【文章內容簡介】 道最短角度約束: 造斜率約束: 造斜點約束: 等式關系： 中靶要求: （3）“直增增增平” 剖面軌道優(yōu)化模型圖213 “直增穩(wěn)增穩(wěn)增平”剖面水平井軌道示意圖優(yōu)化目標：軌道最短 穩(wěn)斜角約束： 造斜率約束： 造斜點約束： 等式關系： 中靶要求： 符號說明： 井口坐標；靶點坐標；井深，m；造斜點垂深，m，i=1，2，3；，造斜點上下限，m，i=1，2，3；穩(wěn)斜段穩(wěn)斜角，176。，i=1，2；，穩(wěn)斜段穩(wěn)斜角上下限，176。，i=1，2；造斜率，176。/30m，i=1，2，3；造斜率上限，176。/30m，i=1，2，3； 穩(wěn)斜段長度，m， i=1，2；第3章 塔河油田水平井軌道優(yōu)化基本約束條件確定 水平井軌道優(yōu)化設計的基本模型建立之后，約束條件的確定成為重要的問題。由軌道優(yōu)化設計模型可以看出，最優(yōu)軌道的約束條件主要有造斜點深度、穩(wěn)斜角、調整段長度、造斜率等參數(shù)，且這些約束條件對地域具有極強的敏感性。因此，需要結合塔河油田實際設計及施工經驗，確定這些基本約束條件的取值范圍，從而精確地約束模型，實現(xiàn)最優(yōu)軌道設計。 造斜點范圍的確定造斜點處的地層要有利于造斜，應該是硬度適中、無坍塌、無縮徑，并要避開高壓、易漏等復雜情況的地層。造斜點位置的高低取決于最大井斜角和井眼曲率的大小。最大井斜角和井眼曲率越小，則造斜點越高；反之，則造斜點越低。在目標點的設計垂深和位移一定的情況下，造斜點太高或者太低都不好，實際上存在著一個可使鉆井難度最小的最合理的造斜點位置。下表31是統(tǒng)計得到的塔河油田AT1區(qū)塊和9區(qū)水平井軌道設計中包含造斜點深度、造斜點所在層位、剖面類型等信息。表31 AT1和TK9第一造斜點的確定井號剖面類型造斜點深(m)造斜點層位TK919H直—增—穩(wěn)—增—穩(wěn)4440哈拉哈塘組砂巖段TK921H直—增—穩(wěn)—增—穩(wěn)4366哈拉哈塘組泥巖段TK922H直—增—增—增—穩(wěn)4350侏羅系下統(tǒng)TK923H直—增—增—增—穩(wěn)侏羅系下統(tǒng)TK924H直—增—增—增—穩(wěn)4310侏羅系下統(tǒng)TK925H直—增—增—增—穩(wěn)侏羅系下統(tǒng)TK926H直—增—增—增—穩(wěn)侏羅系下統(tǒng)TK927H直—增—增—增—穩(wěn)哈拉哈塘組泥巖段TK928H直—增—增—增—穩(wěn)4360哈拉哈塘組泥巖段TK929H直—增—增—增—穩(wěn)哈拉哈塘組巖段TK930H直—增—增—增—穩(wěn)4260卡普沙良群亞格列木組TK931H直—增—增—增—穩(wěn)侏羅系下統(tǒng)TK932H直－增－穩(wěn)4413哈拉哈塘組泥巖段TK933H直—增—增—增—穩(wěn)哈拉哈塘組泥巖段AT11H直－增－穩(wěn)－增－穩(wěn)3952卡普沙良群AT12H直—增—增—增—穩(wěn)3980侏羅系下統(tǒng)AT13H直—增—增—增—穩(wěn)卡普沙良群AT14H直—增—增—增—穩(wěn)哈拉哈塘組泥巖段AT16H直—增—增—增—穩(wěn)哈拉哈塘組泥巖段AT17H直－增穩(wěn)卡普沙良群AT18H直—增—增—增—穩(wěn)3987侏羅系下統(tǒng)AT19H直—增—增—增—穩(wěn)3971侏羅系下統(tǒng)下圖31為AT1區(qū)塊和9區(qū)水平井造斜點所在地層的分布情況。圖31 造斜點地層分布情況由上面圖表可以得知，AT1區(qū)塊和9區(qū)水平井造斜點的選取集中在侏羅系下統(tǒng)J1及其上部地層白堊系下統(tǒng)卡普沙良群，下部地層三疊系上統(tǒng)哈拉哈塘組，該層位巖性為紅棕色細砂巖、灰白色礫質粗砂巖夾棕褐、灰色泥巖，頂部為棕褐色泥巖。該層位硬度適中，井壁穩(wěn)定性好，井徑擴大率在3%左右，無縮徑，適合在該處造斜。9區(qū)第一造斜點垂深大約在4350米左右，AT1區(qū)塊第一造斜點垂深大約在3950米。 穩(wěn)斜角范圍的確定文中穩(wěn)斜角，特指第一段造斜段末點井斜角也即調整段井斜角。通過分析總結，塔河油田目前設計水平井中95%以上的地質設計避水程度都在80%以上，為了能順利的著陸A點，在縱向靶窗窄小的條件下，必須保證較高的穩(wěn)斜角。這樣雖然會增加水平位移，但是節(jié)省了垂直位移消耗，在精確中靶的情況下，能保證滿足避水要求。圖32 垂深、水平位移增量與井斜角關系圖33 井斜角對軌跡控制的影響如上圖所示：當在井斜角45176?！?0176。之間鉆進時，水平位移的增量遠遠大于垂直位移的增量，即如果穩(wěn)斜角在45176。～90176。之間，那么在縱向靶窗窄小和避水的約束下，能以較少的垂直位移消耗實現(xiàn)精確中靶。因此，在第一段造斜結束后，為了能在后續(xù)造斜段以較小的井斜變化量和曲率進行造斜，穩(wěn)斜角最好大于45176。 從井斜角與井眼清潔的關系分析穩(wěn)斜角大小的選取，如圖所示，根據常規(guī)攜巖分析，結合塔河油田實際情況，對攜巖效果分析如下：圖34 井斜角與巖屑床厚度關系井斜角在30176?！?0176。之間井段的攜巖效果最差，是攜巖的關鍵井斜角范圍。從攜巖的角度講，該井斜角范圍出現(xiàn)的井段段長越短，越有利于井眼的清潔。由于第一造斜段造斜率比較高，如果該井斜角范圍出現(xiàn)在該井段，則其所跨段長較短，有利于攜巖；反之，如果該井斜角范圍出現(xiàn)在造斜率較平緩的后續(xù)造斜段，則不利于攜巖；如果該井斜角范圍出現(xiàn)在調整段，合理的調整段長度將對攜巖產生重要影響。故第一次造斜后，穩(wěn)斜角最好控制在30176。到60176。之間，從而減少攜巖難度高的井段段長，降低施工難度。從實際施工來看，在井斜角大于50176。以前，鉆具造斜率隨著井斜角的增加而增大。但當井斜角在70176?！?0176。區(qū)間時，造斜率隨井斜增加而增加的速度放緩，如下表所示。表32 1176。單彎螺桿造斜率工具類型井段（m）井斜角（176。）造斜率[(176。)/30m]1176。單彎～～1176。單彎～～1176。單彎4760～4794～1176。單彎4848～～從表中看出，當井斜從平均2176。增加到12176。，176。/30m；當井斜從平均12176。增加到65176。，176。/30m；當井斜從平均65176。增加到78176。時，176。/30m。該規(guī)律對不同的鉆具組合普遍存在。因此，為了保證高精度中靶，在入靶前增斜段井斜角變化量應該在70176?！?0176。之間。綜上所述，從軌跡控制和井筒攜巖的角度考慮，塔河油田水平井施工軌道設計中，穩(wěn)斜角范圍應在45176。60176。之間。 調整段長度范圍的確定在塔河油田水平井大斜度段施工中，由于地層因素影響工具造斜能力不穩(wěn)，因而實際井眼軌跡與設計軌道相比不是超前，就是滯后。當不能忽略地層、以及井眼曲率等對鉆具造斜率的影響時，塔河油田水平井鉆井施工中，采用分次定向技術來補償該方面的誤差，實現(xiàn)井眼軌跡的合理控制。分次定向軌跡控制技術即是采用滑動鉆進和復合鉆進交替進行控制水平井軌跡的技術。采用比設計造斜率高15%至20%造斜工具進行定向造斜，根據待鉆井眼預測設計，適時采用復合鉆進，消耗垂深，以調整剖面，鉆至一定深度時再定向增斜鉆進。這樣可以大幅度地減小鉆具組合，縮短鉆井時間。塔河油田采用較大彎角的單彎殼體螺桿鉆具（176。），理論造斜率可以達到11176。/30m。 為了保證分次定向技術的順利開展，必須保證足夠的調整段長度，進而保證在第二段造斜時小的井眼曲率，為高精度中靶提供了良好的井眼準備。通過對比分析目前采用的鉆具組合以及軌道的特點，同時為了滿足后續(xù)井段的造斜鉆進， AT1和9區(qū)的調整段最好控制在40到150米。圖35 9區(qū)和 AT1區(qū)塊中間段調整段長度 井眼曲率范圍的確定井眼曲率的選擇是一個極其重要的問題。原則上，井眼曲率應盡可能地減小。一般來說，井眼曲率小，則管柱在井眼內的摩阻扭矩就小，與此有關的井下復雜情況和鉆柱事故（例如鍵槽卡鉆）也就少，但這只是問題的一方面。另一方面，井眼曲率也不能太小。對于普通定向井來說，在設計目標點的垂深、位移和造斜點不變的條件下，井眼曲率越小，造斜井段就越長，全井井眼長度就越大，這就多打了進尺；但井眼曲率小，則穩(wěn)斜段長度相對較短，會導致軌跡調整的回旋余地變小，所以井眼曲率不能太小。對于水平井來說，在設計目標段的井斜角和垂深一定的情況下，如果井眼曲率較小，則造斜點就高，靶前位移相對較大，全井傾斜和彎曲井段很長，其結果是不僅多打了進尺，而且摩阻扭矩很高，起下鉆很困難，井下復雜情況和事故頻繁。而對于曲率較大的中半徑水平井來說，靶前位移小，全井傾斜和彎曲井段較短，既少打了進尺，而且摩阻扭矩較小，鉆井難度反而減小了?？梢?，井眼曲率的選擇要從減小全井鉆井難度來考慮。另外，井眼曲率還要受限于井內管柱因素。下表為塔河油田9區(qū)和AT1區(qū)塊已鉆井的軌道設計參數(shù)，以及靶點垂深、靶前位移等基本參數(shù)。表32 9區(qū)與AT1區(qū)水平井軌道參數(shù)表井號造斜點深(m)靶點垂深（m）垂 差（m）最小造斜率176。/30m設計造斜率176。/30m靶前位移(m)TK919H4440 250TK921H43664610244 250TK922H4350 8250TK923H4586 10300TK924H4310 270TK925H 300TK926H4598 250TK927H 250TK928H43604613253 8250TK929H 8250TK930H4260 7300TK931H272 300TK932H44134613200 200TK933H197 10200AT11H39524251299 300AT12H3980 300AT13H299 300AT14H250 250AT16H 8250AT17H 300AT18H39874258271 300AT19H3971 8350對于二維水平井鉆井，在設計軌道時，井眼曲率和造斜率在數(shù)值上是相等的。表中最小造斜率是根據靶前位移和垂差數(shù)據得出的實現(xiàn)施工設計所需的最小造斜率，那么實際所采用的設計造斜率必然要高于這個最小造斜率（從表中也可看出）。據此，可以認為，井眼曲率的下限即為通過基礎參數(shù)得出的最小造斜率。井眼曲率上限主要受到所采用工具造斜能力的影響，而工具的造斜能力受到工具本身結構、地層因素、鉆進參數(shù)、井眼形狀等諸多因素的影響，其確定具有重要的意義，同時也存在一定難度。要確定井眼曲率上限，必須結合塔河油田水平井鉆井施工的實際特點，分析各種因素的影響，并采用合理的預測方法才能得出精確實用且具有針對性的數(shù)據，這一內容將在下一章著重研究。第4章 塔河油田動力鉆具造斜率預測研究作為軌道優(yōu)化設計的約束條件之一，鉆具造斜率非常關鍵。如果能夠精確預測鉆具在特定區(qū)塊的實際造斜率，以指導軌道設計，將設計造斜率選定在鉆具可以實現(xiàn)的合適范圍內，將降低施工難度和風險，從而減小水平井鉆井的成本。 以塔河油田完鉆水平井AT112H井設計及施工情況為例闡述該研究對于軌道優(yōu)化設計的重要性。該井軌道剖面采用“直—增—平”，由于地質需要，第一段造斜率設計為9度/30米，比一般AT1區(qū)塊水平井設計造斜率8度/30米較高。側鉆成功后，造斜段開始采用的鉆具組合為++180。9m +F165mmMWD短節(jié)+F127mm無磁承壓鉆桿180。9m +F127mm加重鉆桿180。240m++F127mm加重鉆桿180。160m+F127mm鉆桿，施工中，井斜逐漸落后于垂深，最終變更軌道設計。經過分析，認為造成該情況的原因為：1) 螺桿廠家標定的預計造斜率偏高,。2）設計造斜率較一般水平井設計造斜率高；3）AT1區(qū)塊卡普沙良群地層造斜能力不強，達不到9度/30米。從這一實例可見，必須充分研究不同鉆具在不同區(qū)塊中的造斜能力，對工具入井后的造斜性能有較為確切的認識，在水平井軌道設計時，造斜率盡量維持在常規(guī)鉆具能夠達到的范圍，降低工難度。同時，研究結論也可用于定向施工時參考，精確控制井眼軌跡。螺桿鉆具組合在塔河油田水平井鉆井施工中應用十分廣泛，而中長半徑水平井鉆經碎屑巖地層為砂泥巖互層，砂巖和泥巖地層造斜差異大，增加了鉆具優(yōu)選和軌跡控制難度，因此，必須充分研究分析螺桿鉆具造斜性能及影響因素，合理選擇適應于地層特性的鉆具組合，為提高鉆井速度和軌跡控制精度創(chuàng)造條件。 由于螺桿鉆具組合長度較短、剛度相對較大，所以根據幾何關系來計算其造斜率的方法已經被普遍接受。1985年，“三點定圓法”。1990年，“雙半徑法”。隨后，王寶新等人拓展了雙半徑法的應用范圍，帥健等人應用三點定圓的數(shù)學方程給出了幾何造斜率的計算方法，蘇義腦等人對雙彎和三彎鉆具與單彎鉆具的等效關系問題進行了深入研究。劉修善通過考慮彎角位置對導向鉆具造斜率的影響，提出了修正的三點定圓法，彌補了原三點定圓