適用于長慶大偏移距三維水平井的新型剖面和軌跡評價幾何模型

梁海軍，李 娜

（1.川慶鉆探工程公司鉆采工程技術研究院陜西西安710018；2.低滲透油氣田勘探開發國家工程實驗室，陜西西安710018；3.陜西延長石油研究院，陜西西安710075）

適用于長慶大偏移距三維水平井的新型剖面和軌跡評價幾何模型

梁海軍*1，2，李 娜3

（1.川慶鉆探工程公司鉆采工程技術研究院陜西西安710018；2.低滲透油氣田勘探開發國家工程實驗室，陜西西安710018；3.陜西延長石油研究院，陜西西安710075）

針對長慶油田大偏移距三維水平井井眼軌跡優化控制技術難度大及缺乏剖面優化優劣的統一評價標準等問題，在統計分析了長慶油田2013年上百口具有代表性實鉆井眼軌跡數據的基礎上，首次建立了以靶前距不為負值為主要約束條件的幾何法剖面優化評價模型，并在該模型的評價優選下，構造了優于傳統五段式的五點六段式三維水平井軌跡模型，通過現場施工證明，該幾何評價模型及五點六段式軌跡優化剖面對今后鉆井工程設計及現場施工有一定的指導意義。

長慶油田；大偏移距；三維水平井；評價；軌跡優化；幾何模型

長慶油田由于受到地形地貌和超低滲透油氣藏特性的限制，近年來三維水平井已逐步成為長慶油田開發超低滲透油氣藏主體技術之一。對于靶前距和油氣藏垂深一定的條件下，二維水平井是施工難度和風險最低，剖面優化和軌跡控制最易做到的。而大偏移距三維水平井增大了整個井眼軌跡的空間三維復雜程度，超大井眼曲率給軌跡優化控制技術帶來很大困難的同時，增加了現場施工難度和風險。大偏移距三維水平井的軌跡優化和控制技術近年來是長慶油田研究和旨在解決的難題。

1 大偏移距三維水平井定義

三維水平井是指井口不在水平段方位線上的水平井，其井口到水平段方位線的垂直距離稱為偏移距。偏移距大于200m的三維水平井稱為大偏移距三維水平井，偏移距介于100～200m的三維水平井成為中偏移距三維水平井，偏移距小于100m的三維水平井稱為小偏移距三維水平井。如圖1所示，在水平投影圖中，靶點A與靶點B構成的靶體與井口坐標O不共線，OD就是其偏移距。OA是水平段的靶前位移（或稱作視靶前位移），是AD實際有效靶前位移，大偏移距三維水平井在現場施工過程中主要參考有效靶前距AD、偏移距OD及垂深對實鉆剖面進行優化，φ是水平井的設計方位角，φA、φB分別是靶點A、靶點B的閉合方位，φD為先期定向方位角。

圖1 帶靶前位移的大偏移距三維水平井概念描述圖

2 大偏移距三維水平井幾何評價模型

以往的水平井軌道設計優化及最優控制技術均是建立在數學或力學模型基礎上，約束條件多、迭代次數多、計算復雜、無成形軟件可供計算，對井眼軌跡實際可優化性及操作性不高。因此本文引入計算簡潔、實用性強的三維無因次系數法這一幾何模型來定量描述大偏移距水平井井眼軌跡的空間三維程度復雜形態，進而可以評價出不同模型優化下的軌跡剖面優劣。無因次系數值越大，三維水平井井眼軌跡三維程度越高，軌跡曲率越大；反之則越小。下面以長慶油田某大偏移距三維水平井實鉆軌跡空間井眼軌跡圖為例，說明三維無因次系數原理。

針對三維水平井的空間三維曲線復雜程度，下面引入三維無因次當量系數Cof來刻畫三維水平井軌跡的復雜程度。公式如下所示：

公式中的Δh是在現場施工過程中選擇造斜點時，根據井身結構、地層特性及鉆具組合等實際情況造斜點上下偏移的一個活動余量，一般為30～50m不等。在計算三維無因次當量系數Cof時，由于Δh的值相當于KO′值很小，加權平均后對結果影響很小，所以可以忽略掉Δh；ΔVs是三維水平井入窗時沿靶體方位線方向上相對于靶心的偏移距離，相對靶前位移而言可以忽略不計；Δl是水平井入窗時橫向上相對靶心的距離，在無特殊防碰需要的條件下，Δl也可以忽略。因此公式可以簡化如下所示：

在三維油井水平井的設計及現場施工過程中，根據理論及現場數據統計分析推導出三維無因次當量系數Cof，利用Cof來描述三維水平井軌跡剖面優化效果，有利于進行三維水平井剖面優化調整及軌跡實時控制。

3 五點六段式剖面

大偏移距三維水平井經過力學計算、摩阻扭矩分析及現場實鉆井數據回歸統計優化分析，通過三維無因次系數對傳統五段式剖面及在其基礎上的優化模型進行了綜合計算、對比，優選出目前最適合長慶油田區域的五點六段式軌跡剖面。二維水平井傳統五段式軌跡剖面是“直井段—增斜段—穩斜段—增斜段—水平段”，而改進的五點六段式剖面是將復雜的三維水平井井眼軌跡由5個節點分成6段，五點是指“二開造斜點—走偏移距/負位移起始造斜點—扭方位起始調整點—全力增斜點—入窗著陸點”，六段是指“直井段—走偏移距/負位移定向造斜段—穩斜控制段—扭方位調整段—全力增斜入窗段—水平段”。這樣的優點是在現場施工作業中，將軌跡控制利用了化整為零的方法分段控制，各段軌跡控制目標顯明、分工明確，降低三維水平井軌跡優化的難度，提高整體井眼軌跡控制的精度，增大了現場定向工程師的可操作性。

4 無因次系數應用效果評價

4.1 數據統計分析

長慶油田每年所鉆三維水平井數量很多，無法一一類舉，只能挑出部分具有代表性的大偏移距三維水平井進行分析說明，以下是對2013年長慶油田14口采用五點六段式剖面優化設計的典型三維水平井現場實際生產情況進行統計，見表1。

表1 三維水平井數據統計分析表

4.2 利用無因次系數法對長慶三維水平井軌跡剖面對比分析

同等條件下，相對三維水平井而言，二維水平井的摩阻扭矩、鉆具通過能力及施工風險級別都是最優化的，因此利用無因次系數法評價優化后的三維水平井井身剖面時，需要將三維水平井簡化成二維水平井，偏移距是決定三維水平井井眼軌跡復雜程度的主要因素，假設偏移距無窮小，用簡化無因次系數公式計算出此時三維水平井近二維無因次系數值，此值可作為評價三維水平井井身結構優化效果好壞的參考值。優化后的無因次系數值越接近此臨界值，說明該大偏移距三維水平井優化效果越好，井眼軌跡越光滑，所以三維無因次系數Cof就以近二維水平井作為三維水平井優化標準。表2是上文統計的2013年長慶油田具有代表性三維水平井實鉆井眼軌跡數據，分別以傳統五段式、優化后的五點六段式及三維近二維三種典型水平井剖面通過無因次系數法計算對比。

表2 無因次系數法對不同剖面優化效果評價表

如表2所示，可以看出三維化二維的無因次系數值最小，這和同等條件下，二維水平井井眼軌跡曲率明顯小于三維水平井是吻合的，傳統五段式軌跡剖面是按照傳統二維水平井設計法對三維水平井進行施工，其三維無因次系數值如下表所示平均值達到0.2675，明顯大于后兩者，而本文提出的五點六段式三維水平井優化剖面的三維無因次系數值較傳統五段式計算值明顯接近最理想化的二維水平井，而這一點，在安平53井及安平58井等現場施工過程中也得到了驗證，按傳統五段式剖面設計斜井段平均全角變化率分別為9.0°/30m和8.7°/30m，而優化后五點六段式剖面全角變化率分別為7.5°/30m和6.9°/30m；在現場施工過程中，水平段后期定向鉆進裸眼摩阻僅為17.9t左右，套管下入摩阻為16.46t左右，比設計預計摩阻小了6t多。

為了驗證三種不同剖面無因次計算結果的差異性和無因次理論的通用性，將長慶油田50口中大偏移距三維水平井無因次系數值用繪圖曲線表示，如圖2所示：

圖2 不同類型軌跡剖面模型下的三維無因次系數對比圖

由圖2可知，三維水平井五點六段式無因次系數Cof平均值是0.104，五段式剖面無因次值0.243,三維近二維無因次值0.008。五點六段式剖面無因次系數值較傳統五段式剖面更接近二維水平井計算值，表明五點六段式剖面模型較傳統五段式井眼曲率更平滑，摩阻扭矩較小，水平段施工風險低。從表1統計的五點六段式剖面三維水平井現場施工情況可知，裸眼摩阻有效控制在20t以內，起下鉆沒有出現遇阻、套管下入困難的情況，隨鉆測量摩阻扭矩值比常規軌跡相比，平均降低了23.7%。實鉆結果與表2中無因次系數法計算結果是一致的，驗證了無因次理論的正確性。

4.3 無因次系數評價不同偏移距對軌跡優化效果的影響

三維水平井不同軌跡優化模型和控制技術的實施難易程度在強三維和弱三維不同條件影響下是有很大差別的，強三維水平井是指三維水平井的空間曲線更加復雜、三維軌跡的全角變化率更大、可能引起后期水平段摩阻扭矩更大、實際施工過程中軌跡優化及控制技術更難以實現；而弱三維水平井則是指水平井空間曲線變化率相對柔和的多，空間變化相對平緩，鉆井施工相對容易簡單。

對長慶油田區域實鉆的三維水平井按偏移距大小分成3類：偏移距大于200m、偏移距介于100～200m之間、偏移距小于100m三類三維水平井。利用三維無因次系數法擬合出不同剖面模型條件下曲線，將其進行對比，對比情況如圖3～圖5所示。

圖3 偏移距大于200m三維水平井對軌跡優化效果影響圖

圖4 偏移距100～200m三維水平井對軌跡優化效果影響圖

圖5 偏移距小于100三維水平井對軌跡優化效果影響圖

從圖4～圖5可以看出，偏移距大于200m的三維水平井優化難度最大，優化效果最差，優化前三維無因次系數Cof=0.342，優化后的三維無因次系數Cof= 0.178，優化率為47.9%，優化率較低；而偏移距小于100m的三維水平井優化難度最小，優化效果最好，優化后的三維無因次系數和前面兩者比最小，優化前三維無因次系數僅為Cof=0.165，優化后的三維無因次系數Cof=0.053，優化率為67.9%，優化率較高；而偏移距介于以上兩者之間（100～200m）的三維水平井井眼軌跡剖面優化難度適中，優化前三維無因次系數僅為Cof=0.248，優化后的三維無因次系數Cof=0.104，對井眼軌跡優化率為58.1%，優化率也是介于上兩者之間。

5 結論

（1）無因次幾何評價模型篩選出的五點六段式剖面優化方法明顯優于傳統五段式三維方法。五點六段式剖面優化法設計的剖面的摩阻扭矩較小，可有效降低長裸眼水平段后期施工風險。

（2）五點六段式剖面采用了將大偏移距三維水平井井眼軌跡控制技術“化整為零”的方法，將復雜的三維井眼軌跡分段精細化控制，各段控制目標明確。大大降低了軌跡控制難度，提高了井眼軌跡控制規范性。

（3）無因次系數法可以評價及篩選不同理論模型計算的三維水平井優化井眼軌跡，對現場施工有實際的指導意義。

（4）無因次幾何模型計算結果表明，三維水平井偏移距越大，優化難度越大，優化效果越差。

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TE24

A

1004-5716(2015)10-0037-04

2014-10-27

2014-10-28

梁海軍（1984-），男（漢族），陜西延安人，工程師，現從事油氣田鉆完井工藝技術研究工作。