直井段偏移對(duì)后期定向鉆井作業(yè)的影響分析

張瑞平， 萬(wàn)教育， 李 彬， 付 仕， 馬 靜， 劉 冬

(中國(guó)石油西部鉆探定向井技術(shù)服務(wù)公司，新疆 烏魯木齊 830026)

0 引言

由于定向井、水平井直井段的偏移問(wèn)題，已經(jīng)對(duì)后期軌跡控制施工作業(yè)和完井施工帶來(lái)了較大的影響，出現(xiàn)了定向施工井段和作業(yè)時(shí)間較大增加，由于“狗腿”度的增大需要更換造斜工具來(lái)滿(mǎn)足調(diào)整軌道設(shè)計(jì)的要求，軌跡由二維轉(zhuǎn)化為三維空間軌道[1]等諸多問(wèn)題。

隨著近年油田勘探開(kāi)發(fā)的深入，國(guó)際油價(jià)低迷，采用高效開(kāi)發(fā)模式越來(lái)越引起各油田重視，定向井、水平井技術(shù)作為一種提高油田開(kāi)發(fā)綜合效益的手段，在各油田開(kāi)發(fā)中得到了廣泛的應(yīng)用，因此提高定向作業(yè)井段軌跡控制質(zhì)量和鉆井速度，越來(lái)越受到油田公司和工程技術(shù)公司的重視。影響定向作業(yè)軌跡控制的因素除了軌跡設(shè)計(jì)、地層因素、選擇鉆具組合和軌跡控制工藝外，還應(yīng)考慮定向施工前期的初始井眼狀況[2]，及直井段偏移情況和造斜點(diǎn)的初始井斜角、方位角。

定向井、水平井施工可分為3個(gè)階段實(shí)施，即直井段控制、定向軌跡控制和完井施工。定向軌跡控制井段的起始點(diǎn)為造斜點(diǎn)，造斜過(guò)程就是從造斜點(diǎn)開(kāi)始強(qiáng)制鉆頭偏離原來(lái)方向向設(shè)計(jì)方位增斜鉆進(jìn)的過(guò)程，直井段的井身質(zhì)量和偏移情況是后期定向作業(yè)的基礎(chǔ)，是影響定向待鉆軌跡設(shè)計(jì)和控制的關(guān)鍵因素，將會(huì)對(duì)后續(xù)定向軌跡控制施工和井下安全產(chǎn)生重要的影響。通過(guò)對(duì)近年完成的水平井、定向井直井段偏移情況總結(jié)統(tǒng)計(jì)，直井段偏移情況較為普遍，有必要對(duì)直井段偏移對(duì)后期作業(yè)影響進(jìn)行分析研究。

1 直井段偏移分析

鉆井工程設(shè)計(jì)中直井段設(shè)計(jì)軌道為一條鉛垂線(xiàn)，而實(shí)際鉆井施工中直井段軌跡存在井斜、方位的變化，與設(shè)計(jì)軌道有偏差，勢(shì)必會(huì)出現(xiàn)直井段的偏移。

1.1 直井段偏移影響

直井段實(shí)際施工中必然會(huì)出現(xiàn)井斜產(chǎn)生水平位移，當(dāng)直井段較短或水平位移較小時(shí)，影響不明顯。但當(dāng)直井段較長(zhǎng)或水平位移較大時(shí)，將有很大的影響，實(shí)際軌跡控制過(guò)程中以設(shè)計(jì)軌道作為參考,制定“待鉆軌跡”并不按照設(shè)計(jì)軌道去鉆進(jìn)，若造斜點(diǎn)處有一定量的井斜角，且偏移較大時(shí)必然給后期軌跡控制帶來(lái)更大的難度[3-4]。定向井、水平井直井段偏移對(duì)后期作業(yè)影響主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：(1)定向施工井段的增長(zhǎng)，增加了定向作業(yè)時(shí)間，增加斜井段定向鉆井周期和鉆井成本；(2)實(shí)鉆過(guò)程中為了滿(mǎn)足設(shè)計(jì)軌道要求，勢(shì)必會(huì)出現(xiàn)部分井段的“狗腿”度高于設(shè)計(jì)值，選擇大角度導(dǎo)向工具組合，增大鉆具入井風(fēng)險(xiǎn)；(3)影響后續(xù)井段的通井、完井施工和完井管柱的下入；(4)增大了造斜段、水平段提速、著陸、中靶和安全鉆進(jìn)的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)整體鉆井提速造成了不利。

1.2 直井段偏移情況分類(lèi)

由于定向井、水平井造斜點(diǎn)位置的偏差，根據(jù)偏移方向和設(shè)計(jì)方位之間的關(guān)系(參見(jiàn)圖1)，將直井段偏移分為兩類(lèi)，分別為：正位移、負(fù)位移。即如果造斜點(diǎn)在水平投影圖上的投影方向與設(shè)計(jì)方向一致時(shí)為正位移，如果相反即為負(fù)位移。直井段偏移情況與設(shè)計(jì)軌道方位φ、造斜點(diǎn)位置的關(guān)系如表1所示，造斜點(diǎn)位置是以網(wǎng)格北(Y軸)為參考，造斜點(diǎn)閉合方位所在的象限位置。

圖1 造斜點(diǎn)位置分布水平投影圖Fig.1 Horizontal projection of kick off positions

造斜點(diǎn)位置設(shè)計(jì)軌道方位φ/(°)0～9090～180180～270270～360第一象限正位移正、負(fù)位移負(fù)位移正、負(fù)位移第二象限正、負(fù)位移正位移正、負(fù)位移負(fù)位移第三象限負(fù)位移正、負(fù)位移正位移正、負(fù)位移第四象限正、負(fù)位移負(fù)位移正、負(fù)位移正位移

注：當(dāng)造斜點(diǎn)閉合方位與設(shè)計(jì)軌道方位相差90°時(shí)，視位移為0，此時(shí)的偏移量是造斜點(diǎn)的閉合距。

1.3 偏移情況統(tǒng)計(jì)分析

通過(guò)對(duì)近年來(lái)新疆油田不同區(qū)塊的200余口中深定向井、水平井進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得出結(jié)果：直井段偏移在40～60 m之間的占比15.2%；直井段偏移大于60 m的占9.8%。其中，正位移情況占52%，負(fù)位移情況占48%。

1.4 定向井井眼軌跡控制分析

1.4.1 定向井段計(jì)算

井眼中某一點(diǎn)的井斜角、方位角與設(shè)計(jì)值有偏差時(shí)，定向井段需要進(jìn)行增斜扭方位施工，此時(shí)需要對(duì)定向井段和扭方位井段計(jì)算[5-6]。

工具造斜率為K，定向井段“狗腿”度γ，定向井段長(zhǎng)度ΔL，前后井斜角變化Δα，前后方位角變化Δφ，αc為該井段的平均井斜角，α1、α2分別為初始井斜角和終點(diǎn)井斜角。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)推薦使用的計(jì)算公式為：

αc=(α1+α2)/2

ΔL=γ/K

(1)

式中：γ——“狗腿”度，(°)；K——造斜率，(°)/30 m；ΔL——定向段長(zhǎng)度，m。

由式(1)可以得到，當(dāng)定向井段出現(xiàn)增井斜扭方位井段時(shí)，定向施工井段ΔL與“狗腿”度為γ成正比關(guān)系。當(dāng)二維軌跡變成三維軌跡時(shí)，需要增斜扭方位鉆進(jìn)，此時(shí)的“狗腿”度γ增大，即定向施工井段增長(zhǎng)。

1.4.2 造斜率與靶前位移的關(guān)系

靶前位移S，曲率半徑R，定向井段長(zhǎng)度ΔL，目標(biāo)井斜角α，造斜率K，如圖2及靶前位移計(jì)算公式為：

圖2 單增軌道幾何圖Fig.2 Single build-up trajectory

其中：

R=1/K

得到：

S=(1/K)(1-cosα)

(2)

式中：S——靶前位移，m；K——造斜率，(°)/30 m；α——井斜角，(°)。

根據(jù)上式可以看出，在靶前位移S與造斜率K成反比關(guān)系。當(dāng)靶前位移縮短時(shí)，需要更大的造斜率來(lái)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

2 直井段偏移分析

直井鉆井過(guò)程中影響直井段井斜的因素可概括分為：地質(zhì)因素、鉆具因素和井眼擴(kuò)大。地質(zhì)因素是指由地層可鉆性的各種不均勻性和地層傾斜引起的井斜；鉆具原因?qū)е戮敝饕倾@具的彎曲和傾斜，使鉆頭在井底不對(duì)稱(chēng)切削和側(cè)向切削；井眼擴(kuò)大造成鉆頭軸線(xiàn)與井眼軸線(xiàn)不重合，導(dǎo)致井斜。由于地質(zhì)因素為客觀存在的，是無(wú)法改變的。所以直井段井斜主要從后兩個(gè)影響因素進(jìn)行控制，目前除了滿(mǎn)眼鉆具組合、鐘擺鉆具防斜辦法，有很多新的防斜工具和工藝技術(shù)[7-8]，如垂鉆、“螺桿+MWD”組合等防斜打快技術(shù)。

常規(guī)直井的井身質(zhì)量要求包括井斜角、井眼曲率、水平位移3個(gè)方面，如都滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求即為合格，但也存在一種情況，就是定向井、水平井的直井段井身質(zhì)量合格，但直井段偏移較大給定向井帶來(lái)造斜和軌跡控制無(wú)法按原設(shè)計(jì)執(zhí)行。所以對(duì)于定向井、水平井的直井段井身質(zhì)量不僅要滿(mǎn)足直井井身質(zhì)量要求，同時(shí)要考慮對(duì)后期斜井段井眼軌跡控制的影響[9]。定向井、水平井的直井段井身質(zhì)量一直按現(xiàn)行的直井行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，對(duì)定向井、水平井來(lái)說(shuō)，要求過(guò)于寬松，影響造斜與軌跡控制；其次，定向井、水平井直井井身質(zhì)量對(duì)后期作業(yè)影響不被油田管理、鉆井方重視，只考慮直井段的鉆井速度，忽視直井段井身質(zhì)量對(duì)造斜后斜井段控制和機(jī)械鉆速有影響。

3 直井段偏移對(duì)后期施工的影響

3.1 負(fù)位移情況

從近年新疆油田所鉆井來(lái)看[10-12]，直井段偏移為負(fù)位移的情況占比達(dá)到48%。直井段負(fù)位移出現(xiàn)相當(dāng)于增大了造斜點(diǎn)至A靶的位移(見(jiàn)圖3)，定向施工井段比設(shè)計(jì)增加，延長(zhǎng)作業(yè)井段和作業(yè)時(shí)間。其中瑪湖區(qū)塊某水平井直井段負(fù)位移達(dá)到95 m，風(fēng)南區(qū)塊某水平井直井段最大井斜7.2°，負(fù)位移達(dá)到了62 m。

圖3 直井段負(fù)位移示意Fig.3 Negative displacement diagram

負(fù)位移對(duì)后期施工的影響和風(fēng)險(xiǎn)：

(1)造斜井段的影響：在造斜點(diǎn)和靶前位移不變的情況下，造斜點(diǎn)至A靶點(diǎn)的井段增長(zhǎng)。

(2)對(duì)井眼曲率的影響：為了達(dá)到設(shè)計(jì)要求，施工中需要選用比設(shè)計(jì)值更大的“狗腿”度；或者造斜點(diǎn)上移，延長(zhǎng)造斜段的長(zhǎng)度，降低“狗腿”度。

(3)對(duì)LWD等入井工具的影響：對(duì)地質(zhì)導(dǎo)向井，過(guò)高的井眼曲率如果超過(guò)LWD工具的使用極限(見(jiàn)表2)，將導(dǎo)致無(wú)法下入LWD工具或存在工具裂扣的風(fēng)險(xiǎn)。

表2 不同電阻率LWD儀器對(duì)“狗腿”度要求統(tǒng)計(jì)Table 2 Summary of requirements of LWD with different resistivityon wellbore curvature

(4)對(duì)摩阻的影響：定向井段增長(zhǎng)將會(huì)增加斜井段的鉆柱摩阻，影響后期水平段鉆進(jìn)鉆壓傳遞和完井管柱的下入。

(5)鉆井周期的影響：造斜施工井段的增加，延長(zhǎng)了定向施工周期、增加了鉆井成本。

3.2 正位移情況

從新疆油田近年所鉆井來(lái)看，直井段偏移為正位移情況占比達(dá)52%。在設(shè)計(jì)靶點(diǎn)不變的情況下，出現(xiàn)正位移減少了靶前位移，對(duì)后期定向“狗腿”度影響較大，實(shí)際定向作業(yè)過(guò)程中需要更換造斜工具來(lái)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)造斜率要求。

圖4 直井段正位移示意圖Fig.4 Positive displacement diagram

正位移對(duì)后期施工影響和風(fēng)險(xiǎn)：

(1)造斜施工井段影響：造斜施工井段比設(shè)計(jì)減小。

(2)對(duì)井眼曲率的影響：由式(2)可以得出，正位移情況下為滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，上部井段需較低的造斜率，下部井段需超設(shè)計(jì)的高造斜率。

(3)對(duì)入井工具的影響：下部井段“狗腿”度高，可能超過(guò)LWD等特殊工具的使用極限。

(4)增大后期通井、下完井管柱的施工風(fēng)險(xiǎn)。

(5)若目的層提前，存在穿出靶窗的風(fēng)險(xiǎn)。

3.3 靶前位移不變，偏移距較大的情況

除了正負(fù)位移情況，還有一種可能是直井段視位移很小或者為0，靶前位移未受影響，而閉合距較大的情況。此類(lèi)情況與一般的正負(fù)位移有所不同。從近年完成井來(lái)看，直井段偏移出現(xiàn)此類(lèi)情況較多，并且對(duì)軌跡控制難度和完井施工影響較大。此類(lèi)情況軌跡控制中增加了扭方位，為空間圓弧軌跡[13]，由式(1)知，“狗腿”度增大，在工具造斜率不變的情況下必然導(dǎo)致扭方位井段增加，加大了定向施工周期及施工難度[14-15]。

靶前位移不變、偏移距較大對(duì)后期施工的影響和風(fēng)險(xiǎn)：

(1)造斜施工井段：由式(1)得出，造斜段軌跡由二維變?yōu)槿S，定向施工井段增長(zhǎng)，并且扭方位井段長(zhǎng)度由方位差值的大小決定，當(dāng)需要扭方位的角度越大，需要定向的井段就越長(zhǎng)。

(2)對(duì)“狗腿”度的影響：在滿(mǎn)足設(shè)計(jì)造斜率的情況下，造斜井段需要扭方位增斜作業(yè)，需要更大的“狗腿”度。

(3)對(duì)摩阻、鉆柱受力的影響：造斜段扭方位作業(yè)，增大下部井段定向過(guò)程的摩阻和扭矩，同時(shí)影響通井作業(yè)和完井管柱的下入。

(4)井身質(zhì)量的影響：扭方位作業(yè)對(duì)井身質(zhì)量和軌跡圓滑影響較大。

(5)鉆井周期的影響：造斜施工井段的增加，延長(zhǎng)了定向鉆進(jìn)時(shí)間，增加了定向施工周期。

4 實(shí)例分析

4.1 負(fù)位移

統(tǒng)計(jì)新疆油田完成的水平井直井段的負(fù)位移情況，增加了定向作業(yè)井段和施工的周期，以瑪湖區(qū)塊已完成的3口水平井為例(見(jiàn)表3)，實(shí)際造斜井段純鉆時(shí)間比計(jì)劃值增加15%～20%，由于昂貴的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向(RSS)服務(wù)費(fèi)用，增加的施工周期大大提高了定向作業(yè)成本。

4.2 正位移

新疆油田某水平井設(shè)計(jì)“狗腿”度為5°/30 m，直井段正位移達(dá)到61m，占設(shè)計(jì)靶前位移的15%以上，減少靶前位移情況下定向段后期實(shí)鉆“狗腿”度比設(shè)計(jì)值高出20%～40%，并且施工進(jìn)入造斜段后期需要更換造斜工具來(lái)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)造斜率要求。

表3 瑪湖部分水平井負(fù)位移情況對(duì)鉆井工期影響統(tǒng)計(jì)Table 3 Summary of effect of negative displacement ofMahu horizontal wells on drilling periods

通過(guò)摩阻、扭矩分析計(jì)算：與設(shè)計(jì)相比，滑動(dòng)鉆進(jìn)時(shí)實(shí)鉆摩阻增大了84 kN，增幅45.50%；旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時(shí)，實(shí)鉆扭矩增大了9.21 kN·m，增幅51.45%。局部“狗腿”度大將對(duì)后期完井套管的下入造成不利影響。

4.3 靶前位移不變，偏移距較大的情況

實(shí)際造斜段施工中由于方位與設(shè)計(jì)方位的差值大，并且造斜點(diǎn)井斜較高，增加了定向扭方位作業(yè)，造成定向施工周期增加。使用常規(guī)導(dǎo)向鉆具大段扭方位定向作業(yè)，嚴(yán)重制約了機(jī)械鉆速的提高，對(duì)提速提效造成不利影響，增加了鉆井成本。以新疆油田已完成2口水平井為例(見(jiàn)表4)，其中1口井直井段偏移91 m，且造斜點(diǎn)處井斜6°，閉合方位與設(shè)計(jì)方位相差近90°，視位移為-1.35 m。

表4 新疆油田水平井鉆井工期影響統(tǒng)計(jì)Table 4 Summary of drilling periods of horizontal wellsin Xinjiang Oilfield

通過(guò)對(duì)該井進(jìn)行摩阻、扭矩計(jì)算分析：實(shí)鉆摩阻、扭矩均比設(shè)計(jì)有所增大，增幅達(dá)40%～50%。主要原因是實(shí)鉆在造斜點(diǎn)之后開(kāi)始大段增斜扭方位作業(yè)，導(dǎo)致了鉆具與井壁接觸的側(cè)向力的增大，影響了滑動(dòng)定向鉆進(jìn)鉆壓的傳遞。

5 結(jié)論和建議

(1)直井段偏移對(duì)后期定向作業(yè)帶來(lái)了不可忽視的影響，因此，直井段井身質(zhì)量的精細(xì)控制要比直井要求更高。

(2)直井段偏移將對(duì)定向作業(yè)井段的“狗腿”度、井身質(zhì)量、軌跡控制難度、作業(yè)井段長(zhǎng)度和施工周期造成不同程度的影響。

(3)直井段偏移正位移時(shí)，偏移量對(duì)實(shí)鉆“狗腿”度和軌跡控制的影響顯著，對(duì)后期作業(yè)帶來(lái)非常不利的影響。

(4)造斜點(diǎn)位置的井斜角對(duì)后期軌跡控制帶來(lái)更大難度，并且造斜點(diǎn)方位與設(shè)計(jì)方位的差值決定了定向扭方位井段的長(zhǎng)度，對(duì)后期施工和完井管柱下入帶來(lái)了較大的危害。

(5)建議針對(duì)定向井、水平井的直井段的井身質(zhì)量控制，制定特殊的要求，同時(shí)通過(guò)優(yōu)化井下鉆具組合和鉆井技術(shù)參數(shù)，解決直井段偏移帶來(lái)的一系列問(wèn)題。