JPH-411 井三維井眼軌道設計及軌跡控制技術

牛似成

（中國石化華北油氣分公司石油工程技術研究院，河南鄭州 450006）

杭錦旗區塊在規模化開發過程中，面臨井場征 地費用高、征地協調時間長、環保壓力大等問題，利用老井場打新井可以大幅縮短建井周期、降低征地及鉆前作業成本，對于華北油氣分公司加快產建進度意義重大。三維水平井可有效提高老井場利用率，單個井場可鉆進多口三維水平井，實現地質有利發育區的集約化開發，同時多個井口位于同一井場，也便于后期作業管理。目前，國內三維水平井組鉆井技術較成熟，涪陵頁巖氣田、長慶油田、勝利油田、渤海油田等多家單位均已進行了大規模的現場應用[1-5]。2015 年，華北油氣分公司在涇河油田及洛河油田成功實施了多口三維水平井[6-8]，包含首個三維水平井組——LH1-2-7，同一井場實施 3 口井（2 口三維水平井）。國內外很多學者針對水平井三維井眼軌道設計及軌跡控制技術進行了研究[9-13，并取得了較好的認識，針對杭錦旗區塊JPH-411 井鄰井情況及地質中靶要求等對三維井眼軌道進行了優化設計，并在實鉆過程中總結出一套實鉆軌跡控制技術。

1 三維井眼軌道設計及控制難點

杭錦旗區塊構造上位于鄂爾多斯盆地伊盟北部隆起帶，JPH-411 井位于杭錦旗區塊錦 58 井區工程復雜中低風險區，與 JPH-410 井同井場。JPH-411 井設計目的層為下石盒子組盒1 段，垂深3 152 m，A 靶點靶前距450 m，偏移距218 m，設計水平段長1 000 m，水平段方位150.79°。基于JPH-411 井地質中靶數據，分析三維井眼軌道設計及控制難點主要有三點：①JPH-411 井與JPH-410 井井口間距僅為4.62 m，直井段若未進行防碰設計則最近距離均小于30.00 m，必須進行軌道防碰設計，直井段進行防碰設計后，必然增大后續三維增斜扭方位井段的設計及實施難度；②JPH-411 井靶前距及偏移距均較大，扭方位時機確定難度較大，若提前扭方位偏移距，可能無法達到設計要求，會造成中靶困難，若滯后扭方位，靶前距位移又很難滿足定向工具造斜要求，大井斜情況下扭方位難度非常大，且較大的靶前距及偏移距必然造成斜井段較長，鉆具組合與井壁的接觸面積增大，摩阻扭矩必然增大，且鉆進后續井段托壓亦會較嚴重；③杭錦旗區塊在前期的勘探開發過程中，儲層非均勻性分布較為明顯，且對儲層垂深的預測存在較大的不確定性，往往需要根據實鉆地層情況調整中靶軌跡，這給三維井眼軌道順利著陸帶來了較大的挑戰。

2 三維井眼軌道優化設計

2.1 設計思路

針對JPH-411 井地質中靶要求及實鉆面臨問題，將三維井眼軌道優化設計為“直井段（微增斜）-二維增斜段-三維增斜扭方位井段-穩斜段-二維增斜段-水平段”六段制軌道剖面。直井段采用微增井斜增大設計軌道與JPH-410 井實鉆軌跡最近距離及分離系數，實現有效防碰；第一段二維增斜段沿初始扭方位鉆進，減小偏移距及靶前距，降低后續增斜方位對中靶難度；三維增斜扭方位段同時增斜扭方位，盡量減小斜井段長度，減低摩阻扭矩；穩斜段預探目的層頂界，可根據目的層頂界垂深變化及時調整長度，后續緊跟第二段二維增斜段著陸中靶；水平段按照多靶點控制要求實施，具體情況見圖1。

圖1 JPH-411 井六段制三維井眼軌道設計示意圖

2.2 直井段防碰繞障軌道

待設計JPH-411 井與實鉆JPH-410 井井口相距4.62 m，JPH-411 井井眼軌道若不進行防碰繞障設計，則由井口至造斜點最近距離均小于30.00 m，且部分井段分離系數小于2，碰撞減風險較大。JPH-411井一開后直井段采用微增斜沿增大最近距離方位鉆進，即120°左右，最大井斜角控制在1.5°左右。井眼軌道水平位移增大至30.00 m左右后降斜至0°，不再增大水平位移，避免水平位移增大后對后續增斜扭方位產生較大影響，具體數據見表1。

2.3 第一段二維增斜段軌道

第一段二維增斜段軌道設計主要目的為確定初始方位角、縮短偏移距。初始方位角確定后，初始方位角與水平段方位角的夾角即為扭方位工作量，一般扭方位工作量在 60°～70°較為合適。扭方位工作量和偏移距與靶前距之比值相關性較強，偏移距與靶前距之比值越大，則扭方位工作量越大；反之，實鉆過程中初始方位角與水平段方位角夾角越大，則偏移距減小越快。初始扭方位角與水平段方位夾角為90°時，偏移距減小最快，但增加了扭方位工作量，大大增加了后續增斜扭方位井段實施難度。

表1 JPH-411 井直井段防碰繞障軌道

JPH-411 井基于水平段靶點垂深、方位情況，通過迭代計算得到了初始扭方位角度為78.96°，與水平段方位角150.79°夾角為71.83°。根據國內多名學者研究結果[15]，第一段二維增斜段井斜角不宜大于40°，可為后續扭方位鉆進提供足夠的井斜變化空間。考慮到造斜工具能力、完井管柱下入需求和減小降摩減扭等多方面因素，第一段二維增斜段造斜率控制在4°～6°/30 m。

2.4 三維增斜扭方位段軌道

三維增斜扭方位段以扭方位為主、增斜為輔，對比了多種井眼軌道計算方法，最終確定采用恒工具面角法設計了三維增斜扭方位井段軌道[9]。恒工具面角法計算井眼軌道，工具面角及造斜率恒定，井斜小時方位變化率較大，而井斜較大時方位變化率小。造斜率仍考慮造斜工具能力、完井管柱下入需求、減小降摩減扭等多方面因素，取值4°～6°/30 m，井斜增大至78°時，方位扭正至水平段方位150.79°。

2.5 穩斜段及第二段二維增斜段軌道

針對杭錦旗區塊儲層垂深不確定性，采用穩斜段+第二段二維增斜段著陸中靶，即通過穩斜段預探儲層頂界，調整穩斜段長及第二段二維增斜段造斜率確保準確中靶。根據 JPH-411 井鄰井盒 1 段儲層，預測垂深與實鉆垂深誤差為3～10 m，以扭正方位150.79°、井斜78°計算出穩斜段長45 m，第二段二維增斜段以扭正方位 150.79°和造斜率 4°～6°/30 m 鉆進著陸中靶。穩斜段垂深變化10 m 左右、造斜段垂深變化6 m 左右，即該井盒1 段儲層垂深提前或滯后出現10 m，可縮短或增加穩斜段長，調整第二段二維增斜段造斜率，確保準確著陸中靶。

2.6 水平段軌道及全井段三維井眼軌道

長慶油田、勝利油田三維水平井均采用三級井身結構。長慶油田三開水平段采用φ215.9 mm 鉆頭鉆進，從而完成1 500 m 水平段施工；勝利油田三開水平段采用φ152.4 mm 鉆頭鉆進，水平段長度多為800～1 500 m[3-5]。JPH-411 井采用三級井身結構，針對三開水平段進行了鉆具鉆進及完井管柱下入模擬分析，計算結果表明三開水平段以不超過2 000 m為宜。水平段井眼采用多靶點井眼軌道設計，每100 m 設置一個中間靶點，通過多個靶點確保水平段井眼軌道在目的層內穿行。基于各井段三維井眼軌道設計，得到了JPH-411 井全井段三維井眼軌道設計（表 2）。

表2 JPH-411 井全井段三維井眼軌道設計

3 井三維井眼軌跡控制技術

JPH-411 井優化設計的六段制井眼軌道剖面實鉆過程中必須精細控制才可以滿足地質中靶要求，解決實鉆問題。與常規二維井眼軌跡控制不同的是，三維井眼軌跡具有較大的偏移距，井斜及方位均要發生變化，且大井斜下方位變化較為困難，且控制三維井眼軌跡變化平滑是保證后續套管下入的關鍵。因此，對三維井眼軌跡進行了分井段精細化控制。

3.1 直井段井眼軌跡控制

JPH-411 井直井段井眼軌跡控制關鍵是防碰繞障及軌跡平滑。直井段首先按照防碰繞障設計要求沿擴大與JPH-410 井實鉆軌跡最近距離方位120°進行微增斜鉆進，采用“PDC 鉆頭+1.25°單彎螺桿+MWD”鉆具組合定向滑動鉆進出增斜趨勢后，再采用復合鉆進，實時測量井斜數據并及時調整。計算JPH-411 井實鉆軌跡與JPH-410 井實鉆軌跡最近距離，待最近距離增大至安全允許范圍后（大于30 m），逐步在井斜不變的情況下將方位調整至80°左右，與后續第一段二維增斜段初始方位角相同。為保證直井段井眼軌跡光滑，不再強行將井斜降至0°，即直井段沿初始方位角方向進行微增斜鉆進，提前縮小偏移距，減小第一段二維增斜段偏移距工作量。整個直井段井眼軌跡控制要求井斜角小于 2°，全角變化率小于1°/30 m。

優選直井段鉆具組合，具體為：φ222.3 mm PDC鉆頭+φ165.0 mm×1.25°單彎螺桿+短鉆鋌+φ220.0 mm 扶正器+定向接頭+MWD+φ165.0 mm 無磁鉆鋌×2+φ165.0 mm 鉆鋌×8+φ127.0 mm 加重鉆桿×31+φ127.0 mm 鉆桿串。

3.2 第一段二維增斜段軌跡控制

第一段二維增斜段沿初始方位角進行增斜鉆進，因前期直井段已鉆進了一部分偏移距，對增斜段待鉆井眼軌道進行了重新設計。增斜段重點井斜角由38°減小至30°，垂深及偏移距不變，造斜率5.4°/30 m，實鉆過程中實時調整定向鉆進與復合鉆進比例，確保增斜段井斜、垂深及偏移距成比例增加。

優選斜井段鉆具組合，具體為：φ222.3 mm PDC鉆頭+φ165.0 mm×1.50°螺桿+MWD+φ165.0 mm 無磁鉆鋌×2+φ127.0 mm 鉆桿×45+φ127.0 mm 加重鉆桿×40+φ127.0 mm 鉆桿串。

3.3 三維增斜扭方位段軌跡控制

經過第一段二維增斜段增斜鉆進，井斜角增大至30°左右，偏移距亦縮小至合理范圍，井眼軌跡進入最佳增斜扭方位井段。增斜扭方位段前期通過試鉆，明確在地層等多因素影響下，不同工具面角對井斜變化率及方位變化率的分配情況，即在某一工具面角下定向鉆進 1 m，井斜及方位分別變化多少，由此確定后續工具面角擺放的范圍。每鉆進1 個單根測量實鉆軌跡井斜數據，預測井底實鉆軌跡數據，并對待鉆井眼軌道適當修正，制定下個單根復合鉆進及定向鉆進比例、定向鉆進時的工具面角，由此保證實鉆軌跡沿著設計井眼軌道進行鉆進。根據地層調整復合鉆進及定向鉆進比例可以降低定向實施難度，提高鉆進速度，但同時也會增大全角變化率，對軌跡實施帶來一定的不確定性。通過精細控制三維增斜扭方位段軌跡，井斜增大至78°，方位扭正至149.39°，水平段方位要求 150.79°，基本實現了方位扭正。

3.4 穩斜段及第二段二維增斜段軌跡控制

三維增斜扭方位井段之后，設計45 m 穩斜段，預探盒1 段目的層頂界。實鉆結果表明，各層位垂深較設計預測值稍有滯后，預測A 靶點垂深3 144.5 m，較設計預測A 靶點垂深3 143.0 m 推遲1.5 m 左右，適當縮短穩斜段長度，采用單增模式著陸中靶，提高鉆進速度。穩斜段及第二段二維增斜段繼續采用增斜鉆具組合鉆進，穩斜段采用增斜鉆具鉆進需要不斷調整工具面定向鉆進消減增斜趨勢，鉆進速度較低。

3.5 水平段軌跡控制

水平段采用多靶點井眼軌道設計，實鉆軌跡亦采用多靶點實現有效控制。通過前期理論分析及不同鉆具組合應用實踐表明，三開鉆具組合加放φ 150.0 mm 扶正器可以提高鉆具整體剛性，消減帶螺桿鉆具增斜趨勢，減少三開水平段穩斜鉆進過程中的定向鉆進比例，保障三開水平段井眼軌跡光滑平順，提高三開水平段機械鉆速。優選水平段鉆具組合：φ152.4 mm 鉆頭+φ127.0 mm×1.25°螺桿+φ 150.0 mm 扶正器+MWD+φ127.0 mm 無磁鉆鋌+φ 88.9 mm 鉆桿×150+φ88.9 mm 加重鉆桿×40+φ 88.9 mm 鉆桿串。

4 實施效果分析

實施三維井眼軌道設計及軌跡控制技術，提高了三維水平井現場可操作性，實現了準確著陸中靶，確保了三維水平井快速安全成井。JPH-411 井鉆井周期63.79 d，機械鉆速10.42 m/h，與同井場JPH-410 井機械鉆速10.56 m/h 相當。

采用水平距離法計算了JPH-411 井直井段、斜井段軌跡符合率，測點間距為30 m， JPH-411 井實鉆軌跡復合率為81.70%。此外，統計分析了JPH-411 井直井段、斜井段各測點水平距離及全角變化率（圖2 和圖3），從圖中可明顯看出，JPH-411 井實鉆軌跡與設計軌道吻合度較高。

圖2 JPH-411 井實鉆軌跡與設計軌道水平距離

針對實鉆軌跡進行了二開中完技術套管下入能力分析及三開完井管柱下入能力分析。計算結果表明，均可安全下入，現場亦實現了二開中完技術套管及三開完井管柱安全下入。

5 結論與建議

（1）針對杭錦旗區塊地質中靶要求及實鉆面臨問題，以快速安全鉆井、減小施工難度為目標，優化形成六段制三維井眼軌道設計及軌跡控制技術，在現場應用過程中取得了較好的效果。

（2）杭錦旗區塊在現場實施三維水平井過程中，建議推廣應用六段制三維井眼軌道設計及軌跡控制技術。

圖3 JPH-411 井實鉆全角變化率與設計全角變化率