水平井井眼轨迹控制关键技术分析

刘粱

摘 要 水平井钻井施工难度大、风险大，安全开发级别要求高。井眼轨迹控制技术是水平井钻井整套技术的关键环节，本文分析了水平井施工技术难点及井身剖面优化设计，进一步对水平井井眼轨迹控制关键技术进行了深入的探讨。

关键词 水平井 井眼轨迹控制 关键技术

中图分类号：TE243文献标识码：A

0引言

水平井的井眼轨迹控制技术与普通定向井相比有类似之处，但也有显著差异，体现了水平井轨迹控制的技术特征。（1）中靶要求高：水平井的靶体通常是三维靶体，一个以矩形窗口为前端、呈水平或近似水平的长方体或与之接近的几何体（如棱台、柱体等），因此要求三维中靶，井眼轨迹不仅要进入靶窗而且还要防止在钻进水平井段的过程中钻头穿出靶体造成脱靶。（2）摆放工具面角困难：随着水平井斜井段的延伸，井眼摩阻随之增加，钻具在井眼中的转动困难，加大了工具面角摆放的难度。（3）控制难度大：由于地质不确定性、工具造斜能力不确定性及测量信息滞后等客观因素的存在，水平井的着陆控制和水平井段控制难度较大。

1水平井施工技术难点及井身剖面优化设计

1.1水平井施工存在如下技术难点

（1）定向钻进轨迹控制困难。造斜点深，钻具柔性大，工具面难以摆到位;裸眼斜井段长，摩阻大，钻压不能有效传递到钻头上。

（2）高温、高压条件对定向仪器、工具选择苛刻。

（3）设备、钻具负荷大。水平井使用井下动力钻具，使得泵压高;由于机泵条件的限制，如果减低排量，又会给井下造成复杂隐患。

（4）深部定向段、水平段高温高密度条件下钻井液高温稳定性、流变性、润滑性、井眼净化能力等调控难度大。

1.2水平井井身剖面優化设计

水平井井身剖面优化设计的目的就是降低井眼轨迹控制的难度、充分发挥动力钻具和转盘钻具各自的优势提高钻速、为钻出平滑规则的井眼提供保障。水平井井身剖面参数的设计顺序应为： 确定水平井段参数、选择造斜率、根据靶前位移确定剖面类型。其常见井身剖面类型主要有“直- 增- 稳- 增- 平”和“直- 增- 微增- 增- 平”两种， 在满足靶前位移的前提下应尽量选择第二种剖面， 因为该剖面中的微增井段一方面可通过调整该井段的造斜率和段长弥补工具造斜能力的偏差， 另一方面可使井眼轨迹更平滑并可减少井下动力钻具的工作量、降低作业风险。

2水平井轨迹控制技术

2.1造斜段井眼轨迹控制技术

（1）造斜工具、仪器的选择。为了保证实钻造斜率满足施工要求，防止因各种因素造成实钻造斜率低于其理论值，同时考虑实钻造斜率，若其高于设计造斜率，可以通过复合钻进的方式降低造斜率;若低于设计造斜率，则只能起钻更换钻具组合。因此，应以“略高勿低”的原则选择造斜工具，即选择工具的理论最大造斜率应比设计造斜率高109/6～20。而仪器则主要根据施工井的难度进行选择。（2）轨迹控制技术。在造斜井段，使用弯外壳螺杆作为造斜工具时，造斜段以定向滑动钻进方式为主，工具面由设计方位而定，同时运用MWD监测井身质量。由于MWD测点距离井底通常大于12m，结合已钻数据分析该套钻具组合实际造斜率，预测井底数据（井斜及方位），实时调整待钻轨迹设计，及时改变钻进方式，对后续施工尤为重要。（3）闭合方位控制技术。在着陆控制中，一方面要控制井斜，另一方面还要控制方位，否则很难使井眼轨迹矢量进靶。由于实钻剖面多是三维的，造斜点处的方位、闭合方位与设计方位存在一定的偏差，在增斜钻进的同时需要扭方位以达到设计方位的要求，而扭方位的难易程度与井斜角的大小密切相关，即井斜角小时扭方位容易，井斜角大就会增加扭方位的难度，因此应早扭方位，为矢量进靶奠定基础。

2.2水平井着陆控制技术

着陆控制的技术要点可以概括为略高勿低、先高后低、寸高必争、早扭方位、稳斜探顶、动态监控、矢量进靶。在当前施工状态下，旋转导向工具的造斜能力、轨迹的垂深、井斜角、方位角等都符合设计要求，关键是如何应对地层靶点的变化。在储层可能变化情况下，一般实钻轨迹和设计靶点垂深相差10m时，开始使用稳斜探顶技术，维持稳斜钻进，控制找到储层顶，不浪费进尺，以免增加进靶钻进的造斜率。在稳斜探顶段钻进要“寸高必争”，放慢机械钻速，同时地质师也要监测钻井液中返出的砂样，判断是否到达储层。在稳斜探顶之前，就应使井眼轨道方位符合要求，确定起始点的井斜角和方位角，核准起始点处的井斜角值（即入相角，也有叫进入角的）。

2.3水平段轨迹控制技术

水平段控制是指着陆进靶后在给定的靶体内钻出整个水平段的过程，除了经济方面的要求外，水平段控制在技术方面的要求是实钻轨迹不得穿出靶体之外;水平段控制的关键思路就是要“留有余地”。水平段控制的实钻井眼轨道在竖直平面中是一条上、下起伏的波浪线，钻头位置距靶体上下边界的距离是控制的关键。特别需要注意的是，当判定钻头到达边界较近的某一位置，直至达到一个转折点，然后才会按预想的要求发生变化。这种情况无论是对增斜还是降斜都存在，如果不考虑这种滞后现象，很有可能造成在进行调整的井段中出靶。因此对水平段的控制强调留有余地，就是分析计算这种滞后现象带来的增量，保证在转折点（极限位置）也不出靶，以留出足够的进尺来确定调整时机，实施调控。增斜过程中，在适当时候就开始考虑进行降斜，直至达到新的转折点后采用复合钻进。在动态调控中，要对调整段进尺做出精确计算。变换导向方向后，要估算至下次调整开始可连续钻进多少进尺。应尽量减少调整次数，以提高机械钻速，降低钻井成本。进入水平段后，随着钻具在水平段的延伸，下井壁的正压力越来越大，摩阻扭矩逐渐增大，粘附托压严重，滑动定向困难。为有效地解决这一问题，需要摸索出一套具有较好稳斜能力和井眼轨迹调整能力的钻具组合。

3结论与建议

（1）优化设计的井身剖面可以降低井眼轨迹控制的难度，提高水平井的成功率。

（2）成功侧钻是水平井井眼轨迹控制的关键，应根据导眼状况选择合理的侧钻钻具组合，确保一次定向成功。

（3）着陆控制和水平控制是水平井井眼轨迹控制的关键技术，而工具造斜率的确定、闭合方位控制、稳斜探顶、矢量进靶、动态监控等则是水平井井眼轨迹控制的重要技术手段。

参考文献

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[2] 韩博，李士斌，张立刚.基于虚拟强度指数的复合钻井钻头优选[J].当代化工，2015，44（09）：2155-2157+2161.