基于井壁稳定与改造效率的井眼轨迹优化设计

徐 彤，徐 鲲，和鹏飞，于忠涛，袁洪水，袁则名

（1.中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300452；2.中海石油（中国）有限公司天津分公司，天津 300457）

目前在水平井钻探过程还存在以下问题：（1）水平井的井眼轨迹设计、优化手段单一。水平井的轨迹设计通常正交于裂缝走向，追求最大程度钻遇裂缝，而对所钻遇裂缝的有效性缺乏明确认识、系统研究。（2）水平井井眼轨迹设计尚未系统考虑水平井轨迹对井壁稳定以及后期压裂增产效果的影响[1]。

1 基于地质力学井壁失稳分析

井壁失稳是地应力作用下井壁岩石发生破坏的结果，地应力是影响水平井井壁稳定的关键因素。不同方位的水平井，其井周应力状态及应力集中强度不同，井眼稳定状况不同。分析不同方位水平井的井壁稳定性，优化轨迹，可提高水平井的井壁稳定性，实现水平井安全快速钻进及安全投产[2，3]。

1.1 地应力方向

根据研究区块的历史井数据，整理分析该区块实测地应力方向数据，得出设计井的最大水平地应力方位角。

1.2 安全密度窗口与水平延伸方位角的关系

通过实验数据与计算数据，可得到研究区块的应力云图，用以分析坍塌压力、破裂压力与井斜角、方位角的关系曲线。基于关系曲线，分析出坍塌压力最小，破裂压力最大，钻井液安全密度窗口最大时的水平延伸最优方位角，避免发生井壁失稳[4]。

2 水力裂缝与天然裂缝沟通的井眼方位优选

地应力直接影响天然裂缝的起裂，控制天然裂缝在地下的发育。通常裂缝的张开程度越大、延伸越远，裂缝导流能力则越强、有效性越好。因此，裂缝的有效性可由裂缝开度表示，而裂缝开度变化取决于裂缝面的法向应力状态，法向应力若为张应力，则利于裂缝开启；反之，若法向应力为压应力，则裂缝面趋于闭合，有效性就差。裂缝面的闭合量取决于天然裂缝方向与应力场应力状态的关系[5]。

2.1 裂缝面应力状态

原地应力状态下，垂直裂缝面的正应力[6]：

式中：σfn-裂缝面正应力，MPa；σn-有效应力，MPa；σH-最大水平地应力，MPa；σh-最小水平地应力，MPa；β-裂缝走向与水平最大主应力夹角。

2.2 裂缝面闭合量与地应力的关系

目前有两种研究裂缝开度变化与有效应力间关系的常用方法：一种是通过测量裂缝表面的形态特征，运用Hertz弹性接触理论，从理论上评价有效作用应力与裂缝变形的关系，称之为微观弹性力学模型方法。另一种是经验公式法，依靠物理实验分析，拟合裂缝闭合变形与应力的关系曲线。这两种方法均有其特点，相较而言，经验公式法更直观简单，常用经验模型有：Goodman双曲线方程、指数方程、Bandis抛物线方程、二项指数方程等[7]。

2.3 水平延伸方位角对压裂的影响

依据最大张应力准则可知，压裂形成人工裂缝是井壁应力集中、张应力大于岩石的抗张强度、岩石发生拉伸破坏的结果。水平井延伸方位不同，井周应力集中程度不同，井壁形成张应力的趋势、难易及大小都不同，因此储层改造过程中地层起裂、形成压裂缝的难易程度也不同；井周越容易形成张应力，井壁张应力越大，储层改造过程中地层越易于起裂、形成压裂缝；相反井周张应力形成趋势越弱，压裂过程中，地层不容易起裂[8，9]。

分别对水平井在不同延伸方位的井周最大张应力进行对比。当水平井眼与水平最大主应力夹角从0°变化到90°时，井周张应力呈现逐渐减少趋势。相对其他延伸方位，沿最小水平主应力方向钻进，水平井井周更易形成张应力，起裂压力相对较低，容易压裂形成裂缝。

3 基于井壁稳定与高效压裂的井眼轨迹设计方法

根据上文分析，可形成一套基于井壁稳定与高效压裂的水平井井眼轨迹优化方法：

（1）分析需要设计井区的储层特性，研究有效钻遇储层的井眼方位；

（2）分析计算区块地应力大小与方位，保证钻井安全情况下，减小井下复杂事故，研究设计不同钻井方位的井眼稳定；

（3）从快速投产的角度，分析不同井眼方位对水平井人工裂缝的影响与压裂施工的难易；

（4）结合研究区块邻井的基本情况，综合考虑上述影响因素最终确定最优轨迹，保证油田区块安全、高效开发[10-13]。

4 渤中X井轨迹优化实例

4.1 轨迹优化

利用基于井壁稳定与高效压裂的水平井井眼轨迹优化方法，对渤中X井进行轨迹优化。

收集渤中地区实测地应力方向数据（见表1），由实测结果可知，渤中地区最大水平地应力方位为北偏东60°～70°。选取X井最大水平地应力方位为北偏东65°。

表1 渤中地区地应力方向统计

利用X井的邻井岩心实验结果，获得该区块沙河街地层的应力云图（见图1）。分析可知，X井水平段延伸方位角为150°时，坍塌压力最小，破裂压力最大，钻井液安全密度窗口最大。

整理分析渤中X井沙河街地层的裂缝优势走向及地应力方向，可以发现研究裂缝发育优势走向与最大水平地应力方位具有良好的一致性。为了更多的钻遇有效天然裂缝，水平井眼应尽可能正交于裂缝走向延伸。因此，X井的水平延伸方位角选用155°，垂直于水平最大主应力方位。

渤中X井产层沙河街井段的垂直缝，采用二项指数关系模型分析地应力、裂缝走向对裂缝开度的影响。沙河街地层的最大水平主应力为1.9 g/cm3、最小水平主应力为1.6 g/cm3、地层孔隙压力为1.15 g/cm3。依据“沿水平最大主应力方位延伸水平井，压裂易形成纵向缝；沿水平最小主应力方位延伸水平井，压裂易形成横向缝；斜交地应力方位的水平井，压裂通常形成斜交缝”的认识，基于X井的地应力方向，分析确定出利于形成横向缝的水平井延伸方位角为140°～170°。

根据上述分析，X井水平延伸方位角选为155°，利用HALLIBURTON公司的Landmark软件，使用Compass和Wellplan模块对渤中X井三开水平井段（215.9 mm）进行水平井井眼轨迹优化设计。

4.2 现场应用

渤中X井水平段实际钻进1 145 m，工期18 d。钻进期间，没有发生漏失、阻卡等井壁失稳情况，安全钻至完钻井深。

该井完井阶段采用多级封隔压裂技术，累计进行了5段压裂，共泵入1 831 m3压裂液、163 m3支撑剂，各项指标均达到了预期要求。与同产层的邻井对比，测试产能达到了邻井的5倍，压裂增产效果较好。

5 结论

（1）基于井壁稳定分析与水力裂缝和天然裂缝沟通的分析，总结出一套水平井井眼轨迹优化方法。

（2）结合实验数据与计算数据，分析研究渤中区块沙河街地层裂缝优势走向及地应力方向，根据轨迹优化方法，得出该区块沙河街地层水平井延伸方位155°时，井壁稳定且利于压裂增产作业。

（3）渤中X井水平段延伸方位选为155°，成功实施钻井作业，增产效果明显。证明该优化方法既能保持井壁稳定，又可以改善压裂效果。

图1 渤中区块沙河街地层水平段坍塌压力（左）与破裂压力（右）变化