定向钻井造斜工具面控制方法研究与应用

梁奇敏，高德利，汪顺文

（1.中国石油大学石油工程教育部重点实验室，北京102249；2.中海油深圳分公司，广东深圳 518067）

目前世界上许多国家都将海洋油气勘探开发作为主要的油气增长点，但由于海洋钻井成本昂贵，所以在海洋钻井平台上广泛采用丛式井组。当今丛式井钻井面临的主要问题包括槽口较密集、邻井距离很近、防碰问题严重等[1-4]。直井段不能完全打直[5-8]，造成造斜点处井眼轨迹变化趋势偏离设计线，由于井眼惯性的影响，井底不能及时靠近设计线，从而使防碰问题更加严重，因此在丛式井钻井中应着重考虑初始定向工具面对轨迹控制的影响[9]。为了解决这一问题，可以根据“空间斜面圆弧”模型以及“全力扭方位”计算模型，探讨初始定向时选择合适的工具面，能使井眼轨迹尽快贴近设计线，等实钻井斜方位角接近目标井斜方位角后，再朝着目标井斜方位角定向，有效减轻防碰问题。本文根据“空间斜面圆弧”模型，参考“全力扭方位”计算模型，以BZ13-1 A2丛式井为计算实例，结合landmark软件计算，分析了初始定向工具面对井眼轨迹的影响。

1 “全力扭方位”计算模型在海洋丛式井定向造斜时的应用

“全力扭方位”计算模型并不适用于所有的定向井。因为虽然在任何情况下都不可能钻成一口完全垂直的井，但是如果直井段井底的井斜方位角和目标方位角相差不多，此方法效果不太明显。只有当井底已经产生井斜的直井井底井斜方位角和目标井斜方位角相差很多时才可以考虑利用“全力扭方位”计算模型。下面以BZ13-1 A2井为例介绍“全力扭方位”计算模型在丛式井定向钻井中的应用。

BZ13-1 A2井南北坐标4 267 331.42 m，东西坐标418 551.99 m，属丛式井3×3槽口中的一个外排槽口，水深24.2 m，补心海拔26.9 m，设计目标方位 287.24°，设计的直井段长度450 m。靶点坐标是：南北坐标4 267588.00m，东西坐标417725.00m，垂深是3976.90m。该井直井段的实测轨迹数据（见表1）。

表1 BZ13-1 A2井直井段轨迹数据

从表1中可以看出直井段没有完全打直，最后一个测点已经产生了0.5°的井斜。从井眼的走向趋势可以看出产生的井斜方位角（78.7°）没有朝向目标井斜方位角（287.24°），平台的整个槽口水平位移投影图（见图1）。

这样就会有一些问题：

（1）当按照常规定向方法定向，即定向工具面角直接朝着目标井斜方位角定向时，由于井眼惯性的影响，井眼轨迹总是会顺着原井眼井斜方位角的趋势前进，井斜方位角变化太慢，贴近设计线需用的井段就会加长。

（2）丛式井钻井对防碰要求很高，虽然在最后一个测点处只有0.5°井斜，但已经产生了水平位移-1.49 m。通过landmark软件计算，如果直接朝着目标井斜方位角（287.24°）滑动钻进 30 m，会产生水平位移-2.36 m，那么就会造成轨迹线上的水平位移不能满足临井A4井的防碰距离的要求，对钻井安全造成很大的影响。

根据以上分析，显然开始直接按照目标井斜工具面定向无法保证快速贴近设计线轨迹和防碰要求。因此在定向时使用图2所示的工具面角。

在图2中，φ1是直井段井底已经产生的井斜方位角；φ2为设计轨道的目标井斜方位角；ω2是常规定向工具面角，当直接朝着目标井斜方位线定向时，应该和φ2一样；ω1是全力扭方位时定向工具面角，于是，在φ1和ω1的共同作用下，井眼虽然会沿着原来井眼方向前进，但由于定向工具面角较目标井斜方位角超前，所以整体效果仍然是朝着目标井斜方位角定向钻进的。此时，实钻井眼轨迹刚好满足井斜方位角朝着设计方位靠近的要求，井底水平距离减小而不容易造成A4井防碰困难等问题。等实钻井斜方位角和目标井斜方位角相近的时候，再将定向工具面角调整为目标井斜方位角。由上图系统分析可知，采用这样的全力扭方位模型，实际工具面相当于两个动态矢量的和，即有：ω2=φ1+ω1。

2 采用“全力扭方位”计算模型时定向造斜工具面角的计算方法

井眼方向控制的内容是：从当前井底的井斜角α1和井斜方位角φ1，钻进长度为ΔL的井段后，使井斜角和井斜方位角分别到达α2和井斜方位角φ2。由于空间圆弧轨迹是一段位于空间斜平面内的圆弧，所以井眼方向控制方案设计中的工具面角实际上是指该圆弧井段起始点的工具面角[10]。

“全力扭方位”计算模型是确定一个定向工具面，使井斜方位角的变化量Δφ达到最大值。由“空间斜面圆弧”模型，可以得到下式[11]：

式中：ω为定向工具面角；α1为直井段井底井斜角；Δφ为井斜方位角变化量；γ为井段的狗腿度（以下相关符号注解相同）。

要使扭方位Δφ达到最大，需要满足：

根据上述“空间斜面圆弧”模型，可以推导出在使用“全力扭方位”计算模型下的全力扭方位造斜工具面角如下：

在参考“全力扭方位”计算模型时，由于丛式井定向作业时采用陀螺定向，可以测出井底的井斜α1、井斜方位角φ1，而井段允许的狗腿度γ是已知的（本文涉及到的井是按照3°/30 m来计算）。在不考虑钻井参数、地层各向异性等影响的情况下，总是可以确定一个最大扭方位工具面角ω，可以用landmark软件验证出可以作为初始定向工具面角。

3 定向造斜工具面角对井眼轨迹的影响

以BZ13-1 A2井二开钻31.5 cm井眼为例，使用“全力扭方位”计算模型来计算造斜点处定向工具面对轨迹控制的影响。从槽口图中可以看出，初始定向工具面角只有朝着背离直井段倾斜趋势的半圆区域内（168.7°～348.7°），才能使轨迹靠近设计轨道。将直井段井底井斜角α1=0.5，井眼允许狗腿γ=3°/30 m代入公式（3）中，计算出最大扭方位工具面角ω=226°。用landmark软件验证计算并利用结果画图说明当目标井段允许的狗腿度γ为一定，滑动钻进井段ΔL一定时，定向工具面角与水平位移大小、所能达到的井斜方位角以及后期需要滑动钻进井段之间的关系（不考虑钻井参数、地层各向异性等影响）。

分以下三种情况分别计算，利用“全力扭方位”计算模型计算出定向工具面角，利用landmark软件验证计算并画图比较说明以上三种情况下的不同定向工具面角与轨迹控制之间的关系，结果（见图3、图4、图5）。

从图3中可以看出：（1）当目标井段允许的狗腿度γ为一定时（3°/30m），滑动钻进井段ΔL不变时（31.6m），如果朝着288°定向时，会产生1.56 m的闭合距，对邻井A4井会产生很大的防碰危险。这是因为受直井段井眼轨迹惯性的影响；（2）当定向工具面朝着226°定向时，将原来1.49 m的水平距离减小到0.86 m，使防碰风险大大的降低；（3）在分析所有定向工具面角后，利用“全力扭方位”计算模型计算的定向工具面角226°所产生的水平位移依然较小。

从图4中可以看出：（1）当目标井段允许的狗腿度γ一定（3°/30 m），滑动钻进井段 ΔL不变时（31.6 m），如果朝着288°定向时，会产生井斜方位角14.14°，轨迹没有尽快贴近设计线。这也是因为受直井段井眼轨迹惯性的影响；（2）当定向工具面朝着226°定向时，将产生井斜方位角290.75°，使轨迹基本上朝着目标方位线前进；（3）在分析所有定向工具面角后，利用“全力扭方位”计算模型计算的定向工具面角226°所产生的井斜方位角是最贴近设计线的。

从图5中可以看出：（1）当目标井段允许的狗腿度γ一定（3°/30m），滑动钻进井段 ΔL不变时（31.6 m），如果朝着288°定向钻进后，后期需要滑动钻进85.94 m，需要滑动钻进的井段较长，从而钻井周期会较长；（2）当定向工具面朝着226°定向钻进后，后期只需要67.61 m井段滑动钻进，整个轨迹的滑动钻进井段极大地缩短；（3）在分析所有定向工具面角后，利用“全力扭方位”参考模型计算的定向工具面角226°定向后，整个井滑动钻井的井段长度最小。

4 结论

本文以BZ13-1 A2井为实例，根据“空间斜面圆弧”模型以及在直井段没有打直条件下的“全力扭方位”计算模型计算了全力扭方位定向工具面角，并利用landmark软件以20°为步长验证计算了从168.7°到348.7°不同定向工具面对轨迹控制的影响，计算结果表明“全力扭方位”计算模型计算得到的工具面角226°是最优的定向工具面角，产生了很好的效果，可以作为初始定向工具面角。

在今后的定向钻井中，如果直井段没有打直，在目标井段允许的狗腿度一定，可以通过参考“全力扭方位”计算模型得出合理定向工具面角，利用landmark软件验证计算能使初始定向段的闭合距较小，可使产生的井斜方位角很快贴近设计井斜方位角，从而使中靶所需定向钻进的井段明显减少。然而，若直接朝着目标井斜方位角定向，则无论如何都不是最优的选择。

［1］姜伟.渤海绥中36-1D区丛式井密集井口优质快速集中钻固表层技术［J］.中国海上油气，2001，13（6）：24-26.

［2］周俊昌，余雄鹰，罗勇，等.复合钻井防斜打快技术研究与应用［J］.中国海上油气，2007，18（3）:89-92.

［3］姜伟.辽东湾绥中36-1油田实验区丛式井钻井技术回顾与展望［J］.中国海上油气，1996，8（1）:47-52.

［4］姜伟.辽东湾绥中36-1油田高难度丛式钻井［J］.天然气工业，1991，11（5）:53-57.

［5］李培佳，冯志明，李红，等.浅层丛式井钻井工艺［J］.钻采工艺，2004，27（2）:90-91.

［6］汪海阁，苏义脑.直井防斜打快理论研究进展［J］.石油学报，2004，25（3）:86-90.

［7］高德利.易斜地层防斜打快钻井理论与技术探讨［J］.石油钻探技术，2005，33（5）:16-19.

［8］胡湘烔，高德利.石油与天然气工程学-油气井工程［M］.北京:中国石化出版社，2003:187-188.

［9］陈万安，章壮云，单天兵.进一步提高定向准确度的方法探讨［J］.石油钻探技术，2000，27（5）:12-14.

［10］王清江，毛建华，韩贵金，等.定向钻井技术［M］.北京:石油工业出版社，2009:122.

［11］刘修善.井眼轨道几何学［M］.北京：石油工业出版社，2006:288.