复杂条件下钻井轨道优化设计与实践

2018-11-01窦正道施智玲徐旭东

复杂油气藏 2018年3期

王建，窦正道，施智玲，徐旭东，赵进

(中国石化江苏油田分公司石油工程技术研究院，江苏扬州 225009)

随着江苏油田勘探开发的不断深入，地下含油小断块“小、碎、贫、散”的复杂地质条件，与水网、村镇密集的复杂地面条件之间的矛盾更加突显。国内外学者针对复杂条件下钻井做了大量工作[1-6]，主要研究集中于井下复杂条件下的井身结构、钻井液性能及钻进工艺优化过程，而针对地下、地面均复杂的钻井优化研究较少。

在江苏油田所处的复杂条件下，井口位置和目标靶点均已确定，只有通过优化设计方案，才能实现地质目标。因此，有必要从钻井工程优化设计角度，解决井位部署难题。目前在江苏油田已成功采用的方法为反向造斜轨道剖面设计、定向井高造斜率剖面设计和利用报废井钻新井。

1 反向造斜轨道剖面设计

1.1 设计优化思路

定向井施工时需要有合适的位移完成定向钻进，如果井口与一靶较近甚至位于一靶与二靶之间，靶前位移不足或为负值，在传统观念下无法施工。从降低施工难度，充分利用现有钻井工艺技术角度出发，提出多目标定向井反向造斜轨道设计。剖面共分为三段：第一段是井口O至中点D的反向造斜段，该段一般形式为“直—增—稳—降”，中点的井斜角为0°；第二段为中点D至定向井入靶点G的增斜段，该段形式一般为“增—稳”；第三段为靶点G至井底终点H的稳斜段；通过计算合适的反向造位移量SN，即可完成二次增斜中靶。剖面计算过程参考小靶前距水平井[7]，反向位移设计的反向量由公式1、公式2计算，最终结果如图1所示。

(1)

SN=SZ-SO

(2)

式中：

SZ为DG间的位移，m；SO为井口O至一靶G之间的位移；SN为井口O至中点D的位移，m；K为造斜率，(°)/100m；φ为中靶井斜角，(°)。

1.2 设计剖面优化案例

LX44井选定井口至第一靶点位移为-189.43 m，按照常规无法设计。利用反向造斜轨道设计方法，通过计算求得设计所需的靶前距、入靶井斜角、方位角等基本参数，然后按8°/100 m的常规造斜率设计出自中点至入靶点井段的轨道，确定常规造斜率所需的靶前距为167.04 m，计算出反位移量为356.47 m。再通过设定造斜点、造斜率、降斜率等参数，使用“增—稳—降”剖面设计反向造斜段的井眼轨道。最后，计算一靶至井底的轨道参数后完成全井轨道的设计。轨道设计剖面如表1所示。

图1 反位移轨道设计

表1 LX44井设计轨道

1.3 现场实施情况

按照LX44井设计轨道的施工难点为311.1 mm井眼反向造斜段(230～1 898.5 m)，该井段顺利施工是反向造斜轨道能够成功实施的保证，施工中发现初始造斜井段为盐城组松软地层，采用1.25°/1.5°Φ203 mm单弯螺杆的造斜率(≤3.8°/100m)均较低，而1.75 °Φ197 mm弯接头和直螺杆可以达到设计造斜率，后续井施工建议采用该套钻具组合(见表2)。

从设计轨道对后期采油的影响考虑，不建议采用更高造斜率的螺杆，以免发生采油时频繁检泵的后果。定向施工中应控制反向造斜段的全角变化率，尽力趋向直井段的要求。该井段轨迹测量数据对比结果如图2所示。

表2 LX44井反向造斜段施工造斜率

图2 LX44井反向造斜段轨迹测量数据对比

2 定向井高造斜率剖面设计

2.1 设计优化思路

江苏油田定向井设计中要求控制井眼曲率最大值(5～12°)/100 m。而在井口和靶点都确定的情况下，只有调整井口与靶点的连接线才能达到钻井目的。因此，在人口、水网密集的小断块地区钻井，需要突破固有思维的限制，扩大井眼曲率的选择范围，增加井口位置的可选择性，降低施工难度。设计思路如下：

(1)定向井的造斜段曲率采用水平井的井眼曲率，设定为(20～28°)/100 m；

(2)将井口位置定于一靶的范围内，采用直井段中第一靶点后，增斜中第二靶点；

(3)要求一靶与二靶之间段长应大于300 m，设计井斜角小于60°(确保中一靶后有足够的井段造斜，且避免大斜度井)。

2.2 设计剖面优化

2.2.1 设计案例

H68-3井位于H68孤岛，已经部署了H66井、H52井、H2井、H68井、H68-1井等多口井，H68-3井意向与H68-1井组成丛式井组，拖井架后一靶的靶前距约15 m(一靶半径20 m)，两靶点之间井段长490.6 m，计算最大井斜角为43.59°，按照常规的造斜率设计，靶前距不够，需要反向造斜，通过采用高造斜率设计较好地解决这个问题。H68-3井采用定向井高造斜率轨道设计剖面(见表3)。

表3 H68-3井轨道设计剖面

2.2.2 摩阻、扭矩分析

分析H68-3井设计轨道的摩阻、扭矩(见表4)，可知，高造斜率剖面可以减少钻井进尺，缩短定向段长，降低定向工作量，且减小摩阻扭矩。

表4 H68-3井摩阻扭矩计算

注：计算时套管内摩阻系数0.20，裸眼段摩阻系数0.35，钻压160 kN，钻头扭矩4.5 kN·m，钻井液密度1.20 g/cm3，起下钻速度10 m/min。

2.3 实施情况与效果

H68-3井施工关键在于Φ215.9 mm定向井段(井深1 400～1 856.81 m)，Φ172 mm 1.5°单弯螺杆定向组合，施工后轨迹测量关键点数据见表5：施工后造斜点在抽油泵的下部，有利于减轻抽油杆负荷，避免上部抽油杆偏磨，并减少抽油泵的冲程损失；井斜角控制为41.52°，避免大井斜导致套管使用寿命降低。该井实钻取得显著的效果，钻井周期及完井周期明显缩短，机械钻速大幅度提升。与邻井施工情况对比如表6所示。

表5 H68-3井关键点数据

表6 H68-3与邻井施工情况对比

3 报废井侧钻新井优化设计

3.1 优化设计思路

报废井侧钻新井不但可以实施老油田调整挖潜，而且也可用于一些滚动探边井。对于复杂条件下的老油田，报废井重复利用既解决了井口布置问题，又实现降本增效的目的。其设计思路为：

(1)按照待钻井靶点推算井口并完成剖面初步设计，用Compass扫描并找出所有邻井；

(2)与采油厂联系查找邻井的生产数据，找出报废井；

(3)根据地质设计要求，从设计轨道与地层相交的方向性筛选出可利用井；

(4)如果报废井的轨迹平面投影与待钻井靶点在同一象限内，可以考虑利用报废井的斜井段，而依据地质要求多数情况下仅能利用报废井的直井段，要求优先考虑裸眼段定向；

(5)待钻井设计方案进行施工难度对比分析与最终方案确定。

3.2 设计剖面优化

3.2.1 设计案例

Xu36A井是采用报废井Xu36井直井段侧钻的一口勘探评价井，按照报废井侧钻新井设计思路，轨道剖面类型为增—稳—降—稳，其主要参数：侧钻点井深1 080.00 m，最大井斜角47.50°，井底深度3 600 m，井底闭合距1 239.57 m，井底闭合方位312.99°，第二稳斜段井斜角为11°。与邻井的平面相对位置如图3所示。

图3 Xu36井与邻井的平面相对位置

3.2.2 施工难度分析

理论模拟计算了在不同摩阻系数下，起下钻和钻进过程中钻具的受力情况(见图4)，计算结果：最大钩载190～224 t，起钻摩阻60～94 t最大扭矩33.2～45.2 kN·m，施工难度较大。其原因为Xu36A井需要穿越多套含油断块，设计轨道先增后降较复杂，且井底闭合距为1 239.57 m，钻具与井壁的接触面积大也造成摩阻、扭矩增加。