米桑油田井眼轨道优化设计

王胜翔，杨培龙，刘克明，梁奇敏

(1.中国海油伊拉克有限公司，北京100010；2.中国石油大学石油工程教育部重点实验室，北京102249)

米桑油田井眼轨道优化设计

王胜翔*1，杨培龙1，刘克明1，梁奇敏2

(1.中国海油伊拉克有限公司，北京100010；2.中国石油大学石油工程教育部重点实验室，北京102249)

在定向井钻井中，优化井眼轨道，是实现优快钻井的重要手段。研究了米桑油田井眼轨道的优选问题，考虑了井壁稳定、目标垂深和造斜率不确定、井眼清洁、着陆的难易程度以及井下钻具受力情况等多个约束条件对井眼轨道优选问题的影响。需要综合考虑上述所有约束条件才能得出该井段的稳斜角大小，最终得到米桑油田不同约束条件下井眼轨道计算结果。探讨了所有约束条件下的轨道优化过程，对今后该区块定向井的钻井工程理论和技术中的井眼轨道优选设计的深入研究与实践有重要参考价值。

米桑油田；钻井；定向井；轨道优化；约束条件

1 概述

众所周知，提高钻井速度是加快油气勘探开发步伐的重要途径。多年来，钻井工作者已经拥有了一系列优快钻井速度的技术[1-4]，钻井速度也逐年提高，但与国外先进的钻井速度指标相比，仍存在着很大的差距。在其他条件一定的情况下，钻井轨道的优选对于优快钻井起着决定性作用。

尽量选择形状简单、易于施工的井眼轨道是定向井、水平井设计的一个基本原则，因此在环境和地下条件允许的情况下，如果对钻井工艺技术没有特殊要求，都会将井眼轨道设计成二维剖面。至今大约已有10多种剖面类型，如悬链线剖面和直线、圆弧组合剖面等。其中直线、圆弧组合剖面是由多个直线段和多个圆弧段组合而成，最典型的剖面有“L型”、“S型”和双增型剖面。所选出的最优井眼轨道模型往往只能作为井身剖面的一个组成部分，不能保证全井井眼轨道是最优的。总之，对于井眼轨道模型及井身剖面的选择，需要进行综合分析与评价才能做出科学的决策，为此前人已经做了很多工作[5-12]。本文的井眼轨道优选问题考虑了井壁稳定、目标垂深和造斜率不确定、井眼清洁、着陆的难易程度以及井下钻具受力情况等多个约束条件。通过本文优选出的井眼轨道，能够完成米桑油田定向井的施工任务，并为优快钻进的深入研究与实践提供重要的参考价值。

2 井眼轨道优化

“双增型剖面”是水平井常用的一种类型，其中稳斜角的合理确定是关键参数优化之一。以下在几个约束条件下优化稳斜角。

2.1 井壁稳定约束条件下稳斜角的优选

每一个区块的坍塌压力随井斜角和方位角都有一个变化规律图。沿着不同的方位钻井有不同的坍塌压力；虽然都是同一方位下进行钻井，但在不同的井斜下，坍塌压力波动值也不容忽略。稳斜角太大或太小，都不利于井壁稳定。所以从井壁稳定的角度考虑，稳斜段的井斜应选择在坍塌压力最小的井斜处。

2.2 目标垂深和造斜率不确定条件下稳斜角的优选

对于一般的定向井，目标垂深和造斜率都不确定的情况在现场施工过程中都是可能存在的[13]，如图1所示。

式中，第一造斜段的最高造斜率和最低造斜率分别是K1max和K1min，第二造斜段的最高造斜率和最低造斜率分别是K2max和K2min，αE是目标段的井斜角，σ是目标层窗口的半高度，αm是标志层的倾角。上式即为关于目标垂深和造斜率都不确定情况下的最优稳斜段井斜角αtan的隐函数，对该隐函数求解即可得最优稳斜段井斜角αtan的大小。

图1 目标垂深和造斜率不确定性的双增型水平井垂直剖面图

2.3 井眼清洁约束条件下稳斜角的优选

井斜角是影响岩屑运移的重要因素，不同井斜角下由于岩屑颗粒的重力作用效果发生了变化，因而导致岩屑在运移方式上存在很大的差别。

0°～30°井斜角井段，虽然当井斜角大于10°后，岩屑颗粒具有向井壁下侧沉积的趋势，但该井段内一般形不成稳定的岩屑床，岩屑在钻井液作用下推动前进。此时钻柱的旋转搅动会使岩屑不断进入高速流区而被钻井液携出，此井段中，环空返速高于0.8m/s即可获得较满意的携屑效果。

在30°～60°井斜角井段，随着井斜角的增大，岩屑下沉到下井壁的机会增多，逐渐形成岩屑床。由于岩屑床的形成，使得环空岩屑浓度增大，且井斜角增加岩屑浓度及岩屑床厚度急剧增加，在45°～60°井斜角范围内岩屑床厚度及岩屑浓度达到全井段最大值，岩屑床开始形成的“临界井斜角”[14-16]。同时，由于岩屑床存在较大的下滑分力，使该井段成为携屑最困难井段。

当井斜角在60°～90°范围时，所形成的岩屑床基本稳定,且床体不存在沿井壁下滑的现象。此时由于液流输送岩屑的作用方式发生了变化，使得这一井段内的环空岩屑浓度较0°～30°井斜角井段高而比30°～60°井段低。

2.4 井下钻具受力约束条件下稳斜角的优选

由于稳斜段的井斜大，管柱在井下运动时会受到很大的摩擦力，致使起下钻和下套管以及施工加钻压等作业困难。

一般情况下，当井斜角在大于60°时，就需要“倒装钻具结构”，防止下部钻具因受到的轴向力过大而出现失稳的现象。钻具旋转时受到的交变应力，将加剧钻具的疲劳破坏[17]。在盐膏层稳斜钻进时，钻具在井下受到的扭矩将增很大，受力状态更为复杂，要求精心设计钻具组合。

所以从摩阻扭矩的角度考虑，设计时稳斜角尽量小于60°。

2.5 着陆难以程度约束条件下稳斜角的优选

如果稳斜段底部到着陆点的垂深很近，而且稳斜角太小，就要以较大的造斜率实现着陆，这样对定向工具的要求高和施工过程都会带来很大的困难，而且狗腿度太大容易卡钻，所以稳斜角又不能太小。

图2 井眼剖面中各井段间的几何关系图

稳斜段与第二造斜段的几何关系图见图2，显然第二造斜段的造斜率和稳斜角的大小关系如式（2）所示。

3 算例

3.1 米桑油田定向井基本数据

为了提高控制精度和降低控制难度，米桑油田的水平井均采用图3所示的“双增式剖面类型”，在垂深在2100～2900m的盐膏层中稳斜钻进，采用旋转钻进模式快速通过，缩短盐膏层段的作业时间，更有利于减小盐膏层中井下复杂事故的出现，更容易达到实现优快钻井的目的。

3.2 多约束条件下井眼轨道计算结果

米桑油田Lower Fars层（约2100～2900m）坍塌压力随井斜角和方位角变化规律图如图4所示，从井壁稳定的角度考虑，稳斜段的井斜应选择在坍塌压力最小的井斜处，25°～35°间。

在伊拉克米桑油田中，垂深不确定性取10m，窗口半高度是2m，第一造斜段的造斜率的不确定性是在2.5°/30m～3.5°/30m之间，第二造斜段的造斜率的不确定性是在4.5°/30m～5.5°/30m之间，由于地层不确定性造成的垂深为3100m上下波动10m，着陆点的井斜角是90°。通过式（1），优化出来的稳斜角是79.27°，稳斜段的长度是52.8m。这样一来，必然会导致在盐膏层中进行定向造斜，故不能根据此条件下计算的稳斜角来进行作业。

从洗井方面考虑，米桑油田的稳斜角尽量大于60°或小于30°。

图3 米桑油田盐膏地层水平井剖面类型

图4 米桑油田Lower Fars层坍塌压力随井斜角方位角的变化规律

从摩阻扭矩的角度考虑，设计时稳斜角尽量小于60°。

TB2如果取200m的话，稳斜角不能太小，如果第二造斜段取5°/30m的造斜率，计算结果显示不能小于24.8°。

综合上面5个约束条件下的优化结果，米桑油田的稳斜角选取25°。

基于各种约束条件下得到的井眼轨道计算结果各不相同，综合考虑所有因数可得到结果，既满足了安全钻井的要求，又最大限度地实现了优快钻井，验证了多约束条件下排量优选计算结果的科学性。

4 结论

(1)米桑油田中，采用“双增”剖面类型，考虑井壁稳定、目标垂深和造斜率不确定、井眼清洁、着陆的难易程度以及井下钻具受力情况等多个约束条件优选出的稳斜角是25°；造斜率分别是3°/30m和5°/30m，优化出的造斜点1850m落在硬盐膏层中，适合造斜。

(2)在实际钻井过程中，每口井的目标垂深不确定，轨道控制受多种因素的限制，需要做小调整。为使所设计的轨道具有使用价值，须确保每口井优选的井眼轨道必须满足上述所有约束条件。

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TE21

A

1004-5716(2015)08-0017-04

2014-08-18

2014-08-18

王胜翔（1972-），男（汉族），河南南阳人，工程师，现从事油气田钻井技术工作。