水平井井眼軌道設(shè)計與軌跡控制技術(shù)研究

1、水平井井眼軌道設(shè)計與軌道控制技術(shù)研究定向井軌道設(shè)計理論定向井井身軌道的設(shè)計方法涉及到二維設(shè)計方法和三維設(shè)計方法，對斜井 井、水平井、大位移井、側(cè)鉆水平井、大曲率半徑、中曲率半徑、短曲率半徑、超短曲率半徑等井型都有相應(yīng)的設(shè)計方法。其共同的特點就是設(shè)計出來的軌道能夠滿足現(xiàn)場的施工要求，卻不能肯定它是一條可行的最優(yōu)軌道。所謂最優(yōu)軌道有以下三個含義：設(shè)計軌道必須滿足現(xiàn)場施工條件的限制；設(shè)計軌道應(yīng)當(dāng)是滿足各種設(shè)計要求下的最短軌道；設(shè)計軌道的鉆柱和摩阻力應(yīng)當(dāng)相對最小，設(shè)計出來的軌道具有最小的井斜變化率和方位變化率。典型的二維井眼軌道模型定向井絕大多數(shù)都設(shè)計為二維軌道。即設(shè)計軌道位于某個鉛垂平面（過設(shè)計方位

2、線）內(nèi)。根據(jù)鉆井工藝技術(shù)要求，一般井眼軌道設(shè)計普遍采用直線與圓弧組成井身結(jié)構(gòu)剖面。但隨之鉆井技術(shù)的發(fā)展，20世紀(jì)80年代出現(xiàn)了懸鏈線和拋物線井身剖面，由于能夠顯著降低鉆柱的摩擦阻力，在大位移井設(shè)計中顯示出優(yōu)越性。據(jù)此可以將二維井眼軌道分為四類：直線、圓弧線、懸鏈線和拋物線。直線模型直線模型是最簡單的井眼軌道模型。用于直井段、水平井段和穩(wěn)斜井段。實際上，直井段、水平井段都是穩(wěn)斜井段的一種特例。直線 AB上任一點M的井眼軌道參數(shù)為（圖7-1所示）：D DMS SLcosA0Lsin（7-1）MA0 式中：L線段 AM 長度。圓弧線模型圖 7-1井眼軌道的直線模型井眼軌道的圓弧線模型用于描述常規(guī)的增

3、斜井段和降斜井段。對于增斜井段：如果給定圓弧井段的曲率半徑R，那么該井段內(nèi)任一點M出的井眼軌道參數(shù)為（圖7-2所示）： 180 LM0DDMRR sin sin A0（7-2）S SMARcos 0cos 式中：L圓弧段AM長度。圖 7-2井眼軌道的圓弧模型（增斜）對于降斜井段：如果給定圓弧井段的曲率半徑R，那么該井段內(nèi)任一點M出的井眼軌道參數(shù)為（圖7-3所示）： 180 L M0DDRR sin sin （7-3）MAS SMARcos 0cos 0 圖 7-3井眼軌道的圓弧模型（降斜）對于公式（7-2）、（7-3），如果把降斜井段的曲率半徑R定義為負(fù)值，則降斜井段公式（7-2）在形式上和增

4、斜井段公式（7-3）完全一致，簡化了計算公式。懸鏈線模型懸鏈線可以減小鉆柱摩擦阻力，提高鉆井鉆深能力，有利于套管下入和居中， 在大位移井中具有顯著的優(yōu)越性。那么該井段內(nèi)任一點 M出的井眼軌道參數(shù)為（圖7-4所示）。1L 1 tanM tan a 0（7-4）DD a X XS M S A aY 0 Y MA0其中：X ln tanM （7-5）Y 1 sin M2式中：L弧段 AM 長度。圖 7-4井眼軌道的懸鏈線模型通用圓弧形剖面及設(shè)計方法通用圓弧型剖面目前各種定向井、水平井及其特殊形狀的井段的井身剖面設(shè)計有十多種之 多，每一種剖面都需要與之對應(yīng)的井眼軌道設(shè)計方法，如水平井普遍采用“雙增剖面

5、”、“三增剖面”，甚至是特殊的拱形、梯形剖面，這些設(shè)計剖面都不具有普遍性。事實上，二維圓弧型井身剖面都是由垂直線段、穩(wěn)斜段、水平段和增斜段及其降斜段組成。而水平段和垂直段實際上都是直線的軌道模型，同時還可以視為是圓弧段的特例。只要我們定義增斜井段的曲率半徑為正、降斜段曲率半徑為負(fù)值，可以給出增斜段和降斜段的等效計算公式。據(jù)此有理由認(rèn)為通用二維圓弧井身剖面為“穩(wěn)斜段增斜段穩(wěn)斜段穩(wěn)斜段增斜段穩(wěn)斜段”這樣的模型（圖7-5所示）。圖 7-5 通用圓弧形剖面示意圖實際上，對于任一種井身剖面，只需要在通用井身剖面中確定出井段數(shù)n和部分特征參數(shù)即可。對于三段式，井段數(shù)目 n=3；五段式（S型、雙增型）井段數(shù)

6、目n=5。如果設(shè)剖面總段數(shù)為n，那么： 穩(wěn)斜段序號為奇數(shù)； 圓弧段序號為偶數(shù)。特征參數(shù)及約束方程穩(wěn)斜段特征參數(shù)是段長和井斜角。圓弧段特征參數(shù)是曲率半徑和起始點井斜角。且起止點的井斜角等于相鄰穩(wěn)斜段井斜角。設(shè)標(biāo)準(zhǔn)井身剖面由n段組成，則： 穩(wěn)斜段數(shù)為（n+1）/2； 圓弧段數(shù)為（n-1）/2； 特征參數(shù)總數(shù)為（3n+1）/2。無論井身剖面有多少個井段組成，整個井身剖面的各井段的垂深和水平位移增量之和應(yīng)該等于總垂深和總水平位移。即：n D D it i1（7-6）it n S Si1即：( n1 ) 2 Lcos ( n1 ) 2sin sin D 2i12i1R2 j2 j 12 j 1t i1j

7、 1（7-7）( n1 ) 2 L2i1sin 2i1 ( n1 ) 2R2 jcos 2 j 1cos 2 j 1 S t i1j 1顯然上述方程組可以最多求解2個特征（關(guān)鍵）參數(shù)。以往選擇穩(wěn)斜段長度和井斜角作為特征參數(shù)，實際上這兩個參數(shù)是可以任選的。所以原設(shè)計方法只是滿足上述方程的一組特解。這種交互式的設(shè)計方法避免了盲目的試算和人為因素的干擾，實現(xiàn)井身剖面的優(yōu)化設(shè)計。對上述方程組的求解常用的方法有兩種：數(shù)值解法和解析解法。數(shù)值方法求解方程組一般采用迭代方法進行求解。不過需要保證迭代格式是收斂的。但是由于約束方程中含有三角函數(shù)，所以方程的根往往不是唯一的，需要對求解區(qū)間進行正確的估算。解析方

8、法求解方程組由于約束方程是階數(shù)最低的方程，故采用直接解析求解方法作為有效，可以直接導(dǎo)出待求參數(shù)的計算公式。由于通用二維圓弧型剖面只有直線和圓弧組成，特征參數(shù)歸結(jié)起來共有三類：穩(wěn)斜段長度L、穩(wěn)斜段井斜角 和圓弧段曲率半徑R，一共構(gòu)成了6種求解組合： LL； RR； ； L； LR； R。如對雙圓弧剖面（五段式），傳統(tǒng)設(shè)計方法是求解第三段穩(wěn)斜段的段長和井斜角，屬于 L組合求解。可以推導(dǎo)出上面6種組合的全部解，對于“ LR求解組合”，下標(biāo)為p的穩(wěn)斜段長度和下標(biāo)為q的圓弧曲率半徑，計算公式如下：L D 0coscosq 1 Sq 10 sinq 1sinq 1 pcosq 1pcosq 1p（7-8）

9、RD 0 cos p S0 sin pqcosq 1pcosq 1p其中：D0 D t( n1 ) 2L2i1cos 2i1( n1 ) 2Rsin sin 2 j2 j 12 j 1（7-9）i1,i( p1 ) 2j 1, j q / 2S S0t( n1 ) 2L2i1sin 2i1( n1 ) 2R2 jcos 2 j 1cos 2 j 1i1,i( p1 ) 2j 1, j q / 2水平井軌道設(shè)計中，其軌道的基本類型有三種，如圖7-6所示： A類、B類和C類三種。圖 7-6水平井軌道形狀的基本類型顯然，A類軌道從造斜點到目標(biāo)點只有一個單圓弧，然后就進入了水平段。A類軌道適用于短半徑

10、和中短半徑水平井。B類軌道和C類軌道適用于中長半徑水平井。同時這兩種軌道類型也是水平井最常見的類型。從軌道形狀上看，B類軌道與二維常規(guī)軌道中的雙增軌道很類似，所不同的僅僅是后者的目標(biāo)段沒有達(dá)到水平而已。C類軌道是在B類軌道的基礎(chǔ)上將穩(wěn)斜段改變成了緩增段。由此可見， 這兩類軌道設(shè)計完全可以采用雙增式和緩增式軌道設(shè)計方法和計算公式。這里考慮到為了滿足后期鉆井施工和采氣工程等順利實施，需要在距離目的層頂部垂直高度20m處且以上井段井斜角必須控制在 60以內(nèi)，必須在兩個造斜井段之間保留一個穩(wěn)斜段或緩增段。這里采用B類和C類井眼軌道設(shè)計模型進行設(shè)計，如圖7-7所示。此外，考慮到工程上常規(guī)定向井造斜率K的

11、取值分兩種：一種是井下動力鉆具造斜井段的造斜率為516/100m之間；第二種是轉(zhuǎn)盤增斜井段造斜率為48/100m；根據(jù)增斜井段曲率半徑R與造斜率K相互依賴，其關(guān)系式為：180 CR K K井下動力鉆具造斜井段：（7-10）180 100R min 358 .1（1m）； R max 180 100 1145 .9（5 m）a16a5轉(zhuǎn)盤增斜井段：R min b 180 1008 716 .2（2m）； R maxb 180 1004 1432 .4（4 m）增斜井段曲率半徑 Ra 358.11，1145.95（情況a）或 Rb 716.22，1432.44（情況b）由于降斜井段的造型率K為26

12、0/100m，由（7-10）可得降斜井段曲率半徑R 954.96，2894.47。c圖7-7為“雙增式”井身軌道示意圖，容易得出其已知條件為：O坐標(biāo)O（ X， Z），靶點坐標(biāo)（ X， Z）；OTT靶區(qū)半徑J，第一造斜點最大許用造斜率K；1max第一最大穩(wěn)斜角；1max第二造斜點最大許用造斜率 K；2max第二最大穩(wěn)斜角，工具可達(dá)造斜率 K , K ；2max12第一造斜點A可選垂深D、D；aminbmin第一層中間套管可選垂深Damax、；Dbmaxcmincmax第二造斜點垂深C可選垂深D、D；dmin第二層中間套管可選垂深DD、；dmax水平位移為S，靶點垂深為Z?！半p增式”井身剖面，“雙

13、增”剖面又稱“直-增-穩(wěn)-增-平”剖面，它由直井段、第一增斜段、穩(wěn)斜段、第二增斜段和水平段組成，它的突出特點是兩增斜段之間有一端較短的穩(wěn)斜調(diào)整段，以調(diào)整由于工具造斜率的誤差造成的軌道偏離。這種剖面井眼曲率變化平緩，施工難度小，達(dá)到的水平延伸段長。適用于水平位移大的井?！半p增式”軌道剖面具有以下特征：六個關(guān)鍵點、六個關(guān)鍵參數(shù)、九個約束條件。軌道關(guān)鍵點：井口位置O、第一造斜點位置A、第一造斜點末位置B、第二造斜點位置C、第二造斜點末位置D、靶點T。圖 7-7直增穩(wěn)增穩(wěn)型軌道剖面軌道關(guān)鍵參數(shù)：第一造斜點垂深Z1、第一造斜率大小K1、第一穩(wěn)斜角大小1、第二造斜點垂深Z3、第二造斜率大小K2、第二穩(wěn)斜角

14、大小2。軌道設(shè)計約束條件：實際第一造斜率必須小于現(xiàn)場工具的最大造斜能力；第一造斜點位置必須在比較穩(wěn)定的適合于造斜的地層層位；第一造斜點末位置必須在地質(zhì)條件適合于下中間套管的層位；第一穩(wěn)斜角必須小于地層允許的最大井斜角；第一穩(wěn)斜段井斜角必須滿足超稠油熱采工藝要求；實際第二造斜率必須小于現(xiàn)場工具的最大造斜能力；第二造斜點位置必須在比較穩(wěn)定的適合于造斜的地層層位；第二造斜點末位置必須在地質(zhì)條件適合于下中間套管的層位；第二穩(wěn)斜角必須小于地層允許和設(shè)計要求的井斜角范圍以內(nèi)。結(jié)合通用圓弧形剖面計算公式（ 7-7），由圖7-7容易得出井眼軌道各個關(guān)鍵參數(shù)的計算公式：第一造斜點曲率半徑：情況（ a） 358.

15、11 R1 1145.95 ，；情況（ b）716.22 R1 1432.44 ；第二造斜點曲率半徑：情況（a） 358.11 R1 1145.95 ；情況（ b）716.22 R1 1432.44 ；B點的垂深為： Z = Z + R111sin ；1B點的水平位移為： S = R11（1-cos ）；1B點的測深為： LBC點的垂深為： Z3= Z + R ；111；C點的水平位移為： S2= R （1-cos11）+（ Z - Z32）tan1= R （1-cos ）11+（ Z3Z - R11sin1）tan ；1Z ZZ ZR cos穩(wěn)斜段BC的長為： LBC32cos13111 ；

16、cos1CZR Z Z R cos點的測深為： L=+C11+3111 ；1cos1第二造斜段CD的垂直分量深度為： LCDy= R （sin22-sin ）；111第二造斜段CD的水平分量深度為： LCDx= R （cos21- cos）；212D點的垂深為： Z4= Z + R32（sin2-sin ）；113 D點的水平位移為：S= S32+ R （ cos 21cos2） = R1（ 1-cos ） +1（ Z - Z - R311sin1）tan1+ R （cos21cos）；2D點的測深為： L Z + R +Z R cos1+ R （ ）；Z14D11131cos11221Z -

17、 ZR (sinsin )15第二穩(wěn)斜段DT的長為： LDT3221 ；cos16T點的水平位移為： S= R1（1-cos 12）+（ Z3Z - R11sin 1）tan + R12（cos - cos）+ Z - Z R (sin sin ) tan；1232212T 點的測深為： L= Z+ R+ Z ZR cos+ R（ ）17+ Z - Z3R (sin22sin )1111 3111 cos2211cos2?？死利悮馓锼骄壍榔拭嬖O(shè)計類型的確定原則及依據(jù)軌道剖面類型的確定原則 充分考慮現(xiàn)有的裝備條件和技術(shù)能力。 在滿足氣藏地質(zhì)開發(fā)要求前提下，減少施工難度，縮短鉆井周期，降低鉆

18、井成本。 水平井固井完井滿足采氣工程的要求。剖面類型的確定依據(jù) 考慮采氣工藝的要求，所選曲率不會影響井下作業(yè)工具的下入，滿足管材的抗彎曲強度要求。 考慮異常壓力、井眼穩(wěn)定性、地層傾角、地層各向異性、井徑擴大等地層因素對井眼軌道控制的影響?？紤]井下動力鉆具的造斜性能。著陸控制對剖面設(shè)計要求略高勿低“略高勿低”主要是指在選擇工具造斜率，為了保證使實鉆造斜率不低于井身設(shè)計造斜率，為了防止因各種因素造成工具實鉆造斜率低于其理論預(yù)測值，要按比理論值高出 10%20%來選擇造斜工具。先高后低在著陸控制中，實鉆造斜率若高于井身設(shè)計造斜率，現(xiàn)場施工控制人員一般總有辦法把她降下來，但是，若實鉆造斜率低于井身設(shè)計

19、造斜率，則不敢保證一定可以把下一段造斜率增上去，尤其是在著陸控制的后一階段，這是因為所需要調(diào)整的造斜率值可能很高，而它對當(dāng)前的工具是無法實現(xiàn)的，或即使技術(shù)上可以實現(xiàn)，但在現(xiàn)場并無這種工具儲備。因此在進行剖面設(shè)計時也必須考慮現(xiàn)場施工中可能出現(xiàn)的問題，降低施工難度。寸高必爭在水平著陸控制中，對高度（垂深）和角度（井斜）的匹配關(guān)系的控制，而高度往往對角度有著某種誤差放大作用，尤其是著陸控制后期以及前期。穩(wěn)斜探頂穩(wěn)斜探頂是克服地質(zhì)不確定的有效方法，它保證可以準(zhǔn)確地探知油頂位置， 并保證進靶鉆進是按照預(yù)定的技術(shù)方案進行，提高了控制的成功率。穩(wěn)斜探頂?shù)臈l件是要在預(yù)定的提前高度上達(dá)到預(yù)定的進入角，這給前期的

20、著陸控制設(shè)置了一個階段控制指標(biāo)。矢量進靶矢量進靶指在進靶鉆進中不僅要控制鉆頭與靶窗平面的交點位置，而且還要控制鉆頭進靶時的方向。矢量進靶直觀地給出了對著陸點位置、井斜角、方位角等狀態(tài)參數(shù)的綜合控制要求，形象地表現(xiàn)為靶窗內(nèi)的一個位置矢量。進靶不僅是著陸控制的結(jié)束，同時也是水平控制的開始。為了在水平段內(nèi)能高效地鉆出優(yōu)質(zhì)的井身軌道，就要按照矢量進靶的要求控制好著陸點位置和進靶方向，以免在鉆入水平段不久就被迫過早地調(diào)整井斜和方位，影響井身質(zhì)量和鉆進效率。剖面類型和造斜率通常水平井著陸之前的井眼軌道主要可分為兩種：雙增和單增剖面（圖 7-8）。優(yōu)點:能適應(yīng)地質(zhì)、造斜工具不確定性的影響。缺點：井身長度長。

21、優(yōu)點:井身長度短。缺點：不能適應(yīng)地質(zhì)、造斜工具不確定性的影響。雙增剖面單增剖面圖 7-8水平井雙增和單增剖面形式示意圖雙增剖面的優(yōu)點是能適應(yīng)地質(zhì)、造斜工具不確定性的影響，通過探測確認(rèn)目的層頂部位置后再行著陸進入水平段；缺點是井身長，總進尺多。單增剖面的優(yōu)點是井身短，總進尺少；但缺點是缺乏適應(yīng)地質(zhì)、造斜工具不確定性的能力?；谝陨系刭|(zhì)和工程因素的綜合考慮，滴西 14、17、18 井區(qū)的水平井井眼選擇適應(yīng)能力強的雙增剖面，以減小摩阻和扭矩，有利于完井管柱下入。剖面參數(shù)的選擇造斜點的選擇由于造斜點受造斜率、地層巖性和復(fù)雜情況的影響，為了有利于造斜和方位控制，克拉美麗氣田石炭系系氣藏開發(fā)水平井造斜點選

22、在 215.9mm 井眼中和地層較為穩(wěn)定的井段，造斜點位于 244.5mm 技術(shù)套管鞋以下 50m 左右。剖面設(shè)計水平井剖面設(shè)計（見表 7-1、圖 7-9）。表 7-1克拉美麗氣田水平井井身剖面設(shè)計數(shù)據(jù)節(jié)井深井斜角方位角垂深位移北坐標(biāo)東坐標(biāo)曲率段長點(m)(d)(d)(m)(m)(m)(m)(d/30m)(m)S0000000013387.490326.183387.4900003387.4923576.9760326.183544.1990.4775.16-50.359.5189.4733616.9760326.183564.19125.11103.94-69.6304043717.4480

23、.44326.183598.01219.15182.07-121.976.1100.4754530.2680.44326.1837331020.68847.97-568.10812.82圖 7-9克拉美麗氣田水平井井身剖面圖長水平段井眼軌跡控制目前國外大位移水平井主要采用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)，并配合減摩降阻工具降低鉆進過程中的摩阻，達(dá)到水平段延伸鉆進的目的。已有水平井水平段長達(dá)1000m， 可以應(yīng)用常規(guī)水平井工具、儀器，在優(yōu)化鉆具結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上完成水平段的延伸鉆進。長位移水平段延伸鉆進中，由于長水平段滑動狀態(tài)產(chǎn)生的大摩阻使得鉆柱提前發(fā)生螺旋彎曲變形，鉆柱自鎖造成無法實現(xiàn)有效傳遞鉆壓，滑動鉆進方式無法實現(xiàn)

24、長水平段的延伸鉆進。由于轉(zhuǎn)盤鉆帶動鉆柱旋轉(zhuǎn)，有效減少鉆柱的摩阻，因此在同等條件下，轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)鉆具組合能夠保證軌道控制的最大延伸長度高于滑動鉆進方式可延伸的長度，因此，長水平段延伸鉆進，盡可能以旋轉(zhuǎn)的鉆井方式完成，水平段鉆進主要采用小角度單彎螺桿鉆具加轉(zhuǎn)盤的復(fù)合鉆進方式鉆進，其中水平段絕大部分井段都可由旋轉(zhuǎn)方式完成。水平井鉆井工藝技術(shù)措施白堊系、侏羅系八道灣組煤層和三疊系孔隙發(fā)育，地層承壓能力低， 鉆井過程中易發(fā)生漏失，已鉆井多次發(fā)生井漏，施工重點預(yù)防井漏。易漏層段鉆進時接單根前應(yīng)留有一定的返屑時間，避免井下巖屑沉積過多，接好單根后應(yīng)以小排量柔和開泵，待正常后再使用鉆進排量；鉆進排量在保證足夠的環(huán)

25、空返速前提下應(yīng)采用較小排量。從多方面盡量減小激動壓力，避免或減緩井漏，減輕對油層的污染。如發(fā)生井漏，應(yīng)及時上提鉆具，采取有效措施，根據(jù)漏失情況，或在鉆井液中加入無滲透堵漏材料，或加入堵漏材料橋塞堵漏，或采用注水泥堵漏等措施。侏羅系八道灣煤層及二疊系、三疊系地層易垮塌，鉆進過程中要嚴(yán)格短程提下鉆措施，堅持短提和長提相結(jié)合，下鉆遇阻堅持劃眼，提鉆遇卡不得硬提， 可采取開泵倒劃眼或反復(fù)活動鉆具等措施提出鉆具，阻卡井段反復(fù)劃眼，確保阻卡井段暢通后方可鉆進。直井段鉆井嚴(yán)格控制井斜和水平位移。鉆地層軟硬交界面或鉆遇斷層附近時要注意調(diào)整鉆井參數(shù)，靈活采用吊打、均勻送鉆等措施，確保井身質(zhì)量合格；直井段、穩(wěn)鞋段

26、每鉆進100m 應(yīng)單點測斜一次，軌道控制施工單位須了解監(jiān)測數(shù)據(jù)；鉆至設(shè)計造斜點位置時測一次電子多點，測量間距 30m，根據(jù)井底實際水平適時校核造斜點井深。欠平衡鉆井是儲層保護和鉆井提速最有效的手段之一。欠平衡鉆井方式可以避免漏失，最大限度保護裂縫性氣藏，可以提高水平段火成巖地層的機械鉆速。欠平衡鉆井方式流體的選擇有氣相，氣液兩相和液相。由于氣體鉆井費用高，井控風(fēng)險相對較高，而液相欠平衡工藝簡單，且與國內(nèi)的成熟的基于井下泥漿脈沖式的隨鉆測量工具（MWD/LWD）系統(tǒng)相匹配，可用常規(guī)的泥漿馬達(dá)，可選擇的余地大。在克拉美麗氣田定向鉆水平井過程中，由于目的層是氣層，采用欠平衡鉆井過程中井筒 內(nèi)必然有

27、氣體流入 井筒，這樣 給定向 用隨鉆測 量工具（MWD/LWD）的使用帶來極大的困難，當(dāng)氣量較多時，井下數(shù)據(jù)在氣液混合物條件下脈沖信號衰減速度極快，很難上傳到地面。因此在地面無法有效檢測井下鉆頭前進情況，對軌道的掌握比較困難，此種條件下進行定向水平井施工應(yīng)采用其他的井下工具，如EMWD 工具或存儲式井下測量工具起鉆時進行地面回放判斷井眼軌道狀況，或電子多點測量工具進行間斷性測量；在較少氣量的條件下可以繼續(xù)使用隨鉆測量工具（MWD/LWD）或電子多點測量工具。其中選用的隨鉆測量工具檢測的具體參數(shù)如下：泥漿脈沖式隨鉆測量系統(tǒng)MWD 測量參數(shù)包括井斜、方位、工具面等，要求全程監(jiān)測。泥漿脈沖式隨鉆地層

28、評價參數(shù)測量系統(tǒng) LWD：測量參數(shù)包括伽瑪，電阻率，密度、孔隙度。伽瑪，電阻率參數(shù)要求全程檢測，密度、孔隙度要求在三開著陸段和進入水平段200 米以內(nèi)監(jiān)測。井下環(huán)空壓力隨鉆測量系統(tǒng) APWD：測量參數(shù)包括井底環(huán)空壓力，鉆頭鉆壓和扭矩。井底環(huán)空壓力（可以使用井下存儲、地面回放式）要求進入水平段前 300 米監(jiān)測，鉆壓和扭矩參數(shù)要求全程監(jiān)測。使用 MWD 測斜儀實時跟蹤監(jiān)測井身參數(shù)（測深、井斜、方位）及時處理測取的參數(shù)，做好入井前的地面檢測，保證儀器的正常運轉(zhuǎn)。造斜段及水平段全程采用可調(diào)彎角導(dǎo)向馬達(dá)，5/6 頭低速大扭矩，彎角地面可調(diào)，初始設(shè)置彎角 1.5 ，對五段制剖面直-增-穩(wěn)-增-穩(wěn)進行鉆井

29、，造斜率控制在 610/30m，造斜點首選可鉆性好三疊系或二疊系地層，其次可選擇可鉆性差的石炭系地層。（5）水平井軌道控制技術(shù)人員必須精心控制軌道，及時調(diào)整鉆具組合和鉆進參數(shù)，加強隨鉆監(jiān)測，保證井眼軌道圓滑和準(zhǔn)確入靶。造斜段井段采用彎螺桿鉆具和隨鉆測量系統(tǒng)控制井眼軌道，鉆進參數(shù)根據(jù)造斜率變化及時調(diào)整。斜井段下入鉆柱應(yīng)充分考慮與上部彎曲井眼的相容性，當(dāng)下入的鉆柱剛度發(fā)生變化時， 要認(rèn)真劃眼，每次劃眼要認(rèn)真分析、制定措施。（7）在大斜度井段容易形成巖屑床，鉆井施工中在井壁穩(wěn)定、井下正常的的前提下，適當(dāng)增大排量和增加短提次數(shù)，泥漿要保持良好的流動性和懸浮性， 以及時攜帶出鉆屑，防止卡鉆。水平段延伸鉆

30、壓鉆進中存在鉆壓的有效傳遞和攜屑問題，施工中應(yīng)根據(jù)井眼狀況，加強短提、分段旋轉(zhuǎn)洗井、通井等工程措施， 確保井眼清潔和井下安全?？死利悮馓锼骄@井施工克拉美麗氣田水平井鉆井施工簡況2008 年至 2010 年三年來，克拉美麗氣田水平井鉆井施工井號如表 7-2 所示。表 7-2 克拉美麗氣田水平井施工井井區(qū)2008 年2009 年2010 年滴西 14 井區(qū)DXHW141（欠）、DXHW142（欠）DXHW143（近）、DXHW144（近）滴西 18 井區(qū)DXHW181（近）DXHW182（近）、DXHW183（欠）DXHW183（側(cè)鉆）、DXHW184（近）、DXHW185（近）、DXHW1

31、86（近）滴西 17 井區(qū)DXHW171（近）滴西 14 井區(qū) 2009 年完成 2 口欠平衡水平井 DXHW141 井、DXHW142 井， DXHW142 井三開進入石炭系定向造斜過程中出現(xiàn)井壁垮塌，填井側(cè)鉆，進入主力氣層 30m 后采用 7”尾管固井，四開鉆進 50m 后鉆遇炭質(zhì)泥巖后，調(diào)整水平井眼方向鉆進。2010 年，上鉆 2 口近平衡水平井 DXHW143 井、DXHW144 井。滴西 18 井區(qū) 2008 年鉆成常規(guī)水井 DXHW181 井，2009 年完成 1 口近平衡水平井 DXHW182 井、欠平衡水平井 DXHW183 井，三開段卡鉆后填井，準(zhǔn)備2010 年側(cè)鉆。2010

32、 年上鉆 3 口近平衡水平井 DXHW184 井、DXHW185 井、DXHW186 井。滴西17 井區(qū)2009 年未上鉆水平井，2010 年上鉆1 口近平衡水平井DXHW171井。軌跡調(diào)整情況克拉美麗氣田石炭系為多火山口、多期次噴發(fā)成因的火山巖與沉積巖交互建造型地層，區(qū)域上以平行不整合、角度不整合沉積反射界面為界限。依據(jù)地層內(nèi)部沉積巖空間分布為格架，參考火山巖噴發(fā)活動的主要期次，主要以不整合面為旋回（段）的劃分標(biāo)志，旋回內(nèi)的爆發(fā)期和間歇期作為劃分噴發(fā)期次依據(jù)，將地層劃分為三個火山噴發(fā)旋回和六個火山噴發(fā)期次。在產(chǎn)能建設(shè)實施過程中，針對石炭系火山巖頂界的預(yù)測精度具有局限性，對巖體的形態(tài)變化以及出

33、水等復(fù)雜情況掌握不夠完善的情況下，在水平井現(xiàn)場施工過程中，根據(jù)地質(zhì)需要，及時進行鉆井軌跡的調(diào)整工作。具體的軌跡調(diào)整情況見圖 7-107-16。圖 7-10DXHW141 井軌跡調(diào)整圖圖 7-11DXHW142 井軌跡調(diào)整圖DXHW142 井第一次調(diào)整：鉆至 3773m 時，石炭系上部3434m-3758m 一套碳質(zhì)泥巖垮塌無法利用，注灰重新側(cè)鉆，調(diào)整后向滴403 井方向重新造斜鉆進。第二次調(diào)整：10 月 30 日，進尺 4154.3m，巖性:灰色凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)泥巖，鉆揭地層氣測值明顯偏低（3000ppm 左右），將該井軌跡向DX1416 井方向調(diào)整。圖 7-12DXHW183 井軌跡調(diào)整圖圖

34、7-13DXHW182 井軌跡調(diào)整圖圖 7-14DXHW144 井軌跡調(diào)整圖圖 7-15DXHW184 井軌跡調(diào)整圖圖 7-16DXHW185 井軌跡調(diào)整圖DXHW185 井，軌跡變更兩次，第一次調(diào)整時 A 點海拔-2980m，井斜 81.11， 靶前位移 220.36m，B 點海拔-3075.0m，調(diào)整后 A 點-3000m，垂深校正 3637.42m， 井斜 84.49，靶前位移212.76m，B 點海拔-3040m，垂深校正3678.42m，水平位移 627.59m，第二次調(diào)整時井底井深 3913.00m，預(yù)測垂深 365.42m，方位角 325.0 井斜 84.0，調(diào)整后軌跡向 DX1

35、804 井，方位 345.0，井斜 86.0在軌跡的調(diào)整工作中，在原有井眼軌道設(shè)計的基礎(chǔ)上改變方位和井斜，在正在鉆井的井眼軌跡條件下突然改變軌跡參數(shù)給后續(xù)定向鉆井施工帶來了很大的影星，鉆井施工難度加大。這里主要體現(xiàn)在：井眼軌道需重新設(shè)計，在現(xiàn)有井眼軌跡的條件下重修調(diào)整軌道剖面，設(shè)計難度加大，剖面的可選擇類型受到極大的限制；造斜工具要重新選擇，同時鉆具對井眼出現(xiàn)的狗腿很難避免，增加了鉆具疲勞損壞的可能性，同時鉆具前進、上提下放的摩阻相應(yīng)增大，增加了卡鉆的風(fēng)險；中途改變軌跡，在有限的靶前位移前提下，定向施工扭方位實現(xiàn)過程很難實現(xiàn)，井下監(jiān)測和控制在短距離內(nèi)不易達(dá)到理想要求。在 2009 年的欠平衡水

36、平井施工中，DXHW142 井和 DXHW183 井受地層認(rèn)識程度不夠，井下復(fù)雜情況頻繁發(fā)生，井下有噴又漏嚴(yán)重，在定向水平井深施工過程，出現(xiàn)卡鉆事故。在斜井段回填側(cè)鉆作業(yè)過程中，鉆進過程中鉆具處于懸空狀態(tài)，極容易重入老井眼，引起井下復(fù)雜，因此對在斜井段回填側(cè)鉆時必須加強相應(yīng)的井下防碰設(shè)計和檢測技術(shù)。調(diào)整軌道設(shè)計模型井眼方向的變化規(guī)律與井下工具的特性、造斜工藝以及控制方法等密切相關(guān)。根據(jù)調(diào)整軌道的特點和設(shè)計要求，考慮到模型應(yīng)具有普遍性，選用由空間圓弧和直線段所組成的井身剖面作為調(diào)整軌道的設(shè)計模型，即 “空間圓弧段直線段空間圓弧段”雙圓弧法。通常,這兩個空間圓弧不位于同一個斜平面內(nèi)(如圖 7-17

37、 所示)。圖 7-17 調(diào)整軌道的數(shù)學(xué)模型約束條件根據(jù)設(shè)計要求和剖面模型,調(diào)整軌道應(yīng)滿足如下約束方程：3 , 3 , 3X X XiTAiTAiTA i1i1i1（7-11）3 Yi Y YTA, 3Z Z ZiTAi1i1方程中 、 、 X 、Y 和 Z 分別表示井斜角、方位角、北坐標(biāo)、東坐標(biāo)和垂深； 、 、X 、Y 和Z 分別為個井段上 、 、 X 、Y 和 Z 的增量；下標(biāo) A 和T 分別表示調(diào)整設(shè)計的始點和目標(biāo)點。設(shè)計方法由于目標(biāo)點的坐標(biāo)和井眼方向是預(yù)先給定的,所以根據(jù)給定的井眼方向,過 T點可以作出井眼軌道的切線。在井眼前進的相反方向上,取長度u確定出 D 點的0位置,其坐標(biāo)為X X

38、DTu0 sinTsinT（7-12）Y YDTu0 s i nTc o sT（7-13）Z Z u0 cos（7-14）DTT確定了 D 點的坐標(biāo)之后,它與起始點 A 的井眼切線構(gòu)成了一個空間斜平面。在這個斜平面上設(shè)計井眼軌道,就將三維問題轉(zhuǎn)化成了二維問題。如圖 7-18 所示。以起始點 A 為原點,建立右手直角坐標(biāo)系 A 。 軸指向軌道的前進方向, 軸在斜平面內(nèi)指向第一圓弧段的內(nèi)法線方向 (即垂直于 軸且指向目標(biāo)點一側(cè)), 軸由右手法則確定,它指向斜平面的法線方向。為敘述方便,設(shè) 、 和 坐標(biāo)軸上的單位坐標(biāo)矢量分別為 a、b、c。由幾何關(guān)系知,矢量 a 和連接點 A 點、D 點的單位矢量

39、d 可分別由式(7-15)和式(7-16)確定。圖 7-18 斜平面內(nèi)的井眼軌道XA sin sinYA sin cosAA（7-15） cosZAd X X/ dDAd Y Y/ d（7-16） DA其中d d Z Z/ dXX2 YD Y 2 ZAZ2DADADA由于c a d ， 所以 c 的方向余弦:c a d d a cXYZc a dYZd ac（7-17）Y ZXZX 其中c c a d d aca dYZ d a 2 a d d a 2 a d d a 2YZzxzxxyxyZXYXY又由于b c a ，a c ，且均為單位矢量，所以b 的方向余弦為式（7-18）。進而，根據(jù)坐

40、標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系，得式（7-19）b c aXYZa cZb c aYZXa cX（7-18）b cZXaaDXYa a cX YaX XDADX bcDXbY YYZDAcZ ZZDA（7-19）根據(jù)圖所示的幾何關(guān)系，第一圓弧的彎曲角為：tan 1 2,當(dāng) 22 2RDD1 D2R 1DD2D ,DD當(dāng) 2R1 2R（7-20）D1式（7-20）應(yīng)滿足 22 2R 0 。如果出現(xiàn)小于零的情況，則說明該剖面不存在。DD1 D上述過程是在用u 0 確定 D 點位置的條件下進行的，因此這種方法是一個迭代求解過程。此時，第二圓弧段新的切線段長度為：u R2tan22（7-21）其中cos2 cosWc

41、osTsinWsinTcos( TW), cosW a cos b1Zsin ，1tanWa aYXb tan1YbtanX1，式中2為第二圓弧段的彎曲角；W、分別為斜直井段W的井斜角和方位角。對于預(yù)先給定的計算精度 ，若滿足 u u0 ，則迭代計算結(jié)束。否則， 令u0 u ，重復(fù)上述計算，直到滿足精度為止。迭代計算完成后，可分別按以下公式計算出各井段的長度L CR 11 1 22 2RDD1 DLW（7-22） u（7-23）L CR 22 2（7-24）其中C 180,當(dāng)彎曲角以“度”為單位時1，當(dāng)彎曲角以“弧度”為單位時至此，便確定出了調(diào)整設(shè)計軌道上的關(guān)鍵參數(shù)。軌道計算在進行井眼軌道設(shè)計

42、時,求得了剖面的關(guān)鍵參數(shù)之后,還需要計算出諸點的軌道參數(shù)。對于斜直井段,主要參數(shù)的計算公式為 B， ， KB K 0 ；X XCBYY LL sinBcosBCBCsinBsinBB（7-25）Z ZCBcosB可以用式(7-19)所表述的基本關(guān)系式進行圓弧井段的軌道計算。但是,借助于 裝置角來描述圓弧井段更方便,且具有普適性。為此,需要先計算出圓弧井段的彎曲角和初始裝置角：L L BA（7-26）1CR1tan 1sin(cosAcos( ) tanAWAtanWW )A（7-27）進而,軌道參數(shù)可用下述公式計算cos cosAcos sinAsin cos1（7-28）sinsin(cos

43、sincoscossin )tg（7-29）tan sin A cosA (cosA cosA cos sinA sin 1 )tg1AAAA1A1KK1(cossinAsin sinAcos cos1)（7-30）sin cos( ) cos sin( )cos 2K K 1A1AA（7-31）1X XsinATsin 1Tcos2 TR sinY YA1112 TT131TR (1 cos)（7-32）AZ ZA其中2122TT3132231T033T sin11AcosAT cos；12AcosAcos1sinAsin1 ；T cos13AcosAsin1sinAcos1T sin；21

44、AsinA ；T cos22AsinAcos1cosAsin1T cos；23AsinAsin1cosAcos1 ；T cos； T sin cos ； T sin sin 。31A32A133A1可以驗證,式(7-30)和式(7-31)滿足如下的井眼曲率計算公式K2 K2s i n2K （7-33）對于第二圓弧段的計算,只需將上述公式的下標(biāo)作相應(yīng)的替換即可。從而計算出各關(guān)鍵點軌道參數(shù)。應(yīng)對軌跡調(diào)整安全鉆井技術(shù)措施防卡技術(shù)措施防止壓差卡鉆（粘卡）：簡化鉆具結(jié)構(gòu)，在保證井底鉆具結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的前提下，盡量少下或不下鉆鋌。防止鍵槽卡鉆：盡量減輕下部鉆具重量，保證在造斜點以下鉆具全部是18斜坡鉆桿；認(rèn)真記錄好遇阻、遇卡位置，結(jié)合測