李偉峰，趙習(xí)森，于小龍，王 艷，劉 云，余海棠

(1.延長油田股份有限公司，陜西延安 716001；2.延長石油集團(tuán)公司研究院，陜西西安 710075；3.西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系，陜西西安 710069)

延長油田特殊地貌條件下水平井鉆井技術(shù)難點(diǎn)與對策

李偉峰1,3，趙習(xí)森1,2，于小龍2，王 艷2，劉 云1，余海棠1

(1.延長油田股份有限公司，陜西延安 716001；2.延長石油集團(tuán)公司研究院，陜西西安 710075；3.西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系，陜西西安 710069)

針對常規(guī)定向井、二維水平井在受限資源開發(fā)方面控制能力和適應(yīng)性不足的難題，本文開展了復(fù)雜軌道水平井優(yōu)化設(shè)計(jì)和摩阻控制技術(shù)研究。小靶前距水平井采取負(fù)位移設(shè)計(jì)方式，均攤狗腿度，降低斜井段施工摩阻；長靶前距井，采取非常規(guī)雙增加穩(wěn)斜探頂?shù)母倪M(jìn)型三增剖面，壓低造斜點(diǎn)，提高入窗精度；首次提出三維井偏位比計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，建立了基于油層垂深和偏位比交互影響的三維水平井軌道設(shè)計(jì)優(yōu)選圖版；配合多工況摩阻目標(biāo)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜軌跡水平井多工況摩阻精確預(yù)測和風(fēng)險(xiǎn)評估。有效應(yīng)對地下井網(wǎng)的規(guī)則性與地面受限因素的客觀性、隨機(jī)性矛盾，實(shí)現(xiàn)受限資源的現(xiàn)實(shí)控制和有效動用，具有較高的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

三維水平井；非常規(guī)；復(fù)雜結(jié)構(gòu)井；低滲透油藏

延長油田開發(fā)區(qū)域?qū)俚湫偷狞S土塬地貌，地表溝谷縱橫、山峁相間，森林覆蓋率高[1-3]。林地、耕地、礦權(quán)重疊，城鎮(zhèn)或道路占用等，均會給產(chǎn)能建設(shè)工作造成不同程度的干擾，系建井工作的地面受限因素。由此類因素導(dǎo)致的無法動用或難動用資源，為地面受限資源。采用較為成熟的定向井或常規(guī)水平井開發(fā)受限資源，地下井網(wǎng)的規(guī)則性與地面因素的客觀性、隨機(jī)性矛盾突出，給鉆井技術(shù)提出了較為現(xiàn)實(shí)的挑戰(zhàn)，具體表現(xiàn)在：

(1)定向井位移延伸能力小，資源控制能力不足。僅能滿足小規(guī)模道路或溝谷區(qū)域受限資源的有限動用。

(2)常規(guī)二維水平井的水平段與井口在一條直線或接近于一條直線上[4-6]，靶點(diǎn)確定后，井口位置也就基本確立了，二維軌道對地面受限因素的適應(yīng)性不足。

因此，鑒于常規(guī)鉆井技術(shù)在開發(fā)受限資源方面的控制能力和適應(yīng)性不足問題，提出利用復(fù)雜軌道水平井技術(shù)，充分利用既有井場條件，有效應(yīng)對特殊地貌條件下的資源動用難題。通過小靶前距、三維大偏移、長靶前距水平井的軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低施工難度，提高軸向壓力傳輸效率和位移延伸能力；通過施工摩阻目標(biāo)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)鉆井現(xiàn)場多工況施工摩阻的精確預(yù)測與風(fēng)險(xiǎn)評估，保障了復(fù)雜地貌條件水平井的成功建井。

1 受限資源實(shí)現(xiàn)水平井開發(fā)的鉆井技術(shù)難點(diǎn)

隨著油田開發(fā)的不斷深入，剩余可動用資源除非常規(guī)資源外，多數(shù)為地面受限資源。在人口聚居、煤油重疊、城鎮(zhèn)或道路占用區(qū)域鉆井，井場修建的不確定性非常高。雖然復(fù)雜軌道水平井對復(fù)雜地面條件具有較好的適應(yīng)性，但不同軌道類型水平井的鉆井技術(shù)難點(diǎn)主要表現(xiàn)在：

(1)小靶前距(小于200 m)水平井，斜井段狗腿度大，造斜率高，接近常規(guī)鉆具的造斜極限，斜井段摩阻占到全井段的60%以上，水平段延伸能力成指數(shù)降低；

(2)大靶前距(靶前距大于600 m)水平井，可避開地面矛盾或受限因素建井，但應(yīng)兼顧地質(zhì)落實(shí)程度以及投產(chǎn)泵掛對軌道特征的要求；

(3)三維水平井可實(shí)現(xiàn)單個井場多口水平井開發(fā)。斜井段作業(yè)需實(shí)現(xiàn)扭方位與增斜作業(yè)的雙重任務(wù)，軸向壓力傳輸效率低，鉆進(jìn)摩阻和生產(chǎn)套管下入風(fēng)險(xiǎn)高。

2 地面受限資源水平井軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)

2.1 小靶前距水平井

靶前位移小于200 m的水平井，占到地面受限水平井總量的17%左右。對于此類井，如采用常規(guī)雙增或單弧設(shè)計(jì)，狗腿度超過9.5°/30 m，不僅施工難度高，而且對目的層變化的風(fēng)險(xiǎn)幾乎沒有可調(diào)余地。

對此，創(chuàng)新應(yīng)用小直斜段打負(fù)位移的設(shè)計(jì)方法，在常規(guī)雙增剖面上部增加一個斜直段和圓弧段，先反向造斜，然后再“反扣”到靶區(qū)方向，即“直-反增-穩(wěn)-雙增”的軌道方案。降低斜井段曲率，減小全井段摩阻。

圖1 小靶前距水平井軌跡設(shè)計(jì)示意圖Fig.1 The design sketch of horizontal well with small frontal distance

吳起采油廠的托平9井，設(shè)計(jì)水平段850 m，設(shè)計(jì)靶前距276 m，受地面構(gòu)筑物影響，實(shí)際井場比設(shè)計(jì)位置偏移大于100 m，實(shí)際靶前距僅剩170 m，如采用常規(guī)雙增剖面，斜井段狗腿度將超過11.5°/30 m，超過常規(guī)鉆具的施工極限。鉆進(jìn)時上部鉆具84%以上的重力也將會損耗在造斜段，水平段極限延伸將不足500 m。對此，采用負(fù)位移軌道設(shè)計(jì)方法，使斜井段最大狗腿度僅8.5°/30 m，保障了該井的順利建井。

2.2 長靶前距水平井

在人口聚居、煤油重疊、城鎮(zhèn)和高速路周邊等區(qū)域，新建井場幾乎是不可能的，采用長靶前距可以最大程度利用現(xiàn)有井場和道路，實(shí)現(xiàn)受限資源的有效動用。對于此類水平井，軌跡設(shè)計(jì)在常規(guī)優(yōu)化調(diào)整的同時，還必須充分考慮兩個方面的問題：

一是靶前距過長，必然伴隨水平段與鄰井距離較遠(yuǎn)，地質(zhì)落實(shí)程度較低的問題。

二是根據(jù)降低投產(chǎn)成本和管桿偏摩的需求，多數(shù)水平井投產(chǎn)泵掛在造斜點(diǎn)附近，進(jìn)行軌道設(shè)計(jì)時，應(yīng)盡可能壓低造斜點(diǎn)，保證充足的沉沒度，為后期采油提供良好的井眼基礎(chǔ)。

因此，采用第一增斜率大于第二增斜率的非常規(guī)雙增剖面，壓低造斜點(diǎn)，并根據(jù)地層傾向，設(shè)計(jì)垂深10 m左右、83～86°穩(wěn)斜探頂井段，形成改進(jìn)型的三增剖面設(shè)計(jì)，使井身軌跡具有較大的可控、可調(diào)范圍。實(shí)際油層提前，可直接增斜入窗；油層滯后，可穩(wěn)斜找油，保證入窗精度。

圖2 三增剖面水平井軌跡設(shè)計(jì)示意圖Fig.2 The horizontal well design sketch with 3rd deflection trail

杏子川采油廠水資源保護(hù)區(qū)的6303平30井，靶前距676m；永寧采油廠林區(qū)的516平3井，靶前距657 m，均采用改進(jìn)型三增剖面設(shè)計(jì)，不僅實(shí)現(xiàn)了精確入窗，也為后期采油創(chuàng)造了良好的井身軌道基礎(chǔ)。

2.3 三維水平井

三維水平井實(shí)際井口到入窗點(diǎn)的閉合方位與水平段靶體方位不在同一條直線上[7-10]，且有較大夾角。行業(yè)普遍做法是采用偏移距大小衡量三維水平井施工難度。但三維井施工難度受到偏移距和靶前距的雙重影響，偏移距越大，靶前距越小，施工難度越高。另外，靶點(diǎn)垂深也影響到三維井軌道設(shè)計(jì)方案的可選范圍。對此，首次提出偏位比的概念，即偏移距除以靶前位移所得的無量綱值。并建立基于水平段垂深和偏位比的三維水平井施工難度分類和軌道設(shè)計(jì)方案優(yōu)選圖版，根據(jù)垂深和偏位比大小，將三維水平井分為A、B、C、D四類，從A到D施工難度依次上升。

圖3 三維水平井軌道設(shè)計(jì)方案優(yōu)選圖版Fig.3 3D horizontal well track design optimization plan

A類(一般難度)：垂深相對充裕，偏位比較小。采用直井段小井斜走偏移距方法，就可以實(shí)現(xiàn)多數(shù)偏移量施工。此類井在定邊、吳起采油廠應(yīng)用范圍最廣，已先后在吳平15、吳平18、薛平5等二十余口水平井中成功應(yīng)用，斜井段降摩減阻效果突出。

B類(中等難度)：垂深600 m以上，交會點(diǎn)越靠后，偏移距越大。此類水平井的軌道設(shè)計(jì)應(yīng)適度提高造斜點(diǎn)、穩(wěn)斜角和穩(wěn)斜段長度，在第一增斜段和穩(wěn)斜段實(shí)現(xiàn)大部分偏移距施工，并均衡第一增斜段

和第二段狗腿度分配，降低第二增斜段造斜難度，保障方位扭轉(zhuǎn)能力。在甘泉蒲家溝林區(qū)成功建成蒲平6井，完鉆井深2501 m，水平段1050 m，斜井段方位扭轉(zhuǎn)總量達(dá)78°，引用此方法，創(chuàng)鄂爾多斯盆地水平井方位扭轉(zhuǎn)量記錄，且鉆井周期僅為21.5 d。位于志丹縣森林保護(hù)區(qū)的永848、永811井組，在原有井場上僅做簡單擴(kuò)建后，就分別建成了4口大偏移距三維水平井，水平井兩兩平行，星型放射，最大靶前距達(dá)到了760 m，最大偏移距高達(dá)360 m。

C類(高難度)：垂深相對較小，一般最高不超過1600 m，偏位比越大，側(cè)位移作業(yè)的意義越小。應(yīng)采取壓低造斜點(diǎn)，大井斜穩(wěn)斜走位移的設(shè)計(jì)方法，穩(wěn)斜角可在65°～83°之間浮動。偏位比越大，穩(wěn)斜角越高。下寺灣采油廠的蒲平21井，水平段1069 m，靶前距704 m，偏移距高達(dá)361 m，垂深不足1000 m，采用此方法，鉆井周期僅23 d就成功完鉆。

D類(超高難度)：相比C區(qū)域，垂深更低，增斜扭方位的可利用井段過小，完全突破常規(guī)鉆具極限，需使用連續(xù)油管配合井下動力鉆具，建井成本高，后期作業(yè)困難。在當(dāng)前油價低迷形勢下，應(yīng)盡量避免此類水平井的施工。

3 多工況摩阻目標(biāo)控制技術(shù)

由于重力作用的影響，鉆完井管柱在水平段與井壁接近于連續(xù)接觸，斜井段摩阻和施工難度也大大高于常規(guī)水平井[11-14]。精確的摩阻計(jì)算與控制是軌道優(yōu)化和隨鉆監(jiān)控的基礎(chǔ)。摩阻控制采取目標(biāo)控制法，在設(shè)計(jì)階段對施工過程進(jìn)行嚴(yán)密的模擬分析，建立基于大鉤載荷的摩阻目標(biāo)控制方法，施工過程中將現(xiàn)場施工參數(shù)與目標(biāo)摩阻進(jìn)行擬合、對比，不斷修正，建立精確的目標(biāo)控制模型?，F(xiàn)場施工情況一旦偏離模型，及時分析判斷原因，實(shí)現(xiàn)多工況作業(yè)實(shí)時跟蹤調(diào)整，保證施工質(zhì)量和施工安全。

位于永寧采油廠森林保護(hù)區(qū)的224平2井，設(shè)計(jì)井深3038 m，水平段1053 m，靶前距768 m，偏移距430 m，是一口典型的三維大偏移距水平井。該井鉆至入窗點(diǎn)(1990 m)附近時，鉆速急劇降低，開泵下鉆困難，滑動鉆進(jìn)懸重陡降，機(jī)械鉆速僅0.2 m/h。

圖4 永探224平2井鉆井過程設(shè)計(jì)摩阻與實(shí)際摩阻對比圖Fig.4 The friction comparison of design and actual ones in Yongtan-224 Ping-2 well

將模擬鉤載與實(shí)際鉤載對比，發(fā)現(xiàn)鉆遇該困難井段之前，鉤載與模擬結(jié)果雖有偏差，但基本一致，在入窗點(diǎn)附近嚴(yán)重偏離設(shè)計(jì)值的原因很可能是由軌跡之外的原因造成。結(jié)合開泵時懸重的變化，推測是由于泥巖層段的水化縮頸或上部巖屑積累，致使泥漿泵入時對鉆具產(chǎn)生較高的水力活塞作用造成的。對此，制定雙扶甩螺桿多次劃眼的作業(yè)方案，大排量循環(huán)?，F(xiàn)場處理2周后，機(jī)械鉆速明顯上升，順利鉆穿該高危井段，并成功完鉆。

黃陵縣上畛子森林保護(hù)區(qū)，新建井場阻力多、難度大。通過上平1水平井，動用受限資源。該井完鉆井深2630 m，水平段1000 m，靶前距僅250 m，制訂下套管作業(yè)方案時，由于軌跡調(diào)整較多，附加摩阻高，比較安全的做法是采取漂浮下套管技術(shù)，但其成本高且仍需等停2～3 d。對下套管作業(yè)進(jìn)行鉤載模擬，并充分考慮管柱屈曲影響，認(rèn)為在水平段下入時鉤載雖下降較快，但最終懸重仍有100 kN左右，常規(guī)方案風(fēng)險(xiǎn)可控。

圖5 上平1井套管下入過程模擬大鉤載荷與實(shí)際載荷跟蹤對比圖Fig.5 The casing trip in hook load comparison of simulation and actual ones in Shangping-1 well

最終選擇常規(guī)下套管作業(yè)方式。下放時，直斜段鉤載與模擬結(jié)果基本一致，進(jìn)入水平段后，實(shí)際鉤載雖略小于設(shè)計(jì)值10～30 kN，但整體遞減趨勢與模擬情況基本吻合，套管最終成功下放到位。

4 結(jié)論

針對常規(guī)定向井、二維水平井在地面受限資源開發(fā)方面的不足，非常規(guī)靶前距、三維大水平井適應(yīng)性好，但現(xiàn)場施工軌道控制難度大、軸向壓力傳輸效率低，對此展開技術(shù)攻關(guān)：

(1)小靶前距水平井，采用小直井段打負(fù)位移的設(shè)計(jì)方法，在常規(guī)雙增剖面上部增加一個斜直段和圓弧段，先反向造斜，然后再“反扣”到靶區(qū)方向，降低斜井段曲率，減小全井段摩阻，降低定向控制難度和全井段摩阻，提高鉆井效率。

(2)長靶前距水平井，形成改進(jìn)型三增剖面設(shè)計(jì)方法，充分利用現(xiàn)有井場道路條件，實(shí)現(xiàn)受限資源的高效動用，不僅使井身軌跡具有較大的可控、可調(diào)范圍，確保精確入窗，也為后期采油作業(yè)創(chuàng)造了良好的井眼基礎(chǔ)。

(3)針對三維水平井施工特點(diǎn)，首次提出偏位比的概念，并建立了基于水平段垂深和偏位比的三維水平井軌道設(shè)計(jì)方案優(yōu)選圖版。并對于不同垂深和偏位比綜合評定施工難度，選取最優(yōu)軌道設(shè)計(jì)方法。

(4)針對特殊地面條件造成的復(fù)雜軌跡和施工摩阻，建立了不同工況摩阻的大鉤載荷目標(biāo)控制模型，施工過程中將現(xiàn)場情況與目標(biāo)模型進(jìn)行擬合、對比，實(shí)現(xiàn)了多工況井下較高精度實(shí)時摩阻監(jiān)測和作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測。

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TheDifficultiesandCountermeasuresofHorizontalWellDrillingTechnicalforSurfaceRestrictedResourceinYanchangOilfield

Li Weifeng1,3, Zhao Xisen1,2, Yu Xiaolong2, Wang Yan2, Liu Yun1, Yu Haitang1

(1.TheResearchCenterofYanchangOilfieldCo.,Ltd.,Yan＇an,Shaanxi716000,China; 2.ResearchInstituteofYanchangPetroleum(Group)Co.,Ltd.,Xi＇an,Shaanxi710075,China;3.DepartmentofGeology,NorthwestUniversity,Xi＇an,Shaanxi710069,China)

Aiming at the resources exploitation problem brought about by the complex surface condition barrier in convention well, using complex structure horizontal well such as 3D well-path, shallow extended reach well and small target distance well to cope with that. Use the negative displacement method for small target pre- distance horizontal well to balance the dogleg and drilling friction. For the long distance wells, use the unconventional double build section and stable inclination to reduce kick off point as well as the entered accuracy. The offset ratio is put forward for the 3D well track design. By that, the design chart is built for design optimization. Cooperate with objective control method, frictional risk multi working conditions were achieved.The constantly adapting to the restricted of limited conditions on the ground and fine development of underground resources caused to the drilling technical challenge. By that we made complex structure horizontal well came true. We safeguard the development of underground oil resources in limited surface area, so high economic and social benefit was achieved.

3D horizontal well; unconventional; complex trail well; low permeability reservoirs

李偉峰(1983—)，男，河北趙縣人，西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系在職博士研究生，就職于延長油田股份有限公司勘探開發(fā)技術(shù)研究中心，主要研究方向?yàn)閺?fù)雜結(jié)構(gòu)井鉆完井工藝及儲層地質(zhì)研究。郵箱：281613901@qq.com.

TE257

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