王 能，徐新華，李若飛

（1.大慶鉆井工程技術(shù)研究院，黑龍江 大慶 163413；2.渤海鉆探定向井技術(shù)服務(wù)公司，天津 300450）

頁(yè)巖氣水平井鉆井主要采用批鉆井的施工模式進(jìn)行開(kāi)發(fā)，主要面臨地面制約條件多、地層復(fù)雜、鄰井防碰風(fēng)險(xiǎn)高、井眼軌跡控制困難等諸多難題。因此，頁(yè)巖氣水平井鉆井需要解決的關(guān)鍵技術(shù)不只是簡(jiǎn)單的井眼軌跡設(shè)計(jì)，而是需要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工難點(diǎn)，將現(xiàn)場(chǎng)施工難點(diǎn)結(jié)合到設(shè)計(jì)里，確定合理的井身剖面參數(shù)。本文將現(xiàn)場(chǎng)施工中面臨的一些技術(shù)難點(diǎn)和原始設(shè)計(jì)結(jié)合后，對(duì)軌跡進(jìn)行二次優(yōu)化，新的思路對(duì)頁(yè)巖氣安全高效鉆井具有重要指導(dǎo)意義。新的軌道優(yōu)化思路在204HXX平臺(tái)進(jìn)行了應(yīng)用，有效降低了直井段防碰難度，提高了機(jī)械鉆速，實(shí)現(xiàn)了小井距叢式水平井井眼軌跡的高效控制。

本文以204HXX 平臺(tái)4 口井的設(shè)計(jì)對(duì)比來(lái)簡(jiǎn)單介紹具體優(yōu)化思路。

1 204HXX平臺(tái)待鉆井基本情況介紹

204HXX 平臺(tái)共有4 口待鉆井，均為三維水平井，所有待鉆井的排列關(guān)系見(jiàn)圖1，待鉆井的原始設(shè)計(jì)見(jiàn)圖2。

圖1 待鉆井口排列關(guān)系

圖2 204HXX平臺(tái)原始井身剖面設(shè)計(jì)

2 原始設(shè)計(jì)在現(xiàn)場(chǎng)施工中存在的難點(diǎn)

該井組井口槽間距比較小，上部井段防碰問(wèn)題突出。不僅如此，該井組所有定向井均為大位移水平井。其中，入靶點(diǎn)處垂深約為3610.0m、水平位移約為500.0m；端靶點(diǎn)垂深約3670.0m、水平位移約為2500.0m；水 平 段 井 斜 角 約88.1° ～88.3° 、長(zhǎng) 度2000.0m。下部井段施工難度也比較大，應(yīng)重點(diǎn)考慮摩阻扭矩問(wèn)題，其次是水平段井眼高效攜巖問(wèn)題，避免形成巖屑床。原始設(shè)計(jì)在現(xiàn)場(chǎng)施工存在一些難點(diǎn)：

（1）頁(yè)巖氣區(qū)塊地處山地，環(huán)境復(fù)雜，井場(chǎng)面積受限，大部分為小井距三維叢式水平井。本區(qū)塊4口井從待鉆井口排列關(guān)系圖中可以看出，1井和2井最近防碰距離5.07m，最小分離系數(shù)0.955。3井和4井最近防碰距離5.05m，最小分離系數(shù)1.145。頁(yè)巖氣地區(qū)由于上部地層傾角大，加壓快速鉆進(jìn)易起井斜，直井段的防碰壓力特別大，需加密測(cè)斜，控制鉆進(jìn)參數(shù)，花費(fèi)大量精力在防碰工作上，嚴(yán)重影響鉆進(jìn)速度。同時(shí)4口井的造斜點(diǎn)分別為1200m/1340m/1050m/1000m，造斜點(diǎn)過(guò)低，防碰井段偏長(zhǎng)。

（2）三口井在穩(wěn)斜段采取了6°/4.5°/8°度穩(wěn)斜，穩(wěn)斜段長(zhǎng)度分別為1870.47m/1742.49m/2006.63m。在實(shí)際施工過(guò)程中，大段穩(wěn)斜段鉆進(jìn)的井斜角小于15°時(shí)，方位難以控制，井斜角在大于15°時(shí)，才能有效地控制住井斜角和方位，原始設(shè)計(jì)軌跡控制難度較大。

（3）4口井原始設(shè)計(jì)在二次造斜段均采用了邊增斜邊扭方位的施工方案，入窗時(shí)才將方位擺正，增加了軌跡控制的難度，且后期旋導(dǎo)施工過(guò)程中，中曲率半徑水平井井斜角增加較快，邊造斜邊扭方位增加了施工難度，每柱都需發(fā)指令調(diào)整工具面，嚴(yán)重影響鉆進(jìn)效率。

（4）入窗點(diǎn)的狗腿偏高，增加了入窗難度，且對(duì)后期水平段施工中摩阻，扭矩，井眼清潔有一定影響。

3 優(yōu)化軌跡方案

一口水平井的總設(shè)計(jì)原則，能保證實(shí)現(xiàn)鉆井目的，滿足采油工藝及修井作業(yè)的要求，有利于安全、優(yōu)質(zhì)、快速鉆井。選擇合適的井眼形狀，復(fù)雜的井眼形狀，勢(shì)必帶來(lái)施工難度的增加，因此，井眼形狀的選擇，越簡(jiǎn)單越好。選擇合適的井眼曲率，考慮工具造斜能力的限制和鉆具剛性的限制，結(jié)合地層的影響，滿足設(shè)計(jì)和施工要求的前提下，盡量選擇比較低的造斜率，保證鉆具、儀器和套管能順利通過(guò)。選擇合適的造斜點(diǎn)，充分考慮到地層的穩(wěn)定性和可鉆性的限制，盡量把造斜點(diǎn)選擇在穩(wěn)定、均勻的硬地層，避開(kāi)軟硬夾層、巖石破碎帶、漏失地層、流砂層、易膨脹或易坍塌的地段，以免出現(xiàn)井下復(fù)雜情況，影響定向施工。選擇合適的穩(wěn)斜段井斜角和入窗井斜角，井斜角的大小，直接影響軌跡的控制。井斜角太小時(shí)，方位不好控制，而井斜角太大時(shí)，施工難度卻又增加，因此穩(wěn)斜段的井斜角和入靶井斜角的選擇，應(yīng)該滿足軌跡控制的需要。

為了降低鉆井風(fēng)險(xiǎn)和提高鉆井速度，同時(shí)結(jié)合頁(yè)巖氣區(qū)塊的特殊性，上部井段重點(diǎn)考慮井眼防碰問(wèn)題，其次是大尺寸井眼定向鉆進(jìn)、水平段摩阻扭矩、高效攜巖及安全下套管等問(wèn)題，需要對(duì)軌道設(shè)計(jì)方案進(jìn)行整體優(yōu)化。

3.1 軌道類型設(shè)計(jì)方案

該井組各定向井均為三維水平井，在原始設(shè)計(jì)中選擇了雙增式軌道設(shè)計(jì)方案，其基本組成為“直井段—增斜段—穩(wěn)斜段—增斜扭方位段—穩(wěn)斜段”。優(yōu)化設(shè)計(jì)中，我們選擇了能夠有效降低水平段摩阻扭矩的雙二維水平井設(shè)計(jì)方法，其基本組成為“直井段—增斜段—穩(wěn)斜段—降斜段—直井段—增斜段—穩(wěn)斜段”。

調(diào)整后的軌跡見(jiàn)圖3。

圖3 204HXX平臺(tái)優(yōu)化井身剖面設(shè)計(jì)

3.2 選擇第一造斜段的造斜點(diǎn)及造斜率

選擇第一造斜段的造斜點(diǎn)應(yīng)綜合考慮地層特性、上部地層井斜情況及直井段防碰安全距離要求。該井組導(dǎo)管下深為50.0m，表套下深為950m 左右。根據(jù)鄰井鉆探資料及區(qū)域資料分析，204HXX 平臺(tái)地層具有厚層泥巖、頁(yè)巖，易發(fā)生垮塌，可能鉆遇漏層和超壓層。但是該井組各定向井均為大位移水平井，在上述復(fù)雜地層以下才開(kāi)始定向造斜是不現(xiàn)實(shí)的。優(yōu)選造斜點(diǎn)有利于上部井段防碰和減少?gòu)?fù)雜地層中定向段長(zhǎng)度。此外，考慮上部地層井斜及直井段防碰安全距離要求。此外，考慮上部地層井斜及直井段防碰安全距離要求，推薦第一造斜點(diǎn)深度范圍為1000～1050.0m，鄰井造斜點(diǎn)應(yīng)相互錯(cuò)開(kāi)50m左右。

此外，考慮到十二寸二井眼中鉆具造斜率不高，定向鉆井速度也較低，第一造斜段的設(shè)計(jì)造斜率過(guò)高或過(guò)低都不合適。據(jù)鄰井鉆井資料，十二寸二井眼受鉆井液排量限制，滑動(dòng)鉆進(jìn)時(shí)攜巖問(wèn)題突出，需要頻繁劃眼而影響了鉆進(jìn)速度；為了提高攜巖效率和鉆井速度，需要減少滑動(dòng)鉆進(jìn)井段的比例，增加復(fù)合鉆進(jìn)井段的比例，使得第一造斜段的平均造斜率僅2°～3°/30m左右。因此，該井組第一造斜段的設(shè)計(jì)造斜率不宜太高，合適的造斜率范圍為2.0°～3.0°/30m（建議取1.8°～2°/30m）。

3.3 選擇第二造斜段的造斜點(diǎn)及造斜率

對(duì)于雙二維水平井來(lái)說(shuō)，目標(biāo)點(diǎn)及水平段參數(shù)均為已知條件，當(dāng)?shù)谝欢诬壽E的水平位移確定后，第二段軌跡就不能再同時(shí)限定第二造斜段的造斜點(diǎn)和造斜率了，只能給定第二造斜段的造斜率或造斜點(diǎn)，利用軌道設(shè)計(jì)公式求出第二造斜段的造斜點(diǎn)或造斜率。

對(duì)于該井組井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，考慮到地層信息以及套管下深，所有井的第二造斜點(diǎn)均選擇在位于8-1/2″井眼龍馬溪地層（垂深3180m），實(shí)鉆過(guò)程中可以根據(jù)地層埋藏深度對(duì)第二造斜點(diǎn)適當(dāng)進(jìn)行微調(diào)。

4 二次設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)

（1）在雙二維水平井設(shè)計(jì)中，只需確定第一造斜段的水平位移，造斜點(diǎn)以及造斜率均可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況靈活掌握。如一開(kāi)上直段地質(zhì)條件允許，可以將造斜點(diǎn)上提至井口附近，從而在直井段增大了鄰井間距，大幅度減少上部直井段防碰風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)防碰距離安全后，現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中即可增大鉆進(jìn)參數(shù)，一定程度上也可增加機(jī)械鉆速。本區(qū)塊調(diào)整后將1 井初始造斜點(diǎn)上提150m，2井初始造斜點(diǎn)上提300m。

（2）雙二維水平井在每個(gè)鉛垂面內(nèi)，軌跡只有井斜變化而幾乎沒(méi)有方位變化，井眼軌跡控制難度大大減??；進(jìn)入第二鉛垂面時(shí)，軌跡的井斜角很小，近乎于直井，現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，不用考慮扭方位，只用強(qiáng)力增斜即可，避免了常規(guī)三維水平井的大幅度扭方位作業(yè)。降低了對(duì)旋導(dǎo)設(shè)備增斜率的要求，同時(shí)減少了測(cè)斜和調(diào)整儀器工具面的次數(shù)，可大幅度節(jié)省時(shí)效。

（3）優(yōu)化設(shè)計(jì)中將4 口井的穩(wěn)斜段井斜從6°/4.5°/8°/15°調(diào)整為15°/12°/15°/21°，大大降低了現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中穩(wěn)斜段井眼軌跡的控制難度，減少穩(wěn)斜段軌跡調(diào)整次數(shù)，增加機(jī)械鉆速。

（4）4 口井入窗時(shí)的造斜率分別從5/5/5.5/4.8 降低到4.6/4.7/5.4/3.8，即降低了對(duì)旋導(dǎo)設(shè)備造斜率的要求，又減少了造斜段工作量以及入窗難度。造斜率的降低和雙二維井眼軌跡類型的選擇，都能夠有效降低水平段鉆柱摩阻扭矩，既降低了鉆井施工難度，又提高了機(jī)械鉆速。以XX-1 井為例，將兩種軌跡數(shù)據(jù)輸入Wellplan 軟件，模擬分析不同軌道設(shè)計(jì)的摩阻扭矩。具體對(duì)比見(jiàn)圖4。

圖4 摩阻扭矩對(duì)比

5 現(xiàn)場(chǎng)中的應(yīng)用

204HXX-2 井按照優(yōu)化設(shè)計(jì)的思路進(jìn)行施工，將造斜點(diǎn)上提至1000m，將上直段的防碰系數(shù)從1.146增加至1.682，降低上直段防碰風(fēng)險(xiǎn)。在防碰距離達(dá)到安全距離后，現(xiàn)場(chǎng)采用激進(jìn)參數(shù)鉆進(jìn)，增加鉆壓，機(jī)械鉆速比鄰井同井段相比，提高12%。穩(wěn)斜段最大井斜14.26°，1899.97m開(kāi)始降斜，最小井斜降至1.05°。減少了后期扭方位的工作量。鉆進(jìn)過(guò)程中，扭矩與臨井同井段對(duì)比小1～1.5kN·m。

6 結(jié)論

（1）根據(jù)頁(yè)巖氣區(qū)塊鉆井現(xiàn)場(chǎng)反饋的一些經(jīng)驗(yàn)，指出現(xiàn)有的井眼軌跡中存在的一些問(wèn)題。從鄰眼防碰風(fēng)險(xiǎn)、穩(wěn)斜段軌跡控制、機(jī)械鉆速和入窗難度等四個(gè)方面探討了優(yōu)化設(shè)計(jì)的必要性。

（2）指出了雙二維水平井相比三維水平井在現(xiàn)場(chǎng)施工中的優(yōu)點(diǎn)，其軌跡在每個(gè)鉛垂面內(nèi)只有井斜變化沒(méi)有方位變化，施工難度大大降低，且有利于提高時(shí)效，降低鉆井成本。

（3）鑒于頁(yè)巖氣區(qū)塊地質(zhì)條件的特殊性，很多井的造斜點(diǎn)以上的垂深不夠，靶前位移小，側(cè)向位移大，無(wú)法對(duì)每口井均采取雙二維水平井的優(yōu)化思路。