基于摩阻分析的大偏移距平臺雙二維水平井偏移點位置優化

張盛良，車 陽，孫 達，關躍陽

（1.中國石油吉林油田鉆井工藝研究院，吉林 松原 138000；2.中國石油工程技術研究院有限公司，北京 102200）

0 引言

吉林油田已轉入低滲透、低豐度、低產量開發階段，針對低滲透油藏開展大井叢平臺井集約化建設是提高單井產量與區塊采收率、降低產能建設投資與運行成本的有效手段。但大偏移距平臺水平井常規設計方法存在造斜段施工難度大，水平段后期摩阻大[1-2]的難題，而采用三維降為“雙二維”的第1剖面走偏移距而第2剖面小井斜扭方位的井眼軌跡優化技術，理論上不僅使得水平井軌跡易控制，還能有效防碰，降低鉆柱摩阻[3-5]，從而促進鉆井的提速降本。

國內一些學者在雙二維水平井優化設計方面開展了研究。劉茂森等對比分析了雙二維水平井與三維水平井，指出雙二維水平井具有施工難度小、鄰井碰撞風險低和作業費用低的優點；并針對頁巖氣雙二維水平井，分析了水平段極限延伸能力的影響因素。肖俊指出雙二維軌道設計在實際應用中會受到一些客觀條件的制約，如水平井的偏移距和垂深，推薦了采用雙二維剖面小偏移距井眼的偏移距與靶前距的數值范圍。時培忠[6]以鉆具扭矩、套管安全下入為評價標準，對比分析了雙二維軌跡、小井斜扭方位軌跡及常規三維設計方法，指出三類軌跡各有優缺點，在偏移距處于130～340 m范圍內優先推薦雙二維軌跡設計方法。

對于大偏移距的雙二維水平井，偏移距越大，剖面優化難度越大，且鉆井無效進尺越多，摩阻扭矩也會相應增大，水平段長度延伸難度也加大，然而目前對此大偏移距井眼軌跡的優化設計尚未見報道。因此，本文對大偏移距平臺雙二維剖面井眼軌跡關鍵參數——偏移點的位置參數（如偏移距，垂深和偏移角）對鉆柱摩阻的影響規律展開研究，確定較優偏移點位置參數范圍，并結合雙二維剖面井實際采油的檢泵情況，為大偏移距平臺雙二維水平井井眼軌跡優化設計提供建議與參考。

1 雙二維水平井井眼軌跡設計及鉆柱摩阻計算參數設置

1.1 雙二維水平井井眼軌跡設計

雙二維水平井井眼軌跡設計是將三維水平井的井眼軌跡設計在2個相交的鉛垂面中，每個鉛垂面內為一段二維軌跡，如圖1所示，ABCD稱第1鉛垂面，BCEF稱第2鉛垂面。圖中，O為坐標原點，X為北坐標，Y為東坐標，Z為垂深；β為兩個鉛垂面間的夾角；I為井口，J和K分別為水平段入靶點和出靶點；M為鉆井軌跡在第1、2鉛垂面的交點，即偏移點。如圖1所示，先在第1鉛垂面內設計第1段二維軌跡，采用“直—增—穩—降—穩”的五段式井眼剖面。待增斜到設計井斜角時開始穩斜，穩斜一定長度后開始降斜，待降斜到設計井斜角后再開始穩斜，直到鉆至與第2個鉛垂面的交匯點M，再扭方位進入第2鉛垂面中。由于M點處的井斜角較小，其方位角可不考慮，在第2鉛垂面內可直接按二維水平井設計，唯一的約束就是點M在水平面的投影在水平段反向延長線上（圖2）。偏移點M的主要位置參數為：偏移距H，垂深BM（亦第1剖面井眼軌跡的垂深）和偏移角α（亦兩個鉛垂面間夾角的補角）。

圖1 雙二維剖面井眼軌跡設計示意圖[3（]注：粗線為井眼軌跡）

圖2 雙二維剖面井眼軌跡水平投影示意圖（注：實線為井眼軌跡）

根據雙二維剖面井眼軌跡中偏移點與井口和靶點間的相互關系，首先設計計算出不同偏移距下偏移點和靶點的位置。參照吉林油田大偏移距平臺水平井實鉆井眼數據，選取井眼總垂深2000 m，水平段長1500 m。考慮的偏移點位置參數有：偏移距、垂深和偏移角。偏移距范圍為100 m～700 m，垂深為1200 m～1900 m，偏移角為55°～90°。然后，利用Landmark軟件根據雙二維剖面井眼軌跡設計方法設計不同偏移點位置參數下的井眼軌跡。設計時保證直井段至少有350 m作為套管段，同一偏移距下水平段的靶點保持不變。其中，偏移距300 m時偏移點在垂深1500 m和偏移角75°時設計的雙二維剖面井眼軌跡分段數據見表1。

表1 偏移點偏移距300 m，垂深1500 m和偏移角75°時雙二維井眼軌跡設計分段數據

1.2 鉆柱摩阻計算參數設置

參照實際鉆井數據，采用Landmark軟件首先進行不同偏移點位置下雙二維水平井井眼軌跡設計，然后進行相應井眼軌跡下的鉆柱摩阻計算[7-8]。主要考察的影響因素為偏移點的偏移距、垂深和偏移角。摩阻扭矩計算模型采用剛桿模型[9]，同時考慮黏滯扭矩和摩阻[10]。

根據吉林油田大偏移距平臺水平井的實鉆資料，選取以下鉆井參數：套管長度為350 m，摩擦系數為0.30，裸眼段摩擦系數為0.45。鉆井液為合成液，為賓漢塑性流體，密度為1320 kg/m3，黏度為65 mPa·s。鉆作業方式為滑動鉆進，鉆壓50 kN。鉆具組合為Φ215.9 mm PDC鉆頭+Φ172 mm螺桿（1.50°）+Φ165 mm無磁鉆鋌（內裝MWD）+Φ165.1 mm鉆鋌+Φ127.0 mm加重鉆桿+Φ127.0 mm普通鉆桿+Φ127.0 mm加重鉆桿+Φ165 mm鉆鋌+133 mm×133 mm方鉆桿。

2 鉆柱摩阻隨井眼軌跡的變化

在進行不同偏移點位置和相應雙二維水平井設計而得到的井眼軌跡基礎上，計算并分析鉆柱摩阻隨鉆進井眼深度下的變化規律。

2.1 垂深的影響

圖3為偏移點偏移距300 m偏移角75°時不同垂深下鉆柱摩阻隨鉆進深度的變化。結合表1和圖3可知，在第1剖面的井段分為直-增-穩-降-穩五段，摩阻在直井段為0，在增-穩-降-穩的斜井段有較大的增加和波動，這是由于重力部分分量轉化成了正壓力，從而產生了摩擦力，且大小與井斜角有關[9]。在第2剖面，摩阻在扭方位穩斜段小幅增加，而在增斜段和水平段大幅增加，這與重力分量逐漸全部轉化為正壓力有關。

圖3 偏移點不同垂深下鉆柱摩阻隨鉆進深度的變化（偏移距300 m，偏移角75°）

從圖3可以看出，在偏移點偏移距和偏移角一定時，垂深對摩阻的影響主要體現在從第1剖面增-穩-降-穩斜段至第2剖面扭方位井段。不同垂深下，摩阻在進入水平段后隨著鉆進深度幾乎呈平行線性增大，說明此井段對摩阻的影響較小。以圖中偏移點偏移距300 m偏移角75°垂深1500 m時摩阻變化為例，摩阻在第1剖面內增-穩-降-穩斜段隨著鉆進深度而呈平均約8.2 N/m的幅度增加，而在隨后進入第2剖面的扭方位穩斜段呈平均約90.8 N/m左右的幅度增加，之后的增斜入靶段約380 m內基本呈691.2 N/m大幅線性增加，最后在水平段也基本呈線性增加，幅度為122.6 N/m。由此可見，雙二維剖面井眼軌跡下，在第2剖面由偏移點扭方位后增斜入靶段雖然長度較短，但摩阻增幅較大，該段摩阻約占總值的40%～50%，在對井眼優化設計時需著重考慮此井段。

從圖3中偏移點不同垂深下的摩阻總值來看，垂深1200～1700 m范圍內，摩阻基本隨著垂深的增大而逐漸減小。這是因為偏移點垂深越小，在第1剖面走相同的偏移距時所需的鉆井進尺越小，但所需的井斜越大，同時在第2剖面扭方位增斜入靶段仍需走完剩下較大的垂深落差，大曲率井段長，因此總體上造成小垂深的摩阻偏大。

2.2 偏移角的影響

圖4為偏移點偏移距300 m垂深1500 m時不同偏移角下鉆柱摩阻隨鉆進深度的變化圖。從圖4可以看出，與圖3中垂深對摩阻的影響規律略有不同，偏移角對摩阻的影響主要體現在第2剖面從偏移點扭方位至增斜入靶井段。對比圖3和圖4來看，相對垂深的影響而言，偏移角對摩阻的影響較小，不同偏移角下的摩阻值差別不明顯。

圖4 偏移點不同偏移角下鉆柱摩阻隨鉆進深度的變化（偏移距300 m，垂深1500m）

3 偏移點位置參數對鉆柱摩阻的影響

通過不同偏移點位置參數設計及相應井眼軌跡下鉆柱摩阻的計算，獲得了偏移點不同位置參數下的摩阻變化規律，以期獲得摩阻最小化下較優偏移點位置參數，為鉆井設計與施工提供參考。

3.1 垂深的影響

圖5為偏移點偏移角75°時不同偏移距下鉆柱摩阻隨垂深的變化。從圖5可以看出，偏移距為100 m時，摩阻在垂深1300 m時最小，約為519 kN；偏移距為300 m時，摩阻在垂深1500 m時最小，約為581 kN；偏移距為500 m時，摩阻在垂深1600 m時最小，約為650 kN；偏移距為700 m時，摩阻在垂深1600 m時最小，約為735 kN，是偏移距為100 m時的1.42倍左右。由此可見，在偏移點偏移角一定時，偏移距越大摩阻越大，較優垂深基本隨著偏移距的增大而增大。

圖5 偏移點偏移角75°時不同偏移距下鉆柱摩阻隨垂深的變化

3.2 偏移角的影響

圖6為偏移點垂深1500 m時不同偏移距下鉆柱摩阻隨偏移角的變化。可以看出，在偏移距為100 m時，摩阻在偏移角為60°時最小，約為511 kN；偏移距為300 m時，摩阻在偏移角72°時最小，約為571 kN；偏移距為500 m時，摩阻在偏移點偏移角為87°時最小，約為645 kN；偏移距為700 m時，摩阻在偏移點偏移角為87°時最小，約為723 kN，是偏移距為100 m時的1.41倍左右。由此可見，在偏移點垂深一定時，偏移距越大摩阻越大，較優偏移角基本隨著偏移距的增大而增大。

圖6 偏移點垂深1500 m時不同偏移距下鉆柱摩阻隨偏移角的變化

3.3 偏移距的影響

圖7為偏移點垂深1500 m偏移角75°時鉆柱摩阻隨偏移距的變化。可以看出，隨著偏移距的增大，摩阻基本呈線性增大趨勢，如偏移距700 m時的摩阻約為100 m時的1.39倍。通過線性擬合可以得到偏移點偏移距在100～700 m范圍內，鉆柱摩阻與偏移點偏移距的大致關系為：

圖7 偏移點垂深1500 m和偏移角75°時摩阻隨偏移點偏移距的變化

式中：F為鉆柱摩阻，kN；H為偏移距，m。通過公式（1）可估算雙二維剖面井眼軌跡下一定偏移距時的摩阻值，可為鉆井施工提供參考。

3.4 偏移點位置參數優化建議

通過對大偏移距平臺雙二維水平井偏移點位置參數對鉆柱摩阻的影響分析表明，優化偏移點位置參數能夠有效降低摩阻。但也存在一定的局限性，一方面，由于雙二維水平井在造斜點位置處需要有足夠的垂深以滿足鄰井防碰和水平段偏移距的要求，因此不適合用于埋藏深度較淺的油藏。另一方面，如偏移距過大，需要大量穩斜進尺才能將第1剖面偏移距消耗至降斜扭方位井段，這樣會增加雙二維井的施工難度而失去雙二維提速降本的實用價值。因此，在條件允許的情況下，偏移距不宜過大，且穩斜時的井斜角盡可能小，從而降低全井摩阻。不同偏移距下推薦的偏移點位置參數見表2。建議在進行大偏移距雙二維水平井設計和施工時結合油藏情況盡量采用或靠近此位置參數。

表2 不同偏移距下偏移點位置優化參數值

4 結論與建議

設計了不同偏移點位置參數下大偏移距平臺雙二維水平井井眼軌跡，并計算了相應的鉆柱摩阻，得到了偏移點位置參數對摩阻的影響規律，最后結合采油現場檢泵情況給出了井眼軌跡優化建議。具體結論如下：

（1）在雙二維剖面井眼軌跡下偏移點垂深對鉆柱摩阻的影響主要體現在第1剖面斜井段和第2剖面扭方位井段，而偏移角主要對第2剖面扭方位至增斜段的有影響。第2剖面扭方位后增斜入靶井段的長度雖短但鉆柱摩阻增幅較大，該段摩阻約占總值的40%～50%，建議在進行井眼軌跡優化時著重考慮該井段。

（2）偏移點位置參數對摩阻的影響中偏移距的影響最大，其次是垂深，然后是偏移角。

（3）在偏移點一定垂深和偏移角下，隨著偏移距的增大，摩阻基本呈線性增大趨勢。在偏移點垂深1500 m偏移角75°，偏移距在100～700 m范圍內，摩阻與偏移距的大致關系為：F=485+0.355H。

（4）偏移點較優垂深和偏移角基本隨偏移距的增大而增大。在偏移距為100～700 m時，偏移點較優垂深和偏移角范圍分別為1300～1600 m和60～87°，摩阻范圍511～735 kN。