梁奇敏，高德利，汪順文

（1.中國石油大學(xué)石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102249；2.中海油深圳分公司，廣東深圳 518067）

目前世界上許多國家都將海洋油氣勘探開發(fā)作為主要的油氣增長點(diǎn)，但由于海洋鉆井成本昂貴，所以在海洋鉆井平臺上廣泛采用叢式井組。當(dāng)今叢式井鉆井面臨的主要問題包括槽口較密集、鄰井距離很近、防碰問題嚴(yán)重等[1-4]。直井段不能完全打直[5-8]，造成造斜點(diǎn)處井眼軌跡變化趨勢偏離設(shè)計(jì)線，由于井眼慣性的影響，井底不能及時(shí)靠近設(shè)計(jì)線，從而使防碰問題更加嚴(yán)重，因此在叢式井鉆井中應(yīng)著重考慮初始定向工具面對軌跡控制的影響[9]。為了解決這一問題，可以根據(jù)“空間斜面圓弧”模型以及“全力扭方位”計(jì)算模型，探討初始定向時(shí)選擇合適的工具面，能使井眼軌跡盡快貼近設(shè)計(jì)線，等實(shí)鉆井斜方位角接近目標(biāo)井斜方位角后，再朝著目標(biāo)井斜方位角定向，有效減輕防碰問題。本文根據(jù)“空間斜面圓弧”模型，參考“全力扭方位”計(jì)算模型，以BZ13-1 A2叢式井為計(jì)算實(shí)例，結(jié)合landmark軟件計(jì)算，分析了初始定向工具面對井眼軌跡的影響。

1 “全力扭方位”計(jì)算模型在海洋叢式井定向造斜時(shí)的應(yīng)用

“全力扭方位”計(jì)算模型并不適用于所有的定向井。因?yàn)殡m然在任何情況下都不可能鉆成一口完全垂直的井，但是如果直井段井底的井斜方位角和目標(biāo)方位角相差不多，此方法效果不太明顯。只有當(dāng)井底已經(jīng)產(chǎn)生井斜的直井井底井斜方位角和目標(biāo)井斜方位角相差很多時(shí)才可以考慮利用“全力扭方位”計(jì)算模型。下面以BZ13-1 A2井為例介紹“全力扭方位”計(jì)算模型在叢式井定向鉆井中的應(yīng)用。

BZ13-1 A2井南北坐標(biāo)4 267 331.42 m，東西坐標(biāo)418 551.99 m，屬叢式井3×3槽口中的一個(gè)外排槽口，水深24.2 m，補(bǔ)心海拔26.9 m，設(shè)計(jì)目標(biāo)方位 287.24°，設(shè)計(jì)的直井段長度450 m。靶點(diǎn)坐標(biāo)是：南北坐標(biāo)4 267588.00m，東西坐標(biāo)417725.00m，垂深是3976.90m。該井直井段的實(shí)測軌跡數(shù)據(jù)（見表1）。

表1 BZ13-1 A2井直井段軌跡數(shù)據(jù)

從表1中可以看出直井段沒有完全打直，最后一個(gè)測點(diǎn)已經(jīng)產(chǎn)生了0.5°的井斜。從井眼的走向趨勢可以看出產(chǎn)生的井斜方位角（78.7°）沒有朝向目標(biāo)井斜方位角（287.24°），平臺的整個(gè)槽口水平位移投影圖（見圖1）。

這樣就會(huì)有一些問題：

（1）當(dāng)按照常規(guī)定向方法定向，即定向工具面角直接朝著目標(biāo)井斜方位角定向時(shí)，由于井眼慣性的影響，井眼軌跡總是會(huì)順著原井眼井斜方位角的趨勢前進(jìn)，井斜方位角變化太慢，貼近設(shè)計(jì)線需用的井段就會(huì)加長。

（2）叢式井鉆井對防碰要求很高，雖然在最后一個(gè)測點(diǎn)處只有0.5°井斜，但已經(jīng)產(chǎn)生了水平位移-1.49 m。通過landmark軟件計(jì)算，如果直接朝著目標(biāo)井斜方位角（287.24°）滑動(dòng)鉆進(jìn) 30 m，會(huì)產(chǎn)生水平位移-2.36 m，那么就會(huì)造成軌跡線上的水平位移不能滿足臨井A4井的防碰距離的要求，對鉆井安全造成很大的影響。

根據(jù)以上分析，顯然開始直接按照目標(biāo)井斜工具面定向無法保證快速貼近設(shè)計(jì)線軌跡和防碰要求。因此在定向時(shí)使用圖2所示的工具面角。

在圖2中，φ1是直井段井底已經(jīng)產(chǎn)生的井斜方位角；φ2為設(shè)計(jì)軌道的目標(biāo)井斜方位角；ω2是常規(guī)定向工具面角，當(dāng)直接朝著目標(biāo)井斜方位線定向時(shí)，應(yīng)該和φ2一樣；ω1是全力扭方位時(shí)定向工具面角，于是，在φ1和ω1的共同作用下，井眼雖然會(huì)沿著原來井眼方向前進(jìn)，但由于定向工具面角較目標(biāo)井斜方位角超前，所以整體效果仍然是朝著目標(biāo)井斜方位角定向鉆進(jìn)的。此時(shí)，實(shí)鉆井眼軌跡剛好滿足井斜方位角朝著設(shè)計(jì)方位靠近的要求，井底水平距離減小而不容易造成A4井防碰困難等問題。等實(shí)鉆井斜方位角和目標(biāo)井斜方位角相近的時(shí)候，再將定向工具面角調(diào)整為目標(biāo)井斜方位角。由上圖系統(tǒng)分析可知，采用這樣的全力扭方位模型，實(shí)際工具面相當(dāng)于兩個(gè)動(dòng)態(tài)矢量的和，即有：ω2=φ1+ω1。

2 采用“全力扭方位”計(jì)算模型時(shí)定向造斜工具面角的計(jì)算方法

井眼方向控制的內(nèi)容是：從當(dāng)前井底的井斜角α1和井斜方位角φ1，鉆進(jìn)長度為ΔL的井段后，使井斜角和井斜方位角分別到達(dá)α2和井斜方位角φ2。由于空間圓弧軌跡是一段位于空間斜平面內(nèi)的圓弧，所以井眼方向控制方案設(shè)計(jì)中的工具面角實(shí)際上是指該圓弧井段起始點(diǎn)的工具面角[10]。

“全力扭方位”計(jì)算模型是確定一個(gè)定向工具面，使井斜方位角的變化量Δφ達(dá)到最大值。由“空間斜面圓弧”模型，可以得到下式[11]：

式中：ω為定向工具面角；α1為直井段井底井斜角；Δφ為井斜方位角變化量；γ為井段的狗腿度（以下相關(guān)符號注解相同）。

要使扭方位Δφ達(dá)到最大，需要滿足：

根據(jù)上述“空間斜面圓弧”模型，可以推導(dǎo)出在使用“全力扭方位”計(jì)算模型下的全力扭方位造斜工具面角如下：

在參考“全力扭方位”計(jì)算模型時(shí)，由于叢式井定向作業(yè)時(shí)采用陀螺定向，可以測出井底的井斜α1、井斜方位角φ1，而井段允許的狗腿度γ是已知的（本文涉及到的井是按照3°/30 m來計(jì)算）。在不考慮鉆井參數(shù)、地層各向異性等影響的情況下，總是可以確定一個(gè)最大扭方位工具面角ω，可以用landmark軟件驗(yàn)證出可以作為初始定向工具面角。

3 定向造斜工具面角對井眼軌跡的影響

以BZ13-1 A2井二開鉆31.5 cm井眼為例，使用“全力扭方位”計(jì)算模型來計(jì)算造斜點(diǎn)處定向工具面對軌跡控制的影響。從槽口圖中可以看出，初始定向工具面角只有朝著背離直井段傾斜趨勢的半圓區(qū)域內(nèi)（168.7°～348.7°），才能使軌跡靠近設(shè)計(jì)軌道。將直井段井底井斜角α1=0.5，井眼允許狗腿γ=3°/30 m代入公式（3）中，計(jì)算出最大扭方位工具面角ω=226°。用landmark軟件驗(yàn)證計(jì)算并利用結(jié)果畫圖說明當(dāng)目標(biāo)井段允許的狗腿度γ為一定，滑動(dòng)鉆進(jìn)井段ΔL一定時(shí)，定向工具面角與水平位移大小、所能達(dá)到的井斜方位角以及后期需要滑動(dòng)鉆進(jìn)井段之間的關(guān)系（不考慮鉆井參數(shù)、地層各向異性等影響）。

分以下三種情況分別計(jì)算，利用“全力扭方位”計(jì)算模型計(jì)算出定向工具面角，利用landmark軟件驗(yàn)證計(jì)算并畫圖比較說明以上三種情況下的不同定向工具面角與軌跡控制之間的關(guān)系，結(jié)果（見圖3、圖4、圖5）。

從圖3中可以看出：（1）當(dāng)目標(biāo)井段允許的狗腿度γ為一定時(shí)（3°/30m），滑動(dòng)鉆進(jìn)井段ΔL不變時(shí)（31.6m），如果朝著288°定向時(shí)，會(huì)產(chǎn)生1.56 m的閉合距，對鄰井A4井會(huì)產(chǎn)生很大的防碰危險(xiǎn)。這是因?yàn)槭苤本尉圮壽E慣性的影響；（2）當(dāng)定向工具面朝著226°定向時(shí)，將原來1.49 m的水平距離減小到0.86 m，使防碰風(fēng)險(xiǎn)大大的降低；（3）在分析所有定向工具面角后，利用“全力扭方位”計(jì)算模型計(jì)算的定向工具面角226°所產(chǎn)生的水平位移依然較小。

從圖4中可以看出：（1）當(dāng)目標(biāo)井段允許的狗腿度γ一定（3°/30 m），滑動(dòng)鉆進(jìn)井段 ΔL不變時(shí)（31.6 m），如果朝著288°定向時(shí)，會(huì)產(chǎn)生井斜方位角14.14°，軌跡沒有盡快貼近設(shè)計(jì)線。這也是因?yàn)槭苤本尉圮壽E慣性的影響；（2）當(dāng)定向工具面朝著226°定向時(shí)，將產(chǎn)生井斜方位角290.75°，使軌跡基本上朝著目標(biāo)方位線前進(jìn)；（3）在分析所有定向工具面角后，利用“全力扭方位”計(jì)算模型計(jì)算的定向工具面角226°所產(chǎn)生的井斜方位角是最貼近設(shè)計(jì)線的。

從圖5中可以看出：（1）當(dāng)目標(biāo)井段允許的狗腿度γ一定（3°/30m），滑動(dòng)鉆進(jìn)井段 ΔL不變時(shí)（31.6 m），如果朝著288°定向鉆進(jìn)后，后期需要滑動(dòng)鉆進(jìn)85.94 m，需要滑動(dòng)鉆進(jìn)的井段較長，從而鉆井周期會(huì)較長；（2）當(dāng)定向工具面朝著226°定向鉆進(jìn)后，后期只需要67.61 m井段滑動(dòng)鉆進(jìn)，整個(gè)軌跡的滑動(dòng)鉆進(jìn)井段極大地縮短；（3）在分析所有定向工具面角后，利用“全力扭方位”參考模型計(jì)算的定向工具面角226°定向后，整個(gè)井滑動(dòng)鉆井的井段長度最小。

4 結(jié)論

本文以BZ13-1 A2井為實(shí)例，根據(jù)“空間斜面圓弧”模型以及在直井段沒有打直條件下的“全力扭方位”計(jì)算模型計(jì)算了全力扭方位定向工具面角，并利用landmark軟件以20°為步長驗(yàn)證計(jì)算了從168.7°到348.7°不同定向工具面對軌跡控制的影響，計(jì)算結(jié)果表明“全力扭方位”計(jì)算模型計(jì)算得到的工具面角226°是最優(yōu)的定向工具面角，產(chǎn)生了很好的效果，可以作為初始定向工具面角。

在今后的定向鉆井中，如果直井段沒有打直，在目標(biāo)井段允許的狗腿度一定，可以通過參考“全力扭方位”計(jì)算模型得出合理定向工具面角，利用landmark軟件驗(yàn)證計(jì)算能使初始定向段的閉合距較小，可使產(chǎn)生的井斜方位角很快貼近設(shè)計(jì)井斜方位角，從而使中靶所需定向鉆進(jìn)的井段明顯減少。然而，若直接朝著目標(biāo)井斜方位角定向，則無論如何都不是最優(yōu)的選擇。

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