基于轨迹优化扩展大位移井窄安全密度窗口

沈海超， 张华卫， 刘畅， 王建宁

基于轨迹优化扩展大位移井窄安全密度窗口

沈海超1， 张华卫2， 刘畅1， 王建宁1

（1.中国石化集团国际石油勘探开发有限公司，北京 100029；2.中国石化石油工程技术研究院，北京 100101）

沈海超，张华卫，刘畅，等.基于轨迹优化扩展大位移井窄安全密度窗口[J].钻井液与完井液，2017， 34（1）：65-69.

SHEN Haichao， ZHANG Huawei，LIU Chang，et al.Trajectory optimization of extended reach well to widen safe drilling window[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid，2017， 34（1）：65-69.

S 区块位于俄罗斯萨哈林岛东部海域，计划采用大位移井海气陆采技术进行开发。该区设计井深达12 000 m（垂深为2 800 m），水平位移约 11 000 m， 水平位移与垂直深度之比达 3.93，初步设计四开井身结构。以往直井钻探表明， 该区奥科贝凯组（Okobykaiskiy） 下部及达吉组（Daginskiy） 地层安全钻井液密度窗口窄（约 0.3～0.4 g/cm3）、 漏、塌、 卡风险高，而大位移开发井相应井段窄安全密度窗口问题愈加突出。针对当前对于扩展窄安全密度窗口相关研究的不足、特别是局限于通过钻井液性能优化扩展安全密度窗口的现状，围绕窄安全密度窗口大位移井钻井难题，提出应综合力学、化学多手段全方位扩展窄安全密度窗口：首先，自井眼轨迹设计环节将优化井身剖面、改善井周围岩应力状态、扩展安全密度窗口有机结合起来，开展井眼轨迹主要参数对安全密度窗口的影响规律分析，在此基础上，兼顾井眼轨迹控制难度及施工摩阻等因素优化井眼轨迹，降低坍塌压力、提高地层破裂压力，实现安全密度窗口的先期扩展，为后续通过优化钻井液性能等手段进一步提高安全密度窗口奠定良好基础，并最终为窄安全密度窗口安全、高效钻井创造有利条件。研究形成的扩展密度窗口相关技术在S区块大位移井钻井设计中成功应用，使得目标层段安全密度窗口较轨迹优化前扩展幅度达25%～100%，对窄安全密度窗口难题的应对及防治具有指导意义。

窄安全钻井液密度窗口；扩展；井眼轨迹；优化；超大位移井

0 引言

窄安全密度窗口是长期以来困扰安全、快速钻井作业的技术难题之一，对于携岩难度大、环空压耗大、激动压力高的大位移井更是如此，若应对不当、极易引发喷、漏、塌、卡等井下复杂[1-2]。影响安全密度窗口因素包括地质和工程2方面[3]，由于客观地质条件无从改变，工程途径是有效处理及应对窄安全密度窗口的突破口，且关键在于提高地层破裂压力、降低坍塌压力、减小循环压耗，进而扩展安全密度窗口。目前以控压钻井技术为代表的关于如何在既定的窄安全密度窗口下，实施钻井作业的相关研究较多[4-10]，而关于如何扩展安全密度窗口的研究较少且局限于通过优化钻井液性能等物理化学手段尝试提高地层承压、降低坍塌压力、减小环空压耗[11-15]，忽视了通过井型优选、井眼轨迹优化等技术手段改善井周围岩应力状态等力学手段扩展安全密度窗口，尤其对于窄密度窗口作业风险更高，井眼轨迹可调范围大的大位移井更是如此，然而目前大位移井井眼轨迹设计多侧重于通过井眼轨迹优化降低施工摩阻，很少兼顾扩宽安全密度窗口。

该研究提出从力学、化学多角度扩展窄安全密度窗口；并针对窄安全密度窗口大位移井钻井难题，从井眼轨迹设计环节将优化井身剖面、改善井周围岩应力状态、扩展安全密度窗口有机结合起来，基于井眼轨迹主要参数对安全密度窗口的影响规律分析，兼顾井眼轨迹控制难度及施工摩阻来优化井眼轨迹、扩展安全密度窗口，为安全、高效钻井创造有利先期条件，并结合S区块窄安全密度窗口大位移井进行了实例应用。

1 S区块大位移井窄安全密度窗口基本特征

S区块位于俄罗斯萨哈林岛东部海域，地层从上至下依次为普米组、努托瓦组、奥科贝凯组、达吉组，主要目的层为达吉组，计划采用大位移井海气陆采技术进行开发。该区井深约为12 000 m，垂深约为2 800 m，水平位移约11 000 m，水平位移与垂直深度之比达3.93，主要技术指标已进入世界级超大位移井范畴，初步设计为四开井身结构：φ660.4 mm×560 m+φ444.5 mm×5 000 m+φ312 mm×10 910 m+φ215.9 mm×12 000 m。以往直井钻探表明，该区奥科贝凯组（Okobykaiskiy）下部及达吉组（Daginskiy）地层安全钻井液密度窗口窄（约0.3～0.4 g/cm3）， 漏、 塌、 卡风险高， 而大位移开发井相应井段窄安全密度窗口问题愈加突出。

以该区典型超大位移井SV-1井为例，依据该井井口及地质靶点坐标等参数完成了井眼轨迹初步设计。基于岩石力学参数实验资料，利用测井资料建立了孔隙压力、坍塌压力、破裂压力剖面，并通过地层压力测量资料、地层完整性试验等资料验证了压力剖面的可信度，由此得到的初步井眼轨迹及安全钻井液密度窗口如图1所示。

图1 SV-1井井眼轨迹初步设计及安全钻井液密度窗口

由图1看出，该井奥科贝凯组底部（井深约10 580 m）及达吉组地层的安全钻井液密度窗口普遍较窄，其中目的层达吉组地层破裂压力明显低于奥科贝凯组，安全密度窗口普遍为0.2～0.3 g/cm3，而奥科贝凯组底部泥岩作为主力目的层的盖层，其坍塌压力当量密度高达1.56 g/cm3，安全密度窗口仅为0.1～0.2 g/cm3，由于埋深大、井段长、井斜大，根据初步井身结构、钻具组合、钻井液性能参数测算，钻井过程中该层位环空压耗可达0.12～0.15 g/cm3，再加上激动压力及抽吸压力等因素影响，防漏及防塌难以兼顾、卡钻风险高，技术难度较前期垂直探井明显加大，从源头上扩展安全钻井液密度窗口已成为确保施工安全的先行条件。

2 大位移井井眼轨迹对安全钻井液密度窗口的影响规律

井眼轨迹是影响斜井井壁围岩应力状态以及安全钻井液密度窗口的重要因素，对井眼轨迹控制参数的影响规律分析是通过大位移井井眼轨迹优化扩展密度窗口的重要基础。S区块奥科贝凯组底部以及达吉组地层安全钻井液密度窗口最窄，该层段是制约全井安全施工的技术瓶颈，故将该层段设为密度窗口扩展的目标层段，分析井眼轨迹控制参数对该层段安全密度窗口的影响规律，见图2、图3。

图2 奥科贝凯组底部安全密度窗口与井斜角的敏感性分析

图3 奥科贝凯组底部安全密度窗口与方位角的敏感性分析

由图2和图3可以看出，①随着井斜角增加，安全密度窗口逐步变窄，越不利于安全钻井施工；②安全密度窗口与方位角关系呈现近似正弦曲线变化规律，且当方位角与最小水平地应力方向（NE155°）一致时，安全密度窗口最宽，最有利于安全钻井施工。

由于工区地貌、环境保护等因素限制，大位移井的井位受限，无法调整，再加上地质靶点既定，方位角几乎没有调整余地，约为95°～97°，基于上述规律分析，合理减小井斜角是拓宽目标层段安全密度窗口的可行方向。

3 井眼轨迹优化

基于以上影响规律分析，以井斜角为突破口并兼顾井眼轨迹质量及控制难度，通过井眼轨迹优化扩展目标层段安全密度窗口。引入数学最优化理论，以井斜角为自变量，目标层段安全密度窗口为最优化目标函数，设定约束条件4项：给定井位坐标及靶点坐标、限定最大全角变化率不超过3°/30 m、限定起钻最大摩阻、限定下技术套管最大摩阻，基于数学最优化理论及安全密度窗口相关原理进行了计算程序开发。计算机程序包括3大核心模块：井眼轨迹设计模块、3个压力（孔隙压力、破裂压力、坍塌压力）剖面分析模块、摩阻及扭矩分析模块，程序原理如图4所示。

图4 计算机程序基本原理

最终优化后的井眼轨迹垂直投影图如图5所示，优化后的奥科贝凯组底部窄安全密度窗口井段井斜角由优化前的86°～88°，降至69°。

井眼轨迹优化前后目标层段的安全密度窗口对比分析见图6、图7。由图6、图7看出，优化后的井眼轨迹合理降低了奥科贝凯组底部井斜角，该层段坍塌压力当量密度呈现整体下降趋势，其中最大坍塌压力当量密度已从1.56降至 1.47 g/cm3，同时随着井眼轨迹优化，钻遇地层强度相对较高，该段破裂及漏失压力当量密度整体有所增加，使得奥科贝凯组底部安全密度窗口当量密度整体扩展约0.1 g/cm3，与轨迹优化前相比，安全密度窗口扩展幅度达50%～100%。与此同时，井眼轨迹优化后，达吉组地层破裂及漏失压力当量密度整体有所增加、坍塌压力有所降低，该层安全密度窗口当量密度整体扩展约0.05～0.10 g/cm3，与轨迹优化前相比，安全密度窗口扩展幅度达25%～33%。整个目标层段奥科贝凯组底部以及达吉组地层，安全密度窗口较轨迹优化前扩展幅度达25%～100%。

图5 初始井眼轨迹及优化后的井眼轨迹垂直投影图

图6 井眼轨迹优化前目标层段的安全密度窗口对比

由图8可以看出，轨迹优化后井眼轨迹质量提高、易于控制，最大全角变化率不超过2.5°/30 m，且施工摩阻明显降低，以φ311.1 mm井段起下钻工况为例，优化后的井眼轨迹剖面的施工摩阻较优化前普遍降低了15%。

图7 井眼轨迹优化后目标层段的安全密度窗口

图8 轨迹优化前后φ311.1 mm井段起钻摩阻对比

由此可见，通过井眼轨迹优化，成功扩展了目标井段安全密度窗口、降低了大位移井施工摩阻、减小了作业难度，从而为安全、高效钻井施工创造了有利条件，在此基础上再结合钻井液相关技术手段进一步降低坍塌压力，必要时利用控压钻井技术实现窄安全密度窗口井底压力精细控制，可为最终实现安全、高效施工提供强有力的保障。

4 结论

1.针对目前普遍忽视窄安全密度窗口的先期防治，提出窄安全密度窗口问题应注重防治为先、应对为后、2者结合的原则。“防治为先”关键在于通过井型优选及轨迹优化等手段从源头改善井壁围岩应力状态，结合相关钻井液技术降低坍塌压力，协同扩展安全密度窗口，为钻井施工创造有利的先行条件；在此基础上结合控压钻井等窄安全密度窗口相关应对技术，从而最大限度实现窄安全密度窗口地层安全、高效钻进。

2.研究形成一套基于井眼轨迹优化扩展大位移井安全密度窗口技术，并基于数学最优化理论及安全密度窗口相关原理完成了计算程序开发；相关技术成果成功应用于S区块大位移井工程设计，有效扩展了窄安全密度窗口，降低了大位移井施工难度，类似情况下值得参考借鉴。

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Trajectory Optimization of Extended Reach Well to Widen Safe Drilling Window

SHEN Haichao1, ZHANG Huawei2, LIU Chang1, WANG Jianning1
(1. Sinopec International Petroleum Exploration and Development Corporation, Beijing 100029; 2. Sinopec Research Institute of Petroleum Engineering, Beijing 100101)

Narrow safe drilling window; Widen; Well trajectory; Optimization; Extended reach well

TE22 TE28

A

1001-5620（2017）01-0065-05Abstract Extended reach well technology has been used to produce the natural gas in the offshore area from onshore in developing the Block S located in the east of Sakhalin, Russia. The designed well depth (MD) was 12,000 m (TVD 2,800 m) and the horizontal displacement was about 11,000 m. The ratio of horizontal displacement to vertical depth was 3.93. The wells were designed to have four intervals. It was found from the previous experiences that the lower Okobykaiskiy formation and the Daginskiy formation had narrow safe drilling windows (0.3-0.4 g/cm3), downhole problems such as lost circulation, borehole wall collapse and pipe sticking etc. were drilling risks that needed to be considered, especially in drilling extended reach wells. Researches on how to widen narrow safe drilling window were inadequate to meet fi eld requirement, most of which were focused on the optimization of drilling fl uid properties to widen the safe drilling window. To solve the narrow safe drilling window problem in extended reach well drilling, mechanical and chemical measurements shall be adopted. First, well prof i le optimization, improvement of stress state around the borehole and widening of safe drilling window should all be taken into account in the well trajectory designing stage. In this stage, the effects of the main well trajectory parameters on safe drilling window should be analyzed. Based on the analyses, the well trajectory was optimized to reduce borehole collapse pressure and increase formation fracture pressure, thereby realizing the widening of safe drilling window through mechanical method, which in turn paved the way for further widening safe drilling window through chemical method, and created favorable conditions for eff i cient drilling in areas with narrow safe drilling windows. The technologies of widening safe drillingwindow obtained have been used successfully in drilling the extended reach wells in Block S, with the safe drilling window widened by 25%-100% compared with the safe drilling window prior to the well trajectory optimization. This work is of importance in dealing with narrow safe drilling window problem.

2016-10-5；HGF=1702M1；编辑 马倩芸）

10.3969/j.issn.1001-5620.2017.01.012

沈海超，高级工程师，博士，1982年生，毕业于中国石油大学（华东）油气工程力学专业，现在从事钻井技术研究工作。电话15010435972；E-mail：hcshen.sipc@sinopec.com。