SHL大位移井井眼轨迹设计

王孝山，苏志波，姜 韡，王宏民

（中国石油化工股份有限公司上海海洋油气分公司，上海 200120）

SHL大位移井井眼轨迹设计

王孝山，苏志波，姜 韡，王宏民

（中国石油化工股份有限公司上海海洋油气分公司，上海 200120）

SHL维宁气田的大位移井采用超大位移定向井作业方式，设计井深在12 000 m左右，水平位移达11 000 m，水垂比接近4，作业难度大，对施工设计、设备、材料提出了极高的要求。此文主要从钻井井眼轨迹设计入手，着力对井眼轨迹组成的几个要素进行优化，分别从造斜点的选择、稳斜段井斜角的确定及造斜段设计方法的优选等三个方面，在满足有效开发储层的前提下，确定SHL大位移定向井井眼轨迹的最适合设计，以期降低作业期间的扭矩摩阻，减少施工难度。

超大位移；定向井；造斜点；井斜角；井眼轨迹

SHL维宁区块位于SHL大陆架柴沃湾和纳比利湾之间，距离岸边6~7 km，海域水深26~28 m，为了有效开发该区块，根据当地的地理环境，在保利角南端采用海油陆采大位移井方案进行开发。大位移井的定义一般是指井的水平位移与井的垂深之比等于或大于2的定向井，大于3时一般称为超大位移井，大位移井具有很长的大斜度稳斜段，大斜度稳斜角一般大于60°[1]。SHL大位移井井眼轨迹属于超大位移定向井范畴，该井设计垂深2 920 m，目标靶点水平位移设计达到11 332 m，施工难度大，作业时要保证井眼扭矩不能超过钻柱和设备的极限，尽量降低扭矩、摩阻和套管磨损，提高钻柱及钻具组合的下入能力等。目前，大位移井井身剖面类型主要有：恒曲率剖面和准悬链线剖面、侧位悬链线剖面、抛物线剖面、摆线剖面等，各种剖面都有自身的特点，最终的目的是减小井眼的摩阻和扭矩，增加水平井段的延伸能力，光滑的井眼轨迹是钻大位移井成功的关键，下面主要从三个方面对SHL大位移井井眼轨迹进行分析及优选。

1 造斜点的选择

造斜点的正确选择是对水平井能否顺利达到钻井目标的至关重要的一步，根据造斜点选择的深度相对于目的层的深度可以把造斜点大致分为较浅、中等和较深几类。

1.1 不同造斜深度的优缺点

造斜点较浅，其优点是可供选择的目标区域较大，对斜井段的斜率和狗腿度的调整有较大的自由度，也能较好的降低扭矩及摩阻。缺点为：对位移较小的目标区域较难控制，井眼斜井段相对较长，靶前距较大。

造斜点较深，其优点为对位移较小的目标容易控制，井眼的斜井段较短，靶前距较小。缺点为：对目标较远的区域较难控制，斜井段的狗腿度较大，增加了扭矩及摩阻，不利于长斜井段的钻进。

1.2 SHL大位移井不同造斜点模拟分析

现以维宁地区GP2井为例，目标点（A靶）垂深2 755 m，水平位移10 333 m，造斜点深度变化范围160~500 m，稳斜角80~90°（稳斜角低于78°时需要进行多次造斜），按圆弧形轨道剖面，在不同造斜点深度和稳斜角时，进行井眼轨道设计和摩阻、扭矩计算，不同条件下的剖面参数见表1及图1、图2。

表1 不同造斜点深度、不同稳斜角井眼轨道设计参数

图1 不同造斜点及稳斜角在不同工况下的扭矩

图2 不同造斜点及稳斜角在不同工况下的悬重

预设模拟参数主要为：

（1）钻具组合：12-1/4"PDC钻头+9-1/2"旋转导向马达+ARC+8" MWD+12-1/8"稳定器+8"无磁钻铤×2根+6-5/8"加重钻杆×1根+8"随钻震击器+6-5/8"加重钻杆×5根+6-5/8"钻杆×若干。

（2）工况参数：钻井液密度1.44 g/cm3，旋转钻进钻压50 kN，滑动钻进钻压30 kN，起下钻速度10 m/min，钻头扭矩8 kN·m。

（3）摩阻系数：套管内0.17，裸眼井段0.21，13-3/8"套管下深5 500 m。

由上表和图可以得出如下结论：

（1）井眼长度：如表1，当造斜点深度一定时，随着稳斜角增大，井眼长度依次增加；随着造斜点深度下移，井眼长度也依次增加，稳斜角越大，增加幅度越大。

（2）扭矩分析：如图1所示，当造斜点深度一定时，稳斜角越小，扭矩越大；当稳斜角不变，造斜点深度下移，扭矩也越大。

（3）摩阻分析：如图2大钩悬重所示，当造斜点深度一定时，稳斜角越小，大钩悬重越大，摩阻越小；随着造斜点深度下移，大钩悬重逐步减少，摩阻也随着增加。

综上所述，造斜点深度越浅，井眼长度越短，起下钻摩阻、滑动钻进摩阻和旋转钻进扭矩越小，所以大位移井的造斜点应以实施井区块地层允许造斜的较高点为宜。

1.3 SHL大位移井造斜点优选

根据SHL大位移井作业的特点，其水平位移总体在10 000 m左右，垂深2 000~3 000 m，水垂比很大，且目的层横跨多层，需采用定向井的模式进行穿越，宜采用较浅的造斜点，在150~250 m之间，来获得较小的狗腿度，尽量简化井眼轨迹，避免二次造斜，降低井眼的扭矩摩阻。

2 稳斜段井斜角的确定

稳斜段的井斜角越大，钻柱重力的轴向分量就会越小，甚至为负值，当稳斜段钻柱重力的轴向分量小于等于零时，将需要上部井段的钻柱提供轴向压力来克服，因为不仅需要克服稳斜段钻柱遇到的摩阻力，还要克服稳斜段钻柱重力的轴向分量。

稳斜段的井斜角和长度，取决于稳斜段以上井段内的钻柱能够提供多大的轴向压力。稳斜段的井斜角，有一个临界稳斜角αk。当最大稳斜角等于临界井斜角时，稳斜段钻柱重力的轴向分量正好等于稳斜段钻柱遇到的摩阻力。据此可得临界稳斜角αk：

式中：μ为钻柱与井壁之间的平均摩阻系数。

对于水基、油基钻井液，钻柱与井壁的平均摩阻系数在0.15~0.30之间，则由公式1计算的临界稳斜角，计算结果见表2。

表2 临界稳斜角计算结果

由以上分析可知，临界稳斜角与井眼平均摩阻系数成反比关系，即平均摩阻系数越小，临界稳斜角则越大。显然在大位移井中，临界稳斜角越大对井眼状况要求越高。

3 造斜段设计方法选择及验证

3.1 造斜段常用设计方法

大位移井常用的剖面设计方法可以分为恒曲率设计和变曲率设计。恒曲率设计是在定向井钻井中普遍采用的“直-增-稳”三段制剖面，即造斜率为常量；而变曲率设计的造斜率为变量，主要有悬链线、准悬链线、侧位悬链线、抛物线、摆线等[2]。有时因地质要求，需设计三维剖面，三维剖面设计的方法主要有圆柱螺线法和斜平面法。下面就SHL大位移井所涉及到的设计方法做一个简要分析。

（1）恒曲率设计方法

恒曲率剖面即通常所说的“直-增-稳”三段制剖面，这是定向井、水平井常用剖面类型，也是比较简单、实用的剖面类型。

（2）变曲率设计方法——准悬链线[3]

“准悬链线”也称为恒变增曲率曲线轨迹，见图4，其设计思路为，初始造斜率为1.0~1.5°/30 m，逐渐增至最大造斜率2.5°/30 m。可采用每增加一个固定的井斜角度数，造斜率等量增加，或在每个相同段长，其造斜率等量增加这两种方式。这种曲线的特点是：曲线的曲率是变化的，此变化率是个常数，即曲率随井深的变化是线性关系。

（3）变曲率设计方法——侧位悬链线[3]

所谓侧位悬链线，就是将正常悬链线的右半部分顺时针旋转90°或将左半部分逆时针旋转90°所得到的曲线。该曲线在上端点处与纵坐标轴夹角为0°，将该点与造斜点重合，则不需要圆弧过渡段。所以其基本方程与悬链线是一样的，只不过悬链线方程中的α要用（90° + α）来代替，并将x轴和y轴交换。

3.2 SHL大位移井井眼轨迹设计对比

3.2.1 井眼轨迹设计

根据北维尼凝析气田大位移井开发方案，对维宁区块GP2井井眼轨迹进行模拟分析，其设计基础数据见表3。

表3 GP2井设计基础数据表

由于该井是超大位移定向井，后续井眼造斜困难，宜采用二维井眼轨迹。造斜点的选择根据上述分析结果及邻井的井眼轨迹资料，选择造斜深度为160 m，使用Compass软件，分别使用准悬链线法、侧位悬链线法和恒曲率法对GP2井进行了井眼轨道设计，见表4、表5、表6。

表4 准悬链线剖面井眼轨迹设计数据表

表5 侧位悬链线剖面井眼轨迹设计数据表

表6 恒曲率剖面井眼轨迹设计数据表

由以上各表可以看出，在选择同一造斜点深度的情况下，各剖面的井眼长度关系为：侧位悬链线剖面>准悬链线剖面>恒曲率剖面。

3.2.2 三种井眼轨迹扭矩摩阻分析

针对3种井身剖面，采用本文1.2节给定的模拟参数，使用Wellplan软件对摩阻、扭矩进行计算并进行对比分析[4]，见图3、图4。

图3 三种轨迹各种工况下扭矩对比

图4 三种轨迹各种工况下大钩悬重对比

由图3、图4可以看出：

（1）三种剖面对应的旋转钻进、空转、倒划眼扭矩的大小关系皆为：恒曲率剖面＞侧位悬链剖面＞准悬链线剖面。

（2）三种剖面对应的各种工况下的大钩悬重的大小关系皆为：恒曲率剖面>准悬链线剖面>侧位悬链线剖面。大钩悬重越大，钻柱与井眼的摩阻相应越小。

根据SHL作业区钻井设备的实际配备情况，因最大作业扭矩已超过100 000 N·m，接近了设备的极限，相比之下，钻柱摩阻对作业的影响较小，因此建议采用准悬链线井眼剖面。

4 小结

依据大位移井井眼轨道设计原则，进行了造斜点的选择、临界稳斜角的计算和造斜井段的设计方法三方面的分析研究，以北维尼凝析气田大位移井GP2井为例进行了以上三方面的计算，得出了以下结论：

（1）依据SHL北维尼地区的作业经验和数据模拟结果，宜采用较浅的造斜点，深度在150~250 m之间。

（2）根据钻井液的润滑效果及摩阻系数的大小，推荐SHL大位移定向井的稳斜角为80°左右。

（3）经过对采用不同方法设计的井眼轨迹模拟计算，结合分析数据对当前作业的重要性，SHL大位移井建议采用准悬链线井眼剖面。

[1]刘修善. 井眼轨道设计理论与描述方法[M]. 哈尔滨： 黑龙江科学技术出版社， 1993.

[2]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.

[3]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.

[4]雷正义， 付建红， 姜伟， 等. 拟悬链线轨迹设计方法及其摩阻扭矩评价[J]. 石油钻采工艺， 2004， 26（6）： 13-15， 17.

Trajectory Design of Sakhalin ERD Wells

WANG Xiaoshan, SU Zhibo, JIANG Wei, WANG Hongmin
（SINOPEC Shanghai Offshore Oil & Gas Company, Shanghai 200120, China）

The trajectory design of ERD wells in Veni gas feld of Sakhalin area belongs to extra-ERD well, with design well depth about 12 000 m, and the horizontal displacement up to 11 000 m. The operation is so diffcult that high requirements for construction design, equipment and material have been proposed. In this paper, several main factors of the borehole trajectory have been optimized to design the drilling hole trajectory, including selection of the KOP, determination of sailangle and optimization of inclined section design methods. On the premise of satisfying the effective development of reservoir, the most suitable design of Sakhalin extra-ERD directional well trajectory has been determined in order to lower the torque and friction, and reduce the operation diffculty.

Extra-ERD; directional well; KOP; angle of inclination; hole trajectory

TE243

A

10.3969/j.issn.1008-2336.2017.01.080

1008-2336（2017）01-0080-05

2016-07-18；改回日期：2016-09-30

王孝山，男，1981年生，高级工程师，2004年毕业于中国地质大学勘查技术与工程专业，主要从事海上石油技术服务及研究工作。E-mail：wangxsh.shhy@sinopec.com。