考慮方位漂移的水平井井眼軌道設(shè)計

王世棟， 張志剛， 耿雪樵， 于彥江， 陳 奇

(廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局，廣東 廣州 510760)

在深層頁巖氣水平井鉆井過程中，無論鉆柱下部是穩(wěn)斜組合、增斜組合、還是降斜組合，都有可能發(fā)生井斜方位漂移。這種方位漂移有可能是向“右漂”的，也有可能出現(xiàn)“左漂”趨勢。這種方位漂移嚴重影響了水平井的井眼軌跡控制，進而影響水平井的準確中靶，在很多情況下，通常需要采用井下動力鉆具“扭方位”，需要間斷定向鉆進修正井眼軌跡，造成了平均機械鉆速降低、鉆井周期加長、成本增大。所以，對考慮方位漂移的軌道設(shè)計進行研究，具有重要意義。圖1為方位自然漂移值α的地層圖示。

1 深層頁巖氣水平井鉆井現(xiàn)狀

近年來，頁巖氣勘探開發(fā)主要采用水平井[1]，頁巖氣水平井，特別是深層頁巖氣水平井要求嚴格準確地控制井眼方位。在水平井鉆進過程中，如果井眼方位發(fā)生漂移，則有可能導(dǎo)致水平井脫靶，被迫進行糾方位作業(yè)。地層和鉆頭原因是導(dǎo)致井眼方位漂移的主要原因，井眼方位漂移指的是井眼方位發(fā)生變化。而這種方位的變化可能受到地層因素、鉆井參數(shù)、鉆井液性質(zhì)及鉆具組合等多種因素影響。因此，需要大量地收集和整理各個頁巖氣田區(qū)塊的資料，對各個區(qū)塊地層進行大量深入系統(tǒng)的分析，并分析出各個頁巖氣區(qū)塊地層自然漂移的一般規(guī)律，并在以后的水平井井眼軌跡設(shè)計和控制中利用漂移規(guī)律，節(jié)省扭方位工作量，提高定向成功率。圖2為方位漂移軌道設(shè)計模型。

圖1 方位自然漂移值α的地層圖示

圖2 方位漂移軌道設(shè)計模型

2 鉆井現(xiàn)場的做法

從地層因素和鉆具因素2個方面對出現(xiàn)方位漂移的原因進行分析。

(1)地層因素導(dǎo)致方位漂移。

在一般情況下，地層的可鉆性在不同方向上是不同的，地層可鉆性具有各向異性，并且由于地層的傾斜，井眼便發(fā)生了方位漂移。鉆頭有著“欺軟怕硬”的特性，哪里的地層容易鉆進，鉆頭就往哪里靠近，這導(dǎo)致了井眼方位的漂移。鉆頭前進的方向總是向著垂直地層層面的方向偏斜，即地層有著向地層上傾方位偏離的趨勢，便出現(xiàn)了井斜。

在鉆水平井時，井身本身是傾斜的。井眼的方位和地層傾斜方向是有一定夾角的，這時鉆頭就會偏向垂直于地層的方向鉆進，這導(dǎo)致了井眼發(fā)生方位漂移?？梢钥闯?，從地層因素來說，井眼方位可能會發(fā)生左漂，也可能會發(fā)生右漂。

(2)鉆具因素導(dǎo)致方位漂移。

鉆柱的旋轉(zhuǎn)方向是井眼方位漂移的另一個重要原因。如圖3所示，圓柱體為鉆頭在內(nèi)的下部鉆具組合，由于重力的作用，圓柱體將壓向井壁下側(cè)，對井壁下側(cè)造成壓力。在鉆柱旋轉(zhuǎn)運動過程中，鉆柱和井壁下側(cè)之間產(chǎn)生摩阻力的方向與鉆柱旋轉(zhuǎn)方向相反，會阻止鉆柱的旋轉(zhuǎn)運動。由于鉆柱都是順時針方向轉(zhuǎn)動的，所以摩阻力的方向總是“向右”的。在摩阻力的作用下，鉆頭將偏離井眼軸線，靠向井壁的右側(cè)，在鉆進的過程中，右側(cè)的井壁也是不斷的被切削，從而使井眼方位發(fā)生右漂。

圖3 鉆具原因?qū)е路轿黄?/p>

綜合分析以上2個因素，井眼方位有可能發(fā)生左漂，也有可能發(fā)生右漂，關(guān)鍵要看哪種因素起主導(dǎo)作用。

涪陵地區(qū)地層非均質(zhì)性強，水平井井眼軌跡受控于地層傾角，鉆進過程中井眼軌跡存在不同程度的漂移。而且涪陵地區(qū)頁巖氣井多是三維軌跡井，井眼軌跡控制工作量大。

一般情況下，用方位漂移率來表示方位漂移規(guī)律。在井眼軌跡控制過程中，井眼方位發(fā)生增加的情況為“右漂”，方位漂移率為正數(shù)；相反，在鉆井過程中，方位發(fā)生減小的情況，稱之為“左漂”，此時的方位漂移率取負數(shù)。如果未發(fā)生方位漂移，則方位漂移率為零，一個區(qū)塊的方位漂移率不是固定不變的。由于地層的非均質(zhì)性、地層產(chǎn)狀的不同，以及井的井斜和方位的變化，方位漂移率也是不斷變化的。不同井段的方位漂移率是不同的，在掌握和了解了不同地層和井段上的方位漂移率之后，充分利用其規(guī)律，進行井眼軌跡控制。

由于方位漂移現(xiàn)象的存在，二維井眼軌道在現(xiàn)場施工[5-7]中無法鉆出理想的二維井。通常在現(xiàn)場，首先不考慮方位漂移進行井眼軌道設(shè)計，在鉆井施工過程中再考慮方位漂移。施工過程中，根據(jù)本地區(qū)以前的鉆井經(jīng)驗，在進行定向造斜時，先估計出一個“方位超前角”，并以此計算定向方位角，假設(shè)原來的設(shè)計方位角為φt、定向時的定向方位角為φs，兩者差值即為“方位超前角”Δφ。圖4為現(xiàn)場定向示意圖。

這種現(xiàn)場的做法有著很大的不確定性，并且可能出現(xiàn)較大誤差，因此有必要在進行井眼軌道設(shè)計時就考慮井眼方位漂移，在鉆井施工過程中，按照設(shè)計的定向方位角進行鉆進，這樣發(fā)生井眼漂移時井眼也會按照設(shè)計的井眼軌道進行漂移。

3 考慮方位漂移的水平井井眼軌道設(shè)計方法

在進行考慮方位漂移的水平井井眼軌道設(shè)計之前，首先將原設(shè)計軌道按照造斜段、穩(wěn)斜段和水平段進行劃分，研究本地區(qū)的方位漂移規(guī)律，統(tǒng)計不同地層和井段上的方位漂移率。

圖4 現(xiàn)場定向示意圖

圖5為相似法軌道設(shè)計示意圖。根據(jù)以上分析，相似法軌道設(shè)計可分為以下幾個步驟[8-10]：

圖5 軌道設(shè)計示意圖

(1)將原設(shè)計軌道劃分為造斜段、穩(wěn)斜段和水平段，并對井眼軌道的各井段參數(shù)(水平位移、平移方位角、井深、井斜角、方位角、垂深以及N坐標、E坐標)進行收集，假設(shè)原設(shè)計軌道的閉合方位角為θt，閉合距為Ct。

(2)給出原設(shè)計軌道上的一點，根據(jù)該點所在井段的地層方位漂移率和分段長度，算出該段的方位漂移量：

Δφi=ΔLiKpi

(1)

式中：Δφi——第i段的方位漂移量，(°)；ΔLi——第i段的分段長度，m；Kpi——第i段的地層方位漂移率，(°)/m。

在原設(shè)計軌道的基礎(chǔ)上各點的設(shè)計方位加上此方位漂移量。

(3)根據(jù)上一步計算，得到方位漂移后的軌道及其各點新的水平位移和平移方位角，假設(shè)方位漂移后軌道井底p點的閉合方位角為θp，閉合距為Cp。

(4)對漂移后的軌道進行相似處理，即不改變漂移后軌道的形狀，將其平移使p點和t點重合。

在這個過程中，漂移后軌道上點的水平位移為Ci乘以系數(shù)K，其中：

K=Ct/Cp

(2)

式中：K——系數(shù)，無單位；Ct——t點的閉合距，m；Cp——p點的閉合距，m。

平移方位角θi減去Δθ，其中：

Δθ=Cp-Ct

(3)

式中：Δθ——平移方位角差值，(°)；Ct——t點的閉合距，m；Cp——p點的閉合距，m。

(5)計算考慮方位漂移的井眼軌道設(shè)計的水平坐標，如下：

Ni=Cicosθi

(4)

Ei=Cisinθi

(5)

式中：Ni——i點的北坐標，m；Ei——第i點的東坐標，m；Ci——第i點的閉合距，m；θi——第i點的平移方位角，(°)。

(6)計算每一點的井深、井斜角和方位角。垂深Di保持不變。

計算每個分點的井斜方位角：

已知：

ΔD=D2-D1，ΔN=N2-N1，ΔE=E2-E1

φc=arctan(ΔE/ΔN)(ΔN>0)

(6)

φc=arctan(ΔE/ΔN)+180(ΔN<0)

(7)

φ2=2φc-φ1

(8)

式中：ΔE——2個點的東坐標差值，m；ΔN——2個點的北坐標差值，m；Ei(i=1,2)——第i點的東坐標值，m；Ni(i=1,2)——第i點的北坐標值，m；Di(i=1,2)——第i點的垂深，m；φi(i=1,2，c)——第i點的平移方位角，(°)。

計算每個分點的井斜角：

α2=2αc-α1

(10)

式中：αi(i=1,2，c)——第i點的井斜角，(°)；Ei(i=1,2)——第i點的東坐標值，m；Di(i=1,2)——第i點的垂深，m；φi(i=1,2)——第i點的平移方位角，(°)。

計算每個分點的井深：

式中：ΔL——井深，m。

4 應(yīng)用實例

通過編制考慮方位漂移的井眼軌道優(yōu)化設(shè)計軟件，輸入已知的地層方位漂移率和原軌道設(shè)計數(shù)據(jù)，進行計算。

4.1 右漂設(shè)計實例1

已知某口井水平段垂深為3500 m，待鉆點坐標X為10000，待鉆點坐標Y為10000，東坐標增量為1500 m，北坐標增量為1500 m，方位漂移率為1°/100 m，初始方位角為45°，輸入已知數(shù)據(jù)，經(jīng)計算結(jié)果如圖6所示。

圖6右漂設(shè)計實例1

其中，紅色線為考慮地層漂移的水平段井眼軌跡；藍色線為全復(fù)合鉆進井眼軌跡。

4.2 右漂設(shè)計實例2

已知某口井水平段垂深為3500 m，待鉆點坐標X為10000，待鉆點坐標Y為10000，東坐標增量為1500 m，南坐標增量為1500 m，方位漂移率為1°/100 m，初始方位角為45°，輸入已知數(shù)據(jù)，經(jīng)計算結(jié)果如圖7所示。

圖7右漂設(shè)計實例2

其中，紅色線為考慮地層漂移的水平段井眼軌跡；藍色線為全復(fù)合鉆進井眼軌跡。

4.3 左漂設(shè)計實例1

已知某口井水平段垂深為3500 m，待鉆點坐標X為10000，待鉆點坐標Y為10000，東坐標增量為1500 m，北坐標增量為1500 m，方位漂移率為-1°/100 m，初始方位角為45°，輸入已知數(shù)據(jù)，經(jīng)計算結(jié)果如圖8所示。

圖8左漂設(shè)計實例1

其中，紅色線為考慮地層漂移的水平段井眼軌跡；藍色線為全復(fù)合鉆進井眼軌跡。

4.4 左漂設(shè)計實例2

已知某口井水平段垂深為3500 m，待鉆點坐標X為10000，待鉆點坐標Y為10000，東坐標增量為1500 m，南坐標增量為1500 m，方位漂移率為-1°/100 m，初始方位角為45°，輸入已知數(shù)據(jù)，經(jīng)計算結(jié)果如圖9所示。

圖9 左漂設(shè)計實例2

其中，紅色線為考慮地層漂移的水平段井眼軌跡；藍色線為全復(fù)合鉆進井眼軌跡。

5 結(jié)論

(1)深層頁巖氣水平井方位漂移問題嚴重，利用方位漂移規(guī)律進行井眼軌道設(shè)計可以減少井眼軌跡的調(diào)整頻次和控制工作量，節(jié)省起下鉆次數(shù)，從而降低鉆井成本。

(2)提出的考慮方位漂移的水平井井眼軌道設(shè)計，并且編制了設(shè)計軟件，通過舉例進行了驗證，證明了方法是可行的。

(3)在實例中根據(jù)計算結(jié)果，通過預(yù)留因地層漂移造成的方位變化空間，水平段可減少21°的扭方位工作量。