探討提高鉆速的待鉆井眼軌道設(shè)計(jì)方法

司繼峰

摘要：傳統(tǒng)的鉆進(jìn)方式在設(shè)計(jì)過(guò)程中大多依賴(lài)二維設(shè)計(jì)的方式，并且在作業(yè)過(guò)程中過(guò)度依賴(lài)工作人員的主觀經(jīng)驗(yàn)，由此導(dǎo)致鉆進(jìn)工作存在許多阻礙，其中鉆進(jìn)速度長(zhǎng)期難以得到提升。定向井三維設(shè)計(jì)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(wèn)題。與二維設(shè)計(jì)相比，三維設(shè)計(jì)可以更加充分地將鉆進(jìn)實(shí)際情況展現(xiàn)出來(lái)，對(duì)于提升鉆進(jìn)速度具有重要意義。

關(guān)鍵詞：三維設(shè)計(jì);井斜角;方位角;鉆速

1.常規(guī)設(shè)計(jì)方法及其局限性

1.1常規(guī)設(shè)計(jì)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(lèi)型，但是其中任何一種類(lèi)型的二維剖面，在設(shè)計(jì)過(guò)程中均沒(méi)有將井身軸線的方位變化考慮進(jìn)進(jìn)來(lái)，簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)方法導(dǎo)致鉆進(jìn)速度無(wú)法得到提升。實(shí)際鉆進(jìn)過(guò)程中，難以保證井身軸線處于同一平面內(nèi)，包括井斜角、方位角等在內(nèi)的一系列井身參數(shù)都在隨之變化，由此表明實(shí)際生產(chǎn)中因地質(zhì)、鉆具組合、鉆井參數(shù)的影響，井身方位與原設(shè)計(jì)方位發(fā)生偏離，鉆具無(wú)法按照固定路線鉆進(jìn)進(jìn)而導(dǎo)致鉆速無(wú)法提升。[1]

對(duì)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(tǒng)的二維設(shè)計(jì)就不能滿足需求。為了進(jìn)一步滿足實(shí)際生產(chǎn)需求，需要使用三維的軌道設(shè)計(jì)方式對(duì)定向井井身軸線進(jìn)行設(shè)計(jì)，充分考慮井斜角與井斜方位角的實(shí)際變化情況。

1.2三維設(shè)計(jì)法

斜平面法運(yùn)用糾方位初始點(diǎn)、目標(biāo)點(diǎn)構(gòu)建斜平面，并且在斜平平面內(nèi)尋找合適的曲線代表待鉆井身軸線，由此充分展現(xiàn)出待鉆井身在鉆進(jìn)過(guò)程中井斜角、井斜方位角伴隨井深發(fā)生的變化，從而可以明確適合的鉆進(jìn)速度。

對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)共同表現(xiàn)為預(yù)先明確一條空間曲線，連接糾方位初始點(diǎn)、目標(biāo)點(diǎn)代表待鉆井身軸線。定向井實(shí)際施工中，通常會(huì)選擇動(dòng)力鉆具加彎接頭的鉆具組合對(duì)井斜、方位的變化進(jìn)行控制，正因如此才會(huì)出現(xiàn)造斜工具裝置角問(wèn)題導(dǎo)致鉆速難以得到提升。[2]造斜工具裝置角會(huì)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(duì)斜平面法、螺旋法設(shè)計(jì)、計(jì)算時(shí)，俊輝把工具裝置角定為恒定值。

現(xiàn)階段的定向鉆井工藝技術(shù)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(wèn)題，由此獲得的井身軸線設(shè)計(jì)在實(shí)際施工時(shí)展現(xiàn)出強(qiáng)大的精準(zhǔn)性，井身軸線可以保持在同一平面內(nèi)，實(shí)際井身與設(shè)計(jì)方案不會(huì)發(fā)生偏離，這也是三維設(shè)計(jì)方法的優(yōu)勢(shì)所在。

2.待鉆經(jīng)驗(yàn)軌道提速優(yōu)化設(shè)計(jì)

盡量選擇形狀簡(jiǎn)單、便于施工的井眼軌道定向井、水平井提速設(shè)計(jì)的一項(xiàng)基本原則，鑒于此在周?chē)鳂I(yè)環(huán)境允許的條件下會(huì)選擇將井眼軌道設(shè)計(jì)為二維剖面。 不過(guò)伴隨現(xiàn)階段油田勘探開(kāi)發(fā)工作持續(xù)推進(jìn)， 石油鉆井的作業(yè)環(huán)境復(fù)雜化程度逐步提升，相應(yīng)的鉆進(jìn)速度難以得到提升，這種情況下對(duì)鉆井技術(shù)的水平存在更高的要求。

三維井眼軌道設(shè)計(jì)方式可以對(duì)鉆井軌道進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終生成多目標(biāo)井設(shè)計(jì)與隨鉆控制方案。不在同一鉛垂面內(nèi)多目標(biāo)井口與靶點(diǎn)，經(jīng)過(guò)三維井眼軌道設(shè)計(jì)以后統(tǒng)一定位。[3]井口、各靶點(diǎn)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(huì)被設(shè)計(jì)為二維軌道， 另一部分被設(shè)計(jì)為井段設(shè)計(jì)成三維。

2.1三維繞障井軌道設(shè)計(jì)

鉛直圓柱、圓臺(tái)是一種最簡(jiǎn)單的障礙物模型，在需要繞障的特定范圍內(nèi)，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(gè)圓或圓弧，由此可以繞過(guò)障礙物。如圖2所示，通常情況下會(huì)選擇使用井眼軌道圓柱螺線模型進(jìn)展開(kāi)障井設(shè)計(jì)。明確的靶點(diǎn)、障礙物的位置與形狀基礎(chǔ)上，展開(kāi)繞障設(shè)計(jì)時(shí)存在一系列已知參數(shù)：靶點(diǎn)垂深Ht，水平位移At，平移方位φ，繞障中心點(diǎn)M與井口發(fā)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(diǎn)未必是障礙物的幾何中心，僅為水平投影圖上對(duì)應(yīng)的繞障圓弧曲率中心。

2.1 繞障井軌道設(shè)計(jì)

受到地面環(huán)境的影響，地面井位并沒(méi)有十分充足的選擇空間，其中以海上鉆井平臺(tái)為代表的鉆井模式，尤其是對(duì)油田進(jìn)行開(kāi)采達(dá)到中后期的加密井，以及一些特殊的地質(zhì)條件都是影響軌道設(shè)計(jì)的因素。

井口、目標(biāo)點(diǎn)所處的鉛垂平面內(nèi)，障礙物通過(guò)的概率極低，倘若鉆具遇到這些障礙物，輕則鉆速下降、無(wú)法鉆進(jìn)，重則鉆具損壞，因此繞開(kāi)障礙物十幾分必要，常見(jiàn)容易出現(xiàn)障礙物的情況如鉆井眼、鹽丘、金屬礦床、斷層、異常高壓區(qū)等，此時(shí)需要開(kāi)展精確三維繞障軌道設(shè)計(jì)。

圓柱螺線模型假設(shè)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(shù)，代表的井眼軌道是一種變螺旋角圓柱螺線，最大的特點(diǎn)是：在垂直剖面圖與水平投影圖中，井眼軌道均是圓弧狀態(tài)。

由此獲得任意井深度L對(duì)應(yīng)的井斜角、方位角從而對(duì)提升鉆速進(jìn)行計(jì)算。

結(jié) 論

之所以使用常規(guī)的鉆井法其鉆進(jìn)速度難以提升，是因?yàn)榫苯?、方位角等在一系列井身參?shù)會(huì)伴隨影響因素而發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致井身方位和原設(shè)計(jì)方位發(fā)生偏離，鉆具無(wú)法按照預(yù)定路線鉆進(jìn)，造成鉆速無(wú)法提升。使用三維設(shè)計(jì)的方式可以使鉆具有效避開(kāi)障礙，計(jì)算獲得相應(yīng)的井斜角、方位角變化，實(shí)現(xiàn)鉆速的提升。

參考文獻(xiàn)

[1]劉珊珊，趙亦朋，王小秋，汪志明.自然曲線井眼軌道設(shè)計(jì)模型及反演求解方法[J].西安石油大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2022，37（01）：66-72.

[2]于凡，黃根爐，韓志勇，倪紅堅(jiān)，李菁，李偉.懸桿線井眼軌道設(shè)計(jì)方法[J].石油勘探與開(kāi)發(fā)，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(yōu)化設(shè)計(jì)軟件及應(yīng)用[C]//.2019油氣田勘探與開(kāi)發(fā)國(guó)際會(huì)議論文集.，2019：3119-3124. DOI：10.26914/c.cnkihy.2019.050549.