葡北油田三维大斜度平行断层近水平井轨道优化设计技术研究

李 杉，常 雷，王洪英，杨丽晶，赵英楠，张仲智

（大庆油田有限责任公司采油工程研究院，黑龙江大庆163453）

1 概述

葡北油田三断块位于松辽盆地中央凹陷大庆长垣二级构造带南部的三级构造带葡萄花构造中部。葡北油田三断块经过三十多年的注水开发，目前虽已进入特高含水开发阶段，但该区仍存在大量的剩余油，其中断层边部一个井距内剩余油储量占该区剩余油总储量的14.66%。为了最大限度挖掘断层边部剩余油，根据精细地质和剩余油研究成果，在断层边部设计了大斜度平行断层定向井，定向井在断层边部以一定的井斜角度平行断层面，井轨迹从上到下贯穿整个葡萄花油层，预测平均单井钻遇视砂岩厚度116.4m，有效厚度94.8m，对应垂直砂岩厚度12.0m，有效厚度9.5m。由于设计井平行于断层边部且入靶井斜角较大，最大达到86.86°，将该类井定义为大斜度平行断层近水平井。

2 大斜度平行断层近水平井钻井难点分析

大斜度平行断层井近水平井钻井设计和现场施工不同于常规定向井钻井技术，存在井眼轨道设计优化难度大、扭矩和摩阻大以及井眼易垮塌等技术难点。

2.1 井眼轨道设计优化难度大

为了实现葡北油田平行断层的大斜度高效井的地质目的，既要平行于断层又要达到多穿层及指定目标靶点，设计难度非常大；由于井斜角较大，最大达到86.86°，用常规定向井模型很难实现，也无法同时通过接近水平的各个目标靶点；根据开发需要兼顾上部油层，既要实现地质目的，又要满足现场钻井工程的施工要求；为了平行断层，设计井井眼轨道必须在目的层中扭方位，目的层扭方位最大达到16.15°，给施工带来困难。

2.2 扭矩和摩阻大

大斜度井井下工具在重力作用下依附于井壁下沿，随着井深的增加会出现严重的摩擦问题，出现大的扭矩和阻力。

通过对常规定向井（井斜角30°）与大斜度井（井斜角70°）摩阻扭矩分析，得出井斜角70°时起钻摩阻是井斜角30°时的3.07倍，下钻2.20倍，滑动钻进2.58倍；井斜角70°时旋转钻进钻压5t时是井斜角30°时地面扭矩的1.94倍，10t时是1.75倍。所以大斜度井的摩阻扭矩与常规定向井相比均大幅度增长，施工难度加大。大斜度平行断层近水平井井眼轨道更加复杂，井眼摩阻扭矩大幅增大。见表1。

2.3 井眼易垮塌

大斜度井斜井段较长，施工周期较长，要求钻井液对泥岩抑制性好；防止井眼缩径、剥落、坍塌；携岩能力好并满足长时间浸泡要求，所以要求高性能的钻井液体系。另外平行断层井，井眼轨迹距离断层较近，易发生井漏。

表1 常规定向井与大斜度井不同工况下摩阻扭矩分析

2.4 易形成岩屑床，增加卡钻风险

大斜度井钻井中非常容易产生岩屑床，特别是在45°～60°井段。岩屑床一旦产生，严重影响大斜度井钻井施工，所以要通过加大洗井液排量、保持均匀环空流速等措施高质量洗井，起钻前要对钻井液进行多次循环，并短程起下钻和分段循环，保证井眼清洁。

3 大斜度井轨道优化设计技术

在大斜度近水平井井眼轨道设计中，采用合理轨道参数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。

3.1 基本要求

（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；其次要求设计井眼轨道最短，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。

3.2 应用实例及效果分析

葡北油田P82-S742大斜度平行断层近水平井设计参数如下：靶点垂深、靶点闭合距、闭合方位、距断层距离等参数见表2。

表2 P82-S742井轨道参数设计表

图1 P82-S742井轨迹剖面图和平面图示意图

从表2及图1可以看出，为了实现葡北油田的大斜度平行断层近水平井的地质开发目的，设计轨道既要达到多穿层及指定目标靶点，又要平行于断层在目的层井段需要扭方位，设计难度非常大。

3.2.1 轨道设计方法对比分析

根据地质地层特点及现场施工要求选择3种不同剖面轨道设计，设计结果见表3。

分别对3种不同剖面设计轨道进行了摩阻扭矩分析，3种不同剖面设计轨道摩阻扭矩对比分析结果见表4。

表3 3种不同剖面设计轨道分段数据结果表

表4 不同剖面设计轨道摩阻扭矩对比结果

从表3可以看出，水平井增稳增增模型设计井眼轨道最短，单圆弧次之，二维三段制模型设计轨道最长；从表4可以看出，3种不同轨道各项摩擦阻力值：二维三段制模型＞水平井增稳增增模型≈单圆弧模型，水平井增稳增增模型和单圆弧模型摩擦阻力值均较小且相差不大。将设计轨道调入砂体模型进行反演拟合，水平井增稳增增模型很好地中靶和钻遇砂体，同时结合葡北油田大斜度井开发特点，为实现现场定向施工及安全快速找准目的层，宜采取水平井增稳增增模型进行设计。

经过反复设计，完成了葡北油田P82-S742、P83-S742、P74-S772三口大斜度近水平井设计，为地质合理中靶和大斜度井钻井顺利施工奠定了基础。

4 结论

（1）根据葡北油田大斜度井地质参数和现场实际钻井特点，通过对轨道关键设计参数、轨道剖面类型进行优化，形成了该地区大斜度近水平井轨道优化设计技术。

（2）轨道优化技术应用于葡北油田多口井的设计当中，取得了良好的设计效果。