水平井剖面設(shè)計(jì)(第二章)

1、第二章 水平井剖面設(shè)計(jì)第一節(jié) 水平井剖面的設(shè)計(jì)內(nèi)容1、水平井剖面設(shè)計(jì)原則水平井剖面的設(shè)計(jì)一般依據(jù)下面的幾點(diǎn)：l 根據(jù)地質(zhì)提供的入靶點(diǎn)止靶點(diǎn)三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，計(jì)算水平段長，水平段穩(wěn)斜角及設(shè)計(jì)方位角；l 確定剖面類型，考慮是否需要第一穩(wěn)斜段，并考慮第一次增斜角的范圍；l 確定水平井鉆井方法及造斜率，選擇合適的靶前位移；l 初步計(jì)算井身剖面分段數(shù)據(jù)，根據(jù)水平井剖面設(shè)計(jì)中可供選擇的五個(gè)基本參數(shù)(即造斜點(diǎn)，第一穩(wěn)斜角，第一穩(wěn)斜段長度及第二造斜率)，選擇其中的任意三個(gè)，求出其它兩個(gè)參數(shù)后，再進(jìn)行井身剖面分段數(shù)據(jù)計(jì)算；l 對初選剖面進(jìn)行摩阻、扭矩計(jì)算分析，通過調(diào)整設(shè)計(jì)的基本參數(shù)，選取摩阻及扭矩最小的剖面；l 根

2、據(jù)初定剖面的靶前位移及設(shè)計(jì)方位角，計(jì)算出井口坐標(biāo)，并到施工現(xiàn)場落實(shí)井位；l 復(fù)測井口坐標(biāo)，對設(shè)計(jì)方位角及剖面數(shù)據(jù)進(jìn)行微調(diào)，完成剖面設(shè)計(jì)。2、水平井剖面設(shè)計(jì)的原理和方法2.1 水平段的數(shù)據(jù)計(jì)算假設(shè)水平段入靶點(diǎn)為A點(diǎn)，止靶點(diǎn)為B點(diǎn)，X為南北坐標(biāo)（縱標(biāo))，Y為東西坐標(biāo)（橫標(biāo)）,A點(diǎn)垂深為Ha,B點(diǎn)垂深為Hb(以轉(zhuǎn)盤面為基準(zhǔn)),地質(zhì)提供的三維坐標(biāo)可表示為A點(diǎn)坐標(biāo)（Xa,Yb,Ha）,B點(diǎn)坐標(biāo)(Xb,Yb,Hb)l 水平段垂深(DH)的計(jì)算DH=Hb一Ha若DH>0,說明水平段井斜角amaxp90°。油藏程完井方法若DH=0,說明水平段井斜角amax=90°。井身結(jié)構(gòu)井笛剖面鉆

3、具組合 若DH>0,說明水平段井斜角amaxf90°。地面情況（鉆機(jī)）l 水平段平增(DS的計(jì)算DS=Xb-Xa2+Yb-Ya2 1l 水平段井斜角amax的計(jì)算 amax=90°-atn(DH) DSl 水平段長DL的計(jì)算 DL=DS sinamaxl 設(shè)計(jì)方位角的計(jì)算DY=Yb-Ya,DX=Xb-Xa2.2 增斜段的考慮因素、設(shè)計(jì)方法、數(shù)據(jù)計(jì)算增斜率的確定，首先應(yīng)根據(jù)油藏特性及工程地質(zhì)條件，確定水平井的類型，通常選長半徑水平井,造斜率應(yīng)小于6°/300m；若選中半徑水平井，選斜率應(yīng)大于6°/300m；其次，造斜率的大小要考慮現(xiàn)有造斜工具的能力，

4、并留有適當(dāng)?shù)挠嗟匾员氵M(jìn)行調(diào)節(jié)；第三，造斜率的大小應(yīng)考慮地面因素的影響，當(dāng)?shù)孛鏃l件決定了靶前位移較大時(shí)，則選用較低的造斜率，相反，則選用較高的造斜率；第四,在沒有其它條件限制時(shí)，在現(xiàn)有工具造斜率的范圍內(nèi)，盡可能選用較高的造斜率，根據(jù)水平井摩阻與扭矩分析計(jì)算，在長、中半徑水平井中，造斜率越高則摩阻及扭矩越小。2.3 穩(wěn)斜段設(shè)計(jì)方法,考慮因素及數(shù)據(jù)計(jì)算l 設(shè)計(jì)穩(wěn)斜段的目的設(shè)計(jì)穩(wěn)斜段的目的，首先是在現(xiàn)有工具造斜率不穩(wěn)定的情況下，設(shè)計(jì)穩(wěn)斜段以便用來調(diào)節(jié)井眼軌跡，若施工中第一造斜段造斜率大于設(shè)計(jì)造斜率，則可通過適當(dāng)延長穩(wěn)斜段來解決，反之，若第一增斜段造斜率小于設(shè)計(jì)造斜率，則可通過適當(dāng)縮短穩(wěn)斜段，增加第一增

5、斜段長度，穩(wěn)斜段存在也能比較靈活的調(diào)整進(jìn)入靶點(diǎn)的垂深及水平位移，同時(shí)為調(diào)整井斜角及方位角提供井段，實(shí)現(xiàn)水平井的矢量入靶，其次是在有明顯標(biāo)準(zhǔn)層的情況下，尤其對于中半徑水平探井設(shè)計(jì)穩(wěn)斜段以便有轉(zhuǎn)盤鉆鉆進(jìn)，探明標(biāo)準(zhǔn)層的位置，調(diào)節(jié)入靶垂深，在次，在復(fù)雜地層設(shè)計(jì)穩(wěn)斜段，包括易發(fā)生事故或可鉆性較差，機(jī)械鉆速比較慢的地層，用轉(zhuǎn)盤鉆鉆過這段復(fù)雜地層減少井下復(fù)雜事故發(fā)生，為提高鉆井(速度，縮短鉆井周期，一般將轉(zhuǎn)盤鉆按排在這一段，實(shí)踐表明，這樣效益十分明顯。 2l 穩(wěn)斜角大小的確定實(shí)踐表明，穩(wěn)斜角一般選在40一75°，這樣的目的主要有：第一，若此時(shí)井斜角，方位角不合適，或者實(shí)鉆井眼軌跡與設(shè)計(jì)軌跡偏離較大

6、時(shí)，有較大余地進(jìn)行調(diào)節(jié)，第二，穩(wěn)斜段在垂深且盡量接近標(biāo)準(zhǔn)層，便于采用較大鉆壓和排量，利于巖屑的攜帶。l 穩(wěn)斜段長度的確定穩(wěn)斜段長度的大小主要受下面因素的影響，第一，受地面條件的影響，靶前位移很大時(shí)，應(yīng)適當(dāng)增加穩(wěn)斜段的長度，反之減小。第二，受地下復(fù)雜情況的影響,若需用轉(zhuǎn)盤鉆鉆過這段地層，復(fù)雜地層越厚所需要的穩(wěn)斜段也就越長。第三，數(shù)據(jù)分析的影響，穩(wěn)斜段的最少井段應(yīng)保證能進(jìn)行兩個(gè)測點(diǎn)的測斜，因?yàn)橹挥兄纼牲c(diǎn)的數(shù)據(jù)后,才能確定本趟鉆具組合所用鉆井參數(shù)是否合適，一般穩(wěn)斜段應(yīng)不低于25m。l 造斜點(diǎn)確定造斜點(diǎn)的確定本著由下而上的原則進(jìn)行，同時(shí)還要考慮造斜點(diǎn)應(yīng)避開復(fù)雜地層。l 靶前位移的初定靶前位移的初定依

7、據(jù)是根據(jù)剖面類型及穩(wěn)斜段的確定原則來定，并結(jié)合實(shí)際造斜工具選定造斜率。l 水平井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原則主要是根據(jù)油藏情況及工藝要求，確定完井方法，完井套管尺寸及相應(yīng)的井眼尺寸；然后根據(jù)由內(nèi)到外的原則，按地質(zhì)情況，在滿足工程施工要求的前提下，盡量簡化井身結(jié)構(gòu)，減少套管層次，提高鉆井速度，節(jié)約鉆井成本。在確定技術(shù)套管的尺寸和下深時(shí)，應(yīng)考慮封固造斜段至適當(dāng)?shù)木苯?，防止發(fā)生復(fù)雜情況，所設(shè)計(jì)套管的強(qiáng)度應(yīng)安全經(jīng)濟(jì)，能保證高造斜率情況下套管的順利下入，以上設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮所用鉆機(jī)及設(shè)備的自身能力。第二節(jié) 水平井的剖面設(shè)計(jì)要求與類型水平鉆井技術(shù)與常規(guī)定向鉆井技術(shù)最為不同的兩個(gè)特點(diǎn)是使用的造斜鉆具及

8、其特別的剖面設(shè)計(jì)。造斜井段的剖面設(shè)計(jì)幾乎與選擇最好的定向鉆井承包公 3司一樣重要。單位井身長度的成本最低時(shí)，水平井的長度為最佳長度。水平井在機(jī)械方面的限制主要是鉆井設(shè)備和鉆柱的抗扭和抗拉力的能力。為了達(dá)到可能達(dá)到的最大長度，必須使扭矩和上提拉力為最小，但是由于鉆具在井眼內(nèi)的彎曲和重力決定著水平井的扭矩和上提拉力，因此，最佳設(shè)計(jì)要求選擇使用在鉆井作業(yè)時(shí)不會彎曲的盡可能輕的鉆具。1、剖面設(shè)計(jì)要求可行的最簡單造斜曲線是從造斜點(diǎn)井斜接近零度時(shí)開始，以單一連續(xù)的弧鉆進(jìn)到90°井斜的單一均勻曲線。如果馬達(dá)造斜鉆具增斜特性的變化小于水平目標(biāo)區(qū)的容許誤差，那么這一設(shè)計(jì)便是最佳設(shè)計(jì)。但是，大多數(shù)馬達(dá)造

9、斜鉆具增斜特性的變化和誤差都大大地超過水平目標(biāo)區(qū)的允許誤差。為了補(bǔ)償這些變化和誤差，就有必要在造斜井段設(shè)計(jì)增加一段調(diào)節(jié)用的斜直井段。設(shè)計(jì)造斜曲線首先要確定水平目標(biāo)區(qū)。為了解決氣錐和（或）水錐的水平井，以距油氣和（或）油水界面一定距離的垂直深度為目標(biāo)區(qū)鉆一真正的水平井效果可能最好。對這一類目標(biāo)區(qū)，設(shè)計(jì)井斜角為90°。多數(shù)普通類型的水平目標(biāo)區(qū)要貫穿油藏的某一特定構(gòu)造位置。對解決錐的應(yīng)用，這一位置可能是油藏的底部或者頂部，也可能是保證從該深度開始通過水壓裂縫與油藏完全相通的一個(gè)特定位置?！八健蹦繕?biāo)區(qū)在這種情況下就不是水平的，而是要求沿此構(gòu)造位置鉆進(jìn)的井眼軌跡。按照水平井段靶區(qū)設(shè)計(jì)的不同要

10、求，水平井段分為以下幾類：l 傾斜靶區(qū)剖面；l 垂直靶區(qū)剖面；l 蛇形剖面；l 構(gòu)造位置靶區(qū)剖面。造斜曲線的設(shè)計(jì)要使作業(yè)者不需要通過大量的倒換鉆具便能在規(guī)定的限制范圍內(nèi)鉆達(dá)目標(biāo)區(qū)。造斜曲線設(shè)計(jì)必須考慮到以下問題：l 避開復(fù)雜地層造斜；l 曲線末端即造斜結(jié)束時(shí)的位移最?。籰 造斜井段的長度最短；l 有一個(gè)調(diào)整井段以應(yīng)付不理想造斜率的情況；l 利用造斜井段的構(gòu)造標(biāo)記確定最終目標(biāo)區(qū)的深度；l 在目標(biāo)區(qū)的容限之內(nèi)；l 軌跡要能夠保證完成全部水平井段的鉆進(jìn)；l 必須是允許使用所有必需的采油工具和設(shè)備的可完成井眼。某一些特定水平井的最佳造斜率取決于鉆到目標(biāo)區(qū)所需要的方向控制能力，以及避開在復(fù)雜地層造斜的造

11、斜井段高度。便如，水平目標(biāo)區(qū)之上300m的位置為一復(fù)雜地層，這時(shí)大概應(yīng)考慮把造斜點(diǎn)選擇在該地層之下，用余下的高度來確定所需要的造斜率。如果只考慮造斜井段的鉆進(jìn)，那么最佳井眼曲率是可以達(dá)到的最高曲率，由于井眼曲率還影響著所有的后續(xù)作業(yè)，所以需要對高曲率的優(yōu)點(diǎn)和其對以后作業(yè)的影響做出平衡。如果計(jì)劃對整個(gè)水平井段進(jìn)行控制，盡采用可能達(dá)到最大造斜率。采用地面驅(qū)動的方法鉆水平井段時(shí)，應(yīng)把井眼的曲率限制在鉆柱的曲率限制值之內(nèi)。另一種考慮是采用不限制完井時(shí)選擇采油工具和將來采注作業(yè)的井眼曲率。2、水平剖面設(shè)計(jì)類型剖面設(shè)計(jì)基本上是簡單的幾何計(jì)算。造斜曲率可以分為以下三種基本剖面類型：l 單曲率斜直剖面的設(shè)計(jì)單

12、曲率斜直剖面是最老、應(yīng)用最為廣泛的造斜曲線，這類剖面的特點(diǎn)是，整個(gè)曲線由三段組成，造斜由上、下兩個(gè)造斜率相同的造斜井段完成，中間為斜直的穩(wěn)斜井段。這一造斜曲線的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)是：以工程計(jì)劃中計(jì)劃使用的造斜鉆具的最小預(yù)計(jì)造斜率和最短斜直井段來選擇造斜點(diǎn)和計(jì)劃的造斜曲線末端的位置。在設(shè)計(jì)中使用造斜鉆具可能的最小造斜率是關(guān)鍵。這樣就要求造斜鉆具先前已在類似地層使用過，如果是在鄰近地區(qū)使用過則更理想。l 變曲率一斜直剖面變曲率一斜直造斜曲線的設(shè)計(jì)是為了進(jìn)一步控制目標(biāo)的垂直深度。變曲率一斜直造斜曲線的設(shè)計(jì)方法是用上部造斜井段確定的馬達(dá)造斜鉆具組合的實(shí)際造斜能力，但是并不根據(jù)這一造斜率，而是利用比實(shí)際造斜率要低

13、的預(yù)計(jì)造斜率來選擇下部造斜井段的造斜點(diǎn)。這種設(shè)計(jì)最適用于以構(gòu)造位置為目標(biāo)的水平井。尤其是構(gòu)造位置是靠地層的頂層來確定，而這個(gè)頂層是在下部造斜曲率井段內(nèi)，這類水平井采用這種方法設(shè)計(jì)是最有用。l 理想造斜曲率剖面設(shè)計(jì)理想造斜曲率剖面就是沒有斜直井段的彎曲率造斜剖面。鉆這種剖面的水平井，可以使用單斜式的造斜馬達(dá)，除非由于鉆頭壽命的限制。這種設(shè)計(jì)雖然費(fèi)用最低，但它要求單斜式造斜馬達(dá)的的性能變化范圍要小于下部造斜曲率井段所固有的變化。這種方法也許是將來采用的或者可以作為在該地區(qū)的第三口水平井所使用的設(shè)計(jì)。第三節(jié) 水平井雙增形軌道設(shè)計(jì)水平井雙增形軌道設(shè)計(jì)是中、長半徑水平井最常用的設(shè)計(jì)軌道。卡爾森等人提出了

14、設(shè)計(jì)雙增軌道的平行切線法。本文在肯定卡文的思路和方法的同時(shí),指出卡文中計(jì)算切線段井斜角的公式的錯(cuò)誤，并給出了正確的計(jì)算公式。同時(shí)還進(jìn)一步指出了平行切線法的不足之處,從而提出了設(shè)計(jì)雙增軌道的最優(yōu)進(jìn)入法，可使進(jìn)入點(diǎn)與窗口中心重合，同時(shí)給出了計(jì)算公式和算例。水平井軌道的基本形狀有兩類,一類是單增軌道，由“直-增一平”三段組成，增斜段有圓弧形（恒曲率)的，也有懸鏈線等（變曲率)形狀的。另一類是雙增軌道，由“直一增一穩(wěn)一增一平”五段組成，兩次增斜段都是圓弧形。單增軌道多用于對目標(biāo)層位和造斜率掌握較準(zhǔn)確的情況下。雙增軌道則多用于地質(zhì)不確定性較高和對造斜率預(yù)計(jì)不準(zhǔn)確的情況下。單增軌道較易設(shè)計(jì)，雙增軌道的設(shè)計(jì)

15、則較難，而且目前大量鉆進(jìn)的中、長半徑水平井多采用雙增軌道。本文主要論述雙增軌道的設(shè)計(jì)問題。1、雙增軌道的設(shè)計(jì)條件和要求雙增軌道設(shè)計(jì)需要給定有關(guān)目標(biāo)區(qū)、直井段和造斜率等條件及要求。1.1目標(biāo)區(qū)條件水平井鉆進(jìn)的目標(biāo)是在目的層內(nèi)劃出的一個(gè)目標(biāo)區(qū)（如圖2-1所示)，形狀為具有一定長、寬、高的立方體，其長度方向與鉛垂方向有一定夾角，該夾角大小取決于目的層的地層傾角。井眼進(jìn)入目標(biāo)區(qū)的一端，稱為目標(biāo)窗口(圖1中的左端),進(jìn)入窗口的一點(diǎn)稱為進(jìn)入點(diǎn)。最理想的進(jìn)入點(diǎn)應(yīng)與窗口中心（圖中 65點(diǎn)）重合，且沿著目標(biāo)區(qū)的軸線56鉆穿目標(biāo)區(qū)。也就是說，設(shè)計(jì)的目標(biāo)井段應(yīng)該在平行四邊形1234之內(nèi)。通常在設(shè)計(jì)圖上只畫出這個(gè)平行

16、四邊形代表目標(biāo)區(qū)，如圖2所示。圖2給出的目標(biāo)區(qū)設(shè)計(jì)條件也包括：窗頂垂深,目標(biāo)段長，目標(biāo)段井斜角。圖1 水平井目標(biāo)區(qū)1.2直井段條件所有的水平井，自井口開始都要先鉆一個(gè)直井段，然后再造斜。這個(gè)直井段一般是垂直井段，特殊情況下也可以是具有一定井斜角的斜直井段。例如使用斜井鉆機(jī)一開眼就是斜的，鉆出一個(gè)斜直井段，這樣可以縮短造斜井段，因而可以在垂深較小的目的層內(nèi)鉆水平井。在研究設(shè)計(jì)方法和推導(dǎo)計(jì)算公式時(shí)，應(yīng)該考慮通用條件，即直井段井斜角不等于零,推導(dǎo)的公式當(dāng)然適用于井斜角等于零的情況。另外，在老井眼內(nèi)造斜鉆水平井時(shí),老井眼已有一定井斜角，使造斜點(diǎn)處井斜點(diǎn)不等于零。 因此，給定直井段的設(shè)計(jì)條件為直井段井斜

17、角(或選斜點(diǎn)處井斜角)aa。直井段長度和井口位置均是未知的。1.3造斜率條件造斜率的大小是影響軌道形狀的最重要的因素，一般是根據(jù)造斜率(對鉆出的井眼來說就是井眼曲率)大小來對水平井進(jìn)行分類。雙增軌道主要適用于中、長半徑水平井,而短半徑水平井則使用單增軌道。水平井軌道設(shè)計(jì)要求精確地知道實(shí)鉆造斜率。如果設(shè)計(jì)造斜率與實(shí)鉆造斜率不相符，實(shí)鉆軌跡就不可能與設(shè)計(jì)軌道重合，也就不可能準(zhǔn)確鉆達(dá)目標(biāo)。造斜率大小取決于所用的下部鉆具組合、鉆進(jìn)參數(shù)和地質(zhì)因素。一口井實(shí)鉆之前不可能知道實(shí)鉆造斜率的確切數(shù)值， 7這就給設(shè)計(jì)帶來了困難。根據(jù)人們的經(jīng)驗(yàn)、鄰井資料和理論分析,可以預(yù)計(jì)實(shí)鉆造斜率的范圍，即可給出最低造斜率Kx和

18、最高造斜率Ks，實(shí)鉆造斜率必然在最高和最低之間。這就是給定的造斜率條件。綜上所述，給定的設(shè)計(jì)條件有：窗頂垂深,窗底垂深,目標(biāo)段長,目標(biāo)段井斜角，造斜點(diǎn)處井斜角，最小造斜率，最高造斜率共七項(xiàng)參數(shù)。根據(jù)這些條件，要求設(shè)計(jì)出井口位置、造斜點(diǎn)位置以及鉆達(dá)目標(biāo)窗口前的井眼軌道形狀及其有關(guān)參數(shù)。2、平行切線法設(shè)計(jì)雙增軌道2.1卡爾森的設(shè)計(jì)方法美國卡爾森(H.Kar1son)等人提出水平井雙增軌道的設(shè)計(jì)思路和方法，并給出了主要的計(jì)算公式。概括起來，其思路和方法如下:（1）根據(jù)窗底垂深Hx和最小造斜率Kx以及aa和aB,可以設(shè)計(jì)一條單增軌道，如圖2中oa23,此軌道可稱為下界軌道,據(jù)此可以算出造斜點(diǎn)垂深和井口

19、位置。造斜點(diǎn)至窗口的水平位移為：DSB=1719(cosaa-cosaB) （1） Kx造斜點(diǎn)至窗底的垂深增量為：DH2=1719(sinaa-sinaB) （2） Kx造斜點(diǎn)垂深為：Ha=Hx-DH2 （3）圖2平行切線法設(shè)計(jì)雙增軌道(2)根據(jù)造斜點(diǎn)位置和窗頂垂深Hs、最高造斜率Ks且以及aa和aB,可以設(shè)計(jì)一條雙增軌道,如圖2中的oade14，此軌道可稱為上界軌道，其上有一個(gè)切線段(即穩(wěn)斜段)de,該段井斜角為ad。(3)由于實(shí)鉆造斜率Kt在Kx和Ks之間，實(shí)鉆軌跡必然在下界軌道和上界軌道之間,鉆達(dá)目標(biāo)窗口時(shí)的進(jìn)入點(diǎn)必須在窗頂1點(diǎn)和窗底2點(diǎn)之間。所以實(shí)際設(shè)計(jì)的軌道如圖3所示的oabctp，

20、也是一條雙增軌道。這條雙增軌道有一個(gè)顯著特點(diǎn)，即它的切線段bc與上界軌道的切線段de是平行的，其井斜角ab=ad。所以將卡爾森的方法稱為“平行切線法”。 根據(jù)卡文的方法，不管實(shí)鉆造斜率是多大，只要處在Kx和Ks之間，就可以保證鉆達(dá)目標(biāo)窗口內(nèi)。其方法是在實(shí)鉆造斜段時(shí)，盡快取得實(shí)鉆造斜率Kt的準(zhǔn)確值，造斜至井斜角ab=ad時(shí)開始穩(wěn)斜鉆進(jìn)。穩(wěn)斜段bc長度需根據(jù)Kt計(jì)算，鉆至c點(diǎn)時(shí)又第二次造斜即可準(zhǔn)確進(jìn)入目標(biāo)窗口。在鉆進(jìn)中若發(fā)現(xiàn)地層有變化，可以調(diào)整bc段的長度，即改變第二次造斜點(diǎn)的位置，以確保進(jìn)入目標(biāo)窗口。應(yīng)該說，卡文的思路和方法是可取的。2.2 卡文計(jì)算公式的錯(cuò)誤卡文給出了比較詳細(xì)的計(jì)算公式，可是其

21、中最重要的ad和進(jìn)入點(diǎn)垂深Ht的計(jì)算公式是錯(cuò)誤的?？ㄎ脑饺缦拢築URmaxBURmin(Tb-Tt)ù-1éItan=sinêsin(If)-ú K(BUR-BUR)1maxminûëItgt=Tt+K1(11-)sin(If)-sin(Itan) BURexpBURmax將這兩式換用本文的符號，即為：ad=sin-1êsinaB-ëHt=Hs+1719(正確公式應(yīng)為： éKxKs(Hx-Hs)ùú （4） 1719(Ks-Kx)û11-)sinaB-sinadKtKs

22、（5）ad=tg-1êéù1719(Ks-Kx)(cosaa-cosaB)ú(Ks-Kx)(sinaa-sinaB)-KxKs(Hx-Hs)ûë1719 （6） Ht=Hx-1719(cosaa-cosaBù11é-)êsinaB-sinaa-úKxKsëtgadû （7） 卡文中關(guān)于軌道設(shè)計(jì)的其它計(jì)算公式是正確的。但由于（4）的錯(cuò)誤，使得de長度的計(jì)算結(jié)果也是錯(cuò)誤的。de正確的計(jì)算公式是：de=1Hs-Ha-1719(sinaB-sinaa)/Ks （8） cosad2.3

23、 計(jì)算實(shí)例例1 某水平井設(shè)計(jì)條件為：Hx=2800m，Hs=2790m，aB=86o，aa=0o，DLB=450m，Kx=5o/30m，Ks=7o/30m，試設(shè)計(jì)該水平井軌道，并設(shè)Kt=6.5o/30m，求進(jìn)入點(diǎn)垂深Ht。根據(jù)公式（1-3）設(shè)計(jì)下界軌道，求得：DH2=342.96mDSB=319.82mHa-2457.04m根據(jù)公式（6-8）設(shè)計(jì)上界軌道，求得：ad=46.08ode=126.85mHt=2791.92m圖3 平行切線法設(shè)計(jì)示意圖圖4 用最優(yōu)進(jìn)入法設(shè)計(jì)雙增軌道根據(jù)求得的de也可以算出DH2和DLB，其結(jié)果與用式(1)和（2）計(jì)算的結(jié)果完全相同。說明式(6)和（7）是正確的。若用

24、卡文的計(jì)算公式（即本文中的式(4)，(5)計(jì)算則得：ad=63.61o，de=197.93m。由比計(jì)算出的DSB=405.74m，與用公式（1）算的DSB=319.82m相差至遠(yuǎn)，互相矛盾。這個(gè)算例也說明卡文計(jì)算ad的公式是錯(cuò)誤的。3、最優(yōu)進(jìn)入法設(shè)計(jì)雙增軌道3.1 平行切線法存在的問題最理想的進(jìn)入點(diǎn)應(yīng)該與窗口中心重合，即t點(diǎn)應(yīng)于5點(diǎn)重合，設(shè)計(jì)的目標(biāo)井段應(yīng)該與目標(biāo)中心線56重合。在例l中，理想的進(jìn)入點(diǎn)垂深應(yīng)是Ht=2795m，這樣在鉆進(jìn)目標(biāo)段時(shí)，偏出目標(biāo)區(qū)的可能性將減小?？墒?，平行切線法做不到這點(diǎn)。不同的實(shí)鉆造斜率,就有不同的進(jìn)入點(diǎn)。在例l中，Kt=6.5o/30m時(shí),Ht=2791.92m；若

25、Ht=2796.82m，要想得到Ht=2795m必須使Kt=5.83o/30m。顯然，在實(shí)鉆中很難保證Kt=5.83o/30m。所以，平行切線法設(shè)計(jì)雙增仇道，雖然可以保證進(jìn)入點(diǎn)在窗口以內(nèi)，卻無法使進(jìn)入點(diǎn)達(dá)到最優(yōu)。3.2最優(yōu)進(jìn)入法的設(shè)計(jì)方法和計(jì)算公式在設(shè)計(jì)上界軌道和下界軌道以及計(jì)算造斜點(diǎn)和井口位置等方面，最優(yōu)進(jìn)入法都與平行切線法相同。不同之處在于當(dāng)給出實(shí)鉆造斜率Kt以后，設(shè)計(jì)軌道參數(shù)的計(jì)算公式不同。需要計(jì)算的設(shè)計(jì)軌道參數(shù)有ab和bc,計(jì)算公式如下：ab=tg-1êbc=éù3438(Kt-Kx)(cosaa-cosaB)ú （9） (Kt-Kx)(sina

26、a-sinaB)-KxKs(Hx-Hs)ûë34381719(Kt-Kx)(cosaa-cosaB) （10） KxKtsinab最優(yōu)進(jìn)入法設(shè)計(jì)的軌道如圖4所示，顯然，ab¹ad，也就是說最優(yōu)設(shè)計(jì)軌道的切線段與上界軌道切線是不平行的。3.3 計(jì)算實(shí)例例2 某水平井設(shè)計(jì)條件為：Hx=480m，Hs=465m，aa=35o，aB=85o，DLB=500m，Kx=5.5o/30m，Ks=8.5o/30m，試設(shè)計(jì)該水平井軌道，并設(shè)Kt=8o/30m，試求ab和bc。計(jì)算過程從略，符號參看圖4，計(jì)算結(jié)果為：DH2=132.09mHa=347.91mDSB=228.78mad

27、=68.62ode=86.72mab=64.71obc=79.07m4、結(jié)論（1）當(dāng)設(shè)計(jì)中、長半徑水平井時(shí)，若對實(shí)鉆造斜率和目的層位的預(yù)測不夠準(zhǔn)確，則選用雙增形軌道較為合適。（2）卡文等人提出的平行切線法可以保證井眼準(zhǔn)確進(jìn)入目標(biāo)窗口，但他給出的計(jì)算切線法井斜角的公式是錯(cuò)誤的。本文給出了正確的計(jì)算公式，使平行切線法得以完善。（3）最優(yōu)進(jìn)入法能保證在任何造斜率下使進(jìn)入點(diǎn)與目標(biāo)點(diǎn)窗口中心重合，從而使鉆進(jìn)目標(biāo)井段時(shí)偏離目標(biāo)區(qū)的可能性減小，這是它比平行切線法優(yōu)越之處。第四節(jié) 兩個(gè)不準(zhǔn)確條件下的水平井軌道設(shè)計(jì)目標(biāo)垂深的不準(zhǔn)確和工具造斜率的不準(zhǔn)確，在水平井鉆井中是普遍存在的，這使水平井井眼準(zhǔn)確進(jìn)入目標(biāo)窗口的

28、難度大大增加，甚至導(dǎo)致脫靶，本文按照這兩個(gè)不準(zhǔn)確是否存在，提出四種組合情況，并針對每種組合情況提出解決不準(zhǔn)確問題的基本思路和方法，研究表明。應(yīng)用于最低造斜率的曲率半徑和窗底可能滯后的最大垂深來計(jì)算第一造斜點(diǎn)的垂深和窗心水平位移；采用雙增軌道，設(shè)計(jì)出最佳穩(wěn)斜角，在鉆進(jìn)中及時(shí)發(fā)現(xiàn)標(biāo)志層或油層頂界面等方法，可以解決兩個(gè)不準(zhǔn)確問題，本文推導(dǎo)了整套設(shè)計(jì)的計(jì)算公式，并給出了算例。1、問題的提出水平井鉆井的難度之一在于當(dāng)鉆達(dá)目標(biāo)區(qū)時(shí)，不僅要求井眼準(zhǔn)確進(jìn)入目標(biāo)窗口（盡可能擊中窗心），而且要求井眼方向與目標(biāo)段設(shè)計(jì)方向一致，即要求井眼位置與方向雙準(zhǔn)確，但是，在水平井鉆井中普遍存在著目標(biāo)垂深的不準(zhǔn)確和工具造斜率的不

29、準(zhǔn)確。例如，地質(zhì)工作者根據(jù)地震資料預(yù)測的油層深度提出目標(biāo)窗心垂深為2500m，但由于預(yù)測有誤差，假如預(yù)測精度為4，則實(shí)際窗心垂深可能在2490m，也可能在2510m。如果窗口高度為10m，由于目標(biāo)垂深不準(zhǔn)確就有可能使井眼脫靶。關(guān)于工具造斜率不準(zhǔn)確問題，例如，鉆井工作者預(yù)計(jì)某造斜工具的造斜率為8°/30m，從井斜0°增至90°，垂增為215m。但實(shí)際的造斜率可能在7.5°/30m 8.5°/30m內(nèi)變化，實(shí)際垂增在202229m范圍內(nèi)變化。如果規(guī)定窗高為20m，那么光是造斜率的不準(zhǔn)確就可能使井眼脫靶。 當(dāng)然，在某些情況下這兩個(gè)不準(zhǔn)確是不存在的。例

30、如，老井側(cè)鉆的水平井，或先鉆領(lǐng)眼后回填側(cè)鉆的水平井，或在老油田已充分掌握地質(zhì)情況時(shí)鉆的水平井等，均可認(rèn)為目標(biāo)垂深是準(zhǔn)確的。當(dāng)使用導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)可精確控制井眼軌跡時(shí)，可認(rèn)為造斜率是準(zhǔn)確的。但在多數(shù)情況下，這兩個(gè)不準(zhǔn)確是存在的。所以 13在進(jìn)行水平井軌道設(shè)計(jì)時(shí)，就要考慮到施工中遇到這兩個(gè)不準(zhǔn)確時(shí)，如何做到既準(zhǔn)確進(jìn)入目標(biāo)窗口，又使井眼方向與設(shè)計(jì)要求一致。按照這兩個(gè)不準(zhǔn)確是否存在，可以組成四種組合情況；（1）目標(biāo)垂深和造斜率兩個(gè)都準(zhǔn)確；（2）目標(biāo)垂深準(zhǔn)確而造斜率不準(zhǔn)確；（3）目標(biāo)垂深不準(zhǔn)確而造斜率準(zhǔn)確；（4）目標(biāo)垂深和造斜率兩個(gè)不準(zhǔn)確。針對這四種組合情況，研究解決的方法并給出更普遍的計(jì)算公式。2、目標(biāo)垂

31、深和造斜率兩個(gè)都準(zhǔn)確這種情況多見于老井側(cè)鉆的短半徑水平井，也是水平井軌道設(shè)計(jì)中最簡單的情況。如圖5所示，這種情況下最好設(shè)計(jì)成單增軌道。設(shè)計(jì)給定的條件有HE,aa,aE和R。需要設(shè)計(jì)的參數(shù)有Ha,Sa和Sz有關(guān)計(jì)算公式如下：Ha=HE-R(sinaE-sinaa) （11）Sa=H×tgaa （12）SE=Sa+R(cosaa-cosaz) （13）圖5 雙準(zhǔn)確情況下的軌道設(shè)計(jì)式中，HE為預(yù)計(jì)的目標(biāo)窗心垂深；aa為第一造斜點(diǎn)處的井斜角；aE為目標(biāo)井段的井斜角；R為預(yù)計(jì)的造斜段曲率半徑，m；若造斜率K的單位為（°）/30m，則R=1719/K；Ha為第一造斜點(diǎn)垂深；Sa為第一造

32、斜點(diǎn)水平位移；SE為窗心水平位移。在aa=0和aE=90°情況下，上述三式可簡化為：Ha=HE-R;Sa=0;SE=R。3、目標(biāo)垂深準(zhǔn)確而造斜率不準(zhǔn)確3.1基本思路造斜率不準(zhǔn)確。在中、長半徑水平井中大量存在，是指實(shí)際造斜率有個(gè)變化范圍，即KxKKs對應(yīng)的曲率半徑為RxRRs。為了保證在給定的造斜范圍內(nèi)不致脫靶，應(yīng)根據(jù)R和HE設(shè)計(jì)一條雙增軌道求出Ha和SE從而確定造斜點(diǎn)和井口的位置（要注意，這種情況下必須設(shè)計(jì)成雙增軌道）。然后根據(jù)Ha和SE及預(yù)計(jì)的R1和R2設(shè)計(jì)一條雙增軌道，這樣，不管造斜率如何變化，在施工時(shí)只要調(diào)整穩(wěn)斜角和穩(wěn)斜段長度，即可保證進(jìn)靶。設(shè)計(jì)雙增軌道，其設(shè)計(jì)條件中還應(yīng)給出R

33、1和R2。顯然，R1和R2也各有其變化范圍，即RxR1RS1。RxR2RS2。軌道設(shè)計(jì)計(jì)算，有平行切線法和最優(yōu)進(jìn)入法。3.2計(jì)算公式有關(guān)計(jì)算參數(shù)見圖設(shè)計(jì)給定的條件有aa,az,HE,HF,RX,R1,RS1,R2,RS2l 下界軌道計(jì)算公式Ha=HD-RX(sinaE-sinaa)SE=Ha×tgaa+RX(cosaa-cosaE)Ha=HD-RX(sinaE-sinaa)SE=Ha×tgaa+RX(cosaa-cosaE)l 平行切線法公式 （4） （5）H0=HF-Ha+Rs1×sinaa-RSZ×sinaES0=SE-Ha×tgaa+RS

34、1×cosaa+RS2×cosaER0=RS1-RS2 （6） ab=2tgbc=-1H02+S02-R02-H0S0-R0SE-Hatgaa-R1cosaa+R2cosaE+(R1-R2)cosabsinabl 最優(yōu)進(jìn)入法公式H0=HE-Ha+R1sinaa-R2sinaE)S0=SE-Hatgaa-R1cosaa+R2cosaE)R0=R1-R2bc=H02+S02-R02最優(yōu)進(jìn)入法的ab可將式（7）代入式（6）中求得，在上式中，HD為預(yù)計(jì)的窗底垂深；HF為預(yù)計(jì)的窗頂垂深；R1為第一增斜段曲率半徑；R2為第二增斜作曲曲率半徑；RS1為與第一造斜率對應(yīng)的曲率半徑；Rx為與

35、最低造斜率對應(yīng)的曲率半徑；ab為第二種組合情況下穩(wěn)斜角；bc為第二組合情況下穩(wěn)斜段長度；H0，S0和R0皆為計(jì)算中的過渡參數(shù)；其余符號同前。3.3施工要點(diǎn)（1）將式（6）代入式（7），可求得一個(gè)最大穩(wěn)斜段長度。在施工時(shí)，實(shí)際的穩(wěn)斜段長不可超過此值，否則將會脫靶。（2）采用平行切線法施工時(shí)，不管實(shí)際造斜率多大，只要井斜角達(dá)到設(shè)計(jì)的ab，即應(yīng)穩(wěn)斜鉆進(jìn)，但實(shí)際的穩(wěn)斜段長度應(yīng)根據(jù)第一增斜段的實(shí)鉆資料統(tǒng)計(jì)求出R1,代入式（6）中重新計(jì)算，這就是所謂的調(diào)整穩(wěn)斜段長度。（3）當(dāng)采用最優(yōu)進(jìn)入法施工時(shí)，在造斜鉆進(jìn)一段長度后，即應(yīng)根據(jù)實(shí)鉆資料統(tǒng)計(jì)實(shí)鉆造斜率，算出實(shí)際的R1，重新計(jì)算ab和bc，這就是調(diào)整穩(wěn)斜角和穩(wěn)

36、斜段長，以適應(yīng)造斜率的變化。（7）圖6 造斜率不準(zhǔn)確時(shí)的軌道設(shè)計(jì)3.4算例已知：aa=0°，aE=86°，HE=2795m，HF=2790m，HD=2800m，Rx=215m（8°/30m），R1=172m（10°/30m），R2=156m(11°/30m),Rs1=150m(11.46°/30m)，Rs2=143m(12°/30m),括弧里的數(shù)字是對應(yīng)的造斜率。設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果為：Ha=2585.52m，SE=200.00m，用平行切線法得出ab=48.79o,bc=65.70m，用最優(yōu)進(jìn)入法得出ab=49.76o,bc=64

37、.47m，最大穩(wěn)斜段長為85.85m。設(shè)實(shí)鉆時(shí)第一造斜段統(tǒng)計(jì)的造斜率為10.4°/30m，R1=165m。據(jù)此穩(wěn)斜段可調(diào)整為：用平行切線法，bc=68.87m,ab仍為48.79°；用最優(yōu)進(jìn)入法，,bc=70.18m,ab=47.73o。4、造斜率準(zhǔn)確而目標(biāo)垂深不準(zhǔn)確在使用導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的中、長半徑水平井中，常會遇到造斜率準(zhǔn)確而目標(biāo)垂深不準(zhǔn)確的情況。4.1基本思路圖7 目標(biāo)垂深不準(zhǔn)確的軌道設(shè)計(jì)如圖7所示，目標(biāo)垂深不準(zhǔn)確是指窗心垂深HE可能變化，窗心可能提前到E點(diǎn)，也可能滯后到E"，實(shí)際窗心在E和E"之間。不管實(shí)際窗心如何變化，都要求井眼準(zhǔn)確進(jìn)入窗口。顯然，

38、關(guān)鍵在于第二造斜點(diǎn)的選擇。自M點(diǎn)第二次造斜鉆進(jìn)至P點(diǎn)，井眼方向完全對準(zhǔn)窗心，再穩(wěn)斜鉆進(jìn)PE段即可進(jìn)入窗口，PE段稱為滑行長度，就好象飛機(jī)降落時(shí)在跑道之前提前著陸（P點(diǎn)為著陸點(diǎn)），雖方向已對準(zhǔn)跑道，但尚未進(jìn)入跑道，還需滑行PE段長度才能進(jìn)入跑道，當(dāng)窗心提前到E時(shí)，選M為第二造斜點(diǎn)，這時(shí)的穩(wěn)斜段長度等于零，而滑行長度 17PE最長。當(dāng)窗心滯后到E"時(shí)，選M"為第二造斜點(diǎn)，這時(shí)的穩(wěn)斜段長度MM最長，而滑行長度等于零。M點(diǎn)最好選在油層頂界面或油層之上的標(biāo)志層的下界面。由于油層厚度或標(biāo)志層距油層距離變化很小，所以在鉆進(jìn)過程中根據(jù)錄井或測井資料，只要鉆遇油層頂界或標(biāo)志層，就可準(zhǔn)確判斷窗

39、心垂深。另外要選擇一個(gè)最佳穩(wěn)斜角aopt，使得不管M點(diǎn)在何處出現(xiàn)，從M點(diǎn)第二次造斜都可以在給定的造斜率下準(zhǔn)確鉆達(dá)P點(diǎn)，并使井眼方向?qū)?zhǔn)窗心。4.2計(jì)算公式關(guān)于aopt計(jì)算，這里給出一個(gè)很簡單的公式：aopt=aB-cos-1êcos(aB-aE)-ëéú （8） R2ûdù一般情況下，aB=aE于是式（8）變?yōu)椋篴opt=aE-cos-1(1-dR2) （9）當(dāng)aE=90o時(shí)，還可簡化為：aopt=sin-1(1-dR2 （10） )式（8）（10）中，aB為目標(biāo)層傾向與重力線的夾角，為標(biāo)志層或油層頂界面至目標(biāo)中心線的距離，其余符號同

40、前。（1）穩(wěn)斜段長度MM(HX-HE)sinaE （11） MM=sin(aE-aopt)（2）滑行長度PE：PE=(HX-HE)sinaoptsin(aE-aopt) （12）（3）造斜點(diǎn)垂深Ha：Ha=HE-R1(sinaopt-sinaa)-R2(sinaE-sinaopt)-MMcosaopt-PEcosaE18 （13）（4）窗心水平位移SESE=Ha×tgaa+R1(cosaa-cosaopt)+R2(sinaopt-cosaE)+MMsinaopt+PE×sinaE （14）式（18）（21）中，Hs為窗心可能提前的最小垂深，HE為窗心可能滯后的最大垂深，其余

41、符號同前，根據(jù)式（21）計(jì)算的SE可能確定井口位置。4.3施工要點(diǎn)（1）最佳穩(wěn)斜角aopt最根據(jù)第二增斜段的造斜率計(jì)算的，所以要盡可能將R2估計(jì)得準(zhǔn)確些。從第二次造斜開始要盡可能控制造斜率達(dá)到預(yù)定值。（2）當(dāng)?shù)谝辉鲂倍尉苯沁_(dá)到aopt時(shí)，更換鉆具組合穩(wěn)斜鉆進(jìn)，最好隨鉆進(jìn)行測井，同時(shí)注意巖屑錄井，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)標(biāo)志層或油層頂界確定M點(diǎn)。（3）M點(diǎn)確定后，可根據(jù)其垂深HM算出實(shí)際的窗心垂深HE。HE=HM+d/sinaE （15） 再將實(shí)際HE值代入式（19）中修正滑行長度。4.4算例給定設(shè)計(jì)條件：aa=5o,aE=88o,R1=214.875m(8o/30m),R2=143.25m(12o/30m),HE=2100m,HS=2093.7m,HX=2106.3m,d=8m.設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果為：aopt=68.76o,MM=19.11m,PE=17.82m,Ha=1901.26m,SE=385.08m 設(shè)在實(shí)鉆時(shí)，當(dāng)穩(wěn)斜鉆了12.12m時(shí)鉆遇油層頂界，則MM=12.12m。M點(diǎn)垂深可通過計(jì)算得H