dāng)相對(duì)最小；

2 大位移井不同井眼軌跡類型分析

井眼軌道主要有單圓型、雙增型、懸鏈型幾種類型剖面。設(shè)計(jì)時(shí)必須分別針對(duì)不同剖面類型應(yīng)用摩阻預(yù)測(cè)技術(shù)進(jìn)行比較分析，優(yōu)選摩阻更低的井身剖面。

單圓弧剖面造斜率為國(guó)內(nèi)目前常用2.4°/30m，常用于造斜點(diǎn)較深，位移比相對(duì)小的大位移井；準(zhǔn)懸鏈型，初始造斜率較小，一般是1°～1.25°/30m，每鉆進(jìn)一段井段后，造斜率遞增加0.5°/30m，分?jǐn)?shù)次造斜，最后用相對(duì)高造斜率在井斜45°～90°井段，此方法可減少易產(chǎn)生巖屑床40°～60°段的長(zhǎng)度，保持井眼清潔。無(wú)論那一種造斜井段，其最高造斜率都應(yīng)控制在3°/30m，其主要是為了減小鉆桿在造斜段處的側(cè)向力，減少鉆具彎曲，防止在鉆進(jìn)下部井段時(shí)套管被嚴(yán)重磨損和增大鉆井摩阻。雙增接近于二者之間。圖1為大位移井不同井眼軌跡類型圖。

優(yōu)化軌跡剖面可以降低摩阻，確保技術(shù)套管距離延伸，大位移在首先優(yōu)化剖面的前題下，才可能使下步工作更加順利。而懸鏈線剖面可以減小鉆具與井眼的接觸面積，使摩擦系數(shù)在正壓力的作用下，產(chǎn)生的扭矩相對(duì)較小，扭矩與井眼中旋轉(zhuǎn)半徑成正比，鉆桿直徑越大旋轉(zhuǎn)半徑越小減少了與井壁接觸面積，則扭矩越小。

增大穩(wěn)斜角度改善井眼扭矩，盡量避開(kāi)井斜角40～60°穩(wěn)斜段，井眼長(zhǎng)度對(duì)扭矩的影響比穩(wěn)斜角對(duì)扭矩的影響大一些。然而，井斜角較大的井確實(shí)趨向于降低總扭矩，因?yàn)殂@柱中有較多部分處于受壓狀態(tài)，有利于降低上部造斜段處的拉力和接觸力，但克服大位移井中的軸向摩阻是個(gè)極大的難題。

準(zhǔn)懸鏈線剖面鉆柱對(duì)井壁的軸向載荷阻力小，鉆具在起鉆時(shí)，因狗腿角小使鉆具的側(cè)向力最小，可以有效的降低摩阻，使滑動(dòng)鉆進(jìn)極限位移得到延伸。所以，大位移井設(shè)計(jì)應(yīng)采用準(zhǔn)懸鏈線剖面，降低鉆具及下套管作業(yè)中摩阻、扭矩和側(cè)向力，可使套管下入鉤載增大20%～25%，減少鉆井事故的發(fā)生。

3 應(yīng)用實(shí)例

以ZH8Ng-H1井為例，采用準(zhǔn)懸鏈線軌跡設(shè)計(jì)與雙增剖面?zhèn)认蛄?duì)比：

由圖2、圖3表明采用變曲率準(zhǔn)懸鏈線剖面最大的側(cè)向力在147m處為649kgf/10m，常規(guī)雙增剖面最大的側(cè)向力在128m處為1087 kgf/10m，顯然準(zhǔn)懸鏈剖面?zhèn)认蛄Ρ入p增剖面低59%可降低鉆具卡鉆及疲勞破壞的風(fēng)險(xiǎn)，說(shuō)明準(zhǔn)懸鏈線變曲率剖面設(shè)計(jì)更為理想。

4 結(jié)論與建議

ZH8Ng-H1井采用準(zhǔn)懸鏈線軌跡設(shè)計(jì)，通過(guò)管柱受力分析及應(yīng)用表明：

（1）優(yōu)選出變曲率軌跡，使其能減少管柱在造斜段摩阻扭矩，增加管柱下入能力；

（2）大位移水平井造斜率范圍選在1.5°/30m-3.5°/30m范圍內(nèi)，造斜率逐漸遞增；

（3）對(duì)于位移較大的井，穩(wěn)斜段井斜角盡量避開(kāi)40°-60°區(qū)間，以利于井眼的清潔與穩(wěn)定。

參考文獻(xiàn)：

[1]張焱，李驥，劉坤芳等.定向井井眼軌跡最優(yōu)設(shè)計(jì)方法研究[J].天然氣工業(yè)，2000，20（01）：57-60.

[2]竇玉玲.長(zhǎng)水平段大位移井井眼軌跡優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].探礦工程，2011，38（07）：50-53.

作者簡(jiǎn)介：劉天恩（1984-），男，工程師，從事鉆井工程相關(guān)工作。endprint