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考虑方位漂移的定向井轨道设计方法韩志勇黄根炉（石油大学（华东）石油工程学院）摘要：本文用一种全新的思路，提出了考虑方位漂移的定向井轨道设计的新方法，既解决了凭经验给出“超前角”的不准确性，又避免了求解方程的复杂计算，而且可以适用于各种曲线组成的设计轨道。文章给出了详细的设计思路、方法、步骤以及设计例题。关键词：定向井设计，定向钻井，方位漂移，轨道设计，井眼轨迹前言在定向井施工过程中，当采用转盘钻旋转钻进方式时，由于地层因素和地层与钻具的相互作用的影响，井眼会发生方位增加或方位减小的自然变化，这就是“方位漂移”[1]。在方位漂移较严重的地区钻定向井，井眼方位的控制和调整要花费大量的时间，不仅给钻井工作带来很大的困难，而且大大延长钻井周期，显著增加钻井成本[2]。长期以来现场人员解决方位漂移问题的方法是在轨道设计时，先不考虑方位漂移的影响。在施工中开始定向造斜时，在原设计方位角上增加一个“超前角”。右漂超前角为负值，左漂超前角为正。此超前角的大小完全依靠经验确定。为了更科学地解决此问题，很多学者建立了考虑方位漂移的轨道设计数学模型[3][4][5][6][7][8]。普遍的做法是：根据对一个地区各段地层在钻进中方位漂移的规律进行统计，将统计值代入轨道设计的数学模型中进行求解，从而设计出考虑方位漂移的轨道。其中，文献[6]的研究具有代表性，达到的水平最高。但其缺点是求解“约束方程”非常困难，而且仅仅适用于直线和圆弧井段，方位漂移率不是按照地层划分，而是按垂直剖面图上的井段划分，显然适用性有限。本文提出一种全新的思路，无需建立数学模型求解复杂的方程，可以对所有单靶定向井进行考虑方位漂移的轨道设计，轨道曲线可以包括直线、圆弧以及悬链线等各种特殊曲线，可适用于按地层统计的方位漂移数据。一、考虑方位漂移的设计思路考虑方位漂移的轨道设计是建立在对地层漂移规律有很好的认识和了解的基础上进行的。轨道设计前需要有地层分段漂移规律数据，主要包括：地层的分段数，各段的起点终点垂深和各段的方位漂移率（单位井段的漂移度数）。方位漂移率可正可负，正表示右漂，负表示左漂。漂移率为零表示不漂移。本文的设计思路是：先不考虑方位漂移设计一条轨道，然后根据地层方位漂移的统计数据对原设计轨道进行修正，从而得到考虑方位漂移的设计轨道。关键在于如何修正。图1所示为考虑方位漂移前后的水平投影图，OT直线为未考虑方位漂移的原设计轨道，设计方位角为θT。如果按照原设计轨道钻进，由于方位漂移的影响，实钻轨迹在水平投影图上变成了曲线，此曲线可作为“漂移后的设计轨道”，而且完钻井底也将移到P点，此时井底的闭合方位为θP。为使完钻井底准确到达目标点T，可将“漂移后的设计轨道”的数据进行修正，最终使P点与T点重合。修正后的这条曲线就是我们需要的“考虑方位漂移的设计轨道”的水平投影图。最后，再进行有关计算，求得超前角θc和定向方位角θs以及全井设计轨道的其它数据。二、考虑方位漂移的轨道设计方法和步骤1．不考虑方位漂移的轨道设计及其数据处理设计水平位移AT和设计方位角θT是给定的条件。不考虑方位漂移的轨道设计与常规的设计方法完全相同，需要注意的是：造斜点以下的所有井段都要进行足够密度的分点计算，一般间隔30m，如果方位漂移率变化较大，则间隔应更短。每个分点都要有以下数据：井深，井斜角，方位角，垂深和N、E坐标值，水平位移和平移方位角，共8项数据。2．修正每个分点的方位角根据统计的方位漂移率数据，计算出每一个分段的方位角漂移量，与该段下点的井斜方位角相加，就可得到修正后的井斜方位角。方位角修正之后，井深、井斜角和垂深都没有变化。方位角修正之后，重新计算每一点的水平位移和平移方位角，这时的井底为P点，水平位移为AP，平移方位角为θP。3．计算“考虑方位漂移的设计轨道”的水平投影对漂移后设计轨道上每一点的平移方位角加上Δθ，对每一点的水平位移乘以修正系数K。经过这样处理就得到了“考虑方位漂移的设计轨道”的每一点的平移方位角i和水平位移iA以及Ni、Ei座标值。下标i代表分点的编号。有关公式如下：TP（1）PTAAK（2）4．计算考虑方位漂移的设计轨道上各分点的基本参数这一步实际上是根据每一点的垂深和N、E坐标，计算该点的井深、井斜角和方位角三项基本参数。计算是从造斜点开始，逐个往下计算。这是一个根据测斜计算公式进行反算的方法，可参看文献[1]。三、修正设计轨道举例某井目标点垂深2000m，水平位移1140.17m，造斜点深度600m，设计方位角37.87°，工具造斜率10°/100m，假设垂深800～1000m地层的方位漂移率为15°/100m，垂深1400～1600m地层方位漂移率为5°/100m。表1和表2分别给出考虑方位漂移前后的设计轨道数据。表1未考虑方位漂移的设计轨道数据序号井深(m)井斜角(°)方位角(°)垂深(m)水平长度(m)N坐标(m)E坐标(m)井眼曲率(°/30m)10.000.0037.870.000.000.000.000.002600.000.0037.87600.000.000.000.000.003660.006.0037.87659.893.132.471.9210.004720.0012.0037.87719.1212.529.887.6810.005780.0018.0037.87777.0528.0422.1317.2110.006840.0024.0037.87833.0449.5339.1030.4110.007900.0030.0037.87886.4776.7660.5947.1210.008960.0036.0037.87936.77109.4286.3767.1810.0091020.0042.0037.87983.38147.16116.1690.3510.00101043.4644.3437.871000.49163.22128.83100.200.00111343.4644.3437.871215.03372.91294.36228.940.00121543.4644.3437.871358.05512.71404.71314.770.00131643.4644.3437.871429.57582.61459.88357.690.00141843.4644.3437.871572.59722.41570.23443.520.00152043.4644.3437.871715.62862.21680.59529.340.00162243.4644.3437.871858.641002.01790.94615.170.00172441.1244.3437.872000.001140.17900.00700.000.00表2考虑方位漂移后的设计轨道数据序号井深(m)井斜角(°)方位角(°)垂深(m)水平长度(m)N坐标(m)E坐标(m)井眼曲率(°/30m)10.000.006.530.000.000.000.000.002600.000.006.53600.000.000.000.000.003660.006.076.53659.893.173.15.3610.114720.0112.156.53719.1212.6812.601.4410.115780.0718.226.53777.0528.4028.223.2310.126840.1724.2911.48833.0450.1749.746.3811.477900.3230.3319.50886.4777.7576.2613.8511.918960.5536.3727.04936.77110.84106.5827.0112.3191020.8542.3934.03983.38149.08139.4346.5112.52101044.4644.6734.041000.49165.33152.9055.619.67111346.3444.6734.041215.03377.60328.89174.510.00121547.5844.6941.221358.05519.21441.99259.493.51131648.2144.7244.021429.57590.02494.06307.421.96141849.4644.7244.021572.59731.65595.85405.850.00152050.7244.7244.021715.62873.29697.63504.290.00162251.9744.7244.021858.641014.92799.41602.720.00172450.8844.7244.022000.001154.90900.00700.000.00从表1、2的对比可以看出，考虑方位漂移后的设计轨道井斜角变化很小，由于方位变化的影响，井深和井眼曲率都有所增大。图2是考虑方位漂移和未考虑方位漂移的轨道设计水平投影图。设计结果表明，原设计方位角为37.87o，但考虑方位漂移后定向造斜时的定向方位角应该是6.53o，在这口井的具体条件下，定向超前角大约为31o。四、结论与讨论本文提出了一种全新的考虑方位漂移影响的定向井设计轨道方法，并给出了完整的设计思路、方法、步骤和有关的计算公式，还给出了设计例题。本方法不仅是可行的，而且具有简单可靠、适应性强的优点。应当注意的是，本文提出的方法只适用于单目标定向井，不适用于水平井及图2轨道设计的水平投影图对比多目标井等难度较高的定向井。在水平井和多目标定向井的施工中，一般都具有随钻测量仪器，并采用导向钻井方法，可以进行及时有效的轨迹控制。参考文献：1.韩志勇，《定向井设计与计算》，石油工业出版社，1989年12月；2.姜伟，SZ-1油田井眼方位漂移规律的探讨，中国海上油气（工程），1993年2月；3.帅健等，用实钻资料研究方位漂移规律，石油钻探技术，1996年3月；4.赵明道，应用方位漂移控制定向井井身轨迹，天然气工业，1987年第2期；5.段玉廷，三维定向井轨迹设计中对方位漂移的考虑，天然气工业，1989年第1期；6.刘修善，三维漂移轨道的设计方法，石油学报，1995年10月；7.刘祖煌，井身方位连续漂移定向井井身剖面设计方法研究，华北石油局定向井研究专题报告，1991年；8.崔红英等，考虑方位漂移的定向井轨迹设计方法，石油钻采工艺，2001.1.METHODOFTRAJECTORYDESIGNFORDIRECTIONALWELLSTHINKINGOFBITWALKHanZhiyongandHuangGenlu(UniversityofPetroleum,China)ABSTRACT:Thispaperraisesanewideatosolvetheproblemoftrajectorydesignfordirectionalwellsthinkingofbitwalkthatneedn’testablishthemathmodelandsolvetheverycomplicatedformulasandgivesthewholeofmethodsanddesignstepsandthedesignexampleaswell.KEYWORDS:DirectionalDrilling,PlanofDirectionalWells,BitWalk,WellPathDesign,WellTrajectory作者简介：韩志勇，男，1937年3月生，1962年毕业于北京石油学院油井工程专业，现任石油大学教授。黄根炉，男，1971年11月生，1993年毕业于石油大学钻井工程专业，2002年获石油大学博士学位，现任石油大学讲师。