目標(biāo)垂深不確定條件下的水平井軌道設(shè)計(jì)

孫騰飛，高德利，杜剛，張輝

（1.中國(guó)石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院，北京 102249；2.中國(guó)石油新疆油田公司，新疆 克拉瑪依 834000）

目標(biāo)垂深不確定條件下的水平井軌道設(shè)計(jì)

孫騰飛1，高德利1，杜剛2，張輝1

（1.中國(guó)石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院，北京 102249；2.中國(guó)石油新疆油田公司，新疆 克拉瑪依 834000）

目標(biāo)垂深不確定在水平井鉆井中是普遍存在的情況，這使得水平井井眼準(zhǔn)確進(jìn)入目標(biāo)窗口的難度大大增加，甚至導(dǎo)致脫靶。文中提出了解決目標(biāo)垂深不確定時(shí)水平井軌道設(shè)計(jì)問題的基本思路和方法。采用雙增型水平井軌道設(shè)計(jì)出中間穩(wěn)斜段的最佳穩(wěn)斜角，在鉆進(jìn)過程中及時(shí)發(fā)現(xiàn)標(biāo)志層或油層頂界面等方法，可以解決目標(biāo)垂深不確定的問題。在前人基礎(chǔ)上，同時(shí)考慮標(biāo)志層傾角和儲(chǔ)層傾角不平行的情況，對(duì)最優(yōu)穩(wěn)斜角的計(jì)算公式進(jìn)行了推導(dǎo)，最后采用2個(gè)算例進(jìn)行了驗(yàn)證。

水平井；目標(biāo)垂深；不確定；軌道設(shè)計(jì)；雙增剖面

水平井鉆井技術(shù)是在定向井技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)鉆井技術(shù)［1］。水平井具有擴(kuò)大油氣層裸露面積、提高油氣井單井產(chǎn)量、提高油氣采收率等特點(diǎn)，對(duì)于薄層油氣藏、高壓低滲透油氣藏等特殊油氣藏，水平井具有很好的開發(fā)效果［2-6］。水平井軌道設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確與否十分關(guān)鍵，通常水平井軌道的基本形狀有2種：一種是單增軌道，由“直—增—平”三段組成；另一種是雙增軌道，由直井段、第一增斜段、穩(wěn)斜段、第二增斜段和水平段組成，其突出特點(diǎn)是在2段增斜段之間設(shè)計(jì)了一段穩(wěn)斜調(diào)整段，以調(diào)整目標(biāo)垂深誤差造成的軌道偏離［7-10］。在使用導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的中、長(zhǎng)半徑水平井中，常會(huì)遇到造斜率確定而目標(biāo)垂深不確定的情況［8，11-12］，筆者提出了解決目標(biāo)垂深不確定問題的基本思路和方法。

1 基本思路

韓志勇詳細(xì)介紹了在目標(biāo)垂深不確定情況下軌道設(shè)計(jì)的思路［13-14］。如圖1所示，目標(biāo)垂深不確定是指窗心垂深DΕ可能變化，窗心可能提前到E′點(diǎn)，也可能滯后到E″，實(shí)際窗心在E′和E″之間。不管實(shí)際窗心如何變化，都要求井眼準(zhǔn)確進(jìn)入窗口。顯然，關(guān)鍵在于第二造斜點(diǎn)的選擇。自M點(diǎn)第二次造斜鉆進(jìn)至P點(diǎn)，井眼方向完全對(duì)準(zhǔn)窗心，再穩(wěn)斜鉆進(jìn)PE段即可進(jìn)入窗口。當(dāng)窗心提前到E′點(diǎn)時(shí)，選M′點(diǎn)為第二造斜點(diǎn)，此時(shí)穩(wěn)斜段長(zhǎng)度等于0，而滑行長(zhǎng)度P′E′最長(zhǎng)；當(dāng)窗心滯后到E″點(diǎn)時(shí)，選M″為第二造斜點(diǎn)，此時(shí)穩(wěn)斜段長(zhǎng)度M′M″最長(zhǎng)，而滑行長(zhǎng)度等于0。

圖1 目標(biāo)垂深不確定時(shí)的軌道設(shè)計(jì)

式中：δ為標(biāo)志層或油層頂界面至目標(biāo)中心線的距離，m；αopt為最優(yōu)穩(wěn)斜角，°；αE為儲(chǔ)層傾角，°；R2為第二造斜段曲率半徑，m。

但是式（1）只是為了現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算簡(jiǎn)便而使用的，與實(shí)際最優(yōu)值之間會(huì)有一定的誤差，因此，本文利用韓志勇的設(shè)計(jì)思路對(duì)最優(yōu)穩(wěn)斜角的計(jì)算公式進(jìn)行了重新推導(dǎo)，同時(shí)考慮了標(biāo)志層傾角和儲(chǔ)層傾角不平行的情況以及測(cè)斜工具距鉆頭的長(zhǎng)度，以期得到可靠的、可現(xiàn)場(chǎng)使用的實(shí)際最優(yōu)井眼軌道設(shè)計(jì)參數(shù)。

M點(diǎn)最好選在油層頂界面或油層之上的標(biāo)志層的下界面，由于油層厚度或標(biāo)志層距油層的距離變化很小，所以在鉆進(jìn)過程中，根據(jù)錄井或測(cè)井資料，只要鉆遇油層頂界或標(biāo)志層，就可準(zhǔn)確判斷窗心垂深。另外要選擇一個(gè)最優(yōu)穩(wěn)斜角αopt，使得不管M點(diǎn)在何處出現(xiàn)，從M點(diǎn)第二次造斜都可以在給定的造斜率下準(zhǔn)確鉆達(dá)P點(diǎn)，并使井眼方向?qū)?zhǔn)窗心。

韓志勇在設(shè)計(jì)目標(biāo)垂深不確定的水平井軌道時(shí)，采用的最優(yōu)穩(wěn)斜角計(jì)算公式為［15］

2 軌道設(shè)計(jì)

2.1 目標(biāo)層和標(biāo)志層不平行時(shí)軌道設(shè)計(jì)

如圖1所示，中間穩(wěn)斜段長(zhǎng)度M′B=M′M+MB，

其中

又因?yàn)镸N=EE′，所以

式中：αM為標(biāo)志層井斜角，°；ρ為測(cè)斜工具距鉆頭的長(zhǎng)度，m；DE為窗心垂深，m；DE′為窗心可能提前的垂深，m。

根據(jù)

化簡(jiǎn)得

式中：PE為滑行段的長(zhǎng)度，m；αE為目標(biāo)層傾角，°。

因?yàn)镸′B′－M′B=BB′=MM″=M′M，所以

再由式（2）可得滑行長(zhǎng)度PE：

目標(biāo)層和標(biāo)志層不平行時(shí)軌道剖面如圖2所示，從圖2可得

式中：δ為目標(biāo)層中點(diǎn)與標(biāo)志層界面之間的垂直距離，m；L為鉆頭進(jìn)入標(biāo)志層時(shí)與標(biāo)志層的交點(diǎn)到靶點(diǎn)垂線與標(biāo)志層交點(diǎn)的距離，m。

聯(lián)立式（8）和式（9），化簡(jiǎn)得

圖2 目標(biāo)層和標(biāo)志層不平行時(shí)的軌道剖面

將式（7）代入式（10）即可得到αopt的計(jì)算式，然后再代入式（3）和式（7）就可以得到中間穩(wěn)斜段和滑行段PE的長(zhǎng)度。

2.2 目標(biāo)層和標(biāo)志層平行時(shí)軌道設(shè)計(jì)

目標(biāo)層和標(biāo)志層平行時(shí)軌道剖面如圖3所示，從圖3可得

聯(lián)立式（11）和式（12）可得

圖3 目標(biāo)層和標(biāo)志層平行時(shí)的軌道剖面

因?yàn)槟繕?biāo)層和標(biāo)志層傾角相同，所以αM=αE，因此式（2）可以表示為

因?yàn)镸N=EE′，所以

因此穩(wěn)斜段的長(zhǎng)度為

滑行段的長(zhǎng)度為

3 算例

給定設(shè)計(jì)條件：αE=85°，αM=88°，第一造斜段曲率半徑R1=214.875 m，造斜率8（°）/30 m，R2=143.25 m，造斜率12（°）/30 m，HE′=2 093.7 m，HE=2 100 m，HE″=2 106.3 m，δ=8 m。

目標(biāo)層和標(biāo)志層不平行時(shí)，軌道設(shè)計(jì)結(jié)果如下：

αopt=72.98°，PE=23.32 m，M′B=32.29 m。

目標(biāo)層和標(biāo)志層平行時(shí)，軌道設(shè)計(jì)結(jié)果如下：

αopt=71.7°，PE=21.31 m，M′B=30.43 m。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)目標(biāo)垂深不確定的情況，筆者提出了解決目標(biāo)垂深不確定問題的基本思路和方法。通過對(duì)已有計(jì)算模型的改進(jìn)，在新的計(jì)算模型中考慮了標(biāo)志層的傾角和儲(chǔ)層傾角是否平行的情況，并且推導(dǎo)出了最優(yōu)穩(wěn)斜角的計(jì)算公式。

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（編輯 趙衛(wèi)紅）

Design of horizontal well trajectory under the uncertainty condition of vertical depth of target

Sun Tengfei1,Gao Deli1,Du Gang2,Zhang Hui1
(1.College of Petroleum Engineering,China University of Petroleum,Beijing 102249,China;2.Xinjiang Oilfield Company, PetroChina,Karamay 834000)

The uncertainty of vertical depth of target exists generally in the drilling of horizontal well,which greatly increases the difficulty of which the wellbore of horizontal well accurately enters into the target window and even misses the target.This paper has put forward the basic ideas and methods of trajectory design of horizontal well to solve the uncertainty of vertical depth of target. Research shows that the problem can be solved by designing the optimal hold angle within middle maintain angle section with bibuild horizontal well and finding the marker bed or the top boundary of oil reservoir during drilling.Based on previous calculation, the calculation of optimal hold angle is derived in this paper.Meanwhile,the inclined conditions of marker bed dip and reservoir dip are considered.At last,the paper uses two examples to conduct the verification.

horizontal well;vertical depth of target;uncertainty;well trajectory design;bibuild profile

國(guó)家科技重大專項(xiàng)子課題“復(fù)雜結(jié)構(gòu)井軌跡設(shè)計(jì)與控制一體化”（2011ZX05009-005）；中國(guó)石油科技創(chuàng)新基金研究項(xiàng)目“頁(yè)巖氣水平井鉆井優(yōu)化設(shè)計(jì)研究”（2011D50060310）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“氣體鉆井井眼軌跡偏斜機(jī)理與控制理論研究”（51174220）

TE22

A

10.6056/dkyqt201204029

2012-01-08；改回日期：2012-05-13。

孫騰飛，男，1986年生，油氣井工程專業(yè)在讀博士研究生，2008年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（華東），主要從事井筒流動(dòng)、軌道設(shè)計(jì)與控制方面的研究。E-mail：suntengfei7@sina.com。

孫騰飛，高德利，杜剛，等.目標(biāo)垂深不確定條件下的水平井軌道設(shè)計(jì)［J］.斷塊油氣田，2012，19（4）：526-528.

Sun Tengfei，Gao Deli，Du Gang，et al.Design of horizontal well trajectory under the uncertainty condition of vertical depth of target［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2012，19（4）：526-528.