常規水平井懸空側鉆井眼軌道設計與應用

范光第，王 麗，馬慶濤，劉 華，黃根爐

(1.中國石化勝利石油工程有限公司，山東 東營 257061；2. 中國石化勝利油田石油開發中心，山東 東營 257061；3.中國石油大學(華東)，山東 青島 266500)

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常規水平井懸空側鉆井眼軌道設計與應用

范光第1，王 麗2，馬慶濤1，劉 華1，黃根爐3

(1.中國石化勝利石油工程有限公司，山東 東營 257061；2. 中國石化勝利油田石油開發中心，山東 東營 257061；3.中國石油大學(華東)，山東 青島 266500)

針對勝利油田常規水平井鉆井過程中的懸空側鉆問題，現場主要憑借經驗對側鉆軌道進行設計，但設計精度低、失誤率高。采用平面圓弧和斜面圓弧的設計方法，將側鉆井眼軌道設計為：穩斜段+造斜段，同時分別推導出了二維和三維側鉆井眼軌道計算公式，并對關鍵計算參數進行了說明。現場實例證明了此方法設計精度高，能夠提高側鉆成功率，為同類水平井懸空側鉆提供一定的技術支持。

常規水平井；懸空側鉆；軌道設計；平面圓弧；斜面圓弧

0 引 言

目前，勝利油田部署的水平井大多為常規水平井。該類井的建井周期較短，如果在施工過程中需要側鉆，采用填井側鉆時間較長，而采用懸空側鉆則可以直接將鉆具提至側鉆點進行施工，該種方式可大大減少施工周期，降低鉆井成本[1-2]。該文對側鉆井眼軌道設計問題進行了研究，針對鉆井過程中以螺桿鉆具為主、恒曲率井眼軌道更容易施工的現狀，采用了平面圓弧和斜面圓弧的設計方法，推導出二維和三維側鉆井眼軌道計算公式，軌道設計簡單，現場應用方便。

1 側鉆軌道設計

選擇合適的側鉆點是實施懸空側鉆的第一步，也是側鉆成功的先決條件[3-4]。在造斜段中，管柱的受力如圖1所示，管柱在自身重力和彎曲變形作用下，其下端始終與下井壁接觸。所以側鉆方向一般都是斜向下，使新井眼保持在老井眼的斜下方，以此來確保管柱能順利進入新井眼。圖中G為管柱的重力，F1、F2、F3為管柱受到的井壁支撐力。

在選擇側鉆點時應盡量減少返工進尺，縮短鉆井周期。同時，保證靶點與側鉆點之間垂距合適，若垂距過短，會造成后期井眼軌道調整空間太小，出現較大狗腿度及較大的摩阻扭矩，并給隨鉆儀器帶來危險，也增加了后期電測及下套管過程中的風險。因此，應根據后期作業要求以及隨鉆儀器的規定，選擇合適的側鉆點并做好側鉆井眼軌道設計。

圖1 造斜井段管柱受力分析示意圖

2 二維井眼軌道設計

二維井眼軌道設計是在只考慮井斜角的變化，不考慮方位角的情況下，在井斜平面內設計合理的側鉆軌道，如圖2所示。圖中C點為懸空側鉆點，CA為原始井眼軌道，CDT為新井眼軌道，CD為側鉆初始井段，DT為圓弧段。因此，二維懸空側鉆井眼軌道設計為：穩斜段(微增段)+造斜段(平面圓弧段)，對應圖2中CD段+DT段。

穩斜段(微增段、CD段)既能保證新老井眼的快速分離，又可以連接上下造斜段，使井眼軌跡平滑。D點的井斜角、垂深通過計算可得[5-6]。

(1)

(2)

(3)

Δh=HA-HD

(4)

(5)

(6)式中：αC、αD分別為C點和D點井斜角，°；HA、HC、HD分別為A、C、D點垂深，m；kL為螺桿造斜率，°/m；Δh為垂深差，m；R為井眼曲率半徑，m；k為井眼曲率，°/m。

通過式(6)可得到新井眼軌道的曲率k，根據k是否滿足隨鉆儀器和后期作業要求，來調整側鉆點的位置。D點的參數由式(1)、(2)計算得到，當kL為0時，D點垂深由式(3)計算得到。kL值與鉆進時的眾多參數有關[7-8]，需要進行預測，一定程度上存在預測誤差，因此，選擇的新井眼軌道曲率不能接近最大值，要保留調整余地。

3 三維井眼軌道設計

當已鉆井眼嚴重偏離設計軌道，需要同時調整井斜角和方位角才能中靶時，或已鉆遇的油層未能達到預期效果，需要更改原設計來找到合適油層時，一般會采用三維井眼軌道設計(圖3)。圖3中C為懸空側鉆點，CA為原始井眼軌道，CDT為新井眼軌道，CD為側鉆初始井段，DT為斜面圓弧段。DE為D點的鉛垂線，DF為井眼軌跡在D點的方向線，EF為DF在水平面上的投影線(D點的方位線)，T點為新目標點，FT為側鉆方位線。因此，三維懸空側鉆井眼軌道設計為：穩斜段(微增段)+造斜段(斜面圓弧段)，對應圖3中CD段+DT段。

圖3 三維空間側鉆井眼軌道示意圖

側鉆設計時，C點的參數已知，A點方位角、垂深已知(即油頂垂深)，D點的井斜角、方位角、垂深需要通過C點參數及螺桿造斜率計算得到。由于側鉆初期需要新老井眼快速分離，所以重力工具面一般擺在180 °左右，這樣導致初期井段的方位角變化較小，基本可以忽略，即φD=φC，而D點的其他參數可以通過式(1)～(3)計算得到[10]。

Δh=DE=HA-HD

(7)

αD=∠EDF

(8)

Δφ=∠AFT=|φT-φD|

(9)

(10)

式中：φD、φT分別為D點和T點的方位角，°。

式(10)中的Δφ如果為0，則arccos(sinαDcosΔφ)=90-αD，式(10)就轉化為式(5)。側鉆井眼軌道的方位與原井眼軌道方位一致，也就演變成了二維井眼軌道設計。

4 現場實例應用

以勝利油田平1井為例，該井部署在區塊邊部，油層發育差、厚度薄，施工難度大，依據原設計鉆遇油層20m，將油層打穿。與甲方討論，更改原設計方案，減小設計方位，為降低鉆井成本，選擇懸空側鉆。

該井原軌道設計造斜率為0.192 3 °/m，設計方位角為136 °，更改設計后，方位角變更為126 °。由老井眼軌跡數據得出油層頂部垂深為1 311.0m，選擇初始側鉆點為1 280.5m(對應圖3中C點)，各參數為：井斜角為52.11 °，方位角為136.56 °，垂深為1 247.1m。依據側鉆施工步驟，第1根斜向下鉆進使新老井眼快速分離，第2根穩斜鉆進保證夾壁墻穩定[8]，第3根開始增斜和變方位施工。根據螺桿造斜率預測2根后(井深為1 299.7m，對應圖3中的D點)的井斜角為53.5 °，方位角為136 °，垂深為1 259m。將上述各參數代入式(7)～(11)計算得到井眼軌道造斜率為0.223 5 °/m，滿足后期完井作業與隨鉆儀器的要求(Halliburton公司的LWD要求狗腿度最大為0.250 0 °/m)。最后通過測斜數據、隨鉆測井曲線，確定側鉆成功。

平1井側鉆完成后，利用D點的實際參數(井斜角為53.17 °，方位角為135.86 °，垂深為1 258.7m)，計算得到井眼軌道的造斜率為0.228 5 °/100m，比設計值略大，完全滿足儀器要求。但是比原井眼軌道設計造斜率增大較多，正是由于側鉆初期井斜角的減小以及后期方位角的變化，導致了側鉆井眼軌道造斜率的增大。

由新井眼軌跡數據看出，井深為1 309.3m處井斜角為53.95 °，井斜角增加很小，基本為穩斜鉆進，可以認為該點至側鉆點距離為1 280.5m為側鉆的初始井段，該點為上述需要預測的D點。將其實際各參數(井斜角為53.95 °、方位角為135.51 °、垂深為1264.4m)代入式(7)～(10)，計算得到造斜率為0.244 0 °/m，基本接近隨鉆儀器的最高要求。所以側鉆初始井段的預測非常重要，準確預測D點的各項參數，可以精確設計井眼軌道。但由于預測存在一定誤差，不能將設計側鉆井眼軌道的造斜率接近最高要求，保留一定的調整余地。

如果沒有進行側鉆初始井段的預測，而是將側鉆點為1 280.5m作為圓弧段井眼軌道設計的起始點(對應圖3中D點)，將其各參數代入上式(7)～(10)，計算得到造斜率為0.195 6 °/m，遠遠低于最高要求，所以會重新選擇側鉆點。如果選擇原井深1 328.6m為側鉆點，計算得到造斜率為0.205 0 °/m，依然遠低于最高要求，可能會進一步加深側鉆點，最終導致側鉆點距A靶點垂距過短，無法進行施工。為此不能混淆側鉆點C與點D，即在做側鉆設計時，設計的圓弧段井眼軌道起始點并不是實際側鉆點，而是新老井眼分離穩定后，開始正常進行增斜和扭方位的起始點。

5 結 論

(1) 對于常規水平井出現的懸空側鉆，由于其原井眼軌道設計的造斜率較高，而側鉆初始井段的井斜角較小，后期方位角變化必然導致造斜率的增大。只有通過選擇合適的側鉆點，做好可行的側鉆井眼軌道設計才能保證懸空側鉆順利地實施。

(2) 做側鉆井眼軌道設計時，應考慮到側鉆初始井段井斜角減小的影響。圓弧段井眼軌道設計的起始點并不是實際側鉆點，而是新老井眼分離穩定后開始增斜點，準確預測該點各參數可以比較合理的設計后期井眼軌道。

(3) 針對二維平面和三維空間問題，采用穩斜段(微增段)+平面圓弧(斜面圓弧)作為側鉆的井眼軌道，軌道設計簡單，參數計算方便，有利于現場應用。

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編輯 朱雅楠

20151008；改回日期：20160104

國家自然科學基金“導向鉆井下部鉆具運動狀態識別的理論與實驗研究”(51274234)

范光第(1984-)，男，工程師，2008年畢業于中國石油大學(華東)石油工程專業，2011年畢業于該校油氣井工程專業，獲碩士學位，現從事定向井、水平井現場施工工作。

10.3969/j.issn.1006-6535.2016.02.035

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