考虑方位漂移的水平井井眼轨道设计

王世栋， 张志刚， 耿雪樵， 于彦江， 陈 奇

(广州海洋地质调查局，广东 广州 510760)

在深层页岩气水平井钻井过程中，无论钻柱下部是稳斜组合、增斜组合、还是降斜组合，都有可能发生井斜方位漂移。这种方位漂移有可能是向“右漂”的，也有可能出现“左漂”趋势。这种方位漂移严重影响了水平井的井眼轨迹控制，进而影响水平井的准确中靶，在很多情况下，通常需要采用井下动力钻具“扭方位”，需要间断定向钻进修正井眼轨迹，造成了平均机械钻速降低、钻井周期加长、成本增大。所以，对考虑方位漂移的轨道设计进行研究，具有重要意义。图1为方位自然漂移值α的地层图示。

1 深层页岩气水平井钻井现状

近年来，页岩气勘探开发主要采用水平井[1]，页岩气水平井，特别是深层页岩气水平井要求严格准确地控制井眼方位。在水平井钻进过程中，如果井眼方位发生漂移，则有可能导致水平井脱靶，被迫进行纠方位作业。地层和钻头原因是导致井眼方位漂移的主要原因，井眼方位漂移指的是井眼方位发生变化。而这种方位的变化可能受到地层因素、钻井参数、钻井液性质及钻具组合等多种因素影响。因此，需要大量地收集和整理各个页岩气田区块的资料，对各个区块地层进行大量深入系统的分析，并分析出各个页岩气区块地层自然漂移的一般规律，并在以后的水平井井眼轨迹设计和控制中利用漂移规律，节省扭方位工作量，提高定向成功率。图2为方位漂移轨道设计模型。

图1 方位自然漂移值α的地层图示

图2 方位漂移轨道设计模型

2 钻井现场的做法

从地层因素和钻具因素2个方面对出现方位漂移的原因进行分析。

(1)地层因素导致方位漂移。

在一般情况下，地层的可钻性在不同方向上是不同的，地层可钻性具有各向异性，并且由于地层的倾斜，井眼便发生了方位漂移。钻头有着“欺软怕硬”的特性，哪里的地层容易钻进，钻头就往哪里靠近，这导致了井眼方位的漂移。钻头前进的方向总是向着垂直地层层面的方向偏斜，即地层有着向地层上倾方位偏离的趋势，便出现了井斜。

在钻水平井时，井身本身是倾斜的。井眼的方位和地层倾斜方向是有一定夹角的，这时钻头就会偏向垂直于地层的方向钻进，这导致了井眼发生方位漂移。可以看出，从地层因素来说，井眼方位可能会发生左漂，也可能会发生右漂。

(2)钻具因素导致方位漂移。

钻柱的旋转方向是井眼方位漂移的另一个重要原因。如图3所示，圆柱体为钻头在内的下部钻具组合，由于重力的作用，圆柱体将压向井壁下侧，对井壁下侧造成压力。在钻柱旋转运动过程中，钻柱和井壁下侧之间产生摩阻力的方向与钻柱旋转方向相反，会阻止钻柱的旋转运动。由于钻柱都是顺时针方向转动的，所以摩阻力的方向总是“向右”的。在摩阻力的作用下，钻头将偏离井眼轴线，靠向井壁的右侧，在钻进的过程中，右侧的井壁也是不断的被切削，从而使井眼方位发生右漂。

图3 钻具原因导致方位漂移

综合分析以上2个因素，井眼方位有可能发生左漂，也有可能发生右漂，关键要看哪种因素起主导作用。

涪陵地区地层非均质性强，水平井井眼轨迹受控于地层倾角，钻进过程中井眼轨迹存在不同程度的漂移。而且涪陵地区页岩气井多是三维轨迹井，井眼轨迹控制工作量大。

一般情况下，用方位漂移率来表示方位漂移规律。在井眼轨迹控制过程中，井眼方位发生增加的情况为“右漂”，方位漂移率为正数；相反，在钻井过程中，方位发生减小的情况，称之为“左漂”，此时的方位漂移率取负数。如果未发生方位漂移，则方位漂移率为零，一个区块的方位漂移率不是固定不变的。由于地层的非均质性、地层产状的不同，以及井的井斜和方位的变化，方位漂移率也是不断变化的。不同井段的方位漂移率是不同的，在掌握和了解了不同地层和井段上的方位漂移率之后，充分利用其规律，进行井眼轨迹控制。

由于方位漂移现象的存在，二维井眼轨道在现场施工[5-7]中无法钻出理想的二维井。通常在现场，首先不考虑方位漂移进行井眼轨道设计，在钻井施工过程中再考虑方位漂移。施工过程中，根据本地区以前的钻井经验，在进行定向造斜时，先估计出一个“方位超前角”，并以此计算定向方位角，假设原来的设计方位角为φt、定向时的定向方位角为φs，两者差值即为“方位超前角”Δφ。图4为现场定向示意图。

这种现场的做法有着很大的不确定性，并且可能出现较大误差，因此有必要在进行井眼轨道设计时就考虑井眼方位漂移，在钻井施工过程中，按照设计的定向方位角进行钻进，这样发生井眼漂移时井眼也会按照设计的井眼轨道进行漂移。

3 考虑方位漂移的水平井井眼轨道设计方法

在进行考虑方位漂移的水平井井眼轨道设计之前，首先将原设计轨道按照造斜段、稳斜段和水平段进行划分，研究本地区的方位漂移规律，统计不同地层和井段上的方位漂移率。

图4 现场定向示意图

图5为相似法轨道设计示意图。根据以上分析，相似法轨道设计可分为以下几个步骤[8-10]：

图5 轨道设计示意图

(1)将原设计轨道划分为造斜段、稳斜段和水平段，并对井眼轨道的各井段参数(水平位移、平移方位角、井深、井斜角、方位角、垂深以及N坐标、E坐标)进行收集，假设原设计轨道的闭合方位角为θt，闭合距为Ct。

(2)给出原设计轨道上的一点，根据该点所在井段的地层方位漂移率和分段长度，算出该段的方位漂移量：

Δφi=ΔLiKpi

(1)

式中：Δφi——第i段的方位漂移量，(°)；ΔLi——第i段的分段长度，m；Kpi——第i段的地层方位漂移率，(°)/m。

在原设计轨道的基础上各点的设计方位加上此方位漂移量。

(3)根据上一步计算，得到方位漂移后的轨道及其各点新的水平位移和平移方位角，假设方位漂移后轨道井底p点的闭合方位角为θp，闭合距为Cp。

(4)对漂移后的轨道进行相似处理，即不改变漂移后轨道的形状，将其平移使p点和t点重合。

在这个过程中，漂移后轨道上点的水平位移为Ci乘以系数K，其中：

K=Ct/Cp

(2)

式中：K——系数，无单位；Ct——t点的闭合距，m；Cp——p点的闭合距，m。

平移方位角θi减去Δθ，其中：

Δθ=Cp-Ct

(3)

式中：Δθ——平移方位角差值，(°)；Ct——t点的闭合距，m；Cp——p点的闭合距，m。

(5)计算考虑方位漂移的井眼轨道设计的水平坐标，如下：

Ni=Cicosθi

(4)

Ei=Cisinθi

(5)

式中：Ni——i点的北坐标，m；Ei——第i点的东坐标，m；Ci——第i点的闭合距，m；θi——第i点的平移方位角，(°)。

(6)计算每一点的井深、井斜角和方位角。垂深Di保持不变。

计算每个分点的井斜方位角：

已知：

ΔD=D2-D1，ΔN=N2-N1，ΔE=E2-E1

φc=arctan(ΔE/ΔN)(ΔN>0)

(6)

φc=arctan(ΔE/ΔN)+180(ΔN<0)

(7)

φ2=2φc-φ1

(8)

式中：ΔE——2个点的东坐标差值，m；ΔN——2个点的北坐标差值，m；Ei(i=1,2)——第i点的东坐标值，m；Ni(i=1,2)——第i点的北坐标值，m；Di(i=1,2)——第i点的垂深，m；φi(i=1,2，c)——第i点的平移方位角，(°)。

计算每个分点的井斜角：

α2=2αc-α1

(10)

式中：αi(i=1,2，c)——第i点的井斜角，(°)；Ei(i=1,2)——第i点的东坐标值，m；Di(i=1,2)——第i点的垂深，m；φi(i=1,2)——第i点的平移方位角，(°)。

计算每个分点的井深：

式中：ΔL——井深，m。

4 应用实例

通过编制考虑方位漂移的井眼轨道优化设计软件，输入已知的地层方位漂移率和原轨道设计数据，进行计算。

4.1 右漂设计实例1

已知某口井水平段垂深为3500 m，待钻点坐标X为10000，待钻点坐标Y为10000，东坐标增量为1500 m，北坐标增量为1500 m，方位漂移率为1°/100 m，初始方位角为45°，输入已知数据，经计算结果如图6所示。

图6右漂设计实例1

其中，红色线为考虑地层漂移的水平段井眼轨迹；蓝色线为全复合钻进井眼轨迹。

4.2 右漂设计实例2

已知某口井水平段垂深为3500 m，待钻点坐标X为10000，待钻点坐标Y为10000，东坐标增量为1500 m，南坐标增量为1500 m，方位漂移率为1°/100 m，初始方位角为45°，输入已知数据，经计算结果如图7所示。

图7右漂设计实例2

其中，红色线为考虑地层漂移的水平段井眼轨迹；蓝色线为全复合钻进井眼轨迹。

4.3 左漂设计实例1

已知某口井水平段垂深为3500 m，待钻点坐标X为10000，待钻点坐标Y为10000，东坐标增量为1500 m，北坐标增量为1500 m，方位漂移率为-1°/100 m，初始方位角为45°，输入已知数据，经计算结果如图8所示。

图8左漂设计实例1

其中，红色线为考虑地层漂移的水平段井眼轨迹；蓝色线为全复合钻进井眼轨迹。

4.4 左漂设计实例2

已知某口井水平段垂深为3500 m，待钻点坐标X为10000，待钻点坐标Y为10000，东坐标增量为1500 m，南坐标增量为1500 m，方位漂移率为-1°/100 m，初始方位角为45°，输入已知数据，经计算结果如图9所示。

图9 左漂设计实例2

其中，红色线为考虑地层漂移的水平段井眼轨迹；蓝色线为全复合钻进井眼轨迹。

5 结论

(1)深层页岩气水平井方位漂移问题严重，利用方位漂移规律进行井眼轨道设计可以减少井眼轨迹的调整频次和控制工作量，节省起下钻次数，从而降低钻井成本。

(2)提出的考虑方位漂移的水平井井眼轨道设计，并且编制了设计软件，通过举例进行了验证，证明了方法是可行的。

(3)在实例中根据计算结果，通过预留因地层漂移造成的方位变化空间，水平段可减少21°的扭方位工作量。