直井段偏移對后期定向鉆井作業(yè)的影響分析

張瑞平， 萬教育， 李 彬， 付 仕， 馬 靜， 劉 冬

(中國石油西部鉆探定向井技術服務公司，新疆 烏魯木齊 830026)

0 引言

由于定向井、水平井直井段的偏移問題，已經對后期軌跡控制施工作業(yè)和完井施工帶來了較大的影響，出現了定向施工井段和作業(yè)時間較大增加，由于“狗腿”度的增大需要更換造斜工具來滿足調整軌道設計的要求，軌跡由二維轉化為三維空間軌道[1]等諸多問題。

隨著近年油田勘探開發(fā)的深入，國際油價低迷，采用高效開發(fā)模式越來越引起各油田重視，定向井、水平井技術作為一種提高油田開發(fā)綜合效益的手段，在各油田開發(fā)中得到了廣泛的應用，因此提高定向作業(yè)井段軌跡控制質量和鉆井速度，越來越受到油田公司和工程技術公司的重視。影響定向作業(yè)軌跡控制的因素除了軌跡設計、地層因素、選擇鉆具組合和軌跡控制工藝外，還應考慮定向施工前期的初始井眼狀況[2]，及直井段偏移情況和造斜點的初始井斜角、方位角。

定向井、水平井施工可分為3個階段實施，即直井段控制、定向軌跡控制和完井施工。定向軌跡控制井段的起始點為造斜點，造斜過程就是從造斜點開始強制鉆頭偏離原來方向向設計方位增斜鉆進的過程，直井段的井身質量和偏移情況是后期定向作業(yè)的基礎，是影響定向待鉆軌跡設計和控制的關鍵因素，將會對后續(xù)定向軌跡控制施工和井下安全產生重要的影響。通過對近年完成的水平井、定向井直井段偏移情況總結統計，直井段偏移情況較為普遍，有必要對直井段偏移對后期作業(yè)影響進行分析研究。

1 直井段偏移分析

鉆井工程設計中直井段設計軌道為一條鉛垂線，而實際鉆井施工中直井段軌跡存在井斜、方位的變化，與設計軌道有偏差，勢必會出現直井段的偏移。

1.1 直井段偏移影響

直井段實際施工中必然會出現井斜產生水平位移，當直井段較短或水平位移較小時，影響不明顯。但當直井段較長或水平位移較大時，將有很大的影響，實際軌跡控制過程中以設計軌道作為參考,制定“待鉆軌跡”并不按照設計軌道去鉆進，若造斜點處有一定量的井斜角，且偏移較大時必然給后期軌跡控制帶來更大的難度[3-4]。定向井、水平井直井段偏移對后期作業(yè)影響主要表現在以下幾個方面：(1)定向施工井段的增長，增加了定向作業(yè)時間，增加斜井段定向鉆井周期和鉆井成本；(2)實鉆過程中為了滿足設計軌道要求，勢必會出現部分井段的“狗腿”度高于設計值，選擇大角度導向工具組合，增大鉆具入井風險；(3)影響后續(xù)井段的通井、完井施工和完井管柱的下入；(4)增大了造斜段、水平段提速、著陸、中靶和安全鉆進的風險，對整體鉆井提速造成了不利。

1.2 直井段偏移情況分類

由于定向井、水平井造斜點位置的偏差，根據偏移方向和設計方位之間的關系(參見圖1)，將直井段偏移分為兩類，分別為：正位移、負位移。即如果造斜點在水平投影圖上的投影方向與設計方向一致時為正位移，如果相反即為負位移。直井段偏移情況與設計軌道方位φ、造斜點位置的關系如表1所示，造斜點位置是以網格北(Y軸)為參考，造斜點閉合方位所在的象限位置。

圖1 造斜點位置分布水平投影圖Fig.1 Horizontal projection of kick off positions

造斜點位置設計軌道方位φ/(°)0～9090～180180～270270～360第一象限正位移正、負位移負位移正、負位移第二象限正、負位移正位移正、負位移負位移第三象限負位移正、負位移正位移正、負位移第四象限正、負位移負位移正、負位移正位移

注：當造斜點閉合方位與設計軌道方位相差90°時，視位移為0，此時的偏移量是造斜點的閉合距。

1.3 偏移情況統計分析

通過對近年來新疆油田不同區(qū)塊的200余口中深定向井、水平井進行統計，得出結果：直井段偏移在40～60 m之間的占比15.2%；直井段偏移大于60 m的占9.8%。其中，正位移情況占52%，負位移情況占48%。

1.4 定向井井眼軌跡控制分析

1.4.1 定向井段計算

井眼中某一點的井斜角、方位角與設計值有偏差時，定向井段需要進行增斜扭方位施工，此時需要對定向井段和扭方位井段計算[5-6]。

工具造斜率為K，定向井段“狗腿”度γ，定向井段長度ΔL，前后井斜角變化Δα，前后方位角變化Δφ，αc為該井段的平均井斜角，α1、α2分別為初始井斜角和終點井斜角。行業(yè)標準推薦使用的計算公式為：

αc=(α1+α2)/2

ΔL=γ/K

(1)

式中：γ——“狗腿”度，(°)；K——造斜率，(°)/30 m；ΔL——定向段長度，m。

由式(1)可以得到，當定向井段出現增井斜扭方位井段時，定向施工井段ΔL與“狗腿”度為γ成正比關系。當二維軌跡變成三維軌跡時，需要增斜扭方位鉆進，此時的“狗腿”度γ增大，即定向施工井段增長。

1.4.2 造斜率與靶前位移的關系

靶前位移S，曲率半徑R，定向井段長度ΔL，目標井斜角α，造斜率K，如圖2及靶前位移計算公式為：

圖2 單增軌道幾何圖Fig.2 Single build-up trajectory

其中：

R=1/K

得到：

S=(1/K)(1-cosα)

(2)

式中：S——靶前位移，m；K——造斜率，(°)/30 m；α——井斜角，(°)。

根據上式可以看出，在靶前位移S與造斜率K成反比關系。當靶前位移縮短時，需要更大的造斜率來達到設計要求。

2 直井段偏移分析

直井鉆井過程中影響直井段井斜的因素可概括分為：地質因素、鉆具因素和井眼擴大。地質因素是指由地層可鉆性的各種不均勻性和地層傾斜引起的井斜；鉆具原因導致井斜主要是鉆具的彎曲和傾斜，使鉆頭在井底不對稱切削和側向切削；井眼擴大造成鉆頭軸線與井眼軸線不重合，導致井斜。由于地質因素為客觀存在的，是無法改變的。所以直井段井斜主要從后兩個影響因素進行控制，目前除了滿眼鉆具組合、鐘擺鉆具防斜辦法，有很多新的防斜工具和工藝技術[7-8]，如垂鉆、“螺桿+MWD”組合等防斜打快技術。

常規(guī)直井的井身質量要求包括井斜角、井眼曲率、水平位移3個方面，如都滿足設計要求即為合格，但也存在一種情況，就是定向井、水平井的直井段井身質量合格，但直井段偏移較大給定向井帶來造斜和軌跡控制無法按原設計執(zhí)行。所以對于定向井、水平井的直井段井身質量不僅要滿足直井井身質量要求，同時要考慮對后期斜井段井眼軌跡控制的影響[9]。定向井、水平井的直井段井身質量一直按現行的直井行業(yè)標準執(zhí)行，對定向井、水平井來說，要求過于寬松，影響造斜與軌跡控制；其次，定向井、水平井直井井身質量對后期作業(yè)影響不被油田管理、鉆井方重視，只考慮直井段的鉆井速度，忽視直井段井身質量對造斜后斜井段控制和機械鉆速有影響。

3 直井段偏移對后期施工的影響

3.1 負位移情況

從近年新疆油田所鉆井來看[10-12]，直井段偏移為負位移的情況占比達到48%。直井段負位移出現相當于增大了造斜點至A靶的位移(見圖3)，定向施工井段比設計增加，延長作業(yè)井段和作業(yè)時間。其中瑪湖區(qū)塊某水平井直井段負位移達到95 m，風南區(qū)塊某水平井直井段最大井斜7.2°，負位移達到了62 m。

圖3 直井段負位移示意Fig.3 Negative displacement diagram

負位移對后期施工的影響和風險：

(1)造斜井段的影響：在造斜點和靶前位移不變的情況下，造斜點至A靶點的井段增長。

(2)對井眼曲率的影響：為了達到設計要求，施工中需要選用比設計值更大的“狗腿”度；或者造斜點上移，延長造斜段的長度，降低“狗腿”度。

(3)對LWD等入井工具的影響：對地質導向井，過高的井眼曲率如果超過LWD工具的使用極限(見表2)，將導致無法下入LWD工具或存在工具裂扣的風險。

表2 不同電阻率LWD儀器對“狗腿”度要求統計Table 2 Summary of requirements of LWD with different resistivityon wellbore curvature

(4)對摩阻的影響：定向井段增長將會增加斜井段的鉆柱摩阻，影響后期水平段鉆進鉆壓傳遞和完井管柱的下入。

(5)鉆井周期的影響：造斜施工井段的增加，延長了定向施工周期、增加了鉆井成本。

3.2 正位移情況

從新疆油田近年所鉆井來看，直井段偏移為正位移情況占比達52%。在設計靶點不變的情況下，出現正位移減少了靶前位移，對后期定向“狗腿”度影響較大，實際定向作業(yè)過程中需要更換造斜工具來滿足設計造斜率要求。

圖4 直井段正位移示意圖Fig.4 Positive displacement diagram

正位移對后期施工影響和風險：

(1)造斜施工井段影響：造斜施工井段比設計減小。

(2)對井眼曲率的影響：由式(2)可以得出，正位移情況下為滿足設計要求，上部井段需較低的造斜率，下部井段需超設計的高造斜率。

(3)對入井工具的影響：下部井段“狗腿”度高，可能超過LWD等特殊工具的使用極限。

(4)增大后期通井、下完井管柱的施工風險。

(5)若目的層提前，存在穿出靶窗的風險。

3.3 靶前位移不變，偏移距較大的情況

除了正負位移情況，還有一種可能是直井段視位移很小或者為0，靶前位移未受影響，而閉合距較大的情況。此類情況與一般的正負位移有所不同。從近年完成井來看，直井段偏移出現此類情況較多，并且對軌跡控制難度和完井施工影響較大。此類情況軌跡控制中增加了扭方位，為空間圓弧軌跡[13]，由式(1)知，“狗腿”度增大，在工具造斜率不變的情況下必然導致扭方位井段增加，加大了定向施工周期及施工難度[14-15]。

靶前位移不變、偏移距較大對后期施工的影響和風險：

(1)造斜施工井段：由式(1)得出，造斜段軌跡由二維變?yōu)槿S，定向施工井段增長，并且扭方位井段長度由方位差值的大小決定，當需要扭方位的角度越大，需要定向的井段就越長。

(2)對“狗腿”度的影響：在滿足設計造斜率的情況下，造斜井段需要扭方位增斜作業(yè)，需要更大的“狗腿”度。

(3)對摩阻、鉆柱受力的影響：造斜段扭方位作業(yè)，增大下部井段定向過程的摩阻和扭矩，同時影響通井作業(yè)和完井管柱的下入。

(4)井身質量的影響：扭方位作業(yè)對井身質量和軌跡圓滑影響較大。

(5)鉆井周期的影響：造斜施工井段的增加，延長了定向鉆進時間，增加了定向施工周期。

4 實例分析

4.1 負位移

統計新疆油田完成的水平井直井段的負位移情況，增加了定向作業(yè)井段和施工的周期，以瑪湖區(qū)塊已完成的3口水平井為例(見表3)，實際造斜井段純鉆時間比計劃值增加15%～20%，由于昂貴的旋轉導向(RSS)服務費用，增加的施工周期大大提高了定向作業(yè)成本。

4.2 正位移

新疆油田某水平井設計“狗腿”度為5°/30 m，直井段正位移達到61m，占設計靶前位移的15%以上，減少靶前位移情況下定向段后期實鉆“狗腿”度比設計值高出20%～40%，并且施工進入造斜段后期需要更換造斜工具來滿足設計造斜率要求。

表3 瑪湖部分水平井負位移情況對鉆井工期影響統計Table 3 Summary of effect of negative displacement ofMahu horizontal wells on drilling periods

通過摩阻、扭矩分析計算：與設計相比，滑動鉆進時實鉆摩阻增大了84 kN，增幅45.50%；旋轉鉆進時，實鉆扭矩增大了9.21 kN·m，增幅51.45%。局部“狗腿”度大將對后期完井套管的下入造成不利影響。

4.3 靶前位移不變，偏移距較大的情況

實際造斜段施工中由于方位與設計方位的差值大，并且造斜點井斜較高，增加了定向扭方位作業(yè)，造成定向施工周期增加。使用常規(guī)導向鉆具大段扭方位定向作業(yè)，嚴重制約了機械鉆速的提高，對提速提效造成不利影響，增加了鉆井成本。以新疆油田已完成2口水平井為例(見表4)，其中1口井直井段偏移91 m，且造斜點處井斜6°，閉合方位與設計方位相差近90°，視位移為-1.35 m。

表4 新疆油田水平井鉆井工期影響統計Table 4 Summary of drilling periods of horizontal wellsin Xinjiang Oilfield

通過對該井進行摩阻、扭矩計算分析：實鉆摩阻、扭矩均比設計有所增大，增幅達40%～50%。主要原因是實鉆在造斜點之后開始大段增斜扭方位作業(yè)，導致了鉆具與井壁接觸的側向力的增大，影響了滑動定向鉆進鉆壓的傳遞。

5 結論和建議

(1)直井段偏移對后期定向作業(yè)帶來了不可忽視的影響，因此，直井段井身質量的精細控制要比直井要求更高。

(2)直井段偏移將對定向作業(yè)井段的“狗腿”度、井身質量、軌跡控制難度、作業(yè)井段長度和施工周期造成不同程度的影響。

(3)直井段偏移正位移時，偏移量對實鉆“狗腿”度和軌跡控制的影響顯著，對后期作業(yè)帶來非常不利的影響。

(4)造斜點位置的井斜角對后期軌跡控制帶來更大難度，并且造斜點方位與設計方位的差值決定了定向扭方位井段的長度，對后期施工和完井管柱下入帶來了較大的危害。

(5)建議針對定向井、水平井的直井段的井身質量控制，制定特殊的要求，同時通過優(yōu)化井下鉆具組合和鉆井技術參數，解決直井段偏移帶來的一系列問題。