水平井钻井轨迹控制研究

2022-10-18付成林杨小敏

精细石油化工进展 2022年5期

谢鑫，徐浩，付成林，金晶，杨小敏

中国石化江苏油田分公司石油工程技术研究院，江苏扬州 225009

对于江苏油田小断块或小储油构造的薄储层油藏，在钻井施工中，靶点垂深根据实钻地层的情况会变深或变浅。当井眼钻至水平段时，油藏倾角往往和设计不一致，导致钻井轨迹频繁调整。目前常规的无线随钻导向仪器存在测斜零长的问题，因此井底钻头处的井斜方位需要根据已钻井段测斜估算，导致预测轨迹与实钻轨迹不一致，极易出现在中靶前和油层穿行时轨迹脱靶或者出层［1-2］。在井眼轨迹进入靶点前，采用合适的稳斜角探顶，可以为靶点调整预留足够的施工余量；当轨迹在水平段钻进时，采用合适的钻进参数，在最短的钻进进尺下将井眼轨迹调整到油藏倾角的方向，可以防止轨迹出层。因此，开展稳斜探顶的井斜角和油藏倾角突变研究，对提高水平段的储层钻遇率具有很强的指导意义［3-6］。

江苏油田在花庄地区完成水平井29 口，水平井的油藏剖面通常是一个正弦波动的曲线（如图1）。钻头在油层中穿行时，因地质复杂且断层发育，需要频繁调整轨迹，导致轨迹复杂，从而影响后期施工和完井作业。此外，许多井段在油层外，会降低储层钻遇率，影响产量。在页岩油井花页AHF 井的钻进中（如图2），油藏埋深和倾角走向变化大，钻进至4 576 m 时，根据随钻导向仪器测量的伽马值和电阻率值，判断已经出层，此时井斜已经75°，轨迹难以调整回到油藏中，导致填井侧钻［7-8］。

图1 花庄地区水平井水平段垂直投影

图2 花页AHF井实钻井眼轨迹

1 钻具变形计算原理

采用有限元的方法，任取一单元，如图3 所示。在每个节点上取3 个移动位移和3 个转动位移共六个自由度，其中，3 个移动位移即节点轴向位移包括沿x方向的位移ui、uj，沿y方向的位移vi、vj，沿z轴的位移wi、wj；3 个转动位移包括绕x轴的扭转角θxi、θxj，绕y轴的扭转角θyi、θyj，绕z轴的转角θzi、θzj。

图3 钻具力学模型

在有限元分析中，通常把节点位移作为基本未知量，即每个单元在任一瞬间时的位置是用该单元所含节点位移来表示的。因此，系统内各节点的位移就组成了系统的广义坐标［9-10］。

对于三维弹性梁，梁内任一截面上的轴向位移的位移模式可取为z的线性函数，扭转角θ(z)的位移模式也取为z的线性函数，则梁单元的节点位移插值函数为：

式中，L(z，t) =(1，z)，H(z，t) =(1，z，z2，z3)，

l表示单元长度，m。

2 稳斜探顶最优井斜角计算

2.1 82°井斜角稳斜探顶

假设钻进至油顶前77 m，井斜角已经达到82°，开始增斜入层施工，地层油藏倾角分别为75°、90°、95°，如图4 所示。不同油藏倾角下的钻进参数如表1所示，钻压为80 kN，转速为50 r/min。钻具受力变形计算结果如图5所示。

图4 82°井斜角稳斜探顶示意

表1 82°井斜角时不同油藏倾角下的钻进参数

由图5可知：在油藏倾角为95°时，钻具下部各点在井中位移大部分在20 m 的靶框内，且比较集中，钻具受力变形较小，中靶的概率最高；油藏倾角为90°时，虽然钻具下部各点在井中位移都在20 m的靶框内，但是位移分散，钻具受力变形较大，中靶的概率高；油藏倾角为75°时，钻具下部各点在井中位移仅有50%落在20 m 的靶框内，且位移分散，钻具受力变形较大，轨迹调整难度大，钻具易出现疲劳损坏，中靶的概率低。因此，采用82°井斜角稳斜探顶，油藏倾角为95°和90°均适用。

图5 82°井斜角稳斜探顶钻具变形法向图

2.2 77°井斜角稳斜探顶

开始增斜入层的施工前，井斜角已经达77°，地层倾角分别为85°、90°、95°，如图6 所示。钻具受力变形计算结果如图7所示。

图6 77°井斜角稳斜探顶示意

由图7 可知：油藏倾角为95°、90°和85°时，钻具下部各点在井中位移大部分在20 m 的靶框内，且都比较集中，钻具受力变形较小，轨迹调整难度小，中靶的概率高。因此，采用77°井斜角稳斜探井，油藏倾角为95°、90°、85°均适用。

图7 77°井斜角稳斜探顶钻具变形法向图

2.3 65°井斜角稳斜探顶

轨迹井斜角已经达65°时，水平段井斜角分别为85°、90°、95°，如图8 所示。钻具受力变形计算结果如图9所示。

图8 65°井斜角稳斜探顶示意

由图9 可知：油藏倾角为95°时，钻具下部各点在井中位移大部分在10 m 以内，很集中，钻具受力变形较小，中靶的概率最高；油藏倾角为90°和85°时，虽然钻具下部各点在井中位移都在20 m的靶框内，但是位移分散，钻具受力变形较大，轨迹调整难度大，中靶的概率低。因此，采用65°井斜角稳斜探顶，油藏倾角为95°适用。

图9 65°井斜角稳斜探顶钻具变形法向图

3 油藏倾角突变的钻进参数优化

3.1 油藏倾角由90°变95°

假设已钻进至A靶附近，井深为3 308.51 m，井斜角已达90°。设计油藏倾角为90°，实钻油藏倾角为95°，需增加井斜，调整轨迹至油层中穿行。井眼轨迹垂直投影如图10 所示。此时，井眼造斜点为2 850.00 m，井斜为90°，A靶井深为3 308.51 m，井底深度为3 361.23 m，不同井深下的井眼轨迹如表2 所示，不同钻进进尺的轨迹变化如表3 所示，进尺为20 m 时不同钻压下的轨迹变化如表4所示。

表2 油藏倾角由90°变95°时不同井深下的井眼轨迹

表3 油藏倾角由90°变95°时不同钻进进尺的轨迹变化

表4 油藏倾角由90°变95°时进尺为20 m时的轨迹变化

图10 油藏倾角90°时井眼轨迹垂直投影

由表3可知：随着钻进进尺由10 m增加至25 m，钻具在钻进中，轨迹的平均井斜变化率减小，平均方位变化率增加。由表4可知：在进尺为20 m时，随着钻压的增加，平均井斜变化率增加，平均方位变化率增加，且井斜也会增加。当钻压为15 t、工具面为60°时，井斜可由90°增加至95°，满足轨迹调整的要求。

3.2 油藏倾角由90°变85°

井眼轨迹已钻至井深3 323.61 m，井斜角已达90°，实钻油藏倾角为85°。井眼轨迹垂直投影如图11 所示。此时井眼造斜点为2 950.00 m，井斜为90°，A靶井深为3 323.61 m，井底深度为3 462.18 m，不同井深下的井眼轨迹如表5 所示，不同钻进进尺的轨迹变化如表6 所示，进尺为20 m时不同钻压下的轨迹变化如表7所示。