长宁地区页岩气水平井井眼轨迹优化设计

关小旭西南石油大学；2成都理工大学能源学院

长宁地区页岩气水平井井眼轨迹优化设计

杨火海1；2张杨1关小旭1；21西南石油大学；2成都理工大学能源学院

目前我国在页岩水平井井眼轨迹设计上所面临的问题主要有：优质储层预测难度大；最优井眼方位尚未明确;页岩气井的井壁掉块、垮塌等井壁稳定性问题频发；井眼轨迹难以控制（地层环境复杂）。因此要实现页岩气高效开发，需要从预测优质页岩储层、提高储量动用程度、减少钻井事故方面来开展基础研究。以宁201—X井为例，根据所得数据及测井资料选择优质页岩储层段，合理设计井斜角、井身剖面、曲率半径、造斜点、着陆点、井眼方位等数据，利用井眼轨迹设计软件设计出二维及三维的水平井井眼轨迹。

储层；页岩气；龙马溪组；水平井；井眼轨迹

目前我国在页岩水平井井眼轨迹设计上所面临的问题主要有：优质储层预测难度大；最优井眼方位尚未明确；页岩气井的井壁掉块、垮塌等井壁稳定性问题频发；井眼轨迹难以控制（地层环境复杂）。因此要实现页岩气高效开发，需要从预测优质页岩储层、提高储量动用程度、减少钻井事故方面来开展基础研究。

1 井眼轨迹设计方法

（1）二维设计。水平井的井身剖面设计类型应用最多、最有代表性的有3种类型：①单增剖面（三段式），即直—增—稳（平）剖面；②双增剖面（五段式），即直—增—稳—增—稳（平）剖面；③三增剖面，即直—增—稳—增—稳—增—稳（平）剖面。水平井井眼轨迹设计主要包括恒曲率法和变曲率法两种。恒曲率法指造斜率为常量；变曲率法因其造斜率为变量可分为摆线法、悬链线等方法。

（2）三维设计。一般情况下，在钻井之初，就已确定了井眼方位、起始点位置和目标点位置，由此开始进行三维井眼轨道的设计。而根据不同的设计目的和要求，可以将目标点的井眼方位分为不限定和限定两种类型。前者的靶一般为以该点为圆心的水平圆，其设计目标为空间点，要求轨道达到目标点即可；后者的靶常为以该线为中心线的长方体，其设计目标为空间直线，要求轨道按矢量方向进入目标点(着陆点)。因此，用于其设计要求的模型分别称之为点目标设计模型和线目标设计模型。

2 井眼轨迹设计参数优选

（1）水平井最大井斜角的确定。根据北美页岩气开发的经验，最大井斜角一般设计为>90°，因为这样可以使得水平段微微上翘，从而便于排水；再根据储层厚度（当然，所设计的水平段井眼轨迹要满足与储层层段平行，这样才能有效增大泄流面积），设计符合要求的出、入靶点（A、B）；利用优化对齐的方式，即入靶点A对应出靶点B，从而可以计算出这口水平井的最大井斜角。

（2）井眼曲率的选取。水平井井眼曲率太大时，会给钻井、采气和修井作业带来一定的困难。因此，需要根据具体的情况适当选择井眼曲率。由于页岩储层的特殊性，国内外开发页岩气主要以长曲率半径水平井为主，相应的造斜率选取为（2°～6°）/30m。

（3）造斜点的选择：①正确选择造斜点时应当避开岩石破碎带和漏失地层，尽量选择在储层性质较为稳定的地层。②必须要满足页岩气开采工艺的要求。③地层岩石的可钻性应当均匀，地层不应当含有夹层。④对于垂深小、水平位移大的井，造斜点应选区中较浅的位置，以减少定向施工的工作量。然而，对于垂深大、水平位移大的井，造斜点应选取在较深的位置，以简化井身结构，从而提高钻速。⑤在井眼方位容易漂移的地区，应使斜井段避开方位漂移大的地层。

（4）着陆点的选择。根据目的层和地层倾角不同，来选择合适的着陆段、着陆点位置、着陆井斜角及靶前位移提前量。当气层为下倾方向时，水平段井斜角小于90°时，控制井眼轨迹在A点前40～50 m，垂深达到设计气顶位置，井斜达到82°～84°，以便顺利进入气层。当气层为上倾方向时，水平段井斜角大于90°时，控制井眼轨迹在A点前20～30m，垂深达到设计气顶位置，井斜达到85°～87°，然后复合钻进探气顶，保证井斜角为微增趋势，进入气层。

（5）井眼方位角的确定。例如长宁地区志留系龙马溪组SHmax＞Sv＞Shmin，属于走滑地应力类型，地层情况较为复杂。因此，该区页岩气水平井井眼方位的确定，需要满足以下两个条件：能够很好地保持井壁稳定性（尤其是针对水平段而言），减少井下复杂情况的发生；最大机率地钻遇裂缝，为压裂等后期储层改造做好铺垫。

3 设计实例

以宁201—X井为例，根据所得数据及测井资料选择优质页岩储层段，合理设计井斜角、井身剖面、曲率半径、造斜点、着陆点、井眼方位等参数，利用井眼轨迹设计软件设计出二维及三维的水平井井眼轨迹。

由于宁201—X井附近龙马溪组埋藏深度一般为2 500m左右，即埋藏深度较深。因此，根据井眼轨迹设计原则采用二维的五段式轨迹剖面。由于是长半径水平井，所以造斜点选取在龙马溪组上一层较厚的牛栏石组中。根据北美页岩气开发经验，采用靶点间优化对齐方式计算出最大井斜角设计为91.00°(＞90°)，井眼方位角选择为70°。宁201—X井井身剖面设计参数见表1，宁201—X井三维井眼轨迹图见图1。

表1 宁201—X井的井身剖面设计参数

本井采用稳斜探顶、复合入窗的井眼轨迹控制方式，复合钻进储层，可以增强应对储层变化进行垂深调整的主动性。

采用随钻地质导向技术能够根据实测资料及时地评价储层情况，从而保证井眼轨迹在最优的储层段中穿行，发挥地质录井作用，建立工程与地质相结合的导向模式。坚持少滑动、多转动、微调及勤调的原则。根据井眼轨迹控制要造斜工具精度高及尽可能地减少起下钻次数，减小施工时间及减少事故发生，可以采用可变径单弯螺杆进行定向，或者使用变径扶正器来有效调节造斜率的变化。对于水平段的后半段施工过程中的扭矩、摩阻明显增大导致钻压无法顺利加到钻头的情况，可以采用倒装钻具组合，并结合旋转导向钻进的方式进行。此方法能够很好地降低摩阻，并且能够及时地清理岩屑床。宁201—X井的井眼轨迹控制计划见表2。

图1 宁201—X井三维井眼轨迹

表2 宁201—X井的井眼轨迹控制计划

4 结论

（1）我国川南地区页岩气储层形成背景复杂，主要形成于海相与海滨相沉积环境条件下，页岩黏土含量较高，储层埋深大，如四川盆地页岩气层埋深在2 000～3 500m。

（2）应针对研究工区进行储层段的岩石性质、地应力等进行分析，充分考虑井壁稳定性和后期储层改造等因素，确定最优井眼方位。

（3）建立了水平井井眼轨迹设计的一般模型，总结出适用于水平井井眼轨迹设计的二维和三维设计思路，建立便捷的计算方程。并通过论证得出适合长宁地区页岩气水平井勘探开发的长半径、井斜角>90°、五段式井身剖面形式。

（栏目主持 张秀丽）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.7.029