考慮方位漂移的水平井井眼軌道設計

徐樹棟 呂昌帥 楊蘭蘭 荊向龍 王睿 石偉

摘要：現階段，在進行深層頁巖氣水平井鉆進過程中，方位漂移問題十分常見，其會對井眼軌跡的控制產生負面影響，可能導致水平井無法準確中靶。對于這個問題，現階段比較常見的做法，是在開展定向造斜的過程中，預估方位超前叫，但是在實踐中不確定性和誤差較大。本文就考慮方位漂移的水平井井眼軌道設計進行了研究和探討，希望能夠為技術人員提供一些參考。

關鍵詞：方位漂移;水平井;井眼軌道;設計

前言：在不斷的發展過程中，油井開采技術不斷取得突破創新，水平井逐漸得到普及。而水平井鉆井環節，受各種因素的影響，無論是采用穩斜、增斜還是降斜的組合，都可能引發井斜方位漂移的問題，如果不能對該問題進行解決，水平井井眼軌跡的控制難度會大大增加，甚至會對水平井的準確中靶產生影響。在這種情況下，水平井井眼軌道設計中，應該充分考慮方位漂移問題。

1 方位漂移產生的原因

結合實踐經驗，導致方位漂移的原因大致有兩種，一是地層因素。通常情況下，不同方向的地層有著不同的可鉆性，同時體現出各向異性的特征，而因為地層本身的傾斜，水平井井眼很容易出現方位漂移。而鉆頭鉆進的方向一般都是朝著垂直地層層面的方向偏斜，換言之，地層如果存在有朝地層上傾方位偏離的趨勢，便容易引發井斜問題。在進行水平井鉆井過程中，井身多是傾斜存在，井眼方位與地層傾斜方向存在一定夾角，會導致鉆頭朝著垂直于地層的方向前進，引發井眼方位漂移;二是鉆具因素。導致井眼方位漂移的另一個因素是鉆柱的旋轉方向，鉆進過程中，因為重力的作用，圓柱體會壓向井壁的下側，對其產生壓力，而鉆柱旋轉運動下，其本身與井壁下側之間的摩擦阻力在方向上與旋轉的方向相反，而考慮鉆柱本身順時針轉動的特性，摩擦力的方向始終“朝右”。受摩擦阻力的影響，鉆頭會偏離原本的井眼軸線，朝井壁右側鉆進，導致井壁右側的持續切削，繼而引發井眼方位向右漂移。

通常情況下，會采用方位漂移率來對方位漂移的規律進行表示，而從井眼軌跡控制的角度，當井眼方位向右漂移時，方位漂移率為正數，反之當井眼方位向左漂移時，方位漂移率為負數。在沒有發生方位漂移的情況下，方位漂移率為零。必須明確，即便是同一區域，方位漂移率也并非規定不變，其會在地層非均質性、產狀以及井斜等的影響下不斷變化，而不同井段有著不同的方位漂移率，技術人員需要對方位漂移的規律進行深入分析，做好水平井井眼軌跡的有效控制。

2 考慮方位漂移的水平井井眼軌道設計

在充分考慮方位漂移的情況下，水平井井眼軌道的設計需要將原本設計軌道依照造斜段、穩斜段以及水平段進行合理劃分，對區域內方位漂移的規律進行研究，得到不同地層及井段上的方位漂移率。

圖2為相似法軌道設計的示意圖。

相似法軌道設計大體可以分為幾個步驟：

一是將原本的設計軌道劃分為造斜段、穩斜段以及水平段，就井眼軌道各個井段的參數如水平位移、平移方位角、井深等進行收集整理，這里假定原設計軌道閉合方位角為θ1，閉合距為C1;二是在原設計軌道上選擇一點，依照該點所處井段位置的地層方位漂移率以及分段長度，計算出該井段的方位漂移量，計算公式如下：

公式中， 表示第i段方位漂移量， 表示第i段分段長度， 表示第i段地層方位漂移率。考慮方位漂移的情況下，需要將方位漂移量加在原設計軌道上，保證各點設計方位的合理性。

三是依照上述計算結果，得到方位漂移后的軌道以及各點新的水平位移以及平移方位角，假定此時軌道井底p點的閉合方位角為θp，閉合距為Cp;四是針對方位漂移后的軌道進行相似處理，在盡量不改變漂移后軌道形狀的情況下，通過平移，令p點和t點重合。在這個過程中，漂移后的軌道上，點的水平位移為Ci，乘以系數K，則存在K=Ct/Cp。將平移方位角θi減去△θ，則存在△θ=Cp-Ct。五是對考慮方位漂移的井眼軌道設計水平坐標進行計算，存在Ni=Cicosθi，Ei=Cisinθi，公式中的Ni表示i點的北坐標，Ei表示i點的東坐標;六是對每一個測點的井深、方位角以及井斜角進行計算，確保垂深Di不變。

以某水平井右飄為例，就其井眼軌道的設計進行簡單分析。該水平井水平段垂深3500m，待鉆點的坐標X為10000，Y為10000，東坐標增量1500m，北坐標增量1500m，方位漂移率1°/100m，初始方位角45°，將已知數據輸入后，經過計算的結果如圖3所示。

圖中的紅線表示考慮方位漂移的水平段井眼軌道，藍線表示全復合鉆進井眼軌跡。

3 結語

總而言之，在水平井井眼軌道設計中，方位漂移非常關鍵，如果將其忽略，會導致井眼軌道設計不合理，存在較大誤差。當前，在深層頁巖氣水平井鉆井過程中，存在較為嚴重的方位漂移問題，借助方位漂移規律進行井眼軌道設計，能夠有效減少井眼軌跡調整的頻率，降低起下鉆的次數，對鉆井成本進行控制。本文在考慮方位漂移的情況下，就水平井井眼軌道進行了設計，并結合實例進行了驗證，表明了方法的可行性和有效性。

參考文獻：

[1]豆旺.深層小井眼側鉆水平井鉆井技術研究與實踐[J].石化技術，2019，26（05）：42-43.

[2]杜征鴻，李林，黃貴生，胡生科.川西海相難鉆破碎地層超深水平井軌道設計[J].石油鉆采工藝，2019，（7）：1-7.

[3]王新剛.大位移水平井井眼軌道設計與應用[J].現代制造技術與裝備，2018（12）：20-22，24.

作者簡介：

徐樹棟，男，1986年1月2日出生，漢，山東省昌樂縣，在渤海鉆探工程有限公司定向井技術服務分公司從事定向井工程師工作