劉勝娃，詹 勝，聶翠平

(1.川慶鉆探工程有限公司長慶鉆井總公司，陜西西安710021；2.西安石油大學(xué)，陜西西安710065)

淺層叢式水平加密井合理偏移距設(shè)計(jì)研究

劉勝娃*1，詹 勝1，聶翠平2

(1.川慶鉆探工程有限公司長慶鉆井總公司，陜西西安710021；2.西安石油大學(xué)，陜西西安710065)

目前長慶油田埋深2000m左右淺層原油開發(fā)中，應(yīng)用水平井開采低滲儲(chǔ)層具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。由于地面井場與原油集輸建設(shè)受到諸多限制，隨著鉆井技術(shù)的顯著進(jìn)步，在原叢式井組井場采用叢式水平加密鉆井具有明顯優(yōu)勢。但由于低滲、超低滲儲(chǔ)層需要水力壓裂改造才能獲得經(jīng)濟(jì)產(chǎn)能，水平井水平段走向必須沿最大水平地應(yīng)力方向，因而在原叢式井組井場所能鉆水平井?dāng)?shù)量受限。偏移距決定了井場可鉆淺層叢式水平井?dāng)?shù)量和鉆井施工安全，通過模擬摩阻分析和鉆柱屈曲分析，得到了量化結(jié)果，可作為鉆井設(shè)計(jì)中合理偏移距的確定提供關(guān)鍵依據(jù)。

叢式水平井；偏移距；鉆柱；摩阻；屈曲

1 偏移距對(duì)布井和施工的影響

水平井施工中具有較大的摩阻和扭矩，而對(duì)于陜北淺層叢式水平井，合理偏移距的確定一直是困擾鉆井施工的難題。一方面希望增大偏移距，增大控油面積和增加布井?dāng)?shù)量；而另一方面，偏移距直接影響到施工安全，如鉆機(jī)負(fù)荷、鉆柱屈曲與疲勞預(yù)防等。

目前，陜北淺層叢式水平加密井最大偏移距已經(jīng)達(dá)到300m，而大偏移距水水平井具有控油面積更大、叢式井組加密鉆井?dāng)?shù)量更多、繞障能力更強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，在叢式水平井中還能夠有效減少待鉆井與老井發(fā)生碰撞事故。因此，通過鉆柱摩阻和屈曲分析，結(jié)合在用鉆機(jī)和鉆柱合理設(shè)計(jì)偏移距，成為叢式水平井工程設(shè)計(jì)中需要考慮的關(guān)鍵問題。

2 影響鉆柱正常工作的主要因素

2.1 鉆柱屈曲

由于鉆柱自重和鉆柱與井壁摩擦的影響，鉆柱受壓時(shí)可能發(fā)生不同形式的屈曲。通常，鉆柱在井中可能出現(xiàn)的狀態(tài)有：直線穩(wěn)定，平面正弦彎曲和空間螺旋彎曲，以及自鎖。

當(dāng)軸向壓載較小，鉆柱位于下井壁保持在直線平衡狀態(tài)；隨軸向載荷增大并達(dá)到某臨界值時(shí)鉆柱產(chǎn)生屈曲變形成正弦波彎曲，鉆柱沿井眼低邊變形且并未觸及井壁高邊；載荷繼續(xù)增大，鉆柱彎曲為螺旋，通常環(huán)繞井壁并產(chǎn)生屈曲變形，摩阻急劇增大，鉆柱發(fā)生“自鎖”[1-4]。

2.2 鉆柱臨界屈曲載荷的確定

對(duì)于鉆柱，中性點(diǎn)以下部分受壓，可能出現(xiàn)屈曲。在實(shí)際工程中，影響鉆柱屈曲載荷的因素很多，包括井眼軌道的幾何形狀、鉆井液壓力、井壁的剛度和硬度、鉆柱自重、鉆柱長度及其端部邊界條件等[5-7]。

鉆柱屈曲改變了鉆柱與井壁的接觸狀態(tài)，增大了鉆柱與井壁之間的接觸力，從而增大鉆柱摩阻。通常，可通過鉆柱屈曲分析，給出其正弦屈曲和螺旋屈曲判據(jù)。

鉆柱發(fā)生正弦屈曲臨界載荷為：

式中：Fcτs——正弦屈曲臨界載荷，kN；

E——鉆柱材料的彈性模量，MPa；

I——鉆柱截面的軸慣性矩，N·m；

r——鉆柱與井眼間的間隙，m。

螺旋屈曲臨界載荷：

式中：Fτe——軸力，kN；

fn——正壓力鉆柱自重qe，kN/m；

φ——井斜角，（°）；

ψ——方位角，（°）；

r——井眼視半徑，m，其值為井眼半徑與鉆柱半徑之差。

根據(jù)上述公式，結(jié)合現(xiàn)場常用鉆桿和加重鉆桿相關(guān)參數(shù)，可以算出對(duì)應(yīng)的臨界屈曲載荷，如表1所示（表1中標(biāo)注為G105“加重鉆桿”的鉆桿為目前現(xiàn)場實(shí)際使用的壁厚較大的API標(biāo)準(zhǔn)鉆桿）。

表1 鉆桿臨界屈曲載荷

在施工過程中，由于摩阻的影響，實(shí)際施加鉆壓不明，地面指示的施工鉆壓可大致考慮為“實(shí)際鉆壓＋摩阻”。

陜北叢式水平井施工中，通常使用G105普通鉆桿和厚壁鉆桿，并未使用API標(biāo)準(zhǔn)加重鉆桿。目前常用倒裝鉆具組合：?215.9mmPDC鉆頭+?172mm螺桿×1.0°+ 431×410接頭+回壓凡爾+?213mm扶正器+?159mm無磁鉆鋌×1根+?127mm“加重鉆桿”×9根+?127mm鉆桿（若干）+?127mm加重鉆桿×36根+?127mm鉆桿（若干）+411×520接頭+下旋塞+?133mm方鉆桿。

施工中，造斜、扭方位和水平段以滑動(dòng)鉆進(jìn)方式為主，其它井段多采取復(fù)合鉆進(jìn)。計(jì)算表明，在全井段鉆井“加重鉆桿”達(dá)不到臨界彎曲載荷（92kN）。在滑動(dòng)鉆進(jìn)中，假設(shè)施加最大鉆壓為10t，下部有螺桿＋鉆鋌，“加重鉆桿”也達(dá)不到臨界彎曲載荷。

因此鉆具屈曲可能發(fā)生在水平段鉆進(jìn)中，位于水平段的普通鉆桿、“加重鉆桿”之下的普通鉆桿有可能發(fā)生屈曲。

3 偏移距對(duì)施工的影響

3.1 偏移距對(duì)摩阻的影響

長慶油田公司常見的埋深2000m左右淺層叢式水平井為兩開完鉆，造斜點(diǎn)多在600m左右，二開采用?215.9mm鉆頭、穩(wěn)斜扭方位方式控制偏移距，采用?139.7mm套管射孔完井。

為分析偏移距對(duì)摩阻的影響，通過計(jì)算機(jī)模擬分別計(jì)算了水平段為1000m，偏移距分別為0、100m、200m、300m、400m、500m和600m時(shí)起下鉆、滑動(dòng)鉆進(jìn)和旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)4種工況狀態(tài)下的摩阻；同時(shí)還計(jì)算了偏移距為300m時(shí)，水平段長度分別為1000m、1500m、 2000m和2500m時(shí)的摩阻。

應(yīng)用常用商業(yè)軟件，輸入設(shè)計(jì)井身剖面的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)及其它信息，首先得到了起鉆、下鉆、滑動(dòng)鉆進(jìn)和旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)4種狀態(tài)下水平段長為1000m時(shí)，不同偏移距的摩阻。

圖1 偏移距為600 m摩阻

圖1給出了偏移距分別為600m的摩阻分布圖，可以看出，摩阻和偏移距相關(guān)性明顯，尤其是水平段施工中起鉆摩阻明顯增大。不同偏移距下的摩阻分布見表2。

圖2為不同偏移距下摩阻變化示意圖。由表2和圖2可以看出，水平段長為1000m時(shí)，隨偏移距增大，摩阻整體上呈增大趨勢。偏移距從100m增大到600m，滑動(dòng)鉆進(jìn)摩阻增加了約20%。

但上述計(jì)算結(jié)果是按照目前設(shè)計(jì)軌跡得出的，鉆井液潤滑性、實(shí)際井眼規(guī)則程度對(duì)摩阻影響很大。所以實(shí)際施工中，還應(yīng)考慮實(shí)際軌跡的影響以及鉆井液性能的影響。為驗(yàn)證模擬計(jì)算分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，對(duì)照了偏移距為300m全井實(shí)鉆實(shí)測摩阻，符合良好，驗(yàn)證了軟件計(jì)算的可行性。

表2 水平段長為1000m時(shí)的最大摩阻

圖2 不同偏移距摩阻分布

從分析結(jié)果看，只要能保證鉆井施工質(zhì)量，水平段長為1000時(shí)，偏移距600m是可行的。進(jìn)一步的模擬計(jì)算表明，水平段長不超過2500m，偏移距在500m以內(nèi)是可行的。

3.2 鉆具屈曲分析

前面已經(jīng)從屈曲載荷初步分析了水平段施工中可能發(fā)生屈曲的井段，還需要進(jìn)一步分析不同偏移距、不同水平段長鉆柱屈曲可能性。分別計(jì)算了水平段長為1000m時(shí)不同偏移距下的鉆柱屈曲。

圖3為水平段長1000m、偏移距為300m時(shí)的鉆柱屈曲分析結(jié)果，滑動(dòng)鉆井安全。

圖3 偏移距為300m鉆具屈曲分析圖

圖4為水平段長1000m、偏移距為600的摩阻分析結(jié)果，說明鉆具組合不會(huì)出現(xiàn)屈曲，滿足現(xiàn)場施工要求。

圖4 偏移距為600m鉆具屈曲分析圖

為考察水平段長的影響，進(jìn)一步分析計(jì)算了不同水平段長和不同偏移距條件下的鉆柱屈曲結(jié)果。

圖5 偏移距為600m鉆具屈曲分析

文中僅給出偏移距為300m、水平段長2500m時(shí)鉆柱屈曲分析結(jié)果（圖5），可以看出，鉆具有發(fā)生有正弦屈曲可能。計(jì)算表明，偏移距一定，隨水平段長增加，鉆柱屈曲趨勢增大；水平段長一定，隨偏移距增大，鉆柱屈曲可能性增大。

偏移距和水平段長對(duì)于鉆柱屈曲有顯著影響。從鉆柱屈曲分析結(jié)果看，實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，應(yīng)該合理匹配偏移距與水平井段長度。陜北淺層叢式水平井水平段長與偏移距匹配的極限范圍大致為2500～300m、2200～400m、1900～500m、1400～600m。

4 結(jié)論

偏移距和水平段長對(duì)摩阻、鉆柱屈曲有顯著影響，淺層叢式水平井軌道設(shè)計(jì)中應(yīng)依據(jù)屈曲分析結(jié)果合理匹配兩者的關(guān)系。目前常用裝備、工具、工藝和常用軌道設(shè)計(jì)條件下，陜北淺層叢式水平井最大偏移距不宜大于500m。

[1]姜麗紅.端部約束條件對(duì)鉆柱正弦屈曲的影響[D].江蘇大學(xué)，2010.

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TE32.4

A

1004-5716(2016)12-0017-04

2016-02-29

2016-03-02

劉勝娃（1963-），男（漢族），甘肅慶安人，高級(jí)工程師，現(xiàn)從事鉆井工程領(lǐng)域信息專業(yè)工程研究與應(yīng)用工作。