川东北河坝区块大斜度井轨道优化设计技术

朱礼平 吴玉君 刁 素 王希勇 王毅

1.中国石化西南油气分公司工程技术研究院 2.中国石化西南油气分公司钻井工程处

川东北河坝区块大斜度井轨道优化设计技术

朱礼平1吴玉君2刁 素1王希勇1王毅1

1.中国石化西南油气分公司工程技术研究院 2.中国石化西南油气分公司钻井工程处

中国石油化工股份有限公司川东北河坝区块大斜度定向井，在不同工况作业（如正常、滑动钻进、起下钻等）过程中都存在着造斜段轨迹控制难度大、施工摩擦阻力大等难题。为此，从井眼轨道设计入手，在系统分析常用轨道设计方法的基础上，得出除了查图法和作图法外，一般应采用解析法进行设计的认识，设计思路：首先根据给定设计条件求出不同轨迹关键参数，然后求出轨道节点数据，最后求出轨道分点数据。结合该区块大斜度定向井的特点，对轨道设计中的关键参数、轨道剖面类型等进行优化，优化设计原则：①轨迹设计必须满足地质靶点、中靶方位以及现场施工条件（如钻机型号、定向仪器等）的要求；②井眼轨迹几何形状最优化设计首先须满足常规导向钻具组合造斜率的要求、特定套管柱和井眼轨迹的相互适应性，其次要求轨迹最短、管柱的摩擦阻力相对最小，最后要求轨迹光滑过渡和井眼曲率均匀。优化设计的步骤：先根据地质参数（如靶点垂深、水平位移等）和工艺水平（如定向工具型号、性能等），对造斜点以下井段进行钻井方式和钻具组合设计，然后才能对大斜度井井眼轨道进行优化设计。将所形成的大斜度定向井轨道优化设计技术成果应用于HB1－1D等多口大斜度井钻井设计和施工作业中，均顺利实现了地质中靶和完井作业，为该区块后续部署井的轨道设计提供了依据。

四川盆地东北部 河坝区块 大斜度井 轨迹控制 摩擦阻力 扭矩 轨道优化设计 钻具组合设计

大斜度定向井是解决井位部署难题和提高油气单井产能的一种新井型。近年来，中国石油化工股份有限公司为了加快四川盆地东北部河坝区块勘探开发进程，针对山区地貌部署了一批以下三叠统嘉陵江组嘉二段和飞仙关组飞三段为目的层的大斜度定向井，大都具有钻遇多套陆海相地层、井深逾5 000 m，钻井液密度逾2.0 g／cm3、造斜点深度逾4 000 m，水平位移逾1 500 m等特点，其中上部陆相地层倾角大、易井斜，轨迹控制难度大；地层呈不整合接触，漏层多、位置不确定，地层承压能力低；下部海相地层属于高压地层、嘉五段—嘉四段盐膏层发育，存在缩径现象［1］且大都处于造斜井段，进一步增加了不同工况作业（如正常、滑动钻进、起下钻等）过程中造斜段轨迹控制的难度。为此，从井眼轨道设计入手，在系统分析常用轨道设计方法上［2－6］，结合河坝区块大斜度定向井特点，对轨道设计中关键参数、轨道剖面类型等进行优化，形成了该区大斜度井轨道优化设计技术，并成功应用于HB1－1D等多口大斜度井钻井设计和施工中。

1 轨道设计方法对比分析

1.1 基本数据

设计井眼轨道通常由4部分组成：oa段——直井段，ab段——圆弧过渡段，bc段——特殊曲线井段（圆弧、悬链线或拟悬链线等），cd段——稳斜井段（如图1所示）。主要参数有：①靶点垂深Dd，水平位移Sd；②oa段：造斜点垂深Da，井斜角αa；③ab段：造斜率Ka或曲率半径Ra；④cd段：稳斜角αc、稳斜段长度Lw等［3］。

1.2 设计方法

当前，定向井井眼轨道设计有常规（直线和圆弧）和非常规（直线、圆弧和某种特殊曲线）两大类，主要有圆弧、摆线、悬链线、拟悬链线、侧位悬链线、侧位抛物线及修正悬链线等设计方法。总体上说，井眼轨道都具有垂直段、造斜段和稳斜段三段共性，其主要区别在于各种设计方法在造斜段采用不同的设计曲线形状。笔者对近年广泛采用圆弧、悬链线以及侧位悬链线轨道设计方法进行了归一分析，得出除了查图法和作图法外，一般采用解析法进行设计的认识，其设计步骤是：首先根据给定设计条件求出不同轨迹关键参数，然后求出轨道节点数据，最后求出轨道分点数据。

图1 常见定向井轨道剖面示意图

1.2.1 圆弧轨道（b、c点为同一圆弧段上两点）

1）关键参数αc和Lw

2）节点数据

3）分点数据

稳斜cd段：αj＝αc，Dj＝Dc＋（Lj－Lc）cosαc，Sj＝Sc＋（Lj－Lc）sinαc。

1.2.2 悬链线轨道（b点为圆弧终点，c点为悬链线终点）

1.2.2.1 关键参数αb和Lbc

1.2.2.2 节点数据

1.2.2.3 分点数据

1.2.3 侧位悬链线轨道（b、c点为同一侧位悬链线上两点）

1.2.3.1 关键参数Lw和特征参数a

1.2.3.2 节点数据

1.2.3.3 分点数据

2 大斜度井轨道优化设计技术

在大斜度定向井井眼轨道设计中，采用合理轨道参数（造斜点、造斜率及稳斜角等）和剖面类型可有效评价不同工况下钻具延伸能力，利于指导现场施工，能为钻机选型、钻井液类型、钻井方式以及下套管方式选择等提供参考［7－10］。

2.1 基本原则

1）轨迹设计必须满足地质靶点、中靶方位以及现场施工条件（如钻机型号、定向仪器等）要求。

2）井眼轨迹几何形状最优化：首先须满足常规导向钻具组合造斜率的要求，特定套管柱和井眼轨迹的相互适应性；其次要求轨迹最短，管柱的摩擦阻力相对最小；再次要求轨迹光滑过渡和井眼曲率均匀。

2.2 优化设计

首先根据地质参数（如靶点垂深、水平位移等）和工艺水平（如定向工具型号、性能等），对造斜点以下井段进行钻井方式和钻具组合设计，然后才能对大斜度井井眼轨道进行优化设计，其主要步骤如下：

2.2.1 确定合理的稳斜角

依据稳斜段起始点处设计的钻具组合零轴向力条件［2］，计算出稳斜井段的最大稳斜角αcmax，然后与稳斜井段对应的临界稳斜角αk＝tan－1（1／μ）进行对比，若αcmax＜αk则设计钻具组合满足滑动定向钻进要求，此时最大稳斜角αcmax即为确定合理的稳斜角；若αcmax＜αk则需对钻具组合重新设计。

2.2.2 不同剖面轨道设计

在确定合理的稳斜角上，利用上述轨道设计方法对不同轨道进行计算，设计出各种轨道对应的关键参数、节点参数和分点数据；然后从井眼长度、最大狗腿度和增斜段长等方面，对不同设计轨道进行几何形状评价。

2.2.3 不同轨道摩擦阻力评价

在相同条件下，对不同设计轨道对应的不同工况（如正常、滑动钻进、起下钻等）的摩擦阻力进行评价，以优化出相对最优设计轨道。

3 应用实例及效果分析

3.1 设计参数

河坝区块大斜度定向井设计参数如下：靶点垂深Dd＝5 200 m，水平位移Sd＝2 000 m，闭合方位120°；oa段：造斜点垂深Da＝4 000 m，井斜角αa＝0，ab段：造斜率Ka＝6°～18°／100 m。

稳斜段钻进钻具组合设计结果如表1所示。

3.2 轨道优化设计

3.2.1 确定合理的稳斜角

1）依据稳斜段起点处钻柱零轴向力条件，可计算出最大稳斜角αcmax，其计算过程如下：轴向拉力

表1 稳斜段钻进钻具组合设计结果表

式中p为钻压，k N；ρ为钻柱平均线密度，kg／m。

设T＝0将钻具组合及钻井参数代入化简为：

通过简化式可试算出最大稳斜角，即假设一个稳斜角αc，对应算出一个稳斜段长度Lw，然后与设计井在该稳斜角下确定的圆弧轨道稳斜段对比结果见表2，确定出最大稳斜角αcmax＝65.00°。

表2 不同稳斜角条件下两种稳斜段长度试算结果表

2）依据套管内摩擦阻力系数0.25和裸眼段内摩擦阻力系数0.30，可计算出在平均摩擦阻力系数0.28条件下稳斜段对应的临界稳斜角αk＝74.36°＞αcmax＝65.00°，满足滑动定向钻进要求，可确定出3种设计轨道稳斜段对应的合理稳斜角为65.00°。

3.2.2 3种不同剖面轨道设计

3种设计轨道分段数据结果如表3所示。

从表3可知，在设计井相同条件下，3种不同轨道具有几何形状特点如下：①设计井深以圆弧线最长（6 415.79 m、65.00°），悬链线次之（6 413.63 m、65.00°），侧位悬链线最短（6 402.69 m、65.00°），最大相差13 m左右；②增斜段长以侧位悬链线最长（659.56 m、10.30%），悬链线次之（493.63 m、7.70%），圆弧线最短（478.05 m，7.45%）；③最大井眼曲率以侧位悬链线最大（5.52°／30 m），悬链线次之（4.20°／30 m），圆弧线最小（4.08°／30 m）。

表3 3种设计轨道分段数据结果表

3.2.3 3种不同轨道摩擦阻力评价

为了评价上述3种井眼轨道剖面优劣性，采用Land Mark软件对在相同条件下不同轨道剖面进行摩擦阻力评价，其分析结果如表4所示。

表4 3种不同轨道几何特征及摩擦阻力评价结果表

从表4可知，3种不同轨道各项摩擦阻力值：圆弧线＞悬链线＞侧位悬链线，其值大小大致与增斜段长度呈反比关系，但总体上说单项摩擦阻力相差不大，误差在10%以内。结合河坝区块以大斜度深井开发为主，为方便现场定向施工，宜采取相对简单的“直—增—稳”圆弧轨道进行设计。

3.3 应用效果

2008年以来，河坝区块先后部署了HB1－1D、HF302、HF203和HJ203H等4口大斜度井或水平井。在钻前设计和钻井施工中，采用“直—增—稳”或“直—增—稳—增—平”圆弧轨道进行了4井次原轨道和4井次轨道调整设计，很好实现了井眼轨迹控制，都顺利完成了地质中靶和后期大斜度井下套管等作业。

4 结论

1）根据河坝区块大斜度井地质参数和工艺水平特点，通过对轨道设计关键参数、轨道剖面类型等进行优化，形成了该地区大斜度定向井轨道优化设计技术。

2）轨道优化设计技术成功应用在HB1－1D等多口井钻井设计和施工中，均顺利实现了地质中靶和完井作业，为河坝区块后续部署井轨道设计提供了依据。

［1］胡永章，谢润成，钟敬敏，等.河坝构造复杂工程地质问题与安全优快钻井技术对策［J］.中外能源，2010，15（8）：35－38.

［2］宋执武，高德利，李瑞营.大位移井轨道设计方法综述及曲线优选［J］.石油钻探技术，2006，34（5）：24－26.

［3］国家经济贸易委员会.定向井轨道设计与轨迹计算［S］.SY／T 5435，2003.

［4］张建国，黄根炉，韩志勇.一种新的大位移井轨道设计方法［J］.石油钻采工艺，1998，20（6）：6－10.

［5］韩志勇.定向井悬链线轨道的无因次设计方法［J］.石油钻采工艺，1997，19（4）：13－16.

［6］刘修善.悬链线轨道设计方法研究［J］.天然气工业，2007，27（7）：73－75.

［7］卢明辉，管志川.大位移井轨道设计中关键参数的确定［J］.石油钻探技术，2003，31（5）：70－71.

［8］崔红英，张建国，韩志勇.两维定向井轨迹设计的通用方程［J］.钻采工艺，1999，22（4）：6－8.

［9］吴石磊，冯恩民，江胜宗.二维定向井轨道优化设计及实例研究［J］.应用基础与工程科学学报，2001，9（2／3）：125－132.

［10］张焱.李骥，刘坤芳，等.定向井井眼轨迹最优化设计方法研究［J］.天然气工业，2000，20（1）：57－60.

Well trajectory optimization for highly deviated wells in the Heba Block，northeastern Sichuan Basin

Zhu Liping1，Wu Yujun2，Diao Su1，Wang Xiyong1，Wang Yi1
（1.Engineering Technology Institute，Southwest Petroleum Branch，Sinopec，Deyang，Sichuan，618000，China；2.Drilling Engineering Department，Sinopec Southwest Branch，Chengdu，Sichuan 610016，China）

NATUR.GAS IND.VOLUME 31，ISSUE 11，pp.78－82，11／25／2011.（ISSN 1000－0976；In Chinese）

Such difficulties as trajectory control at the build－up section and high friction forces in operation are easily encountered during normal drilling，sliding drilling or tripping operation in highly deviated wells at the Heba Block，operated by the Sinopec in the northeastern Sichuan Basin.Therefore，a systematic analysis is made of the commonly used trajectory design methods and it is found that the analytical method is preferred for well trajectory design besides the table／figure looking－up and mapping／plotting methods.The basic procedure of this recommended method is as follows：First to calculate the key parameters of different trajectories according to the given conditions，then to calculate the nodal data of the trajectories，and finally to calculate the data of diverting points.In combination with the specific features of highly deviated wells in this block，trajectory parameters and profile patterns are optimized by the following principles.（1）A well trajectory design should meet the requirements of geological target，target azimuth and operating conditions，such as drilling rig types and directional drilling instruments used.（2）The wellbore geometry should first satisfy the need of the build－up rate of the conventional steering BHA；being co－adaptive should be necessary between the trajectory and the specific casing string；the shortest length of the trajectory should be the most preferable；the tubing friction resistance should be as small as possible；and smooth transition and uniform borehole curvature should be required for the well trajectory design.Before optimizing the high－angle section，the operators should first optimize the drilling mode and BHA for sections below the kickoff point based on the geological parameters，such as the defined True Vertical Depth（TVD）of the target，horizontal displacement，etc.，and the state－of－the－art drilling technologies，such as directional drilling tool types and behaviors，etc.With this set of optimization technology applied to the planning and drilling of such wells as HB1－1D etc.，successful targeting and completion operations have been completed，which provides reference for future well trajectory designs in this block.

Sichuan Basin，northeast，Heba Block，highly deviated well，trajectory control，friction，torque，trajectory optimization design，BHA design

朱礼平等.川东北河坝区块大斜度井轨道优化设计技术.天然气工业，2011，31（11）：78－82.

10.3787／j.issn.1000－0976.2011.11.020

中国石化西南油气分公司项目“河坝区块定向井钻井工艺技术应用研究”（编号GJ－109－0821）。

朱礼平，1981年生，工程师，硕士；2007年毕业于西南石油大学油气井工程专业；现从事钻井、固井等方面的设计和科研工作。地址：（618000）四川省德阳市龙泉山北路298号。电话：13908105539。E－mail：zhulipingswpi＠126.com

（修改回稿日期 2011－09－15 编辑 居维清特约编辑 杨 斌）

DOI：10.3787／j.issn.1000－0976.2011.11.020

Zhu Liping，engineer，born in 1981，graduated in oil／gas well engineering from Southwest Petroleum University in 2007.He is now

engaged in drilling and cementing planning and the related research.

Add：No.298，North Longquanshan Rd.，Deyang，Sichuan 618000，P.R.China

Mobile：＋86－13908105539 E－mail：zhulipingswpi＠126.com