定向井軌跡設計與控制技術探討

楊國輝

摘要：隨著定向井鉆井數量的逐漸增多，定向井軌跡設計與控制逐漸受到重視。文章從定向井軌跡剖面設計入手，對定向井軌跡控制中的不同階段進行了探討，對提高定向井軌跡控制精度具有積極作用。

關鍵詞：軌跡控制；剖面設計；定向井

定向井的井眼軌跡控制技術是定向井鉆井成套技術中的關鍵環節。定向井施工成敗的關鍵是能否控制井眼軌跡的變化。

1 軌跡剖面簡介

定向井井身剖面的選擇對于鉆井施工的安全、高效、降低成本起著至關重要，四段制軌跡剖面易形成鍵槽，巖屑床，起下鉆和鉆井過程中摩阻扭矩大，易卡鉆，給井下安全帶來極大隱患。經過理論計算分析，并結合大慶地質情況，三段制或者五段制井眼軌跡剖面成為大慶定向井施工的首選對象，這兩種軌跡剖面具有軌跡短、投資少、效益高、利于井眼軌跡控制等特點。

2 井眼軌跡控制技術

2.1 直井段軌跡控制

定向井直井段的井眼軌跡控制原則是防斜打直。有人認為常規定向井（指單口定向井）直井段鉆不直影響不大，通過后續的調整最終也可中靶，這種想法是不對的。因為當鉆至造斜點，如果直井段不直，造斜點處不僅因為有一定的井斜角而影響定向造斜的順利完成，還會因為這個井斜角形成一定的水平位移而影響下一步鉆進的井眼軌跡控制。所以在直井段施工中，采用塔式鉆具組合或鐘擺鉆具組合，配以合理的鉆進參數，每鉆進100-120米測斜一次，及時監測井斜的變化趨勢，如發現井斜有增大趨勢，及時調整鉆井參數，加密測斜，必要情況下進行螺桿鉆具糾斜。造斜點前100m采取輕壓吊打，嚴格控制鉆進參數，保證造斜點處的井斜不超過0.5°。

2.2 造斜段軌跡控制

造斜就是從造斜點開始強制鉆頭偏離垂直方向增斜鉆進的過程。由于大位移水平井直井段多數存在井斜方位，且方位與新設計方位不一致，所以必須利用定向井計算軟件計算出直井段各點軌跡參數，同時根據最后幾個測點趨勢，預測出井底的井斜角和方位角，計算出井底水平位移、垂深、閉合方位、視位移、視垂距等參數。對靶點重新進行修正設計，計算出各段的造斜率大小。在定向造斜過程中，摸索出螺桿的實際造斜率大小，計算好滑動鉆進與復合鉆進的比例，盡可能使實鉆軌跡逼近設計軌道。根據視位移大小、正負、井斜角大小以及井底閉合方位與設計方位的偏差，確定采用復合鉆進、扭方位或定向鉆進來進行施工。

由于無線隨鉆測量儀器測點長度的限制以及螺桿造斜率在深層硬地層造斜能力的不確定性，開始定向鉆進時一般采用連續定向2個單根，以確定螺桿在該地層的實際造斜率。若已知螺桿的實際造斜率K實，設計造斜率K設，單根長度為L，則可用下列公式計算每個單根需要定向長度L定：

L定=（K設*L）/K實

上式僅當K實>K設時成立；若K實

2.3穩斜段軌跡控制

這一階段的任務是在實鉆過程中，不斷了解軌跡的變化發展情況，不斷地使用各種造斜工具或鉆具組合，使實鉆軌跡離開設計軌跡“不要太遠”。“ 不要太遠”一詞的意義在于，一方面如果太遠就可能造斜脫靶，成為不合格井；另一方面如果始終要求實鉆軌跡與設計誤差很小，勢必要求非常頻繁的測斜，頻繁的更好造斜工具，必將大大地拖延時間，增加成本，而且還有可能造成井下復雜情況，得不嘗失。穩斜段主要采用三扶正器剛性穩斜鉆具組合或者MWD隨鉆跟蹤，若采用穩斜鉆具組合，在下入穩斜鉆具組合鉆進50米進行測斜校驗井斜方位數據，以后每鉆進100-150米定點測斜一次，并把測斜數據輸入定向井計算軟件進行計算分析，保證中靶。

3 井底井斜方位預測技術

3.1 力學預測

井底預測的方法很多，可分為兩大類，一類是力學法。力學法考慮了鉆具的受力狀態、鉆頭與地層相互作用等因素，更為真實的反映了井眼軌跡形成過程，從理論上講，力學法比較準確。但由于井下是一個復雜的多元系統，而系統中某些參數（如地層性質等）又不易掌握，這一定程度上影響了力學預測方法的預測精度，兼之力學預測方法準備變量多，計算復雜，現場施工已較少采用。

3.2 幾何預測

另一類是幾何方法，對于給定的鉆具組合和鉆井參數，由于在一定的井段范圍內地層巖石的性質變化不大，所以井眼軌跡往往呈現出特定的變化規律。因此采用幾何方法預測，也能達到相當高的精度。幾何預測方法很多，要嚴格評價各種井底預測方法的優劣是比較困難的。井底預測的這些幾何方法主要是依據各種曲率的變化規律進行選擇，并且需要緊密結合鉆井過程的實際工況。使用時，應根據實際的鉆井工況，進行分析判斷和預測。

從根本上講，要提高井底預測的精度，應從以下兩個方面入手：一是在工藝技術條件允許的前提下，盡可能縮短測點至井底的距離；二是提高測斜資料的精度。

4 井眼軌跡修正設計

定向井待鉆井眼設計是井眼軌跡控制技術的重要組成部分，他可為現場施工提供最重要的依據。在進行待鉆設計時，必須考慮所鉆地層對造斜工具造斜能力的影響。在進行待鉆設計時，應考慮地層傾向、走向及各向異性對井眼軌跡的影響，以保證設計出的待鉆井眼能充分利用地層的井斜方位作用。在進行待鉆設計時，應首先考慮目前已有的井下工具實際造斜能力，并為施工留有余地。

在實際施工中從造斜點開始直到完鉆的施工中，每鉆完一個根，用單弧剖面進行一次待鉆井眼設計，選擇合適鉆進參數，并以此作為下趟鉆選擇鉆具組合的重要依據。在造斜過程中，每次都以入靶點為目標，應用可變曲率井眼軌跡設計技術優化待鉆井眼設計。

5 結論

總之，嚴格按照技術參數及措施打好直井段，保證井斜角不超標，優化軌跡剖面設計，選用合適的造斜工具，把好定向造斜關；在穩斜段三扶正器剛性穩斜鉆具組合，在下入穩斜鉆具組合鉆進50米進行測斜校驗井斜方位數據，以后每鉆進100-150米定點測斜一次，跟蹤控制到靶點，保證井眼軌跡精確控制。

參考文獻：

[1]王清江 毛建華等 定向鉆井技術 2009.08