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水平井井眼轨迹控制关键技术探讨 李梦刚 德州石油钻井研究所, 山东 德州 253005 摘 要 在分析了水平井井眼轨迹控制的技术特征的基础上, 结合塔里木盆地塔河油田 AT1- 2H 水 平井、 AT 1- 9H 水平井, 从水平井井身剖面优化设计、 定向侧钻钻具组合选择、 着陆控制技术 包括 工具造斜率的确定原则、 闭合方位控制技术、 稳斜探顶、 矢量进靶 、 水平控制技术 包括加强复合钻 进、 垂向控制留有余地、 动态监控 等几方面对水平井井眼轨迹控制关键技术进行了深入探讨。 关键词 水平井; 井眼轨迹控制; 着陆控制; 水平控制 中图分类号 TE2 文献标识码 B 文章编号 1004 5716 2009 02 0042 03 水平井的井眼轨迹控制技术与普通定向井相比有 类似之处, 但也有显著差异, 体现了水平井轨迹控制的 技术特征。 1 中靶要求高 水平井的靶体通常是三维 靶体, 一个以矩形窗口为前端、 呈水平或近似水平的长 方体或与之接近的几何体 如棱台、 柱体等 , 因此要求 三维中靶, 井眼轨迹不仅要进入靶窗而且还要防止在钻 进水平井段的过程中钻头穿出靶体造成脱靶。 2 摆放 工具面角困难 随着水平井斜井段的延伸, 井眼摩阻随 之增加, 钻具在井眼中的转动困难, 加大了工具面角摆 放的难度。 3 控制难度大 由于地质不确定性、 工具造 斜能力不确定性及测量信息滞后等客观因素的存在, 水 平井的着陆控制和水平井段控制难度较大。 1 水平井井身剖面优化设计 水平井井身剖面优化设计的目的就是降低井眼轨 迹控制的难度、 充分发挥动力钻具和转盘钻具各自的优 势提高钻速、 为钻出平滑规则的井眼提供保障。 水平井井身剖面参数的设计顺序应为 确定水平井 段参数、 选择造斜率、 根据靶前位移确定剖面类型。其 常见井身剖面类型主要有 直- 增- 稳- 增- 平和 直 - 增- 微增- 增- 平两种, 在满足靶前位移的前提下 应尽量选择第二种剖面, 因为该剖面中的微增井段一方 面可通过调整该井段的造斜率和段长弥补工具造斜能 力的偏差, 另一方面可使井眼轨迹更平滑并可减少井下 动力钻具的工作量、 降低作业风险。 AT1- 9H 水平井井身剖面设计如表 1 所示。 2 定向侧钻钻具组合选择 定向侧钻是水平井钻井中的关键环节, 成功侧钻标 志着水平井已经成功了一半。侧钻钻具组合主要有两 种 直螺杆钻具 弯接头 2. 5或 2. 75钻具组合和 单弯螺杆 1. 75 2. 0 或双弯螺杆 1 1. 5钻具 组合。两种钻具组合各有优缺点, 应根据导眼状况合理 选择侧钻钻具组合, 以达到最好的钻进效果。 表 1 AT1- 9H 井井身剖面设计数据 井深 m 井斜 角 方位角 垂深 m 南北坐 标m 东西坐 标 m 造斜率 / 30m 靶 点 0. 000. 00 18. 610. 000. 000. 000. 000 3971. 000. 00 18. 61 3971. 000. 000. 000. 000 4150. 71 47. 92 18. 61 4130. 4867. 1722. 628. 000 4401. 49 73. 00 18. 61 4253. 13272. 3091. 693. 000 4465. 10 90. 00 18. 61 4262. 50331. 71111. 678. 015A 4705. 10 90. 00 18. 61 4262. 50559. 16188. 250. 000B [ 9] 常子恒, 何开平. 复合暂堵- 解堵技术在裂缝型气藏水平井 中的应用[ J] . 石油学报, 2002, 236 41 -44. 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[ 14] 吕军, 许绍营, 危常兵. 广谱屏蔽暂堵技术在大港油田的应 用[ J] . 钻采工艺, 2004, 275 18 -21. 42 西部探矿工程 2009 年第 2 期 直螺杆钻具 弯接头钻具组合具有较大的钻头 偏移 距, 如 2. 5弯 接 头 172mm 直 螺 杆钻 具 6. 65m 的钻头偏移距可达 290mm, 有利于快速地钻出 新井眼, 在实钻中对于规则的 215. 9mm 井眼只需钻 进 7 9m 即可使钻头完全进入新井眼, 但该钻具组合 造斜率不稳定, 不适于长井段钻进。 单弯螺杆或双弯螺杆钻具组合的钻头偏移距较 小, 如 172mm1. 75弯螺杆钻具 6. 65m 的钻头偏移 距只有47mm, 在实钻中对于规则的 215. 9mm 井眼需 钻进 13 15m 才能使钻头完全进入新井眼, 但该钻具 组合造斜率比较稳定, 可以延长侧钻井段的长度, 减少 斜井段钻进的回次。 AT1- 9H 井选择了 直螺杆钻具 弯接头钻具组 合 215. 9mmHJ517G 钻头 172mm 直螺杆钻具 2. 5弯接头 165mm 无磁钻铤 165mm 无磁悬 挂短节 127mm 加重钻杆 127mm 钻杆, 该钻具 组合使用效果理想, 自造斜点 3971. 00m 钻至井深 3978. 00m, 返出的砂样中地层岩性占 80 以上, 判断已 侧钻成功。 3 着陆控制技术 着陆控制是指由直井段末端的造斜点开始到钻至 靶窗 A 点的增斜井段的控制过程。侧钻是着陆控制的 关键, 增斜钻进是着陆控制的主要特征, 矢量进靶是着 陆控制的结 果, 而动态 监控是 着陆控 制的技 术手 段 [ 1- 2] 。 3. 1 工具造斜率的确定原则 为了保证实钻造斜率不低于井身设计造斜率、 防止 因各种因素造成工具实钻造斜率低于其理论值, 同时考 虑实钻造斜率若高于设计造斜率可以通过复合钻进的 方式降低造斜率、 若低于设计造斜率则只有通过更换钻 具组合进行调整等因素, 因此, 应以 略高勿低的原则 选择造斜工具, 即选择工具的理论造斜率应比设计造斜 率高 10 20 。 AT1- 2H 井第一增斜井段设计造斜率为 7. 8/ 30m, 按 略高勿低的原则, 选择工具的造斜率应为 8. 58 9. 36/ 30m, 因此选择了 5LZ172 型 1. 5单弯 螺杆钻具, 其理论平均造斜率为 9. 15/ 30m, 而实钻过 程中平均造斜率 8. 05/ 30m 完全满足施工要求。 3. 2 闭合方位控制技术 在着陆控制中, 一方面要控制井斜, 更重要的是控 制方位, 否则很难使井眼轨迹矢量进靶。水平井设计剖 面是二维剖面, 而实钻剖面则是三维的, 造斜点处的方 位、 闭合方位与设计方位存在一定的偏差, 在增斜钻进 的同时需要扭方位以达到设计方位的要求, 而扭方位的 难易程度与井斜角的大小密切相关, 即井斜角小时扭方 位容易, 井斜角大就会增加扭方位的难度, 因此应早扭 方位, 为矢量进靶奠定基础。 AT 1- 2H 井造斜点 3980. 00m 处井斜角 1. 03, 方 位角 216. 58, 闭合方位角 306. 46 与设计方位角 6. 81 有较大的偏差, 为尽早将方位扭到位, 通过调整工具面 角边增斜 边扭 方位, 钻至 井深 4120. 60m, 井斜 角 27. 30, 方位角 7. 00已基本到位。 AT 1- 9H 井造斜点 3971. 00m 处井斜角 0. 15, 方 位角 295. 73, 闭合方位角 169. 74与设计方位角18. 61 有较大的偏差, 边增斜边扭方位钻至井深4045. 00m, 井 斜角 19. 80, 方位角 18. 60已基本到位。提前控制好闭 合方位角可以大大降低井身轨迹控制的难度, 提高中靶 的成功率。 3. 3 稳斜探顶 由于地质的不确定性、 待钻井眼预测不精确性, 预 测已钻至设计油层垂深但并未钻遇砂岩, 这样就需要稳 斜探顶, 这不但可以保证准确地探得油顶位置, 还能保 证进靶钻进按预定技术方案进行, 提高了井眼轨迹控制 的成功率。 AT 1- 9H 井设计油顶垂深 4258. 50m, 实钻中钻至 井深 4451. 40m, 预测井底垂深 4258. 50m、 井斜角 83. 10 、 方位角 18. 30, 仍未钻遇砂岩, 为保证尽快钻遇砂 顶, 采取小钻压复合钻进与定向降斜钻进相接合的方式 稳斜探顶, 钻至井深 4470. 00m 钻遇砂岩, 而该处垂深 为 4260. 60m、 较设计砂顶垂深低 2. 10m。稳斜探顶不 仅可以尽快钻遇砂顶, 还可为后续的矢量进靶创造了有 利的条件。 3. 4 矢量进靶 矢量进靶是指在进靶钻进过程中不仅要控制钻头 与靶窗平面的交点位置, 而且还要控制钻头进靶时的方 向, 它直观的给出了对着陆点位置、 井斜角、 方位角等状 态参数的综合控制要求。进靶既是着陆控制的终点, 也 是水平控制的起点, 为了在水平井段内钻出优质的井身 轨迹, 因此要求控制好进靶的位置及钻头的方向, 即矢 量进靶。 AT 1- 9H 井稳斜探得砂岩后立即进行全力增斜钻 进, 由于方位已到位, 只考虑井斜, 将工具面角调整至 0 加大钻压进入 A 点, 测深 4475. 02m、 井斜角 86. 20、 方 位角 18. 46、 垂深 4261. 00m、 视位移 350. 00m、 闭合方 位 19. 02, 成功完成了矢量进靶, 为水平控制奠定的坚 实的基础。 4 水平控制技术 水平控制是着陆进靶之后在给定的靶体内钻出整 43 2009 年第 2期 西部探矿工程 个水平井段的过程。稳斜钻进是水平控制的主要特征, 动态监控是水平控制的技术手段[ 3]。 4. 1 加强复合钻进 复合钻进状态比滑动定向钻进状态相比有显著优 点 减少摩阻, 易加钻压; 破坏岩屑床, 清洁井眼; 提高机 械钻速; 提高井眼质量; 增加水平井段的长度。因此, 在 使用具有较高稳平能力的钻具组合的基础上应尽可能 多的采用复合钻进。 AT1- 2H 井、 AT 1- 9H 井在水平井段的钻进过 程中 使 用 的 钻 具组 合 为 215. 9mm 钻 头 172mm1单弯螺杆钻具 165mm 无磁钻铤 165mm 无磁悬挂短节 127mm 无磁承压钻杆 127mm 斜坡钻杆 127mm 加重钻杆 127mm 钻 杆。该钻具组合具有较高的稳平能力, 复合钻进平均造 斜率仅为 1. 20/ 30m, 定向降斜率为 3. 24/ 30m。AT1 - 2H 井、 AT1- 9H 井水平井段复合钻进进尺占整个 水平井段总进尺的比例分别为 77. 1 、 77. 7 。 4. 2 垂向控制留有余地 实钻水平井段井眼轨迹在垂直平面中是一条上下 起伏的波浪线, 钻头位置距靶体上下边界的距离是水平 控制的关键。在增斜或降斜过程中均存在井眼轨迹上 翘或下沉的转折点, 应充分意识到此转折点的存在, 否 则会造成钻头在进行井眼轨迹调整过程中出靶。因此, 在水平控制中应强调垂向控制留有余地, 即保证转折点 处不要出靶, 以留出足够的进尺来确定调整时机, 实施 调控。 在 AT1- 2H、 AT 1- 9H 井水平井段的施工过程 中, 始终坚持 90 原则, 即只有井斜角达到 90 时井眼 轨迹才会出现转折点, 对这一转折点必须保持谨慎的态 度、 引起足够的重视、 做到精确预测, 这样才能为水平井 段轨迹控制留有余地。 4. 3 动态监控 动态监控是贯穿水平控制始终的最重要的技术手 段, 主要是对已钻井段进行计算, 并和设计轨迹进行对 比和偏差认定; 对钻具组合稳平能力和增 降 斜能力进 行分析和评价; 随时分析钻头位置距上、 下、 左、 右 4 个 边界的距离, 并对长距离待钻井段做出是否需要进行调 整、 何时进行调整的判断和决策等。 AT1- 2H、 AT1- 9H 井靶窗半高只有 1. 00m, 在 水平井段为了防止脱靶, 必须实施动态监控, 由于测点 距离钻头 15. 76m, 为了对待钻井眼进行精确预测, 动态 监控时采取了缩短测量间距、 加密测点的方案, 由每 10m 测 1 点加密至 5m 测 1 点。另一方面 SPERRY SUN650 无线随钻测量仪器具有动态测量井斜角、 方位 角的功能, 特别是在定向钻进过程中测得的井斜角、 方 位角数据与静止状态所测数据相近, 这项功能更有利于 对水平井段轨迹的控制。坚持 边钻进、 边测量、 边计 算、 边预测的方法, 确保钻头在靶体内安全运行。 5 结论 1 优化设计的井身剖面可以降低井眼轨迹控制的 难度, 提高水平井的成功率。 2 成功侧钻是水平井井眼轨迹控制的关键, 应根 据导眼状况选择合理的侧钻钻具组合, 确保一次定向成 功。 3 着陆控制和水平控制是水平井井眼轨迹控制的 关键技术, 而工具造斜率的确定、 闭合方位控制、 稳斜探 顶、 矢量进靶、 动态监控等则是水平井井眼轨迹控制的 重要技术手段。 参考文献 [ 1] 苏义脑. 水平井井眼轨迹控制研究浅谈[J]. 钻采工艺, 1992 4. 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T here Gordian tech - niques include how to optimise horizontal well bore profile, how to select sidetrack drilling tool assembly,landing control the principle of tools built -up rates, the technique of closure Azimuth control, drilling the top of the oil layer by maintain angle and how to drill the vectored targets and horizontal control adding composite drillings, how to control vertical displacement and dy - namic control . Key Words horizontal well; well bore trajectory control, landing control; horizontal control 44 西部探矿工程 2009 年第 2 期