定向井水平井井身轨迹控制

43第三章定向井、水平井井身轨迹控制技术第一节定向井、水平井井眼轨迹控制理论无论是定向井，还是水平井，控制井眼轨迹的最终目的都是要按设计要求中靶。但因水平井的井身剖面特点、目的层靶区的要求等与普通定向井和多目标井不同，在井眼轨迹控制方面具有许多与定向井、多目标井不同的新概念，需要建立一套新的概念和理论体系来作为水平井井眼轨迹控制的理论依据和指导思想。我们在长、中半径水平井的井眼轨迹控制模式的形成和验证过程中，针对不断出现的轨迹控制问题，建立了适应于水平井轨迹控制特点的几个新概念。一、水平井的中靶概念地质给出的水平井靶区通常是一个在目的层内以设计的水平井眼轨道为轴线的柱状靶，其横截面多为矩形或圆。我们可以把这个柱状靶看成是由无数个相互平行的法面平面组成，因此，控制水平井井眼轨迹中靶，与普通定向井、多目标井是个截然不同的新概念，主要体现是:井眼轨迹中靶时进入的平面是一个法平面（也称目标窗口），但中靶的靶区不是一个平面，而是一个柱状体，因此，不仅要求实钻轨迹点在窗口平面的设计范围内，而且要求点的矢量方向符合设计，使实钻轨迹点在进入目标窗口平面后的每一个点都处于靶柱所限制的范围内。也就是说，控制水平井井眼轨迹中靶的要素是实钻轨迹在靶柱内的每一点的位置要到位（即入靶点的井斜角、方位角、垂深和位移在设计要求的范围内），也就是我们所讲的矢量中靶。二、水平井增斜井段井眼轨迹控制的特点及影响因素对一口实钻水平井，从造斜点到目的层入靶点的设计垂深增量和水平位移增量是一定的，如果实钻轨迹点的位置和矢量方向偏离设计轨道，势必改变待钻井眼的垂深增量和位移增量的关系，也直接影响到待钻井眼轨迹的中靶精度。水平井钻井工程设计中所给定的钻具组合是在一定的理论计算和实践经验的基础上得出的，随着理性认识的深化和实践经验总结，设计的钻具组合钻出实际井眼轨迹与设计轨道曲线的符合程度会不断提高。但是，由于井下条件的复杂性和多变性，这个符合程度总是相对的。实钻井眼轨迹点的位置相对于设计轨道曲线总是会提前、或适中、或滞后，点的井斜角大小也可能是超前、适中、或滞后。实钻轨迹点的位置和点的井斜角大小对待钻井眼轨迹中靶的影响规律是：①实钻轨迹点的位置超前，相当于缩短了靶前位移。此时若井斜角偏大，会使稳斜钻至目的层所产生的位移接近甚至超过目标窗口平面的位置，必将延迟入靶，且往往在窗口处脱靶。②轨迹点位置适中，若此时井斜角大小也适中，是实钻轨迹与设计轨道符合的理想状态。但若井斜角大小超前过多，往往需要加长稳斜段，可能造成延迟入靶，或在窗口处脱靶。③轨迹点的位置滞后，相当于加长靶前位移。此时若井斜角偏低，就需要提高造斜率以改变待钻井眼垂深和位移增量之间的关系，往往要采用较高的造斜率而提前入靶。实践表明，控制轨迹点的位置接近或少量滞后于设计轨道，并保持合适的井斜角，有利于井眼轨迹的控制。点的井斜角偏大可能导致脱靶或入靶前所需要的造斜率偏高。实际上，水平井造斜段井眼轨迹控制也是轨迹点的位置和矢量方向的综合控制，这对于没有设计稳斜调整段的井身剖面更是如此。在实际井眼轨迹控制过程中，我们根据造斜段井眼轨迹控制的新概念和实钻轨迹点的位置、点的井斜角大小对待钻井眼轨迹中靶的影响规律，将造斜井段井眼轨迹的控制程度限定在有利于入靶点矢量中靶的范围内。也就是说，在轨迹预测计算结果表明有余地、并有后备工具条件时，应当充分发挥动力钻具的一次造斜能力，以提高工作效率，减少起下钻次数。三、井身剖面的特点及广义调整井段的概念44根据长、中半径水平井常用井身剖面曲线的特点，剖面类型大致可分为单圆弧增斜剖面、具有稳斜调整段的剖面和多段增斜剖面（或分段造斜剖面）几种类型，不同的剖面类型在轨迹控制上有不同的特点，待钻井眼轨迹的预测和现场设计方法也有所不同。1、水平井常用井身剖面曲线的特点①单圆弧增斜剖面单圆弧增斜剖面是最简单的剖面，它从造斜点开始，以不变的造斜率钻达目标,胜利油田的樊13-平1井采用了这种剖面。这种剖面要求靶区范围足够宽，以满足钻具造斜率偏差的要求，除非能够准确地控制钻具的造斜性能，否则需要花较大的工作量随时调整和控制造斜率，因而一般很少采用这种剖面。②具有切线调整段的剖面具有切线调整段的剖面，它又可分为：（a）单曲率—切线剖面：具有造斜率相等的两个造斜段，中间以稳斜段调整。（b）变曲率—切线剖面：由两个（或两个以上）造斜率不相等的造斜段组成，中间用一个（或一个以上）稳斜段来调整。如永35—平1井、草20—平1井、草20—平2井等就属于这种剖面。这是最常用的剖面类型，因为多数造斜钻具的造斜特性不可能保持非常稳定，常常产生一定程度的偏差，这就需要在造斜井段之间增加一斜直井段来调节补偿这种偏差。单曲率—切线剖面后一段的造斜率可以在钻第一造斜段的过程中比较精确地预测出来，然后及时计算修改稳斜段的长度，以补偿第一段造斜率与设计的偏差，使井眼轨迹准确地钻达目标点的垂深。③多造斜率剖面多造斜率剖面（或分段造斜剖面），造斜曲线由两个以上不同造斜率的造斜段组成，是一种比较复杂的井身剖面。在水平4井攻关和试验过程中，我们根据胜利油田地质地层特点，采用了三段增斜方法设计水平井井眼轨道，在实钻过程中可以充分发挥动力钻具和转盘钻具各自的优势，提高钻井速度。将常规设计的稳斜井段改为第二增斜段，通过调整该段的造斜率和段长，同样可以弥补钻具造斜能力的偏差，而且还可以实现用一套钻具组合完成第一造斜段的通井和第二造斜段的钻进，并减少了起下钻次数。转盘增斜钻具组合与稳斜的刚性钻具组合比较，其刚性小，摩阻力小，不易出新井眼，有利于井下安全。采用转盘钻具钻进可以使用较大的钻压以提高机械钻速，缩短钻井周期。2、广义的调整井段概念据国外水平井资料介绍，在多数水平井设计中习惯采用具有稳斜调整段的剖面，用稳斜段作为轨迹控制的调整井段。通过实践我们认识到，水平井的调整井段还有更为广泛的含义。首先，我们知道，目的层入靶点位置的准确性和目的层厚度是影响水平井中靶的重要因素之一。如何利用稳斜调整井段来提高中靶精度，对目的层是薄产层的水平井尤为重要。由于在井斜角较大时，增斜率的偏差主要影响水平位移，而对垂深的影响很小，可以在大井斜角度下提高垂深的精度。因此，在入靶前的大井斜角井段增加一稳斜调整段，既可调整垂深精度，又有助于及时辨别地质标准层，以便及时准确地确定目的层入靶点的相对位置。其次，由于目前的硬件条件不十分完善，在钻中半径水平井的两趟动力钻具组合井段之间选择一调整井段，采用柔性的转盘增斜钻具组合来钻进，不仅可以钻出较小的造斜率井段以缓解第一和第三段造斜率，满足对井眼轨迹控制的需要，而且对改变井眼的清洁状况、防止出新眼都具有十分重要的作用。因此，调整井段的广义概念不仅是调整井眼轨迹，同时可以调整钻井过程中井眼的清洁净化状况；不仅调整井眼轨迹的中靶精度，还可根据地质要求及时调整目的层入靶点的相对位置；不仅可以是稳斜井段，还可以是适当造斜率的增斜井段。四、水平井待钻井眼轨迹的现场设计预测模式在水平井井眼轨迹的控制过程中，由于地质因素、钻具的造斜能力、钻井参数等发生变化，往往使实际的造斜率与设计或理论造斜率不同，或者由于地质设计目的层发生变化45等，这都需要根据实钻情况在现场随时预测待钻井眼的钻进趋势，及时调整和修改设计方案，采取相应措施。现场待钻井眼的设计和预测，在不同的条件和具有不同的中靶要求下具有不同的计算模式，但水平井待钻井眼轨迹设计和预测的目的都是要计算在一定前提条件下钻至入靶窗口时的垂深、投影位移、井斜角和井斜方位角是否合符要求（也即控制实钻轨迹点的位置和矢量方向在设计精度范围内中靶）。对设计的二维剖面水平井，控制井眼轨迹的中心任务是控制其造斜率Kα（也即控制剖面曲率半径Rv），中半径水平井更是如此。在这类水平井中虽然控制方位变化率也是非常重要的，但通过我们的现场实践和分析比较后认为有下列几方面的原因，在待钻井眼轨迹现场设计预测时可以先不考虑方位变化率KФ，待造斜率Kα设计完成后（由Kα=5730/Rv求得），再根据所需方位变化量△Ф求出待钻井眼的方位变化率KФ，或求出单位水平投影位移的方位变化量KvФ。①造斜率Kα远比方位漂移率KФ高，Kα非常接近井眼曲率K（即狗腿严重度），因而在作待钻井眼轨迹设计时可以先忽略KФ。②一般在大井斜角情况下的井斜方位角变化很小，趋于稳定。③在以动力钻具为主控制井眼轨迹时，随时可以修正调整方位角Ф。④入靶窗口和靶区往往对横距△d的要求范围较大，因而对方位角Ф的允许误差范围△Ф也较大。因此，我们所建立的待钻井眼设计模式主要以设计Rv为主，对待钻井眼的三维设计和预测，我们也建立了相应的设计预测模式。1按位置和矢量方向准确中靶的现场设计模式如图3-1所示的曲线abcd在d点按设计的目的层垂深Hm、靶前位移Am和井斜角αm准确中靶，即中靶时满足的条件∶H=Hm，V=Am，α=αm，我们根据图示的几何关系可以导出下式:△L＝（n△H－m△V）／（1－cos△α）.......（3-1）Rv＝（△Htgαb－△V）／（mtgαb＋cosαm）.....（3-2）其中:△H＝Hm－Hb△V＝Am－Vb△α＝αm－αbm＝sinαm－sinαbn＝cosαb－cosαm式中:△L----------切线稳斜段段长Rv----------第二增斜段的垂直曲率半径αb----------设计的始点（b点）井斜角Hb----------设计的始点（b点）垂深Vb----------设计的始点（b点）投影位移αm----------目的层（水平段）的稳斜角若求出△L＝0表示稳斜段长为0，即不存在稳斜段若求出△L＜0表示按Hm、Am、αm三要素准确中靶的剖面不存在，应更换计算模式按中靶精度范围进行设计。若计算出的Rv不合理（即现场条件不可能实现），也应更换计算模式按设计精度范围进行设计。46aαbαmRvbHbVbΔLcHmdeAm图3-1按位置和矢量方向中靶设计模式示意图2在入靶窗口上下允许范围内按矢量方向中靶的设计模式如图4-2所示，靶区允许纵向误差范围△Hm（△Hm＝2△h），也就是允许在垂深H1和H2之间入靶并使造斜终点的井斜角等于水平段井斜角αm，即中靶时满足的条件是：H＝Hm±△h并在V＝Aa～Ab之间使α＝αm。根据图示关系我们可以导出:Rvmin＝（H1－Hb）／m..........................（3-3）Rvmax＝（H2－Hb）／m..........................（3-4）然后根据Rvmin和Hvmax求:V1＝nRvmin..................................（3-5）V2＝nRvmax..................................（3-6）式中:Rvmin是按允许最小垂深求出的最小曲率半径Rvmax是按允许最大垂深求出的最大曲率半径H1是中靶允许的最小垂深H2是中靶允许的最大垂深V1、V2是井斜角达到αm时的投影位移若求出V2＞Am这时井眼轨迹在入靶窗口平面的垂深H＝Hm＋h（h＜0），我们要校核是否满足│h│＜△h，否则要调整Rv重新设计。（3-3）和（3-4）表明，只要待钻井眼所采用的Rv在Rvmin和Rvmax之间，即可以满足在H1和H2之间中靶的条件（即在△Hm范围内中靶）。此模式的不足是在入靶窗口轨迹点的矢量方向往往都不合适。47aαbαmbHbRminRmaxVnRvαmH11Hm43H22AmH图3-2按靶区精度范围中靶设计模式示意图3在入靶窗口前后一定范围内按矢量方向中靶的现场设计模式如图3-2所示，我们可以在入靶窗口平面的前后位置点3或点4达到设计目的层垂深Hm和井斜角αm，即满足条件为：在H＝Hm时α=αm，此时入靶窗口平面内H=Hm+h（h≤0），根据图示条件我们可以简单地求出：Rv＝（Hm－Hb）／m...............................（3-7）但此种方法只能求出唯一的Rv值，而且往往与现场条件不相符，因此我们在待钻井眼中增设