川東北河壩區(qū)塊大斜度井軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)_第1頁
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基金項(xiàng)目:中國石化西南油氣分公司項(xiàng)目“河壩區(qū)塊定向井鉆井工藝技術(shù)應(yīng)用研究”(編號GJ‐109‐0821)。作者簡介:朱禮平,1981年生,工程師,碩士;2007年畢業(yè)于西南石油大學(xué)油氣井工程專業(yè);現(xiàn)從事鉆井、固井等方面的設(shè)計(jì)和科研工作。地址:(618000)四川省德陽市龍泉山北路298號。電話:13908105539。E‐mail:zhulipingswpi@126.com川東北河壩區(qū)塊大斜度井軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)朱禮平1吳玉君2刁素1王希勇1王毅11.中國石化西南油氣分公司工程技術(shù)研究院2.中國石化西南油氣分公司鉆井工程處朱禮平等.川東北河壩區(qū)塊大斜度井軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù).天然氣工業(yè),2011,31(11):78‐82.摘要中國石油化工股份有限公司川東北河壩區(qū)塊大斜度定向井,在不同工況作業(yè)(如正常、滑動鉆進(jìn)、起下鉆等)過程中都存在著造斜段軌跡控制難度大、施工摩擦阻力大等難題。為此,從井眼軌道設(shè)計(jì)入手,在系統(tǒng)分析常用軌道設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上,得出除了查圖法和作圖法外,一般應(yīng)采用解析法進(jìn)行設(shè)計(jì)的認(rèn)識,設(shè)計(jì)思路:首先根據(jù)給定設(shè)計(jì)條件求出不同軌跡關(guān)鍵參數(shù),然后求出軌道節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù),最后求出軌道分點(diǎn)數(shù)據(jù)。結(jié)合該區(qū)塊大斜度定向井的特點(diǎn),對軌道設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵參數(shù)、軌道剖面類型等進(jìn)行優(yōu)化,優(yōu)化設(shè)計(jì)原則:①軌跡設(shè)計(jì)必須滿足地質(zhì)靶點(diǎn)、中靶方位以及現(xiàn)場施工條件(如鉆機(jī)型號、定向儀器等)的要求;②井眼軌跡幾何形狀最優(yōu)化設(shè)計(jì)首先須滿足常規(guī)導(dǎo)向鉆具組合造斜率的要求、特定套管柱和井眼軌跡的相互適應(yīng)性,其次要求軌跡最短、管柱的摩擦阻力相對最小,最后要求軌跡光滑過渡和井眼曲率均勻。優(yōu)化設(shè)計(jì)的步驟:先根據(jù)地質(zhì)參數(shù)(如靶點(diǎn)垂深、水平位移等)和工藝水平(如定向工具型號、性能等),對造斜點(diǎn)以下井段進(jìn)行鉆井方式和鉆具組合設(shè)計(jì),然后才能對大斜度井井眼軌道進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。將所形成的大斜度定向井軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)成果應(yīng)用于HB1‐1D等多口大斜度井鉆井設(shè)計(jì)和施工作業(yè)中,均順利實(shí)現(xiàn)了地質(zhì)中靶和完井作業(yè),為該區(qū)塊后續(xù)部署井的軌道設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。關(guān)鍵詞四川盆地東北部河壩區(qū)塊大斜度井軌跡控制摩擦阻力扭矩軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)鉆具組合設(shè)計(jì)DOI:10.3787/j.issn.1000‐0976.2011.11.020大斜度定向井是解決井位部署難題和提高油氣單井產(chǎn)能的一種新井型。近年來,中國石油化工股份有限公司為了加快四川盆地東北部河壩區(qū)塊勘探開發(fā)進(jìn)程,針對山區(qū)地貌部署了一批以下三疊統(tǒng)嘉陵江組嘉二段和飛仙關(guān)組飛三段為目的層的大斜度定向井,大都具有鉆遇多套陸海相地層、井深逾5000m,鉆井液密度逾2.0g/cm3、造斜點(diǎn)深度逾4000m,水平位移逾1500m等特點(diǎn),其中上部陸相地層傾角大、易井斜,軌跡控制難度大;地層呈不整合接觸,漏層多、位置不確定,地層承壓能力低;下部海相地層屬于高壓地層、嘉五段—嘉四段鹽膏層發(fā)育,存在縮徑現(xiàn)象[1]且大都處于造斜井段,進(jìn)一步增加了不同工況作業(yè)(如正常、滑動鉆進(jìn)、起下鉆等)過程中造斜段軌跡控制的難度。為此,從井眼軌道設(shè)計(jì)入手,在系統(tǒng)分析常用軌道設(shè)計(jì)方法上[2‐6],結(jié)合河壩區(qū)塊大斜度定向井特點(diǎn),對軌道設(shè)計(jì)中關(guān)鍵參數(shù)、軌道剖面類型等進(jìn)行優(yōu)化,形成了該區(qū)大斜度井軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù),并成功應(yīng)用于HB1‐1D等多口大斜度井鉆井設(shè)計(jì)和施工中。1軌道設(shè)計(jì)方法對比分析1.1基本數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)井眼軌道通常由4部分組成:oa段———直井段,ab段———圓弧過渡段,bc段———特殊曲線井段(圓弧、懸鏈線或擬懸鏈線等),cd段———穩(wěn)斜井段(如圖1所示)。主要參數(shù)有:①靶點(diǎn)垂深Dd,水平位移Sd;②oa段:造斜點(diǎn)垂深Da,井斜角αa;③ab段:造斜率Ka或曲率半徑Ra;④cd段:穩(wěn)斜角αc、穩(wěn)斜段長度Lw等[3]。1.2設(shè)計(jì)方法當(dāng)前,定向井井眼軌道設(shè)計(jì)有常規(guī)(直線和圓?。┖头浅R?guī)(直線、圓弧和某種特殊曲線)兩大類,主要有圓弧、擺線、懸鏈線、擬懸鏈線、側(cè)位懸鏈線、側(cè)位拋物?1?第31卷第11期鉆井工程圖1常見定向井軌道剖面示意圖線及修正懸鏈線等設(shè)計(jì)方法??傮w上說,井眼軌道都具有垂直段、造斜段和穩(wěn)斜段三段共性,其主要區(qū)別在于各種設(shè)計(jì)方法在造斜段采用不同的設(shè)計(jì)曲線形狀。筆者對近年廣泛采用圓弧、懸鏈線以及側(cè)位懸鏈線軌道設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了歸一分析,得出除了查圖法和作圖法外,一般采用解析法進(jìn)行設(shè)計(jì)的認(rèn)識,其設(shè)計(jì)步驟是:首先根據(jù)給定設(shè)計(jì)條件求出不同軌跡關(guān)鍵參數(shù),然后求出軌道節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù),最后求出軌道分點(diǎn)數(shù)據(jù)。1.2.1圓弧軌道(b、c點(diǎn)為同一圓弧段上兩點(diǎn))1)關(guān)鍵參數(shù)αc和Lwtanαc2=Dc-2e2e2eRe-SeLw=2e2e2e(1)式中De=Dd-Da+Rasinαa,Se=Sd-Sa-Racosαa,Re=Ra;當(dāng)Re=Se時:tanαc2=SeDe,Lw=De2)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)Lc=La+πRa(αc-αa)180,Dc=Da+Ra(sinαc-sinαa),Sc=Sa+Ra(cosαa-cosαc),Ld=Lc+Lcd。3)分點(diǎn)數(shù)據(jù)增斜abc段:αj=αa+180(Lj-La)πRa,Dj=Da+Ra(sinαj-sinαa),Sj=Sa+Ra(cosαa-cosαj);穩(wěn)斜cd段:αj=αc,Dj=Dc+(Lj-Lc)cosαc,Sj=Sc+(Lj-Lc)sinαc。1.2.2懸鏈線軌道(b點(diǎn)為圓弧終點(diǎn),c點(diǎn)為懸鏈線終點(diǎn))1.2.2.1關(guān)鍵參數(shù)αb和Lbc1sinαb-1sinαc-D0-RasinαbS0+Rasocαblntanαc2tanαb2=0a=D0-Rasinαb1sinαb-1sinαc(2)式中D0=Dd-Da-Lwcosαc,S0=Sd-Lwcosαc-Ra,通過迭代法求出關(guān)鍵參數(shù)αb,然后求出特征參數(shù)α和懸鏈線井段長度Lbc=α1tanαb-1tanαc。1.2.2.2節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)b點(diǎn):Lb=La+πRaαb180,Db=Da+Rasinαb,Sb=Sa+Ra(1-cosαb)c點(diǎn):Lc=Lb+Lbc,Dc=Db+a1sinαb-1sinαc,Sc=Sb+alntanαc2tanαb21.2.2.3分點(diǎn)數(shù)據(jù)Lj=Lb+ΔLbj,tanαj=11tanαb-ΔLbja,Dj=Db+1sinαb-1sinαj,Sj=Sb+alntanαj2tanαb21.2.3側(cè)位懸鏈線軌道(b、c點(diǎn)為同一側(cè)位懸鏈線上兩點(diǎn))1.2.3.1關(guān)鍵參數(shù)Lw和特征參數(shù)aLw=1αc-1(Dd-Da)-Sdlntanπ4+αc21cosαc-1cosαc-sinαclntanπ4+αc2a=Sd-Lwsinαc1cosαc-1(3)1.2.3.2節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)Lc=La+atanαc,Dc=Da+alnπ4+αc2,Sc=a1cosαc-11.2.3.3分點(diǎn)數(shù)據(jù)Lj=La+ΔLaj,tanαj=ΔLbja,Dj=Da+alntanπ4+αj2,Sj=a1cosαj-12大斜度井軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)在大斜度定向井井眼軌道設(shè)計(jì)中,采用合理軌道參數(shù)(造斜點(diǎn)、造斜率及穩(wěn)斜角等)和剖面類型可有效評價(jià)不同工況下鉆具延伸能力,利于指導(dǎo)現(xiàn)場施工,能為鉆機(jī)選型、鉆井液類型、鉆井方式以及下套管方式選擇等提供參考[7‐10]。?2?天然氣工業(yè)2011年11月2.1基本原則1)軌跡設(shè)計(jì)必須滿足地質(zhì)靶點(diǎn)、中靶方位以及現(xiàn)場施工條件(如鉆機(jī)型號、定向儀器等)要求。2)井眼軌跡幾何形狀最優(yōu)化:首先須滿足常規(guī)導(dǎo)向鉆具組合造斜率的要求,特定套管柱和井眼軌跡的相互適應(yīng)性;其次要求軌跡最短,管柱的摩擦阻力相對最?。辉俅我筌壽E光滑過渡和井眼曲率均勻。2.2優(yōu)化設(shè)計(jì)首先根據(jù)地質(zhì)參數(shù)(如靶點(diǎn)垂深、水平位移等)和工藝水平(如定向工具型號、性能等),對造斜點(diǎn)以下井段進(jìn)行鉆井方式和鉆具組合設(shè)計(jì),然后才能對大斜度井井眼軌道進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),其主要步驟如下:2.2.1確定合理的穩(wěn)斜角依據(jù)穩(wěn)斜段起始點(diǎn)處設(shè)計(jì)的鉆具組合零軸向力條件[2],計(jì)算出穩(wěn)斜井段的最大穩(wěn)斜角αcmax,然后與穩(wěn)斜井段對應(yīng)的臨界穩(wěn)斜角αk=tan-1(1/μ)進(jìn)行對比,若αcmax<αk則設(shè)計(jì)鉆具組合滿足滑動定向鉆進(jìn)要求,此時最大穩(wěn)斜角αcmax即為確定合理的穩(wěn)斜角;若αcmax<αk則需對鉆具組合重新設(shè)計(jì)。2.2.2不同剖面軌道設(shè)計(jì)在確定合理的穩(wěn)斜角上,利用上述軌道設(shè)計(jì)方法對不同軌道進(jìn)行計(jì)算,設(shè)計(jì)出各種軌道對應(yīng)的關(guān)鍵參數(shù)、節(jié)點(diǎn)參數(shù)和分點(diǎn)數(shù)據(jù);然后從井眼長度、最大狗腿度和增斜段長等方面,對不同設(shè)計(jì)軌道進(jìn)行幾何形狀評價(jià)。2.2.3不同軌道摩擦阻力評價(jià)在相同條件下,對不同設(shè)計(jì)軌道對應(yīng)的不同工況(如正常、滑動鉆進(jìn)、起下鉆等)的摩擦阻力進(jìn)行評價(jià),以優(yōu)化出相對最優(yōu)設(shè)計(jì)軌道。3應(yīng)用實(shí)例及效果分析3.1設(shè)計(jì)參數(shù)河壩區(qū)塊大斜度定向井設(shè)計(jì)參數(shù)如下:靶點(diǎn)垂深Dd=5200m,水平位移Sd=2000m,閉合方位120°;oa段:造斜點(diǎn)垂深Da=4000m,井斜角αa=0,ab段:造斜率Ka=6°~18°/100m。穩(wěn)斜段鉆進(jìn)鉆具組合設(shè)計(jì)結(jié)果如表1所示。3.2軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)3.2.1確定合理的穩(wěn)斜角1)依據(jù)穩(wěn)斜段起點(diǎn)處鉆柱零軸向力條件,可計(jì)算出最大穩(wěn)斜角αcmax,其計(jì)算過程如下:軸向拉力T=ρgLw(cosαc-μsinαc)1000-p表1穩(wěn)斜段鉆進(jìn)鉆具組合設(shè)計(jì)結(jié)果表部件外徑/mm內(nèi)徑/mm長度/m線密度/kg?m-1鉆頭碬241.3—0.30300扶正器碬238.0碬71.01.45300鉆鋌碬177.8碬71.46.00163.9扶正器碬238.0碬71.01.45300(無磁)鉆鋌碬177.8碬71.427.45163.9加重鉆桿碬127.0碬76.2223.275.27鉆桿(G105新)碬127.0碬108.6—29.20鉆桿(G105新)碬139.7碬121.4300032.62注:①鉆井液密度2.00g/cm3,設(shè)計(jì)取鉆壓80kN;②上層套管尺寸碬273.1mm,下深3800m;③摩擦阻力系數(shù)0.25(套管內(nèi))和0.30(裸眼),考慮井徑擴(kuò)大率5%。式中p為鉆壓,kN;ρ為鉆柱平均線密度,kg/m。設(shè)T=0將鉆具組合及鉆井參數(shù)代入化簡為:Lw=376.695cosαc-0.30sinαc-539.793通過簡化式可試算出最大穩(wěn)斜角,即假設(shè)一個穩(wěn)斜角αc,對應(yīng)算出一個穩(wěn)斜段長度Lw,然后與設(shè)計(jì)井在該穩(wěn)斜角下確定的圓弧軌道穩(wěn)斜段對比結(jié)果見表2,確定出最大穩(wěn)斜角αcmax=65.00°。表2不同穩(wěn)斜角條件下兩種穩(wěn)斜段長度試算結(jié)果表穩(wěn)斜角/(°)最短穩(wěn)斜段長度/m圓弧軌道穩(wěn)斜段長度/m64.01692.702000.1565.01959.411938.5766.02299.481878.6167.02747.831820.112)依據(jù)套管內(nèi)摩擦阻力系數(shù)0.25和裸眼段內(nèi)摩擦阻力系數(shù)0.30,可計(jì)算出在平均摩擦阻力系數(shù)0.28條件下穩(wěn)斜段對應(yīng)的臨界穩(wěn)斜角αk=74.36°>αcmax=65.00°,滿足滑動定向鉆進(jìn)要求,可確定出3種設(shè)計(jì)軌道穩(wěn)斜段對應(yīng)的合理穩(wěn)斜角為65.00°。3.2.23種不同剖面軌道設(shè)計(jì)3種設(shè)計(jì)軌道分段數(shù)據(jù)結(jié)果如表3所示。從表3可知,在設(shè)計(jì)井相同條件下,3種不同軌道具有幾何形狀特點(diǎn)如下:①設(shè)計(jì)井深以圓弧線最長(6415.79m、65.00°),懸鏈線次之(6413.63m、65.00°),側(cè)位懸鏈線最短(6402.69m、65.00°),最大相差13m左右;②增斜段長以側(cè)位懸鏈線最長(659.56m、10.30%),懸鏈線次之(493.63m、7.70%),圓弧線?3?第31卷第11期鉆井工程表33種設(shè)計(jì)軌道分段數(shù)據(jù)結(jié)果表剖面類型井深/m井斜角/(°)方位角/(°)垂深/m水平位移/m井眼曲率/(°)?(30m)-1備注直—增—穩(wěn)(圓?。埃埃保玻埃埃埃埃埃埃矗埃埃埃埃埃埃保玻埃埃埃矗埃埃埃埃埃埃埃矗保埃埃埃埃保常叮埃保玻埃埃埃矗埃梗梗埃叮保保福保矗埃福矗玻埃埃埃埃玻罚玻埃保玻埃埃埃矗保梗玻担罚矗叮担梗矗埃福矗常埃埃埃埃矗埃福埃保玻埃埃埃矗玻罚担玻福保埃玻常福矗埃福矗矗埃埃埃埃担矗矗埃保玻埃埃埃矗常矗玻担担保罚叮埃担矗埃福矗矗罚福埃担叮担埃埃保玻埃埃埃矗常福保福罚玻矗常常矗矗埃福叮矗保担罚梗叮担埃埃保玻埃埃埃担玻埃埃埃埃玻福埃埃埃埃埃稂c(diǎn)a點(diǎn)圓弧段c點(diǎn)d點(diǎn)懸鏈線00120.000004000.000120.004000.00004338.0147.32120.004300.87131.834.204368.0150.16120.004320.64154.352.844428.0156.63120.004356.46202.423.374488.0164.22120.004386.14254.503.944493.6365.00120.004388.57259.634.166413.6365.00120.005200.002800.000o點(diǎn)a點(diǎn)b點(diǎn)懸鏈線段c點(diǎn)d點(diǎn)側(cè)位懸鏈線00120.000004000.000120.000004060.0011.04120.004059.645.805.524180.0030.34120.004171.0548.804.514300.0044.29120.004265.72122.113.164420.0053.79120.004343.83213.052.154540.0060.34120.004408.70313.941.494600.0062.86120.004437.17366.671.264659.5665.00120.004463.32420.181.086402.6965.00120.005200.002800.000o點(diǎn)a點(diǎn)側(cè)位懸鏈線段c點(diǎn)d點(diǎn)最短(478.05m,7.45%);③最大井眼曲率以側(cè)位懸鏈線最大(5.52°/30m),懸鏈線次之(4.20°/30m),圓弧線最?。ǎ矗埃浮悖常埃恚#常玻常撤N不同軌道摩擦阻力評價(jià)為了評價(jià)上述3種井眼軌道剖面優(yōu)劣性,采用LandMark軟件對在相同條件下不同軌道剖面進(jìn)行摩擦阻力評價(jià),其分析結(jié)果如表4所示。表43種不同軌道幾何特征及摩擦阻力評價(jià)結(jié)果表軌道類型起鉆摩擦阻力/kN下鉆摩擦阻力/kN滑動摩擦阻力/kN旋轉(zhuǎn)摩擦阻力/kN?m圓弧236.09167.21201.9117.60懸鏈線226.16161.74198.4416.97側(cè)位懸鏈線216.40156.40194.7015.99從表4可知,3種不同軌道各項(xiàng)摩擦阻力值:圓弧線>懸鏈線>側(cè)位懸鏈線,其值大小大致與增斜段長度呈反比關(guān)系,但總體上說單項(xiàng)摩擦阻力相差不大,誤差在10%以內(nèi)。結(jié)合河壩區(qū)塊以大斜度深井開發(fā)為主,為方便現(xiàn)場定向施工,宜采取相對簡單的“直—增—穩(wěn)”圓弧軌道進(jìn)行設(shè)計(jì)。3.3應(yīng)用效果2008年以來,河壩區(qū)塊先后部署了HB1‐1D、HF302、HF203和HJ203H等4口大斜度井或水平井。在鉆前設(shè)計(jì)和鉆井施工中,采用“直—增—穩(wěn)”或“直—增—穩(wěn)—增—平”圓弧軌道進(jìn)行了4井次原軌道和4井次軌道調(diào)整設(shè)計(jì),很好實(shí)現(xiàn)了井眼軌跡控制,都順利完成了地質(zhì)中靶和后期大斜度井下套管等作業(yè)。4結(jié)論1)根據(jù)河壩區(qū)塊大斜度井地質(zhì)參數(shù)和工藝水平特點(diǎn),通過對軌道設(shè)計(jì)關(guān)鍵參數(shù)、軌道剖面類型等進(jìn)行優(yōu)化,形成了該地區(qū)大斜度定向井軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)。2)軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)成功應(yīng)用在HB1‐1D等多口井鉆井設(shè)計(jì)和施工中,均

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