页岩气威远区块轨道整体优化新思路

王 能，徐新华，李若飞

（1.大庆钻井工程技术研究院，黑龙江 大庆 163413；2.渤海钻探定向井技术服务公司，天津 300450）

页岩气水平井钻井主要采用批钻井的施工模式进行开发，主要面临地面制约条件多、地层复杂、邻井防碰风险高、井眼轨迹控制困难等诸多难题。因此，页岩气水平井钻井需要解决的关键技术不只是简单的井眼轨迹设计，而是需要结合现场施工难点，将现场施工难点结合到设计里，确定合理的井身剖面参数。本文将现场施工中面临的一些技术难点和原始设计结合后，对轨迹进行二次优化，新的思路对页岩气安全高效钻井具有重要指导意义。新的轨道优化思路在204HXX平台进行了应用，有效降低了直井段防碰难度，提高了机械钻速，实现了小井距丛式水平井井眼轨迹的高效控制。

本文以204HXX 平台4 口井的设计对比来简单介绍具体优化思路。

1 204HXX平台待钻井基本情况介绍

204HXX 平台共有4 口待钻井，均为三维水平井，所有待钻井的排列关系见图1，待钻井的原始设计见图2。

图1 待钻井口排列关系

图2 204HXX平台原始井身剖面设计

2 原始设计在现场施工中存在的难点

该井组井口槽间距比较小，上部井段防碰问题突出。不仅如此，该井组所有定向井均为大位移水平井。其中，入靶点处垂深约为3610.0m、水平位移约为500.0m；端靶点垂深约3670.0m、水平位移约为2500.0m；水 平 段 井 斜 角 约88.1° ～88.3° 、长 度2000.0m。下部井段施工难度也比较大，应重点考虑摩阻扭矩问题，其次是水平段井眼高效携岩问题，避免形成岩屑床。原始设计在现场施工存在一些难点：

（1）页岩气区块地处山地，环境复杂，井场面积受限，大部分为小井距三维丛式水平井。本区块4口井从待钻井口排列关系图中可以看出，1井和2井最近防碰距离5.07m，最小分离系数0.955。3井和4井最近防碰距离5.05m，最小分离系数1.145。页岩气地区由于上部地层倾角大，加压快速钻进易起井斜，直井段的防碰压力特别大，需加密测斜，控制钻进参数，花费大量精力在防碰工作上，严重影响钻进速度。同时4口井的造斜点分别为1200m/1340m/1050m/1000m，造斜点过低，防碰井段偏长。

（2）三口井在稳斜段采取了6°/4.5°/8°度稳斜，稳斜段长度分别为1870.47m/1742.49m/2006.63m。在实际施工过程中，大段稳斜段钻进的井斜角小于15°时，方位难以控制，井斜角在大于15°时，才能有效地控制住井斜角和方位，原始设计轨迹控制难度较大。

（3）4口井原始设计在二次造斜段均采用了边增斜边扭方位的施工方案，入窗时才将方位摆正，增加了轨迹控制的难度，且后期旋导施工过程中，中曲率半径水平井井斜角增加较快，边造斜边扭方位增加了施工难度，每柱都需发指令调整工具面，严重影响钻进效率。

（4）入窗点的狗腿偏高，增加了入窗难度，且对后期水平段施工中摩阻，扭矩，井眼清洁有一定影响。

3 优化轨迹方案

一口水平井的总设计原则，能保证实现钻井目的，满足采油工艺及修井作业的要求，有利于安全、优质、快速钻井。选择合适的井眼形状，复杂的井眼形状，势必带来施工难度的增加，因此，井眼形状的选择，越简单越好。选择合适的井眼曲率，考虑工具造斜能力的限制和钻具刚性的限制，结合地层的影响，满足设计和施工要求的前提下，尽量选择比较低的造斜率，保证钻具、仪器和套管能顺利通过。选择合适的造斜点，充分考虑到地层的稳定性和可钻性的限制，尽量把造斜点选择在稳定、均匀的硬地层，避开软硬夹层、岩石破碎带、漏失地层、流砂层、易膨胀或易坍塌的地段，以免出现井下复杂情况，影响定向施工。选择合适的稳斜段井斜角和入窗井斜角，井斜角的大小，直接影响轨迹的控制。井斜角太小时，方位不好控制，而井斜角太大时，施工难度却又增加，因此稳斜段的井斜角和入靶井斜角的选择，应该满足轨迹控制的需要。

为了降低钻井风险和提高钻井速度，同时结合页岩气区块的特殊性，上部井段重点考虑井眼防碰问题，其次是大尺寸井眼定向钻进、水平段摩阻扭矩、高效携岩及安全下套管等问题，需要对轨道设计方案进行整体优化。

3.1 轨道类型设计方案

该井组各定向井均为三维水平井，在原始设计中选择了双增式轨道设计方案，其基本组成为“直井段—增斜段—稳斜段—增斜扭方位段—稳斜段”。优化设计中，我们选择了能够有效降低水平段摩阻扭矩的双二维水平井设计方法，其基本组成为“直井段—增斜段—稳斜段—降斜段—直井段—增斜段—稳斜段”。

调整后的轨迹见图3。

图3 204HXX平台优化井身剖面设计

3.2 选择第一造斜段的造斜点及造斜率

选择第一造斜段的造斜点应综合考虑地层特性、上部地层井斜情况及直井段防碰安全距离要求。该井组导管下深为50.0m，表套下深为950m 左右。根据邻井钻探资料及区域资料分析，204HXX 平台地层具有厚层泥岩、页岩，易发生垮塌，可能钻遇漏层和超压层。但是该井组各定向井均为大位移水平井，在上述复杂地层以下才开始定向造斜是不现实的。优选造斜点有利于上部井段防碰和减少复杂地层中定向段长度。此外，考虑上部地层井斜及直井段防碰安全距离要求。此外，考虑上部地层井斜及直井段防碰安全距离要求，推荐第一造斜点深度范围为1000～1050.0m，邻井造斜点应相互错开50m左右。

此外，考虑到十二寸二井眼中钻具造斜率不高，定向钻井速度也较低，第一造斜段的设计造斜率过高或过低都不合适。据邻井钻井资料，十二寸二井眼受钻井液排量限制，滑动钻进时携岩问题突出，需要频繁划眼而影响了钻进速度；为了提高携岩效率和钻井速度，需要减少滑动钻进井段的比例，增加复合钻进井段的比例，使得第一造斜段的平均造斜率仅2°～3°/30m左右。因此，该井组第一造斜段的设计造斜率不宜太高，合适的造斜率范围为2.0°～3.0°/30m（建议取1.8°～2°/30m）。

3.3 选择第二造斜段的造斜点及造斜率

对于双二维水平井来说，目标点及水平段参数均为已知条件，当第一段轨迹的水平位移确定后，第二段轨迹就不能再同时限定第二造斜段的造斜点和造斜率了，只能给定第二造斜段的造斜率或造斜点，利用轨道设计公式求出第二造斜段的造斜点或造斜率。

对于该井组井身结构优化设计方案，考虑到地层信息以及套管下深，所有井的第二造斜点均选择在位于8-1/2″井眼龙马溪地层（垂深3180m），实钻过程中可以根据地层埋藏深度对第二造斜点适当进行微调。

4 二次设计的优点

（1）在双二维水平井设计中，只需确定第一造斜段的水平位移，造斜点以及造斜率均可根据现场情况灵活掌握。如一开上直段地质条件允许，可以将造斜点上提至井口附近，从而在直井段增大了邻井间距，大幅度减少上部直井段防碰风险。当防碰距离安全后，现场施工过程中即可增大钻进参数，一定程度上也可增加机械钻速。本区块调整后将1 井初始造斜点上提150m，2井初始造斜点上提300m。

（2）双二维水平井在每个铅垂面内，轨迹只有井斜变化而几乎没有方位变化，井眼轨迹控制难度大大减小；进入第二铅垂面时，轨迹的井斜角很小，近乎于直井，现场施工时，不用考虑扭方位，只用强力增斜即可，避免了常规三维水平井的大幅度扭方位作业。降低了对旋导设备增斜率的要求，同时减少了测斜和调整仪器工具面的次数，可大幅度节省时效。

（3）优化设计中将4 口井的稳斜段井斜从6°/4.5°/8°/15°调整为15°/12°/15°/21°，大大降低了现场施工过程中稳斜段井眼轨迹的控制难度，减少稳斜段轨迹调整次数，增加机械钻速。

（4）4 口井入窗时的造斜率分别从5/5/5.5/4.8 降低到4.6/4.7/5.4/3.8，即降低了对旋导设备造斜率的要求，又减少了造斜段工作量以及入窗难度。造斜率的降低和双二维井眼轨迹类型的选择，都能够有效降低水平段钻柱摩阻扭矩，既降低了钻井施工难度，又提高了机械钻速。以XX-1 井为例，将两种轨迹数据输入Wellplan 软件，模拟分析不同轨道设计的摩阻扭矩。具体对比见图4。

图4 摩阻扭矩对比

5 现场中的应用

204HXX-2 井按照优化设计的思路进行施工，将造斜点上提至1000m，将上直段的防碰系数从1.146增加至1.682，降低上直段防碰风险。在防碰距离达到安全距离后，现场采用激进参数钻进，增加钻压，机械钻速比邻井同井段相比，提高12%。稳斜段最大井斜14.26°，1899.97m开始降斜，最小井斜降至1.05°。减少了后期扭方位的工作量。钻进过程中，扭矩与临井同井段对比小1～1.5kN·m。

6 结论

（1）根据页岩气区块钻井现场反馈的一些经验，指出现有的井眼轨迹中存在的一些问题。从邻眼防碰风险、稳斜段轨迹控制、机械钻速和入窗难度等四个方面探讨了优化设计的必要性。

（2）指出了双二维水平井相比三维水平井在现场施工中的优点，其轨迹在每个铅垂面内只有井斜变化没有方位变化，施工难度大大降低，且有利于提高时效，降低钻井成本。

（3）鉴于页岩气区块地质条件的特殊性，很多井的造斜点以上的垂深不够，靶前位移小，侧向位移大，无法对每口井均采取双二维水平井的优化思路。