目标垂深不确定条件下的水平井轨道设计

孙腾飞，高德利，杜刚，张辉

（1.中国石油大学（北京）石油工程学院，北京 102249；2.中国石油新疆油田公司，新疆 克拉玛依 834000）

目标垂深不确定条件下的水平井轨道设计

孙腾飞1，高德利1，杜刚2，张辉1

（1.中国石油大学（北京）石油工程学院，北京 102249；2.中国石油新疆油田公司，新疆 克拉玛依 834000）

目标垂深不确定在水平井钻井中是普遍存在的情况，这使得水平井井眼准确进入目标窗口的难度大大增加，甚至导致脱靶。文中提出了解决目标垂深不确定时水平井轨道设计问题的基本思路和方法。采用双增型水平井轨道设计出中间稳斜段的最佳稳斜角，在钻进过程中及时发现标志层或油层顶界面等方法，可以解决目标垂深不确定的问题。在前人基础上，同时考虑标志层倾角和储层倾角不平行的情况，对最优稳斜角的计算公式进行了推导，最后采用2个算例进行了验证。

水平井；目标垂深；不确定；轨道设计；双增剖面

水平井钻井技术是在定向井技术基础上发展起来的一项钻井技术［1］。水平井具有扩大油气层裸露面积、提高油气井单井产量、提高油气采收率等特点，对于薄层油气藏、高压低渗透油气藏等特殊油气藏，水平井具有很好的开发效果［2-6］。水平井轨道设计的准确与否十分关键，通常水平井轨道的基本形状有2种：一种是单增轨道，由“直—增—平”三段组成；另一种是双增轨道，由直井段、第一增斜段、稳斜段、第二增斜段和水平段组成，其突出特点是在2段增斜段之间设计了一段稳斜调整段，以调整目标垂深误差造成的轨道偏离［7-10］。在使用导向钻井系统的中、长半径水平井中，常会遇到造斜率确定而目标垂深不确定的情况［8，11-12］，笔者提出了解决目标垂深不确定问题的基本思路和方法。

1 基本思路

韩志勇详细介绍了在目标垂深不确定情况下轨道设计的思路［13-14］。如图1所示，目标垂深不确定是指窗心垂深DΕ可能变化，窗心可能提前到E′点，也可能滞后到E″，实际窗心在E′和E″之间。不管实际窗心如何变化，都要求井眼准确进入窗口。显然，关键在于第二造斜点的选择。自M点第二次造斜钻进至P点，井眼方向完全对准窗心，再稳斜钻进PE段即可进入窗口。当窗心提前到E′点时，选M′点为第二造斜点，此时稳斜段长度等于0，而滑行长度P′E′最长；当窗心滞后到E″点时，选M″为第二造斜点，此时稳斜段长度M′M″最长，而滑行长度等于0。

图1 目标垂深不确定时的轨道设计

式中：δ为标志层或油层顶界面至目标中心线的距离，m；αopt为最优稳斜角，°；αE为储层倾角，°；R2为第二造斜段曲率半径，m。

但是式（1）只是为了现场计算简便而使用的，与实际最优值之间会有一定的误差，因此，本文利用韩志勇的设计思路对最优稳斜角的计算公式进行了重新推导，同时考虑了标志层倾角和储层倾角不平行的情况以及测斜工具距钻头的长度，以期得到可靠的、可现场使用的实际最优井眼轨道设计参数。

M点最好选在油层顶界面或油层之上的标志层的下界面，由于油层厚度或标志层距油层的距离变化很小，所以在钻进过程中，根据录井或测井资料，只要钻遇油层顶界或标志层，就可准确判断窗心垂深。另外要选择一个最优稳斜角αopt，使得不管M点在何处出现，从M点第二次造斜都可以在给定的造斜率下准确钻达P点，并使井眼方向对准窗心。

韩志勇在设计目标垂深不确定的水平井轨道时，采用的最优稳斜角计算公式为［15］

2 轨道设计

2.1 目标层和标志层不平行时轨道设计

如图1所示，中间稳斜段长度M′B=M′M+MB，

其中

又因为MN=EE′，所以

式中：αM为标志层井斜角，°；ρ为测斜工具距钻头的长度，m；DE为窗心垂深，m；DE′为窗心可能提前的垂深，m。

根据

化简得

式中：PE为滑行段的长度，m；αE为目标层倾角，°。

因为M′B′－M′B=BB′=MM″=M′M，所以

再由式（2）可得滑行长度PE：

目标层和标志层不平行时轨道剖面如图2所示，从图2可得

式中：δ为目标层中点与标志层界面之间的垂直距离，m；L为钻头进入标志层时与标志层的交点到靶点垂线与标志层交点的距离，m。

联立式（8）和式（9），化简得

图2 目标层和标志层不平行时的轨道剖面

将式（7）代入式（10）即可得到αopt的计算式，然后再代入式（3）和式（7）就可以得到中间稳斜段和滑行段PE的长度。

2.2 目标层和标志层平行时轨道设计

目标层和标志层平行时轨道剖面如图3所示，从图3可得

联立式（11）和式（12）可得

图3 目标层和标志层平行时的轨道剖面

因为目标层和标志层倾角相同，所以αM=αE，因此式（2）可以表示为

因为MN=EE′，所以

因此稳斜段的长度为

滑行段的长度为

3 算例

给定设计条件：αE=85°，αM=88°，第一造斜段曲率半径R1=214.875 m，造斜率8（°）/30 m，R2=143.25 m，造斜率12（°）/30 m，HE′=2 093.7 m，HE=2 100 m，HE″=2 106.3 m，δ=8 m。

目标层和标志层不平行时，轨道设计结果如下：

αopt=72.98°，PE=23.32 m，M′B=32.29 m。

目标层和标志层平行时，轨道设计结果如下：

αopt=71.7°，PE=21.31 m，M′B=30.43 m。

4 结束语

针对目标垂深不确定的情况，笔者提出了解决目标垂深不确定问题的基本思路和方法。通过对已有计算模型的改进，在新的计算模型中考虑了标志层的倾角和储层倾角是否平行的情况，并且推导出了最优稳斜角的计算公式。

［1］ 王清江，毛建华，曾明昌.定向钻井技术［M］.北京：石油工业出版社，2009：241.

［2］ Karlsson H，Cobbley R，Jaques G E.New developments in short-，medium-，and long-radius lateral drilling［R］.SPE 18706，1989.

［3］ 熊有全，刘明国，时国林.中原油田水平井技术应用及发展方向［J］.断块油气田，2002，9（3）：68-71.

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［7］ 刘匡晓，魏士军，郭金爱，等.川东北超深水平井轨迹控制方法优选［J］.断块油气田，2011，18（2）：254-256.

［8］ 罗万静，王晓冬，李义娟，等.水平井着陆控制模型探讨［J］.断块油气田，2006，13（6）：55-57.

［9］ 韩志勇.双增形水平井轨道的设计［J］.石油大学学报：自然科学版，1991，15（4）：15-20.

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［13］韩志勇.定向钻井设计与计算［M］.东营：中国石油大学出版社，2007：144-149.

［14］韩志勇.两个不准确条件下的水平井轨道设计［J］.石油大学学报：自然科学版，1993，17（1）：24-30.

［15］张建群，阎铁.用真实圆弧法设计中曲率半径水平井轨道［J］.大庆石油学院学报，1991，15（4）：24-29.

（编辑 赵卫红）

Design of horizontal well trajectory under the uncertainty condition of vertical depth of target

Sun Tengfei1,Gao Deli1,Du Gang2,Zhang Hui1
(1.College of Petroleum Engineering,China University of Petroleum,Beijing 102249,China;2.Xinjiang Oilfield Company, PetroChina,Karamay 834000)

The uncertainty of vertical depth of target exists generally in the drilling of horizontal well,which greatly increases the difficulty of which the wellbore of horizontal well accurately enters into the target window and even misses the target.This paper has put forward the basic ideas and methods of trajectory design of horizontal well to solve the uncertainty of vertical depth of target. Research shows that the problem can be solved by designing the optimal hold angle within middle maintain angle section with bibuild horizontal well and finding the marker bed or the top boundary of oil reservoir during drilling.Based on previous calculation, the calculation of optimal hold angle is derived in this paper.Meanwhile,the inclined conditions of marker bed dip and reservoir dip are considered.At last,the paper uses two examples to conduct the verification.

horizontal well;vertical depth of target;uncertainty;well trajectory design;bibuild profile

国家科技重大专项子课题“复杂结构井轨迹设计与控制一体化”（2011ZX05009-005）；中国石油科技创新基金研究项目“页岩气水平井钻井优化设计研究”（2011D50060310）；国家自然科学基金项目“气体钻井井眼轨迹偏斜机理与控制理论研究”（51174220）

TE22

A

10.6056/dkyqt201204029

2012-01-08；改回日期：2012-05-13。

孙腾飞，男，1986年生，油气井工程专业在读博士研究生，2008年毕业于中国石油大学（华东），主要从事井筒流动、轨道设计与控制方面的研究。E-mail：suntengfei7@sina.com。

孙腾飞，高德利，杜刚，等.目标垂深不确定条件下的水平井轨道设计［J］.断块油气田，2012，19（4）：526-528.

Sun Tengfei，Gao Deli，Du Gang，et al.Design of horizontal well trajectory under the uncertainty condition of vertical depth of target［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2012，19（4）：526-528.