大港油田大型井丛场高效钻井技术优化与应用

　　摘要：为解决大港油田大型井丛场开发过程中井间防碰风险大、轨道优化难和钻井提速难等问题，根据地质-工程一体化研究思路，进行了井网部署、井眼轨道及防碰设计、井身结构及配套提速工具等关键技术研究，建立了直线法/直线-圆心法井口-靶点匹配关系、剖面类型设计优先级层序、造斜点“V”字型设计法则、井身结构与一趟钻提速工艺模板，形成大港油田大型井丛场高效钻井技术。该技术在大港油田进行了现场应用，其中港西二号大型井丛场作为大港油田陆上最大规模井丛场，在0.04km2井场实现了56口井的安全规模开发，节约井场征地、钻井搬迁等费用1200万元，平均单井钻井周期4.42d，机械转速48.64m/h。研究与现场应用表明，大型井丛场高效钻井技术在提升井场利用率、缩短钻井周期、提高机械转速及降成本方面效果显著，为大港油田效益开发提供了技术支撑。

　　关键词：井丛场;井网部署;井眼轨道;防碰;地质-工程一体化;大港油田

　　大港油田以复杂断块油藏为主，经历50多年的注水开发和多轮次调整挖潜，呈现地下开发程度高、地面产能建设用地紧张局面，同时存在开发成本高难题，常规单井开发模式难以实现效益开发与可持续发展。井丛场钻井将多口井部署到一个井场或平台，整体规划，集中作业，可缓解地上、地下矛盾，减少作业时间，满足提高钻井速度、降低钻井成本需求。2018年以来，大港油田井丛场开发进入快速发展阶段，呈现“大井丛、多层位、多井型、工厂化、立体式”特征[1-3]，同时油区完钻井网密度高，断层、特殊岩性发育易造成气侵、溢流等工程复杂，因此大型井丛场钻井设计中井网部署、井间防碰设计、井身结构优化及钻井提速设计均受限制，制约油田高效开发。

　　国内外学者主要采用理论推导和计算机数值模拟的方法[4-7]，进行了丛式井平台位置优选、井口靶点匹配、井眼轨道设计和轨迹控制等方面的研究。笔者在前人研究的基础上，结合大港油田井丛场开发生产实践，综合考虑地质、工程因素对井丛场钻井技术的影响，进行了井网部署、单井设计剖面类型、参数优化和防碰技术等关键技术研究，形成了直线法、直线法与圆心法相结合的井口靶点匹配关系，建立了设计井型优先级排序，提出了相邻设计井造斜点“V”形排列法则，解决了大型井丛场钻井技术难题。现场应用后，提高了钻井速度、缩钻了钻井周期，降低钻井成本效果显著。

　　1大型井丛场钻井技术难点

　　大港油田主要位于天津市滨海新区和河北省渤海新区，区域内自然保护区、生态农业保护区众多，环境保护要求高，产能建设用地紧张。油田属于典型复杂断块油藏，主力油藏黄骅坳陷储层非均质性强，发育多套含油层系，埋深700～4300m，地下靶点分散，整体井网部署难度大;地质情况复杂，特殊岩性、断层发育，制约大型井丛场钻井工程设计优化。同时，油田进入开发中后期，开采成本高，产能建设成本年均增长5%以上，大型井丛场钻井工程设计需满足降本增效要求。分析认为，大型井丛场主要存在以下钻井技术难点：

　　1)设计井数多，井口间距小、排列形式多样，井间防碰设计难度大。大港油田处于勘探开发中后期，大型井丛场多为老区加密井场，为提高井场利用率，单平台设计规模通常在3口井及以上，井口间距在2.50～6.00m;井场条件受限，井口排列形式存在多样性，如单排排列、双排排列和“L”形排列等方式;地下靶点方位、深度分散错综，因此设计井间防碰影响大。油区历经多年开发，地下开发程度高，完钻井网密度高，典型区块井网密度达44口/km2，且多数完钻邻井完钻年代久，井身数据可靠性差，单井设计发生碰撞概率在90%以上，设计井与完钻邻井间防碰问题突出。

　　2)同平台应用井型多样，单井轨道优化受制约。为提高单井利用率，实现一井多目标要求，同平台井型应用常规定向井、大位移井和水平井等多种开发井型。受井口及靶点位置限制，因靶前距不足、偏移距大造成的三维水平井、大斜度井比例增大，同时伴有设计靶点深度大和水平段、大斜度段长等特点，因此单井轨道优化时需综合考虑合理消除偏移距、钻具受力和摩阻扭矩等多种因素。目前页岩油开发井丛场设计靶点垂深普遍大于3500m，井口偏移距最长达867m，最长水平段1700m，轨道设计过程中易出现水平段钻具托压严重、摩阻扭矩大和套管下入难等问题，井眼轨道优化空间小。

　　3)井控风险大，井身结构优化与钻井提速难度大。大港油区浅层大型井丛场主要位于港西油田，深层大型井丛场主要位于沧东页岩油开发区。港西油田经长时间注水注聚，高低压地层并存，地层纵向压力差异大，钻井溢流、井漏频发，大部分为失返性漏失，且存在浅层气，井漏诱发井喷风险高。沧东页岩油开发井目的层孔二段埋藏较深，垂深普遍在3800m左右，沙河街组、孔一段存在广泛分布的生物灰岩、玄武岩及辉绿岩特殊易漏岩性地层，井漏风险高;目的层主要为砂泥岩互层和白云质泥岩，水平钻进时钻头进尺少，机械钻速慢。同时，长水平段钻进时采用常规破岩方式的能量有效利用率低，机械破岩能量不足。该区块水平井平均机械钻速只有7.06m/h，整体钻井速度偏低，严重制约了效益勘探开发。

　　2大型井丛场钻井关键技术

　　针对大型井丛场钻井技术优化存在的难点，综合地质需求、工程难度、后期工艺因素，以降防碰风险，降施工难度，提钻井速度，降钻井成本为原则[8-12]，地质-工程一体化进行井网部署、单井井眼轨道、井组防碰设计、井身结构及一趟钻钻井工艺等技术研究，保证大型井丛场钻井的施工质量和效率。

　　2.1地质工程一体化井网优化

　　2.1.1井网部署优化

　　以满足地质需求、安全健康环保要求为基础，依照效益最优原则，整体优化平台井数、井型。结合大港油田井丛场应用实践，地质-工程一体建立常规定向井、大斜度井、大位移井、水平井等多目标井型井眼轨道优化的优先级排序，形成复杂多目标井的靶区轨道设计模型，以实现无关联靶点间的轨道高效设计，其中常规定向井的井斜角宜控制在45°以内，井底位移宜在700m范围内。以港西一号大型井丛场为例，该井场原方案设计槽口30个，部署地质目标点40个，井口间距5m。结合油藏特征，地质、工程协同将原方案中常规井西9-14-3井、西8-14-2井优化为水平井西8-14-2H，提高单井利用率，实现一井多目标的目的。

　　原方案中某设计井由于井底位移635.44m，造斜点优化至100.00m,造斜率优化为3.5°/30m后，井斜角仍达到62.78°，存在造斜点浅、井斜角大等难点。本区明化镇组浅层和馆陶组储层疏松易出砂，大井斜不利于钻进过程中携岩屑砂岩要求;同时大井斜后期泵挂位置选择难，测井、录井费用高，因此建议取消部署该井。经优化，最终设计整体方案由28口优化为24口，结合该井场2口已完钻井，形成26口井规模井丛场，集中使用1～26号槽口，节省已部署槽口数量，为后期井场加密及调整预留良好空间;井口间距由5.00m优化为6.00m，利于上部井段进行防碰设计，降低防碰风险，保障安全施工。

　　2.1.2井口-靶点匹配优化

　　按照井口单排排列、多排排列形式进行井口-靶点匹配研究，满足井网部署优化要求。首先针对单排和多排井口利用直线法，多排井口利用直线法与同心圆法结合，遵循位移最小原则[13]，将各井口、靶点划分区域，同一区域内按照靶点位移(距井口排中心点)由大到小的顺序，由内及外、由近及远依次将其匹配至最近井口。

　　实践中，通常首先利用专业设计软件，按照水平位移不相交原则，快速求出井口与靶点的最优分配结果;然后结合井场摆放位置、大门方向、生产要求及防碰需求，进行井口-靶点匹配调整。为避免定向造斜时磁性测斜仪器由于邻井套管影响产生磁干扰而形成的测量误差，保障井身轨道质量，通常优先部署水平位移大、造斜点位置浅的设计井，后部署位移小、造斜点深的设计井[14-16]，为同井场待钻井预留良好轨道空间。经初步匹配及调整，制定井丛场平台轨道初始方案，为下一步的轨道精细调整与优化奠定基础。

　　2.2井眼轨道与防碰设计优化

　　井眼轨道优化指在满足现场工具能力与防碰安全的要求下，通过优化剖面类型及轨道参数，取得最优钻井进尺及扭矩/摩阻，降低钻进过程中施工难度，减少井下事故，达到缩短钻井周期，降低钻井成本及保障后续完井、测试、修井和采注等作业顺利实施的目的。

　　2.2.1剖面类型优选

　　大型井丛场井眼轨道设计时，为保障防碰安全，降低施工难度，剖面设计力求简单化。针对靶前位移较小的井，优先考虑单增剖面(直井段-造斜段-稳斜段)，针对靶前位移充足设计井，可优化为双增剖面(直井段-造斜段-稳斜段-增斜段-稳斜段)或者五段制剖面(直井段-造斜段-稳斜段-降斜段-直井段)，实现在上部井段提前造斜，减少设计井上部直井段与其他邻井并行长度，减小防碰风险。羊三木一号井丛场的某水平井井眼轨道设计过程中，该井靶点位移640m,预设单增轨道与双增轨道进行比较分析优选。

　　1)双增剖面在造斜井段与增斜段之间加入稳斜设计作为调整段，便于钻进时进行轨道偏离的纠正，有利于安全钻进;2)单圆弧剖面造斜点深，与邻井并行防碰井段长，不利于井间防碰，双增剖面则可通过提前造斜把并行防碰井段优化在最小范围内，便于钻进时轨道偏离的纠正，有利于安全钻进;3)双增剖面钻井进尺相对于单圆弧剖面进尺减少104m，因此推荐选择双增剖面井眼轨道。

　　2.2.2造斜点、全角变化率和井斜角优化

　　造斜点、全角变化率和井斜角的设计直接影响实钻过程中井眼轨迹控制难度。造斜点过浅，造斜率过大，易出现方位不稳定，发生漂移;设计造斜点过深，造斜率过小，则容易出现过大井斜角，钻井过程中易导致扭方位困难，转盘扭矩大，井眼携砂能力差等问题，并容易发生井壁坍塌等现象。

　　同时，考虑后期施工工艺，若井斜角过大，后期测井和完井作业施工难度大，对采注举升等工艺造成困难。从防碰安全角度分析认为，井丛场轨道防碰多在上部井口，造斜点浅，设计井与与邻井防碰关系安全，伴随造斜点增加，与同井场设计井防碰系数降低造斜点不易过深，避免段增加上部防碰井段。结合大港油田地层特性，进行多因素条件下的井眼轨道参数研究，井丛场常规定向井造斜点范围优选为150～1100m，造斜率(1.5°～3.6°)/30m，井斜角15°～45°。

　　王官屯油田某平台单井J23-52井上部平原组底界深度320m，地层松软，造斜过程中易垮塌，不适合定向作业，该区开发井表层套管通常封固平原组地层，为避免一开大井眼造斜，二开后井深350m处开始造斜，小井眼提高定向效率，提高钻速，预设多条井眼轨道进行剖面参数优选：伴随造斜点加深，全角变化率增大，井斜角呈增大趋，至造斜点800m，井斜角为47°;结合防碰设计需求，至造斜点600m,该设计井与邻井J17-47井的防碰系数已降至1.0，因此造斜点继续加深，已存在与邻井相撞风险，实施风险大，因此该井最优造斜点范围取值为320～550m。

　　2.2.3防碰技术

　　浅层大型井丛场，井间防碰在各设计井间上部垂直井段尤为突出，常规井型通过相邻设计井造斜点“V”形设计，即相邻设计井造斜点位置错开30～50m,进行上部防碰设计,及时优化防碰距离，保障在上部井段最近距离不小于相邻设计井间井口距，避免设计井间空间轨道交叉，降低防碰风险[17-18]。

　　为解决水平井、大位移井组井口间距小、垂直井段并行距离长和防碰井段深难题，通过01234502004006008001000井场造斜点造斜点造斜点造斜点造斜点T1T2T3T4T5中心350m400m500m600m700m800m900m1000m1100m1000120003009001500180021002400靶点600120027001600004006008001400垂深/m/m/m0200水平位移/m分离系数J13-43J17-47J13-41造斜点/m上部提前小角度预斜、下部双增七段制三维剖面优化防碰设计。某区块页岩油开发水平井组井丛场部署6口水平井，最大偏移距494m，平均井深5017m，平均水平段长1421m，井口间距6.00m，目标层位深，上部垂直井段并行距离长，考虑后期工厂化压裂作业需求，水平段呈平行排列方式，深部目标点入窗前空间交叉。

　　结合轨道优化与地层发育特征，进行防碰设计：进入二开井段后设计出5°～10°井斜角，使上部井段之间避开防碰;下部采用“V”形设计法则，三开入窗前相邻设计井间的造斜点错开30～50m，减少入窗前井段间防碰，通过优化防碰设计，使各井间防碰系数均大于1.0或防碰距离大于15m，降低防碰风险;结合地层发育玄武岩、断层等特征，确保在特殊岩性地层稳斜通过，避免定向调整井段，保障井身质量，提高机械钻速。

　　3现场应用

　　2018年以来，大港油田大型井丛场应用以上技术，共建成6口井以上的井丛场28个，井丛场钻井数量占产能井总数68.2%，井场土地征用减少5.885km2，钻井周期缩短11.9%。其中，港西一号井丛场成为中石油示范井丛场，2020年实施的港西二号大型式井丛场为目前大港油田陆上最大规模井丛场。港西二号井丛场位于港西油田四区断块，开发明化镇组、馆陶组2套层系，槽口呈双排四组排列，排间距8.00m，井口间距5.00m，共设计部署56口井，其中水平井6口。

　　研究区内井网密集，老井众多，前期涉及老井200余口，井间防碰形势严峻。针对目标点位移较大和防碰困难的常规井，利用井间防碰技术，采用双增剖面和三维绕障剖面，其中三维绕障井占比19.6%;针对靶前位移充足的水平井，采用双增剖面，缩短设计进尺170余米;地质目标优化50井次，井眼轨道优化200余井次，整体方案调整9轮次，实现井间最小安全距离3.20m，最小分离系数0.878。通过钻井技术优化，该平台钻井节约总进尺505m，钻井液重复利用180m3。钻井施工过程中采用“工厂化”批钻井模式，2台大钻机的搬迁和安装时间错开，多口井依次一开、固井、二开、固井，所有设备在钻机上协同运行，钻井、固井和测井设备无停待，提高了设备、人员和组织的施工效率，缩短了整体钻井时间，提速效果明显。与港西二区单井相比，钻井周期缩短17.6%，机械钻速提高45.13%。

　　4结论与建议

　　1)综合地质需求、钻井难度、后期工程工艺、建设成本等要求，开展了地质-工程一体化大型井丛场井网部署研究，建立了井口-靶点匹配关系，并进行井丛场实施井数、井型和施共顺序优化，满足了大井丛效益最优化需求。2)井眼轨道设计及优化是大型井丛场高效钻井工艺优化的关键环节，通过剖面类型优选、轨迹参数精细优化，可以解决大型井丛场井间防碰难题，降低钻井风险;可以优化钻井进尺，降低钻井难度，为安全、高效、经济钻井提供良好的轨迹空间。

　　3)结合区域构造及地质发育特征，进行了适合各井丛场的井身结构、“一趟钻”钻具组合和钻井参数等配套技术研究，减少了井下复杂，提高了机械钻速，保障了钻井提速。4)大型井丛场钻井工艺优化方法解决了地上、地下矛盾，在提高钻井速度、降低钻井成本方面效果较好;但受复杂断块油藏地质特征影响，需要进一步研究深层水平井组大型井丛场平台规模与提速技术，提高深层水平井组大型井丛场技术推广与应用效果。

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　　作者：王国娜1，张海军1，孙景涛1，张巍2，曲大孜1，郝晨1