套管開窗側鉆水平井井眼軌跡控制技術

韓立軍

摘要：小井眼套管開窗側鉆水平井與常規套管開窗側鉆相比軌跡控制難度大 ，目前各大油田雖然對小井眼套管開窗側鉆進行了實踐 ，并對其軌道設計、開窗工藝 、施工工藝進行了探討，但對其軌跡控制技術總結甚少。

關鍵詞：小井眼;開窗;側鉆;水平井;軌跡控制

1 小井眼套管開窗側鉆水平井井眼軌跡控制影響要素分析

小井眼套管開窗側鉆水平井井眼軌跡控制是一項復雜的工作 ，影響其控制精度的因素很多 ，主要有：剖面類型 、老井眼軌跡、鉆進參數 、靶窗允許誤差 、地層、開窗方式、下部鉆具組合性能等。

1.1 剖面類型

曲線段的造斜率設計成“低——高——低”型，便于實鉆過程中易于控制井眼軌跡 。從井身軌跡控制而言 ，曲線段半徑減小，井眼軌跡控制容易一些， 這是由于垂深差不大 ，巖性較穩定 ，工具的造斜性能在一小段穩定地層中比較穩定的緣故。

小井眼套管開窗側鉆水平井的剖面類型歸根到底受近目的層的巖性、老井套管狀況、水泥膠結狀況、完井方法、現有造斜工具等諸多因素影響。一般情況下，只要井下工具及老井井眼條件許可，盡量采用較小半徑的側鉆水平井， 在地層復雜地區尤需如此。

1.2 水平靶窗允許誤差

由于小井眼套管開窗側鉆水平井半徑較小，因此， 水平段的縱向允許誤差對井眼軌跡控制的難易程度有較大的影響。當縱向允許誤差減小時，工具最大和最小造斜率越來越趨近于剖面設計造斜率， 這表明 ，縱向允許誤差越小， 要求工具的造斜能力越穩定。

1.3 原井眼軌跡

原井眼直接影響側鉆點的選擇 ，同時老井側鉆點的井斜 、方位及坐標是側鉆水平井設計的基礎數據 ，該點參數直接影響著水平井井眼軌跡控制工藝，主要表現在：

（1）當井斜較大時（大于5°）， 側鉆定位方式可采用非磁性測量、陀螺儀或高邊控制三種方式，而究竟選用哪一種方式， 要依方位的控制精度 、難度及測量儀器的性能而定;

（2）對斜向器開窗而言， 當井斜較小（小于3°），無論側鉆點位移大小 、側鉆點 、“足根” 、“足趾” 是否共線 ， 都可直接將斜向器對準兩維設計或三維設計的井身剖面要求的方位鉆進 ，當井斜較大時， 除非有特別要求， 在一般情況下， 斜向其應盡量擺放在最大扭方位方式所要求的方向上;

（3）側鉆點的選取對于小井眼套管開窗側鉆水平井井眼軌跡控制有著至關重要的作用。為利于側鉆控制，應在調查側鉆點附近30 ～ 50m區間巖性、套管完好性、水泥膠結狀況的基礎上，結合現有的井下動力鉆具， 在原井眼中選擇出最優的側鉆點。

1.4 地層對側鉆水平井井眼軌跡控制的影響

井眼形成過程實質上是鉆頭與地層相互作用的過程。井眼軌跡便是鉆具、鉆頭、巖性、地層各向異性、地層走向和傾向相互影響、相互作用的最總體現。由于小井眼套管開窗側鉆水平井井下工具尺寸較小， 鉆進過程中， 如果不考慮地層的影響，有可能造成施工與井眼軌跡控制的被動。地層巖性決定著鉆頭側向削切量 ，而膠結程度則決定著井眼尺寸鉆井瞬間擴大率。地層愈松散，鉆進過程中愈擴徑，對工具的造斜能力發揮影響也愈大。

1.5 其它影響側鉆水平井井眼軌跡控制的因素

影響側鉆水平井井眼軌跡控制的因素還有很多， 如側鉆方法的選擇， 下部鉆具組合是否合理，待鉆井眼設計水平的高低等等 。

2 井底預測技術

井底預測技術是實現井眼軌跡定量預測與控制的基礎。由于測量儀器距井底有一段距離（7～13m），而側鉆水平井造斜率較高，如果預測不準井底處井斜方位，則易造成大的施工誤差，因此對側鉆水平井而言，井底預測顯得更為重要。井底預測的方法很多，可分為兩大類，一類是力學法。從理論上講，力學法比較準確。但由于井下是一個復雜的多元系統，而系統中某些參數（如地層性質等）又不易掌握， 這一定程度上影響了力學預測方法的預測精度， 兼之力學預測方法準備變量多 ，計算復雜， 現場施工已較少采用。對于給定的鉆具組合和鉆井參數， 由于在一定的井段范圍內地層巖石的性質變化不大，所以井眼軌跡往往呈現出特定的變化規律。因此采用幾何方法預測 ，也能達到相當高的精度。幾何預測方法很多， 要嚴格評價各種井底預測方法的優劣是比較困難的。井底預測的這些幾何方法主要是依據各種曲率的變化規律進行選擇，并且需要緊密結合鉆井過程的實際工況。使用時，應根據實際的鉆井工況，進行分析判斷和預測。

（1）對于井下動力鉆具（包括導向鉆具）鉆進的井段，最小曲率法優于其它方法;對于轉盤鉆的鉆進井段， 自然參數法和圓柱螺線法的預測效果較好 ，且這兩種預測方法的精度基本相同。

（2）定曲率預測方法主要用于曲率比較穩定的井段。另外， 對于新井眼內只有一個測點的過渡井段，可以用“突變點”處軌跡參數的預測值配合該點的實測數據來預測井底 。

（3）當曲率的波動有一定的變化規律時，曲率補償預測方法具有優勢。

（4）若曲率的變化逐漸趨于穩定，則應使用加權平均預測法 。

（5）若實測數據左右波動 ，可以選用插值預測方法或曲線擬和預測方法 。從根本上講，要提高井底預測的精度，應從以下兩個方面入手， 一是在工藝技術條件允許的前提下 ，盡可能縮短測點至井底的距離;二是提高測斜資料的精度 。

3 側鉆水平井待鉆井眼設計

側鉆水平井待鉆井眼設計是井眼軌跡控制技術的重要組成部分 ， 他可為現場施工提供最重要的依據。

4 軌跡控制中下部鉆具組合的選擇

在小井眼套管開窗側鉆水平井井眼軌跡控制中，若測斜發現實鉆軌跡偏離設計過多很難中靶時， 必須起鉆更換鉆具組合， 下部鉆具組合（BHA）選擇步驟如下：

（1）估算現有工具的造斜能力;根據實測資料計算已用組合的實鉆造斜率， 并與理論造斜率進行比較 ，找出規律， 為 BHA 造斜率的評價及選用提供第一手資料;

（2）進行井底預測， 算出井底處幾何參數（垂深、北坐標 、東坐標等）;

（3）根據井底位置及目標位置 ，進行多因素約束下的待鉆設計;

（4）依據經驗及步驟 ⑴的結果 ，選取一種造斜率盡可能滿足待鉆設計要求的 BHA;

5 結束語

水平井段一般采用小彎度單彎馬達或直馬達配合轉盤低轉速轉動的復合鉆進方式鉆進。轉盤轉動的主要目的是給鉆頭加壓， 同時也有利于攜屑 。使用單彎馬達鉆進水平段時， 采用滑動鉆進方式可以調節井斜與方位 ， 調節余地大 。而使用直馬達鉆進水平段時 ，采用滑動鉆進方式和改變鉆壓的方法可以達到調節井斜的目的 ，即轉盤不轉，加大鉆壓可使井斜增大，減小鉆壓或每鉆進一段后提起劃眼等辦法可使井斜減小 ，但方位不合適時則需要起鉆換鉆具。因此， 在下直馬達鉆進水平段之前，必須調整好方位 。

參考文獻：

[1] 董國昌，劉英，劉金利.星A6-6 深井大位移套管開窗側鉆定向井鉆井研究與實踐[J] .吉林石油科技， 2001 ， 20（1）：35～39.