延安气田延113- 133 区块三维水平井井眼轨迹设计技术与应用

唐明明 李 成 贾福东 杨海华 苏 明 罗向东

1.延长石油集团油气勘探公司 陕西延安 716000；2.斯伦贝谢长和油田工程有限公司 陕西西安 710016；3.斯伦贝谢中国公司 北京 100015

相较于二维水平井，三维水平井轨道更复杂，施工难度更大。井眼轨迹优化设计可降低钻井施工难度，提高钻井效率，可经济高效地命中地质目标。笔者认为三维水平井轨迹优化设计不是以寻求一条满足曲线最短或最方便定向操作为目标的空间曲线，而是在满足各约束条件下设计出一条相对适宜的斜井段剖面。基于此，结合延安气田延113- 133 区块特点，以行业首推的最小曲率法[1-2]为计算方法，通过引入辅助点辅助设计，改进传统的五段制三维水平井轨迹设计模型，以增斜扭方位的方式在A 点之前实现纠偏，然后以平面圆弧着陆，采用试错法通过优选造斜点、狗腿度等参数优化三维水平井轨迹设计。

1 区块特点及三维水平井轨迹约束条件

延安气田延113- 133 区块位于鄂尔多斯盆地南缘。水平井钻遇地层自上而下主要为延安组、延长组、纸坊组、和尚沟组、刘家沟组、石千峰组、石盒子组和山西组，目的层为山西组底部山23 砂体。上部地层总体稳定，可钻性好；刘家沟组与石千峰组上部地层天然裂缝发育普遍存在漏失现象；刘家沟组砂泥岩互层可钻性差；山23 砂体上部存在煤层与碳质泥岩地层，稳定性差、易坍塌，石英砂岩可钻性较差。气田水平井采用四开制井身结构，二开311.1mm 井眼，三开215.9mm 井眼段，三开下177.8mm尾管。开发方案限定了目的层间最小距离，同时出于动用资源压覆区储量的目的，大位移水平井较多。目前已完成的22 口三维水平井平均靶前距1046m，平均偏移距671m，平均有效靶前距750m，靶前距、偏移距较长，属于长半径水平井。

1.1 造斜点、造斜段选择

造斜点与造斜段应避开可钻性差及复杂地层，例如刘家沟组地层可钻性差，同时存在普遍漏失，应尽量避免在该地层造斜。为了避免斜井段过长、稳斜角较小，造斜点可适当下移。稳斜角保持在20°～30°比较合适。若造斜点太浅、斜井段过长，一方面增加了稳斜难度，另一方面增加了钻具与井壁接触段，造成摩阻扭矩高。若稳斜角小，则方位易漂移。因此，造斜点选择受靶前距、偏移距约束，需要根据实际情况调整。

1.2 井身结构对水平井轨迹的影响

311.1mm 大井眼机械钻速低，应该尽量减少311.1mm 井眼定向工作量。扭方位段设计在三开215.9mm 井眼，采用增斜扭方位法，充分利用螺杆钻具复合钻进自然增斜减少滑动，利于套管下入。部分油田三维水平井纠偏过程中采用稳斜扭方位，扭方位过程中，只改变方位，井斜不变，减少了定向井工程师的计算与预测难度，操作简单，但存在不少缺点。

（1）螺杆钻具复合钻具普遍增斜，稳斜扭方位，实际需要适度滑动降斜抑制井斜自然增长，增加了滑动工作量。

（2）小井斜侧向位移增加慢，因此在相同偏移距情况下，稳斜扭方位偏转角更大，需要扭方位幅度更大，大偏移距三维水平井的情况下更加明显。

（3）三开215.9mm 井眼下177.8mm 尾管是气田水平井钻井施工的一个难点，稳斜扭方位因为扭方位幅度大，增加了下套管难度，因此延北项目三维水平井在三开阶段采用增斜扭方位更合适。

1.3 靶前距、螺杆造斜能力、地层自然造斜率、目的层不确定性约束设计狗腿度

设计狗腿度太低会增加斜井段长度，甚至需要滑动降斜控制自然增斜趋势。设计狗腿度太高可能造成摩阻扭矩大，目的层提前需要快速增井斜。提前着陆时，螺杆钻具造斜率不能满足要求，甚至存在卡钻等风险。综合考虑靶前距、螺杆钻具造斜能力、地层自然造斜率、井眼尺寸、目的层不确定性等因素，二开311.1mm 大尺寸井眼螺杆造斜率低，推荐狗腿度2.5°- 3°/ 30m；三开215.9mm 井眼推荐狗腿度3°/ 30m 左右；三开设计狗腿度远低于螺杆造斜能力，如果目的层提前有充足的空间提高造斜率提前着陆。

1.4 煤层、山西组砂岩段减少滑动

煤层滑动钻进卡钻风险高，山西组石英砂岩可钻性差，滑动钻进钻头磨损快，减少砂岩段滑动钻进可提高单只钻头进尺。因此，煤层段与山西组砂体顶部至山23 砂体中部着陆点井段应该适当降低设计狗腿度，等于或略大于地层自然造斜率以减少滑动。

2 基于最小曲率法的平面圆弧着陆法三维水平井轨迹设计模型建立

2.1 模型思路

各油田基于不同的认识与区块特点，在三维水平井轨迹设计方面有着不同的策略。行业内较普遍的做法是应用compass、DOX 等轨迹设计软件，以最小曲率法为计算方法，选用“直- 增- 稳- 增扭- 水平”五段制剖面。庞明越等[2]针对渤海油田“直- 增- 稳- 增扭- 水平”五段制剖面三维水平井，建立了以井眼轨道长度最短为目标的轨迹设计模型，实现快速计算最短总井深下的轨迹节点参数，再应用compass 固定模型实现轨迹快速设计。因最小曲率法下无法实现稳斜扭方位，李伟等[3]运用螺线圆柱法[4]提出了“直- 增- 稳- 稳扭- 稳- 增- 水平段”七段式轨迹优化方案，将常规三维水平井轨迹中增斜扭方位的第二个圆弧段分解为稳斜扭方位段与铅锤面上的增斜扭方位段，方便扭方位期间定向施工，也避免了一直扭方位到A 点，在涪陵气田得以应用。基于延113- 133 区块井身结构特点及认识，认为其不适宜应用稳斜扭方位法设计三维水平井，而且螺线圆柱法是变曲率曲线，如果测斜间距较大，可能产生垂向误差，影响着陆精度。

同时，存在目的层垂深的不确定性。如果目的层提前，实钻中需要对轨迹进行调整，提前着陆。对二维水平井螺杆造斜率可全部用于增井斜，三维水平井此时方位还没扭到位，增井斜的同时还需要扭方位，为了顺利着陆只能放弃调整方位全力增井斜，这样可能导致在水平方向上脱靶，或者四开水平段山西组砂体段继续滑动调整方位，砂岩段滑动造成钻头提前报废。虽然多学者提出了各种各样的三维水平井轨迹设计模型，但往往难以寻求一条既有完美数学解又满足工程约束条件、切合实际作业、满足行业标准的三维水平井轨迹设计方法。

结合实际情况对传统的五段制进行适当优化，将第二个增斜扭方位段优化为增斜扭方位段+ 平面圆弧增斜段。其核心在于引入一个虚拟靶点Vt 点，第二个圆弧段采用增斜扭方位消除偏移距，增斜扭方位至着陆前井斜为INCvt 的Vt 点时VtA 连线方位等于水平段方位AZIa，其后采用平面圆弧法只增井斜，不必考虑方位直至A 点。

2.2 AB靶前虚拟靶点Vt 坐标确定

假设在以井口为原点的空间坐标系中A 点的相对坐标为(NaEaTVDa) ,Vt 点坐标为(Nvt Evt TVDvt),Vt点井斜为INCvt，Vt 点到A 点圆弧曲率为K。则得到式（1）—式（3）。

计算出Vt 点坐标后，Vt 点之前井段可用传统的直-增- 稳- 增扭法完成设计；VtA 段用平面圆弧完成，单增或双增均可；Vt 点井斜及VtA 段曲率可任意设定，Vt 点井斜设定83°左右比较合适。

3 应用实例及效果分析

实验井A 是延安气田的一口三维水平井，设计靶前距549.91m，偏移距299.5m，有效靶前距461.19m。该井靠近河道带边缘，地质不确定性高。已知AB 靶点的相对坐 标 参 数 分 别 为 A (415.02，360.77，2848.41)，B(1306.41，486.01，2848.41)，水平段井斜90°，方位8°。设定在井斜83°，将井眼轨迹调整至方位为8°等于水平段方位，偏移距达到AB 点的反向延长线上的Vt 点，后续井段采用较低的造斜率2.7°/ 30m 增斜至A 点。代入上式求得Vt 点相对坐标为Vt（338.15，349.97，2843.66）。优化后的三维水平井轨迹数据如表1，水平投影图如图1所示。

表1 优化后三维水平井轨迹设计剖面节点数据

图1 优化后三维水平井水平投影图

造斜点选在纸坊组1620m 地层可钻性好，311.1mm大井眼螺杆造斜率低，以2°/ 30m 增斜率快速完成增斜。本井偏移距299.5m 相对较小，增斜至16.07°即可，随后311.1mm 井眼稳斜至二开完。因本井有效靶前距461.19m 相对较小，三开215.9mm 小井眼造斜率高，因此三开后以狗腿度为约束条件，以3.7°/ 30m 恒定狗腿度增斜扭方位至83°，方位扭至8°对准水平段方位。此过程中井斜变化率逐渐增大，方位变化率逐渐变小，即在小井斜易扭方位段早扭方位。随着井斜增大，复合钻进自然增斜率提高，设计造斜率也与实际施工一致逐渐增大。斜深提前77.8m 对准靶点，入窗段以较低的狗腿度2.7°/ 30m 单增井斜至A 点着陆。实钻中，如果目的层不提前，则2.7°/ 30m 的造斜率略大于复合钻进自然增斜率。因为此时方位已经提前调整到位，稍微滑动一点即可顺利入窗。如果目的层提前，因为本来设计2.7°/ 30m 的造斜率相对较低，有足够的余量可以提高造斜率，实现顺利入窗。

实验井A 实际钻井过程目的层垂深提前近7m，实钻3080m 井斜达到83.6m，方位8.7°，基本扭方位到位，调整空间充足。从3080m 入窗3120m，仅滑动11m 井斜达到90°着陆入窗成功。与传统方法相比，砂岩段滑动进尺减少约一半。

4 结语

（1）延安气田延113- 133 区块三维水平井轨迹扭方位阶段宜采用增斜扭方位的方式。

（2）增斜扭方位的终点，即平面圆弧的起点推荐设置在预计砂顶位置，井斜83°。

（3）在应用行业标准推荐的最小曲率法计算的基础上，通过引入虚拟靶点Vt 辅助设计，在三维水平井轨迹设计中实现了增斜扭方位，以平面圆弧着陆的优化。同时又考虑了延北项目实际情况的约束条件，既符合行业标准又高效实用，为三维水平井轨迹设计开拓了新思路。

（4）实验井A 应用此种设计模型在目的层提前近7m 的情况下顺利实现入窗，着陆过程中砂岩段减少了滑动比例；四开后不必继续调整方位，减少了钻头磨损，提高了单只钻头进尺，提高了钻井效率，应用效果良好。