【正文】 設(shè)計(jì)變量(井斜角、井斜方位角、井段長(zhǎng)、井段曲率等)作為優(yōu)化變量，把井深作為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)二維多靶定向井軌跡設(shè)計(jì)問題提出了最優(yōu)化數(shù)學(xué)模型。2000年，張焱首次將待鉆井眼軌跡最優(yōu)化設(shè)計(jì)問題歸結(jié)為非線性不等式約束條件下線性目標(biāo)函數(shù)的非線性規(guī)劃問題，完善了上述方法。 近年來, 人們?cè)噲D將最優(yōu)化理論引入定向井、水平井的井眼軌道設(shè)計(jì)之中, 并取得了一定成果。 研究?jī)?nèi)容本文針對(duì)塔河油田水平井鉆井施工中遇到的技術(shù)難點(diǎn)，從井眼軌道設(shè)計(jì)的角度出發(fā)開展研究，根據(jù)井眼軌道優(yōu)化理論建立塔河油田軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)模型，結(jié)合對(duì)各個(gè)關(guān)鍵參數(shù)的約束條件的研究，重點(diǎn)分析塔河油田螺桿鉆具造斜能力影響因素及計(jì)算方法，從而優(yōu)化設(shè)計(jì)水平井軌道，進(jìn)一步完善水平井鉆井工藝。，采用合理的優(yōu)化計(jì)算方法對(duì)設(shè)計(jì)軌道進(jìn)行優(yōu)化。水平井軌道的優(yōu)化設(shè)計(jì)不只是簡(jiǎn)單的幾何問題，必須綜合考慮油藏、鉆井、采油的具體條件, 涉及流體力學(xué)、滲流力學(xué)、巖石力學(xué)、管柱力學(xué)等多學(xué)科。在滿足鉆井工程要求的前提下，盡可能選用形狀簡(jiǎn)單、易于施工的井身剖面，優(yōu)化設(shè)計(jì)軌道，減少井眼軌跡控制的難度和工作量，從而實(shí)現(xiàn)安全、優(yōu)質(zhì)、快速、低耗鉆井。但是它們都有一個(gè)共同的特點(diǎn)：設(shè)計(jì)出來的軌道能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)施工的要求,卻不能肯定它是一條可行的最優(yōu)軌道。張焱等學(xué)者認(rèn)為所謂最優(yōu)軌道有以下三個(gè)含義:(1) 設(shè)計(jì)軌道必須滿足現(xiàn)場(chǎng)施工條件的限制；(2) 設(shè)計(jì)軌道應(yīng)當(dāng)是滿足各種設(shè)計(jì)要求下的最短軌道；(3) 設(shè)計(jì)軌道的鉆柱扭矩和摩阻力應(yīng)當(dāng)相對(duì)最小。實(shí)現(xiàn)井眼軌道的最優(yōu)化設(shè)計(jì)與常規(guī)方法有本質(zhì)的不同，可以最大程度地避免主觀因素導(dǎo)致的問題，從而提高設(shè)計(jì)的精度和質(zhì)量。 定向井軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)模型常規(guī)的雙增型剖面軌道設(shè)計(jì)一般采用以下步驟:(1) 假設(shè)第一、第二造斜點(diǎn)的位置,第一、第二造斜率的大小,計(jì)算能否設(shè)計(jì)出一條軌道達(dá)到靶點(diǎn)；(2) 如果不能設(shè)計(jì)出一條滿足要求的軌道,則改變?cè)煨秉c(diǎn)位置、造斜率大小的假設(shè),重復(fù)計(jì)算,重復(fù)改變各種假設(shè),直到設(shè)計(jì)出一條能達(dá)到靶點(diǎn)的軌道來。據(jù)此考慮建立對(duì)該剖面設(shè)計(jì)的優(yōu)化模型。六個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)為:①井口位置；②第一造斜點(diǎn)位置；③第一造斜末點(diǎn)位置；④第二造斜點(diǎn)位置；⑤第二造斜末點(diǎn)位置；⑥靶點(diǎn)。圖21 雙弧軌道剖面示意圖八個(gè)約束條件為: ①實(shí)際第一造斜率必須小于現(xiàn)場(chǎng)工具的最大造斜能力；②第一造斜點(diǎn)位置必須在比較穩(wěn)定的適合于造斜的地層層位；③第一造斜末點(diǎn)位置必須在地質(zhì)條件適合于下中間套管的層位；④第一穩(wěn)斜角必須小于地層允許的最大井斜角；⑤實(shí)際第二造斜率必須小于現(xiàn)場(chǎng)工具的最大造斜能力；⑥第二造斜點(diǎn)位置也必須在適合于造斜的地層層位；⑦第二造斜末點(diǎn)位置必須位于地質(zhì)條件適合于下第二中間套管的層位；⑧第二穩(wěn)斜角必須在地層允許和設(shè)計(jì)要求的井斜角大小范圍以內(nèi)。式(24)就是雙增型剖面軌道最優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型,應(yīng)用最優(yōu)化理論求解上式,即可得到在滿足工程設(shè)計(jì)要求下各種參數(shù)達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)的最優(yōu)軌道。剖面類型主要以“直—增—平”，“直—增—穩(wěn)—增—平”等常用剖面為主。表21 完鉆水平井剖面類型(1)井號(hào)剖面類型實(shí)際井深造斜點(diǎn)(m)設(shè)計(jì)造斜率實(shí)際造斜率AT112H直—增—穩(wěn)—增—平9BK4H直—增—穩(wěn)—增—平4530BK5H直—增—穩(wěn)—增—平4553DK26H直—增—穩(wěn)—增—平47254100DK27H直—增—穩(wěn)—增—平477033507YK14H直—增—穩(wěn)—增—平5075TK937H直—增—穩(wěn)—增—平50798TK131H直—增—平43708．61TK133H直—增—平49804226TK938H直—增—平49134401TK1226H直—增—平63705853表22 完鉆水平井剖面類型(2)井號(hào)設(shè)計(jì)井深實(shí)際井深造斜點(diǎn)(m)靶前位移 水平段長(zhǎng)水平位移AT112HBK4H4530BK5H4553458．9DK26H47254100DK27H47703350大斜度定向井YK14H58995075200TK131H4370250TK133H49804226350200550TK937H50585079301TK938H49134401TK1226H63705853注：上表中DK27H設(shè)計(jì)為水平井，施工調(diào)整為大斜度定向井水平井的井身剖面可根據(jù)實(shí)際需要設(shè)計(jì)成多種不同類型，但實(shí)際上在塔河油田應(yīng)用最多的、最具有代表性的有三種類型，即單增剖面、雙增剖面和三增剖面。造至最大井斜角Αh（90176。TK131H，TK133H，TK938H等采用了該剖面類型設(shè)計(jì)，在塔河油田2008年在鉆及完鉆水平井中應(yīng)用較少。這種剖面類型適用于目的層頂界確定而工具造斜率不十分確定的情況。表24 直—增—穩(wěn)—增—平剖面統(tǒng)計(jì)表井號(hào)實(shí)際井深造斜點(diǎn)井斜實(shí)際造斜率靶前位移 水平段長(zhǎng)水平位移AT112H9BK4H4530BK5H4553DK26H47254100YK14H5075200TK937H5079250 三增剖面水平井三增剖面又稱“直增增增平”剖面，由直井段、第一增斜段、第二增斜段、第三增斜段和水平段組成。），可以根據(jù)實(shí)鉆造斜情況調(diào)整各段造斜率使軌道進(jìn)入準(zhǔn)確靶區(qū)。表25 TK936H井身剖面參數(shù)井深 m井斜 176。垂深 m水平位移 m南北 m東西 m狗腿度176。下圖為BK4H實(shí)鉆軌道與設(shè)計(jì)軌道的對(duì)比圖。 塔河油田水平井軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)模型推導(dǎo)依據(jù)塔河油田已鉆井資料和現(xiàn)場(chǎng)工藝要求以及多年的研究成果，結(jié)合非線性約束最優(yōu)化理論，以軌道長(zhǎng)度為優(yōu)化目標(biāo)，建立能滿足各種約束條件下的水平井軌道優(yōu)化模型。（1）“直增平”剖面水平井軌道優(yōu)化模型：圖212“直增平”剖面水平井軌道示意圖建立軌道優(yōu)化模型如下：優(yōu)化目標(biāo)：軌道最短 造斜率約束： 造斜點(diǎn)約束： 靶前距與垂深： 中靶要求： （2）“直增調(diào)增平”剖面軌道優(yōu)化模型圖213 “直增調(diào)增平”剖面水平井軌道示意圖優(yōu)化目標(biāo)：軌道最短角度約束: 造斜率約束: 造斜點(diǎn)約束: 等式關(guān)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(biāo)：軌道最短 穩(wěn)斜角約束： 造斜率約束： 造斜點(diǎn)約束： 等式關(guān)系： 中靶要求： 符號(hào)說明： 井口坐標(biāo)；靶點(diǎn)坐標(biāo)；井深，m；造斜點(diǎn)垂深，m，i=1，2，3；，造斜點(diǎn)上下限，m，i=1，2，3；穩(wěn)斜段穩(wěn)斜角，176。i=1，2；造斜率，176。/30m，i=1，2，3； 穩(wěn)斜段長(zhǎng)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(shè)計(jì)的基本模型建立之后，約束條件的確定成為重要的問題。因此，需要結(jié)合塔河油田實(shí)際設(shè)計(jì)及施工經(jīng)驗(yàn)，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(shí)現(xiàn)最優(yōu)軌道設(shè)計(jì)。造斜點(diǎn)位置的高低取決于最大井斜角和井眼曲率的大小。在目標(biāo)點(diǎn)的設(shè)計(jì)垂深和位移一定的情況下，造斜點(diǎn)太高或者太低都不好，實(shí)際上存在著一個(gè)可使鉆井難度最小的最合理的造斜點(diǎn)位置。表31 AT1和TK9第一造斜點(diǎn)的確定井號(hào)剖面類型造斜點(diǎn)深(m)造斜點(diǎn)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(diǎn)所在地層的分布情況。該層位硬度適中，井壁穩(wěn)定性好，井徑擴(kuò)大率在3%左右，無縮徑，適合在該處造斜。 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(diǎn)井斜角也即調(diào)整段井斜角。這樣雖然會(huì)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?！?0176?！?0176。因此，在第一段造斜結(jié)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(jìn)行造斜，穩(wěn)斜角最好大于45176?！?0176。從攜巖的角度講，該井斜角范圍出現(xiàn)的井段段長(zhǎng)越短，越有利于井眼的清潔。故第一次造斜后，穩(wěn)斜角最好控制在30176。之間，從而減少攜巖難度高的井段段長(zhǎng)，降低施工難度。以前，鉆具造斜率隨著井斜角的增加而增大?！?0176。表32 1176。）造斜率[(176。單彎～～1176。單彎4760～4794～1176。增加到12176。/30m；當(dāng)井斜從平均12176。176。增加到78176。/30m。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(yīng)該在70176。之間。60176。 調(diào)整段長(zhǎng)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(shí)際井眼軌跡與設(shè)計(jì)軌道相比不是超前，就是滯后。分次定向軌跡控制技術(shù)即是采用滑動(dòng)鉆進(jìn)和復(fù)合鉆進(jìn)交替進(jìn)行控制水平井軌跡的技術(shù)。這樣可以大幅度地減小鉆具組合，縮短鉆井時(shí)間。），理論造斜率可以達(dá)到11176。 為了保證分次定向技術(shù)的順利開展，必須保證足夠的調(diào)整段長(zhǎng)度，進(jìn)而保證在第二段造斜時(shí)小的井眼曲率，為高精度中靶提供了良好的井眼準(zhǔn)備。圖35 9區(qū)和 AT1區(qū)塊中間段調(diào)整段長(zhǎng)度 井眼曲率范圍的確定井眼曲率的選擇是一個(gè)極其重要的問題。一般來說，井眼曲率小，則管柱在井眼內(nèi)的摩阻扭矩就小，與此有關(guān)的井下復(fù)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。對(duì)于普通定向井來說，在設(shè)計(jì)目標(biāo)點(diǎn)的垂深、位移和造斜點(diǎn)不變的條件下，井眼曲率越小，造斜井段就越長(zhǎng)，全井井眼長(zhǎng)度就越大，這就多打了進(jìn)尺；但井眼曲率小，則穩(wěn)斜段長(zhǎng)度相對(duì)較短，會(huì)導(dǎo)致軌跡調(diào)整的回旋余地變小，所以井眼曲率不能太小。而對(duì)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(jìn)尺，而且摩阻扭矩較小，鉆井難度反而減小了。另外，井眼曲率還要受限于井內(nèi)管柱因素。表32 9區(qū)與AT1區(qū)水平井軌道參數(shù)表井號(hào)造斜點(diǎn)深(m)靶點(diǎn)垂深（m）垂 差（m）最小造斜率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