（石油与天然气工程专业论文）分支井钻、完井设计技术与产能计算研究.pdf

摘要 油田开发过程中，直井单井控制面积小：层状油藏、透镜体油藏在复杂地质 构造影响下，直井开采储量控制难度大；直井射孔段渗流面积小，导致近井地带 地层压力损失严重；蒸气吞吐间歇开井生产，影响产量：直井蒸汽驱，流动阻力 大，导致稠油开采难度大等。上述诸多因素导致远离井筒的原油动用程度差，油 藏采收率低。为此，需要在此类油藏布置水平井、分支井克服直井开采的弊端。 本文通过对分支井类型和轨道设计的研究，得到了不同类型分支井各段关键 参数的计算方法以及如何考虑地应力、渗透率等因素对钻进的影响；通过对分支 井轨道控制技术的研究，得到了不同类型分支井开窗位置的计算方法、钻斜钻具 如何组合实现造斜以及钻柱强度的校核方法；通过对分支井完井设计进行研究， 得到了不同地层和技术、经济要求的分支井完井方式的选择优化方法以及完井套 管的强度计算方法；通过对产能计算的研究，得到了考虑井筒压降、油藏与井筒 的耦合、分支井在平面上的不对称等因素影响的分支井产能计算公式和一套产能 的迭代计算方法。主井眼、分支井眼的严格轨迹设计、开窗位置的准确选择、钻 柱强度的校核计算和完井方式的优化选择保证了分支井成功钻达靶点和完井成 功率，产能计算为现场分支井估算产能提供了理论依据。设计应用实例和产能计 算实例表明，本文对现场钻井、完井设计和产能计算有很大的指导意义。 关键词：分支井，轨道设计，开窗位置，完井，产能计算 r e s e a r c ho i lm u l t i - l a t e r a lw e l l sd e s i g n a n dp r o d u c t i v jculationproductivinc a l c u l a t i o n r e nz h i j i e ( o i lp r o d u c t i o ne n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f z h a n gj i a n g u o d u r i n gt h ed e v e l o p m e n to fo i lf i e l d ，l i m i t e do p e nh o l ea r e ac a u s e so i lw h i c hi sf a ra w a y f r o mw e l l - b o r ec a nn o tb ed e v e l o p e d c o m p l i c a t e ds t r u c t u r e ss u c ha sm u l t i 1 a y e r sr e s e r v o i r s a n dl e n t i c l er e s e r v o i r sw o r s e n e db yf a u l t sw i l ll e a dt ol i m i t e dc o n t r o lb ye l iw e l l s t h es h a r p p r e s s u r ed e c r e a s en e a rw e l l - b o r eb e c a u s eo fl i m i t e dp e r f o r a t i o nh o l e si sa n o t h e rr e a s o no f l o wr e c o v e r y a tt h es a m et i m e ，t h ei n c o n t i n u i t yp r o d u c t i o no fs t r e a mi n j e c t i o n ( h u f fa n d p u f f ) a n dt h ef l o wf r i c i t o no fi n j e c t e ds t r e a mi nh e a v yo i lb r i n gn e wc h a l l e n a g et ov e r t i c a lw e l l s a n do f f s p r i n gt h ea d v e n to fh o r i z o n t a lw e l la n dm u l t i - l a t e r a lw e l l s t h r o u g ht h er e s e a r c ho nm u l t i - l a t e r a lw e l lt y p e sa n dt r a j e c t o r yd e s i g n ，w eg e tt h e c a l c u l a t i o nm e t h o df o rc r i t i c a l p a r a m e t e r sc o n s i d e r i n gt e r r e s t r i a ls t r e s sa n dp e r m e a b i l i t y a n i s o t r o p y ；a f t e rd o i n gr e s e a r c ho nt r a j e c t o r yc o n t r o l ，w ek n o wh o wt od e t e r m i n ew i n d o w l o c a t i o n ，h o wt ob u l i da n g l ep r e c i s e l ya n dh o wt oc h e c kd r i l ls t e ms t r e n g t h a l s o ，w ed os o m e r e s e a r c ho nm u l t i l a t e r a lw e l l sc o m p l e t i o nw h i c hi st h em o s td i f f i c u l tp a r to ft h ew h o l e p r o c e s s ，a n d a tl a s tas e r i e so ft h e o r ya n dc o n c r e t et e c h n o l o g yf o rw e l lc o m p l e t i o ni s g o t t e n p r o d u c t i v i t yc a l c u l a t i o ne q u a t i o nc o n s i d e r i n gp r e s s u r ed r o pi nt h eh o r i z o n t a lw e l l sa n d f a c t o r ss u c ha sc o u p l i n go fw e l l b o r ea n dr e s e r v o i ra n dt h ea s y m m e t r yo fb r a n c h e si sa l s o g o t t e nt og u i d et h eo i l f i e l dp r o d u c t i o n t h ea b o v er e s e a r c h e sg u r a n t e et h a tt h em u l t i l a t e r a l w e l l sc a na c h i e v et h e t a r g e tp r e c i s e l y t h ed e s i g ns a m p l ea n dp r o d u c t i v i t yc a l c u l a t i o n e x a m p l ei l l u s t r a t et h i sa r t i c l e sv a l u ef o ro i l f i e l dd a i l yp r o d u c t i o n k e y w o r d s ：m u l t i l a t e r a lw e l l s ，t r a j e c t o r yd e s i g n , w i n d o w i n gl o c a t i o n , c o m p l e t i o n , p r o d u c t i v i t y 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对 研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： 垒垄丝日凝珈口易年| i 只亨b 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷 版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部f j ( 机 构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、 借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、 缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名： j 兰垄盘 指导教师签名： 主盏丝! 芝1 日期：勿分移年，月罗日 日期：刎绛，月2 尹日 中国油人学【华东) 人学1 栏坝i 。学位论义 1 1 国外研究概况 第一章国内外研究概况 早在1 9 2 9 年，美国加州用柏林式钻具( z u b l i at o o l s ) 钻成了几米长的完全水平的分 支井眼。1 9 5 3 年，前苏联在卡尔塔舍夫油田首次钻成了6 5 4 5 分支水平井【i 】，该分支井 共有三个分支井眼，其中一个分支井眼是9 0 。的分支水平段，段长1 7 0 m 。 5 0 - 6 0 年代掀起了水平井特别是分支水平井研究的热潮。分支水平井作为一种提 高产量的方法曾在前苏联、美国、加拿大、意大利等国家的许多油田受到重视。但是， 遗憾的是，在当时技术条件下这种钻井方法是不经济的，尤其是同低成本的压裂相比更 是如此，因而这一热潮未能持久。 到了7 0 年代中期，除前苏联和美国的少数油田仍然钻了一些分支水平井之外，其 它地区处于停滞状态。随着老油田枯竭，石油价格上涨和钻井技术的进步，分支定向井 和分支水平井又重新开始受到重视。据1 9 7 6 年有关资料统计，前苏联各产油区，有5 l o 个分支，井眼长度为8 0 - 3 0 0 m 的分支大斜度井和分支水平井就钻了1 0 0 余口【2 】。 1 9 7 8 - - 1 9 9 0 年前苏联累计钻水平井和分支井1 2 6 口。对稳定的致密油层，水平井 和分支井的初期产量比直井高1 5 1 5 5 倍，正常生产期间为垂直井的1 2 - - 3 8 倍。在 此期间，得克萨斯东部钻井有限责任公司( t e d s i ) 完成了1 5 0 多口分支水平井，所钻地 层为坚硬的砂岩和粉砂岩、石灰岩、自垩岩、白云岩、灰质页岩、硅质页岩和蒸发岩等， 可以实现在一个或几个不同层位钻出数个水平井眼。 到1 9 8 6 年为止，美国e a s t m a n c h r i s t e n s e n 公司采用柔性钻具在6 0 多口直井中完成 了2 0 0 多个分支短半径水平井眼的钻进，成功地钻过了不同的地层，并实现了在一口直 井中侧钻出5 个不同方向的分支井眼。 西方多分支井技术兴起于上个世纪9 0 年代。1 9 9 7 年，在阿伯丁举行了多分支井的 技术进展论坛，并按复杂性和功能性建立了t a m l ( t e c h n o l o g ya d v a n c e m e n tm u l t i l a t e r a l s ) 分级体系，将多分支并完井方式分为六个级别。t a m l 评价分支井技术的3 个 特性是连通性、隔离性和可及性1 3 j 。 世界上已完成的分支井尽管有多种类型( 包括分支定向井、大斜度井、水平井及短 半径分支水平井和多个分支等) ，但完成最多的是双分支水平井，完井方式最多的是四 级完井。 第一牵蹦内外训f t j 见状 目前，世界上双侧向水平井的总水平位移已达4 5 5 0 1 m ，多个分支井眼的总水平位 移己达8 3 18 9 m ，而垂深仅在13 0 0 m 左右。大位移水平井的最大水平位移达 1 0 7 2 8 4 m ( m 1 6 ) ，垂深1 6 3 7 m 。 在分支井发展过程中，分支井完井技术成为其需要解决的首要重点，因此b a k e r 公司、加拿大t 0 0 1 m a s t e r 公司、 s h e l l 公司、s p e r r y s u l l 钻井服务公司及c s 资源有 限公司等多家石油公司相继对完井工具及工艺技术进行研究开发，研制成功了多种井下 工具和分支井系统，使分支井技术提高到了一个新的水平【4 】。 现在s h e l l 公司在水平井完井技术上世界领先。世界上第一口5 级多分支井是s h e l l 公司1 9 9 8 年在巴西近海油田从半潜钻井平台上钻的一口反向双分支井；1 9 9 8 年，s h e l l 公司在加利福尼亚一口陆上井成功完成了一口井的6 级完井。此外，美国m a r a t h o n 石 油公司和b a k e rh u g h e si n t e q 公司联合开发了一种用于分支井的注水泥尾管完井的井下 系统，该系统利用一个定向短节将钻井工具或完井工具引入适当井眼，两个分支井眼作 为独立的井眼，用一个带分流心轴悬挂器的井1 2 1 装置分别通过一个生产管柱，起到了较 好的完井效果；b e c h t e l 公司利用高压水射流破岩实现了超短半径水平井技术的突破。 同时，加拿大s p e r r y s u n 钻井服务公司、c s 资源有限公司和c a r d i u m 工具服务公司联 合开发了分支井回接钻井完井系统。该系统由四个相互作用的部分组成：具有可动门和 内承压套筒的开窗接头、可回收式斜向器、分支井段悬挂器、下送工具安装管柱和关门 工具。该系统己钻成2 0 多口多分支井，是目前比较成熟的分支井钻井完井新技术。 综上所述，分支井较早地成为前苏联油气增产和提高采收率的重要手段之一【5 】，而 美国及西方国家的分支井技术则是在9 0 年代得到了迅速发展。目前，其分支井设计技 术、钻井工艺技术、完井及采油配套技术、以及相关配套工具、仪器先进水平已超过了 前苏联，位居世界前列。另外，美国及西方国家的一些石油公司先进的分支井钻井、工 具及完井技术，加上他们很强的市场竞争意识，世界范围内的分支井市场大部分都被他 们所占领。 1 2 国内研究概况 中国是发展水平井钻井技术较早的国家之一，6 0 年代中期在四川打成磨3 井和巴2 4 井，限于当时的技术水平，这2 口水平井均未取得应有的效益。 “八五”和“九五”期间开展了对水平井各项技术研究和应用的高潮，并在不同类 型油藏进行了先导试验和推广应用，成果显著。自1 9 6 5 年到1 9 9 9 年8 月，国内总计完钻 中国油人学( 华东) 人学1 _ 程坝f 。学位论义 水平井2 9 3 口，包括各种油藏类型，绝大多数水平井较直井显示出巨大的优越性，规模效益 显著，如胜利油田的草桥地区和塔里木油田的塔中地区等，水平井规模效益显著。在2 0 0 0 年、2 0 0 1 年、2 0 0 2 年、2 0 0 3 年、2 0 0 4 年上半年中石油完钻水平井数量分别为2 6 口、 2 8 口、5 0 口、6 8 口、7 4 口。 塔里木油田是中石油应用水平井最多的油田。塔里木油区已开发主力油田油藏埋深 大( 4 0 0 0 - 6 0 0 0m ) 、油层薄( 5 0i n ) 、油水关系复杂、地面条件恶劣，因此应采取“稀 井高产 的开发原则，这便为水平井的大规模应用创造了条件。自1 9 9 5 年1 月第l 口水 平井t z 4 1 7 h 4 投产，水平井在塔里木油田得到了广泛应用，不仅以水平井为主高效开 发了塔中4 、塔中1 6 、哈得4 等新油田，在轮南、东河等老油田的综合调整中也取得了 巨大成效；水平井不仅应用于采油、采气，还成功应用于哈得4 油田薄砂层油藏注水，成 为塔里木油田开发领域中一项成熟的关键技术，所形成的水平井开发技术主要有：优化 设计、钻井地质跟踪与优化调整、采油工艺配套、动态分析等。截至2 0 0 3 年底，共钻水 平井1 3 9 口，其中常规水平井1 1 0 口，双台阶井2 4 口，侧钻井5 口；水平井、分支井日产 油7 0 4 6t ，占全油田日产油量的4 9 。 冀东油田自2 0 0 2 年以来，相继在柳1 0 2 区块、高1 0 4 5 、高6 3 、庙北等浅层油藏部 署常规水平井5 2 口，侧钻水平井9 口，已投产常规水平井4 2 口，侧钻水平井1 口，水平井井 口日产油已达到1 1 5 3t ，占浅层油藏的6 3 7 。另外，还在高5 、柳北等中深层油藏部署了 水平井进行试验，水平井开发有效地提高了油层动用程度、单井产量、采油速度，缩短 了开发周期，在油田快速上产中发挥着重大作用。同时，较好地解决了浅层疏松砂岩油藏 出砂和堵塞问题，有效控制了油藏含水上升速度，使部分低效储量油藏得到了有效地开发 动用，平均提高油藏采收率5 , - - 1 0 个百分点，而且经济效益显著( 从己投产水平井的效果 看，水平井的单井投资是直并的1 8 2 8 倍，投产初期平均水平井单井产量是定向井的 2 3 4 5 倍) 。 大庆油田到2 0 0 4 年1 0 月，共完钻2 8 口水平井和侧钻井，正式投产2 0 口。从2 0 0 3 年 到目前新完井的水平并开发情况看，中区厚油层水平井挖潜的效果不好：2 口井含水偏 高( 五厂、六厂) ，1 口固井质量差尚未投产( 一厂) ；外围以八厂为代表，情况好于中区： 产能高于直井。胜利油田是国内水平井技术发展最快、应用规模最大的油田，在生产实 践中初步形成了一套比较成熟的水平井地质及油藏工程设计技术，水平井数量占全国的 8 0 5 。截至2 0 0 3 年8 月，胜利油田已累计钻水平井( 含侧钻水平井) 3 7 2 口，累计产油4 3 6 8 1 0 4t ，取得了良好的挖潜增油效果1 6 j 。 第章国内外硼f 宄脱状 胜利油同水平井的发展可划分为2 个阶段：1 9 9 1 1 9 9 4 年为科技攻关试验阶段，针 对稠油热采的特点逐渐形成一套从油藏类型筛选、精细描述剩余油分布、水平井轨迹优 化设计到钻井采油工艺较成熟的水平井配套技术。1 9 9 5 年以后为大规模推广应用阶段 水平井设计从单一稠油油藏推广到常规原油物性的各类油藏，从老油田挖潜转向新区产 能建设和老区调整共同发展。 胜利油田在水平井的发展过程中，实现了设计理念的3 个转移：第1 个转移是水平 井油藏类型的转移，由稠油油藏向常规油藏中的边、底水断块油藏、裂缝性油藏、整装 高含水油藏、地层不整合油藏等多油藏类型发展。水平井在老油田挖潜增效、提高采收 率中起到了巨大的作用，拓展了水平井的应用范围。第2 个转移是在常规油藏水平并设 计中，由单井设计转向老油田区块的整体水平井改造，并同时兼顾了老油田挖潜和新区产 能建设。第3 个转移是随着钻井技术尤其是地质导向技术的发展，水平井设计由从6m 以上的厚油层向3m 以下的薄油层、薄互层转移。经过1 0 多年的发展和应用，基本实现 了水平井地质设计、钻井轨迹设计、跟踪分析的计算机化，为水平井的发展提供了良好 的技术支撑。 国内各油田经过几十年的开发后大部分主力区块的主要产层都进入高含水阶段。在 高含水油藏内剩余油分布零散，平面上主要分布在断层附近、微构造高点及井网不完善 区域，而正韵律油藏剩余油主要分布在油层上部。高含水油藏打的水平井可以采出正韵 律油藏顶部和非主力油层的剩余油，改善老区块的开采效果。 尽管国内已有多家单位累计完成了多口分支井的试验，但总体来讲，规模不大，效 益也不够理想。其主要原因是：钻井工艺及井下工具尚不成熟，对分支井完井工具的研 究几乎空白，完井方式大多为裸眼完钻；对分支井配套技术的认识尚不全面，对分支井 应用模式、适应区域范围及储层特性等问题有待深入研究。 总体来说，我国从分支井工程设计技术、现场施工技术以及配套工具等各方面的技 术水平与世界先进水平之间存在较大差距，急需进行研究，以尽快缩短与世界先进水平 间的差距。 1 3 拟开展工作 本研究从分支井的轨道设计、轨道控制和完井研究等多个方面进行了阐述，主要加 强了对分支井开窗位置的计算，使开窗位置更科学合理。本项目研究的主要目的就是为 了解决当前多分支井在钻井及完井方面存在的一些工程技术问题，将从以下几个方面进 中圆石油大学【华东) 人学i 程坝+ i ：学位论义 行：1 、分支井类型及轨迹设计技术研究；2 、分支井轨迹控制设计技术研究；3 、分支 井完井设计技术研究：4 、分支井产能计算和影响因素分析。 第二荦分支j i ：类型及轨道控：创披术研究 第二章分支井类型及轨道设计技术研究 2 1 分支井井眼轨道设计方法研究 在分支井钻井过程中，诸多因素都会影响井眼轨迹，为了保证准确地钻达靶区，要 按照严格的设计步骤和方案对分支井进行施工。同时，在钻井过程中要及时对轨迹进行 校正，保证分支井准确地钻达靶区。 2 1 1 分支井的设计步骤 ( 1 ) 根据产层性质确定最优的分支井轨道； ( 2 ) 然后估计产能、对具有相似产能或压力的井筒分组、设计主井筒并联接到分支 井组井段、设计从主井筒至地面的井眼轨道； ( 3 ) 最后预测产能并评价项目的经济性。最重要的因素就是获得最优产能的轨道形 式。 2 1 2 主井筒的设计 井场位置的选择原则：分支井井场的选择和常规井一样，应当选择合适的位置。 ( 1 ) 井场地面要开阔平坦，便于旌工； ( 2 ) 交通要便利，便于装备、材料的进出； ( 3 ) 要有充足的水资源。 主井筒轨道设计原则：主井筒的轨迹应当尽量简单，以保证钻井完井的顺利进行和 主井筒与分支井眼之间有良好的连通性。主井筒可以根据需要钻至油藏，也可以钻至油 藏以上或以下。 2 1 3 分支井轨道设计影响因素研究 分支井轨道设计主要考虑两个因素，即地层特征和油藏特征。在进行设计的过程中， 要选择与地层和油藏匹配的井眼轨迹，以达到最大产能和最低成本的要求。 ( 1 ) 地层特征的影响 在分支井轨道设计中，应当考虑地层特征的影响。在三维井身剖面的最优设计中， e e o n o m i d e s 等人指出了渗透率的各向异性在设计丛式分支井井筒方位和间距的重要性， 因此，渗透率和应力的各向异性是很重要的影响因素。首先，如果垂直渗透率与水平渗 透率比值较小，当井眼方向与地层走向相平行时，在垂直方向上压力梯度下降，因此井 6 中国白油人学【牛东) 人学1 ：栏坝一j ：学位论义 眼应设计为垂直或倾斜的。另外，如果沿某一个层面方向渗透率较大，井眼轨道应该与 层面方向垂直，以增加产能。因此，在天然裂缝的油层中，分支井的方向应该与裂缝方 向垂直，这样可获得最高的产能。 进行水力压裂时，主应力的方向是至关重要的因素，水力裂缝的方向总是与最小应 力方向垂直。如果井深在6 0 0 m 以下，上覆岩石的压力往往超过岩石层面上的应力，因 此，水力压裂缝的方向为垂直方向，并在一定程度上受岩石层面上的应力差影响。所以， 在大斜度分支井和水平分支井中进行水力压裂时，如果井眼轨道不是沿最小应力方向， 则裂缝方向很可能沿与井筒相垂直的方向。在分支井中，如果压裂方向沿井筒横向，就 可提高裂缝导流能力，同时也能增加产量。因此，无论在需要砂控的高流动性地层进行 损害带压裂，或者在低流动性地层增加有效井眼直径压裂，井筒方向应尽量沿最小应力 方向。 采用分支井技术，主泄油井筒为水平方向，分支出多个垂直井筒，则可产生横向裂 缝，如图2 1 所示，a 图表示在水平水力裂缝地层钻水平井，b 图表示在水平水力裂缝 地层上部钻水平井，垂直的分支井与裂缝垂直。这表明，与普通水平井相比，分支井可 大幅度提高压裂效率。 图2 - 1 压裂水平井裂缝的几何特征 f i g2 - 1 g e o m e t r i c a lc h a r a c t e r i s t i co fc r a c ki nf r a c t u r i n gh o r i z o n t a lw e l l 确定了最优的井眼轨道，就可以进一步可确定井的间距和位置，与其它类型的井相 第二章分支川：类型及轨道控制技术m 究 比，分支井允许较近的分支间距。在海上钻井平台槽数有限，或在陆地上钻井时要减小 污染面积，或深油层要求较大的位移时，分支井开发的经济可行性大。 ( 2 ) 油藏特征的影响 适合单一油藏的分支井轨道 对于单一油层，如果钻反向双分支井，一般先钻上倾向分支。不过如果下倾方向生 产潜能较高，就先钻下倾向分支。这样可以在因为某种原因而无法钻上倾向分支井时， 将产量损失降到最低。 适合多产层油藏的分支井轨道 对于多油层的开采，可采取用上、中、下分布的多分支的水平井组，也可采用反向 多层分布的分支方式，或在同一直井中把成排的分支钻至不同的生产层，这取决于完井 的要求。一般先钻上层分支井，这样可沿井筒底边进行侧钻，工艺较简单。进行侧钻时， 可裸眼侧钻出分支，也可套管开窗或通过分支回接窗钻出分支井。若要钻井筒上方的分 支井，在要求的套管鞋处下入可回收的套管斜向器，磨铣出窗口，在下一个造斜点重新 座放斜向器之前钻分支。 适合于块状油藏的分支井轨道 杂乱无章地分布的块状油藏，纵向裂缝发育的油气藏，能否提高原油产量和采收率 的决定因素是分支井筒的数量，最好的办法是以众多的分支井密集地贯穿生产层整个厚 度。 表2 1 井眼轨迹设计标准 t a b l e2 - 1d e s i g nc r i t e r i ao f w e l lt r a c k 井眼轨迹 全部完成水力压裂 部一分：完成 油藏特征 的垂直井的垂直井 的垂直井 斜井水平井 ni广 _ 一 l ： 些= 汁 1 0 0 0 顶或 水层 n p l a c 压裂 的均 1 0 1 0 0 0 n p i a c 压裂 1 0 l “| l 1 0 0 叠加式平行井筒 1 0 1 0 0 0 n p ：a c 压裂l o k i l 1 0 0 1 0 】“i t 1 0 0 0 优先于垂直井 常规压裂 自然裂缝地层 正交裂缝 注水自然 与裂缝正交的近井 裂缝地层 距段位移平行井筒 厚隔层 i o k p 弋| l 卞 1 0 】“i t 1 0 0 1 0 0 常规压 卜l - 一 裂 薄砂岩隔层 每层段一个井筒 、 延伸隔层 沿延伸方向的单井 一 或与数个分支正交 的单井 弋 阁楼油地层 芝 一个井筒穿过 多个层段 每层一个井筒 9 第_ 二帝分支井类型及轨道控制技术州宄 2 2 分支井轨道设计 分支井轨道设计包括三个方面：造斜半径设计、井眼轨道设计和单条分支轨道设计。 2 2 1分支井造斜半径的选择0 1 分支井按照造斜半径可分为长半径分支井、中半径分支井、短半径分支并和超短半 径分支井四类，其中短半径分支井应用最为广泛【l l 】。 表2 - 2 分支井造斜半径 t a b l e2 - 2 w h i p s t o c k i n gr a d i u so fm u l t i - l a t e r a lw e l l 长半径中半径短半径超短半径 i 3 0 0 。 造斜率 k 2 8 6 5 ml p = 2 8 6 5 - - 8 6 mr = 1 9 1 5 7 3 mr f l l 后，随着造斜率进一步增大，套管上塑性区的范围会逐渐扩大，当p 大到 中国白油大学( 华东) 大学- 1 程硕- 上学位论文 某一值p n 时，套管横截面内径上两点e 、f 进入屈服，此时套管横截面上的应力分布及 塑性区范围如图4 1 3 所示，这种应力状态称为套管的l l 级屈服，此时套管所受弯矩为： = 却2 哲k d 4 s 矿1 两d d 所对应的井眼造斜率为： 岛= 器 磊称为套管的i i 级极限转角，( 。) 3 0 m 。 卜 ， ( 4 - 5 ) 4 3 2 分支井弯曲井段套管径向变形计算 根据有限单元分析法，利用分步法对套管在弯曲井眼中的变形进行计算分析：第一 步利用有限元三维管网单元模型求出套管在弯曲井眼内的初始变形；第二步利用有限元 三维板壳单元模型，计算套管的径向变形。 4 3 - 2 1 套管初始变形力学模型 一、研究对象 取弯曲井眼中的一段套管为研究对象，分三种可能存在的工况进行研究。 ( 1 ) 套管上未装扶正器，假设套管与井壁沿长度方向连续接触；视套管为光管柱。 ( 2 ) 套管上装有扶正器，套管有效居中，套管与井壁不接触。 ( 3 ) 套管上装有扶正器，套管扶正器安放不合理，套管与井壁存在点接触。 二、坐标系的建立 ( 1 ) 直角坐标，以套管的中心为坐标原点，套管的轴线方向为z 轴，指向井口为正； 受弯面为y o z 平面，绕x 轴转动，且符合右手法则( 图4 1 4 ) 。 ( 2 ) 柱坐标，以套管的中心为坐标原点，轴线方向为z 轴方向，指向井口为正：r 为套管外径，0 位于x o y 平面内( 图4 1 4 ) 。 第四牵分支j i ：完井设计技术研究 x 图4 - 1 4 计算模型直角坐标和柱坐标 f i g4 - 1 4r e c t a n g u l a rc o o r d i n a t ea n dc y l i n d r i c a lc o o r d i n a t ei nc o m p u t a t i o n a lm o d e l 三、套管初始变形计算 为了利用三维板壳单元求解出弯曲井段套管的径向变形，必须首先求出套管( 或扶 正器) 受井壁约束反力及轴向载荷等作用下的位移和转角。这里采用空间管网单元，计 算套管弯曲初始位移和转角。 单兀节点位移列阵记为： 慨 = b i , v i , 钆，色】r b ) = k ，y ，国，巳，岛】r 式中 i i i ，u ，单元两个节点沿x 方向的位移； 1 ，1 ，单元两个节点沿y 方向的位移； w ，w ，单元两个节点沿z 方向的位移； 以，钆两个节点绕x 轴的转角； 巳，两个节点绕y 轴的转角； 见，吒两个节点绕z 轴的转角。 中国石油大学( 华东) 大学1 _ 程坝 ：学位论文 单元位移为：p 广= 阿，彩r( 4 6 ) 同理对于节点列阵为： 亿) = q j ，q ”q ：，m ”m p ，m ：，t 以) = 兢，绋，锡，m 巧，m 剪，m 万f 单元节点力：护 e = i f t 口】 ( 4 7 ) 通过与平面杆系类似的推导方法，可以得出空间单元节点力与节点位移之间的关 系： 扭) 。= 妇 。+ 驴) 。= k r p ( 4 8 ) 式中 q 。由分布载荷移置的等效节点力； 皿广空间梁单元的刚度矩阵。 根据节点顺序，组合单元刚度矩阵成整体刚度矩阵k 】 医】- 陋】r d p b 毋比 式中 陋卜一单元应变矩阵； p 卜一单元材料有关的弹性矩阵。 陋) = 仁( 4 9 ) 通过求解整体刚度方程，求出各单元节点的位移及转角，为利用板壳单元计算套管 径向变形作好准备。 4 3 2 2 弯曲井段套管径向变形计算 一、网格生成 采用四节点等参单元网格，利用s u p e rs a p 中p r o g e n 板壳单元三维网格生成程序， 在圆周方向生成3 2 个节点，路径方向生成11 个点，共为3 5 2 个节点，3 2 0 个板壳单元。 同时，由于考虑到套管受弯后有沿y 轴的水平位移及绕x 轴的转角，还应加上1 2 8 个 边界单元( 在套管段两端每个节点上分别沿y 轴及x 轴加上平移和转动两个边晃单元) ， 套管的总节点数为4 8 0 ，如图4 。1 5 所示。 x 图4 一1 5 套管板壳单元接点划分示意图 f i g4 - 1 5 s c h e m a t i cd i a g r a mo fc a s i n gp l a t ea n ds h e l le l e m e n t sc o n t a c td i v i s i o n 二、单元的力学特性 ( 1 ) 选择位移模式 杪r = ) 8 式中 ( 4 一i o ) 杪) 8 单元内任一点的位移列阵； p r 单元的节点位移列阵： 【】形函数矩阵。 ( 2 ) 力学特性求解 四节点等参单元共有8 个自由度，引入局部坐标系孝、刁，局部坐标的原点取在矩 形的形心处，孝和7 7 轴分别与整体坐标轴x 和y 平行，其坐标变换关系为： x = x o + n fy = y o + 6 目 式中x o = g ，+ x 2 ) 2 = g ，+ x 。) 2 y 。= ：+ y ，) 2 = ( y ，+ y 。) 2 臼= ( x ：一x ，) 2 = ( x ，一x 4 ) 2 b = ( y ，一y ：) 2 = 。一) ，) 2 而g ，y ，) 是节点i 的整体坐标，浮1 , 2 ，3 ，4 。单元各边方程分别为：孝= 1 ，7 ：- 2 - _ 1 中国白油大学( 华东) 大学一【程坝- a ，学位论文 取位移模式： “= a l + 口2 孝+ a 3 r l + 0 4 孝，7 ( 4 1 1 ) ，= a s + 口6 掌+ a t r + 口8 f 刁 ( 4 - 1 2 ) 将节点的局部坐标值代入上式，则可用节点位移表示的位移模式为： 44 材= m ，v = f ( 4 - 1 3 ) i s ii s l 其中 n j = 0 + 专o x l + , 7 0 ) 4 彘= 参孝，r o = 仇刁；f = 0 , 2 , 3 ，4 ) 得扩 。= 墨= 丢4 【l p r ( 4 - 1 4 ) 式中 【l = m 【，】， ，= 仁：l ，慨 = l ：l o = t ，2 ，3 ，4 ) 利用几何方程： p = 陋弦 式中 话) 一单元内任一点的应变列阵； 陋卜一单元应变矩阵。 得 l a 甜 i a x p ) ：l i o v = 陋) 。= 陋，b ：，b ，b 。】p ) 。 l 删 i锄 加 l砂o x 式中 p y 单元上的节点位移列阵； 4 9 第p q 章分支井完井设计技术研究 式中 引入 陋，】- n j ，0 0 n ，。y n i 。y n i 3 虬- 烈- 夏- - = 融三l = l 耋丢；：丢ll i ：i = p 麓：l 式中j ，f = a 骘n , , n ，刁，7 蝣= 刁= 高 蝣= 秘刁= 考 】- 雅可比矩阵 有x ，孝= n 曲， 4 夕，孝= y ， 于是 l z ：二l = r l l ，三l ( 4 - 1 5 ) x 叶 。闰 i i 刁 x y 叮 m = 刁y 中国也油人学( 华东) 人学。r ：程坝士学位论文 所以 阱肾。 令 阢r = 其中的子矩阵为： k 驴】= 陋，r 【d 】陋，k 咄 k 1 3 k 1 4 k 2 3k 2 4 k 3 3k 3 4 k 4 3k 其中，t 为单元厚度。 单元节点位移与单元节点力的关系仍为： 阢rp ) = 仁) 。 其中载荷列阵： i r ) 。= 眇，k ，u ：，匕，u ，匕，u 。，r 式中 阢各节点沿x 方向的载荷 圪各节点沿y 方向的载荷 ( 4 - 1 6 ) o - 1 7 ) ( 4 1 8 ) 集合所有单元的刚度方程，建立整个结构的平衡方程，即得整体的刚度方程。根据 管网单元计算出的套管初始变形，即初始位移，即为各节点的位移约束。 根据约束条件和套管载荷，即可求出套管的径向变形。 由上面的分析可知，采用有限元三维管网单元和三维板壳单元分析方法，可以求解 水平井弯曲井段套管柱在不同工况下径向变形问题。分析表明，套管柱在弯曲井段的变 形，对套管柱的设计有明显的制约作用，为水平井弯曲井段套管柱设计提供了新的理论 第u q 章分支多l ：完j i ：设计技术研究 依据。计算分析表明：井眼曲率和轴向载荷对弯曲井段套管的径向变形都有显著的影响， 其影响规律是：随着井眼曲率的增加，径向变形量随之增加；随着轴向载荷的增大，径 向变形量也随之增加。现场实验表明，套管的径向变形规律是：套管上未装扶正器，套 管与井壁连续接触变形量最小：套管上装有扶正器，套管柱有效居中变形量次之；套管 上装有两个扶正器，两扶正器之间套管与井壁有点接触的变形量最大。在具有较高井眼 曲率的弯曲井段，进行套管柱设计时，所用扶正器必须使套管达到有效居中，以减少作 业的风险性。 4 4 分支井完井管柱设计 分支井完井主要的问题是要解决结合处的隔离性，连通性和可再进入的问题，其他 过程和普通水平井类似。 图4 - 1 6 多分支井回接系统完井管柱示意图 f i g4 - 1 6c o m p l e t i o np i p ed i a g r a mo fm u l t i - l a t e r a lw e l lt i e b a c ks y s t e m 中国石油犬学( 毕东) 人学1 程帧1 j 学位论文 一 图4 - 1 7 多分支井回接系统示意图 f i g4 - 1 7 s c h e m a t i c d i a g r a mo fm u l t i - l a t e r a lw e l ls y s t e m 环空1 图4 - 1 8 多分支井回接系统环空示意图 f i g4 - 1 8 s c h e m a t i cd i a g r a mo f m u l t i l a t e r a lw e l lt i e - b a c ka n n u l u ss y s t e m 如图4 16 所示：该设计基本满足分支井的三个特性，可以实现分采，上部分支井 眼采用有杆泵，下部分支采用电潜泵。该系统的缺陷是只能用于双分支井。 图4 1 7 和图4 1 8 是分支井回接系统的示意图，该系统由两个油管构成，一个油管 在另一个油管的内部，外管的一侧有一个窗口，作为内管的出口，因此绕丝筛管就能通 j 内管，由外管的宙【i 进 分支井筒，主井笥的7 l 产u t 以通过内外管道z 司的环空进行。 45 设计应用实例 451 高3 - 4 17 f p 并设计 高3 - 4 1 7 井是辽河油田高升采油厂高l o 块的一u 长停井，由于井下落物无法正常 生产。根据该区块的地质情况，研究决定进行侧钻双分支水平井恢复产量。该井主井眼 套管为7 ”套管，开采目的层为普通稠油，是利用老井新侧钻两口侧钻水平井。两口侧 钻水平井的目的层为同一压力层系，由于中间有断层，所以水平入靶点垂深有定的变 化。 圈4 1 9 高3 4 1 7 积分支井抖位部署图 f i g4 1 9 g a o3 1 7 w e l la l l o c a t i o nd i a g r a mo r t w o b r a n c h e d w e l l 十目 学( 1 # e ) 1 地t 学论i 图4 - 2 0 高3 4 - ”职分支水平井三维轨迹示圈4 - 2 1 高3 1 7 井完井管拄示意图 f 噜4 2 0 3 dt r a c k d i a g r a m o f g a 0 3 - 4 - 1 7 f i g4 - 2 1c o m 川e t i o us t r i n gd i a g r a mo fg a o 4 5 2 马古i - 8 8 多分支井设计 马古i - 8 8 井是部署在辽河油田重点勘探区块马古1 断块的1 口3 分支评价井。马 古1 块是由一条北东走向断层和两条近东西向的反向正断层交切围成的断裂背斜，太古 界顶面圈闭面积8 0 k m 2 ，顶点埋深3 8 0 0 m ，幅度5 0 0 m 。根据兴隆台地区钻遇太古界井 资料分析：太古界岩性基本由花岗片麻岩、混合岩化花岗岩组成，油气主要富集于裂缝 发育带上。该块太古界潜山储层为裂缝型储层。经钻井证实，马古1 块为构造气顶油气 藏。该块原油密度为07 8 0 6 8 c m 3 ，粘度( 2 0 c ) 22 7 m p as ，凝固点1 2 ，含蜡25 8 ， 胶质沥青质含量58 9 ，为品质较好的稀油。天然气相对密度为06 8 9 2 ，甲烷含量 8 56 6 9 乙烷含量8 1 2 6 ，为湿气。 根据马古1 - 8 8 井的钻井设计，该井主井筒采用2 4 4 m m 的技术套管，下到太古界潜 山的顶部。用2 1 5 n l r n 钻头钻进潜山，下入1 7 8 1 1 1 3 的筛管。然后在3 4 0 0 多米的位置， 分别侧钻出2 个分支并眼。每一个分支井眼采用多分支井完井技术下入1 7 8 m m 技术尾 管到潜山顶部并固井后，再进一步用1 5 2 m m 的钻头钻进潜山井段并裸眼完井。该井主 井筒、分支井眼在潜山段的钻进中，均采用欠平衡钻井技术。 * $ 分土* 完m - h m m ，、 马古多分又井完并管柱示意图 万涩基。 罔4 - 2 2 马古1 - 8 - 8 井完井管柱设计 f i g4 - 2 2c o m p l e t i o ns t n n gd e s i g n o fm a g u 罔42 34 马古1 - 8 一r 分支水平井= 维轨迹示 f i g4 - 2 3 3 - dt r a c kd i a g r a mo f m a