大位移井井眼轨道优化设计

摘 要：井眼轨道的选择对大位移井钻井很重要，关系到钻井设备的能力、井眼的控制、井眼的清洗、安全钻井和下套管、井下作业等。大位移井的显著特点是水平位移大，井斜角大，鉆柱和套管柱在井眼内摩阻和扭矩大，因此选择合适的井眼轨迹，对于降低摩阻扭矩，确保大位移井安全钻进具有重要的意义。

关键词：大位移井；摩阻；扭矩；井眼轨道优化

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.22.082

大位移井轨迹设计，不仅考虑钻机和顶驱设备的能力、设计轨迹的摩阻扭矩大小和现场施工的难易程度，同时还要考虑钻柱的强度优化设计及套管磨损等因素。大位移井的轨迹设计是与钻柱力学、钻井现场实际作业密切相关的一项系统工程[1-2]。

1 井眼轨迹设计的原则

不同的轨迹设计方法有各自的优缺点，但必须遵循以下三项原则：

（1）轨迹设计必须满足各种不同工况的要求；

（2）轨迹设计应当考虑最短轨迹的要求；

（3）轨迹设计的钻柱摩阻和扭矩应当相对最小；

2 大位移井不同井眼轨迹类型分析

井眼轨道主要有单圆型、双增型、悬链型几种类型剖面。设计时必须分别针对不同剖面类型应用摩阻预测技术进行比较分析，优选摩阻更低的井身剖面。

单圆弧剖面造斜率为国内目前常用2.4°/30m，常用于造斜点较深，位移比相对小的大位移井；准悬链型，初始造斜率较小，一般是1°～1.25°/30m，每钻进一段井段后，造斜率递增加0.5°/30m，分数次造斜，最后用相对高造斜率在井斜45°～90°井段，此方法可减少易产生岩屑床40°～60°段的长度，保持井眼清洁。无论那一种造斜井段，其最高造斜率都应控制在3°/30m，其主要是为了减小钻杆在造斜段处的侧向力，减少钻具弯曲，防止在钻进下部井段时套管被严重磨损和增大钻井摩阻。双增接近于二者之间。图1为大位移井不同井眼轨迹类型图。

优化轨迹剖面可以降低摩阻，确保技术套管距离延伸，大位移在首先优化剖面的前题下，才可能使下步工作更加顺利。而悬链线剖面可以减小钻具与井眼的接触面积，使摩擦系数在正压力的作用下，产生的扭矩相对较小，扭矩与井眼中旋转半径成正比，钻杆直径越大旋转半径越小减少了与井壁接触面积，则扭矩越小。

增大稳斜角度改善井眼扭矩，尽量避开井斜角40～60°稳斜段，井眼长度对扭矩的影响比稳斜角对扭矩的影响大一些。然而，井斜角较大的井确实趋向于降低总扭矩，因为钻柱中有较多部分处于受压状态，有利于降低上部造斜段处的拉力和接触力，但克服大位移井中的轴向摩阻是个极大的难题。

准悬链线剖面钻柱对井壁的轴向载荷阻力小，钻具在起钻时，因狗腿角小使钻具的侧向力最小，可以有效的降低摩阻，使滑动钻进极限位移得到延伸。所以，大位移井设计应采用准悬链线剖面，降低钻具及下套管作业中摩阻、扭矩和侧向力，可使套管下入钩载增大20%～25%，减少钻井事故的发生。

3 应用实例

以ZH8Ng-H1井为例，采用准悬链线轨迹设计与双增剖面侧向力对比：

由图2、图3表明采用变曲率准悬链线剖面最大的侧向力在147m处为649kgf/10m，常规双增剖面最大的侧向力在128m处为1087 kgf/10m，显然准悬链剖面侧向力比双增剖面低59%可降低钻具卡钻及疲劳破坏的风险，说明准悬链线变曲率剖面设计更为理想。

4 结论与建议

ZH8Ng-H1井采用准悬链线轨迹设计，通过管柱受力分析及应用表明：

（1）优选出变曲率轨迹，使其能减少管柱在造斜段摩阻扭矩，增加管柱下入能力；

（2）大位移水平井造斜率范围选在1.5°/30m-3.5°/30m范围内，造斜率逐渐递增；

（3）对于位移较大的井，稳斜段井斜角尽量避开40°-60°区间，以利于井眼的清洁与稳定。

参考文献：

[1]张焱，李骥，刘坤芳等.定向井井眼轨迹最优设计方法研究[J].天然气工业，2000，20（01）：57-60.

[2]窦玉玲.长水平段大位移井井眼轨迹优化设计[J].探矿工程，2011，38（07）：50-53.

作者简介：刘天恩（1984-），男，工程师，从事钻井工程相关工作。endprint