页岩气井眼剖面设计技术研究

刘建彬

摘要：合理的轨道设计是长水平段水平井取得成功的关键，井眼剖面在保证不超过钻柱扭矩极限的情形下，还需要满足尽量增大水平延伸距离，降低摩阻扭矩，提高钻柱和测量工具的通过能力。钻井摩阻除了在施工中采取一些技术措施能够有效控制或在一定范围内有所降低外，设计低摩阻井眼轨道是非常重要的手段。在设计井眼轨道时，应用摩阻预测技术计算算各种类型井眼轨道的摩阻，选择出低摩阻井眼轨道，同时为钻机、钻井液类型以及下套管方式的选择等提供依据，为现场施工提供参考。

关键词：页岩气;井眼轨迹;

1 剖面设计原则

涪陵页岩气水平井水平段长度达到1500～2200米，长水平段水平井施工的最大困难，即管柱在井内的摩阻和扭矩过高。减少长水平段水平井摩阻扭矩的方式有很多，首先要从井眼轨道设计入手，设计出摩阻扭矩最小的井眼轨道是长水平段摩阻扭矩控制技术的关键之一，因此长水平段水平井剖面设计的基本原则就在于降低摩阻和扭矩。

2 剖面类型优选

2.1 常用剖面类型

水平井轨道的基本形状有两类，一类是单增轨道，由“直一增一平”三段组成，增斜段有圆弧形（恒曲率），也有悬链线等（变曲率）形状。另一类是双增轨道，由“直一增一稳一增一平”五段组成，两次增斜段都是圆弧形。单增轨道多用于对目标层位和造斜率掌握较准确的情况下，双增轨道则多用于地质不确定性较高和对造斜率预计不准确的情况下。

2.2 涪陵页岩气水平井所选用的剖面类型

涪陵页岩气水平井所选用的剖面基础类型为“直-增-稳-增-水平”五段制剖面，但由于稳斜井段很长，在钻进过程中，往往出现“稳不住”的情况，因此将稳斜段设计成“微增稳斜轨道”，剖面类型优化为“直-增-微增-增-水平”剖面。在此基础上，根据该地区地质特点、工程特点，将二开井段设计为“先低后高”的变曲率剖面，三开井段设计为“先高后低”的变曲率剖面。

2.3 优化剖面的优势

二开井段采用“先低后高”的变曲率剖面能够降低最大侧向力、降低井下摩阻扭矩，提高钻柱通过能力和水平段延伸能力，保证井下钻具安全。

三开采用采用“先高后低”的变曲率井眼剖面能够很好的应对定向施工中、后期设计靶点的临时调整，避免井眼轨迹的大幅度变化，保证井眼轨迹平滑。

3 剖面参数设计原则

3.1造斜点

造斜点越浅、斜井段越长，则拉力、扭矩增大，控制井段加长，容易形成键槽，井眼轨迹控制困难;滑动钻进摩阻在穩斜角不变的情况下随造斜点的提高而增加。在水平位移很大的情况下，就要选择合适的曲线类型，使造斜点尽量的深，以加长直井段、缩短斜井段，使钻进和下套管时具有较大的推动力。

3.2造斜率

造斜率和造斜率变化率的减小，曲线更趋平滑，则拉力、扭矩、摩阻减小，造斜率一定要尽量小并且要保证造斜率的稳定。

保证所设计的造斜率达到要求是井眼轨迹控制的关键。如果造斜段造斜率难以达到设计要求（低于设计值），一旦出现突发情况，会造成后面施工非常被动。因此造斜段可考虑使用理论造斜率略大的螺杆钻具，一般会选择工具的造斜能力比设计造斜率高 20～30%。

3.3 稳斜角

旋转扭矩、起下钻摩阻随稳斜角的增大而减小;滑动钻进摩阻随稳斜角的增大而增加。在最佳稳斜角的条件下，应使斜井段长度最短。斜井段越短，摩阻、扭矩越小。在稳斜角相同时，稳斜段越短，摩阻和扭矩越小。

4 剖面设计

通过摩阻扭矩计算分析，一口井中侧向力最大的井段主要在造斜点以下100m左右的井段。而侧向力越大，摩阻扭矩就越大，同时对钻柱及套管的磨损和破坏也越大，并且钻柱、套管发生屈曲破坏、断裂基本上也全在造斜点附近侧向力最大的井段。因此，一定要尽可能减小侧向力。而减小侧向力的方法，除了钻具尺寸、钻井参数、井眼质量等因素外，最主要的就是井眼剖面的优化：在定向刚开始的100m左右，以较低的造斜率定向施工，以减小井斜方位的突然变化率，在井斜达到15～20°以后，再恢复到原设计造斜率施工，这样可以有效降低最大侧向力，降低摩阻扭矩。

复合钻进状态比滑动定向钻进状态相比有显著优点：减少摩阻，易加钻压;破坏岩屑床，清洁井眼;提高井眼质量，特别是能够大幅度提高机械钻速，因此可考虑通过复合钻进行辅助增斜。二维井中，改变定向钻具组合，去掉欠尺寸扶正器（平均复合增斜率0.06～0.1°/m）;三维井中，在长稳斜段采用微增钻具组合（平均复合增斜率0.01～0.02°/m）。通过复合钻辅助增斜，增加复合钻进尺，减少定向进尺，提高φ311.2mm大井眼定向速度。并且采用少定向、多打复合钻的方式也进一步保证了井眼轨迹的平滑，确保中完电测及技术套管的顺利下入。

5 结论

1、二维井剖面：剖面类型选为单圆弧剖面（直-增-水平），定向至井斜20～30°，采用复合钻增斜（造斜率0.06～0.1°/m）直到中完（50～55°）。

2、三维井剖面：剖面类型选为五段制剖面（直-增-微增-增-水平），定向至井斜25°左右，复合钻600～1400m，井斜微增到35～40°（造斜率0.01～0.02°/m），定向扭连线方位，然后复合钻微增斜直到中完（50～55°）。

3、优化后的井眼剖面，非常适合于涪陵地区水平井的特点，在提高定向机械钻速的同时，能有效降低全井摩阻和扭矩，在现场应用取得非常好的效果。