定向鉆井造斜工具面控制方法研究與應用

梁奇敏，高德利，汪順文

（1.中國石油大學石油工程教育部重點實驗室，北京102249；2.中海油深圳分公司，廣東深圳 518067）

目前世界上許多國家都將海洋油氣勘探開發作為主要的油氣增長點，但由于海洋鉆井成本昂貴，所以在海洋鉆井平臺上廣泛采用叢式井組。當今叢式井鉆井面臨的主要問題包括槽口較密集、鄰井距離很近、防碰問題嚴重等[1-4]。直井段不能完全打直[5-8]，造成造斜點處井眼軌跡變化趨勢偏離設計線，由于井眼慣性的影響，井底不能及時靠近設計線，從而使防碰問題更加嚴重，因此在叢式井鉆井中應著重考慮初始定向工具面對軌跡控制的影響[9]。為了解決這一問題，可以根據“空間斜面圓弧”模型以及“全力扭方位”計算模型，探討初始定向時選擇合適的工具面，能使井眼軌跡盡快貼近設計線，等實鉆井斜方位角接近目標井斜方位角后，再朝著目標井斜方位角定向，有效減輕防碰問題。本文根據“空間斜面圓弧”模型，參考“全力扭方位”計算模型，以BZ13-1 A2叢式井為計算實例，結合landmark軟件計算，分析了初始定向工具面對井眼軌跡的影響。

1 “全力扭方位”計算模型在海洋叢式井定向造斜時的應用

“全力扭方位”計算模型并不適用于所有的定向井。因為雖然在任何情況下都不可能鉆成一口完全垂直的井，但是如果直井段井底的井斜方位角和目標方位角相差不多，此方法效果不太明顯。只有當井底已經產生井斜的直井井底井斜方位角和目標井斜方位角相差很多時才可以考慮利用“全力扭方位”計算模型。下面以BZ13-1 A2井為例介紹“全力扭方位”計算模型在叢式井定向鉆井中的應用。

BZ13-1 A2井南北坐標4 267 331.42 m，東西坐標418 551.99 m，屬叢式井3×3槽口中的一個外排槽口，水深24.2 m，補心海拔26.9 m，設計目標方位 287.24°，設計的直井段長度450 m。靶點坐標是：南北坐標4 267588.00m，東西坐標417725.00m，垂深是3976.90m。該井直井段的實測軌跡數據（見表1）。

表1 BZ13-1 A2井直井段軌跡數據

從表1中可以看出直井段沒有完全打直，最后一個測點已經產生了0.5°的井斜。從井眼的走向趨勢可以看出產生的井斜方位角（78.7°）沒有朝向目標井斜方位角（287.24°），平臺的整個槽口水平位移投影圖（見圖1）。

這樣就會有一些問題：

（1）當按照常規定向方法定向，即定向工具面角直接朝著目標井斜方位角定向時，由于井眼慣性的影響，井眼軌跡總是會順著原井眼井斜方位角的趨勢前進，井斜方位角變化太慢，貼近設計線需用的井段就會加長。

（2）叢式井鉆井對防碰要求很高，雖然在最后一個測點處只有0.5°井斜，但已經產生了水平位移-1.49 m。通過landmark軟件計算，如果直接朝著目標井斜方位角（287.24°）滑動鉆進 30 m，會產生水平位移-2.36 m，那么就會造成軌跡線上的水平位移不能滿足臨井A4井的防碰距離的要求，對鉆井安全造成很大的影響。

根據以上分析，顯然開始直接按照目標井斜工具面定向無法保證快速貼近設計線軌跡和防碰要求。因此在定向時使用圖2所示的工具面角。

在圖2中，φ1是直井段井底已經產生的井斜方位角；φ2為設計軌道的目標井斜方位角；ω2是常規定向工具面角，當直接朝著目標井斜方位線定向時，應該和φ2一樣；ω1是全力扭方位時定向工具面角，于是，在φ1和ω1的共同作用下，井眼雖然會沿著原來井眼方向前進，但由于定向工具面角較目標井斜方位角超前，所以整體效果仍然是朝著目標井斜方位角定向鉆進的。此時，實鉆井眼軌跡剛好滿足井斜方位角朝著設計方位靠近的要求，井底水平距離減小而不容易造成A4井防碰困難等問題。等實鉆井斜方位角和目標井斜方位角相近的時候，再將定向工具面角調整為目標井斜方位角。由上圖系統分析可知，采用這樣的全力扭方位模型，實際工具面相當于兩個動態矢量的和，即有：ω2=φ1+ω1。

2 采用“全力扭方位”計算模型時定向造斜工具面角的計算方法

井眼方向控制的內容是：從當前井底的井斜角α1和井斜方位角φ1，鉆進長度為ΔL的井段后，使井斜角和井斜方位角分別到達α2和井斜方位角φ2。由于空間圓弧軌跡是一段位于空間斜平面內的圓弧，所以井眼方向控制方案設計中的工具面角實際上是指該圓弧井段起始點的工具面角[10]。

“全力扭方位”計算模型是確定一個定向工具面，使井斜方位角的變化量Δφ達到最大值。由“空間斜面圓弧”模型，可以得到下式[11]：

式中：ω為定向工具面角；α1為直井段井底井斜角；Δφ為井斜方位角變化量；γ為井段的狗腿度（以下相關符號注解相同）。

要使扭方位Δφ達到最大，需要滿足：

根據上述“空間斜面圓弧”模型，可以推導出在使用“全力扭方位”計算模型下的全力扭方位造斜工具面角如下：

在參考“全力扭方位”計算模型時，由于叢式井定向作業時采用陀螺定向，可以測出井底的井斜α1、井斜方位角φ1，而井段允許的狗腿度γ是已知的（本文涉及到的井是按照3°/30 m來計算）。在不考慮鉆井參數、地層各向異性等影響的情況下，總是可以確定一個最大扭方位工具面角ω，可以用landmark軟件驗證出可以作為初始定向工具面角。

3 定向造斜工具面角對井眼軌跡的影響

以BZ13-1 A2井二開鉆31.5 cm井眼為例，使用“全力扭方位”計算模型來計算造斜點處定向工具面對軌跡控制的影響。從槽口圖中可以看出，初始定向工具面角只有朝著背離直井段傾斜趨勢的半圓區域內（168.7°～348.7°），才能使軌跡靠近設計軌道。將直井段井底井斜角α1=0.5，井眼允許狗腿γ=3°/30 m代入公式（3）中，計算出最大扭方位工具面角ω=226°。用landmark軟件驗證計算并利用結果畫圖說明當目標井段允許的狗腿度γ為一定，滑動鉆進井段ΔL一定時，定向工具面角與水平位移大小、所能達到的井斜方位角以及后期需要滑動鉆進井段之間的關系（不考慮鉆井參數、地層各向異性等影響）。

分以下三種情況分別計算，利用“全力扭方位”計算模型計算出定向工具面角，利用landmark軟件驗證計算并畫圖比較說明以上三種情況下的不同定向工具面角與軌跡控制之間的關系，結果（見圖3、圖4、圖5）。

從圖3中可以看出：（1）當目標井段允許的狗腿度γ為一定時（3°/30m），滑動鉆進井段ΔL不變時（31.6m），如果朝著288°定向時，會產生1.56 m的閉合距，對鄰井A4井會產生很大的防碰危險。這是因為受直井段井眼軌跡慣性的影響；（2）當定向工具面朝著226°定向時，將原來1.49 m的水平距離減小到0.86 m，使防碰風險大大的降低；（3）在分析所有定向工具面角后，利用“全力扭方位”計算模型計算的定向工具面角226°所產生的水平位移依然較小。

從圖4中可以看出：（1）當目標井段允許的狗腿度γ一定（3°/30 m），滑動鉆進井段 ΔL不變時（31.6 m），如果朝著288°定向時，會產生井斜方位角14.14°，軌跡沒有盡快貼近設計線。這也是因為受直井段井眼軌跡慣性的影響；（2）當定向工具面朝著226°定向時，將產生井斜方位角290.75°，使軌跡基本上朝著目標方位線前進；（3）在分析所有定向工具面角后，利用“全力扭方位”計算模型計算的定向工具面角226°所產生的井斜方位角是最貼近設計線的。

從圖5中可以看出：（1）當目標井段允許的狗腿度γ一定（3°/30m），滑動鉆進井段 ΔL不變時（31.6 m），如果朝著288°定向鉆進后，后期需要滑動鉆進85.94 m，需要滑動鉆進的井段較長，從而鉆井周期會較長；（2）當定向工具面朝著226°定向鉆進后，后期只需要67.61 m井段滑動鉆進，整個軌跡的滑動鉆進井段極大地縮短；（3）在分析所有定向工具面角后，利用“全力扭方位”參考模型計算的定向工具面角226°定向后，整個井滑動鉆井的井段長度最小。

4 結論

本文以BZ13-1 A2井為實例，根據“空間斜面圓弧”模型以及在直井段沒有打直條件下的“全力扭方位”計算模型計算了全力扭方位定向工具面角，并利用landmark軟件以20°為步長驗證計算了從168.7°到348.7°不同定向工具面對軌跡控制的影響，計算結果表明“全力扭方位”計算模型計算得到的工具面角226°是最優的定向工具面角，產生了很好的效果，可以作為初始定向工具面角。

在今后的定向鉆井中，如果直井段沒有打直，在目標井段允許的狗腿度一定，可以通過參考“全力扭方位”計算模型得出合理定向工具面角，利用landmark軟件驗證計算能使初始定向段的閉合距較小，可使產生的井斜方位角很快貼近設計井斜方位角，從而使中靶所需定向鉆進的井段明顯減少。然而，若直接朝著目標井斜方位角定向，則無論如何都不是最優的選擇。

［1］姜偉.渤海綏中36-1D區叢式井密集井口優質快速集中鉆固表層技術［J］.中國海上油氣，2001，13（6）：24-26.

［2］周俊昌，余雄鷹，羅勇，等.復合鉆井防斜打快技術研究與應用［J］.中國海上油氣，2007，18（3）:89-92.

［3］姜偉.遼東灣綏中36-1油田實驗區叢式井鉆井技術回顧與展望［J］.中國海上油氣，1996，8（1）:47-52.

［4］姜偉.遼東灣綏中36-1油田高難度叢式鉆井［J］.天然氣工業，1991，11（5）:53-57.

［5］李培佳，馮志明，李紅，等.淺層叢式井鉆井工藝［J］.鉆采工藝，2004，27（2）:90-91.

［6］汪海閣，蘇義腦.直井防斜打快理論研究進展［J］.石油學報，2004，25（3）:86-90.

［7］高德利.易斜地層防斜打快鉆井理論與技術探討［J］.石油鉆探技術，2005，33（5）:16-19.

［8］胡湘烔，高德利.石油與天然氣工程學-油氣井工程［M］.北京:中國石化出版社，2003:187-188.

［9］陳萬安，章壯云，單天兵.進一步提高定向準確度的方法探討［J］.石油鉆探技術，2000，27（5）:12-14.

［10］王清江，毛建華，韓貴金，等.定向鉆井技術［M］.北京:石油工業出版社，2009:122.

［11］劉修善.井眼軌道幾何學［M］.北京：石油工業出版社，2006:288.