水平井剖面及井身结构设计
双二维剖面设计在涪陵页岩气的应用
双二维剖面设计在涪陵页岩气的应用（中国石化江汉油田工程有限公司钻井一公司，湖北潜江433121）作者简介：肖俊，中国石油大学石油工程专业毕业，工程师，现从事钻井定向研究工作。
肖俊第29卷第1期Vol.29No.3江汉石油科技2019年3月Mar.2019JIANGHAN PETROLEUM SCIENCE AND TECHNOLOGY 摘要：双二维轨道设计理论上可以降低钻井施工难度，从而降低页岩气水平井钻井成本。
但在实际应用中往往受到一些客观条件的制约，影响在提速提效效果。
针对双二维剖面施工的客观条件，通过双二维在涪陵工区施工的可行性进行深入研究和数学建模，确定了双二维剖面施工的几大先决要素，同时在实际施工中，通过解决出现的一些问题，提出了双二维剖面临界使用标准的思路。
关键词：页岩气；双二维；水平井；剖面设计2012年以来，涪陵页岩气工区均采用六段制轨道设计，即直-增-稳-扭-增-平，该轨道类型具备分段轨迹目标明确，操作性强的特点，在涪陵一期发挥了重要作用。
随着涪陵二期大三维井偏移距的增大，同时存在二开井段韩家店、小河坝地层可钻性差的特点，给轨迹控制造成了极大的困难，扭方位托压现象普遍存在，严重影响了钻井提速，提高了钻井成本。
经过调研长宁威远区块的水平井施工，发现长宁威远区块部署井型普遍存在靶前距不足的问题，若采用六段制剖面，扭方位工作量极大，且鱼钩型井眼与邻井存在防碰风险，而双二维轨道对靶前距要求不高，小井斜扭方位难度大大降低，对于提速降本有很大的促进，因此在涪陵工区有必要进行该类型剖面的攻关和试验。
1双二维轨道简要介绍双二维轨道设计将三维水平井的轨迹设计在2个相交的铅垂面中，在每个铅垂面内只有井斜变化没有方位变化。
先在第1铅垂面内设计第1段二维轨迹，采用“直—增—稳—降—稳”的井眼剖面。
为降低邻井相碰的风险，在设计一段直井段后轨迹开始在第1铅垂面中朝着第2铅垂面的方向进行增斜，增斜后的井斜角不超过20°。
水平井产液剖面测井方法与工艺
1、选择最安全的美国连续油管输送测井
自喷水平井测井
用∮ 1.5英寸连续 油管内穿∮5.6mm 电缆，设计带涡流 喷孔的（油管与仪 器）电缆配接头， 靠连续油管柔性弹 力和液氮喷射力过 油管/套管输送测 井仪器进入水平井 底，电动张收滚轮 扶正器和笼式集流 伞，用不同测速， 上提仪器测井。
机抽水平井测井
滚轮扶正器
4、SONDEX公司的八参数组合生产测井资料处理与解释
地面采集部分
持气率与管子直径的响应曲线
FDR刻度图版
持水率仪器响应曲线
应用实例
结束语
我国测井行业通过近几年的技术引进、消化、攻关与 生产实践，水平井（大斜度井）生产测井技术有了长足 的发展与进步，水平井测井也取得了较好的生产应用效 果，但在该领域还面临很多技术难题，如何进一步提高 水平井动态监测工艺水平、发展水平井测井手段、研究 水平井测井资料解释方法，以提高水平井测井施工成功 率和资料解释精度，更好地满足油气田水平井动态监测 的需要，是今后一个时期内水平井生产测井的主要发展 方向。
液力输送水平井注硼中子寿命测井解释成果图示4井下爬行器输送方式参数测量范围精度分辨率温度012505001压力0mpa40mpa05fs001mpa流量0m3d140m3d202m3d磁定位变化大于2v耐温125耐压40mpa测量仪器及主要技术指标第三部分江汉大宇公司水平井测井技术第三部分江汉大宇公司水平井测井技术1选择最安全的美国连续油管输送测井用15英寸连续油管内穿56mm电缆设计带涡流喷孔的油管与仪器电缆配接头靠连续油管柔性弹力和液氮喷射力过油管套管输送测井仪器进入水平井底电动张收滚轮扶正器和笼式集流伞用不同测速上提仪器测井
用∮ 5/8英寸连续 油管内穿∮5.6mm 电缆，设计带涡流 喷孔的（油管与仪 器）电缆配接头， 靠连续油管柔性弹 力和液氮喷射力经 偏心井口，过环空 输送测井仪器进入 水平井底，电动张 收滚轮扶正器和笼 式集流伞，用不同 测速，上提仪器测 井。
211004393_页岩气长水平段水平井钻完井关键技术
185中石化在涪陵、南川、威荣等多个区块开展页岩气水平井开发，其水平段长历经1500以内、1500~3000米、3000米以上三个阶段，针对国内页岩气水平井开发，一般把水平段超过3000m的水平井称为长水平段水平井，通过施工3500米以上水平段水平井，其压裂改造段长、产气量将提高至少30%以上，大幅度提高单井产量，减少部署井数量、节省土地征用，突破地形地貌限制等，真正实现“少井高产”，对于页岩气的效益开发具有重要意义。
1 钻完井难点问题针对东胜页岩气区块，从前期施工情况分析来看，主要存在以下钻井难点问题：（1）浅表层漏、垮风险高。
东胜区块浅层以须家河组、雷口坡组地层出露为主，溶洞、裂缝发育，部分井区与地下暗河连通，极易发生恶性漏失，同时由于沉积过程中砾石对原有缝洞的充填，导致钻井过程中易发生掉块垮塌，钻井过程也易发生卡钻事故，严重影响钻井进度。
（2）中上部地层差异大，从上部地层到目的层，发育灰岩、白云岩、泥岩地层，灰岩裂缝发育易造成井漏，而夹杂的泥岩地层也影响井眼稳定性。
（3）长水平段施工井壁稳定与降摩减阻难度大，目的层为泥页岩地层，受钻井液浸泡、地层岩石矿物的水化膨胀、应力传递等影响存在垮塌风险，同时长水平段施工摩阻扭矩急速增加，倒是后续施工难度大幅增加。
（4）固完井难度大，长水平段水平井钻井施工后，套管无法与钻具一样实现倒装，提高上部载荷，套管的下入存在较大难度。
2 井身结构设计井身结构设计是钻井安全顺利施工的首要条件，合理的井身结构设计能有效针对各类风险提供保护措施，为下步施工提供条件，同时能最大限度地减小裸眼段摩阻，为长水平段水平井提供保障。
页岩气水平井井身结构设计主要考虑两点因素，一个是封固不同压力层系的地层；二是封固各类不稳定地层，为下开次的施工提供井眼条件。
其井身结构设计具体为：导管段采用Φ609.6mm钻头×Φ473.1mm套管封固雷口坡组易漏失、易跨地层；一开采用Φ406.4mm钻头×Φ339.7mm套管封固嘉陵江组裂缝发育层；二开采用Φ311.2mm钻头×Φ244.5mm直至进入目的层龙马溪组顶部，套管封固上部二叠系、志留系易漏失层，为三开油基钻井液施工提供条件；三开采用Φ215.9mm钻头与油基钻井液施工水平段直至完钻[1]。
鱼骨状水平分支井钻井技术
管柱设计图 下深（m） 工具名称 长度（m）
1458.5 1460
钻杆 Y445-220 封隔器 1.5
鱼骨状水平分支井的基本思路
主井眼的井眼轨迹采用微降的设计，采用地质导向钻井技术控制井眼 轨迹钻进至着陆点，并用φ244.5mm技术套管封固着陆点以上地层。 水平段主井眼与各分支井眼的井眼尺寸均为φ215.9mm。 在主井眼及各分支井眼钻进过程中，如果需要换钻头或 进行短起下钻作业，必须保证下钻时钻头顺利进入起钻 时的井眼。 各分支井眼按照前进式钻进方式依次施工。
天然高分子基钻井液的优势有： 处理剂易生物降解； 白沥青可实现屏蔽暂堵，是很好的油气保护 剂； 聚合醇可吸附在油气层孔道表面及油水界面， 降低界面张力，减少水锁效应；
在实钻过程中，根据钻进过程摩阻系数大小或活动钻具拉力情况及时增加 润滑剂加量，保证施工安全。在斜井段钻进中，用好固控设备，及时清除钻井 液中的钻屑和有害固相，保持钻井液的无固相，及时补充水基润滑剂等处理剂， 保持体系良好的稳定性。控制钻井液含砂量小于 0.3% 。钻进过程中每钻进 200m短起下钻，破坏并清除岩屑床，以保证井眼通畅。钻进时每班对钻井液进 行全面分析，根据分析结果和现场情况补充相应的处理剂，保证钻井液性能满 足安全施工需要。
West(-)/East(+) (150 m/in)
四、鱼骨状水平分支井应用实例
实例四： 埕北26B-支平1井 井身结构
26″Bit×90m+ 17 1/2″Bit×401m+12 1/4″Bit× 1407m+8 1/2″Bit主眼和4个分支
水平井简介
裸眼封隔器
优点：生产损失最少、具有隔层的优点 缺点：控制生产能力一般、费用中等以上
下套管固井射孔
优点：完全控制生产、具有隔层的优点 缺点：无法知道产量损失、费用中等以上
水平井完井 水平井完井方式比较
裸眼
优点：无产量损失、成本最低 缺点：控制生产能力差、裸眼会消失、不可
水平井的应用 水平井的用途
不用补充井开采不规则油气藏
限制不希望的地层流体的侵入
保护油气藏能量，达到最大采收率
穿越直井不能钻到的垂直裂缝性油 气藏
通过额外的油气藏裸露，增大低渗 透油气藏的产量
通过增加油气藏裸露面积，最大限 度地提高低能油气藏的产量
无法接近的油气藏
四口水平井构成的丛式井组就可以有 效的开采某一储层。在相同情况下，可能需 要20口井才能满足开采要求
钻杆至地面（在 垂直井眼内）
井底造斜钻具
钻铤（在垂直井 眼内）
MWD无线随钻
加重钻杆（穿过 造斜段）
无磁钻铤或无 磁钻杆
无磁钻铤或无磁 钻杆（有防磨带）
低速、高扭矩 造斜马达
钻头
中半径水赤平水井宝元中半径水平井井身结构
表层133/8″ 153/8 ″或171/2 ″
地层
压力系数 机械钻速
重庆统 1.0 5.5m/h
测试产层 参数和确 定垂直深
度
水平段
中半径水平井
领眼剖面
PILOT HOLE PROFILE
第一造斜段
稳斜段
垂直测试井眼
第二造斜段
Pilot hole 领眼
确定领 眼右边 的油气 层是否 断掉
Target TVD目标水垂平深段
某水平井钻井方案设计
某水平井钻井方案设计摘要:依据现阶段水平井钻井工艺技术,在注重设计原则、设计依据的条件下,最大限度地优化设计,主要从钻机选型、井身结构设计、钻具组合、钻进参数优选、水平井井眼轨迹控制等方面对水平井钻井提供最佳方案,对钻井开发有一定的借鉴意义。
关键词:水平井钻进参数井眼轨迹完井工艺1 钻机选型钻机选型应根据钻井作业期间所受的最大负荷不得超过钻机额定负荷的80%;水平井及大位移井是直井负荷的1.5倍。
根据本方案设计最大负荷应为下Φ177.8mm套管,因此建议钻机选择ZJ50型,泵功率选3NB-1300以上。
2 井身结构及钻进参数设计[1]2.1 结构设计2.3 参数设计3 水平井井眼轨迹设计[2]3.1 井身剖面设计基本原则(1)采用90.00°的水平段穿油层,入靶点垂深3500m,端点垂深3500m,水平段长500m。
(2)地层比较致密,工具造斜能力不必留有太大余地,因此拟以中等程度造斜率进行设计井身剖面。
施工中应保持造斜率在7°～8°/30m。
(3)设计剖面有利于尽量减少钻具组合,加快钻速。
(4)设计剖面有利于安全钻井和轨迹控制。
3.2 设计造斜率的选择该井油层埋深在-3350m～-3550m,靶前位移为500m,加之需给工具造斜能力留有余地,因此根据不同的地质分层来选用工具的造斜率。
轨迹类型直-增-稳-增-稳造斜点3050m第一段造(增)斜,井眼曲率7.00°/30m第二段造(增)斜,井眼曲率7.00°/30m4 完井工艺技术根据该井已完钻井油层生产的经验,油层为同一压力系统,为增加泄油面积,完井方案拟设计采用N80、Φ127mm打孔筛管,上部用悬挂器坐封在技术套管内,在筛管完井以后,使用有机溶剂将钻井液替出,保护油层。
4.1 套管柱设计(1)套管扶正器的布放设计。
根据扶正器压缩变形和扶正器之间套管挠度引起的偏心距之和不超过许可偏心距为条件,设计套管扶正器的布放。
克拉玛依油田克浅109井区HWkq05z鱼骨水平井
克拉玛依油田克浅109井区HWkq05z鱼骨水平井目录一、概述 (1)二、设计简况 (2)三、钻井技术总结 (3)四、钻井液技术 (12)五、Ф244.50mm中完技套固井 (16)六、Ф168.30mm筛管完井技术 (17)七、认识与体会 (22)八、附录 (23)附表1: HWkq05z鱼骨水平井Φ244.50mm技术套管数据 (23)附表2: HWkq05z鱼骨水平井Φ168.30mm完井筛管数据 (24)附表3:HWkq05z鱼骨水平井井钻具组合表............ (26)一、概述HWkq05z水平井位于准噶尔盆地西部隆起克-乌断裂上盘湖湾区压扭性断阶带上，主要目的层为侏罗系齐古组J3q3层，储层地层岩性主要为灰绿色、浅灰色泥岩和细砂岩、中细砂岩、含砾不等粒砂岩、砂砾岩。
该井由新疆石油管理局井下作业公司研究所提供井眼轨迹控制与中完固井技术服务、克拉玛依市创拓公司提供钻井液技术服务，钻井工艺研究院提供完井技术服务，钻井一公司20938队承钻。
该井于2007年7月24日05:00一开，用Φ444.50mm钻头钻至井深60m一开完钻，下入Φ339.70mm表套至井深59.80m；7月25日06:00二开，7月25日15:00钻至245m；7月26日04:30从245m开始定向造斜，于7月27日3:00钻至465.00m；7月27日16:00至7月28日0:00下技套，7月28日01:00至02:00固技套；7月30日14:00三开，8月2日11:00钻至井深765m完钻; Z1分支于7月30日18:16从514m 开窗，7月31日3:50钻至615m完钻；从508m开始修夹壁墙开新眼至511m进入新眼成功。
Z2分支于8月01日09:37从663m开窗，8月01日19:20钻至764m完钻；从656m开始修夹壁墙，开新眼至660m进入新眼成功。
8月3日18:00将φ168mm冲缝筛管下至762m，座封尾管悬挂器完井。
水平井剖面设计(第二章)
第二章 水平井剖面设计第一节 水平井剖面的设计容1、水平井剖面设计原那么水平井剖面的设计一般依据下面的几点：● 根据地质提供的入靶点止靶点三维坐标数据，计算水平段长，水平段稳斜角及设计方位角；● 确定剖面类型，考虑是否需要第一稳斜段，并考虑第一次增斜角的围； ● 确定水平井钻井方法及造斜率，选择适宜的靶前位移；● 初步计算井身剖面分段数据，根据水平井剖面设计中可供选择的五个根本参数(即造斜点，第一稳斜角，第一稳斜段长度及第二造斜率)，选择其中的任意三个，求出其它两个参数后，再进展井身剖面分段数据计算；● 对初选剖面进展摩阻、扭矩计算分析，通过调整设计的根本参数，选取摩阻及扭矩最小的剖面；● 根据初定剖面的靶前位移及设计方位角，计算出井口坐标，并到施工现场落实井位；● 复测井口坐标，对设计方位角及剖面数据进展微调，完成剖面设计。
2、水平井剖面设计的原理和方法2.1 水平段的数据计算假设水平段入靶点为A 点，止靶点为B 点，X 为南北坐标〔纵标)，Y 为东西坐标〔横标〕,A 点垂深为H a ,B 点垂深为H b (以转盘面为基准),地质提供的三维坐标可表示为A 点坐标〔X a ,Y b ,H a 〕,B 点坐标(X b ,Y b ,H b )● 水平段垂深(H ∆)的计算H ∆=H b 一H a假设H ∆>0,说明水平段井斜角︒90max α。
油藏程—完井方法假设H ∆=0,说明水平段井斜角︒=90max α。
井身结构—井笛剖面—钻具组合 假设H ∆>0,说明水平段井斜角︒90max α。
地面情况〔钻机〕● 水平段平增(S ∆〉的计算 ()()22a b a b Y Y X X S -+-=∆● 水平段井斜角max α的计算)(90max SH atn ∆∆-︒=α ● 水平段长L ∆的计算maxsin αS L ∆=∆ ● 设计方位角的计算a b a b X X X Y Y Y -=∆-=∆,2.2 增斜段的考虑因素、设计方法、数据计算增斜率确实定，首先应根据油藏特性及工程地质条件，确定水平井的类型，通常选长半径水平井,造斜率应小于6°/300m ；假设选中半径水平井，选斜率应大于6°/300m ；其次，造斜率的大小要考虑现有造斜工具的能力，并留有适当的余地以便进展调节；第三，造斜率的大小应考虑地面因素的影响，当地面条件决定了靶前位移较大时，那么选用较低的造斜率，相反，那么选用较高的造斜率；第四,在没有其它条件限制时，在现有工具造斜率的围，尽可能选用较高的造斜率，根据水平井摩阻与扭矩分析计算，在长、中半径水平井中，造斜率越高那么摩阻及扭矩越小。
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L102-P5 374.6mm×503m+215.9mm×2206m 273.1mm×501.8m+139.7mm×2201m
对于中深层水平井，为了降低施工摩阻扭矩、封
隔高低油气层段和易塌易漏层段，均设计为三开井身
结构，95/8"技术套管封馆陶， 具体下深根据馆陶底深 度、造斜点和井身剖面等方面进行确定，尽力降低下
L102-P4 374.6mm×503m+215.9mm×2327m
L102-P5 374.6mm×503m+215.9mm×2206m
套管程序 339.7mm×150m+244.5mm×1600m+139.7 ×2466m 273.1mm×300m+139.7mm×2365m
273.1mm×300m+139.7mm×2499m
273.1mm×500m+139.7mm×2324m
273.1mm×500m+139.7mm×2203m
L102区块五口水平井实钻井身结构数据 表
井号 L102-P1 L102-P2
钻头程序
444.5mm×163m+311.1mm×1603m+ 215.9×2478m
374.6mm×310m+215.9mm×2368m
有利于降低施工过程中的摩阻扭矩 有利于避免漏、喷、塌、卡等井下复杂情况 有利于岩屑的携带 有利于套管的下入 当发生溢流时，具有压井处理溢流的能力，压井时不压漏地层 能有效保护油气藏，尽量采用较小钻井液密度，减小产层污染 有利于提高钻井速度和降低钻井成本
冀东油田水平井主要用于浅层油气藏，其含油 层系为明化、馆陶组，属高丰度边底水构造油藏， 实施水平井的主要目的是进一步完善开发井网，挖 掘剩余油潜力，提高储量动用程度；其次对新区块 进行高效整体开发，提高单井产量。在实施第一口 水平井时，为了确保施工安全顺利，通过对邻井钻 井 资 料 研 究 分 析 ， L102-P1 井 井 身 结 构 设 计 为 ： 133/8 " +95/8 " +51/2 "尾管，95/8 "技术套管封至 造斜点以上50m，为下步造斜段和水平段施工提供 保证。
完井方式：
套管固井完井 筛管+封隔器+筛管+套管固井完井
Φ374.6mm×303~503m Φ273.1mm×300~500m
造斜点
Φ139.7mm×***m Φ215.9mm×***m
浅层套管完井水平井井身结构图
Φ374.6mm×303~503m Φ273.1mm×300~500m
封隔器最多达5只
Φ139.7mm×***m Φ215.9mm×***m
浅层筛管完井水平井井身结构图
L102区块五口水平井设计井身结构数据表
井号 L102-P1 L102-P2
钻头程序
444.5mm×153m+311.1mm×1603m+ 215.9×2469m
374.6mm×303m+215.9mm×2368m
L102-P3 374.6mm×303m+215.9mm×2502m
1380 1390 1400 1410 1420
0 100 200 300 400 500 600
“拱”型水平段水m 平井
连通水平井
三维水平井
常规水平井
分枝水平井 AB ABAB H0.7
成对水平井 侧钻井水平井
国内水平井发展状况
国内水平井技术指标： ❖ 最深水平井井深达6452m ❖ 最长水平段长为1634.6m ❖ 最薄油藏水平段油层厚度为0.76m ❖ 三维绕障水平井在水平段方位变化最大达72º ❖ 侧钻水平井最小井眼尺寸为104.8mm ❖ 最小曲率达1.8º/m
实施水平井的目的
➢ 最大限度地裸露油气层，增加出油厚
度，提高油气井产量和采收率。
➢ 对油气藏作横向探查，确定地层圈闭
边界和断层闭合位置。
➢ 可减少水锥、气锥的影响。
➢ 可减少占地和其它工程建设费用，大
降低油田综合成本。
国 内 完 钻 水 平 井 类 型
垂深 m
国内水平井发展状况
阶梯式水平井
多靶点水平井
各位专家：
你们好！
水平井井身结构及剖面设计
二0 冀东油田水平井井身剖面设计 冀东油田小井眼侧钻水平井井身剖面设计
水平井钻井技术始于二十世纪30年代，自80年代 中期在世界油价较低时得到迅速发展和日臻完善，并 已向综合应用、集成系统方向发展和用于油田的整体 开发。我国于“八五”期间对该项技术进行了攻关， 其后在各油田进行了推广应用和发展，国内已钻成水 平井近千余口，其技术已达国际先进水平，并形成了 一整套综合性配套技术，目前已作为常规钻井技术应 用于几乎所有类型的油藏，胜利油田、冀东油田已用 它进行油田整体开发。
套管程序
339.7mm×157.9m+244.5mm×1600m+ 139.7×2475m
273.1mm×307.85m+139.7mm×2364.98m
L102-P3 374.6mm×302m+215.9mm×2502m 273.1mm×298.86m+139.7mm×2499.22m
L102-P4 374.6mm×503m+215.9mm×2327m 273.1mm×500.57m+139.7mm×2324m
Φ444.5mm×1639m Φ339.7mm×157.9m
悬挂器1493.08m Φ311.1mm×1603m Φ244.5mm×1600.32m
Φ215.9mm×2478m Φ139.7mm×2475m
L102-P1水平井实钻井身结构
根据L102-P1井的施工经验，通过现场跟踪研究， 在后继浅层水平井(井深小于3000m)设计时对井身结构 进行优化，采取深下表层套管，将井身结构简化为二 开井身结构，即为：103/4 "表层套管＋51/2 "油层套 管，表层套管为300～500m，使浅层油气藏水平井的井 身结构设计经济、合理和科学。
前言 冀东油田水平井井身结构设计 冀东油田水平井井身剖面设计 冀东油田小井眼侧钻水平井井身剖面设计
井身结构设计是水平井成功实施的关键技术，它与
地层压力、井眼稳定、完井方式、井身剖面和全井施工
难度等因素密切相关，其设计科学合理与否，直接关系
到下步井眼安全钻进、油层保护、钻井工程施工的经济
性和后继采油作业，设计原则：