目標垂深不確定條件下的水平井軌道設計

孫騰飛，高德利，杜剛，張輝

（1.中國石油大學（北京）石油工程學院，北京 102249；2.中國石油新疆油田公司，新疆 克拉瑪依 834000）

目標垂深不確定條件下的水平井軌道設計

孫騰飛1，高德利1，杜剛2，張輝1

（1.中國石油大學（北京）石油工程學院，北京 102249；2.中國石油新疆油田公司，新疆 克拉瑪依 834000）

目標垂深不確定在水平井鉆井中是普遍存在的情況，這使得水平井井眼準確進入目標窗口的難度大大增加，甚至導致脫靶。文中提出了解決目標垂深不確定時水平井軌道設計問題的基本思路和方法。采用雙增型水平井軌道設計出中間穩斜段的最佳穩斜角，在鉆進過程中及時發現標志層或油層頂界面等方法，可以解決目標垂深不確定的問題。在前人基礎上，同時考慮標志層傾角和儲層傾角不平行的情況，對最優穩斜角的計算公式進行了推導，最后采用2個算例進行了驗證。

水平井；目標垂深；不確定；軌道設計；雙增剖面

水平井鉆井技術是在定向井技術基礎上發展起來的一項鉆井技術［1］。水平井具有擴大油氣層裸露面積、提高油氣井單井產量、提高油氣采收率等特點，對于薄層油氣藏、高壓低滲透油氣藏等特殊油氣藏，水平井具有很好的開發效果［2-6］。水平井軌道設計的準確與否十分關鍵，通常水平井軌道的基本形狀有2種：一種是單增軌道，由“直—增—平”三段組成；另一種是雙增軌道，由直井段、第一增斜段、穩斜段、第二增斜段和水平段組成，其突出特點是在2段增斜段之間設計了一段穩斜調整段，以調整目標垂深誤差造成的軌道偏離［7-10］。在使用導向鉆井系統的中、長半徑水平井中，常會遇到造斜率確定而目標垂深不確定的情況［8，11-12］，筆者提出了解決目標垂深不確定問題的基本思路和方法。

1 基本思路

韓志勇詳細介紹了在目標垂深不確定情況下軌道設計的思路［13-14］。如圖1所示，目標垂深不確定是指窗心垂深DΕ可能變化，窗心可能提前到E′點，也可能滯后到E″，實際窗心在E′和E″之間。不管實際窗心如何變化，都要求井眼準確進入窗口。顯然，關鍵在于第二造斜點的選擇。自M點第二次造斜鉆進至P點，井眼方向完全對準窗心，再穩斜鉆進PE段即可進入窗口。當窗心提前到E′點時，選M′點為第二造斜點，此時穩斜段長度等于0，而滑行長度P′E′最長；當窗心滯后到E″點時，選M″為第二造斜點，此時穩斜段長度M′M″最長，而滑行長度等于0。

圖1 目標垂深不確定時的軌道設計

式中：δ為標志層或油層頂界面至目標中心線的距離，m；αopt為最優穩斜角，°；αE為儲層傾角，°；R2為第二造斜段曲率半徑，m。

但是式（1）只是為了現場計算簡便而使用的，與實際最優值之間會有一定的誤差，因此，本文利用韓志勇的設計思路對最優穩斜角的計算公式進行了重新推導，同時考慮了標志層傾角和儲層傾角不平行的情況以及測斜工具距鉆頭的長度，以期得到可靠的、可現場使用的實際最優井眼軌道設計參數。

M點最好選在油層頂界面或油層之上的標志層的下界面，由于油層厚度或標志層距油層的距離變化很小，所以在鉆進過程中，根據錄井或測井資料，只要鉆遇油層頂界或標志層，就可準確判斷窗心垂深。另外要選擇一個最優穩斜角αopt，使得不管M點在何處出現，從M點第二次造斜都可以在給定的造斜率下準確鉆達P點，并使井眼方向對準窗心。

韓志勇在設計目標垂深不確定的水平井軌道時，采用的最優穩斜角計算公式為［15］

2 軌道設計

2.1 目標層和標志層不平行時軌道設計

如圖1所示，中間穩斜段長度M′B=M′M+MB，

其中

又因為MN=EE′，所以

式中：αM為標志層井斜角，°；ρ為測斜工具距鉆頭的長度，m；DE為窗心垂深，m；DE′為窗心可能提前的垂深，m。

根據

化簡得

式中：PE為滑行段的長度，m；αE為目標層傾角，°。

因為M′B′－M′B=BB′=MM″=M′M，所以

再由式（2）可得滑行長度PE：

目標層和標志層不平行時軌道剖面如圖2所示，從圖2可得

式中：δ為目標層中點與標志層界面之間的垂直距離，m；L為鉆頭進入標志層時與標志層的交點到靶點垂線與標志層交點的距離，m。

聯立式（8）和式（9），化簡得

圖2 目標層和標志層不平行時的軌道剖面

將式（7）代入式（10）即可得到αopt的計算式，然后再代入式（3）和式（7）就可以得到中間穩斜段和滑行段PE的長度。

2.2 目標層和標志層平行時軌道設計

目標層和標志層平行時軌道剖面如圖3所示，從圖3可得

聯立式（11）和式（12）可得

圖3 目標層和標志層平行時的軌道剖面

因為目標層和標志層傾角相同，所以αM=αE，因此式（2）可以表示為

因為MN=EE′，所以

因此穩斜段的長度為

滑行段的長度為

3 算例

給定設計條件：αE=85°，αM=88°，第一造斜段曲率半徑R1=214.875 m，造斜率8（°）/30 m，R2=143.25 m，造斜率12（°）/30 m，HE′=2 093.7 m，HE=2 100 m，HE″=2 106.3 m，δ=8 m。

目標層和標志層不平行時，軌道設計結果如下：

αopt=72.98°，PE=23.32 m，M′B=32.29 m。

目標層和標志層平行時，軌道設計結果如下：

αopt=71.7°，PE=21.31 m，M′B=30.43 m。

4 結束語

針對目標垂深不確定的情況，筆者提出了解決目標垂深不確定問題的基本思路和方法。通過對已有計算模型的改進，在新的計算模型中考慮了標志層的傾角和儲層傾角是否平行的情況，并且推導出了最優穩斜角的計算公式。

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［2］ Karlsson H，Cobbley R，Jaques G E.New developments in short-，medium-，and long-radius lateral drilling［R］.SPE 18706，1989.

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［14］韓志勇.兩個不準確條件下的水平井軌道設計［J］.石油大學學報：自然科學版，1993，17（1）：24-30.

［15］張建群，閻鐵.用真實圓弧法設計中曲率半徑水平井軌道［J］.大慶石油學院學報，1991，15（4）：24-29.

（編輯 趙衛紅）

Design of horizontal well trajectory under the uncertainty condition of vertical depth of target

Sun Tengfei1,Gao Deli1,Du Gang2,Zhang Hui1
(1.College of Petroleum Engineering,China University of Petroleum,Beijing 102249,China;2.Xinjiang Oilfield Company, PetroChina,Karamay 834000)

The uncertainty of vertical depth of target exists generally in the drilling of horizontal well,which greatly increases the difficulty of which the wellbore of horizontal well accurately enters into the target window and even misses the target.This paper has put forward the basic ideas and methods of trajectory design of horizontal well to solve the uncertainty of vertical depth of target. Research shows that the problem can be solved by designing the optimal hold angle within middle maintain angle section with bibuild horizontal well and finding the marker bed or the top boundary of oil reservoir during drilling.Based on previous calculation, the calculation of optimal hold angle is derived in this paper.Meanwhile,the inclined conditions of marker bed dip and reservoir dip are considered.At last,the paper uses two examples to conduct the verification.

horizontal well;vertical depth of target;uncertainty;well trajectory design;bibuild profile

國家科技重大專項子課題“復雜結構井軌跡設計與控制一體化”（2011ZX05009-005）；中國石油科技創新基金研究項目“頁巖氣水平井鉆井優化設計研究”（2011D50060310）；國家自然科學基金項目“氣體鉆井井眼軌跡偏斜機理與控制理論研究”（51174220）

TE22

A

10.6056/dkyqt201204029

2012-01-08；改回日期：2012-05-13。

孫騰飛，男，1986年生，油氣井工程專業在讀博士研究生，2008年畢業于中國石油大學（華東），主要從事井筒流動、軌道設計與控制方面的研究。E-mail：suntengfei7@sina.com。

孫騰飛，高德利，杜剛，等.目標垂深不確定條件下的水平井軌道設計［J］.斷塊油氣田，2012，19（4）：526-528.

Sun Tengfei，Gao Deli，Du Gang，et al.Design of horizontal well trajectory under the uncertainty condition of vertical depth of target［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2012，19（4）：526-528.