三维水平井难度系数的界定与应用

薛让平， 李录科， 杨 光

(中国石油川庆钻探工程有限公司长庆钻井总公司)

一、三维水平井概念的确定

目前，井眼靶前距、闭合距、偏移距等各项指标参数，都被用于量化井眼轨迹或评估钻井施工的难度[1-3]。本文引入难度系数概念，与定性地量化井眼相比，更客观地描述井眼轨迹，作为衡量一口水平井的施工难易程度。

图1 固平24-23井闭合距、靶前距、偏移距等参数示意图

1.靶前距

三维水平井井口到入窗点的方位与水平段设计方位不在同一条线上，闭合距比视平移值大，此时靶前距到底是闭合距还是视平移，到目前为止，没有明确的定论和行业标准。为了将闭合距靶前距与视平移靶前距概念进行区分，将靶点处的视平移称作靶前距，也叫有效靶前距。

1.1 视平移

井口到入窗点的垂直距离，即图1中线段AD长度。

1.2 靶前位移

井口铅垂线到入窗点连线的距离，或者靶点在水平面上的投影与井口之间的连线长度，即靶点处的闭合距。图1中线段OA长度。

垂直靶前距与有效靶前距都影响整体斜井段狗腿度和施工难度。

2.偏移距

井口所在铅垂线到水平段设计方位延长线的垂直距离，图1中线段OD长度。

3.最大位移

垂直靶前距与水平段长度之和，反映井眼最后一点与井口铅垂线之间的距离在设计方位线上的投影，即为井眼最后一点的视平移，图1中线段AD长度+水平段长度。

二、数据的确定与分析

1.偏移比系数

偏移距与垂直靶前距的比值，这一数值越趋近与1，需要消除的偏移距施工量越大，也越难施工。

K1=PL/DL

(1)

式中：PL—偏移距，m；DL—垂直靶前距，m；K1—偏移比系数。

2.偏垂比系数

偏移距与有效垂深的比值,目的层越浅，稳斜段越少[4-5]，用于消除偏移距的井段越少，该值越大，所需要的施工量和难度也会越大。

K2=PL/(TVD-D1)×10

(2)

式中：PL—偏移距，m；TVD—垂深，m；D1—表层井深，m；K2—偏垂比系数。

3.位垂比

最大位移与有效垂深的比值。

K3=V/TVDX

(3)

式中：V—最大位移(靶前距+水平段长度)，m；TVDX—有效垂深(靶点垂深-表层深度)，m；K3—位垂比系数。

4.纠偏难度系数

由于偏移距的存在，需要控制段越长井斜越大施工难度越大[3]。为增加稳斜段井斜对于该值的影响程度，使用稳斜段井斜平方做为加权，纠偏难度系数为：

K4=(WL×INC2/90)/100

(4)

式中：WL—稳斜段长度，m；INC—稳斜段最大井斜角，°；K4—纠偏难度系数。

三、不同比例系数的应用

以固平24-23井为例，该井设计垂深1 721 m，偏移距335 m，有效靶前距545 m，造斜点300 m。具体比例系数见表1。

表1 固平24-23井比例系数

1. 偏移比系数应用

按照原设计方案需要在400～1 400 m之间以18°井斜稳斜施工1 000 m井段，以消除部分偏移距，该方案在1 440 m处已经出现了12.67 m的负位移，如果同样偏移距情况下靶前距减小，偏移比系数值大于1的情况下，就需要更大的负位移以确保斜井段施工[6-8]，这样一方面造成摩阻扭矩大幅度增加，另一方面对于井组防碰极为不利[9-12]。垂直靶前距233 m，偏移距261 m，由式(1)得偏移比系数1.12，该井需要151 m的负位移来确保斜井段施工，后期施工摩阻达到22 t，相比同区块其他井增加10 t。修改后的设计方案见表2。

表2 固平24-23井修改后设计方案

2.偏垂比系数应用

由表1看出，固平24-23垂深1 721 m，有效垂深1 521 m，偏移距335 m，偏垂比2.20，稳斜段以18°井斜稳斜施工1 000 m井段，然后在30°之前消除完偏移距使方位对准靶心方位，如果偏移比系数值大于3，如表3，则需要以30°井斜进行稳斜消偏施工，大井斜稳斜段占斜井段总长度50%，该井斜区间处于斜井段第二清洗区[13]，该区域为岩屑运移最难区域，造成大段岩屑堆积，同时由于后期扭方位井斜过大，施工难度同时加大[14-15]。

表3 偏垂比系数在设计方案中的应用

3. 纠偏难度系数应用

从表3得出，如果该井偏垂比为3.05则稳斜所需井斜达29.98度，稳斜段长505 m，由式(4)可得纠偏难度系数为5.04，由此得出结论，纠偏难度系数大于5的三维水平井施工困难。

4. 位垂比系数应用

摩阻力公式：

M=μ·N·D/2

(5)

式中：M—总的摩阻力，kN；μ—摩擦系数；N—总的正压力,kN；D—管柱的外径,mm。

由式(5)可知，在同一井眼中管柱外径一定，位移越大，总的正压力越大，水平段越长，摩擦系数越大，即位移越大，总的摩阻扭矩值越大[16-17]。不同偏移距、靶前距摩阻扭矩数值见表4。

表4 扭矩摩阻统计分析

表5 新钻杆的强度数据

通过统计数据，可以看出当位垂比的值超过0.8，钻进中最大摩阻达到30 t，最大扭矩达到23.8 kN·m，即将达到施工允许最大值，参照表5如果继续增大将会严重影响滑动施工效率和机械钻速，甚至可能超过钻杆允许抗扭屈服强度引起井下钻具事故。

四、结论

(1)三维水平井的偏移比系数值大于1，即偏移距长度超过垂直靶前距的长度时，在施工中需要在直井段产生较大的负位移，对井组防碰和降低摩阻扭矩不利，应该在设计中避免此类井的出现。

(2)偏垂比系数值尽量控制在小于等于3，同时纠偏难度系数控制在小于等于5的范围内，以避免在稳斜消偏过程中，稳斜最大井斜角过大造成后期扭方位施工困难。

(3)位垂比系数值越接近1，施工过程中摩阻扭矩值越大，位移过大的井需要进行井眼轨迹优化，除考虑最大限度减小扭矩和摩阻为依据外，还需进行现场施工可行分析。