試論三維井眼軌道設計及軌跡控制技術

黎建兵

摘要：利用三維水平井能夠有效緩解井場存在的諸多問題，可以更好地提升單井產量、降低成本和提升效率。在三維水平井應用過程中，相對于常規水平井，三維水平井的井眼軌道設計工作更加繁冗，因此，對于軌道設計的精度要求較高。在三維水平井井斜不斷增大的同時，工具面擺放與井眼軌跡控制十分困難，需要根據偏移距離的實際控制情況，完成方位的改變，在鉆井施工過程中，可以通過優化鉆具的組合，確保軌跡的效果始終處于平滑狀態，進而更好地控制軌跡，提升機械鉆速，縮短鉆井周期。

關鍵詞：三維;水平井;井眼;軌道設計;軌跡控制

引言：三維水平井鉆井技術的應用，雖然促使國內形成三維水平井配套鉆井技術，并且取得較好的提速效果，但是在井眼軌道設計仍然需要對鉆井過程中的技術難點進行科學分析，采用針對性技術進行提前預防，進而減少位移偏大問題，保證施工安全，提高施工質量，另外要在軌跡控制上通過經驗軌跡控制、優化鉆具組合和控制施工流程等，提高技術應用效果。有鑒于此，文章首先進行三維水平井鉆井技術難點分析，對井眼軌道設計及軌跡控制技術進行了總結，旨在為下一步鉆井技術研究提供借鑒與指導。

一、三維井眼鉆井技術難點

1.1軌跡控制難度較大

三維水平井鉆井技術應用過程中，具有軌跡控制難度較大的突出難點。例如，在施工的同時，假如前扭方位，那么實際偏移距必然達不到設計的偏移距要求，造成入窗難度加大，假如滯后扭方位，那么實際偏移距能夠達到設計的偏移距要求，但是靶前位移出現無法滿足造斜要求的情況，地層的造斜率產生不穩定現象，造斜段和水平段施工產生較大的控制難度。

1.2鉆具組合應用困難

由于地層的巖性存在不確定性，不同的鉆具在應用過程中會產生不同的困難，例如，單牙輪、三牙輪和組裝多牙輪鉆頭使用最為廣泛，能夠適應從軟到硬的多種地層，但該類型鉆頭成本高昂，使用周期相對短暫，而聚晶金剛石復合片負復合鉆頭在應用過程中容易經受鉆壓干擾，繼而產生不穩定情況。金屬螺桿具有不同的頭，因此產生的造斜率并不相同，其造斜能力對鉆進尺度能夠產生直接影響，以此，在遇到不同鉆井情況時，不能使用統一彎度螺桿設備[1]。

1.3鉆井液現場配置與調整困難

鉆井液性能要達到設計要求規定的配置范圍，保證有良好的高粘切效果，擁有出色的攜砂能力，能夠循環沖洗凈化井眼。在鉆井液調整過程中，對于比例的應用需要結合井眼的實際潤滑效果，需要保證鉆井安全，減少托壓。

1.4變方位繞障施工難度較大

三維水平井鉆井施工過程中，往往井眼密集、低下井眼軌跡縱橫交錯，造成實際井口和入窗點，在閉合方位和靶題方位上明顯不一致，后期加密井防碰及安全施工的難度顯著增加，方位控制環節難度加大。為了破解井眼碰撞難題，需要針對鉆井防碰撞關鍵技術進行研究和應用，確保后期安全鉆井[2]。

二、三維井眼軌道設計及軌跡控制技術

2.1三維井眼軌道設計技術

首先，提出三維井眼軌道設計模型，明確變方位及入窗時機;其次，利用靶前距位移優勢，盡量下調造斜點，假如第一增寫段造斜率明顯小于設計造斜率，可以適當縮短穩斜段的長度，增加第一增斜段長度，縮短鉆井周期;在此，要盡量降低工具面角及其對井斜方位的影響，減小大井斜時斜面、柱面扭方位工作量;最后，要控制井眼軌跡的全角變化，以此減少摩擦阻力和扭矩，針對井眼生產工作面做不斷優化，在此環節需要注意對各個環節的技術控制，通過對井眼軌跡進行分段設計，能夠形成十分良好的控制效果[3]。

2.2三維井眼軌跡控制技術

2.2.1直井段軌跡控制技術

直井段軌跡控制的關鍵在于繞障及保持軌跡平滑。直井段需要在軌跡控制過程中依據防止碰撞設計要求做微增斜鉆進，在定向滑動后產生增斜趨勢時，采取復合鉆進，進而測量數據并及時調整。計算井間實鉆軌跡最近距離，將此距離增大到安全范圍后，將方位進行調整，保持與增斜段初始方位角度相同。為了保證直井段軌跡光滑，需要沿著初始方位角度方向做微增斜鉆進，主要目的在于縮小偏移距，減小實鉆工作量[4]。

2.2.2增斜段軌跡控制技術

沿初始方位角度進行增斜鉆進，增斜段垂深、偏移距保持固定，是鉆過程中調整定向鉆進、復合鉆進占比，保證增斜段井斜角、垂深及偏移距成正比例增加。

2.2.3增斜扭方位段軌跡控制技術

經過上述兩部分的鉆進，井斜角可增大，偏移距可縮小，水平井井眼軌跡成功進入最佳的增斜扭方位段。通過實鉆可以發現，在地層因素等多重方面的干擾下，不同工具面角對于井斜的變化率和方位的變化率產生分配，通過這一變化可以確定工具面角在后續實鉆中的擺放范圍，以此確保實鉆的軌跡能夠沿著預計的經驗軌道持續鉆進[5]。

2.2.4穩斜段軌跡控制技術

在增斜扭方位段其后進行穩斜段設計，設計結果表明，一旦產生各層位垂深滯后，則想要提高鉆進速度，就必然要將穩斜段長度進行縮減，通過單增模式進行中靶。則此段需要通過不斷調整鉆具的工具面進行定向鉆進，消減增斜趨勢。

2.2.5水平段軌跡控制技術

此段采取多靶點的軌道設計，在實鉆過程中軌跡對應采取多靶點控制，通過上文分析及通過不同鉆具組合進行充分驗證，能夠提升鉆具整體剛性、消減螺桿鉆具增斜趨勢、減少定向鉆進比例、保證軌跡光滑、提升機械鉆速的方法為，根據地層特點，合理確定鉆頭、鉆井參數和水利參數，根據井型優選鉆具組合，在確保造斜率的同時減少水平段定向次數，采用三開一趟鉆施工方案創造穩定的井眼環境[6]。

結束語：三維水平井可有效緩解井場征地費用高、征地協調時間長、環保壓力大等問題，但是，三維水平井在應用鉆井技術的過程中，存在軌跡控制難度較大、鉆具組合應用困難、鉆井液現場配置與調整困難、變方位繞障施工難度較大等井眼軌道設計難點文章通過分析技術難點，在三維井眼軌道設計及軌跡控制技術上進行研究，通過對井眼軌跡進行分段設計，分別實施三維井眼軌跡控制技術、增斜段軌跡控制技術、增斜扭方位段軌跡控制技術、穩斜段軌跡控制技術、水平段軌跡控制技術，旨在進一步提升技術應用效果，提高施工水準。

參考文獻：

[1]史配銘，李曉明，倪華峰，石崇東，姜慶波，程華林.蘇里格氣田水平井井身結構優化及鉆井配套技術[J].石油鉆探技術.2021（06）：29-36.

[2]蔣太平，李果民，姚戰利，丁紅衛.蘇14-19-34井組水平井軌跡控制技術研究與應用[J].鉆探工程.2021（08）：19-25.

[3]田逢軍，王運功，唐斌，李治君，劉克強.長慶油田隴東地區頁巖油大偏移距三維水平井鉆井技術[J].石油鉆探技術.2021（04）：34-38.

[4]胡春陽.涪陵頁巖氣田三維水平井井眼的軌跡控制技術[J].化工管理.2020（31）：59-60.

[5]何貴松，何希鵬，萬靜雅，高玉巧，張培先.低勘探程度區頁巖氣水平井地質導向方法與應用——以渝東南地區LY1HF井為例[J].科學技術與工程.2019（27）：124-133.

[6]孟慶雙.ZP26-P2三維水平井鉆井施工實踐與認識[J].石油和化工設備，2020，23（11）：112-114.