水平井工程设计及轨迹控制
水平井钻井工程设计及轨迹控制
一、水平井的概述：
八十年代中期以来，水平井技术在世界范围内取得了突飞猛进的进展，为提高勘探效果，提高单井产量和油层采收率，开辟了一条新的途径，给石油工业的发展带来了新的革命，胜利油田从1990年9月开始，以埕科1井为起点，展开了水平井研究与应用，针对各种类型油藏，如整合油藏、不整合油藏、稠油砾石油藏、低渗透块状砾石油藏、砂岩油藏、石炭系砂岩油藏、古潜山漏失型油藏等进行攻关研究。“八五”期间组织了六个油田、五个院校，762名科技人员，在水平井钻井的设计技术、轨迹控制技术、钻井液技术、完井技术及测井射孔技术的五个方面共31个专题进行了四年的攻关，在理论研究、实验技术、软件技术、工具仪器研制和工具方法等方面，取得了重大技术突破，包括了16项重大科技成果在内的30项技术成果，形成了一整套水平井钻井、完井技术，截止1995年7月项目提交国家鉴定时，胜利油田完成各类水平井30口。“八五”攻关计划完成后，水平井技术迅速转化为生产力，很快形成了大规模推广应用的局面。到1996年底我国陆上已完成水平井94口，推广面积达到13个油田，六种类型的油气藏。仅投产的47口科学实验水平井增产原油78吨，新增产值9.52亿元, 获直接经济效益6.46亿元。到98年底全国陆上油田已钻成水平井204口，其中胜利油田所钻井和以技术服务形式在外油田所钻水平井共计119口。更重要的是，“水平井是增加原油产量、提高采收率和开发特殊油藏最有效的手段之一”这一观点，得到了广大勘探开发工作者的共识，从而带动了与水平井有关的地质、油藏、采油工程等相关技术的发展，推动石油的科技进步。
自项目推广应用以来，应用的油藏类型逐步扩大，完成的水平井类型逐步增多。除本油田以外，先后应用到塔里木、长庆、吐哈、青海、中原、江汉、河南、大港、玉门、江苏等油田，以及江苏省洪泽县非石油行业的芒硝矿开采，完成了以水平探井、阶梯水平井、连通式水平井等为代表的12种类型水平井，其经济效益十分显著，所完成的开发井稳定产值为同地区直井的3倍，其投资仅为直井投资的1.8倍左右，1997年《石油水平井钻井成套技术》被列为国家”八2五”国民经济贡献巨大的十大攻关成果。
在油田的整体开发建设中显示出巨大的优越性：
---油层裸露面积最大，采油面大，能提高油气层采收率。
---地质储量控制范围大。
---投资少效益高，一口水平井的投资仅为一口直井的1.8倍左右，而效果达到几口井的效益。
---可节约地面钻前及采油工程投资，如地面占地，输油管汇和采油
装置等。
---采用三维多目标水平井，可以达到一口井开采多个油气层的目的，减少钻探口井数。
---采用丛式水平井可以使整装油田的开采井网更加合理、优配。
二、水平井钻井工程设计
经过多年的实践与应用，水平井形成较为完善的长、中、短半径水平井钻井技术，水平井钻井工程设计技术成为完成水平井关键技术，在项目的实施过程中，经过不断的研究与攻关，建立了水平井钻井工程设计新理论、新概念，长期的探索与实践和对地质特性的研究，解决了一系列关键技术问题，形成具有胜利油田特点的水平井钻井工程设计模式和设计流程规范。
（一）、水平井钻井工程设计的油藏地质条件
实施水平井开发所遇到的第一个问题就是油藏地质条件，关系到水平井的成败及经济效益。在设计时，要综合考虑各种地质资料，对于地震测线、地球物理测井、邻井实钻资料及试油、采油地质资料进行认真分析研究，掌握地下构造、地质形态及油气资源分布情况，提出准确可靠的靶点三维坐标，对于探井还必须建立在三维地震资料的基础上，进行综合分析对比，卡准层位，提供该地区的区域地质情况、油藏特性、地层剖面图及构造剖面图，并根据油藏情况提出明确的施工精度；提供距目的层最近距离的标志层深度，明确的着陆点位置，以便调整井眼轨迹实现矢量中靶。
在多年的开发实践中，水平井广泛的应用于以下油气藏：整合、不整合油气藏、低渗透致密油气藏、天然裂缝性油气藏、边水驱动和气驱油藏、稠油砾石油气藏、低产能油气藏、不规则油气藏、薄层油气藏等。
1）井位的确定
井位坐标要求：基本数同一般直井。丛式井坐标需一同下发，以便作出丛式井整体设计。注明各中靶点的坐标及垂直深度，提供最新井位构造图。
2）地面井口位置的选择
工程、地质设计及测量人员根据井位坐标和地面实际条件确定井口位置和井架整托方向（丛式井）。井口位置选择尽量利用地层自然造斜规律。多
目标井井口位置在第一靶点和最后一个靶点联线的延长线上。井架立好后需
要进行井口坐标的复测。
3）定向井设计
地质设计在坐标初测后提出初步设计，在坐标复测后提出正式设计。地质设计除包括一般井内容外，在工程施工中要求必须说明靶点相对与井
口的位移和方位，多目标井说明靶点之间的稳斜角度。附最新井位构造图、
油藏剖面图、设计轨迹水平投影图和垂直投影图。
工程设计必须符合地质设计要求。井身轨迹设计数据表，特殊工艺技术措施。井身结构及分段钻具组合和钻井参数等。
4）设备要求（钻机）
根据定向井垂直井深、水平位移、井身结构和井眼曲率选择设备类型。
推荐设备标准（使用于位移／垂深〈0.4的定向井）：
垂深〈2800米、水平位移〈600米，选用3200米钻机；
垂深〈3500米、水平位移〈1200米，选用4500米钻机；
垂深〈4500米、水平位移〈2000米，选用6000米钻机；
垂深〈4500米、水平位移〉1500米，选用7000米钻机。
5）靶区确定
（二）水平井井眼轨道剖面设计
1、设计要考虑的因素
(1)根据油藏地质特性和地质要求，确定水平段的基本类型，要结合区域性地质资料、工程资料进行综合分析，选定水平井的类别和井身剖面类型。水平井的类别有三种：
①长半径水平井（造斜率K<6°/30m，曲率半径R>286m）
②中半径水平井（造斜率K=6°～20°/30m，曲率半径R=86～286m）
③短半径水平井（造斜率K>20°/30m，曲率半径R<86m）
供选择的基本剖面类型有四种：
①双增稳剖面直---增---稳---增---平
②双增剖面直---增---增---平
③三段制剖面直---增---平
④三增剖面直---增---增---平
（2）根据造斜工具能力，选择切实可行的造斜率，确定水平段的钻井方法。
（3）结合地面、地下条件，选择合适的靶前位移，确定井口坐标和适合于地层的造斜点，初步计算井身剖面参数。
（4）对初步剖面进行摩阻及扭矩，实现安全优质快速钻井。
2、井身结构设计
（1）设计原则：由内到外的设计原则，具体要考虑的是：
①根据地质情况，在满足工程要求的前提下，尽可能简化井身结构，减少套管层次，提高钻井速度，节约钻井成本，同时经济的可行性还需要油藏和采油工程加以考虑，最终确定完井方法、完井套管尺寸及相应的井眼尺寸。
②满足所用钻机及设备的能力。
③合理确定技术套管的尺寸及下深，封固斜井段至适当的井斜角，以防止发生复杂情况。
④所设计套管的强度应做到安全经济，既能保证高造斜率下套管的顺利下入，又能满足强度要求，力争节约。
（2）水平井井身结构模式建立及主要特点
设计模式的发展经历了四个阶段，井身结构、套管程序由复杂到简单，由试验到定型，到达了日臻完善和灵活多样化，四个阶段的井身结构和特点：
第一阶段(初级)：
φ660mm井眼一开，φ508mm表层套管封固松软地层
φ444.5mm井眼二开，φ508mm技套管封固到井斜角40°
φ311.1mm井眼三开，φ339.7mm技套管封固到井斜角90°
φ215.9mm井眼四开，φ139.7mm油层套管完井。
主要特点：对于低造斜率、长增斜段的长半径水平井来说，无疑是一种非常安全的井身结构，但不经济，且大井眼造斜率难以控制，造成携岩困难，有时还会导致钻具事故。
第二阶段（基本）：
φ660mm井眼一开，φ508mm表层套管封固松软地层
φ444.5mm井眼二开，φ339.7mm技套管封固直井段，
φ311.1mm井眼三开，φ244.5mm技套管封固到井斜角90°
φ215.9mm井眼四开，φ139.7mm油层套管完井。
主要特点：①解决了大井眼定向时因排量小造成的携岩困难，利于安全。②定向造斜和转盘增斜时造斜率便于控制，也解决了转盘钻时的方位漂移，减少钻具事故。③φ244.5mm技套封固了斜井段，可实现长水平段的安全钻进。
第三阶段（定型）
φ444.5mm井眼一开，φ339.7mm表层套管封固松软地层
φ311.1mm井眼二开，φ244.5mm技套管封固到井斜角90°
φ215.9mm井眼三开，φ139.7mm油层套管完井。
主要特点：①简化了井身结构，减少套管层次，从而提高了钻井速度，缩短钻井时间，降低了钻井成本。②用小井眼代替了大井眼，定向造斜和转盘增斜时的机械钻速得到了提高。③定向造斜时，相对排量较大，便于岩屑携带，保证了施工安全，得到大面积推广应用。
第四阶段（改进的长裸眼型）
φ444.5mm井眼一开，φ339.7mm表层套管封固松软地层
φ215.9mm井眼二开，φ139.7mm油层套管完井。
主要特点：①简化了井身结构，减少套管层次，从而提高了钻井速度，缩短钻井时间，降低了钻井成本。②用小井眼代替了大井眼，定向造斜和转盘增斜时的机械钻速得到了提高。③定向造斜时，相对排量较大，便于岩屑携带，保证了施工安全，目前得到大面积推广应用。
3、水平井井眼轨道剖面设计
（1）水平井的基本数据计算
①根据地质提供的靶点三维坐标，计算水平段长度，水平段稳斜角及方位角。
②确定井身剖面类型。
③确定水平井钻井方法及造斜率，选定合适的靶前位移。
④利用计算机软件，初步计算井身剖面分段数据。
⑤对初定剖面进行摩阻、扭矩计算分析，通过调整设计参数，选取摩阻扭矩最小的剖面。
⑥根据初定剖面的靶前位移及设计方位角，计算出井口坐标，并到现场落实。
⑦根据复测井口坐标，对设计方位及剖面数据进行微调，完成剖面设计。
(2)水平井靶区的确定
确定靶区的依据有五个方面:油藏的边界条件；钻探目的；地质勘探；开发精度要求；钻井能力和手段。
水平井的靶区类型：
扇形靶：即纵向为±a米，横向为±b度的扇形体。
圆柱靶：即沿水平段设计井眼轴线截面半径为R的圆柱体。
矩形靶：即纵向为±a米，横向为±b米的长方体。
梯形靶：即纵向为±a米，A靶横向为±b、B靶±c米的几何体。
(3)设计剖面数据计算方法
采用圆柱螺旋线法（曲率半径法）或最小曲率法进行计算。
(4)设计剖面数据计算机软件。
(三)、水平井钻柱设计
众所周知，水平井是定向井的自然延伸和扩展，因此水平井除了具有定向井的某些共性外，还具有自己的特性，正是由于这些特性才形成了先进的水平井钻井技术，这些特性对水平井产生了影响，提出了新的要求，具体表现在：
（1）从井身剖面上看，水平井比定向井多了大斜度井段和水平段，而在大斜度井段和水平段中，钻具组合的力学特性发生了质的变化，因而要求建立水平井的钻具组合的力学分析方法，以此来进行不同类型、不同钻井方法的水平井钻具组合设计。
（2）与定向井相比，水平井的轨迹控制要求的精度和难度较高，除部分水平井在部分井段使用的钻具组合与定向井有相同的钻具组合和钻井方法外，大部分都使用了与常规钻具不同的钻具组合和钻井方法，水平井的特殊性引出了许多新的技术难题是不可避免的，因而也要求建立对不同类型，不同钻井方式下，不同井段的水平井钻具组合研究，寻找这些钻具组合的特性和水平井轨迹方面的规律，并以此进行相应的井底钻具组合设计。
1、水平井钻具组合设计要考虑的两部分问题
（1）钻柱的设计
其目的是使水平井钻柱能够满足加压的要求，所受到的摩阻和扭矩最小，并能满足钻机的水力要求。这部分的理论基础就是水平井钻柱的受力分析，而分析的方法是利用摩阻扭矩的计算摸拟和应用计算机程序分井段、分井型进行钻柱受力分析，总结出一套水平井钻柱设计的概括性结论，以指导现场施工，在现场实际应用中，要实时跟踪分析，以便结合实际井身轨迹曲线和实际情况进行钻柱组合的设计，更好的指导水平井施工。
（2）井底钻柱组合的设计
目的是设计出符合水平井剖面设计要求的井底钻柱组合，来实现井身剖面。包括水平井直井段井底钻柱组合的设计，长半径水平井增斜段井底钻具组合的设计，中半径水平井增斜段井底钻具组合的设计，短半径水平井增斜段井底钻具组合的设计和水平井水平段井底钻具组合的设计。不难看出这部分是水平井钻井技术的核心所在。
2、水平井钻柱设计的机理
是建立在水平井摩阻扭矩计算模式的基础上的，通过计算模拟摩阻扭矩与实钻实测数据，经过长期的实践而确定的。
F=μN
(1)正压力的确定
第一：钻柱重量引起的正压力N1
第二：井眼曲率引起的正压力N2
第三：钻具弯曲引起的正压力，N3
第四：钻具内外压差引起的正压力，N4
（2）正压力计算：N=N1+N2+N3+N4
忽略钻柱刚性、井底钻柱组合复杂的外形、钻具内外压差、钻具失稳弯曲、多重摩
擦系数及多重井身结构。
（3）摩擦扭矩及钻具受力分析
在确知摩擦系数的前提下，可对摩阻扭矩进行钻前预测和实钻校正，在这一过程中，可对各种水平井不同井段工作情况的钻具组合进行受力分析，由此进行钻柱设计。在实钻过程中，也可根据实测的摩阻值反推摩擦系数。
（4）水平井钻柱的力学分析
要使用计算模式与计算机程序相结合，分析不同水平井、不同工作状态进行力学分析，具体有以下几种：
起下钻工作状态
转盘钻进工作状态
动力钻具钻进工作状态
利用这些分析及分析方法，对水平井的钻具组合进行钻前设计、钻进过程及钻后分析，概括出一套水平井所适用的钻具结构。
钻具结构由六部分组成：第一部分是井底钻具组合，主要由钻头、稳定器、动力钻具及无磁钻铤组成。主要作用是用于控制井眼轨迹，使之满足剖面设计要求，这部分钻具重量大，一般处于大斜度井段或水平段，在满足井眼轨迹控制要求的前提下，尽可能地缩短该部分的长度，对于减少摩阻和扭矩来说是非常必要的。第二部分是钻压传递段，其作用是将钻压和旋转运动传递给井底钻具，对它的要求是在负荷传递过程中不受破坏，加压后不产生弯曲，且能使产生的摩阻和扭矩最小。第三部分增斜段下部，主要承受剪切负荷，轴向负荷及由于井眼曲率而产生的弯曲负荷，因而尽可能使用较轻的钻具。第四部分为增斜段上部，要求在加压时不发生失稳弯曲。第五部分是重量积累段，要求钻具能产生第四部分以外的钻压；第六部分为直井段，该段钻具通常处于受拉状态，所承受的拉伸负荷及剪切负荷相对较大，要能满足其强度要求。概括起来讲就是抗拉、抗剪、抗弯与钻具重量间的平衡。
对于半径水平井：在井斜角 对于中半径水平井：由于造斜率高，增斜段短，用动力钻具进行滑动钻进的时间多，所受的摩阻大，因而简化钻具结构是必要的。 对于短半径水平井，由于造斜率比中半径水平井还要高，而且整个斜井段几乎都用动力钻具增斜钻进，因而考虑的首要问题是钻具的柔软性以及下部钻具组合能满足井眼轨迹控制的强度。 3、井底钻具组合的设计 （1）直井段钻具组合设计：通常采用：“塔式防斜钻具”，既能打快，又能打直。（2）增斜段钻具组合设计： 长半径水平井：与普通定向井相同； 中半径水平井：主要用单、双弯壳体动力钻具完成； 短半径水平井：主要用单、双弯壳体动力钻具完成；但尺寸短，度数高。（3）水平段钻具组合设计： ①转盘钻进钻具组合：与常规的稳斜、微增斜或降斜钻具组合相同。 ②导向钻具组合：异向双弯动力钻具或小度数动力钻具。 4、水平井钻井参数、水力参数优选及确定 （1）直井段：与普通定向井相同 （2）增斜段：主要取决于动力钻具的工作特性，工作泵压一般控制在10～13兆帕，最大压差70～90%的所对应的钻压。 （3）水平段：要求在加压后不产生弯曲。 （四）、水平井井眼轨迹测量方案设计 技术关键在于：如何实现高造斜率、大井斜角和水平段条件下的数据采集，如何满足水平井技术的测量数据精度要求，如何在现有仪器设备条件下，解决以下几个难题：——在大井斜角、高造斜率和水平段条件下，将有线随钻测斜仪送到井底，准确座键，并长时间连续实时监控井斜角、方位角的变化和动力钻具的工况。 ——在大井斜角、高造斜率和水平段条件下，将电子多点测斜仪送到井底，准确测量井眼轨迹数据。 ——如何经济有效的使用MWD随钻测斜仪，实时监测钻进效果和测量轨迹数据。 ——影响测量精度的原因和提高测量精度的方法。 （五）水平井钻井液设计 要求设计的钻井液能满足不同地区、不同油藏特性和不同类型的水平井钻井工艺，具有水平井的携岩洗井、井眼稳定防塌、润滑防卡、防漏堵漏及保护油气层等性能。 在多年的室内实验和现场应用的基础上，通过进行了弯曲井段对携岩率的影响，假塑性流体与水包油塑性流体的携岩效果比较，不同密度岩屑在水中的携岩效果研究与比较等一系列试验，为选择各钻井液参数，确定的钻井液性能，比较方案和优选配方取得了大量可靠的理论依据和数据，在携岩洗井方面取得了一些共识： ----在同一井眼条件和钻井液条件下，不论是紊流还是层流，随着井斜角的增加，岩屑携带率随之下降，岩屑在环空的返速随之降低，能携带的岩屑颗粒直径随之下降。——在层流时，塑性流体的携岩能力明显优于假塑性流体。 ——在0-90度范围内，提高流速可以提高岩屑的返速，但达到一定值后，流速的增加不再提高岩屑返速，反而降低输送能力。 ——不同的斜井段对钻井液的性能有不同的要求，可通过现场试验确定最优的流变参数范围。 ——对于稠油砾石层水平井，不宜使用油包水钻井液，应使用水包油钻井液。 ——保证井眼平滑，增加钻具旋转机会和短起下钻对提高水平井井眼清洁程度有十分显著的作用。 ——必须使用含离心机在内的钻井液设备，进行固相含量控制。 在多年的应用实践中，形成较为完善的三套水平井钻井液体系： SN-1聚合物水包油钻井液体系 SN-2正电胶钻井液体系 SN-3低荧光钻井液体系 这三套体系不仅用于淡水，亦可用于咸水或海水，具有性能易调整、润滑防卡、防塌能力强等优点。 （六）完井固井设计 完井方法主要取决于油藏地质采油。这里仅对下套管和固井进行探讨：经过研究认为：造成水平井套管载荷剧增的主要原因是井眼曲率在三维空间的变化所导致的弯曲应力和下套管时产生的摩擦阻力所至。因此根据工程设计的井深、井斜角、方位角、井眼曲率等轨迹要素和钻井液密度，分析计算各层套管在空间将要受到的轴向拉力、外挤力内压力和摩擦阻力等外载荷，从而对设计选择的套管结构进行强度计算，为工程设计选择套管尺寸、型号、钢级和壁厚提供指标数据。在设计和完井阶段的计算中，摩擦系 数的取值十分重要，关系到计算结果的可靠程度，因此采用的是理论值与实际井下测取值进行对比校正。现在已经比较成熟，在实际的生产中广泛应用。 1、水平井套管附件 根据水平井下套管的特殊性，采用了几何形状为流线型的钢质引鞋，以对付在大斜度和水平段推进过程中可能遇到的较大阻力，用全钢弹簧式自动回压凡尔以防止水平段水泥浆的倒流，用变径胶塞解决了内径不同的复合套管串的碰压问题。用刚性螺旋扶正器解决了套管居中、减轻下套管阻力和提高水泥浆顶替效率的难题。这些附件在水平井中使用效果较好，现在已经广泛推广到水平井和大斜度井中。 2、固井液体系 （1）多功能表面活性剂的破乳性能达到了破坏含油钻井液在泥饼表面形成的油膜层，保证了清洗井壁的效果。选用SMT+CMC配置固井隔离液，并以一定数量的低密度水泥浆进一步提高了清洗效果。 （2）研制的SG-1型油井水泥自由水控制剂，达到了自由水为零、失水量低、流变性好、稠度系数适中和强度高的优良性能，且具有较好的稳定性。 （3）应用G级和D级油井水泥，以粉煤灰为添加剂的水平井低密度水泥浆，解决了注水泥作业中易出现低返的难题。 （4）试验和攻克了水泥石在高温下强度衰退的难题，研制出了稠油热采井固井水泥浆配方。 3、提高水平井注水泥顶替效率的几项强化措施： （1）井眼准备：除了常规井措施外，还应对裸眼井段封闭2%体积比的塑料小球，降低下套管的摩阻力。 （2）强化套管柱设计，重点检查校核抗弯曲应力强度。 （3）按设计计算的间距安装套管扶正器，并根据井径曲线和油层位置适当加装螺旋刚性与弹簧扶正器。增加下套管的导向作用。 （4）采用大排量紊流固井 （5）套管与环空内外蹩压候凝。 三、水平井轨迹控制技术 1、水平井轨迹控制的思路及认识： 水平井井眼轨迹控制理论，是在钻成一批高难度，位移比较大的定向井之后，在定向井井眼轨迹控制理论和技术达到一定水平的基础之上，发展起来的。但水平井的井眼轨迹控制涉及许多新的东西，主要表现在三个方面： ——长半径水平井弯曲井段和水平段的井眼轨迹控制手段。 ——中半径水平井弯曲井段和水平段的井眼轨迹控制手段。 ——短半径水平井弯曲井段和水平段的井眼轨迹控制手段。 从91年开始研究，经过多年的逐步攻关与实践，得出五点认识： ——弯外壳体动力钻具应当作为中半径水平井弯曲井段提高造斜率，减少靶前位移的主要井眼轨迹控制工具。 ——弯外壳体动力钻具的造斜能力主要取决于最下部弯套度数，钻头至第一个扶正器之间的有效距离和外形尺寸。 ——外形尺寸一定的弯外壳体动力钻具组合，在同样井眼条件和钻井参数的情况下，造斜能力主要取决于所钻地层的岩性。 ——在中半径水平井弯曲井段中，用转盘钻具组合钻进，对于井下安全、修整井壁、井眼清洁和防止出新眼具有显著的效果。 ——简化的钻具组合也可满足井眼轨迹的控制力，同时对井下安全有力。 1、水平井轨迹控制模式的主要内容： 针对定向井和水平井井眼轨迹控制的共性，不同油藏特点和类型，井型等，水平井井眼轨迹控制模式有了新的内容： （1）采用高压喷射、防斜打直技术，快速钻完直井段，严格地将造斜点前的靶前位移控制在允许的范围内。 （2）对于入靶前地层较稳定性的水平井，以弯外壳体动力钻具组合为造斜段主要钻井方式，以转盘增斜钻具组合通井，铲除岩屑床和修理井壁，并钻完调整段。 （3）对于入靶前地层稳定性较差的水平井，以弯外壳体动力钻具组合先打为造斜段，以转盘增斜钻具组合钻调整段，通井铲除岩屑床和修理井壁，再用高造斜率的弯外壳体动力钻具，钻设计造斜率较低的疏松入靶段。 （4）以转盘钻钻具组合为主要钻进方式，采用低度数弯外壳体动力钻具实现水平井水平段的井眼轨迹高精度控制。 2、水平井轨迹控制技术的主要内容： （1）井眼轨迹控制对象是钻具组合在所钻井段中的稳定全角变化率，在造斜段短、造斜率高、靶区限制严格的水平井轨迹控制中，必须及时借助测斜结果和轨迹预测加以控制。 （2）控制程度：控制实钻轨迹曲线与设计轨道曲线的符合程度应在满足矢量中靶和具备余量的前提下，充分发挥下井钻具组合的一次工作能力。 （3）井眼状况的调整：在采用高造斜率弯外壳体钻具组合的弯曲井段之后，要适当选用一定长度的井段作为调整段，以转盘增斜钻具组合钻进，达到修整井壁、清洁井眼、防止出新眼、调整矢量入靶、保证安全中靶和下套管，中半径水平井不宜采用稳斜段作为调整段。 （4）水平井中靶概念：即矢量中靶，以地质设计水平段靶区第一法面作为参考平面，井眼轨迹进入该平面的落点和矢量值都必须满足整个水平段靶区的设计余量。 这些理论和结论是根据不断的设计、不断的施工，取得设计、施工经验的基础上总结出来的，井眼轨迹控制能力，最高造斜率达到22.16°/30m，(短半径水°平井的最高造斜率达到42°/30m),垂深达到5700多米，水平段长度达到1400多米。靶区纵距最小范围达到±0.6米，靶区横距最小范围达到±5米。 四、与国外先进水平的差距 20世纪80年代，水平井技术给石油工业带来了一场新的革命,应用这项技术，极大地提高了石油勘探开发的效益。到目前，全球已有20多个国家和地区在不同类型的油气藏中钻成水平井两万余口，每年所钻水平井的数量占钻井总数的5～8%。导致水平井技术迅速发展的主要原因有两个：一是水平井能满足多种油藏类型和难动用储量的开发，能够改善开发效果提高采收率；二是经济效益高，一口水平井的成本只是普通直井的1.5～2倍，而产量可达到直井的3～5倍，甚至超过8倍,水平井技术为石油工业创造了巨大的经济效益。 世界多年来水平井、大位移井的应用得到这样的认识：利用大位移来控制含油面积。研究表明： 水平位移达到1000米，可以控制含油气范围3.14平方公里； 水平位移达到3000米，可以控制含油气范围28.26平方公里； 水平位移达到5000米，可以控制含油气范围78.5平方公里。 发展的井主要是向水平井、大位移井、欠平衡井和分支井方向发展。 钻井工艺技术主要是向旋转导向钻井、闭环钻井和全测传闭环钻井方向发展。 水平井技术是我国油田提高勘探开发效益最有效的手段，这项技术的发展涉及油藏工程、地质开发和钻井、测井等多个领域的一项系统工程，发展水平井技术，各专业必须紧密结合、联合攻关，积极开发和引进先进技术，形成完善配套的水平井施工工艺。 与国外先进水平井相比，我国的差距还很大，为了我国石油工业的发展，必须加大装备、技术攻关力度，不断提高水平井的配套技术能力，提高在国内外市场上竞争力，我们任重而道远！ 第４６卷第２期 石 油 钻 探 技 术Vol .４６No .２２０１８年３月PETROLEUM DRILLING TECHNIQUES Mar ．，２０１８收稿日期：２０１７１２１６；改回日期：２０１８０２１６。作者简介：李伟（１９９２—），男，河北秦皇岛人，２０１４年毕业于河北联合大学石油工程专业，油气井工程专业在读博士研究生，主要从事井眼轨道设计与轨迹控制、油气井管柱力学方面的研究。E mail ：leew eiupc ＠１６３.com 。基金项目：国家科技重大专项“变曲率井眼轨道设计方法研究” （编号：２０１６ZX ０５０６００１４）资助。?钻井完井?doi ：１０．１１９１１／syztjs ．２０１８０４１ 涪陵页岩气田三维水平井轨道优化设计方法探讨 李 伟１，刘文臣２，周贤海３，倪红坚４，于 凡１，臧艳彬２ （１.中国石油大学（华东）石油工程学院，山东青岛２６６５８０；２.中国石化石油工程技术研究院，北京１００１０１；３.中国石化江汉油田分公司石油工程技术研究院，湖北武汉４３００３５；４.中国石油大学（华东）非常规油气与新能源研究院，山东青岛２６６５８０） 摘 要：为了降低涪陵页岩气田三维水平井的施工难度，保障三维水平井安全高效钻进，提出了三维水平井轨 道为“直井段—增斜段—稳斜段—稳斜扭方位段—稳斜段—增斜段—水平段”七段式的优化设计方法。首先根据井眼轨道的水平投影和垂直剖面建立轨道设计模型，再预设稳斜角和造斜方位角求解轨道设计模型，最后以轨道总长度最短为目标优选轨道。该方法将常规三维五段式轨道中增斜扭方位的第二个圆弧井段分为稳斜扭方位井段与铅垂面上的增斜井段进行设计，即先扭方位对准靶点方位再增斜中靶，以避免在极为关键的中靶阶段同时进行增斜与扭方位作业，降低中靶难度。采用该方法对已完钻井焦页１４３HF 井重新进行轨道设计，并将设计结果与原设计轨道及实钻轨迹进行了对比，发现新设计的轨道与实钻轨迹更贴近，该井实钻时为降低施工难度就是先扭方位对准靶点方位再增斜中靶的，这表明该三维水平井轨道优化设计方法更适用于涪陵页岩气田三维水平井的轨道设计与现场施工。 关键词：页岩气；三维水平井；井眼轨道；优化设计；数学模型；涪陵地区中图分类号：T E ２２ 文献标志码：A 文章编号：１００１０８９０（２０１８）０２００１７０７ ３ＤＨｏｒｉｚｏｎｔａｌＷｅｌｌｂｏｒｅＴｒａｊｅｃｔｏｒｙＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎＤｅｓｉｇｎＭｅｔｈｏｄｉｎｔｈｅＦｕｌｉｎｇＳｈａｌｅＧａｓＦｉｅｌｄ ＬＩＷｅｉ１，ＬＩＵＷｅｎｃｈｅｎ２，ＺＨＯＵＸｉａｎｈａｉ３，ＮＩＨｏｎｇｊｉａｎ４，ＹＵＦａｎ１，ＺＡＮＧＹａｎｂｉｎ ２ （１．Colle g e o f Petroleum En g ineering ，China Universit y o f Petroleum （H uadon g ），Qin g dao ，Shan ‐dong ，２６６５８０，China ；２．Sino p ec Research Institute o f Petroleum En g ineering ，Bei j ing ，１００１０１，China ；３．Petroleum En g ineering Technolo gy Research Institute ，Sino p ec Jian g han Oil f ield Com p any ，W uhan ，H u ‐bei ，４３００３５，China ；４．Research Institute o f Unconventional Petroleum and Renew able Ener gy ，China Uni ‐versity o f Petroleum （H uadon g ），Qin g dao ，Shandon g ，２６６５８０，China ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：In order to reduce operation difficulties in horizontal wells utilizing ３D wellbore trajectories and ensure safe and efficient drilling operation in the Fuling Shale Gas Field ，the team proposed an opti ‐mized design method that divides the ３D wellbore trajectory into ７sections ，i ．e ．，“vertical section —build ‐up section —inclination holding section —inclination holding and correction run section —inclination holding section —build ‐up section —horizontal section ”．In this method ，the first step involved establishing the traj ‐ectory design model according to horizontal projection and vertical profile of a wellbore trajectory ，and later steps involved presetting the inclination holding angle and the angle ‐building azimuth to solve the trajectory design model ．Finally ，the target trajectory w as optimized based on the target of least overall trajectory length ．T he second circular arc section of the build ‐up and correction run section in the conventional ３D five ‐section trajectory design was subdivided into inclination holding and correction run section and the build ‐up section on the vertical plane ．To reduce difficulties in hitting the target ，a conduct correction was run against the target azimuth w hich helped avoid simultaneous build ‐up and correction run operations in the extremely critical target hitting phase ，．T his method was applied in the w ellbore trajectory design of p reviously drilled Well Jiaoye １４‐３HF ．T he new ly designed trajectory was compared with the originally de ‐signed trajectory and it w as found that the new ly designed trajectory is in closer proximity to the actual one ，and the w ell w as actually drilled with the method of firstly conducting correction run against the target and then building up the angle to hit the target in order to reduce the operation difficulties ，w hich indicates that the ３D horizontal wellbore trajectory optimization design method is more suitable for the design and on ‐site operation of ３D horizontal wells drilling in the Fuling Shale Gas Field ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：shale gas ；３D horizontal well ；well trajectory ；optimization design ；mathematical model ；Ful ‐ing Shale Gas Field 涪陵页岩气田所处地区属山地丘陵地貌，为了 最大限度地减少井场数量、减小单井占地面积及降 低地面工程造价，提高页岩气整体开发效益，多采用 “井工厂”技术进行开发［１６］。为了满足集中压裂的需求，水平段井眼方位一般设计为与最大主应力方万方数据 水平井井眼轨迹控制技术要点 底部钻具组合及钻柱设计 底部钻具组合设计 水平井底部钻具组合设计的首要原则是造斜率原则，保证设计组 合的造斜率打到设计轨道要求并有一定的余地； 设计水平井底部钻具组合时，要根据井底温度、最大排量、钻头 类型和钻头压降的不同来选择螺杆钻具； 底部钻具组合必须满足强度、可靠性的要求，并能处理井下事故。 钻柱设计 使用“倒装钻柱”； 为了防止卡钻事故，一般在钻柱中装震击器； 为了克服定向滑动时托压的困难，推荐在钻柱适当位置装水力振 荡器。 直井段轨迹控制技术要点 水平井直井段的井身轨迹控制原则是防斜打直。当钻至造斜点KOP时，如果直井段不直，不仅造斜点KOP处有一定井斜角而影 响定向造斜的顺利完成，还会因为上部井段的井斜造成的位移影响 下一步的井身轨迹控制。假如KOP处的位移是负位移，为了达到设 计要求，会造成在实际施工中需要比设计更大的造斜率和更大的最 大井斜角度，?如果是正位移情况恰好相反。如果KOP处的位移是 向设计方向两侧偏离的，就将一口两维定向井变成了三维定向井了，同时也造成下一步井身轨迹控制的困难。由于水平井的井身轨迹控 制精度要求高，所以水平井直井段的井斜及所形成的位移相对与普 通定向井来讲更加严重。 如果丛式井的直井段发生井斜，不仅会造成普通定向井中所存在 的危害，还会造成丛式井中两口定向井的直井段井眼相碰的施工事故，造成新老井眼同时报废。 在直井段钻进过程中根据实际情况及时进行井斜角的监测，发现 井斜立即采取措施，对于丛式井，为了方便下一步施工和具有较强 的对比性，建议使用陀螺测斜仪测取数据，以便和下一步施工井进 行数据对比。在中途监测过程中，如果发现井斜，根据实际井斜情况，可以采用减压吊打纠斜； 增斜段轨迹控制要点 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。 水平井 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。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。 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。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。 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。 第24卷 第12期2008年6月 甘肃科技 Gansu S cience and Technolo gy Vol.24 N o.12 J un. 2008井眼轨道设计及监控软件的开发 王慕玮1,范海燕2 (1.新疆油田公司井下作业公司,新疆克拉玛依834000;2.新疆油田公司装备处,新疆克拉玛依834000) 摘 要:W PM S井眼轨道设计及监控软件实现了井眼二维轨道和三维轨道设计模型的统一,轨道设计参数关系明确,剖面类型任意组合,采用解析法对设计参数精确求解,且能任意求解轨道设计参数,克服了以往在三维井眼轨道设计中利用数值法等难以求解的缺点,能在极短时间之内设计出合理的井眼轨道。满足定向井、水平井、侧钻井、分支井及多目标井等各种类型的井眼轨道设计和随钻轨道设计的需要。 关键词:水平井;井眼;轨迹;设计;监控 中图分类号:T E242 1 井眼轨道的设计 1.1 二维井眼轨道模型 典型的二维井眼轨道形式如图1,二维井眼轨道设计一般模型如图2所示。(所有图进单栏,排版时将此句删掉) 设计模型不仅包含了常规的三段制(J型),五段制(S型)和双增型轨道,而且还可令直线段长度为零,由此组成多种轨道剖面型式。具有8个轨道设计变量,任意给定6个参数,即可判定方程是否含有解。在有解的情况下,可唯一确定另外2个设计参数。对8个变量,任选2个进行求解组合,可得到28种求解方式。 应用所建立的二维经验轨道设计模型和求解公式,开发了井眼轨道设计软件。在设计时,可作到灵活,快速,精确的设计,能满足用户多种设计需求,在实践中得到了很好的应用,同时也验证了模型的正确性和有效性。 1.2 三维井眼轨道模型 三维井眼轨道设计模型如图3。 水平井井眼轨迹控制技术 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。 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。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 SY/T6332 –1997 水平井轨迹控制技术 Bit tyajectory control technology for horizontal well 1 范围 本标准规定了水平井井眼轨迹控制技术的准备、施工、相关安全措施及资料的要求. 本标准适用于长、中半径水平井的施工。其它类型的特殊定向井亦可参照使用。 2 应用标准 下列标准所包含的条文，通过在本标准中引用而构成为本标准的条文。本标准出版时，所示版本均为有效.所有标准都会被修订，使用本标准的各方应探讨使用下列标准最新版本的可能性。 SY 5272-91 常规钻进安全技术规程 SY/T 5416-1997 随钻测斜仪测量规程 SY/T 5435-92 两维常规定向井轨道设计与轨迹绘图方法 SY 5472-92 电子陀螺测斜仪测量规程 SY 5547-92 井底动力钻具使用维修和管理 SY/T 5619-93 定向井下部钻具组合设计作法 3 定义 本标准采用下列定义。 3.1 广义调整井段generalized adjusting section 用于调整井眼轨迹的井段。可以是稳斜井段，也可以是曲率较小的增斜井段。 3.2 倒装钻具组合invert BHA 在钻大斜度井段和水平段时，为了给钻头加压，将部分重量较轻的钻具放到钻具组合下部，把钻铤、加重钻杆等较重的钻具放到直井段或较小井斜段的钻具组合。 3.3 中靶预测target prediction 根据实钻井眼轨迹到达的位置及方位，对中靶前待钻井眼的长度、位移、造斜率及方位调整量进行预测。 3.4 有线测量方式wireline survey method 特指在水平井施工中，采用有线测量仪分段测取大斜度或水平段已钻井段的轨迹所需的井斜、方位数据的测量方式。 4 井眼轨迹控制要求 4.1 直井段控制符合井身质量要求。 4.2 实际井眼轨迹到达靶窗时，在规定的靶窗内，其井斜、方位值还要满足在现有轨迹控制能力范围内确保轨迹在靶体中延伸的要求。 4.3 水平段轨迹应在设计要求的靶区范围之内。 5 准备 5.1 工具 5.1.1根据不同类型的水平井分别按附录A(标准的附录)和附录B （标准的附录）的要求准备。 5.1.2井底动力钻具的准备除符合SY 5547 的相关规定外，还应检 中文摘要 井眼轨迹的三维显示 摘要 本文介绍了国内外井眼轨迹三维显示技术的研究现状，归纳了常规二维定向井轨道设计原则和几种轨道类型的计算方法，以及井眼轨迹测斜计算的相关规定、计算模型假设和轨迹计算方法。从井位、井下测量和计算三个方面对井眼轨迹误差进行了讨论并简要说明了不同的井眼轨迹控制。在此基础之上，利用VB和MATLAB软件编制了井眼轨迹的三维显示软件，并简要介绍了该软件的设计流程、主要功能和难点处理，指出了软件的不足之处，展示了井眼轨迹三维绘图的所有运行界面，并附上软件说明书。最后，对井眼轨迹三维显示开发的研究方向进行了展望。 关键字井眼轨迹三维显示 MATLAB Visual Basic 轨迹计算轨道设计误差分析 重庆科技学院本科生毕业设计英文摘要 Abstract In this paper, at home and abroad well trajectory 3-D display technology of the status quo，Summarized the conventional two-dimensional directional well the track design principles and track several types of calculation method，And the well trajectory inclinometer terms of the relevant provisions, the model assumptions and trajectory calculation. From the wells, underground measurement and calculation of the three aspects of the well trajectory error was discussed and a brief description of the different well trajectory control. On this basis, using VB and MATLAB software produced a hole trajectory of the three-dimensional display software, and gave a briefing on the software design process, and difficulties in dealing with the main function, pointed out the inadequacy of the software, demonstrated the well trajectory 3-D graphics interface all the running, along with software manuals. Finally, the well trajectory 3-D display development direction of the prospect. Keyword:Well trajectory；3-D display；MATLAB ；Visual Basic；trajectory calculation ；trajectory design ；Error Analysis 水平井井眼轨迹控制 第一章水平井的分类及特点 (2) 第二章水平井设计 (4) 第三章水平井井眼轨迹控制基础 (8) 第四章水平井井眼轨迹控制要点 (13) 第五章水平井井眼轨迹施工步骤 (21) 第一章水平井的分类及特点 水平井的概念：是最大井斜角保持在90°左右（大于86°），并在目的层中维持一定长度的水平井段的特殊井（通常大于油层厚度的6倍）。 一、水平井分类 二、各类水平井工艺特点及优缺点 三、水平井的优点和应用 1、开发薄油藏油田，提高单井产量。 2、开发低渗透油藏，提高采收率。 3、开发重油稠油油藏，有利于热线均匀推进。 4、开发以垂直裂缝为主的油藏，钻遇垂直裂缝多。 5、开发底水和气顶活跃油藏，减缓水锥、气锥推进速度。 6、利用老井侧钻采出残余油，节约费用。 7、用丛式井扩大控制面积。 8、用水平井注水注气有利于水线气线的均匀推进。 9、可钻穿多层陡峭的产层。 10、有利于更好的了解目的层性质。 11、有利于环境保护。 第二章水平井设计 一、设计思路和基本方法： 简而言之，就是“先地下后地面，自下而上，综合考虑，反复寻优”的过程。 二、水平井靶区参数设计 与定向井不同，水平井的靶区一般是一个包含水平段井眼轨道的长方体或拟柱体。靶区参数主要包括水平段的井径、方位、长度、水平段井斜角、水平段在油藏中的垂向位置、靶区形状和尺寸。 1、水平段长度设计 设计方法：根据油井产量要求，按照所期望的产量比值（即水平井日产量是临近直井日产量的几倍），来求解满足钻井工艺方面的约束条件的最佳水平段长度值。约束条件主要有钻柱摩阻、扭矩，钻机提升能力，井眼稳定周期，油层污染状况等。 2、水平段井斜角的确定 应综合考虑地层倾角、地层走向、油层厚度以及具体的勘探开发要求。 βα±?=90H ，β为地层真倾角 当地层倾角较大而水平段斜穿油层时，则应考虑地层视倾角的影响，[])cos(90H H d tg arctg Φ-Φ-?=βα， d Φ为地层下倾方位角，H Φ为 水平段设计方位角 3、水平段垂向位置确定 油藏性质决定了水平段的设计位置。对于无底水、无气顶的油藏，水平段宜置于油层中部；对于有底水或气顶的油藏，水平段应尽量远离油水或气水边界；对于既有底水又有气顶的油藏， 水平井钻井工程设计及轨迹控制 一、水平井的概述： 八十年代中期以来，水平井技术在世界范围内取得了突飞猛进的进展，为提高勘探效果，提高单井产量和油层采收率，开辟了一条新的途径，给石油工业的发展带来了新的革命，胜利油田从1990年9月开始，以埕科1井为起点，展开了水平井研究与应用，针对各种类型油藏，如整合油藏、不整合油藏、稠油砾石油藏、低渗透块状砾石油藏、砂岩油藏、石炭系砂岩油藏、古潜山漏失型油藏等进行攻关研究。“八五”期间组织了六个油田、五个院校，762名科技人员，在水平井钻井的设计技术、轨迹控制技术、钻井液技术、完井技术及测井射孔技术的五个方面共31个专题进行了四年的攻关，在理论研究、实验技术、软件技术、工具仪器研制和工具方法等方面，取得了重大技术突破，包括了16项重大科技成果在内的30项技术成果，形成了一整套水平井钻井、完井技术，截止1995年7月项目提交国家鉴定时，胜利油田完成各类水平井30口。“八五”攻关计划完成后，水平井技术迅速转化为生产力，很快形成了大规模推广应用的局面。到1996年底我国陆上已完成水平井94口，推广面积达到13个油田，六种类型的油气藏。仅投产的47口科学实验水平井增产原油78吨，新增产值9.52亿元, 获直接经济效益6.46亿元。到98年底全国陆上油田已钻成水平井204口，其中胜利油田所钻井和以技术服务形式在外油田所钻水平井共计119口。更重要的是，“水平井是增加原油产量、提高采收率和开发特殊油藏最有效的手段之一”这一观点，得到了广大勘探开发工作者的共识，从而带动了与水平井有关的地质、油藏、采油工程等相关技术的发展，推动石油的科技进步。 自项目推广应用以来，应用的油藏类型逐步扩大，完成的水平井类型逐步增多。除本油田以外，先后应用到塔里木、长庆、吐哈、青海、中原、江汉、河南、大港、玉门、江苏等油田，以及江苏省洪泽县非石油行业的芒硝矿开采，完成了以水平探井、阶梯水平井、连通式水平井等为代表的12种类型水平井，其经济效益十分显著，所完成的开发井稳定产值为同地区直井的3倍，其投资仅为直井投资的1.8倍左右，1997年《石油水平井钻井成套技术》被列为国家”八2五”国民经济贡献巨大的十大攻关成果。 在油田的整体开发建设中显示出巨大的优越性： 水平井井眼轨迹控制技术 水平井井眼轨迹控制工艺技术是水平井钻井中的关键，是将水平井钻井理论、钻井工具仪器和施工作业紧密结合在一起的综合技术，是水平井钻井技术中的难点，原因是影响井眼轨迹因素很多，水平井井眼轨迹的主要难点是： 1．工具造斜能力的不确定性，不同的区块、不同的地层，工具造斜能力相差较大 2．江苏油田为小断块油藏，油层薄，区块小，一方面对靶区要求高，另一方面增加了目的层垂深的不确定性。 3．测量系统信息滞后，井底预测困难。 根据以上技术难点，需要解决三个技术关键： 1、提高工具造斜率的预测精度。 2、必须准确探明油层顶层深度，为入窗和轨迹控制提供可靠依据。 3、做好已钻井眼和待钻井眼的预测，提高井眼轨迹预测精度。 动力钻具选择 一、影响弯壳体动力钻具造斜能力的主要因素 影响弯壳体动力钻具的造斜能力的主要因素有造斜能力钻具结构因素和地层因素及操作因素三大类。其中主要的是结构因素，其次是地层因素。 （一）动力钻具结构因素影响 1．弯壳体角度对工具造斜率的影响 单双弯体弯角是影响造斜工具造斜能力的主要因素。 在井径一定情况下，弯壳体的弯角对造斜率的影响很大，随着弯壳体角度的增大，造斜率呈非线性急剧增大。 2．弯壳体近钻头稳定器对工具造斜率的影响。 弯壳体近钻头稳定器的有无，对工具造斜率影响很大。如Φ165mm1°15′有近钻头稳定器平均造斜率达到30°/100米，无近钻头稳定器平均造斜率仅为20°/100米左右，相差近50%。 如陈3平3井使1°30′Φ172mm不带稳定器单弯螺杆平均造斜率为25°/100米，井身轨迹控制要求，复合钻进后，滑动钻进，造斜率仅为16-20°/100米。 3．改变近钻头稳定器到下弯肘点之距离对工具造斜率的影响 通过移动下稳定器位置可以改变近钻头稳定器至下肘点之距离。上移近钻头稳定器可大大提高工具的造斜能力，并且在井径扩大程度较大的情况下，造斜能力的上升幅度比井径扩大较小时要大。 (二）松散地层对工具造斜率的影响 据分析可知，下部钻具组合的造斜能力主要取决于钻头侧向力，而钻头侧向力来源于近 第二章 水平井剖面设计 第一节 水平井剖面的设计内容 1、水平井剖面设计原则 水平井剖面的设计一般依据下面的几点： ●根据地质提供的入靶点止靶点三维坐标数据，计算水平段长，水平段稳斜角及设计方位角； ●确定剖面类型，考虑是否需要第一稳斜段，并考虑第一次增斜角的范围； ●确定水平井钻井方法及造斜率，选择合适的靶前位移； ●初步计算井身剖面分段数据，根据水平井剖面设计中可供选择的五个基本参数(即造斜点，第一稳斜角，第一稳斜段长度及第二造斜率)，选择其中的任意三个，求出其它两个参数后，再进行井身剖面分段数据计算； ●对初选剖面进行摩阻、扭矩计算分析，通过调整设计的基本参数，选取摩阻及扭矩最小的剖面； ●根据初定剖面的靶前位移及设计方位角，计算出井口坐标，并到施工现场落实井位； ●复测井口坐标，对设计方位角及剖面数据进行微调，完成剖面设计。 2、水平井剖面设计的原理和方法 2.1 水平段的数据计算 假设水平段入靶点为A 点，止靶点为B 点，X 为南北坐标（纵标)，Y 为东西坐标（横标）,A 点垂深为H a ,B 点垂深为H b (以转盘面为基准),地质提供的三 维坐标可表示为A 点坐标（X a ,Y b ,H a ）,B 点坐标(X b ,Y b ,H b ) ●水平段垂深(H ?)的计算 H ?=H b 一H a 若H ?>0,说明水平段井斜角?90max πα。油藏程—完井方法 若H ?=0,说明水平段井斜角?=90max α。井身结构—井笛剖面—钻具组合 若H ?>0,说明水平段井斜角?90max φα。地面情况（钻机） ●水平段平增(S ?〉的计算 ()()22a b a b Y Y X X S -+-=? 浅谈大位移水平井轨迹控制技术 目前，大位移水平井钻井技术被广泛应用于石油、天然气的开采施工过程中，对其轨迹进行控制的关键就是井眼轨迹的设计，本文首先对井眼剖面的主要设计原则进行了介绍，进而针对轨道参数的选择以及参数优化后的结果进行了分析，最后对摩阻扭矩进行了分析，以期能够对水平井轨迹的有效控制提供一定的技术依据。 标签：大位移水平井轨迹控制 对水平井轨迹进行合理的设计是保证大位移水平井顺利完成的重要关键，除了要保证井身的剖面不能超过钻柱的扭矩极限之外，还要尽可能地降低扭矩摩阻、增加水平延伸的距离。相比于一般的水平井，大位移水平井本身对于井眼轨迹的设计有着特殊的要求，本文就针对如何具体对大位移水平井的轨迹进行控制以及相关注意事项进行如下分析。 1井眼剖面的主要设计原则 在进行大位移水平井的轨迹控制时，其中一个非常重要的关键点就是井眼轨迹的设计，这其中需要以设计方案的可操作性作为主要基础原则。当斜井段较长的时候，套管的磨损程度和可能性就会越高，相应的轨道剖面设计就很难被实现。与此同时，设计时还需要注意保证扭矩、拉力和摩阻处于一个较小的范围，因此，可以通过对相关参数进行优化来实现。 2轨道参数的选择 2.1造斜点参数 在进行造斜点的选择时，如果设计的造斜点相对较浅，会造成斜井段的拉长，导致拉力和扭矩的进一步增大，在进行井段的加长工程中，非常容易产生键槽的问题，在很大程度上提升了井眼的控制难度。在进行稳斜角具体参数的选择时，滑动钻进摩阻会随着造斜点的提高而增大，对于大位移水平井进行轨迹控制时，设计人员需要尽可能地选择那些相对科学的曲线，同时还需要保证造斜点处于一个较深的水平，这些都有利于直井段对于短斜井段的缩短效应，为后续的钻井下套管作业提供了方便。 2.2稳斜角参数 随着稳斜角的不断增大，起下钻摩阻以及旋转的扭矩会随之减小，而滑动钻进摩阻则会随之增加。因此，为了保证斜稳角处于最佳条件应当将斜井段的长度控制在最短，这样相应的扭矩和摩阻也就越小。在井斜处于45°-55°这一范围内，存在着一个受到扭矩的限制而引发的最小深度值，因此，在进行稳斜角的设计时应该尽可能地避开这一角度范围。当稳斜角的数值一定时，扭矩和摩阻会随着稳 –1997 水平井轨迹控制技术 Bit tyajectory control technology for horizontal well 1 范围 本标准规定了水平井井眼轨迹控制技术的准备、施工、相关安全措施及资料的要求. 本标准适用于长、中半径水平井的施工。其它类型的特殊定向井亦可参照使用。 2 应用标准 下列标准所包含的条文，通过在本标准中引用而构成为本标准的条文。本标准出版时，所示版本均为有效.所有标准都会被修订，使用本标准的各方应探讨使用下列标准最新版本的可能性。 SY 5272-91 常规钻进安全技术规程 SY/T 5416-1997 随钻测斜仪测量规程 SY/T 5435-92 两维常规定向井轨道设计与轨迹绘图方法 SY 5472-92 电子陀螺测斜仪测量规程 SY 5547-92 井底动力钻具使用维修和管理 SY/T 5619-93 定向井下部钻具组合设计作法 3 定义 本标准采用下列定义。 3.1 广义调整井段 generalized adjusting section 用于调整井眼轨迹的井段。可以是稳斜井段，也可以是曲率较小的增斜井段。 3.2 倒装钻具组合 invert BHA 在钻大斜度井段和水平段时，为了给钻头加压，将部分重量较轻的钻具放到钻具组合下部，把钻铤、加重钻杆等较重的钻具放到直井段或较小井斜段的钻具组合。 3.3 中靶预测 target prediction 根据实钻井眼轨迹到达的位置及方位，对中靶前待钻井眼的长度、位移、造斜率及方位调整量进行预测。 3.4 有线测量方式 wireline survey method 特指在水平井施工中，采用有线测量仪分段测取大斜度或水平段已钻井段的轨迹所需的井斜、方位数据的测量方式。 4 井眼轨迹控制要求 4.1 直井段控制符合井身质量要求。 4.2 实际井眼轨迹到达靶窗时，在规定的靶窗内，其井斜、方位值还要满足在现有轨迹控制能力范围内确保轨迹在靶体中延伸的要求。 4.3 水平段轨迹应在设计要求的靶区范围之内。 5 准备 5.1 工具 5.1.1根据不同类型的水平井分别按附录A(标准的附录)和附录B（标准的附录）的要求准备。 5.1.2井底动力钻具的准备除符合SY 5547 的相关规定外，还应检测弯外壳体井下马达的弯曲角度。 5.1.3除反向双弯外壳体井下马达外，其它弯外壳体井下马达的下稳定器推荐采用偏心稳定器。 5.2 测斜仪器 斜测仪器应符合SY/T 5416 和 SY 5472 相关的规定。 5.3 资料 5.3.1 水平井钻井设计。 5.3.2 收集同地区完钻井的有关资料。 6 施工 6.1 直井段 6.1.1 配钻井液开钻。 6.1.2 采用防斜钻具组合钻进。 6.1.3 不允许使用刮刀钻头。 6.1.4 钻进中用单点测斜仪监测井斜、方位，钻完后测量全井段的多点数据。 6.1.5 有磁干扰的井段应使用陀螺测斜仪进行测量。 6.1.6 丛式井直井段作水平局部放大图，及时采取防碰措施。 6.2 定向增斜段 6.2.1 要点 6.2.1.1 定向时，合理确定装置角。 6.2.1.2 参照同地区方位漂移规律合理确定方位提前量。 6.2.1.3 使用随钻测斜仪。在有磁干扰的情况下，采用陀螺测斜仪。6.2.1.4 施工中，根据测量数据及时作出实钻轨迹图，与设计轨道进行对比，指导井眼轨迹控制。 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涪陵页岩气田三维水平井轨道优化设计方法探讨
ODP水平井轨迹控制
水平井
井眼轨道设计及监控软件的开发_王慕玮
轨迹控制技术.
水平井轨迹控制技术汇总
井眼轨迹的三维显示
水平井井眼轨迹控制
水平井工程设计及轨迹控制
水平井井眼轨迹
水平井剖面设计(第二章)
浅谈大位移水平井轨迹控制技术
水平井轨迹控制技术
定向井、水平井井身轨迹控制