【正文】 北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 多年的迅速發(fā)展，使其水平井鉆完井工藝技術(shù)較為完善，專用工具、儀器完善配套。 進(jìn)入 20 世紀(jì) 90 年代以來，世界水平井軌道設(shè)計(jì)以更快的速度推廣和普及，成為提高油田勘探開發(fā)綜合效益的重要途徑。 在以前的油氣勘探開發(fā)過程中，定向井技術(shù)的運(yùn)用比較廣泛，并發(fā)揮著重要作用，隨著技術(shù)研究的突破，水平井鉆井技術(shù)取得了較快的發(fā)展并逐漸得到了廣泛的應(yīng)用。近日，由我國第二大油田勝利油田鉆井工程技術(shù)公司所屬單位完成的分支水平井TK908DH 井順利完鉆，并創(chuàng)出了我國分支水平 井 米的最深新記錄，標(biāo)志著我國分鉆井技術(shù)跨人世界先進(jìn)行列。但薄油層、低壓滲透油層采用常規(guī)方法開采所帶來的高投入和低產(chǎn)出已成為不可忽視的問題。該技術(shù)主要運(yùn)用于 “海油陸采 ”鉆井，在井身軌道設(shè)計(jì)和軌跡控制上采用了懸鏈線剖面，保證了施工的順利進(jìn)行，取得了良好的效果 ； （ 3）欠平衡水平井鉆井技術(shù)。該技術(shù)能夠大幅度提高鉆井效益和勘探開發(fā)效益。 油田水平井鉆井技術(shù)發(fā)展趨勢通過分析油山泉平井鉆井技術(shù)的現(xiàn)狀，并結(jié)合當(dāng)前水平井技術(shù)研究的實(shí)際情況，可以預(yù)知該技術(shù)將來的發(fā)展趨勢 [2]： （ 1） FEWD、 LWD 的應(yīng)用將更廣泛。該技術(shù)是位移井的核心技術(shù)，也是當(dāng)今世界先進(jìn)的鉆井技 術(shù)，隨著技術(shù)的公關(guān)和突破，該技術(shù)將逐漸被運(yùn)用到勘探開采實(shí)際工作中 ， 并將形成配套技術(shù)，海油陸采、海上平臺鉆井是該技術(shù)的主要運(yùn)用領(lǐng)域 ； 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 （ 4） 深層水平井鉆井技術(shù)將得到新的發(fā)展。實(shí)際運(yùn)用表明，該技術(shù)能夠使產(chǎn)液量明顯增多，將單井蒸汽吞吐變成了連續(xù)開發(fā)生產(chǎn)，不僅提高了油氣的生產(chǎn)能力，還使得油氣采 收率大大得到了提高，因此，該技術(shù)必將得到廣泛的運(yùn)用 ： ① 重點(diǎn)發(fā)展水平井鉆井技術(shù)。通過 多年的技術(shù)攻關(guān)和實(shí)際推廣運(yùn)用，一些油田擁有了多項(xiàng)鉆井配套新技術(shù)，并且以水平井為代表，這為鉆井技術(shù)的近一步發(fā)展創(chuàng)造了良好的條件，奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ) ； ④ 將來必須進(jìn)一步加大創(chuàng)新力度。這種方法避免了求解多維非線性方程組，設(shè)計(jì)計(jì)算簡單、精確。井眼在油層中水平延伸相當(dāng)長一段長度。 水平井按照井眼曲率大小可分為以下幾類。為了進(jìn)行軌跡控制，要了解這條空間曲線的形狀進(jìn)行的軌跡測量。國外稱為測 量井深。 滯后距： 指測點(diǎn)至鉆頭的距離。以該點(diǎn)井深表示。正為增，負(fù)為降。 磁偏角： 在某一地區(qū)，磁北極方向線與地理北極方向線之間的夾角，稱該地區(qū)的磁偏角。顯然，井眼方向線與重力線都是有向線段。一個測段內(nèi)井斜角的增量總是下測點(diǎn)井斜角減去上測點(diǎn)井斜角，以 Δ? 表示。所以正北方位線和井眼方位線也都是有向線段，都可以用矢量表示。井斜方位角的值可以在 0～ 360176。又稱狗腿角或全變化角。通常以兩測點(diǎn)間井斜角的變化量與兩測點(diǎn)間井段長度的比值表示。 方位變化率： 單位井段內(nèi)方位角的變化值稱為方位變化率。） /30m。又稱狗腿嚴(yán)重度或井眼曲率。 K= √△α/△ L +(△φ/△L)2sin2 (α1+ α2)/2。 圖 23 垂直深度示意圖 水平投影長度： 簡稱水平長度或平長，是指井眼軌跡上某點(diǎn)至井口的長度在水平面上的投影，即井深在水平面上的投影長度。 圖 24 水平投影長度示意圖 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 水平位移： 簡稱平移，指軌跡上某點(diǎn)至井口所在鉛垂線的距離，或指軌跡上某點(diǎn)至井口的距離在水平面上的投影。 閉合距與閉合方位： 國外將水平位移稱作 閉合距 (Closure Distance)，將平移方位角稱作閉合方位角 (Closure Azimuth)。 視平移也可以定義為水平位移在設(shè)計(jì)方位線上的投影。很難控制井斜和方位變化率，施工 時(shí)盡量采取復(fù)合鉆進(jìn)方式。 工具造斜能力及入靶條件 原軌道設(shè)計(jì)造斜率基本是上下穩(wěn)定的數(shù)值。 水平井測井解釋的常見問題 通過水平井測井解釋能夠更好的進(jìn)行水平井井眼軌跡的設(shè)計(jì)，水平井測井解釋與垂直井測井解釋大致相同，但測井條件和地層環(huán)境的特殊性導(dǎo)致在曲線顯示、數(shù)據(jù)處理以及綜合解釋等方面又有所不同，靈活運(yùn)用垂直井的測井解釋經(jīng)驗(yàn)對大斜度和水平井的綜合解釋很重要。這些影響因素有些可借助實(shí)驗(yàn)或數(shù)值模擬方法進(jìn)行校正，有些則是需要通過所積累的解釋經(jīng)驗(yàn)來加以排除。定位井或鄰井測井信息、錄井取心測試結(jié)果、區(qū)域地質(zhì)地震資料、實(shí)驗(yàn)或數(shù)值模擬方法等等有助于綜合解釋 [5]。單增剖面要求對儲層位置與工具造斜率 掌握較難，側(cè)鉆點(diǎn)也比較固定，但側(cè)鉆井尺較短，有利于減少鉆井工作量，縮短施工周期；而雙增型剖面對工具造斜能力、開窗位置和地層自然造斜規(guī)律適應(yīng)性好，有調(diào)節(jié)余地，施工風(fēng)險(xiǎn)較小 [7]。因 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 此，側(cè)鉆水平井靶區(qū)設(shè)計(jì)應(yīng)綜合 考慮儲層地質(zhì)條件、技術(shù)水平與經(jīng)濟(jì)成本等因素，在滿足地質(zhì)要求的前提下，盡量加大允許偏差，以便于井眼軌跡控制，降低鉆井成本。） /30m 之間。鉆頭受力狀態(tài)又是由近鉆頭鉆具組合結(jié)構(gòu)受力變形、鉆井工藝參數(shù)、井眼軌跡的幾何形狀和地層決定的 [8]。考慮地質(zhì)特性引起的井眼軌跡的自然飄逸作用，充分結(jié)合鄰井資料和經(jīng)驗(yàn)分析預(yù)測井眼延伸方向的趨勢 ； （ 3）近鉆頭鉆具組合受力分析（軟件預(yù)測）。實(shí)鉆外推預(yù)測是更換新鉆具組合下至井底后用規(guī)定的鉆實(shí)時(shí) 監(jiān)測 單項(xiàng)預(yù)測分析： 1. 測斜結(jié)果計(jì)算對比分析 2. 待鉆地層因素分析 3. 近鉆頭鉆具組合受力分析 4. 實(shí)鉆外推預(yù)測 綜合 評價(jià) 井眼 延伸 方向 決策 1. 施工工藝措施 2. 施工工藝參數(shù) 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 井 工 藝 參 數(shù) 鉆 進(jìn) 1030m ， 通 過 測 斜 計(jì) 算 出 該 段 的 實(shí) 際 造 斜 率dii iiiiz LLLk 11 1212 ?? ???? ????? ????，在依據(jù) MWD 的方向傳感器（ i+1）點(diǎn)距鉆頭距離dii iiii LLL 11 1212 ?? ???? ???? ????，用外推法預(yù)測出鉆頭處（ i+2）點(diǎn)的方向參數(shù)。 井眼軌跡控制就是在鉆井施工過程中通過一定的手段使實(shí)鉆井眼軌跡盡量能符合設(shè)計(jì)的井眼軌道最終保證中靶的過程。隨著鉆井工藝及檢測技術(shù)的發(fā)展，通過研究控制理論及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)歸納總結(jié)出一套井眼軌跡控制系統(tǒng)的控制原則。 控制要點(diǎn)：在待鉆井段內(nèi)，如果因地層因素產(chǎn)生的自然漂移或通過調(diào)整工藝參數(shù)可使井眼軌跡恢復(fù)到設(shè)計(jì)軌道上，則可通過調(diào)整鉆井工藝參數(shù)繼續(xù)鉆進(jìn)，否則更換其他鉆具組合進(jìn)行控制。 推薦預(yù)測判據(jù) 2： 現(xiàn)用鉆具組合鉆達(dá)目標(biāo)點(diǎn)的總漂移量： )( 11 ?? ??? iipp LLK? 方位偏差： ezz ??? ??? 當(dāng) p?? ≈ z??2 時(shí)，可繼續(xù)鉆進(jìn)，否則需扭方位。 盡可能利用地層的自然造斜規(guī)律 鉆井工程技術(shù)人員應(yīng)熟知：地層特性導(dǎo)致鉆頭的不對稱切削、側(cè)向切削，或引起井斜變化，或引起方位漂移的規(guī)律，并根據(jù)預(yù)測結(jié)果盡可能的利用其特性，以減少更換工具進(jìn)行控制的次數(shù)。 以上式中： α —井斜角； ? —井斜角方位角； D—垂深； L—井眼長度； i—測點(diǎn)； z? —目前井底的井斜方位角； e? —目標(biāo)方位角； Kp —在用鉆具組合的方位漂移率。在對水平井井眼軌跡分析時(shí)，理論上已知井眼軌跡上每一點(diǎn)的井深、井斜角和方位角就可確定井眼軌跡的其它參數(shù)，進(jìn)而確定井眼軌跡。 （ 1） 三維坐標(biāo)法是用右手空間坐標(biāo)系 OXYZ(或 ONEH)描繪井眼軌跡的方法。 （ 2） 投影圖法：投影圖法需要兩張圖 ——垂直投影圖和水平投影圖 (如圖 52)。b垂直投影圖 。 缺點(diǎn)：垂直投影圖不能反映井深、井斜角等參數(shù)的真實(shí)值。柱面是可展曲面，將其展為平面后，井眼軌跡也隨之變成了平面曲線，這就是井眼軌跡的垂直剖面圖 [13] (如圖 53)。這個優(yōu)點(diǎn)是該圖示法的顯著特色。如：計(jì)算從式井組中各井之間的相互關(guān)系，常采用三維坐標(biāo)法 。這里主要介紹一種計(jì)算精度較高的方法 ——最小曲率半徑法。計(jì)算機(jī)的引入，使采用較復(fù)雜的最小曲率半徑法計(jì)算井眼軌跡成為可能，從而也使井眼軌跡的計(jì)算精度大大提高。 同理，設(shè) ds 為 dl 在 XY 平面上的投影， d ? 為 dl 小段上的方位角變化值，可以得到 ab 井段在水平面上的變化情況。 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 22 井眼軌跡描述與地層關(guān)系 水平井測井曲線特征與水平井井眼的位置和井斜角關(guān)系密切，那么相應(yīng)的測井解釋必須考慮如何確定地層界面 (簡稱層面 )，井眼與層面的相對位置關(guān)系對測井曲線的影響校正等技術(shù)核心問題。這種現(xiàn)象雖然對水平井井眼設(shè)計(jì)不利，造成井眼軌跡常常會以地層為軸上下波動，但為測井解釋提供了更豐富的地層構(gòu)造和巖性變化信息。在5302～ 5345 米井段， GR100API，為泥巖層測井響應(yīng) ； 而 5302 米井斜角為 176。該井在 5302 米處鉆出 CIII 頂界面，鉆至 5326 米處開始糾斜，在 5345 米處鉆回到 CIII 中，測井曲線以 5326 米處為鏡面呈鏡相重復(fù)。由以上例子我們可得到井眼軌跡在鉆出和鉆回同一油層底界面時(shí)，測井曲線會出現(xiàn)鏡像重復(fù)特征，這種現(xiàn)象在水平井段中普遍存在，是水平井不同層段測井響應(yīng)對比的重要依據(jù)，也可用于拾取地層關(guān)鍵界面點(diǎn)。常規(guī)二維軌道設(shè)計(jì)由直線和圓弧段組成，其形式多種多樣，但典型的有三段制（直 +增 +斜）、五段制（直 +增 +穩(wěn) +降 +直）和雙增型（直 +增 +穩(wěn) +增 +直） 3 種類型，如圖 61 所示，常規(guī)二維井眼軌道其控制簡單，在油氣鉆井中得到了廣泛的應(yīng)用在設(shè)計(jì)二維井眼軌道時(shí)，常用上面三種典型的軌道形式，其求解方式是 [15] 圖 61 典型的二維井眼軌道形式 給定軌道設(shè)計(jì)參數(shù)，求解穩(wěn)斜段的井斜角和穩(wěn)斜段長，但針對不同的問題 和要求，有時(shí)需要更靈活的軌道組合形式，以及靈活地求解軌道設(shè)計(jì)參數(shù)，這時(shí)就難以滿足要求。 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 25 設(shè)計(jì)模型 通過對圖 62 的形狀觀察及相關(guān)的知識獲得，我們設(shè)計(jì)二維井眼軌道模型如圖 63 所示。 L1 、L2 、 L3 和 a1 、 a2 、 a3 分別為直線段的長度和井斜角， R1 、 R2 為兩個圓弧段的曲率半徑。約束條件：雙增型為 32 aa? 、 S 型為 32 aa? 對三段制（ J）型軌道，取方程（ 61）中的前三項(xiàng)，或令 02?R ， 03?L ，即為 ： 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 26 2212111 c o s)s i n( s i nc o s ???? LRLH T ???? 2221111 s i n)c o s( c o ss i n ???? LRLS T ???? （ 62） 曲率半徑和井眼 曲率的換算關(guān)系為 KCR k?180? kC 單位變換系數(shù)，即曲率單位 ?K / kC 值，一般為 30m。 模型求解 由約束方程（ 61）可知， 8 個軌道設(shè)計(jì)變量，任意給定 6 個參數(shù)，既可判斷方程是否有解。當(dāng) 31 aa? 時(shí)，不能同時(shí)求解 1R 和 2R ，以及 1L 和 3L ，此時(shí)方程元解或有多種組合解。 應(yīng)用 本文建立的二維井眼軌道設(shè)計(jì)模型具有代表性和普遍適用性，設(shè)計(jì)模型不僅包含了常規(guī)的三段制（ J 型）、五段制（ S 型）和雙增型軌道，而且還可直線段長度為零，由此組成了多種軌道剖面型式： (1)直線段 +圓弧段 +直線段 +圓弧段 +直線段（ L10， L20， L3=0） ； (2)直線段 +圓弧段 +直線段 +圓弧段（ L10， L20， L3=0） ； (3)直線段 +圓弧段 +圓弧段 +直線段（ L10， L2=0， L30） ； (4)圓弧段 +直線段 +圓弧段 +直線段（ L1=0， L20， L0） ； (5)直線段 +圓弧段 +圓弧段（ L10， L2=0， L3=0） ； (6)圓弧段 +直線段 +圓弧段（ L1=0， L20， L3=0） ； (7)圓弧段 +圓弧段 +直線段（ L1=0， L2=0， L30） ； (8)圓弧段 +圓弧段（ L1=0， L2=0， L3=0） ； (9)直線段 +圓弧段 +直線段（ L10， L20， R2=0， L3=0） ； (10)直線段 +圓弧段（ L10， L2=0， R2=0， L3=0） ； (11)圓弧段 +直線段（ L1=0， L20， R2=0， L3=0）； (12)圓弧段（ L1=0， L2=0， R2=0， L3=0） ； 應(yīng)用所建立的二維井眼軌道設(shè)計(jì)模型和求解公式，設(shè)計(jì)了在二維條件下的水平井井眼軌跡的通用模型及其計(jì)算方法。多目標(biāo)井、側(cè)鉆井等 的井 U 及軌道設(shè)計(jì)及調(diào)整軌道設(shè)計(jì)都是三維的。不同類型 的水平井對軌道設(shè)計(jì)的要求不同，如三維大位移水平井的井眼曲率小、位移大，可供調(diào)整設(shè)計(jì)的空間位置大，在軌道控制上可用普通導(dǎo)向鉆具來實(shí)現(xiàn) 。但如何在多約束條件下設(shè)計(jì)出合理的三維軌道和精確求解軌道設(shè)計(jì)參數(shù)一直是一個難題，目前常采用的方法有： （ 1）給出吻合點(diǎn)，即穩(wěn)斜點(diǎn)的井斜角和方位角。常見的 三維井眼軌道設(shè)計(jì)模型是一組多維非線性方程組，其求解非常困難 ； （ 3）用優(yōu)化方法進(jìn)行軌道設(shè)計(jì)?？蓪⑺骄S軌道設(shè)計(jì)問題轉(zhuǎn)化為定向井三維設(shè)計(jì)問題，再進(jìn)行迭代求解。而且設(shè)計(jì)軌道模型也有普遍性、靈活性和實(shí)用性，以滿足不同的