井眼軌跡控制中過渡井段的研究

宮吉澤，張海山，黃 召

（中海石油（中國）有限公司上海分公司，上海 20030）

井眼軌跡控制中過渡井段的研究

宮吉澤，張海山，黃 召

（中海石油（中國）有限公司上海分公司，上海 20030）

在定向鉆井的鉆進過程中，井眼軌跡控制非常重要，尤其是定向鉆進階段和水平井鉆井的水平井段。在這些關(guān)鍵井段，為了精確控制井眼軌跡實現(xiàn)準確中靶，需充分考慮眼軌跡的幾何姿態(tài)對底部鉆具組合（BHA）力學特性的影響。此文通過定量計算，分析了在特定的井眼軌跡幾何參數(shù)下的BHA力學特性, 提出了一種分析過渡井段的方法，指導定向井井眼軌跡控制。

定向井；水平井；井眼慣性；軌跡控制；過渡井段；底部鉆具組合

井眼軌跡控制在定向鉆井的鉆進過程中非常重要，尤其是定向鉆進階段和水平井鉆井的水平井段。在鉆井施工作業(yè)中，為了實現(xiàn)造斜，降斜或穩(wěn)斜等工藝，在鉆進過程中需要調(diào)整工具的造斜率， 現(xiàn)場鉆井過程中發(fā)現(xiàn)，調(diào)整后鉆具未能馬上按調(diào)整后的BHA的造斜特性（增斜，降斜或穩(wěn)斜）進行鉆進，而是會沿原井眼前進趨勢繼續(xù)鉆進一段后，才能實現(xiàn)按調(diào)整后的造斜特性延伸。另外一種描述是指從一種井眼曲率變化到另一種井眼曲率時需一定長度的過渡井段。這種調(diào)整的滯后現(xiàn)象被稱之為“井眼慣性”[1-2]。

過渡井段對井眼軌跡控制影響很重要，尤其是定向鉆井和水平井鉆井過程中的關(guān)鍵井段，在定向鉆井中的造斜點，增斜結(jié)束點，降斜始點以及水平井的水平鉆進階段等需要精確控制井眼的軌跡的井段。特別是薄油層的水平井段，因靶體高度較小而使水平段軌跡控制難度大大增加，如不考慮過渡井段的影響，很有可能造成出靶。

1 過渡井段產(chǎn)生的原因分析

BHA的結(jié)構(gòu)決定了它的造斜特性，但是這是在鉆進足夠的長度之后所表現(xiàn)出來的力學特性。BHA是在特定的井眼中鉆井的，不同井眼參數(shù)必然會對其產(chǎn)生影響，在井眼曲率需要改變的井段，BHA下入之前處于自由彎曲狀態(tài)，下入井中之后彎曲變形受井眼的限制，BHA在鉆頭處產(chǎn)生較大的側(cè)向力和一定的彎角，鉆井過程中受側(cè)向力的影響，鉆頭產(chǎn)生側(cè)向位移，但是此時的側(cè)向力所能產(chǎn)生的側(cè)向位移與原來的BHA所產(chǎn)生的不同，也就造成井眼曲率不斷發(fā)生變化，當側(cè)向力不斷趨近于零時，鉆頭就會按BHA設(shè)計結(jié)構(gòu)的力學特性進行鉆進。而在此過程階段就會產(chǎn)生一個過渡段，此段井眼曲率不斷變化，因此其長度也很難確定。

以上只是理論分析，現(xiàn)場實施過程中出現(xiàn)的問題也說明了這一點，比如井眼軌道為三段式的定向井鉆井時，在造斜結(jié)束需要穩(wěn)斜時，下入穩(wěn)斜鉆具后會增斜一段之后才會穩(wěn)斜。圖1顯示三個穩(wěn)定器的穩(wěn)斜鉆具組合鉆頭側(cè)向力隨井眼曲率的變化[3]。

圖 1 穩(wěn)斜鉆具組合鉆頭側(cè)向力隨井眼曲率的變化

由圖可知，隨著井眼曲率的增大鉆頭側(cè)向力由近似為零增加到近2 700 N，即此穩(wěn)斜組合在彎曲井眼中表現(xiàn)出略增斜的特性，但是側(cè)向力增斜有限，因為其不足維持原井眼的曲率，以5°/30 m為例，鉆成此井眼曲率的井眼需要單彎螺桿鉆具，其側(cè)向力大小為14 573.8 N，遠大于此穩(wěn)斜組合的鉆頭側(cè)向力。所以隨著不斷鉆進，井眼曲率逐漸變小至近似為零，此鉆具組合開始發(fā)揮穩(wěn)斜作用。

以上討論的是井眼軌跡“由彎變直”的情況，井眼軌跡“由直變彎”時，以單彎雙穩(wěn)導向鉆具組合為例。如圖 2 所示，此鉆具組合的造斜力隨著井眼曲率的變大急劇變小，說明在井眼延伸的過程中，井眼曲率的變化由強變?nèi)?，直至?cè)向力趨近于零時，井眼曲率不再變化，此鉆具組合達到設(shè)計的造斜特性。

圖 2 單彎雙穩(wěn)鉆具組合鉆頭側(cè)向力隨井眼曲率的變化

2 過渡井段的計算

2.1 過渡井段長度的確定

無論井眼軌跡“由彎變直”還是“由直變彎”，分析BHA造斜特性的力學模型是一樣的，所以過渡段的計算是相同的。管柱力學分析中認為BHA上部鉆具與井眼下井壁相切，切點以上鉆柱對BHA的力學特性影響不大[4]，由此推論，過渡段的長度近似等于切點以下鉆具的長度（如圖3所示），此切點長度可由加權(quán)余量或其它方法計算而得。值得注意的是，根據(jù)BHA造斜率的預測原理，鉆頭側(cè)向力為零時計算的井眼曲率為設(shè)計的造斜率，此時切點長度才是過渡段的長度。

圖 3 過渡井段示意圖

2.2 過渡井段井斜角分析

過渡段的井眼曲率是變化的，由原井眼曲率經(jīng)過過渡段后變?yōu)楹笙氯氲腂HA的井眼曲率，井眼曲率連續(xù)變化，經(jīng)過過渡段后的井斜角的推導過程如下。

如圖 4 所示，由于井眼曲率是連續(xù)變化，已知原井眼的井眼曲率K1和調(diào)整后的井眼曲率K2，可得出井眼曲率的變化率為：

則任意弧長為s的X點處的井眼曲率為：

圖 4 過渡井段井斜變化示意圖

單位長度變化的井斜角為：

式中：α1為過渡段起點的井斜角，(°)； α2為過渡段末點的井斜角，(°)；K1為原井眼的井眼曲率，(°) /30 m；ΔK為井眼曲率變化率，(°) /30 m2；K2為調(diào)整后的井眼曲率，(°) /30 m；L為過渡段的長度，m。

在定向井鉆井施工過程中，需要精確控制井眼軌跡，在需要調(diào)整井眼曲率的情況下，就需要將過渡段對調(diào)整點的影響考慮在內(nèi)，以免造成脫靶[5]。具體控制方法為計算出過渡段的長度，根據(jù)設(shè)計的調(diào)整點位置計算出實際中的調(diào)整點位置，然后按此點進行實際的鉆井作業(yè)。

水平井鉆井中，由于其井斜角趨近90°，水平井水平段井眼軌跡在鉛垂面上是一條上、下起伏的曲線，鉆頭位置距離油層的上、下邊界的距離是井眼軌跡控制的關(guān)鍵。為了保證鉆頭不出靶，需要對調(diào)整井段做出精確計算；變換導向方式后，要估算下一個調(diào)整點；應(yīng)盡量減少調(diào)整次數(shù)，以提高機械鉆速，降低鉆進成本。

3 計算實例

以水平井鉆井水平井段的軌跡控制為例。在鉆井過程中，要保證井眼在油層厚度之內(nèi)，由于井眼軌跡過渡段的影響，很容易出靶，此時必須考慮井眼軌跡過渡段對調(diào)整點位置的影響。

如圖 5 所示，單彎雙穩(wěn)導向鉆具各段長度分別為：L1=1.6，L2=3，L3=4，θ=1°，α1=80°，K1=0。由計算得工具造斜率為4.5°/30 m，過渡段長度L=16.9 m，K2=81.27 °。

圖 5 單彎雙穩(wěn)導向鉆具組合結(jié)構(gòu)圖

若忽略過渡段的影響，直接按工具造斜率計算井斜角為82.54°。造成的結(jié)果是高估了鉆具組合的造斜能力，井眼不按設(shè)計的軌道延伸，如果調(diào)整點距離油層邊界過近，則有可能產(chǎn)生出靶的問題。為了保證鉆具在極限的位置不出靶，則要在此調(diào)整點之前考慮造斜，即將調(diào)整點位置提前，由過渡段長度和工具的造斜率反算調(diào)整點的具體位置，確定之后，要估算下一個調(diào)整點位置，及時糾正井眼軌跡，確保鉆具不出靶。

4 結(jié)束語

根據(jù)鉆井施工作業(yè)中遇到的問題，提出了井眼軌跡過渡段的概念，并根據(jù)底部鉆具組合力學分析方法解釋了過渡段出現(xiàn)的原因，并提出了過渡段長度和井斜角變化的計算方法。鉆井作業(yè)中在需要調(diào)整井眼曲率的井段會出現(xiàn)過渡段，此段對于定向井鉆井及水平井鉆井的水平段井眼軌跡的控制有著重要影響，本文提出的方法可以指導鉆井設(shè)計及施工中精確控制井眼軌跡的作業(yè)。

[1]高德利， 劉希圣， 徐秉業(yè). 井眼軌跡控制[M]. 北京： 石油工業(yè)出版社， 1994： 34-41.

[2]毛建華， 王清江， 王治平， 等.“ 井眼慣性”對水平井水平段軌跡控制的影響探討[J]. 鉆采工藝， 2009， 32（1）： 14-16.

[3]蔣文震， 李群生， 王希勇， 等. 三穩(wěn)定器鉆具在定向井軌跡控制中的應(yīng)用分析[J]. 鉆采工藝， 2007， 30（4）： 32-37.

[4]白家祉， 蘇義腦. 井斜控制理論與實踐[M]. 北京： 石油工業(yè)出版社， 1990： 44-46.

[5]劉修善. 實鉆井眼軌跡的客觀描述與計算[J]. 石油學報，2007， 28（5）： 128-132， 138.

Study of Transitional Section in Well Trajectory Control

GONG Jize, ZHANG Haishan, HUANG Zhao
（Shanghai Branch of CNOOC Limited, Shanghai 200030, China）

Well trajectory control is very important during directional well drilling and horizontal well drilling, especially in the horizontal sections of directional drilling and horizontal drilling. The infuence of the geometrical attitude of well trajectory on the mechanical properties of BHA should be considered in these sections in order to control the well trajectory accurately which means right on the target. Through quantity calculation, the mechanical properties of BHA in specifc geometric parameters of the well trajectory were analyzed in this paper, and a method for analyzing the transitional section has been put forward to guide design and construction of directional well drilling and horizontal well drilling in well trajectory control.

directional well; horizontal well; well inertia; well trajectory control; transitional section; BHA

TE243

A

10.3969/j.issn.1008-2336.2017.01.090

1008-2336（2017）01-0090-03

2016-08-22；改回日期：2016-10-31

宮吉澤，男，1984年生，工程師，畢業(yè)于中國石油大學（北京）油氣井工程專業(yè)，碩士，主要從事海上油氣勘探開發(fā)的鉆井技術(shù)工作。E-mail：gongjz@cnooc.com.cn。