頁巖氣井眼剖面設(shè)計技術(shù)研究

劉建彬

摘要：合理的軌道設(shè)計是長水平段水平井取得成功的關(guān)鍵，井眼剖面在保證不超過鉆柱扭矩極限的情形下，還需要滿足盡量增大水平延伸距離，降低摩阻扭矩，提高鉆柱和測量工具的通過能力。鉆井摩阻除了在施工中采取一些技術(shù)措施能夠有效控制或在一定范圍內(nèi)有所降低外，設(shè)計低摩阻井眼軌道是非常重要的手段。在設(shè)計井眼軌道時，應(yīng)用摩阻預(yù)測技術(shù)計算算各種類型井眼軌道的摩阻，選擇出低摩阻井眼軌道，同時為鉆機、鉆井液類型以及下套管方式的選擇等提供依據(jù)，為現(xiàn)場施工提供參考。

關(guān)鍵詞：頁巖氣;井眼軌跡;

1 剖面設(shè)計原則

涪陵頁巖氣水平井水平段長度達到1500～2200米，長水平段水平井施工的最大困難，即管柱在井內(nèi)的摩阻和扭矩過高。減少長水平段水平井摩阻扭矩的方式有很多，首先要從井眼軌道設(shè)計入手，設(shè)計出摩阻扭矩最小的井眼軌道是長水平段摩阻扭矩控制技術(shù)的關(guān)鍵之一，因此長水平段水平井剖面設(shè)計的基本原則就在于降低摩阻和扭矩。

2 剖面類型優(yōu)選

2.1 常用剖面類型

水平井軌道的基本形狀有兩類，一類是單增軌道，由“直一增一平”三段組成，增斜段有圓弧形（恒曲率），也有懸鏈線等（變曲率）形狀。另一類是雙增軌道，由“直一增一穩(wěn)一增一平”五段組成，兩次增斜段都是圓弧形。單增軌道多用于對目標層位和造斜率掌握較準確的情況下，雙增軌道則多用于地質(zhì)不確定性較高和對造斜率預(yù)計不準確的情況下。

2.2 涪陵頁巖氣水平井所選用的剖面類型

涪陵頁巖氣水平井所選用的剖面基礎(chǔ)類型為“直-增-穩(wěn)-增-水平”五段制剖面，但由于穩(wěn)斜井段很長，在鉆進過程中，往往出現(xiàn)“穩(wěn)不住”的情況，因此將穩(wěn)斜段設(shè)計成“微增穩(wěn)斜軌道”，剖面類型優(yōu)化為“直-增-微增-增-水平”剖面。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)該地區(qū)地質(zhì)特點、工程特點，將二開井段設(shè)計為“先低后高”的變曲率剖面，三開井段設(shè)計為“先高后低”的變曲率剖面。

2.3 優(yōu)化剖面的優(yōu)勢

二開井段采用“先低后高”的變曲率剖面能夠降低最大側(cè)向力、降低井下摩阻扭矩，提高鉆柱通過能力和水平段延伸能力，保證井下鉆具安全。

三開采用采用“先高后低”的變曲率井眼剖面能夠很好的應(yīng)對定向施工中、后期設(shè)計靶點的臨時調(diào)整，避免井眼軌跡的大幅度變化，保證井眼軌跡平滑。

3 剖面參數(shù)設(shè)計原則

3.1造斜點

造斜點越淺、斜井段越長，則拉力、扭矩增大，控制井段加長，容易形成鍵槽，井眼軌跡控制困難;滑動鉆進摩阻在穩(wěn)斜角不變的情況下隨造斜點的提高而增加。在水平位移很大的情況下，就要選擇合適的曲線類型，使造斜點盡量的深，以加長直井段、縮短斜井段，使鉆進和下套管時具有較大的推動力。

3.2造斜率

造斜率和造斜率變化率的減小，曲線更趨平滑，則拉力、扭矩、摩阻減小，造斜率一定要盡量小并且要保證造斜率的穩(wěn)定。

保證所設(shè)計的造斜率達到要求是井眼軌跡控制的關(guān)鍵。如果造斜段造斜率難以達到設(shè)計要求（低于設(shè)計值），一旦出現(xiàn)突發(fā)情況，會造成后面施工非常被動。因此造斜段可考慮使用理論造斜率略大的螺桿鉆具，一般會選擇工具的造斜能力比設(shè)計造斜率高 20～30%。

3.3 穩(wěn)斜角

旋轉(zhuǎn)扭矩、起下鉆摩阻隨穩(wěn)斜角的增大而減小;滑動鉆進摩阻隨穩(wěn)斜角的增大而增加。在最佳穩(wěn)斜角的條件下，應(yīng)使斜井段長度最短。斜井段越短，摩阻、扭矩越小。在穩(wěn)斜角相同時，穩(wěn)斜段越短，摩阻和扭矩越小。

4 剖面設(shè)計

通過摩阻扭矩計算分析，一口井中側(cè)向力最大的井段主要在造斜點以下100m左右的井段。而側(cè)向力越大，摩阻扭矩就越大，同時對鉆柱及套管的磨損和破壞也越大，并且鉆柱、套管發(fā)生屈曲破壞、斷裂基本上也全在造斜點附近側(cè)向力最大的井段。因此，一定要盡可能減小側(cè)向力。而減小側(cè)向力的方法，除了鉆具尺寸、鉆井參數(shù)、井眼質(zhì)量等因素外，最主要的就是井眼剖面的優(yōu)化：在定向剛開始的100m左右，以較低的造斜率定向施工，以減小井斜方位的突然變化率，在井斜達到15～20°以后，再恢復(fù)到原設(shè)計造斜率施工，這樣可以有效降低最大側(cè)向力，降低摩阻扭矩。

復(fù)合鉆進狀態(tài)比滑動定向鉆進狀態(tài)相比有顯著優(yōu)點：減少摩阻，易加鉆壓;破壞巖屑床，清潔井眼;提高井眼質(zhì)量，特別是能夠大幅度提高機械鉆速，因此可考慮通過復(fù)合鉆進行輔助增斜。二維井中，改變定向鉆具組合，去掉欠尺寸扶正器（平均復(fù)合增斜率0.06～0.1°/m）;三維井中，在長穩(wěn)斜段采用微增鉆具組合（平均復(fù)合增斜率0.01～0.02°/m）。通過復(fù)合鉆輔助增斜，增加復(fù)合鉆進尺，減少定向進尺，提高φ311.2mm大井眼定向速度。并且采用少定向、多打復(fù)合鉆的方式也進一步保證了井眼軌跡的平滑，確保中完電測及技術(shù)套管的順利下入。

5 結(jié)論

1、二維井剖面：剖面類型選為單圓弧剖面（直-增-水平），定向至井斜20～30°，采用復(fù)合鉆增斜（造斜率0.06～0.1°/m）直到中完（50～55°）。

2、三維井剖面：剖面類型選為五段制剖面（直-增-微增-增-水平），定向至井斜25°左右，復(fù)合鉆600～1400m，井斜微增到35～40°（造斜率0.01～0.02°/m），定向扭連線方位，然后復(fù)合鉆微增斜直到中完（50～55°）。

3、優(yōu)化后的井眼剖面，非常適合于涪陵地區(qū)水平井的特點，在提高定向機械鉆速的同時，能有效降低全井摩阻和扭矩，在現(xiàn)場應(yīng)用取得非常好的效果。