水平井井眼轨道控制研究导论.doc

水平井井眼轨道控制研究导论 苏义脑 摘要 井眼轨道控制技术是水平钻井整套技术的关键环节。本文在阐明井眼轨道控制研究内容的基础上，论述了水平井与定向井在井眼轨道控制方面的差 别，介绍了水平井轨道控制的若于基本概念和控制指标、误差来源；进一步导出了一组常用公式，可用于控制过程中的方案调整设计、工具选择和轨道预测。本文简述了设计水平井钻柱组合（包括井底钻具组合）的 干注意事项和水平井轨道控制工艺要点。 主题词：水平井 轨道控制 计算公式 钻柱设计 控制工艺 概述 90年代将是我国的水平井技术由目前的起步攻关到逐步配套、完善和推广的发展时期。作为水平井钻井成套技术的一个方面，井眼轨道控制技术对于保证实现成功钻进和节约钻井成本，起着关键作用。因此，系统、深入地开展对水平井井眼轨道控制技术的研究，具有十分重要的意义。 水平井井眼轨道控制研究主要包括下述方面： 井底钻具组合的受力变形分析与优化设计； 井下工具（包括导向动力钻具）的选型或研制； 轨道监控分析、预测及软件研制； 钻柱设计； 轨道控制方案设计； 轨道控制工艺研究。 上述方面与常规定向井的轨道控制研究有类似之处，这是由于水平井的钻井技术是对定向井钻井技术的延伸和发展。但每个方面的研究内容却和定向井有明显区别，体现了水平井的突出特点。例如：井底钻具的研究对象主要是带有结构弯角和稳定器的导向动力钻具，要分析井底钻具组合在大井斜角（由0直至90甚至超过90）和高造斜率（如中、大曲率）条件下的受力与变形特征；钻柱设计要保证易加钻压和减少摩阻；在轨道控制工艺方面，要做主钻头能准确钻入靶窗（称为着陆控制），并能在靶体界定的范围 内水平钻进预定长度（称为水平控制）。 总的来说，水平井轨道控制与常规定向井相比，有如下显著特征： （1）中靶要求高 在一般情况下，水平井的靶是一个长方体（如图1所示），其靶窗（靶体前端面）为一矩形，靶体长度为水平段长度。对长半径水平井（井身曲率为6/30以下），水平段长度要求不小于500；对中半径水平井（井身曲率为6~20/30），水平段长度要求不小于300；对短半径水平井（井笛曲率为3~10），水平段长度一般不小于60。按我国有关规定，水平段的设计井斜角值必须不小于86。这就要求钻头不仅要能准确钻入 目的层内的靶窗（着陆控制），而且在钻整个水平段时也不允许穿出靶体范围（水平控制）。 图1水平1井的设计轨道示意图 水平井的靶窗高度取决于油层厚度和开发要求。对厚油层，靶窗高度多为20即以靶中设计线为基准+3 M），宽度为30M。 定向井的靶区为圆形，通称靶圆。一般来说，靶区垂深大，靶圆半径相应也大。例如垂深为1800~2100M的定向井（其垂深与大庆树平1井相当），靶圆半径为30~45M。 控制余地小 多数定向井由直井段、增斜段和稳斜段三段 组成。由于稳斜长，当井斜和方位发生变化时，往往可有较大余地进行纠正和控制。而水平井因没有稳斜段，或能用进行以调整 的余地往往很小。 控制难度大 定向钻井中，只要钻头进入靶圆即为中靶。而以水平钻井来说，不仅要在规定的井斜角下进入靶窗，而且要在靶体范围内沿其长度方向钻出几百米长的水平段。在着陆控制和水平控制这两段过程中，只要有一处超出靶体即为脱靶。另外，定向钻井中造斜率较低；而水平井，尤其是中曲率水平井和大曲率水平井，因其造斜率高达6~20/30M甚至3~10/M，造斜井段短。于是水平井对井斜、垂深、造斜率的控制要求就更高，控制难度加大。 （4）特殊工具多 上述几个特点造成了水平井轨道控制所用的特殊工具多于常规定向井。例如在水平井中，要有MWD进行方向参数（）监控，在薄油层中还需用带有伽玛参数（普通 和偏心稳定器的动力钻具；在大曲率（即短半径）水平井中，要采用柔性钻具或高压喷射装置等等。这些特殊工具和仪器都是常规定向钻井所未有的。 以下简要介绍有关水平井轨道参数的几个基本；概念造成轨道控制偏差的误差来源和对轨道控制的几点要求；进行轨道监控、预测和选择工具造斜能力的常用公式；钻柱组合设计注意事项几轨道控制工艺要点等问题。 几个基本概念和控制指标 图1是水平井轨道设计示意图，其靶体a1b1c1d1-a2b2c2d2为长方体,前端面矩形a1b1c1d1即为靶窗,后端面矩形a2b2c2d2即为靶底.连接靶窗和靶底形心A、B的线段AB即为水平延伸段。在这里，“水平”是广义的，概念只要不小于86°，均可认为是水平段。水平段的设计井斜角取决于油藏工程和开发方面的要求。 靶窗形心A点通常称为设计着陆点（又称设计瞄准点），其中斜角αA即为水平段的设计井斜角。靶窗的两条对称轴即为靶心设计线。因在水平钻井中井斜是主要矛循，故常说的靶心设计线实际上是指靶窗的水平对称轴。 由于多种误差的影响,水平井的实钻轨道和设计轨道间必有偏差。如图2所示，水平段的实钻