长庆油田短靶前距水平井钻井关键技术.pdf

第 38 卷 第 1 期 2016 年 1 月 石 油 钻 采 工 艺 OIL DRILLING 2. Management Department of Engineering and Technology, Changqing Oilfi eld Co. Ltd., Xian 710018, China; 3. Engineering and Technology Co. Ltd., CNPC, Beijing 100007, China; 4. Research Institute of Oil Production Engineering, Huabei Oilfi eld Company, Renqiu 062552, China Citation XUE Rangping, YANG Guang, XIE Jingang, JIA Pingjun, DING Jiandong, ZHANG Wangning. Key drilling technology of horizontal well with short frontal distance from the target point in Changqing Oilfield［J］. Oil Drilling short frontal didtance from target point; wellbore trajectory optimization; build-up rate; Changqing Oilfield 第一作者薛让平（1971-） ， 1995 年毕业于江汉石油学院钻井工程专业， 现主要研究方向钻井工艺技术研究， 钻井高级工程师。通讯地 址（710018） 陕西省西安市未央区凤城四路长庆大厦 2104 室。电话13572007400。E-mailxuerp 石油钻采工艺 2016 年 1 月（第 38 卷） 第 1 期6 随着水平井钻井技术的不断发展， 为满足多层 系开发的需要， 长庆油田进行小井距、 小排距密集井 网部署。水平井靶前距由开发初期的 300 m 逐步缩 短至现在的 180 m 左右， 并有进一步缩短的趋势。 通过优选井眼轨道设计方法， 分析了短靶前距水平 井在不同的造斜点垂深、 造斜率对摩阻扭矩的影响。 在转盘钻井和定向钻井中， 对影响下部钻具组合造 斜能力预测的几种因素（稳定器与结构弯角、 井眼 扩径、 钻压） 进行了分析讨论， 为短靶前距水平井合 理选择井身剖面和下部钻具组合提供了理论依据。 1 钻井技术难点 Drilling technical difficulties 在密集井网的同一井区内， 为提高采收率、 降低 成本， 通常限制水平井靶前距， 增长水平段长度， 在 有效的靶前距内实现水平段长度最优化， 这使得短 靶前距水平井在井眼轨道优化设计、 下部钻具组合 造斜能力预测等方面面临较大的困难。 （1） 井眼轨道优化设计方法有待论证。国内提出 了关于井眼轨道设计方法的多种轨道模型变曲率 曲线、 悬链线、 准悬链线、 圆弧和侧位抛物线等。水 平井井眼轨道优化设计的主要目标是摩阻和扭矩的 最小化， 合适的稳斜角能使全井的摩阻、 扭矩同时达 到最小， 但靶前距的缩短导致钻井施工中摩阻、 扭矩 逐步增大， 甚至无法施工。因此， 在靶点垂深限定的 情况下， 通过轨道类型和设计参数优选， 论证研究了 短靶前距水平井轨道优化设计的新方法［1］。 （2） 下部钻具组合造斜能力预测有待研究。长庆 油田短靶前距水平井井眼轨迹控制主要通过最为经 济的“稳定器 单弯螺杆” 钻具组合实现， 但导向能 力相对较弱。几何法计算简单， 作为确定下部钻具 组合的造斜率的方法， 仅适用于“稳定器 钻挺” 组 合， 且稳定器位置固定的情况下， 结果较为可靠。对 于“稳定器 单弯螺杆” 组合， 在地层均匀连续的情 况下， 钻压、 钻头扭矩等不变， 可提供下部钻具组合 造斜率的定性预测结果， 难以预测最大造斜率和恒 定曲率。因此， 对于“稳定器 单弯螺杆” 组合， 应 采用其他造斜率预测方法给出下部钻具组合造斜率 的定量预测结果［2］。 2 钻井关键技术 Key drilling technology 2.1 井眼轨道优化设计 Optimization design of wellbore trajectory 在现有的装备与钻井技术条件下， 针对长庆油 田水平井轨道设计目前采用的双增剖面， 设计了稳 斜调整井段。 对于造斜率要求高的短靶前距水平井， 要在既定的井网内最大限度延伸水平段， 降低靶前 距， 就必须对轨道设计剖面进行优选， 以实现摩阻、 扭矩最小［3］。 2.1.1 井眼轨道参数计算 水平井的井眼轨道是由 直井段、 圆弧段和水平段组成， 因此， 短靶前距水平 井拟采用双增、 单增圆弧剖面设计计算方法优选。 （1） 水平井轨道参数 ［3-4］ 。 造斜点垂深Hv， 造斜率， 靶前距 Sa， 井口纵坐标 Xo， 井口横坐标 Yo， 靶点垂深 Ha， 靶点横坐标 Ya， 靶点纵坐标 Xa， 初始井斜角 To， 曲 率半径 Ri等。 （2） 计算公式。靶前距的计算 SXXYY aaoao −− 22 （1） 其中初始位移增量 So， 曲率 Ki与曲率半径 Ri的 关系如（2） 式 R C K i k i 180 π （2） 式中， Ck的取值取决于曲率 Ki的单位， 曲率 Ki的单 位分别为 （ ） /30 m、 （ ） /100 m 时， Ck对应值为 30、 100。 当采用双增剖面时， 公式如下 SaSoR1（cosTo – cosT1）R2（cosT1–cosTmax） （3） HaHvR1（sinTmax–sinT0）R2（sinTmax–sinT1） （4） 当选用单增剖面时， 公式如下 SaSoR1（cosTo–cosTmax） （5） HaR1（sinTmax–cosTo）Hv （6） 根据上式， 现场只求取造斜曲率半径 R 和造斜 点垂深 Hv。 R SS TT o − − ao max coscos （7） HvHa–R（sinTmax–sinTo） （8） 2.1.2 井眼轨道剖面与靶前距对摩阻扭矩的影响 短靶前距水平井在水平段长度、 靶点垂深限定的条 件下， 造斜点、 造斜率等设计参数可选范围较小， 井 眼曲率高， 摩阻扭矩大。因此， 对于不同井眼轨道剖 面， 计算裸眼井段摩阻扭矩， 可直观了解井眼轨道剖 面对摩阻扭矩的影响。通过选取垂深 1 500 m、 水平 段长 1 500 m、 裸眼内摩阻因数 0.3 的条件下， 进行 井眼轨道参数计算， 靶前距分别选取 130 m、 180 m、 230 m， 分析了不同井眼轨道剖面的摩阻扭矩， 见表 1。可以看住， 在靶前距相同的情况下， 双增剖面摩 阻和扭矩较单增剖面大， 随着靶前距的增大， 双增剖 7薛让平等长庆油田短靶前距水平井钻井关键技术 面摩阻和扭矩逐渐增大；单增剖面随着靶前距的减 小， 下钻摩阻和扭矩逐渐增大， 起钻摩阻逐渐减小。 现场实践中， 双增剖面井眼轨道圆滑程度比单增轨 道略差。因此， 从控制摩阻扭矩和有利于现场施工 等方面综合考虑， 短靶前距水平井宜选用造斜率较 低的单增剖面。 表 1 不同井眼轨道剖面的摩阻和扭矩数据 Tab.1 Friction torque data of different wellbore trajectory profiles 井眼轨道 靶前距 / m 摩阻 /kN 钻进扭矩 / N m 下钻起钻 双增剖面 13024.6822.8820.93 18024.8522.9821.00 23025.0023.9621.11 单增剖面 13023.9621.6720.42 18023.9921.4220.53 23024.1221.2220.68 2.1.3 造斜率和造斜点垂深对摩阻的影响 短靶前 距水平井造斜率、 造斜点的可选范围小， 在单增剖面 中， 造斜率越大， 造斜点垂深越深， 反之亦然。因此， 在限定靶前距条件下， 分析造斜率和造斜点垂深对 摩阻的影响， 以确定合理的造斜率和造斜点垂深。 以靶前距 180 m 为例， 选取造斜点垂深 650 m 和造 斜率 8 （ ） /30 m， 针对不同的造斜点垂深和造斜率进 行单增剖面摩阻分析， 结果见图１。 图 1 相同的造斜点垂深和造斜率单增剖面摩阻曲线 Fig.1 Identical vertical depth of deflection point and friction torque curve of monotone increasing profile of build-up rate 在相同造斜点垂深条件下， 短靶前距水平井随 着造斜率的增大， 井眼轨道与钻柱轴向力耦合产生 的正压力增大， 因此摩阻逐渐增大。但在相同造斜 率的条件下， 斜井段长度随之减小， 管柱重力引起的 接触正压力亦随之上升， 部分正压力的作用被抵消， 随着造斜点垂深的增加， 抵消正压力的作用越发不 明显。增大造斜点垂深可以在一定程度上减小钻井 过程中的摩阻， 但这种作用随着造斜率的增大逐渐 弱化。因此， 在优选井眼轨道剖面的同时， 应考虑造 斜率、 造斜点垂深等因素对裸眼井段摩阻因数的影 响， 然后根据靶前距， 合理进行具体区块的井眼轨道 优化设计。 2.2 下部钻具组合造斜能力预测方法 Prediction of deflecting force of bottom hole assembly 下部钻具组合沿着钻头侧向力减小的方向钻 进， 当钻头侧向力减小到 0 时， 井眼轨迹将保持恒定 曲率， 几何法进行钻头侧向力分析， 仅提供下部钻具 组合造斜率的定性预测结果， 此时的井眼曲率即为 该 井段所采用的下部钻具组合的最大造斜率， 而平 衡曲率法则可给出其定量。把钻头侧向力 F 作为井 眼曲率 K 的函数。根据平衡曲率法， 求钻具组合的 造斜率， 即F（K）0。在短靶前距水平井高曲率 的井眼中， 钻头的侧向力与井眼曲率 K 的线性关系 不存在［4-5］， 用上式可采用数值法求解。 选用“稳定器 单弯螺杆” 组合， 应用平衡曲率 法， 对单弯螺杆钻具组合的结构参数对造斜率的影 响进行分析， 结构和参数如图 2 所示， 在螺杆钻具本 体上带 1 个弯角， 在钻头与结构弯角之间有 1 个欠 尺寸的稳定器， 如 7LZ1657.0 型。 图 2 7LZ1657.0 型单弯单稳钻具结构及参数 Fig.2 Structure and parameters of 7lz1657.0 single bent monostable drilling tools （1）稳定器和结构弯角对造斜率的影响。稳定 器与结构弯角对造斜曲率的影响较为明显， 当稳定 器磨损时， 与井眼间的间隙增大， 造斜曲率减少， 当 结构弯角增大时， 造斜曲率增加。采用井眼尺寸 206 mm， 优选适合短靶前距水平井的单弯螺杆弯角 a， 方 案Ⅰa1.25 ， 方案Ⅱa1.5 ， 方案Ⅲa1.75 ， 对 单弯螺杆的 3 组设计方案造斜率分析结果， 见图 3。 （2） 刚性与井眼扩径对造斜率的影响。 实践表明， 螺杆钻具本身的刚性对造斜曲率的影响较小， 而螺 杆钻具上部的钻具随刚性的增加而增大。对于单弯 螺杆来说， 随钻具刚度的增加较小。几何法计算的 理论造斜率未考虑刚度的影响， 因此， 一般来说， 不 会带来较大的误差。但随着井眼直径的扩大， 螺杆 钻具的造斜曲率值减小。井眼直径扩大对单弯钻具 组合的影响更明显。 石油钻采工艺 2016 年 1 月（第 38 卷） 第 1 期8 （3） 钻压与井斜对造斜率的影响。一般来讲， 井 斜角对造斜曲率影响较小， 钻压对造斜曲率影响较 大， 对于单弯螺杆钻具， 造斜曲率随井斜增加而增 加， 当钻压增加到某一值时， 弯角处将与井壁接触， 此时造斜曲率有显著地增加， 以后造斜曲率对钻压 的增加不敏感， 见图 4。 图 4 钻压对造斜率的影响 Fig.4 Influence of bit pressure on build-up rate 几何法可近似计算单弯螺杆钻具的造斜曲率， 但短靶前距水平井的高造斜率需要更加精确的下部 钻具组合造斜能力预测方法。对于单弯螺杆钻具， 可按钻头、 稳定器和弯角处 3 点来计算。经过分析 说明， 平衡曲率法与按力学分析所计算的造斜曲率 都非常接近。 3 实例分析 The example analysis 短靶前距水平井钻井技术已经为长庆油田浅层 油井水平井提供了技术支撑， 其中里平 100-24 井设 计中靶垂深 2 100 m， 水平段长度 600 m。 3.1 短靶前距水平井井眼轨道优化技术应用 Application of wellbore trajectory optimization technology of horizontal well with short frontal distance from the target 根据短靶前距水平井井眼轨道优化设计的原 则， 针对里平 100-24 井设计靶前距 160 m， 选用单增 剖面， 选取不同的造斜率和造斜点垂深， 分析计算摩 阻和扭矩， 主要数据见表 2。 表 2 里平 100-24 井单增剖面不同造斜点对应的 井眼轨道摩阻扭矩 Tab.2 Corresponding wellbore trajectory friction torque of different deflection points of monotone increasing profiles of well Liping 100-24 造斜率 / （ ） （30 m） –1 造斜点 垂深 /m 摩阻 /kN 钻进扭矩 / kN m 斜井段 长 /m 下钻起钻 111 94010.27.512.9250 121 96010.357.613.1240 131 97010.427.7813.1230 151 99010.557.9113.2210 由表 2 可知， 造斜率 11 （）/30 m 时， 摩阻扭矩最 小， 斜井段长度较长， 为实钻轨迹控制提供了调整空 间。因此， 里平 100-24 井应选用造斜率 11 （）/30 m， 造斜点垂深 1 940 m 进行单增剖面优化设计。 3.2 单弯螺杆钻具轨迹控制应用 Trajectory control application for drilling tools of single bent screw 里平 100-24 井于井深 1 940.5 m 进入斜井段， 导向钻具组合206 mmPDC7LZ165 螺杆钻具 （ 1.5 ） 165 mm 回压阀 165 mmMWD 接头 165 mm 无磁钻铤 1 根 127 mm 加重钻杆 9 根 127 mm 钻杆 45 根 127 mm 加重钻杆 36 根 127 mm 钻杆， 定向初始造斜效果较好， 随着斜井 段的钻进， 上述钻具组合在滑动钻井中井斜增大趋 势显著， 钻至 2 100 m 后， 井斜增大率超过 13 （） /30 m， 实现了复合钻进入窗。水平段继续使用上述钻具 组合， 根据地层特性， 优选钻进参数， 需要滑动钻进 降低井斜， 实现稳平控制［6-8］。 通过现场应用， 单弯螺杆钻具组合轨迹控制原 则是靶前距 180 m 以上， 根据井下摩阻和井眼稳 定情况， 使用 1.251.5 单弯螺杆和 PDC 钻头为主， 使用 PDC 钻头钻进时， 钻头的侧向切削力较强， 复 合钻进时增斜程度比牙轮钻头要低。靶前距 180 m 以下， 为了提高滑动钻进的增斜率， 应使用 1.5 单弯 螺杆和牙轮钻头， 在单弯螺杆上部接 202203 mm 欠尺寸稳定器， 以尽量降低滑动钻进时井斜突增的 趋势。所以， 在地层可钻性较好时， 可以考虑不使用 欠尺寸稳定器， 但需要根据实钻情况具体分析一 般情况下， 建议使用欠尺寸稳定器， 以 202204 mm 为宜［9-10］。 图 3 单弯螺杆的三组设计方案造斜率分析曲线 Fig.3 Build-up rate analysis curve of three design schemes of single bent screw 9薛让平等长庆油田短靶前距水平井钻井关键技术 4 结论 Conclusions （1） 从控制摩阻扭矩和有利于现场施工等方面综 合考虑， 短靶前距水平井宜选用单增剖面。 （2） 单弯弯角大小、 稳定器尺寸对螺杆钻具造斜 率影响十分明显。当井径扩大严重时， 适当增加稳 定器与钻头的距离有利于维持钻具的造斜能力。 （3） 钻压对造斜曲率有影响， 当钻压不断增加时 造斜曲率有显著地增加， 当钻压增加到某一值时， 螺 杆弯角处将与井壁接触， 以后造斜曲率对钻压的增 加不敏感。 参考文献 References ［1］ 韩来聚 . 胜利低渗油田长水平段水平井钻井关键技术 ［J］. 石油钻探技术， 2012， 40 （3） 7-12. 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