探討提高鉆速的待鉆井眼軌道設計方法

司繼峰

摘要：傳統的鉆進方式在設計過程中大多依賴二維設計的方式，并且在作業過程中過度依賴工作人員的主觀經驗，由此導致鉆進工作存在許多阻礙，其中鉆進速度長期難以得到提升。定向井三維設計法的基本原理是借助空間解析幾何方法，用二維的平面思維考慮三維空間問題。與二維設計相比，三維設計可以更加充分地將鉆進實際情況展現出來，對于提升鉆進速度具有重要意義。

關鍵詞：三維設計;井斜角;方位角;鉆速

1.常規設計方法及其局限性

1.1常規設計法的不足

盡管截至目前為止，二維定向井剖面擁有十余種類型，但是其中任何一種類型的二維剖面，在設計過程中均沒有將井身軸線的方位變化考慮進進來，簡單的設計方法導致鉆進速度無法得到提升。實際鉆進過程中，難以保證井身軸線處于同一平面內，包括井斜角、方位角等在內的一系列井身參數都在隨之變化，由此表明實際生產中因地質、鉆具組合、鉆井參數的影響，井身方位與原設計方位發生偏離，鉆具無法按照固定路線鉆進進而導致鉆速無法提升。[1]

對于部分特殊繞障井、叢式井，需要充分考慮方位的整體變化，這種情況下傳統的二維設計就不能滿足需求。為了進一步滿足實際生產需求，需要使用三維的軌道設計方式對定向井井身軸線進行設計，充分考慮井斜角與井斜方位角的實際變化情況。

1.2三維設計法

斜平面法運用糾方位初始點、目標點構建斜平面，并且在斜平平面內尋找合適的曲線代表待鉆井身軸線，由此充分展現出待鉆井身在鉆進過程中井斜角、井斜方位角伴隨井深發生的變化，從而可以明確適合的鉆進速度。

對應的設計特點共同表現為預先明確一條空間曲線，連接糾方位初始點、目標點代表待鉆井身軸線。定向井實際施工中，通常會選擇動力鉆具加彎接頭的鉆具組合對井斜、方位的變化進行控制，正因如此才會出現造斜工具裝置角問題導致鉆速難以得到提升。[2]造斜工具裝置角會伴隨井身方位的變化而變化，并非恒定值，裝置角變化量與井身方位變化量相等。在對斜平面法、螺旋法設計、計算時，俊輝把工具裝置角定為恒定值。

現階段的定向鉆井工藝技術可以有效解決工具裝置角與井身井斜方位角同步變化的問題，由此獲得的井身軸線設計在實際施工時展現出強大的精準性，井身軸線可以保持在同一平面內，實際井身與設計方案不會發生偏離，這也是三維設計方法的優勢所在。

2.待鉆經驗軌道提速優化設計

盡量選擇形狀簡單、便于施工的井眼軌道定向井、水平井提速設計的一項基本原則，鑒于此在周圍作業環境允許的條件下會選擇將井眼軌道設計為二維剖面。 不過伴隨現階段油田勘探開發工作持續推進， 石油鉆井的作業環境復雜化程度逐步提升，相應的鉆進速度難以得到提升，這種情況下對鉆井技術的水平存在更高的要求。

三維井眼軌道設計方式可以對鉆井軌道進行優化設計，最終生成多目標井設計與隨鉆控制方案。不在同一鉛垂面內多目標井口與靶點，經過三維井眼軌道設計以后統一定位。[3]井口、各靶點間的井眼軌道大概率上為三維，但是不排除其中部分井段會被設計為二維軌道， 另一部分被設計為井段設計成三維。

2.1三維繞障井軌道設計

鉛直圓柱、圓臺是一種最簡單的障礙物模型，在需要繞障的特定范圍內，將障礙物的已鉆直井視作為鉛直圓柱，通常情況下的障礙物位于水平投影圖上，依然可以找到一個圓或圓弧，由此可以繞過障礙物。如圖2所示，通常情況下會選擇使用井眼軌道圓柱螺線模型進展開障井設計。明確的靶點、障礙物的位置與形狀基礎上，展開繞障設計時存在一系列已知參數：靶點垂深Ht，水平位移At，平移方位φ，繞障中心點M與井口發生的水平位移AM、平移方位φM、繞障半徑。

繞障半徑RM不僅包含障礙物控制范圍，還有一定的附加安全繞障距離。此處需要注意的是，繞障中心點未必是障礙物的幾何中心，僅為水平投影圖上對應的繞障圓弧曲率中心。

2.1 繞障井軌道設計

受到地面環境的影響，地面井位并沒有十分充足的選擇空間，其中以海上鉆井平臺為代表的鉆井模式，尤其是對油田進行開采達到中后期的加密井，以及一些特殊的地質條件都是影響軌道設計的因素。

井口、目標點所處的鉛垂平面內，障礙物通過的概率極低，倘若鉆具遇到這些障礙物，輕則鉆速下降、無法鉆進，重則鉆具損壞，因此繞開障礙物十幾分必要，常見容易出現障礙物的情況如鉆井眼、鹽丘、金屬礦床、斷層、異常高壓區等，此時需要開展精確三維繞障軌道設計。

圓柱螺線模型假設表示的圓柱螺線模型井眼軌道：垂直剖面的井眼軌道與水平投影的曲率HK、VK分別為常數，代表的井眼軌道是一種變螺旋角圓柱螺線，最大的特點是：在垂直剖面圖與水平投影圖中，井眼軌道均是圓弧狀態。

由此獲得任意井深度L對應的井斜角、方位角從而對提升鉆速進行計算。

結 論

之所以使用常規的鉆井法其鉆進速度難以提升，是因為井斜角、方位角等在一系列井身參數會伴隨影響因素而發生變化，進而導致井身方位和原設計方位發生偏離，鉆具無法按照預定路線鉆進，造成鉆速無法提升。使用三維設計的方式可以使鉆具有效避開障礙，計算獲得相應的井斜角、方位角變化，實現鉆速的提升。

參考文獻

[1]劉珊珊，趙亦朋，王小秋，汪志明.自然曲線井眼軌道設計模型及反演求解方法[J].西安石油大學學報（自然科學版），2022，37（01）：66-72.

[2]于凡，黃根爐，韓志勇，倪紅堅，李菁，李偉.懸桿線井眼軌道設計方法[J].石油勘探與開發，2021，48（05）：1043-1052.

[3]趙亦朋，趙慶，蔣宏偉，王志月，楊光. 塔里木油田水平井軌道優化設計軟件及應用[C]//.2019油氣田勘探與開發國際會議論文集.，2019：3119-3124. DOI：10.26914/c.cnkihy.2019.050549.