杨振中，李杰，张恒，刘思格，赵江林，谢鹏，党文辉

1.中国石油新疆油田分公司玛湖勘探开发项目部，新疆 克拉玛依 834000 2.中国石油新疆油田分公司百口泉采油厂，新疆 克拉玛依 834000 3.中国石油新疆油田分公司工程技术研究院，新疆 克拉玛依 834000

近年来，“井工厂”或“工厂化”的钻井作业模式越来越受到业内重视。页岩油气或致密油气藏高效开发也越来越提倡采用该作业模式进行水平井钻井。国外相关技术趋于成熟，而国内尚处起步阶段[1-6]。同时，为了减小死油区面积，美国巴肯地区提出勺形井眼作为“井工厂”作业轨道，它能尽可能早地进入储层，使井眼与储层接触最大化以提高致密油的采收率[7]。勺形井眼轨道在一些文献中均有所提及[8-9]，但是具体的设计方法未见报道。基于前人三维井眼轨道设计理论来研究勺形井眼轨道的设计问题，探讨“井工厂”水平井作业模式的井眼相碰问题，研究一套适用于“井工厂”水平井组勺形井眼轨道优化设计方法，并以新疆吉木萨尔“井工厂”作业区为例进行相关的设计和应用。

1 “井工厂”作业轨道优化设计方法

1.1 勺形水平井井眼轨道

图1 勺形井眼与常规井眼剖面对比图Fig.1 Profile comparison between scoop horizontal well and conventional horizontal well

相比于常规井眼，勺形井眼在造斜后需要先向靶区相反方向钻进，再转向靶区钻进，如图1所示，在垂直剖面图上具有一段明显的反向视平移。勺形井眼是三维井眼轨道的一种特殊情况，其约束条件是靶前位移。靶前位移越小，反向视平移越大，也就是较小的靶前位移才能导致设计出井眼轨道具有反向视平移。基于前人建立的三维水平井井眼轨道设计方法[10-14]，通过优化靶前位移来进行勺形水平井井眼轨道设计。

1.2 设计步骤

图2 井场布井方式优化Fig.2 Oplimization of well site layout

1)确定井场布井数量。平台化布井取决于油藏井网井距、三维水平井实施难度(偏移距等)、地面条件、钻井周期和建产要求等。

2)井场布井方式优选。常见的钻井平台井口布置方式有单排布井和双排布井，双排布井方式由于其井口集中、平台占地面积小、平台井数多，因此更有利于工厂化钻井模式降低钻井成本和后期的管理成本，双排布井又分为正对和交错2种方式。

3)优化靶前位移。以图3为例，反向视平移是造斜段各点水平位移在设计方位上的投影距离，在其他条件都一致的情况下，靶前位移从0 m开始，每增加50 m计算一次，计算式如下：

式中：S为反向视平移，m；Smax为最大反向视平移，m；NA、EA分别为水平井入靶点A的北坐标和东坐标，m；NO、EO分别为水平井井口的北坐标和东坐标，m；Ni、Ei分别为水平井造斜段轨迹i点的北坐标和东坐标，m；α为井眼轨迹i点的闭合方位与设计方位线的夹角，(°)。

对应的垂直剖面图见图4。当靶前位移为0、50、100、150、200、250、300 m时，最大反向视平移分别为-227.17、-189.9、-152.86、-112.7、-69.64、-23.95、1.88 m。根据靶前位移与最大反向视平移的对应情况可知，最大反向视平移随靶前位移的增大而减小，小靶前位移会使得设计出的井眼轨道出现勺形段。为了尽量减小死油区面积，靶前位移应越小越好，但是对于一口井，需要综合多种因素进行靶前位移的优化。

图3 井眼轨迹视平移与水平位移关系图图4 不同靶前位移的井眼轨道垂直剖面图Fig.3 Relationship between apparent translation and Fig.4 Vertical profile of borehole trajectory with horizontal displacement of borehole trajectory different target front displacements

表1 靶区错开不同间距的防碰扫描结果

图5 “井工厂”作业轨道设计流程图Fig.5 Operation track design flowchat of“well plant”

4)造斜点位置优化。以勺形井眼作为“井工厂”作业轨道时，由于在造斜点处开始反向钻进，如果不错开造斜点位置，在造斜点后一段井眼极易相碰，因此需要优化邻井造斜点位置，建议至少错开30 m。

5)靶区错开间距优选。靶前位移越小，井排间的两口邻井相碰风险越高，特别是入靶前一段井段极易相碰。为了降低因靶前位移带来的相碰风险，建议将井排间邻井的靶区错开一定间距。以实例中的“井工厂”水平井组为例，在相同情况下，错开间距从0 m开始，每增加5 m进行一次防碰扫描，结果见表1，在入靶前一段井段防碰扫描的最近距离随着靶区错开间距的增大而增大。为满足防碰要求，井排间的邻井需错开10 m以上。

6)利用三维井眼轨道设计方法完成井场内所有井的轨道设计。“井工厂”作业轨道优化设计的主要步骤如图5所示。

2 设计实例

2.1 井眼轨道设计及死油区分析

以新疆昌吉致密油田“井工厂”水平井组为例，采用双排布井，每排3口井，排间距为10 m，同排井口间距为10 m，水平段间距为300 m，设计靶前位移为385 m，水平段段长为1 300 m。要求造斜点至少错开30 m，设计时采用空间五段制(以1井井眼轨道为例)，第一造斜率采用6°/30 m，第二造斜率采用5.5°/30 m，设计结果见表2和图6。

表2 常规井眼轨道设计结果

图6 常规三维轨道“井工厂”水平井组示意图Fig.6 Schematic diagram of horizontal well group of conventional 3D track “well plant”

图7 “井工厂”作业常规水平井设计轨道的“死油区”Fig.7 Bypassed oil area of design track of conventional horizontal wells operated by “well plant”

如图7所示，设死油区的长为a，宽为b，则有：

a=2ΔS+d

(1)

b=(n-1)ΔL

(2)

S=ab

(3)

式中：ΔS为每口井的靶前位移，m；n为单排的井数；ΔL为水平段间距，m；S为死油区面积，m2。

因此，计算死油区面积：

S=(2×385+10)×(3-1)×300

=468 000(m2)

利用笔者提出的优化设计方案，将靶前位移改为0 m，在造斜率保持不变的前提下，重新进行“井工厂”水平井组轨道设计，结果见表3和图8。

如图8所示，该勺形井眼轨道“井工厂”水平井组的死油区为排间距对应的面积，可以忽略不计。对比常规井眼轨道与勺形井眼轨道的“井工厂”水平井组，在相同造斜率下，勺形井眼能够将靶前位移缩减到0 m，有效地减小了死油区面积，同时充分扩大井眼进入储层前的空间区域，有效地避免了井眼相碰风险，在开发致密油时，能够提高经济效益。

表3 勺形井眼轨道设计结果

图8 勺形井眼轨道“井工厂”水平井组示意图Fig.8 Schematic diagram of horizontal well group of “well plant” with spoon-shaped borehole jrajectory

2.2 钻柱力学分析

1)钻具组合：∅152.4 mm PDC钻头+∅120 mm弯螺杆+MWD+∅101.6 mm加重钻杆×3根+∅101.6 mm无磁承压钻杆×1根+∅101.6 mm斜坡钻杆×170根+∅101.6 mm加重钻杆×110根+∅101.6 mm斜坡钻杆。

2)工况参数：钻井液密度1.55 g/cm3，旋转钻进钻压40 kN，滑动钻进钻压20 kN，起下钻速度10 m/min，钻头扭矩7 000 N·m。

3)管内和管外的摩擦系数取值分别为0.25、0.30。

采用WellPlan软件分析常规水平井和勺形水平井(以1井为例)的摩阻、扭矩情况，得到下钻、滑动钻进和旋转钻进等不同工况下的摩阻、扭矩结果，如表4所示。数据分析结果表明，在正常起下钻、钻进情况下，设计的勺形水平井井眼轨道较常规水平井井眼轨道摩阻增加约13%，不会影响正常的钻井作业。

表4 摩阻扭矩结果对比表

3 应用实例

新疆油田A区块由于受到地面井位条件和地下井网条件限制，为充分动用井口下方优质储层，两井平台的B井采用勺形水平井剖面，利用优化设计方法对该井井眼轨道进行设计，具体数据如表5所示。

表5 A区块B井勺形井眼轨道设计数据表

该井入靶点设置在井口正下方，较常规水平井增加有效水平段长188 m，实钻最大反向位移达到261 m，三开采用∅311.2 mm钻头自2 603 m开始造斜，经反向增斜、稳斜、降斜、正向增斜钻至井深3 408 m，四开采用∅215.9 mm钻头进行正向增斜段和水平段钻进，完井阶段通井、下套管实际摩阻较邻井增加10～15 kN，油层尾管一次性成功下入。该井充分利用勺形井眼，缩小靶前距，避免平台井组下方的死油区。

4 结论及建议

1)针对“井工厂”作业平台下方出现死油区的特点，提出了以勺形井眼水平井组轨道优化设计方法，能显著降低死油区面积，同时可降低水平井组井眼之间的碰撞风险。

2)在进行勺形井眼轨道设计时，为了降低平台下方死油区面积，在地质和工程条件允许的情况下应尽量缩小靶前距，并且靶前距越小，勺形井眼的反向位移越大。

3)勺形水平井的钻完井施工更加复杂，井眼摩阻相对常规水平井井眼轨道的管柱摩阻会有所提高，在优化设计阶段要对施工过程进行充分模拟，确保施工阶段不会出现因摩阻过大引起管柱下入困难等复杂问题。