“井工廠”水平井組勺形井眼軌道設計方法研究

楊振中，李杰，張恒，劉思格，趙江林，謝鵬，黨文輝

1.中國石油新疆油田分公司瑪湖勘探開發項目部，新疆 克拉瑪依 834000 2.中國石油新疆油田分公司百口泉采油廠，新疆 克拉瑪依 834000 3.中國石油新疆油田分公司工程技術研究院，新疆 克拉瑪依 834000

近年來，“井工廠”或“工廠化”的鉆井作業模式越來越受到業內重視。頁巖油氣或致密油氣藏高效開發也越來越提倡采用該作業模式進行水平井鉆井。國外相關技術趨于成熟，而國內尚處起步階段[1-6]。同時，為了減小死油區面積，美國巴肯地區提出勺形井眼作為“井工廠”作業軌道，它能盡可能早地進入儲層，使井眼與儲層接觸最大化以提高致密油的采收率[7]。勺形井眼軌道在一些文獻中均有所提及[8-9]，但是具體的設計方法未見報道?；谇叭巳S井眼軌道設計理論來研究勺形井眼軌道的設計問題，探討“井工廠”水平井作業模式的井眼相碰問題，研究一套適用于“井工廠”水平井組勺形井眼軌道優化設計方法，并以新疆吉木薩爾“井工廠”作業區為例進行相關的設計和應用。

1 “井工廠”作業軌道優化設計方法

1.1 勺形水平井井眼軌道

圖1 勺形井眼與常規井眼剖面對比圖Fig.1 Profile comparison between scoop horizontal well and conventional horizontal well

相比于常規井眼，勺形井眼在造斜后需要先向靶區相反方向鉆進，再轉向靶區鉆進，如圖1所示，在垂直剖面圖上具有一段明顯的反向視平移。勺形井眼是三維井眼軌道的一種特殊情況，其約束條件是靶前位移。靶前位移越小，反向視平移越大，也就是較小的靶前位移才能導致設計出井眼軌道具有反向視平移?；谇叭私⒌娜S水平井井眼軌道設計方法[10-14]，通過優化靶前位移來進行勺形水平井井眼軌道設計。

1.2 設計步驟

圖2 井場布井方式優化Fig.2 Oplimization of well site layout

1)確定井場布井數量。平臺化布井取決于油藏井網井距、三維水平井實施難度(偏移距等)、地面條件、鉆井周期和建產要求等。

2)井場布井方式優選。常見的鉆井平臺井口布置方式有單排布井和雙排布井，雙排布井方式由于其井口集中、平臺占地面積小、平臺井數多，因此更有利于工廠化鉆井模式降低鉆井成本和后期的管理成本，雙排布井又分為正對和交錯2種方式。

3)優化靶前位移。以圖3為例，反向視平移是造斜段各點水平位移在設計方位上的投影距離，在其他條件都一致的情況下，靶前位移從0 m開始，每增加50 m計算一次，計算式如下：

式中：S為反向視平移，m；Smax為最大反向視平移，m；NA、EA分別為水平井入靶點A的北坐標和東坐標，m；NO、EO分別為水平井井口的北坐標和東坐標，m；Ni、Ei分別為水平井造斜段軌跡i點的北坐標和東坐標，m；α為井眼軌跡i點的閉合方位與設計方位線的夾角，(°)。

對應的垂直剖面圖見圖4。當靶前位移為0、50、100、150、200、250、300 m時，最大反向視平移分別為-227.17、-189.9、-152.86、-112.7、-69.64、-23.95、1.88 m。根據靶前位移與最大反向視平移的對應情況可知，最大反向視平移隨靶前位移的增大而減小，小靶前位移會使得設計出的井眼軌道出現勺形段。為了盡量減小死油區面積，靶前位移應越小越好，但是對于一口井，需要綜合多種因素進行靶前位移的優化。

圖3 井眼軌跡視平移與水平位移關系圖圖4 不同靶前位移的井眼軌道垂直剖面圖Fig.3 Relationship between apparent translation and Fig.4 Vertical profile of borehole trajectory with horizontal displacement of borehole trajectory different target front displacements

表1 靶區錯開不同間距的防碰掃描結果

圖5 “井工廠”作業軌道設計流程圖Fig.5 Operation track design flowchat of“well plant”

4)造斜點位置優化。以勺形井眼作為“井工廠”作業軌道時，由于在造斜點處開始反向鉆進，如果不錯開造斜點位置，在造斜點后一段井眼極易相碰，因此需要優化鄰井造斜點位置，建議至少錯開30 m。

5)靶區錯開間距優選。靶前位移越小，井排間的兩口鄰井相碰風險越高，特別是入靶前一段井段極易相碰。為了降低因靶前位移帶來的相碰風險，建議將井排間鄰井的靶區錯開一定間距。以實例中的“井工廠”水平井組為例，在相同情況下，錯開間距從0 m開始，每增加5 m進行一次防碰掃描，結果見表1，在入靶前一段井段防碰掃描的最近距離隨著靶區錯開間距的增大而增大。為滿足防碰要求，井排間的鄰井需錯開10 m以上。

6)利用三維井眼軌道設計方法完成井場內所有井的軌道設計?！熬S”作業軌道優化設計的主要步驟如圖5所示。

2 設計實例

2.1 井眼軌道設計及死油區分析

以新疆昌吉致密油田“井工廠”水平井組為例，采用雙排布井，每排3口井，排間距為10 m，同排井口間距為10 m，水平段間距為300 m，設計靶前位移為385 m，水平段段長為1 300 m。要求造斜點至少錯開30 m，設計時采用空間五段制(以1井井眼軌道為例)，第一造斜率采用6°/30 m，第二造斜率采用5.5°/30 m，設計結果見表2和圖6。

表2 常規井眼軌道設計結果

圖6 常規三維軌道“井工廠”水平井組示意圖Fig.6 Schematic diagram of horizontal well group of conventional 3D track “well plant”

圖7 “井工廠”作業常規水平井設計軌道的“死油區”Fig.7 Bypassed oil area of design track of conventional horizontal wells operated by “well plant”

如圖7所示，設死油區的長為a，寬為b，則有：

a=2ΔS+d

(1)

b=(n-1)ΔL

(2)

S=ab

(3)

式中：ΔS為每口井的靶前位移，m；n為單排的井數；ΔL為水平段間距，m；S為死油區面積，m2。

因此，計算死油區面積：

S=(2×385+10)×(3-1)×300

=468 000(m2)

利用筆者提出的優化設計方案，將靶前位移改為0 m，在造斜率保持不變的前提下，重新進行“井工廠”水平井組軌道設計，結果見表3和圖8。

如圖8所示，該勺形井眼軌道“井工廠”水平井組的死油區為排間距對應的面積，可以忽略不計。對比常規井眼軌道與勺形井眼軌道的“井工廠”水平井組，在相同造斜率下，勺形井眼能夠將靶前位移縮減到0 m，有效地減小了死油區面積，同時充分擴大井眼進入儲層前的空間區域，有效地避免了井眼相碰風險，在開發致密油時，能夠提高經濟效益。

表3 勺形井眼軌道設計結果

圖8 勺形井眼軌道“井工廠”水平井組示意圖Fig.8 Schematic diagram of horizontal well group of “well plant” with spoon-shaped borehole jrajectory

2.2 鉆柱力學分析

1)鉆具組合：?152.4 mm PDC鉆頭+?120 mm彎螺桿+MWD+?101.6 mm加重鉆桿×3根+?101.6 mm無磁承壓鉆桿×1根+?101.6 mm斜坡鉆桿×170根+?101.6 mm加重鉆桿×110根+?101.6 mm斜坡鉆桿。

2)工況參數：鉆井液密度1.55 g/cm3，旋轉鉆進鉆壓40 kN，滑動鉆進鉆壓20 kN，起下鉆速度10 m/min，鉆頭扭矩7 000 N·m。

3)管內和管外的摩擦系數取值分別為0.25、0.30。

采用WellPlan軟件分析常規水平井和勺形水平井(以1井為例)的摩阻、扭矩情況，得到下鉆、滑動鉆進和旋轉鉆進等不同工況下的摩阻、扭矩結果，如表4所示。數據分析結果表明，在正常起下鉆、鉆進情況下，設計的勺形水平井井眼軌道較常規水平井井眼軌道摩阻增加約13%，不會影響正常的鉆井作業。

表4 摩阻扭矩結果對比表

3 應用實例

新疆油田A區塊由于受到地面井位條件和地下井網條件限制，為充分動用井口下方優質儲層，兩井平臺的B井采用勺形水平井剖面，利用優化設計方法對該井井眼軌道進行設計，具體數據如表5所示。

表5 A區塊B井勺形井眼軌道設計數據表

該井入靶點設置在井口正下方，較常規水平井增加有效水平段長188 m，實鉆最大反向位移達到261 m，三開采用?311.2 mm鉆頭自2 603 m開始造斜，經反向增斜、穩斜、降斜、正向增斜鉆至井深3 408 m，四開采用?215.9 mm鉆頭進行正向增斜段和水平段鉆進，完井階段通井、下套管實際摩阻較鄰井增加10～15 kN，油層尾管一次性成功下入。該井充分利用勺形井眼，縮小靶前距，避免平臺井組下方的死油區。

4 結論及建議

1)針對“井工廠”作業平臺下方出現死油區的特點，提出了以勺形井眼水平井組軌道優化設計方法，能顯著降低死油區面積，同時可降低水平井組井眼之間的碰撞風險。

2)在進行勺形井眼軌道設計時，為了降低平臺下方死油區面積，在地質和工程條件允許的情況下應盡量縮小靶前距，并且靶前距越小，勺形井眼的反向位移越大。

3)勺形水平井的鉆完井施工更加復雜，井眼摩阻相對常規水平井井眼軌道的管柱摩阻會有所提高，在優化設計階段要對施工過程進行充分模擬，確保施工階段不會出現因摩阻過大引起管柱下入困難等復雜問題。