胥豪 牛洪波 牛似成 王翔 孫榮華

1.中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院；2.中石化華北油氣分公司工程技術(shù)研究院；3.中石化勝利油田分公司新春采油廠

六段制三維水平井軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)與應(yīng)用

胥豪1牛洪波1牛似成2王翔2孫榮華3

1.中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院；2.中石化華北油氣分公司工程技術(shù)研究院；3.中石化勝利油田分公司新春采油廠

三維水平井技術(shù)有利于解決油氣藏地面條件限制，提高井網(wǎng)部署質(zhì)量，提高油氣藏綜合開發(fā)效率，具有明顯的優(yōu)勢。通過對4種常見三維軌道計(jì)算模型進(jìn)行分析，優(yōu)選出斜面圓弧法作為三維水平井計(jì)算模型，并對三維水平井軌道形式進(jìn)行優(yōu)化，提出六段制水平井設(shè)計(jì)方法，以克服油藏垂深和造斜率2個不確定因素。該設(shè)計(jì)方法在JH17P25井進(jìn)行了應(yīng)用，完鉆井深2 235 m，偏移距425 m，扭方位井段347 m，扭方位49.30°，現(xiàn)場施工順利，軌跡符合率高，克服了油藏垂深的不確定性，取得了較好的應(yīng)用效果，為后續(xù)三維水平井設(shè)計(jì)和施工提供了經(jīng)驗(yàn)。

三維水平井；井眼軌道；斜面圓??；油藏垂深；不確定性

近年來，隨著非常規(guī)井工廠模式的開發(fā)應(yīng)用，三維水平井得到了越來越多的應(yīng)用。開發(fā)實(shí)踐證明三維水平井鉆井技術(shù)是解決地面工程受限，優(yōu)質(zhì)、高效開發(fā)低孔、低滲油氣藏的有效技術(shù)之一［1-2］。采用三維水平井組有利于最大限度地暴露油氣層，增大油氣藏泄流面積，提高井網(wǎng)部署質(zhì)量，從而提高油氣藏采收率，達(dá)到經(jīng)濟(jì)、高效開發(fā)油氣藏的目的。

不同的油田對三維水平井有著不同的實(shí)踐，在理論方法、軌道設(shè)計(jì)等方面也存在著不同的認(rèn)識。部分地區(qū)由于特殊的地質(zhì)條件，特別是油層垂深不確定性和地層造斜率不確定性等的影響，容易導(dǎo)致井眼軌跡入靶困難，因此有必要進(jìn)行相關(guān)的研究和實(shí)踐。

1 井眼軌道計(jì)算模型優(yōu)選

Optimization of well trajectory calculation model

目前常見的三維水平井井眼軌道設(shè)計(jì)模型主要有圓柱螺線、斜面圓弧、自然參數(shù)、恒裝置角等［3-6］。圓柱螺旋線法假設(shè)井眼軌道在垂直剖面的曲率γH和水平剖面上的曲率γV分別保持為常數(shù)，其所描述的井眼軌道是一條等變曲率角的圓柱螺線，該模型的顯著特點(diǎn)在于垂直剖面圖和水平投影圖上井眼軌道均為圓弧。斜面圓弧法所描述的井眼軌道是一段位于空間斜平面內(nèi)的圓弧，該模型的特點(diǎn)在于井眼曲率γ保持常數(shù)，其垂直投影圖和水平投影圖都是橢圓弧。自然參數(shù)法假設(shè)井眼軌道的井斜變化率γa和方位變化率γ?分別保持為常數(shù)，這種假設(shè)條件下井眼軌道的水平投影圖和垂直投影圖均為圓弧。恒裝置角（工具面）法假設(shè)井眼曲率γ和裝置角w分別保持常數(shù)，它所描述的井眼軌道在垂直剖面上是一段圓弧。

結(jié)合目前石油鉆井施工工藝，其通常采用“單彎動力鉆具+MWD（隨鉆測量儀器）”的鉆具組合進(jìn)行井眼軌道的控制，通過優(yōu)選合適度數(shù)的單彎動力鉆具來達(dá)到一定的造斜率，通過MWD來監(jiān)測實(shí)鉆裝置角的變化情況。因此，假如能夠以一個穩(wěn)定的造斜率和裝置角鉆進(jìn)即完成三維水平井施工，則應(yīng)當(dāng)是一個簡單的施工思路，那么根據(jù)上面的分析情況，恒裝置角法應(yīng)當(dāng)是三維水平井施工的最佳選擇。但是現(xiàn)場實(shí)際施工過程中，即使通過MWD進(jìn)行隨鉆監(jiān)測，也很難確保裝置角恒定，再者還會出現(xiàn)實(shí)鉆造斜率與設(shè)計(jì)造斜率存在偏差、實(shí)鉆井眼軌跡與設(shè)計(jì)存在偏差的情況，則待鉆井眼需要改變裝置角鉆進(jìn)，因此現(xiàn)場很難在扭方位井段通過保持裝置角穩(wěn)定的方式鉆進(jìn)出需要的井眼。如果僅僅要求井眼曲率γ恒定，而允許裝置角w變化，則斜面圓弧法可以滿足三維水平井施工的要求，現(xiàn)場施工過程中通過優(yōu)選動力鉆具、采取滑動鉆進(jìn)和復(fù)合鉆進(jìn)交替進(jìn)行等方式來確保井眼曲率基本穩(wěn)定，通過MWD監(jiān)測裝置角變化，并通過測斜計(jì)算進(jìn)行待鉆軌道設(shè)計(jì)，通過調(diào)整裝置角對井眼軌跡進(jìn)行控制，鉆出滿足要求的井眼。圓柱螺線法和自然參數(shù)法井眼曲率k和裝置角w均在變化，現(xiàn)場施工時(shí)如果每個井段的井眼曲率和裝置角都在不停變化，則井眼軌跡控制難度會大大增加，因此不適宜選用。

石油大學(xué)韓志勇教授對4種方法進(jìn)行了試算，根據(jù)試算結(jié)果，斜面圓弧曲線具有曲率最小、井段最短等優(yōu)點(diǎn)［7］，因此，推薦采用斜面圓弧法進(jìn)行三維水平井軌道設(shè)計(jì)和施工。

2 井眼軌道設(shè)計(jì)方法優(yōu)化

Optimization of well trajectory design method

根據(jù)以上優(yōu)選結(jié)果，三維水平井宜采用斜面圓弧方法，但目前三維水平井井眼軌道設(shè)計(jì)多采用五段制設(shè)計(jì)方式，即“直—增—穩(wěn)—增（扭）—平”的設(shè)計(jì)方式，第二增斜段（增斜扭方位井段）設(shè)計(jì)至靶點(diǎn)，即水平井著陸點(diǎn)，但現(xiàn)場進(jìn)行應(yīng)用時(shí)普遍存在著兩個不確定性，即油藏地質(zhì)垂深不確定性和工具造斜率不確定性，這就使得實(shí)際鉆井過程中不可避免地要對井眼軌跡目標(biāo)進(jìn)行調(diào)整，對于普通二維水平井而言，垂深的調(diào)整只意味著井斜的變化，動力鉆具的造斜率僅需要滿足井斜的調(diào)整即可，而對于三維水平井而言，軌跡的調(diào)整顯得更加復(fù)雜，雖然大部分情況下也僅僅是垂深的調(diào)整，但意味著造斜率和裝置角都有更高的要求，當(dāng)垂深調(diào)整較多，而方位還未調(diào)整至設(shè)計(jì)方位時(shí)，容易出現(xiàn)造斜率不足，導(dǎo)致井眼軌跡失控的情況［8-10］。

因此需要對三維水平設(shè)計(jì)方法進(jìn)行改進(jìn)，而改進(jìn)的方法只需要對井眼軌道構(gòu)成進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷募纯?。根?jù)研究分析，將井眼軌道剖面構(gòu)成更改為六段制，即“直—增—穩(wěn)—增（扭）—增—平”，在靶點(diǎn)之前設(shè)置一T點(diǎn)，在該T點(diǎn)將方位調(diào)整至與水平段方位一致，最后一個增斜段設(shè)計(jì)為低造斜率井段，即可克服油層垂深和造斜率不確定性導(dǎo)致的井眼軌跡控制困難，提高鉆井成功率，如圖1所示。

2.1 水平段及T點(diǎn)參數(shù)計(jì)算

Parameter calculation of horizontal section and pointT

要計(jì)算T點(diǎn)坐標(biāo)參數(shù)，首先需要計(jì)算靶點(diǎn)連線的井斜角和方位角，如果為兩個目標(biāo)點(diǎn)的三維水平井，則水平段的井斜和方位計(jì)算相對就比較簡單，如果為多目標(biāo)三維水平井，設(shè)計(jì)時(shí)通常先取前兩個目標(biāo)點(diǎn)的連線，以簡化計(jì)算［11］。T點(diǎn)參數(shù)計(jì)算步驟如下。

第一步：計(jì)算目標(biāo)點(diǎn)連線的井斜角和方位角。設(shè)給定的目標(biāo)點(diǎn)A、B的垂深、南北、東西坐標(biāo)分別為：Da、Na、Ea和Db、Nb、Eb，則可計(jì)算 2 個目標(biāo)點(diǎn)的井斜角a和方位角?。

圖1 三維水平井剖面設(shè)計(jì)圖Fig. 1 3D horizontal well section design diagram

第二步：計(jì)算T點(diǎn)坐標(biāo)。要計(jì)算T點(diǎn)坐標(biāo)，需要先確定T點(diǎn)至第1目標(biāo)點(diǎn)A的井眼曲率 ，該井眼曲率取決于油層垂深的不確定性和工具造斜能力的不確定性，且不確定性程度越高，則井眼曲率應(yīng)當(dāng)取得越低。由于T點(diǎn)至A點(diǎn)的方位角與A點(diǎn)一致，因此只需要再設(shè)置T點(diǎn)的井斜角度at或者垂深Dt，則可計(jì)算出T點(diǎn)坐標(biāo)。以給定T點(diǎn)井眼曲率和井斜角度為例進(jìn)行計(jì)算。

這樣就可以計(jì)算出T點(diǎn)的垂深Dt、南北Nt和東西Et，ΔLat為T點(diǎn)至A點(diǎn)的井眼長度。

2.2 圓弧井段設(shè)計(jì)

Design of arc hole interval

計(jì)算出T點(diǎn)坐標(biāo)之后，即可將軌道設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換為“直—增—穩(wěn)—增（扭）”四段軌道設(shè)計(jì)，除開直井段以外，分別由2個圓弧段和1個穩(wěn)斜段構(gòu)成，從而將設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換為常用的簡單思路。

圖2所示為水平井中靶軌道的組成示意圖。W點(diǎn)為造斜點(diǎn)，T點(diǎn)為前面所介紹的控制點(diǎn)；WC和DT為圓弧段，分別處在斜平面1和斜平面2上；CD為直線段，處在斜平面1和2的交線上，且分別與圓弧WC和DT相切。

圖2 兩個圓弧軌道組成示意圖Fig. 2 Schematic components of two arc trajectories

假設(shè)直線段CD的井斜角、方位角和段長分別為am、?m和 ΔLm，則 2 個圓弧的狗腿角γ1、γ2分別為

圓弧段WC的垂深D、南北坐標(biāo)N、東西坐標(biāo)E的增量分別為

圓弧段DT的垂深D、南北坐標(biāo)N、東西坐標(biāo)E的增量分別為

不管T點(diǎn)和W點(diǎn)之間軌道如何組成，其各段的3個坐標(biāo)增量之和應(yīng)等于T點(diǎn)和W點(diǎn)之間各坐標(biāo)值之差，即

方程組（15）就是水平井中靶軌道約束方程組。方程組（15）中獨(dú)立未知變量只有am、?m和ΔLm3個，3個方程3個未知數(shù)正好可以確定唯一解，通過解方程即可求得am、?m和ΔLm3個變量，從而得到“增—穩(wěn)—增（扭）”井段參數(shù)，再加上靶前井段剖面設(shè)計(jì)，即可得到六段制三維水平井軌道設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。

3 應(yīng)用實(shí)例

Application case

JH17P25井是華北油氣分公司部署在鄂爾多斯盆地伊陜斜坡南部構(gòu)造的三維水平井，設(shè)計(jì)偏移距422 m，靶前位移762.23 m，設(shè)計(jì)目的層段為三疊系延長組長812組，由于斷層較多，油層垂深不確定性較高，直接鉆進(jìn)水平井存在著較大的風(fēng)險(xiǎn)，又特別是三維水平井，一旦油層垂深出現(xiàn)較大偏差，則可能導(dǎo)致井眼軌跡失控，因此最初計(jì)劃先鉆進(jìn)一口定向井作為導(dǎo)眼井，摸清油層垂深后再回填側(cè)鉆水平井。

后根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行分析，該區(qū)塊長7組地層底部為一套油頁巖，且垂深較厚，具有較好的可識別性，進(jìn)入長8地層后，長811為泥巖，大約厚度6.6 m，同時(shí)要求井眼軌跡進(jìn)入長812地層4 m，因此在識別到油頁巖底部之后尚有10.60 m垂深空間來調(diào)整軌跡，水平井施工操作性較強(qiáng)，最后決定直接鉆進(jìn)水平井。水平井設(shè)計(jì)軌道如表1。

由于該井是三維水平井，且偏移距達(dá)到422 m，因此井眼軌道設(shè)計(jì)進(jìn)行了較多的考慮，首先采用斜面圓弧模型進(jìn)行扭方位設(shè)計(jì)，增斜扭方位井段具體數(shù)據(jù)見表2。針對三維水平井施工難題，本井將井眼軌跡設(shè)計(jì)為六段制，提前90.5 m斜深（10 m垂深）將井眼軌跡方位調(diào)整至水平段方位，后續(xù)井段適當(dāng)降低造斜率，為井眼軌跡調(diào)整留足空間。

根據(jù)表2繪制增斜扭方位井段主要參數(shù)變化圖，如圖3。從圖3可知，1 291.92～1 638.91 m之間為增斜扭方位井段，該井段全角變化率保持穩(wěn)定，為4.80（°）/30 m，井斜變化率為2.39～3.84（ °）/30 m，方位變化率為6.19～2.98（ °）/30 m，工具面為59.72～36.89°，體現(xiàn)出早期增斜少、扭方位多，后期增斜多、扭方位少的特征，即軌跡控制后期對方位調(diào)整的要求越來越低，逐漸演變?yōu)槎S水平井，有利于現(xiàn)場井眼軌跡控制。

表1 井眼軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)Table 1 Well trajectory optimization design data

表2 增斜扭方位井段詳細(xì)數(shù)據(jù)Table 2 Detailed data of buildup azimuth interval

圖3 增斜扭方位井段參數(shù)變化Fig. 3 Parameter change of buildup azimuth interval

另一方面，該井提前靶點(diǎn)90.5 m斜深（10 m垂深）設(shè)置控制點(diǎn)T，在此位置將方位調(diào)整至靶點(diǎn)方位，而此控制點(diǎn)正好位于油頁巖底界，根據(jù)計(jì)算，若在T點(diǎn)可以卡準(zhǔn)油層深度，此時(shí)軌跡尚有較大的垂深調(diào)整空間，向上可以比設(shè)計(jì)垂深高4 m，如圖4藍(lán)色線條所示，向下可以比設(shè)計(jì)低6 m以上，如圖4紫色線條所示，因此現(xiàn)場施工時(shí)一旦確定油頁巖底界之后可以及時(shí)下達(dá)軌跡調(diào)整指令，確保順利鉆達(dá)油層并使得井眼軌跡處于合適位置。

圖4 實(shí)鉆軌跡垂深對比圖Fig. 4 Vertical depth comparison of actual drilling trajectory

JH17P25井實(shí)際增斜扭方位井段1 273.91～1 635.11 m，增斜扭方位井段井斜40.50～76.00°，扭方位井段設(shè)計(jì)軌道和實(shí)鉆軌跡最近距離均小于3.5 m，井眼軌跡符合率高，實(shí)鉆效果好，如圖5所示。同時(shí)實(shí)鉆過程中采取了隨鉆伽馬進(jìn)行地層識別，并根據(jù)長7組油頁巖情況對靶點(diǎn)垂深進(jìn)行調(diào)整，實(shí)鉆A點(diǎn)垂深低于設(shè)計(jì)4.91 m，軌跡控制滿足地質(zhì)油藏需要，實(shí)鉆油層鉆遇率95%，完鉆壓裂后初期產(chǎn)油量12 t/d，取得良好的應(yīng)用效果。

圖5 井眼軌跡水平投影Fig. 5 Horizontal projection of well trajectory

4 結(jié)論與建議

Conclusions and suggestions

（1）基于斜面圓弧法的六段制三維水平井設(shè)計(jì)，通過在靶點(diǎn)前增加一段造斜率較低的單增剖面，形成六段制三維水平井軌道設(shè)計(jì)，為油藏垂深和造斜率不確定提供預(yù)留空間，為三維水平井設(shè)計(jì)和施工提供了借鑒，值得進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

（2）JH17P25井完鉆井深2 235 m，增斜扭方位井段長347 m，方位變化49.30°，實(shí)鉆偏移距425 m，現(xiàn)場施工順利，井眼軌跡符合率高，并且節(jié)約了導(dǎo)眼施工的周期和費(fèi)用，取得了較好的應(yīng)用效果。

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（修改稿收到日期 2017-07-20）

〔編輯 薛改珍〕

Optimization design and application of six-stage 3D horizontal well trajectory

XU Hao1, NIU Hongbo1, NIU Sicheng2, WANG Xiang2, SUN Ronghua3

1. Drilling Technology Research Institute,SINOPEC Shengli Oil field Service Corporation,Dongying257017,Shandong,China;
2. Engineering Technology Research Institute,SINOPEC Huabei oil and gas Co.,Ltd.,Zhengzhou450006,Henan,China;
3. Xinchun Oil Production Plant,SINOPEC Shengli Oil field Company,Dongying257001,Shandong,China

3D horizontal well technology is obviously predominant in solving the limited surface conditions of oil and gas reservoirs, improving the quality of well pattern arrangement, and increasing the overall development efficiency of oil and gas reservoirs. In this paper, four common 3D trajectory calculation models were analyzed, and accordingly the inclined plane circular arc method was selected as the 3D horizontal well calculation model. Then, the form of 3D horizontal well trajectory was optimized and the six-stage horizontal well design method was put forward to overcome two major uncertainty factors, i.e., the vertical depth of oil reservoir and the buildup rate. This method was applied in Well JH17P25, whose total depth is 2 235 m, offset 425 m, adjusting azimuth length 347 m and offset azimuth 49.30°. Its field construction is smooth with high trajectory coincidence rate and the uncertainty of oil reservoir vertical depth is overcome. Obviously, its application effect is good. It provides the valuable experience for the subsequent design and construction of 3D horizontal wells.

3D horizontal well; well trajectory; inclined plane circular arc; vertical depth of oil reservoir; uncertainty

∶

胥豪，牛洪波，牛似成，王翔，孫榮華.六段制三維水平井軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)與應(yīng)用［J］.石油鉆采工藝，2017，39（5）：564-569.

TE22

A

1000 – 7393（ 2017 ）05 – 0564 – 06 DOI∶10.13639/j.odpt.2017.05.006

國家科技重大專項(xiàng)“復(fù)雜地層鉆井提速提效關(guān)鍵工具與裝備”（編號：2016ZX05021-003）；中石化華北分公司“水平井三維軌道設(shè)計(jì)及配套技術(shù)研究”（編號：34550000-14-ZC0613-0037）。

胥豪（1982-），2014年畢業(yè)于長江大學(xué)油氣井工程專業(yè)，現(xiàn)主要從事鉆井工藝研究和特殊工藝井技術(shù)服務(wù)工作，高級工程師。通訊地址（：257017）山東省東營市北一路827號鉆井工藝研究院鉆井所。電話：0546-6383094。E-mail：xuhaoswpu@163.com

: XU Hao, NIU Hongbo, NIU Sicheng, WANG Xiang, SUN Ronghua. Optimization design and application of six-stage 3D horizontal well trajectory［J］. Oil Drilling & Production Technology, 2017, 39(5)∶ 564-569.