长庆油田中半径三维水平井环平3井钻井技术.pdf

第 3 1 卷 第 6期 2 0 0 9年 1 2月 石 油 钻 采 工 艺 OI L DRI LL I NG PRODUCT1 0N TECHNOL0GY V0 l _ 31 No ． 6 De c ．2 0 09 文章编号 1 0 0 0 7 3 9 3 2 0 0 9 0 6 0 0 2 7 0 5 长庆油 田中半径 三维水平井环平3 井钻井技术 田 逢军 王万庆 杨 光 谌建祁 李 挺 川庆钻探公 司长庆钻 井总公 司， 陕西西安7 1 0 0 2 1 摘要长庆油田受地形地貌影响， 经常需要进行三维水平井施工。对于靶前距不长的中半径水平井， 较大的偏移距给钻井 施工带来风险。为减少这种施工风险， 通过对长庆油田环平 3水平井的研究， 分析三维水平井轨迹控制特征， 改变只在斜井段 进行轨迹控制的传统模式， 在直井段使用适当的钻具结构进行三维轨迹控制， 使在井斜角很小时完成部分轨迹控制， 避免 了在 大井斜井段既要增斜又要大范围扭方位的矛盾， 降低 了水平井施工风险， 从而使水平井井眼轨迹更加平滑， 井身质量得到可靠 保证 ， 钻 井速度得到提 高。该技术在长庆油 田水平 井中推广应 用取得 了较好 的效 果。 关键词长庆油田；三维；中半径 ； 水平井；钻井技术 中图分类号 T E 2 4 3 文献标识码 A Dr i l l i ng t e c h no l o g y f o r 3 D me di um r a di us Hua n pi ng - 3 ho r i z o n t a l we l l i n Cha ng qi n g Oi l Fi e l d T IA N F e n g j u n ， W A N G W a n q in g ， Y A N G G u a n g ， S H E N J ia n q i ， L I T in g C h a n g q i n gW e l l C o n s t r u c t i o nC o m p a n yo fCh u a n q i n gDr i l l i n g＆E x p l o r a t i o nCo r p o r a t i o n ， X i a n 7 1 0 0 2 1 ， C h i n a Ab s t r a c t Aff e c t e d b y t h e t o p o g r a p h y , 3 D h o riz o n t a l we l l d r i l l i n g i s u s a l l y r e q u i r e d t o b e a p p l i e d t o Ch a n g q i n g Oi l fie l d ． F o r t h e me d i m r a d i u s h o ri z o n t a l we l l ， a l o n g o ffs e t ma y b ri n g a b o u t r i s k s f o r h o r i z o n t a l d ril l i n g ． T o r e d u c e t h e r i s c k ， Hu a n p i n g 一 3 h o riz o n t a l we l l i s s t u d i e d ， a n d t h e t r a j e c t o r y c o n t r o l c h a r a c t e ri s t i c s a r e a n a l y z e d ． T h e tr a d i t i o n a l mo d e l t h a t t r a j e c t o r y c o n tr o l i s o n l y c o n d u c t e d i n i n c l i n e d s h a f t i s c h a n g e d ， B H A a p p r o p r i a t e for 3 D tr a j e c t o r y c o n t r o l i s u s e d i n v e r t i c a l we l l ， S O p a r t o f t r a j e c t o ry c o n tr o l i s c o mp l e t e d wh e n t h e d e v i a t i o n a n g l e i s s ma l 1 ． Th i s a v o i d s t h e c o n fli c t s b e t we e n b u i l d i n g u p a n d turn i n g d i r e c t i o n i n t h e h i g h a n g l e we l l ， d e c r e a s e s t h e ri s k s i n h o ri z o n t a l w e l l d r i l l i n g ， ma k e s t h e t r a j e c t o ry mo r e s mo o t h ， e n s u r e s w e l l b o r e q u a l i t y , a n d i mp r o v e s d r i l l i n g s p e e d ． T h e t h e o l o g y h a s b e e n wi d e l y a p p l i e d i n Ch a n g q i n g Oi l fi e l d ， a n d a c q u i r e d g o o d a c h i e v e me n t s ． Ke y wo r d s Ch a n g q i n g Oi l fi e l d ； 3 D； me d i u m r a d i u s ； h o r i z o n t a l we l l ； d r i l l i n g t e c h n i q u e 长 庆 油 田部 署 开 发 的水 平 井 大 都 为 造 斜 率 6 ～ 1 2 。 ／ 3 0 m的 中半 径水平 井 ， 但 是 由于 多数 油 井位 于黄土高原 的山沟中 ， 受 地理条件 的限制 ， 三 维水平井较多 ， 其 中环平 3井就是一 口具有代 表性 的三维 水平 井。环 平 3井 是 为高效 开 发环 7 5井 区延 8油藏 、 提 高单井 产 量而 布置 的一 口采 油水 平井 。油层 的分 布主要 受构 造控 制 ， 油 层跟 底水 直接相连 ， 平均油水界 面海拔 ． 3 4 5 IT I ， 主体带厚度 达 4 ～ 8 1T I ， 油藏底部存在底水 ， 厚度 4 ～1 0 1 T I 。由于 底水 油层 厚度 较 薄且不 活跃 ， 不 适 于 自然 能量 开 发 。 预计油层厚度 3 1 T I 。 该井设计靶前距 2 3 6 ． 4 4 m， 为 中半径 水平 井 ， 设计 井 口与实 际井 口相差 距 离 较大 ， 实际井 口和人窗 点 的闭合 方位 与水平 段靶 体方位不在同一条直线上 ， 偏移距 离达 9 0 m 以上 ， 为 1口典型的中半径三维油井水平井。施工难度 比较 大 。在施 工 中， 提 前对 直井段 井 眼轨迹 进行 作者简介 田逢军， 1 9 6 9年生。2 0 0 7年毕业于西安石油大学石油工程专业， 钻井工程师， 现从事定向井、 水平井施工与研究。电话 1 5 9 3 4 8 1 5 5 7 3 ， E ma i l t i a n s x q q ． c o m。 2 8 石油钻采工艺 2 0 0 9年 1 2月 第 3 1 卷 第 6期 了定向控制 ， 从而减少了施工难度 ， 使轨迹控制由 复杂变简单 ， 使得后续井段轨迹控制更加容易， 钻 井周期 l 3 d 1 3 h， 为该 区块同类 型井钻井周期 最短 的 1口井 ， 也是长庆油 田三维水平井钻井较好 的 1 口井。 1 钻井设计 Dr i l l d e s i g n 1 ． 1 基本数据 Ba s i c d a t a 该井于 2 0 0 8年 5月 2日开钻 ， 5月 1 6 E t 完钻 ， 5月 2 4日完井 ， 设计井深 2 2 2 0 m， 人窗垂深 1 9 6 3 ． 5 1 m， 靶前距 2 3 6 ． 4 4 m， 入 窗点 闭合方位 8 2 _ 3 3 。 ， 水平 段靶体方位 5 9 ． 5 4 。 ， 设计水平段 4个靶点 ， 水平段长 21 6 m 。 1 ． 2 入窗要求 W i n do w c ut t i n g r e q ui r e me n t 由于是底水薄油藏 ， 水平段应严格沿设计轨迹 穿过油层 ， 水平段纵向距靶点向上 、 向下均不超过 1 m；横 向上第 1 靶点不超过 1 0 m， 第 4靶 点不 超过 2 0m梯形靶区。靶前距 2 0m。 1 ． 3 轨迹要求 T r a j e c t o r y r equ i r e me n t 井身剖面采用直 一增 一稳 调整稳斜段 一增 一 稳 5段制 ， 井身结构采用 03 4 6 m m表层钻头 2 4 4 ． 5 mm表层套管 02 2 2 mm或 02 1 6 mm 的钻头 到完钻 。 不使用技术套管。 直井段要求井斜小于 2 。 。 2 施 工难点 Di f f i c u l t i e s i n c o n s t r u c t i o n 1 入窗 点 闭合方 位 与水 平段 靶体 方 位偏 差 2 2 ． 7 9 。 ， 引起 的偏移距 离达到 9 1 ． 5 9 m， 按三维水平 井软件程序计算 ， 要顺利人窗， 增斜井段方位变化超 过了 6 8 。 ， 方位变化幅度大 ， 在保证增斜率的情况下 ， 完成如此大的方位变化难度较大 。设计和实钻轨迹 如图 1 所示 。 g 赫 U 图 1 设计与 实钻轨迹 水平投影 图 F i g ． 1 H o r i z o n t a l p r o j e c t i o n o f d e s i g n a n d a c ma l d r i l l i n g t r a j e c t o r y 2 靶前距 2 3 6 ． 4 4 m， 属 中曲率半径 、 较短靶前 距水平井 ， 偏移距离与靶前距之 比达到 1 2 ． 5 8， 如 此短 的靶前距 ， 在增斜段 既要保证增斜率还要有足 够的降方位率；偏移距要达到 9 1 ． 5 9 m， 按常规方法， 扭方位必须在稳斜段 以后井斜较大井段进行才比较 有效， 如果在稳斜调整井段扭方位， 偏移距离肯定达 不到设计值 ， 会造成人窗困难 ；在井斜较大时 ， 既要 保证增斜率 ， 又要降方位 6 8 。 左右 ， 显然施工难度大 ， 使用常规 的 1 ．2 5 。 单弯螺杆有轨迹失控的风险。 3 该井属底水薄油层 ， 设计油层厚度只有 3 m； 油水界面不确定；油层位 置有不确定性 ， 中途测试 后对入窗点垂深可能调整 ， 特别是油层位置若提高 ， 需要 的增斜率就会变大 ， 轨迹控制难度增大。 4 该井用水平井软件直接设计井眼轨迹 ， 大幅 度扭方位段轨迹设计数据见表 1 ， 在井深 1 8 0 0 m到 1 8 3 0 m， 在井斜 1 8 o 以上 3 0 m井段 ， 井斜角增加近 5 。 ， 同时需要扭方位接近 2 0 。 ， 也就是说每单根扭方 位 6 ．5 o 以上， 同时增斜 1 ．6 。 ， 使用长庆油田水平井施 工常规钻具结构 ， 此操作风险巨大。 表 1 设计轨迹难实现 的部分数据 T a b l e 1 S o me o f t h e d a t a d i ffic u l t t o b e o b t a i n e d f o r t r a j e c t o ry d e s i g n 田逢 军等长庆油田中半径三维水平井环平 3井钻 井技术 2 9 3 施工方案的确定 De t e r mi n a t i o n o f c o n s t r u c tio n p l a n 3 ． 1 确 定原 则 De t e r mi na t i o n p r i nc i pl e s 直井段 1 3 0 0 m 以上 ， 利用直井段来 弥补靶前距 短的缺点 ， 完成部分需要在斜井段完成的偏移距离 ， 在井斜满足设计要求 的情况下 ， 方位在设计 的偏移 方位线上， 实现偏移距离尽可能大， 使斜井段需要的 偏移距离变短 ， 有利于增斜井段施工 。如果直井段 实现的偏移距离越大 ， 则后续施工难度越小 ， 设计轨 迹难实现的部分数据见表 1 。 在靶前距不长的情况下 ， 在增 斜段保证增斜率 的同时降方位角较大度数有 困难 ， 在直井段完成部 分偏移距离的情况下 ， 在井斜较小时 ， 即可完成较大 扭方位幅度 ， 从而使增斜段在井斜较大时， 扭方位角 度减小 ， 降低施工难度 ， 使普通工具能在增斜段既保 证增斜率又能完成方位的调整 ， 保证施工安全。 3 ． 2 选择实际剖面类型及造斜点 Se l e c tio n o f a c t u a l pr o fil e t yp e s an d whi p s t o c k po i n t s 3 ． 2 ． 1 剖面类型按设计五段制施工。 3 ． 2 ． 2 选择造斜点选择 1 6 5 0 m 时， 按最小曲率法 计算 ， 作轨迹模拟数据 ， 造斜需要 的方位 角 1 4 4 ． 7 。 ， 到人窗需要扭方位 8 4 ． 9 6 。 ；造斜点选择 1 6 3 0 m ， 作 轨迹模拟数据， 造斜 方位 角 1 2 8 ． 0 6 。 ， 到入 窗需要扭 方位 6 8 ． 3 2 。 。扭方位 角度较 小 ， 比较 理想 ， 选择在 1 6 0 0 m左右造斜更为有利 ， 使第 1 增斜段增斜率 降 到 2 2 。 ／ 1 O 0 m 以下 ， 以利于扭方位作业 ， 降低施 工风险。 3 ． 3 井眼轨迹数据模拟和控制方案 T r a j e c t o r y d a t a s i mu l a t i o n a n d c o n t r o l p r o gr a m 按 以上方案模拟实际可行 的三维井 眼轨迹 ， 最 大狗腿 度 3 1 。 ／ 1 0 0 m， 普通定 向工具 即可达到。 其 中在直井 段方位 1 3 0 。 左右 ， 直井段 井斜 控制在 1 ． 5 。 左右 ， 完成偏移距离 3 0 m 以上 ；使增斜井段需 要完成的偏移距离在 6 0 m 以下 。 在第 1 增斜段 ， 方位角 由 1 3 0 。 扭 到 1 0 0 。 ；在微 增斜调整井段后期， 大幅调整方位角， 方位角由 1 0 0 。 扭到 8 0 。 左右； 使在第2 增斜段增斜率 2 8 o ／ I o 0 m， 方位 角在该段只减小 2 0 。 左右 即可顺 利人窗 ；实现 了在井斜较大时 ， 既保证增斜 率又能使方位角做较 小 的调整 ；同时第 2增斜段在中途测试后 ， 根据地层 对 比， 入窗点垂深提高后 ， 钻具增斜率能达到要求 ， 方 位变化对人窗的影响已经不大 ， 大幅度地减少 了第 2 增斜段工作量 ， 降低 了施工难度。 4 井眼轨迹控制 T r a j e c t o r y．c o n t r o l 4 ． 1 直 井段 Ve r t i c a l we l l 1 钻具 结构及 测 量工具 。钻 具结 构 0 2 2 2 ． 2 mmP DC0 ． 2 5 m O1 7 2 mmP DM 1 ． 0。8 m 4 3 1 4 A1 00 ． 4 5 m 1 6 5 mmMWD 接 头 0 ． 8 9 m 1 65 mmNM DC 9． 59 m O1 65 m mDC 90 m 4 A1 1 4 1 00 ． 5 m O1 2 7 mmDP 1 3 3 KL。使 用 MWD测量工具跟踪测量 、 控制井眼轨迹。 2 轨迹控制 。该井表层井深 2 9 0 m， 表层底井 斜 角 0 ． 5 3 。 ， 方 位 1 5 9 。 ， 二 开钻进 在测 量工具 出套 管脚后 ， 从 3 1 0 m开始滑动定 向钻进 5 m， 井斜达到 1 ． 6 。 ， 方位 1 3 2 。 。 后复合钻井 ， 及时测斜控制井斜角 、 方位角 ， 井斜角有大于 2 。 趋势 时， 滑动 降斜 4 ～ 5 m， 同样在井斜小于 1 。 时 ， 滑动钻井增斜 4 ～ 5 m， 使井斜 一 直控制为 1 ． 6 ～ 2 。 ， 方位角 1 3 0 1 4 0 。， 到造斜点 ， 共 钻进进 尺 1 3 0 7 m， 滑动钻进控制轨迹 1 5次 ， 滑动钻 进进尺 5 6 ． 5 m， 井斜角 、 方位角控制 比较理想。到造 斜点视平移 2 2 ． 3 5 m， 偏移距离达到 3 7 ． 8 5 m， 使该井 的偏移距离 由 9 1 ． 5 9 m减少到 5 3 ． 7 4 m， 执行 了轨迹 模拟数据 ， 减少 了增斜段施工难度。 4 ． 2 第 1 增斜段 No ． 1 o b l i qu e s e c tio n 1 钻 具 结构 。为 防止 P DC钻 头 大段 扭方 位 困难 ， 该 段 使 用 如 下 钻 具 结 构 O 2 1 5 ． 9 mmx 0 ． 2 5 m O1 7 2 mmP DM 1 ． 2 5。 8 m 4 3l 4 A1 00 ． 4 5 m O1 6 5 mmMWD 接 头 0 ． 8 9 m O1 6 5 mmWDC 9． 59 m O 1 65 m m DC 3 0 m 4A l 1 X 41 0 X 0． 5 mO 1 2 7 mmDPl 3 3 KL。 2 轨迹控制 。因造斜点提高 ， 造斜初始控制较 小的增斜率， 在开始增斜钻进的同时扭方位， 由于井 斜小 ， 扭方位容易 。第 1 增斜段段长 2 8 m， 方位角由 造斜 点处 的 1 3 1 ． 1 。 降到 3个单根后 的 9 7 。 ， 扭方位 3 4 ． 1 。， 使该井的人窗方位角变化值 由 6 8 ． 3 2 。 减少到 3 4 ． 2 2 。 ， 完成了一半的扭方位工作量， 井斜由 1 ． 8 8 。 增 加到 7 ． 4 。 ， 偏移距 离达到 4 0 m， 顺利实现该段轨 迹模拟数据。该段实际井眼轨迹控制数据见表 2 。 3 0 石油钻采工艺 2 0 0 9年 1 2月 第 3 1 卷 第 6期 4 - 3 微增斜调整段轨迹控制 T r a j e c t o r y c o n t r o l o f s li g h t l y o b l i q u e s e c ti o n 该段主要采用复合钻进来控制增斜率 ， 在该井段 结束前 ， 利用增斜率低的有利条件 ， 大范围地降低方 位角。在井深 1 7 1 7 ． 8 5 m， 连续滑动钻进扭方位 ， 方位 角由 9 9 。 降到 8 2 。 ， 同时井斜 由 7 ． 4 。 增加到 1 5 ． 4 7 。 。 偏 移距 离达 到 7 0 m， 使该井 人窗方 位角 只需变化 2 3 。 ， 偏移距离只需增加 2 1 m， 轻松实现了该段轨迹 模拟数据 ， 同时剩余轨迹控制工作量， 在以前 的水平 井施工中可以轻松实现 。该段轨迹控制情况见表 3 。 表 3 微增斜段轨迹控制数据 T a b l e 3 S t a t i s t i c s o f t r a j e c t o r y c o n t r o l o f s l i g h t l y o b l i q u e s e c t i o n 4 ． 4 第 2 增斜段轨迹控制 Tra j e c t o ry c o n t r o l o f N o ． 2 o b l i q u e s e c t i o n 第 2 增斜段在保证增斜率达到设计要求的同 时 ， 在井 斜 5 0 。之 前 ， 调整 方 位 角到 7 0 。 以下 ， 即与人 窗方 位偏 差 在 1 0 。之 内。避免 在 大井斜 井 段大 幅度扭方 位 ， 同时在 增斜率 较小处 及 时调 整方位 ， 避免井斜方位 同时调整 ， 造成造斜工具无 法实现 ， 轨迹失控 的情况 。同时及 时预算 ， 在 井斜 适 当时 ， 方位 角 6 4 ～ 6 5 。 即可 实现 安全入 窗 。在 入 窗前 7 0 1 T I 方 位 达到 入 窗所 需方 位 角 ， 后 续井 段只需 控制井 斜 即可顺利 入 窗 ， 该 段轨迹 控制数 据 见表 4 。 表4 第 2增斜段轨迹控制数据 T a b l e 4 S t a t i s i t i c s o f t r a j e c t o r y c o n t r o l o f No ． 2 o b l i q u e s e c t i o n 田逢军等 长庆油田中半径三维水平井环平 3井钻井技术 3 l 4 ． 5 入窗垂深调整 V e r t i c a l d e p t h a d j u s t me n t o f wi n d o w 该井在井深 1 9 6 0 m、 垂深 1 9 2 8 ．3 0 m、 井斜 5 3 o 、 方位 6 7 ． 8 。 ；进行 中途 电测后 ， 入 窗点垂深 由设计 的 1 9 6 3 ． 5 1 m调整为 1 9 6 0 ． 5 1 m， 入窗点垂深上调 3 m， 使到人窗点的增 斜率 由 2 8 。 ／ 1 0 0 m增 大到 3 2 ． 8 8 。 ／ 1 0 0 m， 由于前期轨迹控制严格按模拟数据进行 施工， 后续到人窗点井段方位变化值 只需 2 ． 8 o， 在保 证增斜率 的条件下 ， 即可安全入窗。而该井在增斜 段 ， 全力增斜 时， 增斜率达到 3 5 。 ／ 1 0 0 m以上， 可 实现 3 2 ． 8 8 。 ／ t 0 0 m。 4 ． 6 入窗和油层情况 W i n do w c ut t i ng a nd o i l r e s e r v o i r 该井严格 按施工前 确定 的轨 迹控制模 拟数据 进行 ， 在 2 0 6 3 m精 准人 窗 ， 入 窗井 斜 8 5 ． 8 6 。 ， 方位 6 3 。 ， 实际人 窗点与设计相比， 下偏 0 ． 1 2 m， 左偏 5 ． 2 8 m， 靶前距 比设计值短 1 ． 0 1 m， 水平段中靶情况 良好。 该 井 在 油层 厚 度 只用 3 m 的情 况下 ， 水 平 段 实钻长度 2 1 6 ． 4 2 m， 且全 部为油 层 ， 油层 钻遇率 为 1 0 0 ％。甲方实现了钻探该井的最大 目的。 5 结论和认识 Co n c l u s i o n s a nd r e c o g ni t i o n 1 对于偏移距离大的三维中半径水平井 ， 可在 直井段进行特殊施工 ， 即在保证井身质量 的同时， 可 以把直井段看作斜井段进行施工。适时使用螺杆钻 具滑动钻进适当的长度 ， 控制井斜角和方位角， 直井 段实现部分偏移距 ， 使斜井段需要控 制的偏移距变 短 ， 该技术在后续 的三维水平井施工中普遍使用 ， 降 低斜井段轨迹控制的难度。提高了钻井速度。避免 了轨迹失控的风险。 2 对于部分偏移距离大且靶前距短的三维 中半 径水平井 ， 为了保证井身质量和后续施工正常 ， 建议 施工前与甲方协商 ， 直井段井斜可由要求 的小于 2 。 增加到小于 4 。 或 5 。 。以减小施工难度 ， 保持井眼轨 迹的平滑， 保证井身质量及后续施工的顺利进行 。 3 对于利用直井进行轨迹控制的三维水平井 ， 在施工前一定要进行轨迹数据模 拟计算 ， 保证定 向 工具能达到的井斜变化率 、 方位变化率 ， 以保证顺利 人窗。同时在施工 中， 严格按轨迹模拟数据进行施 工， 减小施工风险 ， 保证施工质量 。 4 水平井软件对于偏移距离较大 的三维水平 井 ， 应 该探索一种应用直井段控 制轨迹偏移距 的轨 迹设计方法 ， 使该类水平井施工更容易。 参考文献 Re f e r e n c e s [ 1 ] 王万庆， 田逢军 ． 长庆马岭油田水平井钻井防碰绕障技 术 [ J ]． 石油钻采3 - 艺， 2 0 0 9 ， 3 1 2 3 5 ． 3 8 ． WANG Wa n q i n g ， T I AN F e n g j u n ． T h e a n t i c o l l i s i o n a n d b a r r i e r - b y p a s s i n g t e c h n o l o g y o f h o r i z o n t a l we l l d r i l l i n g i n C h a n g q i n g Ma l i n g O i l fi e l d l J j． O i l Dr i l l i n gP r o d u c t i o n T e c h n o l o g y , 2 0 0 9 ． 3 1 2 3 5 3 8 ． [ 2 ] 王伟 ． 三维 z形斜面圆弧 井眼轨迹控制技术 [ J ]． 石 油钻采工艺 ， 2 0 0 7 ， 2 9 4 1 0 ． 1 2 ． WAN G We i ． T r a j e c t o r y c o n t r o l t e c h n i q u e s f o r 3 - D a r c we l l b o r e s w i t h z - i n c l i n e [ J ]． O i l D r i l l i n g P r odu c t i o n T e c h ． n o l o gy, 2 0 0 7 ， 2 9 4 1 0 - 1 2 ． [ 3] 何树山， 刘修善 ． 三维水平井轨道设计 [ J ]． 石油钻采 工艺， 2 0 0 1 ， 2 3 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