CN110069796A - 一种三维水平井井眼轨道设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及石油钻井中的井眼轨道设计中的一种三维水平井井眼轨道设计方法，包括对钻井井眼轨道的钻前设计和随钻设计。其主要技术方法是将井眼轨道剖面构成更改为六段制轨道构成，即“直‑增‑稳‑增（扭）‑增‑平”，提前一定井段或者垂深将方位调整至设计靶点连线方位，而最后一个增斜段设计为小造斜率井段。且六段制轨道中的“增”和“增（扭）”井段通过斜面圆弧法进行计算。通过本发明的“直‑增‑稳‑增（扭）‑增‑平”的六段制井眼轨道设计，可以设计出三维水平井井眼轨迹，这种方法设计的井眼轨迹有利于克服油藏垂深和靶前造斜率的不确定性，提高现场井眼轨迹控制能力，确保三维水平井施工顺利实施。

Description

一种三维水平井井眼轨道设计方法

技术领域

本发明涉及石油钻井技术领域中的井眼轨道设计，具体涉及对钻井井眼轨道的钻前设计和随钻设计工作。

背景技术

近年来，受制于钻井地面场地限制及特殊油藏勘探开发目的，三维水平井需求越来越大，钻井施工越来越多,开发实践证明三维水平井钻井技术是解决地面工程受限，优质、高效开发低孔、低渗油气藏的有效技术之一。采用三维水平井组有利于最大限度地暴露油气层，增大油气藏泄流面积，提高井网部署质量，从而提高油气藏采收率，达到经济、高效开发油气藏的目的。

三维水平井井眼轨道设计和控制技术不同于二维水平井，三维水平井对于入靶井斜角和方位角都有严格的要求，这种限定了在井眼方向条件下的井眼轨道设计在数学模型上相当于增加了约束条件，因此增加了问题的难度和复杂性，常常给设计和现场施工带来一定的阻力。同时不同的油田及施工人员有着不同的经验和认识，三维水平井设计和控制方法也存在着一定的差异，虽然最终都能够完成现场施工作业，但部分井施工时也存在着一些问题，因此有必要对三维水平井设计进行系统、科学的研究和规范。

目前三维水平井多采用“直-增-稳-增(扭)-平”的类似于二维水平井轨道设计方案，只是在第二增斜段进行扭方位作业，在进入水平段之前将方位调整至水平段设计方位，这样的轨道设计存在两个不足的地方。首先是克服油藏垂深不确定性的能力较弱，特别是当油藏垂深提前的时候，需要更高的造斜率，而此时方位尚未调整至设计方位，容易导致轨迹失控；其次是克服靶前造斜率不确定性的能力较弱，很多水平井在进入水平段前由于地层原因容易出现造斜率异常的情况，而此时方位尚未调整至设计方位，施工人员在此时若极力调整井斜，则方位就很难调整至设计方位，导致不能命中靶点；若仍然按照先前的步骤继续调整方位，则容易出现增斜不足，井眼轨道垂深下沉的现象，使得轨迹穿透油层或者进入底水层段，同样容易出现轨迹失控，严重情况下甚至导致填井重钻。

目前常见的三维水平井井眼轨道设计模型主要有圆柱螺线、斜面圆弧、自然参数、恒装置角等，见文献《空间圆弧轨迹的解析描述技术》(刘修善,王超.石油学报，2014第1期)。结合目前石油钻井施工工艺，其通常采用“单弯动力钻具+MWD(随钻测量仪器)”的钻具组合进行井眼轨道的控制，通过优选合适度数的单弯动力钻具来达到一定的造斜率，通过MWD来监测实钻装置角的变化情况。因此，假如能够以一个稳定的造斜率和装置角钻进即完成三维水平井施工，则应当是一个简单的施工思路，那么根据上面的分析情况，恒装置角法应当是三维水平井施工的最佳选择。但是现场实际施工过程中，即使通过MWD进行随钻监测，也很难确保装置角恒定，再者还会出现实钻造斜率与设计造斜率存在偏差、实钻井眼轨迹与设计存在偏差的情况，则待钻井眼需要改变装置角钻进，因此现场很难在扭方位井段通过保持装置角稳定的方式钻进出需要的井眼。如果仅仅要求井眼曲率恒定，而允许装置角变化，则斜面圆弧法可以满足三维水平井施工的要求，现场施工过程中通过优选动力钻具、采取滑动钻进和复合钻进交替进行等方式来确保井眼曲率基本稳定，通过MWD监测装置角变化，并通过测斜计算进行待钻轨道设计，通过调整装置角对井眼轨迹进行控制，钻出满足要求的井眼。圆柱螺线法和自然参数法井眼曲率和装置角均在变化，现场施工时如果每个井段的井眼曲率和装置角都在不停变化，则井眼轨迹控制难度会大大增加，因此不适宜选用。同时斜面圆弧法进行三维水平井轨道设计和施工还具有曲率最小，井段最短等优点，见利文献《三维水平井轨道设计和轨迹控制的新技术》(韩志勇.石油钻探技术，2003年第5期)。

发明内容：

本发明的目的是针对目前三维水平井井眼轨道设计普遍采用五段制设计方式，即“直-增-稳-增(扭)-平”的设计方式存在的不足，提出一种三维水平井井眼轨道设计方法，其不仅能够完成常规意义上的三维水平井轨道设计，还能够更好地克服油藏垂深和靶前造斜率两个重大不确定性，提高设计轨迹可实施性，降低现场施工风险，提高三维水平井钻井成功率。

本发明主要设计路线是将井眼轨道剖面构成更改为六段制轨道构成，即“直-增-稳-增(扭)-增-平”，提前一定井段或者垂深将方位调整至设计靶点连线方位，而最后一个增斜段设计为小造斜率井段。并将“直——增——稳——增(扭)——增——平”六段制轨道中的“增”和“增(扭)”井段通过斜面圆弧法进行计算。

前述三维水平井井眼轨道设计方法中所述斜面圆弧法包括：

(一)靶前井段设计：

针对多个目标点，先取前两个目标点A和B的连线，

(1)计算目标点连线的井斜角和方位角

设给定的目标点A和B的垂深、南北、东西坐标分别为：D_a、N_a、E_a和D_b、N_b、E_b，计算两个目标点的井斜角a和方位角φ；

(2)计算控制点T点坐标

沿B和A的连线延长线上设定T点，以给定T点井眼曲率k和井斜角度a_t进行计算，

这样就计算出T点的垂深D_t、南北N_t和东西E_t，ΔL_ta为T点至A点的井眼长度；

第二步：两个圆弧井段设计

计算出T点坐标之后，即将轨道设计转换为“直——增——稳——增(扭)”四段轨道设计，除开直井段以外，分别由两个圆弧段和一个稳斜段构成，

设W点为造斜点，T点为前述的控制点，CD为W点至T点间的直线段，WC和DT为W点至T点间的两段圆弧段，WC和DT的圆弧段分别处在斜平面(1)和斜平面(2)上，直线段CD处在斜平面(1)和(2)的交线上，且分别与圆弧WC和DT相切；

设直线段CD的井斜角、方位角和段长分别为α_m、φ_m和ΔL_m，则两个圆弧的狗腿角γ₁、γ₂分别为：

γ₁＝arccos(cosα_wcosα_m+sinα_wsinα_mcos(φ_m-φ_w)) (8)

γ₂＝arccos(cosα_mcosα_t+sinα_msinα_tcos(φ_t-φ_m)) (9)

圆弧段WC的垂深D、南北坐标N、东西坐标E的增量分别为：

圆弧段DT的垂深D、南北坐标N、东西坐标E的增量分别为：

不管T点和W点之间轨道如何组成，其各段的三个坐标增量之和应等于T点和W点之间各坐标值之差，即：

前述式中：a_w、φ_w分别是W点井斜角和方位角，a_t、φ_t分别是T点的井斜角和方位角，R₁是WC圆弧段的半径、R₂是DT为圆弧段半径，D_w、N_w、E_w分别为W点的垂深、南北、东西坐标；

求解方程组(16)得α_m、φ_m和ΔL_m三个变量，从而得到“增-稳-增(扭)”井段参数，再加上靶前井段剖面设计，即得到三维水平井轨道设计数据，且最终数据满足如下方程组(1)

三维水平井设计最终结果需要满足以下方程：

式中X、Y、Z、a、φ分别代表东西、南北、垂深、井斜角、方位角；下角标A和kop分别代表A靶点和造斜点；下角标1、2、n分别代表剖面设计第1段、第2段、第n段。

所述数值求解方式包括EXCEL或MATTAB。

本发明提出一种三维水平井井眼轨道设计方法，与传统的三维水平井井眼轨道设计相比，本发明将五段制设计完善为六段制设计，即在靶前增加一个增斜段，从而提前将轨道方位调整至设计方位，其不仅能够完成常规意义上的三维水平井轨道设计，还能够更好地克服油藏垂深和靶前造斜率两个重大不确定性，提高设计轨迹可实施性，降低现场施工风险，提高三维水平井钻井成功率。

附图说明

附图1：本发明一种实施例的三维水平井剖面设计示意图；

附图2：本发明一种实施例的水平井中靶轨道组成示意图。

具体实施方式：

下面结合两个实例对具体实施方式进行说明，本发明的具体范围不受实施方式所述例子的限制，本发明的范围已在权利要求书提出。

本实施例主要有以下设计和计算步骤：

第一步：靶前井段设计

三维水平井设计首先需要计算靶点连线的井斜角和方位角，如果为两个目标点的三维水平井，则水平段的井斜和方位计算相对就比较简单，如果为多目标三维水平井，设计时通常先取前两个目标点的连线，以简化计算，如附图1所示。

(1)计算目标点连线的井斜角和方位角

设给定的目标点A和B的垂深、南北、东西坐标分别为：D_a、N_a、E_a和D_b、N_b、E_b，则可计算两个目标点的井斜角a和方位角φ。

(2)计算T点坐标

要计算T点坐标，需要先确定T点至第一目标点A的井眼曲率，该井眼曲率取决于油层垂深的不确定性和工具造斜能力的不确定性，且不确定性程度越高，则井眼曲率应当取得越低，由于T点至A点的方位角与A点一致；因此只需要再设置T点的井斜角度或者垂深，则可计算出T点坐标。以给定T点井眼曲率k和井斜角度a_t为例进行计算。

这样就可以计算出T点的垂深D_t、南北N_t和东西E_t，ΔL_at为T点至A点的井眼长度。

第二步：两个圆弧井段设计

计算出T点坐标之后，即可将轨道设计转换为“直-增-稳-增(扭)”四段轨道设计，除开直井段以外，分别由两个圆弧段和一个稳斜段构成，从而将设计转换为常用的简单思路。

附图2所示为水平井中靶轨道的组成示意图。W点为造斜点，T点为前面所介绍的控制点；WC和DT为圆弧段，分别处在斜平面1和斜平面2上；CD为直线段，处在斜平面1和2的交线上，且分别与圆弧WC和DT相切。

若假设直线段CD的井斜角、方位角和段长分别为α_m、φ_m和ΔL_m，则两个圆弧的狗腿角γ₁、γ₂分别为：

γ₁＝arccos(cosα_wcosα_m+sinα_wsinα_mcos(φ_m-φ_w)) (8)

γ₂＝arccos(cosα_mcosα_t+sinα_msinα_tcos(φ_t-φ_m)) (9)

圆弧段WC的垂深D、南北坐标N、东西坐标E的增量分别为：

圆弧段DT的垂深D、南北坐标N、东西坐标E的增量分别为：

不管T点和W点之间轨道如何组成，其各段的三个坐标增量之和应等于T点和W点之间各坐标值之差，即：

方程组(16)就是水平井中靶轨道约束方程组。方程组(16)中独立未知变量只有α_m、φ_m和ΔL_m三个，三个方程三个未知数正好可以确定唯一解，并已有众多公知的求解方法，通过解方程后即可求得α_m、φ_m和ΔL_m三个变量，从而得到“增-稳-增(扭)”井段参数，再加上靶前井段剖面设计，即可得到三维水平井轨道设计数据，最终数据满足如下方程组(1)。

式中X、Y、Z、a、φ分别代表东西、南北、垂深、井斜角、方位角；下角标A和kop分别代表A靶点和造斜点；下角标1、2、n分别代表剖面设计第1段、第2段、第n段。

具体应用实施例1

该井为一口三维水平井，偏移距422m，靶前位移762.23m，具体给定参数如下：

靶点A：垂深：1336.74m，南北：503.33m，东西：-572.48m；

靶点B：垂深：1344.74m，南北：990.98m，东西：-703.71m；

造斜点：垂深500m；

造斜率：第一圆弧段：4.8°/30m，第二圆弧段(增斜扭方位段)：4.8°/30m，第三圆弧段：3.6°/30m。

依据本发明，作如下计算步骤：

第一步：靶前井段设计

(1)计算目标点连线的井斜角和方位角

由于两个靶点A、B的垂深、南北、东西都已知，利用公式(2)、(3)可以快速计算出目标点连线的井斜角和方位角分别为89.09°、344.94°。

(2)计算T点坐标

由于T点至A点的造斜率已知为3.6°/30m，因此只需要给定T点的井斜角或者T点至A点的垂直深度即一确定T点坐标，下面以给定T点至A点的垂直深度为10m为例，由于垂直深度为10m，造斜率为3.6°/30m，因此可以计算出所需的段长ΔL_ta，然后根据公式(5)、(6)、(7)可计算出T点的南北、东西坐标分别为416.56m、-549.12m。

第二步：两个圆弧井段计算

由于T点坐标已知，则轨道设计已简化为“增-稳-增(扭)”类型的简单剖面，将所有参数代入式(16)，即可计算出两个圆弧段的相关参数。

所有参数计算出后，则可得到三维水平井井眼轨道设计数据表，所有数据满足方程组(1)，如表1所示。

表1井眼轨道优化设计数据表

从最终设计轨道数据可知，该井在井深1638.91m提前将方位调整至设计方位344.94°，并预留10m垂深，作为一个低造斜率单增剖面，从而有利于克服油藏垂深和靶前造斜率不确定性，现场可操作性强，有利于提高三维水平井施工成功率。

三维水平井实例2

该井为一口三维水平井，偏移距171.94m，靶前位移596.41m，具体给定参数如下：

靶点A：垂深：1476.86m，南北：571.08m，东西：171.94m；

靶点B：垂深：1469.40m，南北：1321.13m，东西：171.94m；

造斜点：垂深880m；

造斜率：第一圆弧段：4.8°/30m，第二圆弧段(增斜扭方位段)：4.8°/30m，第三圆弧段：3.6°/30m。

依据本发明，作如下计算步骤：

第一步：靶前井段设计

(1)计算目标点连线的井斜角和方位角

由于两个靶点A、B的垂深、南北、东西都已知，利用公式(2)、(3)可以快速计算出目标点连线的井斜角和方位角分别为90.57°、0.00°。

(2)计算T点坐标

由于T点至A点的造斜率已知为3.6°/30m，因此只需要给定T点的井斜角或者T点至A点的垂直深度即一确定T点坐标，下面以给定T点至A点的垂直深度为10m为例，由于垂直深度为10m，造斜率为3.6°/30m，因此可以计算出所需的段长ΔL_ta，然后根据公式(5)、(6)、(7)可计算出T点的南北、东西坐标分别为469.02m、-171.94m。

第二步：两个圆弧井段计算

由于T点坐标已知，则轨道设计已简化为“增-稳-增(扭)”类型的简单剖面，将所有参数代入式(16)，即可计算出两个圆弧段的相关参数。

所有参数计算出后，则可得到三维水平井井眼轨道设计数据表，所有数据满足方程组(1)，如表2所示。

表2井眼轨道优化设计数据表

从最终设计轨道数据可知，该井在井深1694.89m提前将方位调整至设计方位0.00°，并预留10m垂深，作为一个低造斜率单增剖面，从而有利于克服油藏垂深和靶前造斜率不确定性，现场可操作性强，有利于提高三维水平井施工成功率。

从上面两个例子分析可知，该发明方法完全可以满足三维水平井设计，具有操作简便，实用性强等特点。

Claims (4)

1.一种三维水平井井眼轨道设计方法，其特征是：将井眼轨道剖面构成更改为六段制轨道构成，即“直-增-稳-增(扭)-增-平”，提前一定井段或者垂深将方位调整至设计靶点连线方位，而最后一个增斜段设计为小造斜率井段。

2.根据权利要求书1所述的三维水平井井眼轨道设计方法，其特征是：“直——增——稳——增(扭)——增——平”六段制轨道中的“增”和“增(扭)”井段通过斜面圆弧法进行计算。

3.根据权利要求书2所述的三维水平井井眼轨道设计方法，其特征是所述斜面圆弧法包括：

(一)靶前井段设计：

针对多个目标点，先取前两个目标点A和B的连线，

(1)计算目标点连线的井斜角和方位角

设给定的目标点A和B的垂深、南北、东西坐标分别为：D_a、N_a、E_a和D_b、N_b、E_b，计算两个目标点的井斜角a和方位角φ；

(2)计算控制点T点坐标

沿B和A的连线延长线上设定T点，以给定T点井眼曲率k和井斜角度a_t进行计算，

这样就计算出T点的垂深D_t、南北N_t和东西E_t，ΔL_ta为T点至A点的井眼长度；

第二步：两个圆弧井段设计

计算出T点坐标之后，即将轨道设计转换为“直——增——稳——增(扭)”四段轨道设计，除开直井段以外，分别由两个圆弧段和一个稳斜段构成，

设W点为造斜点，T点为前述的控制点，CD为W点至T点间的直线段，WC和DT为W点至T点间的两段圆弧段，WC和DT的圆弧段分别处在斜平面(1)和斜平面(2)上，直线段CD处在斜平面(1)和(2)的交线上，且分别与圆弧WC和DT相切；

设直线段CD的井斜角、方位角和段长分别为α_m、φ_m和ΔL_m，则两个圆弧的狗腿角γ₁、γ₂分别为：

γ₁＝arccos(cosα_wcosα_m+sinα_wsinα_mcos(φ_m-φ_w)) (8)

γ₂＝arccos(cosα_mcosα_t+sinα_msinα_tcos(φ_t-φ_m)) (9)

圆弧段WC的垂深D、南北坐标N、东西坐标E的增量分别为：

圆弧段DT的垂深D、南北坐标N、东西坐标E的增量分别为：

不管T点和W点之间轨道如何组成，其各段的三个坐标增量之和应等于T点和W点之间各坐标值之差，即：

前述式中：a_w、φ_w分别是W点井斜角和方位角，a_t、φ_t分别是T点的井斜角和方位角，R₁是WC圆弧段的半径、R₂是DT为圆弧段半径，D_w、N_w、E_w分别为W点的垂深、南北、东西坐标；

求解方程组(16)得α_m、φ_m和ΔL_m三个变量，从而得到“增-稳-增(扭)”井段参数，再加上靶前井段剖面设计，即得到三维水平井轨道设计数据，且最终数据满足如下方程组(1)

三维水平井设计最终结果需要满足以下方程：

式中X、Y、Z、a、φ分别代表东西、南北、垂深、井斜角、方位角；下角标A和kop分别代表A靶点和造斜点；下角标1、2、n分别代表剖面设计第1段、第2段、第n段。

4.根据权利要求书3所述的三维水平井井眼轨道设计方法，其特征是：所述数值求解方式包括EXCEL或MATTAB。