SAGD雙水平井入靶控制技術(shù)

章 敬 易 燦 張 龍 馬立君

（1.新疆油田公司開發(fā)公司，新疆克拉瑪依 834000；2.北京加華維爾能源技術(shù)有限公司，北京 100101）

目前，蒸汽輔助重力泄油（SAGD）是國際上一項(xiàng)前沿開采稠油技術(shù)，一般采用生產(chǎn)井（P 井）和注汽井（I 井）平行的雙水平布井方式，井口中心距離約為18～20 m，注汽井位于生產(chǎn)井上部，兩者水平段之間垂向距離為5～8 m。一般靶窗高度1 m，寬度2 m，水平段長度450～1 200 m［1-2］，2 口井縱、橫向間距均有嚴(yán)格要求，水平段的水平度和上下兩口井水平段的平行度是SAGD 平行水平井鉆井的兩項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)，控制好入靶前的實(shí)鉆軌跡沿設(shè)計(jì)軌跡鉆進(jìn)是保證這兩項(xiàng)指標(biāo)的基礎(chǔ)。對于水平井，造斜井段是軌道控制的關(guān)鍵。而對SAGD 雙水平井，它不僅要求具有合理的著陸點(diǎn)位置，而且對入靶時(shí)的井眼方向具有很高的要求。由于必須保證SAGD 雙水平井的平行度，此時(shí)，如果不能對井斜及井眼方向進(jìn)行有效的控制，將會增大水平段軌跡控制難度和工作量，給施工帶來不利影響，并且影響原油采收率。

1 剖面設(shè)計(jì)與矢量中靶

1.1 剖面設(shè)計(jì)

水平井剖面設(shè)計(jì)是水平井設(shè)計(jì)中的重要部分，良好的水平井井身剖面設(shè)計(jì)可以減小井眼軌跡控制的難度，充分發(fā)揮動力鉆具和轉(zhuǎn)盤鉆具各自的優(yōu)勢，為鉆出平滑規(guī)則的井眼提供保障［3-5］。一般注汽井設(shè)計(jì)為直—增—穩(wěn)三段制剖面，對生產(chǎn)井，考慮到生產(chǎn)的需要，必須留有20 m 或更長的穩(wěn)斜段，因此剖面設(shè)計(jì)為直—增—穩(wěn)—增—平的五段制井身剖面，剖面設(shè)計(jì)實(shí)例可參考文獻(xiàn)［2］。

1.2 矢量中靶

水平井井眼軌跡中靶，與普通定向井、多目標(biāo)井不同，水平井井眼軌跡中靶時(shí)進(jìn)入的目標(biāo)窗口，是一個(gè)柱狀體，因此，不僅要求實(shí)鉆軌跡點(diǎn)在窗口平面的設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，而且要求點(diǎn)的矢量方向符合設(shè)計(jì)，使實(shí)鉆軌跡點(diǎn)在進(jìn)入目標(biāo)窗口平面后的每一個(gè)點(diǎn)都處于靶柱所限制的范圍內(nèi)。也就是說，控制水平井井眼軌跡中靶的要素是實(shí)鉆軌跡在靶柱內(nèi)的每一點(diǎn)的位置要到位（即入靶點(diǎn)的井斜角、方位角、垂深和位移都在設(shè)計(jì)要求的范圍內(nèi)），也就是矢量中靶。

由于造斜點(diǎn)到目的層入靶點(diǎn)的設(shè)計(jì)垂深增量和水平位移增量是確定的，如果實(shí)鉆軌跡點(diǎn)的位置和矢量方向偏離設(shè)計(jì)軌道，勢必改變待鉆井眼的垂深增量和位移增量的關(guān)系，也直接影響到待鉆井眼軌跡的中靶精度。以單面圓弧為例，如圖1 所示，設(shè)I1、I2為圓弧井身軌跡上的兩點(diǎn)，其井斜角分別為α1，α2，軌道曲率半徑為R，造斜率為K，該兩點(diǎn)的垂增（即垂深增值）為H，平增（水平位移增值）為S，井段長為L。不考慮方位變化，可推得［6］

式中，α1，α2為井身軌道上兩點(diǎn)I1、I2處的井斜，°；R為井身軌道曲率半徑，m；K 為造斜率，（°）/30 m；H 為I1和I2點(diǎn)處垂深差值，m；S 為I1和I2點(diǎn)處水平位移差值，m；L 為I1到I2點(diǎn)處軌道長度，m。

圖1 基本幾何關(guān)系示意圖

進(jìn)一步轉(zhuǎn)化，得

式（3）、（4）即是位移增量和垂深增量的關(guān)系式，如果造斜點(diǎn)和入靶井斜角一定，則位移增量與垂深增量僅與造斜率相關(guān)。

2 入靶控制的主要影響因素

2.1 造斜率

SAGD 油井要達(dá)到預(yù)期的高采收率，必須對注汽井和產(chǎn)油井有嚴(yán)格的控制要求，要求2 口井的距離誤差滿足工程設(shè)計(jì)的要求，并且盡可能使2 口井的水平段始端距離最大。如果兩口井的水平段始端距離過近，高溫蒸汽從井口注入注汽井后，首先通過水平段始端，此時(shí)溫度最高，最容易發(fā)生汽竄，注采井容易過早形成熱聯(lián)通，影響采收率。一般采用“P下I 上”的入靶原則，盡量擴(kuò)大注采井垂向距離。為了滿足這一要求，造斜率選擇范圍一般可由式（1）推導(dǎo)得出。

設(shè)造斜點(diǎn)（KOP）井斜角為0°，并設(shè)水平段的井斜角設(shè)計(jì)值為αA，靶窗高度為2h，如圖2 所示，則可求出實(shí)際著陸點(diǎn)（井斜αH=αA），與設(shè)計(jì)著陸點(diǎn)A 重合時(shí)的造斜率為

設(shè)靶窗為上、下對稱（即上、下允差分別為h），則可求出造斜率的最大值Kmax（著陸點(diǎn)A1′）和最小值Kmin（著陸點(diǎn)A2′）分別為

圖2 單圓弧剖面造斜率分析圖

式中，H 為造斜點(diǎn)與著陸點(diǎn)間的垂增值，m；h 為靶窗半高，m；αH為著陸點(diǎn)井斜角，°。

式（6）和式（7）即為平均造斜率的控制范圍。

為了保證實(shí)鉆造斜率在合適的范圍內(nèi)，防止因各種因素造成工具實(shí)際造斜率低于其理論值，同時(shí)考慮實(shí)際造斜率若高于設(shè)計(jì)造斜率可以通過復(fù)合鉆進(jìn)的方式降低造斜率，若低于設(shè)計(jì)造斜率則只能通過更換鉆具組合進(jìn)行調(diào)整等因素。因此，應(yīng)以“略高勿低”的原則選擇造斜工具，一般選擇工具的理論造斜率應(yīng)比設(shè)計(jì)高10%～20%。同時(shí)為了減輕隨后軌跡控制難度，造斜率一般也采用“先高后低”原則，即通過適當(dāng)調(diào)整設(shè)計(jì)，軌跡控制前段采用較高造斜率，入靶采用較低造斜率；如果在前段采用較低造斜率，一旦后段造斜率跟不上，則只能通過更換鉆具組合進(jìn)行強(qiáng)力增斜。

2.2 方位控制

為了控制好軌跡，一方面要控制井斜，另一方面控制方位，否則很難使井眼軌跡矢量進(jìn)靶。由于實(shí)際造斜點(diǎn)處存在一定井斜和位移，一般水平井實(shí)鉆剖面都是三維的，造斜點(diǎn)處的方位、閉合方位與設(shè)計(jì)方位往往存在一定的偏差，在增斜鉆進(jìn)的同時(shí)需要扭方位以達(dá)到設(shè)計(jì)方位的要求，而扭方位的難易程度與井斜角的大小密切相關(guān)，為了控制好方位，井斜角越小時(shí)扭方位容易，井斜角大就會增加扭方位的難度，因此應(yīng)盡早把方位調(diào)整到貼近設(shè)計(jì)方位，為矢量進(jìn)靶奠定基礎(chǔ)。假定工具造斜率為15 （°）/30 m，表1 為不同井斜角時(shí)，鉆進(jìn)10 m 全力扭方位最大調(diào)整角度。由表1 可見，為了確保矢量中靶，減小后續(xù)施工難度，盡量在井斜角30°之前完成方位的調(diào)整。針對SAGD 雙水平井鉆井，不僅需要盡早調(diào)整好方位，還必須注意注采井入靶時(shí)的“同向”原則，即確保入靶時(shí)兩井同時(shí)中左靶或者右靶。

表1 鉆具在不同井斜時(shí)扭方位能力

2.3 磁干擾

測量參數(shù)的精確程度除了與測量儀器自身的質(zhì)量有關(guān)外，還與測量儀器所處的環(huán)境因素有直接關(guān)系，地層含鐵、無磁磁化及鄰井干擾等都對測量參數(shù)的精確程度有影響。MWD 測量是依靠探管內(nèi)部3 個(gè)相互垂直的重力加速度計(jì)和3 個(gè)相互垂直的磁通門傳感器，分別測量3 個(gè)方向上的重力分量和磁力分量，分別以Gx、Gy、Gz和Bx、By、Bz表示。Z 軸方向即為探管的軸向，也就是鉆具和井眼方向［7］。現(xiàn)場作業(yè)中所需要儀器的參考數(shù)據(jù)和井眼幾何參數(shù)均由這6 個(gè)分量計(jì)算得到。Bx、By反映了探管探測到的徑向的磁場強(qiáng)度和量，如果徑向方向存在鐵性物質(zhì)，將引起B(yǎng)x、By測量值的變化。Bz反映了探管檢測到的井眼軸向的磁場分量，如果儀器受到上下部鉆具的磁干擾時(shí)，將引起測量值Bz的變化。在無磁干擾情況下，同一地區(qū)，相同的井斜和方位處的兩測點(diǎn)（或位置、井斜變化不大），所測的值應(yīng)相近，同一測點(diǎn)，依據(jù)這6 個(gè)分量計(jì)算出的Bt值（一般±0.3 uT之內(nèi)）與Gt值（一般3‰以內(nèi)）也應(yīng)相近。依據(jù)這一原理，SAGD 平行水平井可以通過對比注采井的Bx、By和Bz值，判斷注汽井是否受到磁干擾，一旦受到磁干擾，則應(yīng)盡快偏離已鉆井，避免磁干擾影響軌跡精確控制。表2 和表3 是FHWX7I/P 井記錄的部分Gx、Bx、By等值，根據(jù)數(shù)值判斷，這2 口井基本沒有受到磁干擾。

表2 FHWX7I 井Gt 和Bt 在不同位置計(jì)算值

表3 FHWX7P 井Gt 和Bt 在不同位置計(jì)算值

3 著陸點(diǎn)井斜角的確定和入靶軌跡的控制

由于對地層情況比較熟悉，雙水平井一般采用MWD 控制軌跡，在二開造斜段至著陸點(diǎn)后，通常進(jìn)行測井、通井和下套管作業(yè)，這將會使著陸點(diǎn)的井斜角減小1～2°，而且在水平段開始施工中，為避免磁干擾影響，通常先轉(zhuǎn)盤鉆進(jìn)一段距離，另外由于儀器另長的存在，在十幾米后才能測出著陸點(diǎn)的井斜、方位，綜合上述情況，施工時(shí)應(yīng)將著陸點(diǎn)井斜角定為90.5～91.5°左右，以平衡測井及通井、下套管作業(yè)所造成的影響。

實(shí)際施工中，參考其余文獻(xiàn)研究［8-10］，通常以入靶點(diǎn)垂深、井斜為目標(biāo)進(jìn)行軌跡修正計(jì)算，通過調(diào)整造斜率控制垂深和井斜以滿足入靶要求，一般面臨4種情況。

（1）位移超前，井斜超前。此時(shí)，實(shí)鉆軌跡點(diǎn)的位置位于設(shè)計(jì)軌道上方，井斜角超出設(shè)計(jì)，則會使鉆至目的層所產(chǎn)生的位移超過目標(biāo)窗口平面的位置，即位移達(dá)到靶點(diǎn)要求時(shí)，垂深在目標(biāo)靶點(diǎn)上方，容易導(dǎo)致脫靶。為了控制穿靶，此時(shí)必須減小造斜率，當(dāng)?shù)竭_(dá)著陸點(diǎn)時(shí)，一般位移與垂深滿足要求，但井斜角小于90°，如果井斜相差不大，則可考慮在水平段中繼續(xù)增斜至90°，此時(shí)應(yīng)盡量控制著陸點(diǎn)從上靶窗進(jìn)入，若施工中實(shí)在滿足不了，著陸點(diǎn)從下靶窗進(jìn)入，則必須盡快增斜至90°以上，防止在增斜過程中，垂深下降過多，導(dǎo)致兩口井距離過近（過遠(yuǎn)）。

（2）位移超前，井斜滯后。此時(shí)，實(shí)鉆軌跡點(diǎn)的位置位于設(shè)計(jì)軌道上方，井斜角小于設(shè)計(jì)值，通常這種情況是由在造斜點(diǎn)時(shí)正位移過大造成，通過控制好造斜率，使得實(shí)鉆軌跡點(diǎn)盡量靠近設(shè)計(jì)軌道，能夠確保中靶。

（3）位移滯后，井斜滯后。此種情況實(shí)鉆軌跡點(diǎn)位于設(shè)計(jì)軌道下方，井斜角小于設(shè)計(jì)值，一般發(fā)生在造斜時(shí)負(fù)位移，開始造斜時(shí)造斜率不夠，此時(shí)必須適當(dāng)提高造斜率，使得實(shí)鉆軌跡盡量靠近設(shè)計(jì)軌跡線，確保中靶。

（4）位移滯后，井斜超前。此種情況實(shí)鉆軌跡點(diǎn)位于設(shè)計(jì)軌道下方，井斜適當(dāng)超前，一般可提前著陸，此時(shí)通過轉(zhuǎn)盤穩(wěn)斜鉆進(jìn)小段位移進(jìn)行穿靶，避免了入靶前造斜率出現(xiàn)較大變化而脫靶，同時(shí)對于破壞巖屑床、清洗井眼是有極大幫助的，是一種比較理想的狀況。

實(shí)踐表明，實(shí)鉆軌跡點(diǎn)的位置接近或少量滯后于設(shè)計(jì)軌道，并保持井斜角適當(dāng)超前，更有利于水平井的著陸。

4 實(shí)鉆實(shí)例

4.1 FHWXP/I

FHWXP/I 井組位于新疆油田重1 區(qū)塊，F(xiàn)HWXP 井設(shè)計(jì)造斜率分別為11.3 （°）/30 m 和12 （°）/30 m，按“略高勿低”的原則，選擇工具的造斜率應(yīng)為13.2～ 14.4 （°）/30 m。

FHWXP 井造斜點(diǎn)114 m 處井斜2.5°，方位角243.05°，閉合方位角284.76°與設(shè)計(jì)265.57°有一定偏差。為盡早將方位扭到位，通過調(diào)整工具面邊增斜邊扭方位，鉆至井深171.41 m，井斜角19.4°，方位角264.05°，閉合方位262.84°，方位已基本調(diào)整完畢。進(jìn)入油層后，全力增斜鉆進(jìn)至A 點(diǎn)386 m，測深368.46 m，井斜87.4°，方位265.75°，垂深278.77 m，位移162.82 m，閉合方位265.74°，成功完成了矢量進(jìn)靶，靶心距0.22 m。

FHWXI 井設(shè)計(jì)造斜率分別為10.5 （°）/30 m 和12.547 （°）/30 m，造斜率與P 井相近，采用同一套鉆具組合，在造斜點(diǎn)114 m 處井斜0.49°，方位為221.11°，閉合方位216.01°，采取先扭方位為主、增斜為輔的思路，鉆至井深171.34 m 時(shí)，井斜19.4°，方位266.55°，閉合方位263.14°，方位基本調(diào)整到位，控制合適造斜率，成功完成矢量中靶，靶心距0.46 m。中靶情況如表4 所示。

表4 FHWXP/I 中靶情況

4.2 FHWYP/I

FHWYP/I 井組位于新疆油田重18 區(qū)塊。P 井設(shè)計(jì)造斜率分別為10 （°）/30 m 和11.8 （°）/30 m，I 井設(shè)計(jì)造斜率為9.386 （°）/30 m 和12.5 （°）/30 m，設(shè)計(jì)方位112°，因此可以采用同一鉆具組合。P 井造斜點(diǎn)256.1 m，此時(shí)井斜1°，方位335°，采用先調(diào)方位，后增井斜方式，鉆至井深278.83 m 時(shí)，井斜7.7°，方位111.05°，方位基本調(diào)整到位；I 井造斜點(diǎn)255.1 m，此時(shí)井斜0.55°，方位133.46°，鉆至308.38 m 時(shí)，井斜17.3°，方位111.35°，方位調(diào)整完畢。此后控制合適造斜率，成功矢量中靶，中靶情況如表5 所示，其中P 井靶心距0.48 m，I 井靶心距0.19 m。

表5 FHWYP/I 中靶情況

5 結(jié)論

（1）在軌跡控制的前期和后期，井斜變化對垂深變化具有顯著不同的作用。SAGD 平行水平井鉆井，必須注意注采井入靶時(shí)的“同向”原則。

（2）控制合適造斜率、井斜和垂深關(guān)系，盡早扭方位和避免磁干擾是入靶控制技術(shù)的關(guān)鍵，是否受到磁干擾可以通過詳細(xì)對比P 井和I 井的Gt值和Bt值的變化來判定。

（3）入靶控制采用“P 下I 上”的入靶原則，盡量擴(kuò)大注采井水平段始端垂向距離，不僅可避免磁干擾，還可避免注采井過早形成熱聯(lián)通；實(shí)鉆軌跡點(diǎn)的位置接近或少量滯后于設(shè)計(jì)軌道，并保持井斜角適當(dāng)超前，更有利于水平井的著陸。

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