摘要：為解決大港油田大型井叢場開發(fā)過程中井間防碰風(fēng)險大、軌道優(yōu)化難和鉆井提速難等問題，根據(jù)地質(zhì)-工程一體化研究思路，進行了井網(wǎng)部署、井眼軌道及防碰設(shè)計、井身結(jié)構(gòu)及配套提速工具等關(guān)鍵技術(shù)研究，建立了直線法/直線-圓心法井口-靶點匹配關(guān)系、剖面類型設(shè)計優(yōu)先級層序、造斜點“V”字型設(shè)計法則、井身結(jié)構(gòu)與一趟鉆提速工藝模板，形成大港油田大型井叢場高效鉆井技術(shù)。該技術(shù)在大港油田進行了現(xiàn)場應(yīng)用，其中港西二號大型井叢場作為大港油田陸上最大規(guī)模井叢場，在0.04km2井場實現(xiàn)了56口井的安全規(guī)模開發(fā)，節(jié)約井場征地、鉆井搬遷等費用1200萬元，平均單井鉆井周期4.42d，機械轉(zhuǎn)速48.64m/h。研究與現(xiàn)場應(yīng)用表明，大型井叢場高效鉆井技術(shù)在提升井場利用率、縮短鉆井周期、提高機械轉(zhuǎn)速及降成本方面效果顯著，為大港油田效益開發(fā)提供了技術(shù)支撐。

　　關(guān)鍵詞：井叢場;井網(wǎng)部署;井眼軌道;防碰;地質(zhì)-工程一體化;大港油田

　　大港油田以復(fù)雜斷塊油藏為主，經(jīng)歷50多年的注水開發(fā)和多輪次調(diào)整挖潛，呈現(xiàn)地下開發(fā)程度高、地面產(chǎn)能建設(shè)用地緊張局面，同時存在開發(fā)成本高難題，常規(guī)單井開發(fā)模式難以實現(xiàn)效益開發(fā)與可持續(xù)發(fā)展。井叢場鉆井將多口井部署到一個井場或平臺，整體規(guī)劃，集中作業(yè)，可緩解地上、地下矛盾，減少作業(yè)時間，滿足提高鉆井速度、降低鉆井成本需求。2018年以來，大港油田井叢場開發(fā)進入快速發(fā)展階段，呈現(xiàn)“大井叢、多層位、多井型、工廠化、立體式”特征[1-3]，同時油區(qū)完鉆井網(wǎng)密度高，斷層、特殊巖性發(fā)育易造成氣侵、溢流等工程復(fù)雜，因此大型井叢場鉆井設(shè)計中井網(wǎng)部署、井間防碰設(shè)計、井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化及鉆井提速設(shè)計均受限制，制約油田高效開發(fā)。

　　國內(nèi)外學(xué)者主要采用理論推導(dǎo)和計算機數(shù)值模擬的方法[4-7]，進行了叢式井平臺位置優(yōu)選、井口靶點匹配、井眼軌道設(shè)計和軌跡控制等方面的研究。筆者在前人研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合大港油田井叢場開發(fā)生產(chǎn)實踐，綜合考慮地質(zhì)、工程因素對井叢場鉆井技術(shù)的影響，進行了井網(wǎng)部署、單井設(shè)計剖面類型、參數(shù)優(yōu)化和防碰技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)研究，形成了直線法、直線法與圓心法相結(jié)合的井口靶點匹配關(guān)系，建立了設(shè)計井型優(yōu)先級排序，提出了相鄰設(shè)計井造斜點“V”形排列法則，解決了大型井叢場鉆井技術(shù)難題。現(xiàn)場應(yīng)用后，提高了鉆井速度、縮鉆了鉆井周期，降低鉆井成本效果顯著。

　　1大型井叢場鉆井技術(shù)難點

　　大港油田主要位于天津市濱海新區(qū)和河北省渤海新區(qū)，區(qū)域內(nèi)自然保護區(qū)、生態(tài)農(nóng)業(yè)保護區(qū)眾多，環(huán)境保護要求高，產(chǎn)能建設(shè)用地緊張。油田屬于典型復(fù)雜斷塊油藏，主力油藏黃驊坳陷儲層非均質(zhì)性強，發(fā)育多套含油層系，埋深700～4300m，地下靶點分散，整體井網(wǎng)部署難度大;地質(zhì)情況復(fù)雜，特殊巖性、斷層發(fā)育，制約大型井叢場鉆井工程設(shè)計優(yōu)化。同時，油田進入開發(fā)中后期，開采成本高，產(chǎn)能建設(shè)成本年均增長5%以上，大型井叢場鉆井工程設(shè)計需滿足降本增效要求。分析認為，大型井叢場主要存在以下鉆井技術(shù)難點：

　　1)設(shè)計井?dāng)?shù)多，井口間距小、排列形式多樣，井間防碰設(shè)計難度大。大港油田處于勘探開發(fā)中后期，大型井叢場多為老區(qū)加密井場，為提高井場利用率，單平臺設(shè)計規(guī)模通常在3口井及以上，井口間距在2.50～6.00m;井場條件受限，井口排列形式存在多樣性，如單排排列、雙排排列和“L”形排列等方式;地下靶點方位、深度分散錯綜，因此設(shè)計井間防碰影響大。油區(qū)歷經(jīng)多年開發(fā)，地下開發(fā)程度高，完鉆井網(wǎng)密度高，典型區(qū)塊井網(wǎng)密度達44口/km2，且多數(shù)完鉆鄰井完鉆年代久，井身數(shù)據(jù)可靠性差，單井設(shè)計發(fā)生碰撞概率在90%以上，設(shè)計井與完鉆鄰井間防碰問題突出。

　　2)同平臺應(yīng)用井型多樣，單井軌道優(yōu)化受制約。為提高單井利用率，實現(xiàn)一井多目標要求，同平臺井型應(yīng)用常規(guī)定向井、大位移井和水平井等多種開發(fā)井型。受井口及靶點位置限制，因靶前距不足、偏移距大造成的三維水平井、大斜度井比例增大，同時伴有設(shè)計靶點深度大和水平段、大斜度段長等特點，因此單井軌道優(yōu)化時需綜合考慮合理消除偏移距、鉆具受力和摩阻扭矩等多種因素。目前頁巖油開發(fā)井叢場設(shè)計靶點垂深普遍大于3500m，井口偏移距最長達867m，最長水平段1700m，軌道設(shè)計過程中易出現(xiàn)水平段鉆具托壓嚴重、摩阻扭矩大和套管下入難等問題，井眼軌道優(yōu)化空間小。

　　3)井控風(fēng)險大，井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化與鉆井提速難度大。大港油區(qū)淺層大型井叢場主要位于港西油田，深層大型井叢場主要位于滄東頁巖油開發(fā)區(qū)。港西油田經(jīng)長時間注水注聚，高低壓地層并存，地層縱向壓力差異大，鉆井溢流、井漏頻發(fā)，大部分為失返性漏失，且存在淺層氣，井漏誘發(fā)井噴風(fēng)險高。滄東頁巖油開發(fā)井目的層孔二段埋藏較深，垂深普遍在3800m左右，沙河街組、孔一段存在廣泛分布的生物灰?guī)r、玄武巖及輝綠巖特殊易漏巖性地層，井漏風(fēng)險高;目的層主要為砂泥巖互層和白云質(zhì)泥巖，水平鉆進時鉆頭進尺少，機械鉆速慢。同時，長水平段鉆進時采用常規(guī)破巖方式的能量有效利用率低，機械破巖能量不足。該區(qū)塊水平井平均機械鉆速只有7.06m/h，整體鉆井速度偏低，嚴重制約了效益勘探開發(fā)。

　　2大型井叢場鉆井關(guān)鍵技術(shù)

　　針對大型井叢場鉆井技術(shù)優(yōu)化存在的難點，綜合地質(zhì)需求、工程難度、后期工藝因素，以降防碰風(fēng)險，降施工難度，提鉆井速度，降鉆井成本為原則[8-12]，地質(zhì)-工程一體化進行井網(wǎng)部署、單井井眼軌道、井組防碰設(shè)計、井身結(jié)構(gòu)及一趟鉆鉆井工藝等技術(shù)研究，保證大型井叢場鉆井的施工質(zhì)量和效率。

　　2.1地質(zhì)工程一體化井網(wǎng)優(yōu)化

　　2.1.1井網(wǎng)部署優(yōu)化

　　以滿足地質(zhì)需求、安全健康環(huán)保要求為基礎(chǔ)，依照效益最優(yōu)原則，整體優(yōu)化平臺井?dāng)?shù)、井型。結(jié)合大港油田井叢場應(yīng)用實踐，地質(zhì)-工程一體建立常規(guī)定向井、大斜度井、大位移井、水平井等多目標井型井眼軌道優(yōu)化的優(yōu)先級排序，形成復(fù)雜多目標井的靶區(qū)軌道設(shè)計模型，以實現(xiàn)無關(guān)聯(lián)靶點間的軌道高效設(shè)計，其中常規(guī)定向井的井斜角宜控制在45°以內(nèi)，井底位移宜在700m范圍內(nèi)。以港西一號大型井叢場為例，該井場原方案設(shè)計槽口30個，部署地質(zhì)目標點40個，井口間距5m。結(jié)合油藏特征，地質(zhì)、工程協(xié)同將原方案中常規(guī)井西9-14-3井、西8-14-2井優(yōu)化為水平井西8-14-2H，提高單井利用率，實現(xiàn)一井多目標的目的。

　　原方案中某設(shè)計井由于井底位移635.44m，造斜點優(yōu)化至100.00m,造斜率優(yōu)化為3.5°/30m后，井斜角仍達到62.78°，存在造斜點淺、井斜角大等難點。本區(qū)明化鎮(zhèn)組淺層和館陶組儲層疏松易出砂，大井斜不利于鉆進過程中攜巖屑砂巖要求;同時大井斜后期泵掛位置選擇難，測井、錄井費用高，因此建議取消部署該井。經(jīng)優(yōu)化，最終設(shè)計整體方案由28口優(yōu)化為24口，結(jié)合該井場2口已完鉆井，形成26口井規(guī)模井叢場，集中使用1～26號槽口，節(jié)省已部署槽口數(shù)量，為后期井場加密及調(diào)整預(yù)留良好空間;井口間距由5.00m優(yōu)化為6.00m，利于上部井段進行防碰設(shè)計，降低防碰風(fēng)險，保障安全施工。

　　2.1.2井口-靶點匹配優(yōu)化

　　按照井口單排排列、多排排列形式進行井口-靶點匹配研究，滿足井網(wǎng)部署優(yōu)化要求。首先針對單排和多排井口利用直線法，多排井口利用直線法與同心圓法結(jié)合，遵循位移最小原則[13]，將各井口、靶點劃分區(qū)域，同一區(qū)域內(nèi)按照靶點位移(距井口排中心點)由大到小的順序，由內(nèi)及外、由近及遠依次將其匹配至最近井口。

　　實踐中，通常首先利用專業(yè)設(shè)計軟件，按照水平位移不相交原則，快速求出井口與靶點的最優(yōu)分配結(jié)果;然后結(jié)合井場擺放位置、大門方向、生產(chǎn)要求及防碰需求，進行井口-靶點匹配調(diào)整。為避免定向造斜時磁性測斜儀器由于鄰井套管影響產(chǎn)生磁干擾而形成的測量誤差，保障井身軌道質(zhì)量，通常優(yōu)先部署水平位移大、造斜點位置淺的設(shè)計井，后部署位移小、造斜點深的設(shè)計井[14-16]，為同井場待鉆井預(yù)留良好軌道空間。經(jīng)初步匹配及調(diào)整，制定井叢場平臺軌道初始方案，為下一步的軌道精細調(diào)整與優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。

　　2.2井眼軌道與防碰設(shè)計優(yōu)化

　　井眼軌道優(yōu)化指在滿足現(xiàn)場工具能力與防碰安全的要求下，通過優(yōu)化剖面類型及軌道參數(shù)，取得最優(yōu)鉆井進尺及扭矩/摩阻，降低鉆進過程中施工難度，減少井下事故，達到縮短鉆井周期，降低鉆井成本及保障后續(xù)完井、測試、修井和采注等作業(yè)順利實施的目的。

　　2.2.1剖面類型優(yōu)選

　　大型井叢場井眼軌道設(shè)計時，為保障防碰安全，降低施工難度，剖面設(shè)計力求簡單化。針對靶前位移較小的井，優(yōu)先考慮單增剖面(直井段-造斜段-穩(wěn)斜段)，針對靶前位移充足設(shè)計井，可優(yōu)化為雙增剖面(直井段-造斜段-穩(wěn)斜段-增斜段-穩(wěn)斜段)或者五段制剖面(直井段-造斜段-穩(wěn)斜段-降斜段-直井段)，實現(xiàn)在上部井段提前造斜，減少設(shè)計井上部直井段與其他鄰井并行長度，減小防碰風(fēng)險。羊三木一號井叢場的某水平井井眼軌道設(shè)計過程中，該井靶點位移640m,預(yù)設(shè)單增軌道與雙增軌道進行比較分析優(yōu)選。

　　1)雙增剖面在造斜井段與增斜段之間加入穩(wěn)斜設(shè)計作為調(diào)整段，便于鉆進時進行軌道偏離的糾正，有利于安全鉆進;2)單圓弧剖面造斜點深，與鄰井并行防碰井段長，不利于井間防碰，雙增剖面則可通過提前造斜把并行防碰井段優(yōu)化在最小范圍內(nèi)，便于鉆進時軌道偏離的糾正，有利于安全鉆進;3)雙增剖面鉆井進尺相對于單圓弧剖面進尺減少104m，因此推薦選擇雙增剖面井眼軌道。

　　2.2.2造斜點、全角變化率和井斜角優(yōu)化

　　造斜點、全角變化率和井斜角的設(shè)計直接影響實鉆過程中井眼軌跡控制難度。造斜點過淺，造斜率過大，易出現(xiàn)方位不穩(wěn)定，發(fā)生漂移;設(shè)計造斜點過深，造斜率過小，則容易出現(xiàn)過大井斜角，鉆井過程中易導(dǎo)致扭方位困難，轉(zhuǎn)盤扭矩大，井眼攜砂能力差等問題，并容易發(fā)生井壁坍塌等現(xiàn)象。

　　同時，考慮后期施工工藝，若井斜角過大，后期測井和完井作業(yè)施工難度大，對采注舉升等工藝造成困難。從防碰安全角度分析認為，井叢場軌道防碰多在上部井口，造斜點淺，設(shè)計井與與鄰井防碰關(guān)系安全，伴隨造斜點增加，與同井場設(shè)計井防碰系數(shù)降低造斜點不易過深，避免段增加上部防碰井段。結(jié)合大港油田地層特性，進行多因素條件下的井眼軌道參數(shù)研究，井叢場常規(guī)定向井造斜點范圍優(yōu)選為150～1100m，造斜率(1.5°～3.6°)/30m，井斜角15°～45°。

　　王官屯油田某平臺單井J23-52井上部平原組底界深度320m，地層松軟，造斜過程中易垮塌，不適合定向作業(yè)，該區(qū)開發(fā)井表層套管通常封固平原組地層，為避免一開大井眼造斜，二開后井深350m處開始造斜，小井眼提高定向效率，提高鉆速，預(yù)設(shè)多條井眼軌道進行剖面參數(shù)優(yōu)選：伴隨造斜點加深，全角變化率增大，井斜角呈增大趨，至造斜點800m，井斜角為47°;結(jié)合防碰設(shè)計需求，至造斜點600m,該設(shè)計井與鄰井J17-47井的防碰系數(shù)已降至1.0，因此造斜點繼續(xù)加深，已存在與鄰井相撞風(fēng)險，實施風(fēng)險大，因此該井最優(yōu)造斜點范圍取值為320～550m。

　　2.2.3防碰技術(shù)

　　淺層大型井叢場，井間防碰在各設(shè)計井間上部垂直井段尤為突出，常規(guī)井型通過相鄰設(shè)計井造斜點“V”形設(shè)計，即相鄰設(shè)計井造斜點位置錯開30～50m,進行上部防碰設(shè)計,及時優(yōu)化防碰距離，保障在上部井段最近距離不小于相鄰設(shè)計井間井口距，避免設(shè)計井間空間軌道交叉，降低防碰風(fēng)險[17-18]。

　　為解決水平井、大位移井組井口間距小、垂直井段并行距離長和防碰井段深難題，通過01234502004006008001000井場造斜點造斜點造斜點造斜點造斜點T1T2T3T4T5中心350m400m500m600m700m800m900m1000m1100m1000120003009001500180021002400靶點600120027001600004006008001400垂深/m/m/m0200水平位移/m分離系數(shù)J13-43J17-47J13-41造斜點/m上部提前小角度預(yù)斜、下部雙增七段制三維剖面優(yōu)化防碰設(shè)計。某區(qū)塊頁巖油開發(fā)水平井組井叢場部署6口水平井，最大偏移距494m，平均井深5017m，平均水平段長1421m，井口間距6.00m，目標層位深，上部垂直井段并行距離長，考慮后期工廠化壓裂作業(yè)需求，水平段呈平行排列方式，深部目標點入窗前空間交叉。

　　結(jié)合軌道優(yōu)化與地層發(fā)育特征，進行防碰設(shè)計：進入二開井段后設(shè)計出5°～10°井斜角，使上部井段之間避開防碰;下部采用“V”形設(shè)計法則，三開入窗前相鄰設(shè)計井間的造斜點錯開30～50m，減少入窗前井段間防碰，通過優(yōu)化防碰設(shè)計，使各井間防碰系數(shù)均大于1.0或防碰距離大于15m，降低防碰風(fēng)險;結(jié)合地層發(fā)育玄武巖、斷層等特征，確保在特殊巖性地層穩(wěn)斜通過，避免定向調(diào)整井段，保障井身質(zhì)量，提高機械鉆速。

　　3現(xiàn)場應(yīng)用

　　2018年以來，大港油田大型井叢場應(yīng)用以上技術(shù)，共建成6口井以上的井叢場28個，井叢場鉆井?dāng)?shù)量占產(chǎn)能井總數(shù)68.2%，井場土地征用減少5.885km2，鉆井周期縮短11.9%。其中，港西一號井叢場成為中石油示范井叢場，2020年實施的港西二號大型式井叢場為目前大港油田陸上最大規(guī)模井叢場。港西二號井叢場位于港西油田四區(qū)斷塊，開發(fā)明化鎮(zhèn)組、館陶組2套層系，槽口呈雙排四組排列，排間距8.00m，井口間距5.00m，共設(shè)計部署56口井，其中水平井6口。

　　研究區(qū)內(nèi)井網(wǎng)密集，老井眾多，前期涉及老井200余口，井間防碰形勢嚴峻。針對目標點位移較大和防碰困難的常規(guī)井，利用井間防碰技術(shù)，采用雙增剖面和三維繞障剖面，其中三維繞障井占比19.6%;針對靶前位移充足的水平井，采用雙增剖面，縮短設(shè)計進尺170余米;地質(zhì)目標優(yōu)化50井次，井眼軌道優(yōu)化200余井次，整體方案調(diào)整9輪次，實現(xiàn)井間最小安全距離3.20m，最小分離系數(shù)0.878。通過鉆井技術(shù)優(yōu)化，該平臺鉆井節(jié)約總進尺505m，鉆井液重復(fù)利用180m3。鉆井施工過程中采用“工廠化”批鉆井模式，2臺大鉆機的搬遷和安裝時間錯開，多口井依次一開、固井、二開、固井，所有設(shè)備在鉆機上協(xié)同運行，鉆井、固井和測井設(shè)備無停待，提高了設(shè)備、人員和組織的施工效率，縮短了整體鉆井時間，提速效果明顯。與港西二區(qū)單井相比，鉆井周期縮短17.6%，機械鉆速提高45.13%。

　　4結(jié)論與建議

　　1)綜合地質(zhì)需求、鉆井難度、后期工程工藝、建設(shè)成本等要求，開展了地質(zhì)-工程一體化大型井叢場井網(wǎng)部署研究，建立了井口-靶點匹配關(guān)系，并進行井叢場實施井?dāng)?shù)、井型和施共順序優(yōu)化，滿足了大井叢效益最優(yōu)化需求。2)井眼軌道設(shè)計及優(yōu)化是大型井叢場高效鉆井工藝優(yōu)化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，通過剖面類型優(yōu)選、軌跡參數(shù)精細優(yōu)化，可以解決大型井叢場井間防碰難題，降低鉆井風(fēng)險;可以優(yōu)化鉆井進尺，降低鉆井難度，為安全、高效、經(jīng)濟鉆井提供良好的軌跡空間。

　　3)結(jié)合區(qū)域構(gòu)造及地質(zhì)發(fā)育特征，進行了適合各井叢場的井身結(jié)構(gòu)、“一趟鉆”鉆具組合和鉆井參數(shù)等配套技術(shù)研究，減少了井下復(fù)雜，提高了機械鉆速，保障了鉆井提速。4)大型井叢場鉆井工藝優(yōu)化方法解決了地上、地下矛盾，在提高鉆井速度、降低鉆井成本方面效果較好;但受復(fù)雜斷塊油藏地質(zhì)特征影響，需要進一步研究深層水平井組大型井叢場平臺規(guī)模與提速技術(shù)，提高深層水平井組大型井叢場技術(shù)推廣與應(yīng)用效果。

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　　作者：王國娜1，張海軍1，孫景濤1，張巍2，曲大孜1，郝晨1