胥 豪，董志輝

(中石化勝利石油管理局鉆井工藝研究院，山東東營257017)

長水平段水平井的主要特點在于水平段長度較長;又由于不同于普通大位移定向井，其井斜角多在90°左右，因此形成了長水平段水平井施工的最大困難，即管柱在井內的摩阻和扭矩特別大。在相同工況下，長水平段水平井的水平段長度延伸能力主要取決于管柱摩阻扭矩的大小;或者說長水平段水平井延伸能力取決于克服管柱摩阻扭矩的技術水平和能力。

減小長水平段水平井摩阻扭矩的方式方法有很多，首先從井眼軌道設計入手，設計出摩阻扭矩最小的井眼軌道是長水平段水平井摩阻扭矩控制技術的關鍵之一，而長水平段水平井設計的基本原則則在于降低摩阻和扭矩［1］。

1 最困難作業(yè)工況分析［2］

長水平段水平井作業(yè)的工況也不外乎起鉆、下鉆、滑動鉆進、旋轉鉆進、劃眼、下套管油管等作業(yè)工況。對應不同的工況，管柱的受力也不相同，所遇到的困難也不同，哪種工況的作業(yè)難度最大，則可能成為整口井施工的制約因素，因此，軌道設計時需首先考慮作業(yè)難度最大的工況。

(1)起鉆。起鉆時大鉤需要承受全部的鉆柱重力和提升加速階段的動載荷，還要承受井眼對鉆柱的摩阻，而且起鉆時鉆柱所受的摩阻在鉆柱所有作業(yè)工況中是最大的。在起鉆過程中，會出現大鉤載荷的最大值、鉆柱所受的軸向力最大值，這將可能導致現場提升設備的提升能力不夠，或者鉆柱強度不夠，但是就目前的鉆機設備提升能力和鉆具的抗拉強度而言，起鉆不應當成為最困難的工況。

(2)下鉆。下鉆過程中鉆柱摩阻的方向與重力方向相反，所以大鉤載荷和鉆柱軸向受力都不會太大，不會出現鉆機提升能力不夠或者鉆柱強度不夠的情況;但是下鉆過程中如果摩阻很大，甚至可能會出現大鉤載荷為零的情況，導致下鉆下不下去的現象。國內目前長水平段水平井鉆井多采用頂驅系統(tǒng)進行鉆進，可在下放鉆具的同時旋轉鉆具，使一部分軸向摩阻變?yōu)橹芟蚰ψ?，從而大大減小軸向摩阻。因此，下鉆工況不應當成為最困難的工況。

(3)旋轉鉆進。旋轉鉆進時下部鉆具承受著軸向壓力，上部鉆柱承受著軸向拉力，全井鉆具承受著破巖和旋轉摩阻產生的扭矩，同時還有少量的軸向摩阻。此工況時鉆柱軸力不是很大，但是所承受的扭矩是所有工況下的最大值，甚至會出現鉆柱強度不夠的問題，所以旋轉鉆進時應當考慮鉆柱扭矩［3］。

(4)滑動鉆進。滑動鉆進時全井鉆柱不旋轉，只有軸向運動，其狀態(tài)基本與下鉆相同，但該工況下的最大問題在于軸向摩阻可能很大，大到完全平衡掉上部鉆柱重力在軸向上的分量，使得鉆頭難以得到鉆壓，鉆頭無鉆壓將無法鉆進。頂部驅動裝置對此也無能為力，而要解決這個問題，只能通過降低摩阻的方式，因此滑動鉆進是長水平段水平井最困難的工況之一。

(5)劃眼。正劃眼類似于下鉆過程，倒劃眼則類似于起鉆過程，又由于均劃眼時均旋轉鉆柱，因此不屬于困難工況。

(6)下套管。下套管類似于下鉆工況，但是由于管柱不同，下套管工況要比下鉆工況困難。一方面套管尺寸、重力、剛度都比鉆柱大很多，摩阻也比鉆柱大，另一方面，套管柱的連接螺紋多屬于細螺紋扣，不能承受較大扭矩，因此下套管作業(yè)也是長水平段水平井作業(yè)的難點。但是由于下套管作業(yè)是一次性作業(yè)，而且現場也有較好的辦法來克服下套管摩阻，如采用漂浮法下套管、采用滾輪式扶正器將滑動摩阻變?yōu)闈L動摩阻等。所以下套管不應成為最困難工況。

綜上所述，長水平段水平井井眼軌道設計的基本原則在于降低摩阻和扭矩，而滑動鉆進時的摩阻力最大，旋轉鉆進時的扭矩值最大，設計時可主要考慮這2方面的問題，以簡化問題并達到降低作業(yè)風險和困難的目的。

2 關鍵設計參數

通過分析可知，長水平段水平井軌道設計的基本原則是降低鉆進時的摩阻和扭矩［4］。由于滑動鉆進時摩阻最大，旋轉鉆進時扭矩最大，設計時主要考慮這兩方面的因素，以簡化作業(yè)風險和困難、提高效率。

影響長水平段水平井摩阻和扭矩的參數較多，通常需要考慮水平段長度、靶前位移、軌道類型及造斜點、造斜率、造斜率變化趨勢等。其中，水平段長度主要取決于油藏地質需要和鉆井施工能力，其余參數則成為長水平段水平井軌道設計的重點考慮對象。

2.1 靶前位移的選擇

進行長水平段水平井軌道設計，靶前位移的選擇是關鍵。如果靶前位移大，則完鉆位移也大，由此可以導致后期摩阻和扭矩增大，施工難度增加;若靶前位移過小，則造斜率較高，鉆具與井壁的接觸力增大，不僅導致摩阻和扭矩增加，而且不利于鉆井安全。因此，選取合適的靶前位移是長水平段水平井設計的重點。

2.2 井眼軌道類型的選擇

靶前位移確定后，需要優(yōu)選井眼軌道類型，水平井常用軌道類型有“直—增—平”、“直—增—增—平”、“直—增—穩(wěn)—增—平”3種。其中，“直—增—穩(wěn)—增—平”軌道中的穩(wěn)斜段主要是為軌跡調整留有余地，確保在造斜率不理想的時候能夠采取措施，避免井眼軌跡失控。該類型軌跡在各大油田得到普遍推廣，對其進行設計時，造斜點的優(yōu)化主要考慮穩(wěn)斜角度，合適的穩(wěn)斜角度可以避免巖屑床堆積。

2.3

造斜率的選擇

優(yōu)選長水平段水平井的造斜率也是軌道設計重點，造斜率太高，鉆具與井壁的接觸力增大，必然導致摩阻和扭矩增加，但造斜率過低，又會使井眼長度增加，不利于現場施工。在選取造斜率的時候，針對工具的造斜能力和入靶控制難度，需要對造斜率變化趨勢進行優(yōu)選。

3 輔助軟件選擇

井眼軌道和摩阻扭矩計算涉及大量公式，利用先進的計算機軟件可以達到化繁為簡，事半功倍的效果。

3.1 COMPASS 設計軟件

Landmark公司旗下COMPASS(計算機輔助設計和測量分析系統(tǒng))應用軟件能進行復雜井眼軌跡設計和分析，該軟件的設計功能強大，可進行多種剖面類型和參數的井眼軌道設計，能夠進行必要的軌跡優(yōu)化設計，可對同一口井預設計出多套設計方案，并對多套設計和實鉆數據進行優(yōu)化，供最終選擇一種相對合理的軌道剖面。

3.2 WELLPLAN設計軟件

Landmark旗下WELLPLAN應用軟件(數據分析和技術工程應用軟件)可進行鉆具受力分析、摩阻扭矩分析、臨界轉速分析、疲勞破壞系數分析。將鉆井設計和理論分析一體化，以幫助鉆井技術人員更有效分析數據，最終作出更好的決策［5］。

同時WELLPLAN與COMPASS軟件共享數據庫，可以簡化參數輸入，提高效率。因此長水平段水平井可優(yōu)先采用該系列軟件進行軌道優(yōu)化設計。

4 設計實例

以華北油田某長水平段水平井為例，進行井眼軌道優(yōu)化設計。

該井 A靶點垂深 2471.50 m，B靶點垂深2475.00 m，一開采用φ444.5 mm鉆頭鉆深301.00 m，套管下深300.00 m;二開采用φ311.2 mm鉆頭鉆進至 A靶點，套管下入至 A靶點;三開采用φ215.9 mm鉆頭鉆進，要求水平段長度2000.00 m。

井眼軌道優(yōu)化設計的目的是減小施工過程中的摩阻、扭矩，其關鍵參數是靶前位移、造斜點、造斜率、造斜率變化趨勢。在優(yōu)化過程中由于參數較多，因此進行某一參數優(yōu)化時，其余參數均采用相同設置，可以達到簡化操作的目的。

4.1 靶前位移優(yōu)化

選取水平段長度2000.00 m，靶前位移分別選取 300.00、400.00、500.00、600.00、750.00、900.00 m，套管內摩阻系數取0.20，裸眼段摩阻系數取0.40，進行井眼軌道優(yōu)化，優(yōu)化結果如圖1所示。

圖1 不同靶前位移對應的摩阻和扭矩值

根據對比結果可知，當靶前位移為500.00 m時，滑動摩阻值最小，當靶前位移為 300.00和500.00 m時，扭矩值最小，因此軌道優(yōu)化應當首選500.00 m靶前位移。

4.2 造斜點優(yōu)化

選取500.00 m靶前位移，以18°/100 m造斜率，分別選取造斜點 1900.00、2000.00、2100.00 m進行井眼軌道優(yōu)化，優(yōu)化結果如圖2所示。

圖2 不同造斜點對應的摩阻和扭矩值

根據對比結果可知，造斜點深度2000.00 m時扭矩值最小，造斜點深度增大，滑動摩阻變大，因此優(yōu)選造斜點1900.00～2000.00 m。

4.3 造斜率優(yōu)化

選取靶前位移500.00 m，造斜點2000.00 m，分別選取 30°/100 m、20°/100 m、18°/100 m、16°/100 m、13°/100 m進行井眼軌道優(yōu)化，優(yōu)化結果如圖3所示。

圖3 不同造斜率對應的摩阻和扭矩值

根據對比結果可知，隨著造斜率增加，滑動摩阻呈現降低趨勢;當造斜率為16°～20°/100 m時，扭矩值最低。因此優(yōu)選造斜率16°～20°/100 m。

4.4 造斜率變化趨勢

靶前位移選取500.00 m，造斜點選取2000.00 m，分別采用 16°/20°、17°/19°、18°/18°、19°/17°、20°/16°/100 m變曲率軌道，進行井眼軌道優(yōu)化設計，設計結果如圖4所示。

圖4 不同造斜率變化趨勢對應的摩阻和扭矩值

根據對比結果可知，造斜率變化趨勢對摩阻和扭矩影響不大。當采用增曲率時，滑動摩阻呈現降低趨勢，而扭矩呈現增大趨勢。為了降低入靶時造斜率壓力，可采用降曲率方式進行井眼軌道優(yōu)化設計。

4.5 井眼軌道優(yōu)化設計結果

根據以上分析采用靶前位移500.00 m，造斜點1920.00 m，造斜率18°/100 m和16°/100 m前高后低方式。井眼軌道優(yōu)化結果如表1所示。

5 結論

(1)長水平段水平井井眼軌道設計是摩阻扭矩控制的關鍵因素之一，對于鉆井施工具有重要的意義。

(2)長水平段水平井井眼軌道優(yōu)化設計的首要原則在于降低摩阻和扭矩。

表1 井眼軌道優(yōu)化設計結果

(3)長水平段水平井井眼軌道施工的難點在于滑動鉆進摩阻和旋轉鉆進扭矩的設計優(yōu)化，軌道優(yōu)化設計時應以這兩個指標為介入點。

(4)通過COMPASS和WELLPLAN軟件可以大大提高長水平段水平井井眼軌道優(yōu)化效率，得到最優(yōu)剖面。

(5)長水平段水平井軌道優(yōu)化設計的關鍵因素在于靶前位移、造斜點、造斜率及造斜率變化趨勢，軌道優(yōu)化時應首先考慮這4個參數，但不局限于這4個參數，有時還應當考慮地層、工具、設備能力等。

［1］ 唐洪林，唐志軍，閆振來.金平1井淺層長水平段水平井鉆井技術［J］.石油鉆采工藝，2008，30(6)：11 －15.

［2］ 韓志勇.定向井設計與計算［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1989.

［3］ 董德仁，齊月魁，何衛(wèi)濱，等.大位移井鉆井摩阻預測及井眼軌道優(yōu)選［J］.石油鉆采工藝，2005，27(7)：14 －16.

［4］ 竇玉玲.長水平段大位移井井眼軌道優(yōu)化設計［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2011，38(7)：50 －52.

［5］ 華遠信，張桂強，朱偉鴻，等.COMPASS、WELLPLAN軟件在鉆井設計和施工中的應用［J］.西南石油學院學報，2004，26(1)：83－86.