水平井軌道優(yōu)化設計研究

壽 翔 杜青云 袁小平

1.成都百施特金剛石鉆頭有限公司 （四川 成都 610041）

2.渤海鉆探定向井公司 (天津 300280)

3.中國石油華北油田分公司 （河北 任丘 062552）

井眼軌道設計是實現定向鉆井的首要環(huán)節(jié)，在滿足鉆井目的要求的前提下，應盡可能選用形狀簡單、易于施工的井身剖面，優(yōu)化設計井眼軌道，減少井眼軌跡控制的難度和工作量，從而實現安全、優(yōu)質、快速鉆井。

歧口凹陷位于黃驊坳陷中區(qū)，是黃驊坳陷最大的生油凹陷，是一個多目的層含油的富油氣區(qū)。珵海斜坡位于歧口凹陷南緣,有利勘探面積達2 340km2。2011年，大港油田展開了斜坡區(qū)巖性油氣藏和潛山油氣藏勘探工作，深化珵海斜坡預探程度。依據常用的井眼軌道設計方式，對珵海斜坡ZH68-10L水平井進行軌道設計，然后利用landmark軟件進行理論摩阻扭矩計算，優(yōu)選設計出合適的井眼軌道。

1 井身剖面的選擇

目前水平井以中長半徑為主，普遍采用 “直-增-穩(wěn)-增-平”的五段式剖面，又稱“雙增式”剖面。這種剖面的主要特點是在2個增斜井段之間有1個穩(wěn)斜井段，用于調整由于工具造斜率誤差而造成的軌道誤差。為了有效地保障軌跡控制的成功率及中靶精度，減少滑動鉆進井段，提高鉆井速度，形成了“直-增-增-增-平”的連增復合型“三增式”剖面。“三增式”剖面井眼軌跡圓滑，摩阻扭矩較小，可以用1套鉆具組合連續(xù)完成第一增斜井段的通井和 “雙增式”剖面中穩(wěn)斜井段的鉆進，減少了起下鉆次數；且柔性增斜鉆具組合的剛度較小、環(huán)空間隙較大，有利于安全鉆進，可以彌補上部井段實際造斜率的不足，為井眼軌跡控制創(chuàng)造有利條件；同時入靶前可對軌跡作相應調整，降低水平段施工難度[1-4]。

根據ZH68-10L井的相關資料，采用“雙增”五段式剖面和“三增”復合型剖面2種類型進行設計。

2 水平井軌道設計方法

科學的水平井軌道設計理念和設計方法是：先設計水平井段，然后再設計從井口到首靶的靶前軌道。圖1所示為典型的“雙增式”和“三增式”水平井剖面圖，如果已知井口坐標以及靶點坐標，在設定造斜率與造斜點的情況下就可以進行井眼軌道設計。

在設計“雙增式”剖面時，將穩(wěn)斜段的段長ΔL3和井斜角α3作為待求參數。則由幾何關系（ΔL1=Ha）可知：

式中 H0，A0，R0—2個增斜段曲率中心的垂深差、水平位移和垂直于穩(wěn)斜井段的距離，m；

R2，R4—2 個增斜段的曲率半徑，m；

α1，α3，α5—第一增斜段、穩(wěn)斜段、目標段的初始井斜角（α1=0°），°；

Ha，Ht，At—垂直段長、目標段垂深和目標段水平位移，m。

圖1 典型的“雙增式”和“三增式”水平井剖面圖

“三增式”剖面軌道設計常以3個增斜井段連接點的井斜角αb和αc作為待求參數，根據圖1所示的幾何關系，靶前軌道應滿足：

其中：

式中 H0，A0，—第一、第三增斜段曲率中心的垂深差和水平位移差，m；

R2，R3，R4—3 個增斜段的曲率半徑，m；

αb，αc—第二增斜段、第三增斜段的初始井斜角，°；

Ht，At—目標段垂深和目標段水平位移，m。

這樣，井眼軌道的重要節(jié)點參數都可求出。

3 井眼軌道設計結果

ZH68-10L井目的層為沙河街組砂三段砂巖儲層，靶點垂深4 300m。根據上述軌道設計公式，分別設計了1 100m與1 800m造斜的“雙增”式與“三增”式2種井眼軌道，然后使用landmark軟件對設計結果進行了對比。設計結果見表1～表4。

從以上結果對比可知，2種方法計算結果大致相同，井深、造斜率等計算數據相差很小，說明計算方法是準確的。

4 井眼軌道摩阻扭矩計算結果

針對設計的幾種井眼軌道，對每種井眼軌道的摩阻扭矩進行了計算分析，并選擇摩阻扭矩值低的井眼軌道作為設計軌道[5]。

設計完鉆鉆具組合為216mm鉆頭+動力鉆具+203mm無磁鉆鋌+127mm無磁鉆鋌+127mm加重鉆桿+127mm鉆桿。在計算中鉆井液密度取1.3g/cm3，摩阻系數取2.5，計算時設鉆頭在技術套管內。計算了起下鉆、旋轉鉆進、滑動鉆進等不同工況下的摩阻扭矩值。4種軌道轉盤面扭矩和大鉤載荷的對比結果見表5。

從表5中可以看出，4種井眼軌道在不同工況下的大鉤載荷相差無幾，而在1 100m處造斜的“三增”式井眼軌道轉盤面扭矩最小。因此，選取該軌道作為ZH68-10L井最優(yōu)井眼軌道。

在現場的實際施工中，ZH68-10L井采用該設計的井眼軌道順利完成施工，其設計數據見表6。

表1 1 100m造斜的 “雙增”式井眼軌道節(jié)點計算值與landmark設計值對比

表2 1 800m造斜的 “雙增”式井眼軌道節(jié)點計算值與landmark設計值對比

表3 1 100m造斜的 “三增”式井眼軌道節(jié)點計算值與landmark設計值對比

表4 1 800m造斜的 “三增”式井眼軌道節(jié)點計算值與landmark設計值對比

5 結論

（1）相對于 “雙增”剖面，“三增”剖面井眼軌跡圓滑，摩阻扭矩較小，有利于安全鉆進，為井眼軌跡控制創(chuàng)造有利條件。

表5 4種井眼軌道扭矩和大鉤載荷對比結果表

表6 ZH68-10L井井眼軌道設計數據表

（2）分別選取1 100m和1800m為造斜點，比較了“雙增”、“三增”剖面軌道節(jié)點計算值與landmark設計值，數據相差較小，說明計算方法是正確的。

（3）計算了不同工況下4種設計軌道的摩阻扭矩值，結果顯示不同工況下的大鉤載荷相差無幾，在1 100m造斜的“三增”式井眼軌道轉盤面扭矩最小。因此選取該軌道作為最優(yōu)井眼軌道，在實鉆中取得了較好的效果。

[1]劉修善,石在虹.給定井眼方向的修正軌道設計方法[J].石油學報,2002,23(2):72-76.

[2]唐雪平,蘇義腦,陳祖錫.三維井眼軌道設計模型及其精確解[J].石油學報,2003,24(4):90-93.

[3]張焱.定向井井眼軌跡最優(yōu)化設計方法研究[J].天然氣工業(yè),2000,20(1):57-60.

[4]眭滿倉.水平井井跡曲線的優(yōu)化設計 [J].江漢石油學院學報,2000,22(2):25-26.

[5]閆鐵,馬紅濱,谷玉堂,等.鉆柱在水平分支井段中的摩阻力分析[J].科學技術與工程,2010,10(22):5378-5380.