淺析水平井設計優化和鉆井軌跡控制技術

翁行芳

關鍵詞：水平井;設計優化;軌跡控制

隨著油氣勘探開發技術進步，對低產、低壓、低滲透和淺薄層油藏等傳統技術難以動用的油藏，通過水平井可以有效開發利用。水平井鉆井關鍵是井身軌跡控制，有必要對水平井的設計優化和井身軌跡控制關鍵技術措施進行探究。

1 水平井鉆井基本情況

1.1 水平井井身軌跡控制要求

水平井根據半徑可分為長中短三種，不同類型對造斜率、鉆具有不同要求，短半徑水平井鉆具位移小，除常規鉆具外主要有鉸接馬達和撓性鉆桿，完井后裸眼段較多;中半徑鉆具水平位移較大，常用彎外殼和導向鉆具;長半徑鉆具位移大，需配套彎頭、穩定器等。

鉆井軌跡控制需明確“靶區”，一般是柱狀的，以設計的軌跡軸線為軸、橫截面為圓形或矩形，包含無數個平行法平面，所以水平井與定向井不同，其中靶是“矢量中靶”。水平井中靶時進入的靶區也叫目標窗口，并非平面，而是柱狀體，不僅要確保實鉆軌跡點在窗口平面內，且要求矢量方向也符合要求，確保實鉆軌跡點中靶后每個點都處于靶柱范圍內，也就是每個軌跡點的方位角、井斜角、位移、垂深等都要達標。

1.2 水平井井身軌跡控制影響因素

水平井鉆井造斜點到入靶點設計垂深增量、水平位移增量都固定，一旦矢量方向和軌跡點位置偏離設計軌道，會改變垂深和位移增量關系，影響中靶。水平井鉆進中，實鉆軌跡點、井斜角等參數會出現提前、適中、滯后等不同情況。一是實鉆軌跡點提前，即縮短了靶前位移，在井斜角較大時，穩斜段鉆至目標儲層產生的位移量會超過靶區平面，造成延遲入靶，易造成窗口脫靶。二是軌跡點位置適中，在井斜角合適時，井身軌跡復合設計要求。一旦井斜角超前，就要加長穩斜段長度，且會造成延遲入靶。三是軌跡點位置滯后，即加大了靶前位移，一旦井斜角偏小，需加大造斜率改善待鉆井眼垂深和位移增量關系，確保以較高造斜率提前入靶。在井身軌跡控制中，實鉆軌跡點接近或稍滯后，保持合適井斜角，有利于中靶。造斜段作為水平井井身軌跡控制重點，實際是對實鉆軌跡點位置和矢量方向的控制。

1.3 薄油層水平井井身軌跡控制技術難點

當前剩余油和外圍油藏開發中，水平井鉆井面臨油藏很多是1-3m的薄層油藏，儲層有效厚度有時僅為1m左右，具有厚度小、層數多、孔滲條件差、直井產量低等特點，在儲層發育比較連續的情況下，適于利用水平井開發，但存在更大的難度。一是儲層埋深誤差加大中靶難度。平面展布比較連續的剩余油，其連續性也并非完全連續，會存在“殲滅”，儲層垂深有較大變化，加之測井資料誤差等，對水平井中靶帶來困難。二是儲層較薄加大井身軌跡控制難度。厚度較小的油藏，特別是存在較多“殲滅”的油層，水平井井身軌跡控制中，垂深控制范圍只能在儲層厚度范圍內，控制精度要求高。三是靶點間垂深差異大加大鉆井難度。薄層油藏開發必須加大水平段長度，確保盡量加大儲層裸露面積，提升油井產能。但水平段加長后會穿過很多垂深不同的儲層，需頻繁進行井身軌跡調整，不僅加大了軌跡控制難度，軌跡高低起伏也加大了鉆井施工難度和磨阻、扭矩等，對鉆井作業井下安全性帶來挑戰。四是隨鉆測量儀器盲區加大軌跡控制難度。常用的LWD隨鉆測量儀器，與井底鉆頭間存在著大約20m盲區，需監測人員憑經驗對盲區狀況進行預估，加大了軌跡控制特別是進入目標儲層時的入靶難度。

2 水平井鉆井設計優化和井身軌跡控制

2.1 水平井鉆井設計優化

井身軌跡設計優化是控制井身軌跡的基礎。

2.1.1 優化設計水平段長度和方位

水平段長度設計要求較高，直接關系可采儲量裸露范圍。要以儲層物性條件、厚度及原油粘稠度和理化性質為基礎，對采收率進行宏觀判斷，合理設計水平段長度。要準確分析區域地質狀況，把握砂體延伸展布，確保水平段可以垂直于砂體延伸，延伸方向處于最佳方位和最大滲透率方向，并控制好后期邊水推進方向。

2.1.2 優化設計最佳靶點和垂向位置

要突出把握好靶點位置設計，重點考慮生產壓差和波及能力要大，盡量將靶點位置設計在油層較厚部位。要結合邊水侵入情況，中靶點位置要遠離邊水，末尾靶點可離邊水相對較近。因現場工況條件復雜，注水開發對后期產能存在影響，靶點應遠離注水井。同時，要綜合考慮邊底水、儲層滲透性、氣頂能力、儲層厚度和非均質性等因素進行設計，老井挖潛還要注意井下液面情況。

2.1.3 優化動態和靜態資料分析

水平井設計受儲層走向、巖層巖性、斷層等構造及地層壓力、溫度梯度等動態和靜態資料影響，要慎重考慮儲層儲量和油水界面等油藏條件。在油藏中后期開發中可借助水平井挖潛增產，需根據地質條件變化，準確把握水平段到目標儲層的儲量、采儲量和氣頂膨脹等參數，防止鉆井后進入水層或氣層。

2.1.4 及時跟蹤調整鉆井進度

水平井鉆進受井下構造不確定性、儲層非均質性等因素影響，必須進行隨鉆監測，對鉆井數據和返排巖屑等進行實時收集和分析，及時與標志層比對。出現異常后要在掌握地下構造變化基礎上，及時進行井身軌跡設計調整，通過對鉆進方向的及時修正，確保水平井精準入靶。

2.2 控制好關鍵參數

2.2.1 控制好井斜角

水平井鉆井中關鍵部位需進行人工造斜，在復雜地質條件下加大了井身軌跡控制難度。要通過以下方式控制井斜角：優化鉆具組合，加強鉆進軌跡精準控制，防止出現較大鉆進誤差;加大鉆頭強度，防止鉆進中因鉆頭強度較低導致斜角誤差;強化隨鉆監測和數據分析，優選最佳區域進行造斜。

2.2.2 優化鉆井參數

鉆井參數直接關系到井身軌跡控制，可借助現代鉆井軟件和大數據分析等技術，對鉆井參數進行優化設計，盡量控制鉆進誤差。造斜段是軌跡控制難點，要對直井段井斜角和方位角等參數提前進行精準測量，輸入水平井軌跡控制軟件，計算出井底位移、垂深和閉合方位等參數，盡量簡化造斜鉆具組合，確保造斜段以低磨阻和低扭矩鉆進，造斜工具造斜率要比設計造斜率高10-20%，強化軌跡控制能力?？筛鶕^塊完井資料、三維地震資料等構建地質模型，結合隨鉆監測數據實時修正模型，確保井眼始終沿儲層發育鉆進，提高砂巖鉆遇率。

2.3 控制好關鍵部位

雖然造斜段、水平段軌跡控制難度較大，但要在直井段就加強軌跡控制，這是井眼軌跡控制的基礎。要確保直井段打直，始終沿垂線鉆進。實鉆中直井段難免出現井斜角，只要控制在可控范圍內不對后期鉆進產生不良影響即可。為防止直井段斜角過大，可應用鐘擺鉆具組合，提供足夠鐘擺力防止出現井斜角;還可應用PDC鉆頭，保持低鉆壓、高轉速的持續穩定鉆進，控制好鉆柱，確保鉆具組合不發生彎曲，為后期著陸段奠定基礎。著陸段是鉆井中靶關鍵部位，要將井斜角由0在規定部位調整到設計值。要選擇合適的造斜工具，把握好儲層巖性、地溫梯度等，確保造斜率穩定。造斜作業可采取“先高后低”方式，實鉆比設計造斜率稍高，可在減低后期造斜率的同時保證造斜率穩定。鉆進中要堅持寸高必爭，借助隨鉆測量儀器監測數據，實時關注位移、垂深和井斜等參數間關系，在造斜段早期就確保方位正確，避免出現閉合方位偏差。要立足提前設計好的穩斜探頂段，以合適井斜角鉆進，期間控制好方位角和井斜角，確保井身軌跡始終沿設計方向鉆進。

綜上所述，水平井鉆井作為油田勘探開發的一項重要技術，在剩余油挖潛、薄層油藏等常規鉆井技術難以動用的油藏開發中具有重要作用，只有控制好井身軌跡，才能確保達到預期的采油作業目的。

參考文獻：

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