延安氣田延113- 133 區(qū)塊三維水平井井眼軌跡設(shè)計(jì)技術(shù)與應(yīng)用

唐明明 李 成 賈福東 楊海華 蘇 明 羅向東

1.延長(zhǎng)石油集團(tuán)油氣勘探公司 陜西延安 716000；2.斯倫貝謝長(zhǎng)和油田工程有限公司 陜西西安 710016；3.斯倫貝謝中國(guó)公司 北京 100015

相較于二維水平井，三維水平井軌道更復(fù)雜，施工難度更大。井眼軌跡優(yōu)化設(shè)計(jì)可降低鉆井施工難度，提高鉆井效率，可經(jīng)濟(jì)高效地命中地質(zhì)目標(biāo)。筆者認(rèn)為三維水平井軌跡優(yōu)化設(shè)計(jì)不是以尋求一條滿(mǎn)足曲線最短或最方便定向操作為目標(biāo)的空間曲線，而是在滿(mǎn)足各約束條件下設(shè)計(jì)出一條相對(duì)適宜的斜井段剖面。基于此，結(jié)合延安氣田延113- 133 區(qū)塊特點(diǎn)，以行業(yè)首推的最小曲率法[1-2]為計(jì)算方法，通過(guò)引入輔助點(diǎn)輔助設(shè)計(jì)，改進(jìn)傳統(tǒng)的五段制三維水平井軌跡設(shè)計(jì)模型，以增斜扭方位的方式在A 點(diǎn)之前實(shí)現(xiàn)糾偏，然后以平面圓弧著陸，采用試錯(cuò)法通過(guò)優(yōu)選造斜點(diǎn)、狗腿度等參數(shù)優(yōu)化三維水平井軌跡設(shè)計(jì)。

1 區(qū)塊特點(diǎn)及三維水平井軌跡約束條件

延安氣田延113- 133 區(qū)塊位于鄂爾多斯盆地南緣。水平井鉆遇地層自上而下主要為延安組、延長(zhǎng)組、紙坊組、和尚溝組、劉家溝組、石千峰組、石盒子組和山西組，目的層為山西組底部山23 砂體。上部地層總體穩(wěn)定，可鉆性好；劉家溝組與石千峰組上部地層天然裂縫發(fā)育普遍存在漏失現(xiàn)象；劉家溝組砂泥巖互層可鉆性差；山23 砂體上部存在煤層與碳質(zhì)泥巖地層，穩(wěn)定性差、易坍塌，石英砂巖可鉆性較差。氣田水平井采用四開(kāi)制井身結(jié)構(gòu)，二開(kāi)311.1mm 井眼，三開(kāi)215.9mm 井眼段，三開(kāi)下177.8mm尾管。開(kāi)發(fā)方案限定了目的層間最小距離，同時(shí)出于動(dòng)用資源壓覆區(qū)儲(chǔ)量的目的，大位移水平井較多。目前已完成的22 口三維水平井平均靶前距1046m，平均偏移距671m，平均有效靶前距750m，靶前距、偏移距較長(zhǎng)，屬于長(zhǎng)半徑水平井。

1.1 造斜點(diǎn)、造斜段選擇

造斜點(diǎn)與造斜段應(yīng)避開(kāi)可鉆性差及復(fù)雜地層，例如劉家溝組地層可鉆性差，同時(shí)存在普遍漏失，應(yīng)盡量避免在該地層造斜。為了避免斜井段過(guò)長(zhǎng)、穩(wěn)斜角較小，造斜點(diǎn)可適當(dāng)下移。穩(wěn)斜角保持在20°～30°比較合適。若造斜點(diǎn)太淺、斜井段過(guò)長(zhǎng)，一方面增加了穩(wěn)斜難度，另一方面增加了鉆具與井壁接觸段，造成摩阻扭矩高。若穩(wěn)斜角小，則方位易漂移。因此，造斜點(diǎn)選擇受靶前距、偏移距約束，需要根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整。

1.2 井身結(jié)構(gòu)對(duì)水平井軌跡的影響

311.1mm 大井眼機(jī)械鉆速低，應(yīng)該盡量減少311.1mm 井眼定向工作量。扭方位段設(shè)計(jì)在三開(kāi)215.9mm 井眼，采用增斜扭方位法，充分利用螺桿鉆具復(fù)合鉆進(jìn)自然增斜減少滑動(dòng)，利于套管下入。部分油田三維水平井糾偏過(guò)程中采用穩(wěn)斜扭方位，扭方位過(guò)程中，只改變方位，井斜不變，減少了定向井工程師的計(jì)算與預(yù)測(cè)難度，操作簡(jiǎn)單，但存在不少缺點(diǎn)。

（1）螺桿鉆具復(fù)合鉆具普遍增斜，穩(wěn)斜扭方位，實(shí)際需要適度滑動(dòng)降斜抑制井斜自然增長(zhǎng)，增加了滑動(dòng)工作量。

（2）小井斜側(cè)向位移增加慢，因此在相同偏移距情況下，穩(wěn)斜扭方位偏轉(zhuǎn)角更大，需要扭方位幅度更大，大偏移距三維水平井的情況下更加明顯。

（3）三開(kāi)215.9mm 井眼下177.8mm 尾管是氣田水平井鉆井施工的一個(gè)難點(diǎn)，穩(wěn)斜扭方位因?yàn)榕し轿环却螅黾恿讼绿坠茈y度，因此延北項(xiàng)目三維水平井在三開(kāi)階段采用增斜扭方位更合適。

1.3 靶前距、螺桿造斜能力、地層自然造斜率、目的層不確定性約束設(shè)計(jì)狗腿度

設(shè)計(jì)狗腿度太低會(huì)增加斜井段長(zhǎng)度，甚至需要滑動(dòng)降斜控制自然增斜趨勢(shì)。設(shè)計(jì)狗腿度太高可能造成摩阻扭矩大，目的層提前需要快速增井斜。提前著陸時(shí)，螺桿鉆具造斜率不能滿(mǎn)足要求，甚至存在卡鉆等風(fēng)險(xiǎn)。綜合考慮靶前距、螺桿鉆具造斜能力、地層自然造斜率、井眼尺寸、目的層不確定性等因素，二開(kāi)311.1mm 大尺寸井眼螺桿造斜率低，推薦狗腿度2.5°- 3°/ 30m；三開(kāi)215.9mm 井眼推薦狗腿度3°/ 30m 左右；三開(kāi)設(shè)計(jì)狗腿度遠(yuǎn)低于螺桿造斜能力，如果目的層提前有充足的空間提高造斜率提前著陸。

1.4 煤層、山西組砂巖段減少滑動(dòng)

煤層滑動(dòng)鉆進(jìn)卡鉆風(fēng)險(xiǎn)高，山西組石英砂巖可鉆性差，滑動(dòng)鉆進(jìn)鉆頭磨損快，減少砂巖段滑動(dòng)鉆進(jìn)可提高單只鉆頭進(jìn)尺。因此，煤層段與山西組砂體頂部至山23 砂體中部著陸點(diǎn)井段應(yīng)該適當(dāng)降低設(shè)計(jì)狗腿度，等于或略大于地層自然造斜率以減少滑動(dòng)。

2 基于最小曲率法的平面圓弧著陸法三維水平井軌跡設(shè)計(jì)模型建立

2.1 模型思路

各油田基于不同的認(rèn)識(shí)與區(qū)塊特點(diǎn)，在三維水平井軌跡設(shè)計(jì)方面有著不同的策略。行業(yè)內(nèi)較普遍的做法是應(yīng)用compass、DOX 等軌跡設(shè)計(jì)軟件，以最小曲率法為計(jì)算方法，選用“直- 增- 穩(wěn)- 增扭- 水平”五段制剖面。龐明越等[2]針對(duì)渤海油田“直- 增- 穩(wěn)- 增扭- 水平”五段制剖面三維水平井，建立了以井眼軌道長(zhǎng)度最短為目標(biāo)的軌跡設(shè)計(jì)模型，實(shí)現(xiàn)快速計(jì)算最短總井深下的軌跡節(jié)點(diǎn)參數(shù)，再應(yīng)用compass 固定模型實(shí)現(xiàn)軌跡快速設(shè)計(jì)。因最小曲率法下無(wú)法實(shí)現(xiàn)穩(wěn)斜扭方位，李偉等[3]運(yùn)用螺線圓柱法[4]提出了“直- 增- 穩(wěn)- 穩(wěn)扭- 穩(wěn)- 增- 水平段”七段式軌跡優(yōu)化方案，將常規(guī)三維水平井軌跡中增斜扭方位的第二個(gè)圓弧段分解為穩(wěn)斜扭方位段與鉛錘面上的增斜扭方位段，方便扭方位期間定向施工，也避免了一直扭方位到A 點(diǎn)，在涪陵氣田得以應(yīng)用。基于延113- 133 區(qū)塊井身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及認(rèn)識(shí)，認(rèn)為其不適宜應(yīng)用穩(wěn)斜扭方位法設(shè)計(jì)三維水平井，而且螺線圓柱法是變曲率曲線，如果測(cè)斜間距較大，可能產(chǎn)生垂向誤差，影響著陸精度。

同時(shí)，存在目的層垂深的不確定性。如果目的層提前，實(shí)鉆中需要對(duì)軌跡進(jìn)行調(diào)整，提前著陸。對(duì)二維水平井螺桿造斜率可全部用于增井斜，三維水平井此時(shí)方位還沒(méi)扭到位，增井斜的同時(shí)還需要扭方位，為了順利著陸只能放棄調(diào)整方位全力增井斜，這樣可能導(dǎo)致在水平方向上脫靶，或者四開(kāi)水平段山西組砂體段繼續(xù)滑動(dòng)調(diào)整方位，砂巖段滑動(dòng)造成鉆頭提前報(bào)廢。雖然多學(xué)者提出了各種各樣的三維水平井軌跡設(shè)計(jì)模型，但往往難以尋求一條既有完美數(shù)學(xué)解又滿(mǎn)足工程約束條件、切合實(shí)際作業(yè)、滿(mǎn)足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的三維水平井軌跡設(shè)計(jì)方法。

結(jié)合實(shí)際情況對(duì)傳統(tǒng)的五段制進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化，將第二個(gè)增斜扭方位段優(yōu)化為增斜扭方位段+ 平面圓弧增斜段。其核心在于引入一個(gè)虛擬靶點(diǎn)Vt 點(diǎn)，第二個(gè)圓弧段采用增斜扭方位消除偏移距，增斜扭方位至著陸前井斜為INCvt 的Vt 點(diǎn)時(shí)VtA 連線方位等于水平段方位AZIa，其后采用平面圓弧法只增井斜，不必考慮方位直至A 點(diǎn)。

2.2 AB靶前虛擬靶點(diǎn)Vt 坐標(biāo)確定

假設(shè)在以井口為原點(diǎn)的空間坐標(biāo)系中A 點(diǎn)的相對(duì)坐標(biāo)為(NaEaTVDa) ,Vt 點(diǎn)坐標(biāo)為(Nvt Evt TVDvt),Vt點(diǎn)井斜為INCvt，Vt 點(diǎn)到A 點(diǎn)圓弧曲率為K。則得到式（1）—式（3）。

計(jì)算出Vt 點(diǎn)坐標(biāo)后，Vt 點(diǎn)之前井段可用傳統(tǒng)的直-增- 穩(wěn)- 增扭法完成設(shè)計(jì)；VtA 段用平面圓弧完成，單增或雙增均可；Vt 點(diǎn)井斜及VtA 段曲率可任意設(shè)定，Vt 點(diǎn)井斜設(shè)定83°左右比較合適。

3 應(yīng)用實(shí)例及效果分析

實(shí)驗(yàn)井A 是延安氣田的一口三維水平井，設(shè)計(jì)靶前距549.91m，偏移距299.5m，有效靶前距461.19m。該井靠近河道帶邊緣，地質(zhì)不確定性高。已知AB 靶點(diǎn)的相對(duì)坐 標(biāo) 參 數(shù) 分 別 為 A (415.02，360.77，2848.41)，B(1306.41，486.01，2848.41)，水平段井斜90°，方位8°。設(shè)定在井斜83°，將井眼軌跡調(diào)整至方位為8°等于水平段方位，偏移距達(dá)到AB 點(diǎn)的反向延長(zhǎng)線上的Vt 點(diǎn)，后續(xù)井段采用較低的造斜率2.7°/ 30m 增斜至A 點(diǎn)。代入上式求得Vt 點(diǎn)相對(duì)坐標(biāo)為Vt（338.15，349.97，2843.66）。優(yōu)化后的三維水平井軌跡數(shù)據(jù)如表1，水平投影圖如圖1所示。

表1 優(yōu)化后三維水平井軌跡設(shè)計(jì)剖面節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)

圖1 優(yōu)化后三維水平井水平投影圖

造斜點(diǎn)選在紙坊組1620m 地層可鉆性好，311.1mm大井眼螺桿造斜率低，以2°/ 30m 增斜率快速完成增斜。本井偏移距299.5m 相對(duì)較小，增斜至16.07°即可，隨后311.1mm 井眼穩(wěn)斜至二開(kāi)完。因本井有效靶前距461.19m 相對(duì)較小，三開(kāi)215.9mm 小井眼造斜率高，因此三開(kāi)后以狗腿度為約束條件，以3.7°/ 30m 恒定狗腿度增斜扭方位至83°，方位扭至8°對(duì)準(zhǔn)水平段方位。此過(guò)程中井斜變化率逐漸增大，方位變化率逐漸變小，即在小井斜易扭方位段早扭方位。隨著井斜增大，復(fù)合鉆進(jìn)自然增斜率提高，設(shè)計(jì)造斜率也與實(shí)際施工一致逐漸增大。斜深提前77.8m 對(duì)準(zhǔn)靶點(diǎn)，入窗段以較低的狗腿度2.7°/ 30m 單增井斜至A 點(diǎn)著陸。實(shí)鉆中，如果目的層不提前，則2.7°/ 30m 的造斜率略大于復(fù)合鉆進(jìn)自然增斜率。因?yàn)榇藭r(shí)方位已經(jīng)提前調(diào)整到位，稍微滑動(dòng)一點(diǎn)即可順利入窗。如果目的層提前，因?yàn)楸緛?lái)設(shè)計(jì)2.7°/ 30m 的造斜率相對(duì)較低，有足夠的余量可以提高造斜率，實(shí)現(xiàn)順利入窗。

實(shí)驗(yàn)井A 實(shí)際鉆井過(guò)程目的層垂深提前近7m，實(shí)鉆3080m 井斜達(dá)到83.6m，方位8.7°，基本扭方位到位，調(diào)整空間充足。從3080m 入窗3120m，僅滑動(dòng)11m 井斜達(dá)到90°著陸入窗成功。與傳統(tǒng)方法相比，砂巖段滑動(dòng)進(jìn)尺減少約一半。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）延安氣田延113- 133 區(qū)塊三維水平井軌跡扭方位階段宜采用增斜扭方位的方式。

（2）增斜扭方位的終點(diǎn)，即平面圓弧的起點(diǎn)推薦設(shè)置在預(yù)計(jì)砂頂位置，井斜83°。

（3）在應(yīng)用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)推薦的最小曲率法計(jì)算的基礎(chǔ)上，通過(guò)引入虛擬靶點(diǎn)Vt 輔助設(shè)計(jì)，在三維水平井軌跡設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)了增斜扭方位，以平面圓弧著陸的優(yōu)化。同時(shí)又考慮了延北項(xiàng)目實(shí)際情況的約束條件，既符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)又高效實(shí)用，為三維水平井軌跡設(shè)計(jì)開(kāi)拓了新思路。

（4）實(shí)驗(yàn)井A 應(yīng)用此種設(shè)計(jì)模型在目的層提前近7m 的情況下順利實(shí)現(xiàn)入窗，著陸過(guò)程中砂巖段減少了滑動(dòng)比例；四開(kāi)后不必繼續(xù)調(diào)整方位，減少了鉆頭磨損，提高了單只鉆頭進(jìn)尺，提高了鉆井效率，應(yīng)用效果良好。