高 德 利

中國石油大學(xué)（北京）石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

0 引言

以水平井為基本特征的復(fù)雜結(jié)構(gòu)井，包括大位移水平井、多分支水平井、“U”形井及叢式水平井等，是實(shí)現(xiàn)復(fù)雜油氣藏高效開發(fā)的先進(jìn)井型，在國內(nèi)外備受關(guān)注。應(yīng)用上述復(fù)雜結(jié)構(gòu)井可以有效擴(kuò)大儲層的泄油氣面積、連通斷塊構(gòu)造、實(shí)現(xiàn)儲層應(yīng)力卸載等，最大限度地疏通油氣“管道”及改善儲層滲透性等，從而有利于大幅度提高油氣田的單井產(chǎn)能及最終采收率；在海洋、灘海、湖泊及山區(qū)等復(fù)雜地區(qū)，可以發(fā)揮大位移水平井與多分支井的獨(dú)特作用，達(dá)成基于同一個鉆井平臺擴(kuò)大油氣田的開發(fā)控制范圍、提高其綜合開發(fā)效益等目標(biāo)；在邊水、底水及注水等復(fù)雜油藏的開發(fā)過程中，應(yīng)用復(fù)雜結(jié)構(gòu)井可以有效減緩水流突進(jìn)、改善油藏滲流剖面等，達(dá)到控水增油的目的；對于低滲透/特低滲透、頁巖、致密巖等難開采油氣儲量，通過水平井鉆井與大規(guī)模分級體積壓裂可獲得良好的開發(fā)效果；采用雙水平井、“U”形井等復(fù)雜井型，可有利于高效開發(fā)重油和油砂、天然氣水合物、油頁巖等“固態(tài)”油氣資源，使地下固態(tài)能源原位轉(zhuǎn)化為液態(tài)或氣態(tài)后被采出地面。另外，采用復(fù)雜結(jié)構(gòu)井還可以實(shí)現(xiàn)井下流體分離、救援井、陸—海管線連接及管道穿越等工程目標(biāo)?？傊?，在未來的復(fù)雜油氣田高效開發(fā)中，復(fù)雜結(jié)構(gòu)井將具有廣闊的推廣應(yīng)用前景[1-4]。

叢式井及其“井工廠”作業(yè)模式，就是指在同一區(qū)塊集中布置大批相似井，采用標(biāo)準(zhǔn)化的工程裝備與技術(shù)服務(wù)，以流水線方式實(shí)施鉆井、完井、壓裂等主要工程作業(yè)的一種高效作業(yè)模式，由此可以節(jié)約大量的工程作業(yè)時間和成本?；趨彩骄_發(fā)方案，雖然在同一個鉆井平臺上的眾多井口之間相距較近，但各井欲鉆達(dá)的地下油氣藏目標(biāo)則相互偏離鉆井平臺較遠(yuǎn)。因此，采用叢式井開發(fā)與“井工廠”作業(yè)模式，既有利于“降本增效”和安全環(huán)保，又大量縮減了土地征用量與地面工程規(guī)模，而且便于后續(xù)的油氣生產(chǎn)與管理。從國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀看，叢式水平井在非常規(guī)、低滲透與特低滲透、海洋、灘海及深層等復(fù)雜油氣藏的高效開發(fā)中已獲得了大規(guī)模的成功應(yīng)用，但國內(nèi)與國外之間仍存在著較大的水平差距。

我國剩余的油氣儲量大多為非常規(guī)、低滲透與特低滲透、深水及深層等難開采資源，對復(fù)雜結(jié)構(gòu)井工程及其成套技術(shù)裝備不斷提出新的重大需求，因而有必要加強(qiáng)相關(guān)研究與實(shí)踐[5-6]。美國經(jīng)過長期探索研究與工程實(shí)踐，成功實(shí)現(xiàn)了“頁巖革命”（Shale Revolution），為美國能源獨(dú)立奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，特別是天然氣工業(yè)因此得到了迅速發(fā)展，現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)自給自足。我國作為最大的發(fā)展中國家，應(yīng)該高度重視天然氣在能源革命中的地位和作用，積極推進(jìn)我國的“頁巖革命”，以期大幅度提高非常規(guī)天然氣的綜合開發(fā)水平與自給能力。從目前的發(fā)展現(xiàn)狀看，我國“頁巖革命”很有可能率先在山區(qū)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模突破，但目前仍然面臨著諸多工程技術(shù)挑戰(zhàn)和安全環(huán)保等問題[7-8]。

除了豐富的資源基礎(chǔ)之外，要實(shí)現(xiàn)頁巖氣經(jīng)濟(jì)有效的開發(fā)關(guān)鍵還在于頁巖氣工程技術(shù)的創(chuàng)新突破。一般來講，頁巖氣工程關(guān)鍵技術(shù)主要包括：水平井和叢式水平井的優(yōu)化設(shè)計(jì)與導(dǎo)向鉆井、多級壓裂完井及“井工廠”作業(yè)等核心內(nèi)容。從國內(nèi)外頁巖氣工程技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與應(yīng)用實(shí)效來看，我國與國際先進(jìn)水平的差距仍然較大，特別是在“降本增效”方面，我國頁巖氣田高效開發(fā)仍面臨著巨大的挑戰(zhàn)。一方面，我國頁巖氣開發(fā)的客觀條件比較復(fù)雜，盡管充分借鑒了北美“頁巖革命”的開發(fā)模式、技術(shù)方案及工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)等，但迄今仍難以達(dá)到理想的目標(biāo)，特別是在低油價(jià)時代，很難滿足“降本增效”的基本要求，例如我國南方海相頁巖發(fā)育區(qū)是迄今被評價(jià)認(rèn)為最有前景的頁巖氣區(qū)，但這里的山區(qū)地理和人居條件，對頁巖氣井場布置優(yōu)化、大規(guī)模交通運(yùn)輸、水電供應(yīng)以及安全環(huán)保等都有較大制約；另一方面，我國頁巖埋深約有65%都超過3 500 m，其勘探開發(fā)的工程難度較大，而美國頁巖埋深主體上介于1 500～3 500 m。

在頁巖氣開發(fā)過程中，有可能因工程作業(yè)占用土地而導(dǎo)致地表環(huán)境不同程度的損壞、或因大量鉆井液和壓裂液的用水與排放導(dǎo)致對水資源的消耗與污染、甚至因氣井泄漏失控引發(fā)的安全環(huán)保災(zāi)難等。我國南方（如四川盆地、鄂西地區(qū)等）地少人多，地貌以丘陵和山地為主，頁巖氣井場往往會毗鄰村舍，致使頁巖氣工程實(shí)施面臨著土地租用、噪音消除、鉆井液和壓裂液處理及交通設(shè)施協(xié)調(diào)等諸多壓力。這些都對大型叢式水平井工程及其成套技術(shù)與裝備提出了迫切的重大需求。

1 大型叢式水平井工程關(guān)鍵技術(shù)

迄今為止，我國已在西南地區(qū)先后設(shè)立了四川長寧—威遠(yuǎn)、滇黔北昭通、重慶涪陵等3個國家級頁巖氣示范區(qū)。它們都屬于山清水秀的美麗山區(qū)，也是我國“頁巖革命”最有可能首先取得全面成功的潛在有利區(qū)域。山區(qū)頁巖氣開發(fā)面臨的主要挑戰(zhàn)包括：①地貌復(fù)雜，生態(tài)環(huán)境脆弱，安全環(huán)保要求高；②可耕地少而寶貴，水源體系復(fù)雜；③道路蜿蜒崎嶇，交通運(yùn)輸難度大、成本高；④頁巖氣管網(wǎng)建設(shè)難度大，地面工程費(fèi)用高。近幾年來，我國企業(yè)借鑒北美“頁巖革命”的成功經(jīng)驗(yàn)，在川渝山區(qū)頁巖氣田開發(fā)過程中普遍采用了叢式水平井開發(fā)模式，從開始的4井式（4口水平井/單個鉆井平臺）發(fā)展到目前的6井式（6口水平井/單個鉆井平臺），最多曾試驗(yàn)過8井式（8口水平井/單個鉆井平臺），雖然取得了令人鼓舞的開發(fā)效果，但仍難以滿足低油價(jià)時代“降本增效”和“頁巖革命”的技術(shù)經(jīng)濟(jì)要求。與美國類似工程相比，我國不僅在頁巖氣單井技術(shù)水平和工程作業(yè)效率方面存在著較大差距，而且迄今仍未形成一套理想的山區(qū)頁巖氣田高效開發(fā)模式及其技術(shù)支撐體系。

實(shí)踐證明，基于同一個鉆井平臺實(shí)施大型叢式井工程，可以有效擴(kuò)大油氣田的開發(fā)控制半徑，有利于高效開發(fā)海洋、灘海、湖泊等水域的油氣資源，既經(jīng)濟(jì)又環(huán)保。針對山區(qū)主客觀約束條件，期望大量增加單個鉆井平臺叢式水平井的井?dāng)?shù)，從而顯著減少鉆井平臺的個數(shù)，在山區(qū)頁巖氣開發(fā)中建立一種大型叢式水平井開發(fā)模式，可望產(chǎn)生良好的綜合開發(fā)效益，包括：節(jié)約大量山區(qū)良田及其租金，有效縮減地面工程建設(shè)規(guī)模與費(fèi)用，大幅度減少頁巖氣生產(chǎn)操作費(fèi)用；特別有利于安全環(huán)保、運(yùn)行管理等。因此，在我國山區(qū)（以川渝地區(qū)為例）采用大型叢式水平井開發(fā)模式并建立相應(yīng)的工程技術(shù)支撐體系，是推動我國山區(qū)頁巖氣高效發(fā)展的優(yōu)先技術(shù)戰(zhàn)略，也是推進(jìn)我國“頁巖革命”進(jìn)程的重要選擇甚至是必由之路。為此，應(yīng)加強(qiáng)協(xié)同創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)突破，特別是以下核心技術(shù)內(nèi)容：

1）頁巖氣田大型叢式水平井工程優(yōu)化設(shè)計(jì)：頁巖氣藏目標(biāo)井段與井網(wǎng)、叢式水平井井眼軌道、鉆井平臺布置等優(yōu)化設(shè)計(jì)理論和方法。

2）大位移水平井工程成套技術(shù)，特別是大位移水平井鉆完井的延伸極限預(yù)測模型和工程風(fēng)險(xiǎn)設(shè)計(jì)控制技術(shù)。

3）“一趟鉆”關(guān)鍵技術(shù)：鉆頭、鉆井液、導(dǎo)向鉆具組合及鉆井操作參數(shù)等個性化設(shè)計(jì)理論與控制新技術(shù)。

4）山區(qū)頁巖氣田大型叢式水平井定向鉆井及其隨鉆防碰新技術(shù)[4]。

5）山區(qū)頁巖氣田大型“井工廠”作業(yè)模式與工藝技術(shù)[9]。

6）頁巖氣井筒完整性優(yōu)化設(shè)計(jì)與全壽命周期管控技術(shù)[10]。

基于國內(nèi)外油氣工程技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢可以預(yù)判，隨著大型叢式水平井工程關(guān)鍵技術(shù)的創(chuàng)新研究與不斷突破，可望建立起中國山區(qū)獨(dú)具特色的頁巖氣高效開發(fā)模式及其工程技術(shù)支撐體系，從而可有效助推中國“頁巖革命”和天然氣工業(yè)的大發(fā)展。

2 大型叢式水平井工程設(shè)計(jì)控制理念

采用正反對稱式井眼軌道設(shè)計(jì)，叢式水平井目標(biāo)井段的水平投影如圖1所示，其中側(cè)向偏移距離最大的一口水平井的垂直剖面圖和水平投影圖如圖2所示。通過幾何分析，可給出單個鉆井平臺“井工廠”的最大布井?dāng)?shù)計(jì)算公式如下：

式中Nw表示單個鉆井平臺的水平井布井?dāng)?shù)量，口；Do表示叢式水平井的最大側(cè)向位移（圖2）或稱“最大偏移距”，m；Dh表示叢式水平井目標(biāo)井段（水平段）的平均設(shè)計(jì)間距（圖1），m；int(x)表示取整函數(shù)，指不超過實(shí)數(shù)x的最大整數(shù)。

圖1 叢式水平井目標(biāo)井段水平投影圖

圖2 三維水平井軌跡的垂直剖面圖（上圖）和水平投影圖（下圖）

叢式水平井的最大側(cè)向位移Do主要取決于大位移鉆完井的技術(shù)水平，特別是水平井大位移延伸的極限能力；水平井目標(biāo)井段的幾何大小、空間位置及鄰井目標(biāo)水平段間距（Dh）等參數(shù)主要取決于氣藏工程優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果，應(yīng)以提高單井產(chǎn)能和叢式井開發(fā)綜合效益并有利于頁巖氣藏的最終采收率為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，既要考慮頁巖氣藏的地質(zhì)特性、地應(yīng)力分布、滲流規(guī)律及分級壓裂增產(chǎn)效應(yīng)等諸多因素的影響，又要有利于水平井鉆井、分段壓裂完井等工程的順利實(shí)施。由式（1）不難看出，在Dh和其他約束條件確定后，通過大位移鉆井技術(shù)創(chuàng)新與突破，便可增大叢式水平井的最大側(cè)向位移（Do），從而增加單個鉆井平臺的布井?dāng)?shù)量。例如：取Dh=300 m，如果將最大側(cè)向位移（Do）從600 m增加到1 500 m，則單個鉆井平臺的水平井布井?dāng)?shù)量可從10口增加到22口。

遵循復(fù)雜油氣田開發(fā)“地質(zhì)與工程一體化”的優(yōu)化思路，大型叢式水平井工程設(shè)計(jì)控制理念可以簡要概述如下：

1）基于對頁巖氣儲層的精細(xì)描述研究成果，以“地質(zhì)甜點(diǎn)”作為水平井及其井網(wǎng)目標(biāo)區(qū)塊的優(yōu)選依據(jù)。

2）針對頁巖氣目標(biāo)區(qū)塊進(jìn)行氣藏工程研究與優(yōu)化設(shè)計(jì)，以提高叢式水平井綜合產(chǎn)能與最終采收率為目標(biāo)函數(shù)，確定目標(biāo)井段和井網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

3）通過三維水平井井眼軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)，盡可能有利于導(dǎo)向鉆井精確中靶，有利于減少井下摩阻磨損，有利于提高大位移井延伸極限和安全高效作業(yè)等。

4）通過水平井壓裂完井優(yōu)化，合理確定水平井壓裂的分級參數(shù)，匹配壓裂流體和支撐劑，優(yōu)化控制壓裂施工強(qiáng)度，力求獲得良好的水平井分級壓裂完井效果。

5）通過鉆井個性化設(shè)計(jì)，優(yōu)選鉆頭、鉆井液體系、導(dǎo)向鉆具組合及鉆井參數(shù)等，并采取先進(jìn)的叢式井隨鉆防碰系統(tǒng)，使水平井鉆井“打得準(zhǔn)、打得快、打得遠(yuǎn)”，在確保鉆井質(zhì)量的前提下，力求實(shí)現(xiàn)安全環(huán)保和“一趟鉆”高效作業(yè)目標(biāo)。

6）采用“井工廠”作業(yè)模式，通過優(yōu)化相應(yīng)的作業(yè)工藝及裝備配套，力求大幅度提高鉆井和壓裂的作業(yè)效率，更好地達(dá)到“降本增效”的工程作業(yè)目標(biāo)。

7）通過采氣與集輸優(yōu)化，力爭在生產(chǎn)運(yùn)營過程中 “降本增效”。

8）通過系統(tǒng)工程優(yōu)化，結(jié)合綜合經(jīng)濟(jì)評價(jià)，力求進(jìn)一步挖掘“降本增效”的潛力。

3 大位移井技術(shù)及其研究概況

對于一口大斜度井或水平井而言，當(dāng)井底水平位移大于3 000 m且水平位移與垂深之比（簡稱“水垂比”，用符號λ表示）或測量深度（井深）與垂深之比（簡稱“測垂比”，用符號k表示）大于等于2.0時，則稱之為大位移井；當(dāng)大位移井的水垂比（或測垂比）超過3.0時，則稱之為高水垂比大位移井。大位移鉆井（Extended-Reach Drilling，簡稱ERD），特別是高水垂比大位移鉆井，是挑戰(zhàn)鉆井極限的前沿技術(shù)。在海上，基于同一鉆井平臺鉆大位移井，特別有利于開發(fā)衛(wèi)星型邊際油氣田或構(gòu)造，使原本沒有商業(yè)開采價(jià)值的這類油氣田或構(gòu)造得以有效開發(fā)；在灘海、湖泊等地區(qū)，可以實(shí)現(xiàn)“海（湖）油氣陸采”，既經(jīng)濟(jì)又環(huán)保[11]。在中國南海東部海域，應(yīng)用大位移井技術(shù)使西江24-1、流花11-1、惠州25-4等邊際油田得以高效開發(fā)，并創(chuàng)造了良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)[12]。

在特定的主觀和客觀約束條件下，任何一口大位移井的鉆井作業(yè)井深（亦稱“測深”）都存在著一個極限值，稱之為大位移鉆井延伸極限。在實(shí)際的大位移鉆井工程中需要考慮3種極限狀態(tài)，即：大位移鉆井作業(yè)的裸眼延伸極限、機(jī)械延伸極限以及水力延伸極限等。其中，裸眼延伸極限是指裸眼井底被壓破或滲漏時的大位移鉆井深度（井深），主要取決于實(shí)鉆地層的安全鉆井密度窗口及鉆井環(huán)空流體循環(huán)壓耗的控制水平；機(jī)械延伸極限主要包括大位移鉆柱作業(yè)極限和下套管作業(yè)極限，取決于大位移鉆井的導(dǎo)向控制模式（滑動導(dǎo)向或旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向）、管材強(qiáng)度、井眼約束與管柱載荷、鉆機(jī)功率等；水力延伸極限是指在能夠保持鉆井流體正常循環(huán)及井眼清潔的前提下鉆井水功率允許的大位移鉆井深度（井深），主要取決于鉆井機(jī)泵、鉆柱和地面管匯、水力參數(shù)和機(jī)械鉆速等約束條件。在大位移鉆井優(yōu)化設(shè)計(jì)與風(fēng)險(xiǎn)控制中，應(yīng)該根據(jù)具體的主觀（實(shí)鉆地層特性）和客觀約束條件（技術(shù)裝備條件）定量評估大位移鉆井的裸眼、機(jī)械及水力等延伸極限值，并取其最小者作為大位移鉆井延伸極限的可允許值。

假設(shè)大位移井的測深（井深）為DM、垂深為DV、水平位移為DH，則大位移井的“測垂比”和“水垂比”的計(jì)算公式可以表達(dá)如下：

顯然，水垂比與測垂比之間存在著以下關(guān)系：

根據(jù)式（2）可知，大位移鉆井延伸極限可用k（或λ）的極限值kL（或λL）來表達(dá)，并且在特定的制約條件下，kL（或λL）是客觀存在的。根據(jù)井深（測深）和水平位移的概念可知DM＞DH，因而由式（3）決定了不等式λ＜k恒成立，亦即：對于同一口大位移井而言，其水垂比總是小于測垂比。顯然，對于鉆進(jìn)特定目標(biāo)層的同一口大位移井而言，隨著測深和水平位移的增加，水垂比和測垂比均會有所增大，但“水垂比”的極限值（λL）不可能等于或超過“測垂比”的極限值（kL），即有：λL＜kL。

3.1 水平井大位移鉆井裸眼延伸極限的預(yù)測計(jì)算方法

從井眼壓力平衡的角度出發(fā)，將水平井大位移鉆井延伸到裸眼井底被壓破時的井深定義為水平井大位移鉆井裸眼延伸極限，便可建立起水平井大位移鉆井裸眼延伸極限與所鉆地層的破裂壓力梯度、坍塌壓力或孔隙壓力梯度（取其最大者）和鉆井環(huán)空流體循環(huán)壓耗當(dāng)量密度之間的關(guān)系式。對于特定的目標(biāo)地層而言，如果水平井大位移鉆井環(huán)空流體循環(huán)壓耗當(dāng)量密度控制水平一定時，則水平井大位移鉆井裸眼延伸極限（ ）可用下式來進(jìn)行計(jì)算[13-15]：

式中Δρfm表示所鉆地層的安全鉆井密度窗口，g/cm3；ρdp表示鉆井環(huán)空流體壓耗的當(dāng)量密度，g/cm3；DVP表示地層發(fā)生破裂位置的垂深，m；ρf表示所鉆地層的漏失壓力（或破裂壓力）當(dāng)量密度，g/cm3；ρp和ρc分別表示所鉆地層的孔隙壓力當(dāng)量密度和井壁坍塌壓力當(dāng)量密度，g/cm3。假設(shè)ρm表示最小鉆井液密度（單位：g/cm3），在實(shí)際工程實(shí)踐中ρm的取值既不能小于ρc，也不能小于ρp，即一般要求

對于特定的目標(biāo)地層和鉆井設(shè)計(jì)方案，垂深、鉆井液密度及地層壓力特性等都是確定值。若采用壓力過平衡鉆井方式及特定的鉆井環(huán)空流體循環(huán)壓耗控制技術(shù)，則Δρfm和ρdp都是確定的，兩者的比值即為水平井大位移鉆井裸眼延伸極限的比值kL，即為確定值。由式（4）不難看出，在所鉆地層的安全鉆井密度窗口確定的前提下，水平井大位移鉆井裸眼延伸極限的比值kL隨著鉆井環(huán)空流體循環(huán)壓耗當(dāng)量密度（ρdp）增加而明顯減?。ǚ蔷€性），同時，隨著地層的安全鉆井密度窗口（Δρfm）擴(kuò)大而增大。顯然，鉆井環(huán)空流體循環(huán)壓耗是控制大位移鉆井裸眼延伸極限的關(guān)鍵可控因素，在其他因素確定后，只有降低鉆井環(huán)空流體循環(huán)壓耗，才能有效增加大位移井的裸眼延伸極限及其對應(yīng)套管的設(shè)計(jì)下深。同樣的道理，降低鉆井環(huán)空流體循環(huán)壓耗，也是減少套管層次（簡化井身結(jié)構(gòu)）的關(guān)鍵所在。因此，在鉆進(jìn)高水垂比大位移井的大斜度（或水平）延伸井段時，采取綜合技術(shù)措施（如隨鉆擴(kuò)眼等）降低鉆井環(huán)空流體循環(huán)壓耗，便可有效增加大位移鉆井的裸眼延伸極限比值，避免大位移井套管層次的被動增加，同時也可降低鉆遇地層發(fā)生漏失甚至破漏等井下事故的風(fēng)險(xiǎn)概率。

從以上討論可知，kL值取決于地層漏失壓力（或破裂壓力）當(dāng)量密度、鉆井液密度及鉆井環(huán)空流體循環(huán)壓耗當(dāng)量密度等，而λL值則不僅與上述因素有關(guān)，而且還與實(shí)鉆井眼軌跡的幾何形狀密切相關(guān)，可以更全面地反映大位移鉆井的技術(shù)難度，因而在實(shí)際工程中“水垂比”的概念得到了較為廣泛的應(yīng)用。同時，我們也不難發(fā)現(xiàn)，“測垂比”的概念對于一口大位移井的優(yōu)化設(shè)計(jì)及風(fēng)險(xiǎn)評估與控制等具有更加直觀的實(shí)際參考價(jià)值。

通過對井底鉆井液當(dāng)量循環(huán)密度的實(shí)時監(jiān)測及鉆井環(huán)空多相流的數(shù)值分析，可以對大位移鉆井形成的巖屑床進(jìn)行定量預(yù)警，有利于現(xiàn)場裸眼鉆進(jìn)的安全控制。通過隨鉆擴(kuò)眼降壓、防塌堵漏及精細(xì)控壓等鉆井安全控制技術(shù)措施，保持井眼的清潔和光滑，精細(xì)調(diào)控鉆井流體循環(huán)壓力，以及強(qiáng)化井壁巖石強(qiáng)度等。這樣做可以有效提高大位移鉆井的裸眼延伸極限。

3.2 大位移井管柱力學(xué)與機(jī)械延伸極限的研究進(jìn)展概況

隨著旋轉(zhuǎn)鉆井技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展，大位移井的橫向延伸能力不斷提高，有關(guān)大位移井機(jī)械延伸極限的預(yù)測與控制問題備受關(guān)注。最近幾年，筆者的團(tuán)隊(duì)加強(qiáng)了對這個問題的研究，并取得了以下主要研究成果[16-18]：

1）以井下局部管柱作為研究對象，基于一定的假設(shè)條件，考慮其在兩端軸向力、扭矩、井筒徑向約束的作用下，建立了管柱局部力學(xué)模型。新模型綜合考慮了井眼幾何、管柱接頭、摩擦力等因素的耦合作用，采用梁柱方程、屈曲微分方程及能量法進(jìn)行了求解。較之于常規(guī)模型，新模型充分考慮了多因素耦合效應(yīng)，可以更好地揭示管柱局部力學(xué)行為的復(fù)雜性。

2）為了克服經(jīng)典的井下管柱整體受力模型中部分假設(shè)條件的限制，通過引入局部力學(xué)模型的結(jié)果，建立了修正后的井下管柱整體受力模型。修正模型一方面充分考慮了管柱屈曲、井眼幾何、管柱接頭等諸多局部因素的影響，擴(kuò)展了經(jīng)典模型的適用范圍；另一方面，由于將各種局部因素效應(yīng)以擬合公式形式給出，因而保證了修正模型計(jì)算的高效性。

3）以井眼延伸長度為目標(biāo)，綜合考慮地面和井下諸多約束因素的影響，并結(jié)合各種管柱作業(yè)工況，建立了大位移井機(jī)械延伸極限的定量預(yù)測模型。針對各種井眼類型繪制了鉆井機(jī)械延伸極限的預(yù)測圖版，分析了限制延伸極限的主要影響因素和對應(yīng)作業(yè)工況，從理論角度解釋了全球大位移井延伸極限包絡(luò)線形狀的成因。

4）以提高井眼延伸極限為目標(biāo)，以管柱結(jié)構(gòu)為主要設(shè)計(jì)對象，綜合考慮地面和井下諸多約束因素和作業(yè)工況的影響，提出了管柱優(yōu)化設(shè)計(jì)模型，并采用分段方法進(jìn)行高效求解。該設(shè)計(jì)方法彌補(bǔ)了常規(guī)鉆井工程設(shè)計(jì)中未充分考慮機(jī)械延伸極限的不足，算例分析結(jié)果表明，井下管柱優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果與技術(shù)措施和井眼條件密切相關(guān)，通過合理優(yōu)化管柱組合參數(shù)可以改善井下管柱受力狀況，從而可以提高井眼的延伸極限。

5）基于理論模型與典型實(shí)例分析，編寫了大位移井管柱力學(xué)與機(jī)械延伸極限分析系統(tǒng)，可為大位移井工程優(yōu)化設(shè)計(jì)與安全高效作業(yè)提供技術(shù)支持。

基于以上研究成果，有助于正確認(rèn)識井下管柱的復(fù)雜力學(xué)行為，可以定量預(yù)測大位移井工程潛在的作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，并科學(xué)指導(dǎo)工程優(yōu)化設(shè)計(jì)與安全高效作業(yè)。

4 結(jié)論

以水平井為基本特征的復(fù)雜結(jié)構(gòu)井，包括大位移水平井、多分支水平井、“U”形井及叢式水平井等，是低滲透、非常規(guī)、深水及深層等復(fù)雜油氣藏高效開發(fā)的先進(jìn)井型，相關(guān)研究與實(shí)踐在國內(nèi)外已取得重大進(jìn)展，必然在頁巖氣高效開發(fā)中發(fā)揮不可替代的重要作用。

在中國山區(qū)頁巖氣開發(fā)中，為了滿足安全環(huán)保、節(jié)約用地、降本增效等基本要求，迫切需要加快創(chuàng)建中國山區(qū)獨(dú)具特色的大型叢式水平井高效開發(fā)模式及其工程技術(shù)支撐體系。通過協(xié)同創(chuàng)新，力爭在現(xiàn)有基礎(chǔ)上成倍增加每個鉆井平臺的布井?dāng)?shù)量，減少同一區(qū)塊的鉆井平臺個數(shù)，大幅度拓展每個叢式井組（或鉆井平臺）對山區(qū)頁巖氣儲層的開發(fā)控制面積，進(jìn)一步挖掘“井工廠”作業(yè)模式的降本增效潛力，同時系統(tǒng)優(yōu)化頁巖氣工程的其他工程環(huán)節(jié)，不斷推進(jìn)中國“頁巖革命”取得新進(jìn)展。

文中給出的大型叢式水平井工程設(shè)計(jì)控制理念及相關(guān)計(jì)算方法等，遵循了油氣田“地質(zhì)與工程一體化”的高效開發(fā)思路，在今后的山區(qū)頁巖氣開發(fā)工程中具有可預(yù)見的良好推廣應(yīng)用前景。