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        目標(biāo)垂深和造斜率不確定條件下的水平井軌跡設(shè)計

        2012-09-15 01:04:24孫騰飛高德利梁奇敏
        特種油氣藏 2012年4期
        關(guān)鍵詞:斜角石油大學(xué)斜率

        孫騰飛,高德利,張 輝,梁奇敏

        (中國石油大學(xué),北京 102249)

        目標(biāo)垂深和造斜率不確定條件下的水平井軌跡設(shè)計

        孫騰飛,高德利,張 輝,梁奇敏

        (中國石油大學(xué),北京 102249)

        在水平井鉆井中普遍存在工具造斜率和目標(biāo)垂深不準(zhǔn)確的現(xiàn)象,這使水平井井眼準(zhǔn)確進入目標(biāo)窗口的難度大大增加,甚至導(dǎo)致脫靶。由此提出了解決該問題的方法,研究表明:采用雙增型水平井設(shè)計出中間穩(wěn)斜段的最佳穩(wěn)斜角,在鉆進中及時發(fā)現(xiàn)標(biāo)志層或油層頂界面等方法,可以解決目標(biāo)垂深和造斜率不準(zhǔn)確的問題??紤]了標(biāo)志層的傾角和儲層傾角不平行的情況,并推導(dǎo)了整套設(shè)計的計算公式,并通過實例驗證了標(biāo)志層傾角的重要性。

        水平井;目標(biāo)垂深;不確定;軌跡設(shè)計;雙增剖面

        引言

        水平井鉆井技術(shù)是在定向井技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一項鉆井技術(shù)。水平井具有擴大油氣層裸露面積、提高油氣井單井產(chǎn)量、提高油氣采收率等特點,對于薄層油氣藏、高壓低滲透油氣藏等特殊油氣藏水平井具有很好的開發(fā)效果[1]。水平井軌跡設(shè)計的準(zhǔn)確與否十分關(guān)鍵,通常水平井軌跡的基本形狀有2種類型,一種是單增軌跡,由“直—增—平”三段組成,另一種是雙增軌跡,由直井段、第1增斜段、穩(wěn)斜段、第2增斜段和水平段組成,其突出特點是在兩段增斜段之間設(shè)計了一段穩(wěn)斜調(diào)整段,以調(diào)整目標(biāo)垂深誤差造成的軌道偏離。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[2-7]。本文對此情況下的軌跡計算方法進行優(yōu)化。

        1 基本思路

        文獻[8-9]在造斜率、目標(biāo)垂深都不準(zhǔn)確的情況下闡述了水平井軌跡設(shè)計的思路和方法,本文采用該設(shè)計思路,對其設(shè)計方法進行了完善和修正。

        2 軌跡設(shè)計

        2.1 軌跡設(shè)計過程推導(dǎo)

        根據(jù)參考文獻[2],在造斜率和目標(biāo)垂深都不確定的條件下(圖1),中間穩(wěn)斜段的最優(yōu)井斜角公式如下[10]:

        圖1 不確定條件下的軌跡設(shè)計

        式中:αopt為中間穩(wěn)斜段最優(yōu)井斜角,(°);αE為儲層傾角,(°);σ為窗口的半高度,m;kmin為工具的最小造斜率,0.03°/m;kmax為工具的最大造斜率,0.03°/m。

        2.2 軌跡設(shè)計修正

        通過研究發(fā)現(xiàn)以上模型有一定的不足,因為其推導(dǎo)過程是建立在從第2造斜段開始分別以最大和最小造斜率為軌跡上下界的,忽視了其實在第1造斜段也會有工具造斜率的不確定性,同時以上的推導(dǎo)認(rèn)為標(biāo)志層和儲層是平行的而沒有考慮不平行的情況,因此對軌跡的設(shè)計推導(dǎo)進行了改進,改進后的軌跡設(shè)計示意圖如圖2所示。

        圖2 不確定條件下的軌跡修正設(shè)計

        將l10,11,15,13沿著 l9,10方向整體平移,將最大造斜率時軌道和第2造斜段的起點平移到與最小造斜率時軌道第2造斜段的起點重合的位置,因此可以得到:

        根據(jù)幾何關(guān)系 l5,6=l3,5-l2,4-l2,3cos(αoptαa)可以得到:

        又因為l15,18=l5,6/sin(αm-αopt),所以:

        根據(jù)式(3)的推導(dǎo)方法可以得到:

        因為l15,17=l15,18sin(αm-αE),所以:

        由l15,16=l16,17+l15,17,可得:

        式中:αopt為未知的穩(wěn)斜段井斜角,(°);αm為標(biāo)志層的傾角,(°);αE為儲層的傾角,(°)。

        根據(jù)式(9)可以求得在目標(biāo)垂深和造斜率都不確定條件下的最優(yōu)切線段穩(wěn)斜角αopt的大小。

        當(dāng)目標(biāo)垂深滯后,采用最小和最大造斜率分別進入滯后窗口的下界和上界,此時的滑行段為0,根據(jù)圖3可以得到如下計算公式:t

        圖3 軌跡設(shè)計示意圖

        式中:Da為第1造斜點的垂深,m;Se為水平位移,m;l4,10為上界軌跡中間穩(wěn)斜段長度,m;l5,9為下界軌跡中間穩(wěn)斜段長度,m。4個方程4個未知數(shù),因此可以求得2個關(guān)鍵參數(shù)Da和Se。

        再根據(jù)圖4,當(dāng)?shù)?和第2造斜段的預(yù)期造斜率分別為k1和k2時,可以得到以下關(guān)系式:

        圖4 軌跡設(shè)計示意圖

        根據(jù)式(10)~(13)得到的Da和Se,聯(lián)立式(14)和(15)可以得到所需要的參數(shù)l2,4(中間穩(wěn)斜段長度)和l5,E(滑行段長度)。

        至此,已經(jīng)得到了在造斜率和目標(biāo)垂深不確定條件下的軌跡設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù):最優(yōu)切線段穩(wěn)斜角αopt,中間穩(wěn)斜段長度l2,4和滑行段長度l5,E。

        3 算例

        一口水平井進行雙增型水平井井眼軌跡設(shè)計時的設(shè)計參數(shù)為:目標(biāo)井斜角αE=85°,造斜工具最小造斜率 kmin=0.26°/m,最大造斜率 kmax= 0.40°/m。由于地質(zhì)情況比較復(fù)雜,預(yù)計的目標(biāo)窗口中心的垂深HE=2 100 m,因目標(biāo)垂深的不確定性,因此最小可能垂深HE'=2 093.7 m,最大可能垂深HE″=2 106.3 m,儲層厚度σ=4 m。為了能夠精確中靶,根據(jù)式(9)計算得到了最優(yōu)進入角的計算結(jié)果為αopt=57.7°。但在實際鉆井過程中,根據(jù)實測結(jié)果發(fā)現(xiàn)目標(biāo)儲層與標(biāo)志層的傾角相差了1°,即αm=86°,結(jié)果導(dǎo)致采用最初設(shè)計的最優(yōu)穩(wěn)斜角設(shè)計方案時不能精確中靶。經(jīng)過重新計算調(diào)整,當(dāng)最優(yōu)穩(wěn)斜角為αopt=60.38°時,可以精確中靶。因此從實際結(jié)果上可以看出,當(dāng)標(biāo)志層與儲層的傾角只相差1°時,最優(yōu)穩(wěn)斜段的井斜角相差了將近3°,因此儲層和標(biāo)志層的傾角是否相同十分關(guān)鍵,這對準(zhǔn)確進入目標(biāo)窗口有著十分重要的作用。

        4 結(jié) 論

        (1)采用雙增型水平井設(shè)計出中間穩(wěn)斜段的最佳穩(wěn)斜角,在鉆進中及時發(fā)現(xiàn)標(biāo)志層或油層頂界面等方法,可以解決目標(biāo)垂深和造斜率不準(zhǔn)確的問題。

        (2)在前人研究的基礎(chǔ)上,考慮了第1和第2造斜段造斜率不確定性以及標(biāo)志層傾角和儲層傾角不平行的情況對最優(yōu)穩(wěn)斜角的影響,推導(dǎo)出了適應(yīng)性更強的最優(yōu)穩(wěn)斜角計算公式。

        (3)儲層和標(biāo)志層的傾角是否相同十分關(guān)鍵,這對準(zhǔn)確進入目標(biāo)窗口有著十分重要的作用。

        [1]Karlsson H,et al.New developments in Short-Medium-and Long-Radius lateral drilling[R].SPE/IADC Drilling Conference,1989:87-98.

        [2]劉修善,石在虹.水平井軌道實用設(shè)計方法[J].石油鉆采工藝,1994,16(1):5-8.

        [3]韓志勇.雙增形水平井軌道的設(shè)計[J].石油大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,1991,15(4):15-20.

        [4]高興坤,等.勝利油田常見二維水平井軌道設(shè)計[J].石油鉆探技術(shù),1997,25(2):9-11.

        [5]徐德行.水平井地質(zhì)設(shè)計中著陸點和斷點確定技術(shù)研究[J].內(nèi)蒙古石油化工,2011,37(6):92-94.

        [6]任志杰.中曲率水平井入靶設(shè)計與控制技術(shù)[J].特種油氣藏,2006,13(5):82-84.

        [7]佟長海.井身軌道設(shè)計的優(yōu)化計算方法[J].特種油氣藏,2005,12(1):60-62.

        [8]韓志勇.兩個不準(zhǔn)確條件下的水平井軌道設(shè)計[J].石油大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,1993,17(1):24-30.

        [9]蘇義腦.水平井井眼軌道控制[M].北京:石油工業(yè)出版社,2000:172-197.

        [10]韓志勇.定向鉆井設(shè)計與計算[M].東營:中國石油大學(xué)出版社,2007:145-148.

        編輯 張耀星

        TE319

        A

        1006-6535(2012)04-0141-04

        10.3969/j.issn.1006-6535.2012.04.036

        20120209;改回日期:20120320

        國家科技重大專項“復(fù)雜結(jié)構(gòu)井軌跡設(shè)計與控制一體化”(2011ZX05009-005);國家自然科學(xué)基金項目“氣體鉆井井眼軌跡偏斜機理與控制理論研究”(51174220)

        孫騰飛(1986-),男,2008年畢業(yè)于中國石油大學(xué)(華東)石油工程專業(yè),現(xiàn)為中國石油大學(xué)(北京)油氣井工程專業(yè)在讀博士研究生,從事復(fù)雜結(jié)構(gòu)井眼軌跡設(shè)計與控制一體化方面的研究。

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