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1、目标垂深和造斜率都不确定条件下的水平井轨迹设计摘要：工具造斜率和目标垂深的不准确在水平井钻井中是普遍存在的，这使水平井井眼准确进入目标窗口的难度大大增加，甚至导致脱靶。本文按照当目标垂深和造斜率都不准确存在的情况，提出了解决不准确问题的基本思路和方法。研究表明，采用双增型水平井设计出中间稳斜段的最佳稳斜角，在钻进中及时发现标志层或油层顶界面等方法，可以解决目标垂深和造斜率不准确的问题。本文考虑了标志层的倾角和储层倾角不平行的情况并推导了整套设计的计算公式，并给出了两个算例，通过算例验证了标志层倾角的重要性。关键词：水平井；目标垂深；不确定；轨迹设计；双增剖面引 言水平井钻井技术是在定向井技术基
2、础上发展起来的一项钻井技术。水平井具有扩大油气层裸露面积、提高油气井单井产量、提高油气采收率等特点，对于薄层油气藏、高压低渗透油气藏等特殊油气藏水平井具有很好的开发效果1。水平井轨道设计的准确与否十分关键，通常水平井轨道的基本形状有两种类型，一种是单增轨道，由“直一增一平”三段组成，另一种是双增轨道，它由直井段、第一增斜段、稳斜段、第二增斜段和水平段组成，其突出的特点是在两段增斜段之间设计了一段稳斜调整段，以调整目标垂深误差造成的轨道偏离。在使用导向钻井系统的中、长半径水平井中，常会遇到造斜率准确而目标垂深不准确的情况2-7。1 基本思路韩志勇对在造斜率和目标垂深都不准确的情况下阐述了水平井轨
3、迹设计的思路和方法，主要概括如下8, 9：(1) 设计成双增轨道，而且中间的稳斜段要有一个最佳稳斜角，此最佳稳斜角不仅要保证不管第二造斜点(图3中的1点)何时出现，井眼都能进入目标区，而且要保证不管造斜率如何变化，井眼都不会脱靶。(2) 如图2所示：目标垂深不准确是指窗心垂深D可能变化，窗心可能提前到E点，也可能滞后到E”，实际窗心在E和E”之间。不管实际窗心如何变化，都要求井眼准确进入窗口。显然，关键在于第二造斜点的选择。自M点第二次造斜钻进至P点，井眼方向完全对准窗心，再稳斜钻进PE段即可进入窗口。当窗心提前到E点时，选M点为第二造斜点，这时的稳斜段长度等于零，而滑行长度PE最长，当窗心滞
4、后到E”点时，选M”为第二造斜点，这时的稳斜段长度MM”最长，而滑行长度等于零。EObEmoptDEDEnfE”m”bDa图2 不确定条件下的轨迹设计2. 轨迹设计2.1 轨迹设计过程推导根据参考文献2，在造斜率和目标垂深都不确定的条件下，中间稳斜段的最优井斜角公式如下10：optE12345、678910图3 不确定条件下的轨迹设计(1)上式中，opt为中间稳斜段最优井斜角，；E为储层倾角，；为窗口的半高度，m；kmin为工具的最小造斜率，/30m；kmax为工具的最大造斜率，/30m。2.2 轨迹设计修正通过研究发现以上模型有一定的不足，因为它的推导过程是建立在从第二造斜段开始分别以最大和
5、最小造斜率为轨迹上下界的，忽视了其实在第一造斜段也会有工具造斜率的不确定性，同时以上的推导是认为标志层和储层是平行的而没有考虑不平行的情况，因此对轨迹的设计推导进行了改进，改进后的轨道设计示意图如下所示：ODa1opt2a235467891011121314m放大图如下图所示图4 不确定条件下的轨迹修正设计E29101211151617181314m7819标志层标志层平移标志层平移图5 放大图将沿着方向整体平移，将最大造斜率时轨道和第二造斜段的起点平移到和最小造斜率时轨道第二造斜段的起点重合的位置，因此可以得到：(2)根据式(7)可以得到：(3)所以(4)根据式(7)的推导方法可以得到：(5
6、)(6)(7)又因为(8)所以(9)式中opt即为未知的稳斜段井斜角，m为标志层的倾角。根据式(19)就可以求得在目标垂深和造斜率都不确定条件下的最优切线段稳斜角opt的大小。ODa1opt2a2354689101112m7E”DE”Se图6 轨迹设计示意图当目标垂深滞后，采用最小和最大造斜率分别进入滞后窗口的下界和上界，此时的滑行段为0，根据图6可以得到如下计算公式：(10)(11)(12)(13)上述4式中，为第一造斜点的垂深，为水平位移，为上界轨道中间稳斜段长度，为下界轨道中间稳斜段长度。四个方程四个未知数，因此可以求得两个关键参数第一造斜点的垂深和水平位移。再根据图7，当第一和第二造斜
7、段的预期造斜率分别为K1和K2时，可以得到以下关系式：ODa1opt2a2R1345mDEER2图7 轨迹设计示意图(14)(15)根据(21)(24)式得到的（第一造斜点的垂深）和（水平位移），联立(25)和(26)可以得到所需要的参数（中间稳斜段长度）和（滑行段长度）。至此，已经得到了在造斜率和目标垂深不确定条件下的轨迹设计的关键参数：最优切线段稳斜角opt，中间稳斜段长度和滑行段长度。(16)(17)(18)(19)3. 算例3.1 目标层和标志层不平行时轨道设计算例给定设计条件：E=85，m=86，kmin=8/30m，kmax=12/30m，HE=2093.7m，HE=2100m，H
8、E”=2106.3m，=4m。设计结果如下所示：opt=60.383.2 目标层和标志层平行时轨道设计算例给定设计条件：E=85，m=85，kmin=8/30m，kmax=12/30m，HE=2093.7m，HE=2100m，HE”=2106.3m，=4m。设计结果如下所示：opt=57.7从设计结果上可以看出，当标志层与储层的倾角只相差1时，最优稳斜段的井斜角相差了将近3，因此储层和标志层的倾角是否相同十分关键，这对准确进入目标窗口有着十分重要的作用。4. 结论本文按照存在当目标垂深和造斜率都不准确的情况，提出了解决不准确问题的基本思路和方法。研究表明，采用双增型水平井设计出中间稳斜段的最佳
9、稳斜角，在钻进中及时发现标志层或油层顶界面等方法，可以解决目标垂深和造斜率不准确的问题。本文在前人的基础上对最优稳斜角的计算进行了推导，同时考虑了标志层的倾角和储层倾角不平行的情况。最后本文用两个算例进行了验证了标志层倾角的重要性。参考文献: 1.Karlsson, H., R. Cobbley and G.E. Jaques. New Developments in Short-, Medium-, and Long-Radius Lateral Drilling. in SPE/IADC Drilling Conference. 1989. New Orleans, Louisiana:
10、1989 Copyright 1989, SPE/IADC Drilling Conference. 2.刘修善与石在虹, 水平井轨道实用设计方法. 石油钻采工艺, 1994. 16(1): 5-8. 3.韩志勇, 双增形水平井轨道的设计. 石油大学学报(自然科学版), 1991. 15(4): 15-20. 4.高兴坤等, 胜利油田常见二维水平井轨道设计. 石油钻探技术, 1997. 25(2): 9-11. 5.徐德行, 水平井地质设计中着陆点和断点确定技术研究. 内蒙古石油化工, 2011. 37(6): 92-94. 6.任志杰, 中曲率水平井入靶设计与控制技术. 特种油气藏, 200
11、6. 13(5): 82-84. 7.佟长海, 井身轨道设计的优化计算方法. 特种油气藏, 2005. 12(1): 60-62. 8.韩志勇, 两个不准确条件下的水平井轨道设计. 石油大学学报：自然科学版, 1993. 17(1): 24-30. 9.韩志勇, 水平井轨道设计的理论与实践, 中国石油学会水平井钻采技术研讨会1996: 北京.10.韩志勇, 定向钻井设计与计算. 2007, 东营: 中国石油大学出版社.Design of horizontal well path under the condition of the uncertainty of vertical depth o
12、f target and build rateAbstract: The uncertainty of vertical depth of target exists in most horizontal drilling, and this will make the well path enter into the target window more difficult, and even miss the target. This paper has put forward the basic ideas and methods to solve the uncertainty of
13、vertical depth of target. Research shows that the problem can be solved by using the two build up profile design method and finding the marker bed. This paper considers the condition that the angles of marker bed and reservoir are not equal and deduces the design formula, and two examples are given. The examples prove that the angle of marker bed is very important to drill the target zone. Key words: horizontal well; depth of target; uncertainty; well path design; two build up profile
