水平井井眼軌道設(shè)計(jì)與軌跡控制技術(shù)研究

1、水平井井眼軌道設(shè)計(jì)與軌道控制技術(shù)研究定向井軌道設(shè)計(jì)理論定向井井身軌道的設(shè)計(jì)方法涉及到二維設(shè)計(jì)方法和三維設(shè)計(jì)方法，對(duì)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(jì)方法。其共同的特點(diǎn)就是設(shè)計(jì)出來(lái)的軌道能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)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(gè)含義：設(shè)計(jì)軌道必須滿足現(xiàn)場(chǎng)施工條件的限制；設(shè)計(jì)軌道應(yīng)當(dāng)是滿足各種設(shè)計(jì)要求下的最短軌道；設(shè)計(jì)軌道的鉆柱和摩阻力應(yīng)當(dāng)相對(duì)最小，設(shè)計(jì)出來(lái)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(jì)為二維軌道。即設(shè)計(jì)軌道位于某個(gè)鉛垂平面（過(guò)設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)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(jiǎn)單的井眼軌道模型。用于直井段、水平井段和穩(wěn)斜井段。實(shí)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(diǎn)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(zhǎng)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(duì)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(diǎn)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(zhǎng)度。圖 7-2井眼軌道的圓弧模型（增斜）對(duì)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(diǎn)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(duì)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(jiǎn)化了計(jì)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(diǎn) 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(zhǎng)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(jì)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(jì)有十多種之 多，每一種剖面都需要與之對(duì)應(yīng)的井眼軌道設(shè)計(jì)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(jì)剖面都不具有普遍性。事實(shí)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(shí)際上都是直線的軌道模型，同時(shí)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(jì)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(shí)際上，對(duì)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(duì)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(hào)為奇數(shù)； 圓弧段序號(hào)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(zhǎng)和井斜角。圓弧段特征參數(shù)是曲率半徑和起始點(diǎn)井斜角。且起止點(diǎn)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(wú)論井身剖面有多少個(gè)井段組成，整個(gè)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(gè)特征（關(guān)鍵）參數(shù)。以往選擇穩(wěn)斜段長(zhǎng)度和井斜角作為特征參數(shù)，實(shí)際上這兩個(gè)參數(shù)是可以任選的。所以原設(shè)計(jì)方法只是滿足上述方程的一組特解。這種交互式的設(shè)計(jì)方法避免了盲目的試算和人為因素的干擾，實(shí)現(xiàn)井身剖面的優(yōu)化設(shè)計(jì)。對(duì)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(jìn)行求解。不過(guò)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(duì)求解區(qū)間進(jìn)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(jì)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(lái)共有三類：穩(wěn)斜段長(zhǎng)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(duì)雙圓弧剖面（五段式），傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法是求解第三段穩(wěn)斜段的段長(zhǎng)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(duì)于“ LR求解組合”，下標(biāo)為p的穩(wěn)斜段長(zhǎng)度和下標(biāo)為q的圓弧曲率半徑，計(jì)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(jì)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(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)只有一個(gè)單圓弧，然后就進(jìn)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(zhǎng)半徑水平井。同時(shí)這兩種軌道類型也是水平井最常見(jiàn)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(méi)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(jiàn)， 這兩類軌道設(shè)計(jì)完全可以采用雙增式和緩增式軌道設(shè)計(jì)方法和計(jì)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(shí)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(gè)造斜井段之間保留一個(gè)穩(wěn)斜段或緩增段。這里采用B類和C類井眼軌道設(shè)計(jì)模型進(jìn)行設(shè)計(jì)，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(dòng)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(dòng)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(diǎn)坐標(biāo)（ X， Z）；OTT靶區(qū)半徑J，第一造斜點(diǎn)最大許用造斜率K；1max第一最大穩(wěn)斜角；1max第二造斜點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(zhǎng)。適用于水平位移大的井。“雙增式”軌道剖面具有以下特征：六個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)、六個(gè)關(guān)鍵參數(shù)、九個(gè)約束條件。軌道關(guān)鍵點(diǎn)：井口位置O、第一造斜點(diǎn)位置A、第一造斜點(diǎn)末位置B、第二造斜點(diǎn)位置C、第二造斜點(diǎn)末位置D、靶點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(jì)約束條件：實(shí)際第一造斜率必須小于現(xiàn)場(chǎng)工具的最大造斜能力；第一造斜點(diǎn)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(diǎn)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(shí)際第二造斜率必須小于現(xiàn)場(chǎng)工具的最大造斜能力；第二造斜點(diǎn)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(diǎn)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(jì)要求的井斜角范圍以內(nèi)。結(jié)合通用圓弧形剖面計(jì)算公式（ 7-7），由圖7-7容易得出井眼軌道各個(gè)關(guān)鍵參數(shù)的計(jì)算公式：第一造斜點(diǎn)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(diǎn)曲率半徑：情況（a） 358.11 R1 1145.95 ；情況（ b）716.22 R1 1432.44 ；B點(diǎn)的垂深為： Z = Z + R111sin ；1B點(diǎn)的水平位移為： S = R11（1-cos ）；1B點(diǎn)的測(cè)深為： LBC點(diǎn)的垂深為： Z3= Z + R ；111；C點(diǎn)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(zhǎng)為： LBC32cos13111 ；

16、cos1CZR Z Z R cos點(diǎn)的測(cè)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(diǎn)的垂深為： Z4= Z + R32（sin2-sin ）；113 D點(diǎn)的水平位移為：S= S32+ R （ cos 21cos2） = R1（ 1-cos ） +1（ Z - Z - R311sin1）tan1+ R （cos21cos）；2D點(diǎn)的測(cè)深為： L Z + R +Z R cos1+ R （ ）；Z14D11131cos11221Z -

17、 ZR (sinsin )15第二穩(wěn)斜段DT的長(zhǎng)為： LDT3221 ；cos16T點(diǎn)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(diǎn)的測(cè)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(jì)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(kāi)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(huì)影響井下作業(yè)工具的下入，滿足管材的抗彎曲強(qiáng)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(kuò)大等地層因素對(duì)井眼軌道控制的影響?？紤]井下動(dòng)力鉆具的造斜性能。著陸控制對(duì)剖面設(shè)計(jì)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(shí)鉆造斜率不低于井身設(shè)計(jì)造斜率，為了防止因各種因素造成工具實(shí)鉆造斜率低于其理論預(yù)測(cè)值，要按比理論值高出 10%20%來(lái)選擇造斜工具。先高后低在著陸控制中，實(shí)鉆造斜率若高于井身設(shè)計(jì)造斜率，現(xiàn)場(chǎng)施工控制人員一般總有辦法把她降下來(lái)，但是，若實(shí)鉆造斜率低于井身設(shè)計(jì)

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?yàn)樗枰{(diào)整的造斜率值可能很高，而它對(duì)當(dāng)前的工具是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，或即使技術(shù)上可以實(shí)現(xiàn)，但在現(xiàn)場(chǎng)并無(wú)這種工具儲(chǔ)備。因此在進(jìn)行剖面設(shè)計(jì)時(shí)也必須考慮現(xiàn)場(chǎng)施工中可能出現(xiàn)的問(wèn)題，降低施工難度。寸高必爭(zhēng)在水平著陸控制中，對(duì)高度（垂深）和角度（井斜）的匹配關(guān)系的控制，而高度往往對(duì)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(jìn)靶鉆進(jìn)是按照預(yù)定的技術(shù)方案進(jìn)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(jìn)入角，這給前期的

20、著陸控制設(shè)置了一個(gè)階段控制指標(biāo)。矢量進(jìn)靶矢量進(jìn)靶指在進(jìn)靶鉆進(jìn)中不僅要控制鉆頭與靶窗平面的交點(diǎn)位置，而且還要控制鉆頭進(jìn)靶時(shí)的方向。矢量進(jìn)靶直觀地給出了對(duì)著陸點(diǎn)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(gè)位置矢量。進(jìn)靶不僅是著陸控制的結(jié)束，同時(shí)也是水平控制的開(kāi)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(jìn)靶的要求控制好著陸點(diǎn)位置和進(jìn)靶方向，以免在鉆入水平段不久就被迫過(guò)早地調(diào)整井斜和方位，影響井身質(zhì)量和鉆進(jìn)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(diǎn):能適應(yīng)地質(zhì)、造斜工具不確定性的影響。缺點(diǎn)：井身長(zhǎng)度長(zhǎng)。

21、優(yōu)點(diǎn):井身長(zhǎng)度短。缺點(diǎn)：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(diǎn)是能適應(yīng)地質(zhì)、造斜工具不確定性的影響，通過(guò)探測(cè)確認(rèn)目的層頂部位置后再行著陸進(jìn)入水平段；缺點(diǎn)是井身長(zhǎng)，總進(jìn)尺多。單增剖面的優(yōu)點(diǎn)是井身短，總進(jìn)尺少；但缺點(diǎn)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(qiáng)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(diǎn)的選擇由于造斜點(diǎn)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(kāi)發(fā)水平井造斜點(diǎn)選

22、在 215.9mm 井眼中和地層較為穩(wěn)定的井段，造斜點(diǎn)位于 244.5mm 技術(shù)套管鞋以下 50m 左右。剖面設(shè)計(jì)水平井剖面設(shè)計(jì)（見(jiàn)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(jì)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(zhǎng)點(diǎn)(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(zhǎng)水平段井眼軌跡控制目前國(guó)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(jìn)過(guò)程中的摩阻，達(dá)到水平段延伸鉆進(jìn)的目的。已有水平井水平段長(zhǎng)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(jìn)。長(zhǎng)位移水平段延伸鉆進(jìn)中，由于長(zhǎng)水平段滑動(dòng)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(wú)法實(shí)現(xiàn)有效傳遞鉆壓，滑動(dòng)鉆進(jìn)方式無(wú)法實(shí)現(xiàn)

24、長(zhǎng)水平段的延伸鉆進(jìn)。由于轉(zhuǎn)盤鉆帶動(dòng)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(zhǎng)度高于滑動(dòng)鉆進(jìn)方式可延伸的長(zhǎng)度，因此，長(zhǎng)水平段延伸鉆進(jìn)，盡可能以旋轉(zhuǎn)的鉆井方式完成，水平段鉆進(jìn)主要采用小角度單彎螺桿鉆具加轉(zhuǎn)盤的復(fù)合鉆進(jìn)方式鉆進(jìn)，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(guò)程中易發(fā)生漏失，已鉆井多次發(fā)生井漏，施工重點(diǎn)預(yù)防井漏。易漏層段鉆進(jìn)時(shí)接單根前應(yīng)留有一定的返屑時(shí)間，避免井下巖屑沉積過(guò)多，接好單根后應(yīng)以小排量柔和開(kāi)泵，待正常后再使用鉆進(jìn)排量；鉆進(jìn)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(dòng)壓力，避免或減緩井漏，減輕對(duì)油層的污染。如發(fā)生井漏，應(yīng)及時(shí)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(wú)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(jìn)過(guò)程中要嚴(yán)格短程提下鉆措施，堅(jiān)持短提和長(zhǎng)提相結(jié)合，下鉆遇阻堅(jiān)持劃眼，提鉆遇卡不得硬提， 可采取開(kāi)泵倒劃眼或反復(fù)活動(dòng)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(jìn)。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(shí)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(jìn)100m 應(yīng)單點(diǎn)測(cè)斜一次，軌道控制施工單位須了解監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；鉆至設(shè)計(jì)造斜點(diǎn)位置時(shí)測(cè)一次電子多點(diǎn)，測(cè)量間距 30m，根據(jù)井底實(shí)際水平適時(shí)校核造斜點(diǎn)井深。欠平衡鉆井是儲(chǔ)層保護(hù)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(hù)裂縫性氣藏，可以提高水平段火成巖地層的機(jī)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(fèi)用高，井控風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較高，而液相欠平衡工藝簡(jiǎn)單，且與國(guó)內(nèi)的成熟的基于井下泥漿脈沖式的隨鉆測(cè)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(guò)程中，由于目的層是氣層，采用欠平衡鉆井過(guò)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(cè) 量工具（MWD/LWD）的使用帶來(lái)極大的困難，當(dāng)氣量較多時(shí)，井下數(shù)據(jù)在氣液混合物條件下脈沖信號(hào)衰減速度極快，很難上傳到地面。因此在地面無(wú)法有效檢測(cè)井下鉆頭前進(jìn)情況，對(duì)軌道的掌握比較困難，此種條件下進(jìn)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(chǔ)式井下測(cè)量工具起鉆時(shí)進(jìn)行地面回放判斷井眼軌道狀況，或電子多點(diǎn)測(cè)量工具進(jìn)行間斷性測(cè)量；在較少氣量的條件下可以繼續(xù)使用隨鉆測(cè)量工具（MWD/LWD）或電子多點(diǎn)測(cè)量工具。其中選用的隨鉆測(cè)量工具檢測(cè)的具體參數(shù)如下：泥漿脈沖式隨鉆測(cè)量系統(tǒng)MWD 測(cè)量參數(shù)包括井斜、方位、工具面等，要求全程監(jiān)測(cè)。泥漿脈沖式隨鉆地層

28、評(píng)價(jià)參數(shù)測(cè)量系統(tǒng) LWD：測(cè)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(cè)，密度、孔隙度要求在三開(kāi)著陸段和進(jìn)入水平段200 米以內(nèi)監(jiān)測(cè)。井下環(huán)空壓力隨鉆測(cè)量系統(tǒng) APWD：測(cè)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(chǔ)、地面回放式）要求進(jìn)入水平段前 300 米監(jiān)測(cè)，鉆壓和扭矩參數(shù)要求全程監(jiān)測(cè)。使用 MWD 測(cè)斜儀實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)測(cè)井身參數(shù)（測(cè)深、井斜、方位）及時(shí)處理測(cè)取的參數(shù)，做好入井前的地面檢測(cè)，保證儀器的正常運(yùn)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(duì)五段制剖面直-增-穩(wěn)-增-穩(wěn)進(jìn)行鉆井

29、，造斜率控制在 610/30m，造斜點(diǎn)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(shí)調(diào)整鉆具組合和鉆進(jìn)參數(shù)，加強(qiáng)隨鉆監(jiān)測(cè)，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(cè)量系統(tǒng)控制井眼軌道，鉆進(jìn)參數(shù)根據(jù)造斜率變化及時(shí)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(shí)， 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(dòng)性和懸浮性， 以及時(shí)攜帶出鉆屑，防止卡鉆。水平段延伸鉆

30、壓鉆進(jìn)中存在鉆壓的有效傳遞和攜屑問(wèn)題，施工中應(yīng)根據(jù)井眼狀況，加強(qiáng)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(jiǎn)況2008 年至 2010 年三年來(lái)，克拉美麗氣田水平井鉆井施工井號(hào)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(kāi)進(jìn)入石炭系定向造斜過(guò)程中出現(xiàn)井壁垮塌，填井側(cè)鉆，進(jìn)入主力氣層 30m 后采用 7”尾管固井，四開(kāi)鉆進(jìn) 50m 后鉆遇炭質(zhì)泥巖后，調(diào)整水平井眼方向鉆進(jìn)。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(kāi)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(dòng)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(gè)火山噴發(fā)旋回和六個(gè)火山噴發(fā)期次。在產(chǎn)能建設(shè)實(shí)施過(guò)程中，針對(duì)石炭系火山巖頂界的預(yù)測(cè)精度具有局限性，對(duì)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(chǎng)施工過(guò)程中，根據(jù)地質(zhì)需要，及時(shí)進(jìn)行鉆井軌跡的調(diào)整工作。具體的軌跡調(diào)整情況見(jiàn)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(shí)，石炭系上部3434m-3758m 一套碳質(zhì)泥巖垮塌無(wú)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(jìn)。第二次調(diào)整：10 月 30 日，進(jìn)尺 4154.3m，巖性:灰色凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)泥巖，鉆揭地層氣測(cè)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(shí) A 點(diǎn)海拔-2980m，井斜 81.11， 靶前位移 220.36m，B 點(diǎn)海拔-3075.0m，調(diào)整后 A 點(diǎn)-3000m，垂深校正 3637.42m， 井斜 84.49，靶前位移212.76m，B 點(diǎn)海拔-3040m，垂深校正3678.42m，水平位移 627.59m，第二次調(diào)整時(shí)井底井深 3913.00m，預(yù)測(cè)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(jì)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(lái)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(jì)，在現(xiàn)有井眼軌跡的條件下重修調(diào)整軌道剖面，設(shè)計(jì)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(shí)鉆具對(duì)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(shí)鉆具前進(jìn)、上提下放的摩阻相應(yīng)增大，增加了卡鉆的風(fēng)險(xiǎn)；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(shí)現(xiàn)過(guò)程很難實(shí)現(xiàn)，井下監(jiān)測(cè)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(shí)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(guò)程，出現(xiàn)卡鉆事故。在斜井段回填側(cè)鉆作業(yè)過(guò)程中，鉆進(jìn)過(guò)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(duì)在斜井段回填側(cè)鉆時(shí)必須加強(qiáng)相應(yīng)的井下防碰設(shè)計(jì)和檢測(cè)技術(shù)。調(diào)整軌道設(shè)計(jì)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(diǎn)和設(shè)計(jì)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(jì)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(gè)空間圓弧不位于同一個(gè)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(jì)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(gè)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(jì)的始點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)。設(shè)計(jì)方法由于目標(biāo)點(diǎn)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(guò) T點(diǎn)可以作出井眼軌道的切線。在井眼前進(jìn)的相反方向上,取長(zhǎng)度u確定出 D 點(diǎn)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(diǎn)的坐標(biāo)之后,它與起始點(diǎn) A 的井眼切線構(gòu)成了一個(gè)空間斜平面。在這個(gè)斜平面上設(shè)計(jì)井眼軌道,就將三維問(wèn)題轉(zhuǎn)化成了二維問(wèn)題。如圖 7-18 所示。以起始點(diǎn) A 為原點(diǎn),建立右手直角坐標(biāo)系 A 。 軸指向軌道的前進(jìn)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(diǎn)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(diǎn) A 點(diǎn)、D 點(diǎn)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(jìn)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(shuō)明該剖面不存在。DD1 D上述過(guò)程是在用u 0 確定 D 點(diǎn)位置的條件下進(jìn)行的，因此這種方法是一個(gè)迭代求解過(guò)程。此時(shí)，第二圓弧段新的切線段長(zhǎng)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(duì)于預(yù)先給定的計(jì)算精度 ，若滿足 u u0 ，則迭代計(jì)算結(jié)束。否則， 令u0 u ，重復(fù)上述計(jì)算，直到滿足精度為止。迭代計(jì)算完成后，可分別按以下公式計(jì)算出各井段的長(zhǎng)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(shí)1，當(dāng)彎曲角以“弧度”為單位時(shí)至此，便確定出了調(diào)整設(shè)計(jì)軌道上的關(guān)鍵參數(shù)。軌道計(jì)算在進(jìn)行井眼軌道設(shè)計(jì)

42、時(shí),求得了剖面的關(guān)鍵參數(shù)之后,還需要計(jì)算出諸點(diǎn)的軌道參數(shù)。對(duì)于斜直井段,主要參數(shù)的計(jì)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(jìn)行圓弧井段的軌道計(jì)算。但是,借助于 裝置角來(lái)描述圓弧井段更方便,且具有普適性。為此,需要先計(jì)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(jìn)而,軌道參數(shù)可用下述公式計(jì)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(yàn)證,式(7-30)和式(7-31)滿足如下的井眼曲率計(jì)算公式K2 K2s i n2K （7-33）對(duì)于第二圓弧段的計(jì)算,只需將上述公式的下標(biāo)作相應(yīng)的替換即可。從而計(jì)算出各關(guān)鍵點(diǎn)軌道參數(shù)。應(yīng)對(duì)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(jiǎn)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(diǎn)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(cè)