宮吉澤，張海山，黃 召

（中海石油（中國(guó)）有限公司上海分公司，上海 20030）

井眼軌跡控制中過(guò)渡井段的研究

宮吉澤，張海山，黃 召

（中海石油（中國(guó)）有限公司上海分公司，上海 20030）

在定向鉆井的鉆進(jìn)過(guò)程中，井眼軌跡控制非常重要，尤其是定向鉆進(jìn)階段和水平井鉆井的水平井段。在這些關(guān)鍵井段，為了精確控制井眼軌跡實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確中靶，需充分考慮眼軌跡的幾何姿態(tài)對(duì)底部鉆具組合（BHA）力學(xué)特性的影響。此文通過(guò)定量計(jì)算，分析了在特定的井眼軌跡幾何參數(shù)下的BHA力學(xué)特性, 提出了一種分析過(guò)渡井段的方法，指導(dǎo)定向井井眼軌跡控制。

定向井；水平井；井眼慣性；軌跡控制；過(guò)渡井段；底部鉆具組合

井眼軌跡控制在定向鉆井的鉆進(jìn)過(guò)程中非常重要，尤其是定向鉆進(jìn)階段和水平井鉆井的水平井段。在鉆井施工作業(yè)中，為了實(shí)現(xiàn)造斜，降斜或穩(wěn)斜等工藝，在鉆進(jìn)過(guò)程中需要調(diào)整工具的造斜率， 現(xiàn)場(chǎng)鉆井過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，調(diào)整后鉆具未能馬上按調(diào)整后的BHA的造斜特性（增斜，降斜或穩(wěn)斜）進(jìn)行鉆進(jìn)，而是會(huì)沿原井眼前進(jìn)趨勢(shì)繼續(xù)鉆進(jìn)一段后，才能實(shí)現(xiàn)按調(diào)整后的造斜特性延伸。另外一種描述是指從一種井眼曲率變化到另一種井眼曲率時(shí)需一定長(zhǎng)度的過(guò)渡井段。這種調(diào)整的滯后現(xiàn)象被稱之為“井眼慣性”[1-2]。

過(guò)渡井段對(duì)井眼軌跡控制影響很重要，尤其是定向鉆井和水平井鉆井過(guò)程中的關(guān)鍵井段，在定向鉆井中的造斜點(diǎn)，增斜結(jié)束點(diǎn)，降斜始點(diǎn)以及水平井的水平鉆進(jìn)階段等需要精確控制井眼的軌跡的井段。特別是薄油層的水平井段，因靶體高度較小而使水平段軌跡控制難度大大增加，如不考慮過(guò)渡井段的影響，很有可能造成出靶。

1 過(guò)渡井段產(chǎn)生的原因分析

BHA的結(jié)構(gòu)決定了它的造斜特性，但是這是在鉆進(jìn)足夠的長(zhǎng)度之后所表現(xiàn)出來(lái)的力學(xué)特性。BHA是在特定的井眼中鉆井的，不同井眼參數(shù)必然會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響，在井眼曲率需要改變的井段，BHA下入之前處于自由彎曲狀態(tài)，下入井中之后彎曲變形受井眼的限制，BHA在鉆頭處產(chǎn)生較大的側(cè)向力和一定的彎角，鉆井過(guò)程中受側(cè)向力的影響，鉆頭產(chǎn)生側(cè)向位移，但是此時(shí)的側(cè)向力所能產(chǎn)生的側(cè)向位移與原來(lái)的BHA所產(chǎn)生的不同，也就造成井眼曲率不斷發(fā)生變化，當(dāng)側(cè)向力不斷趨近于零時(shí)，鉆頭就會(huì)按BHA設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性進(jìn)行鉆進(jìn)。而在此過(guò)程階段就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)過(guò)渡段，此段井眼曲率不斷變化，因此其長(zhǎng)度也很難確定。

以上只是理論分析，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題也說(shuō)明了這一點(diǎn)，比如井眼軌道為三段式的定向井鉆井時(shí)，在造斜結(jié)束需要穩(wěn)斜時(shí)，下入穩(wěn)斜鉆具后會(huì)增斜一段之后才會(huì)穩(wěn)斜。圖1顯示三個(gè)穩(wěn)定器的穩(wěn)斜鉆具組合鉆頭側(cè)向力隨井眼曲率的變化[3]。

圖 1 穩(wěn)斜鉆具組合鉆頭側(cè)向力隨井眼曲率的變化

由圖可知，隨著井眼曲率的增大鉆頭側(cè)向力由近似為零增加到近2 700 N，即此穩(wěn)斜組合在彎曲井眼中表現(xiàn)出略增斜的特性，但是側(cè)向力增斜有限，因?yàn)槠洳蛔憔S持原井眼的曲率，以5°/30 m為例，鉆成此井眼曲率的井眼需要單彎螺桿鉆具，其側(cè)向力大小為14 573.8 N，遠(yuǎn)大于此穩(wěn)斜組合的鉆頭側(cè)向力。所以隨著不斷鉆進(jìn)，井眼曲率逐漸變小至近似為零，此鉆具組合開(kāi)始發(fā)揮穩(wěn)斜作用。

以上討論的是井眼軌跡“由彎變直”的情況，井眼軌跡“由直變彎”時(shí)，以單彎雙穩(wěn)導(dǎo)向鉆具組合為例。如圖 2 所示，此鉆具組合的造斜力隨著井眼曲率的變大急劇變小，說(shuō)明在井眼延伸的過(guò)程中，井眼曲率的變化由強(qiáng)變?nèi)?，直至?cè)向力趨近于零時(shí)，井眼曲率不再變化，此鉆具組合達(dá)到設(shè)計(jì)的造斜特性。

圖 2 單彎雙穩(wěn)鉆具組合鉆頭側(cè)向力隨井眼曲率的變化

2 過(guò)渡井段的計(jì)算

2.1 過(guò)渡井段長(zhǎng)度的確定

無(wú)論井眼軌跡“由彎變直”還是“由直變彎”，分析BHA造斜特性的力學(xué)模型是一樣的，所以過(guò)渡段的計(jì)算是相同的。管柱力學(xué)分析中認(rèn)為BHA上部鉆具與井眼下井壁相切，切點(diǎn)以上鉆柱對(duì)BHA的力學(xué)特性影響不大[4]，由此推論，過(guò)渡段的長(zhǎng)度近似等于切點(diǎn)以下鉆具的長(zhǎng)度（如圖3所示），此切點(diǎn)長(zhǎng)度可由加權(quán)余量或其它方法計(jì)算而得。值得注意的是，根據(jù)BHA造斜率的預(yù)測(cè)原理，鉆頭側(cè)向力為零時(shí)計(jì)算的井眼曲率為設(shè)計(jì)的造斜率，此時(shí)切點(diǎn)長(zhǎng)度才是過(guò)渡段的長(zhǎng)度。

圖 3 過(guò)渡井段示意圖

2.2 過(guò)渡井段井斜角分析

過(guò)渡段的井眼曲率是變化的，由原井眼曲率經(jīng)過(guò)過(guò)渡段后變?yōu)楹笙氯氲腂HA的井眼曲率，井眼曲率連續(xù)變化，經(jīng)過(guò)過(guò)渡段后的井斜角的推導(dǎo)過(guò)程如下。

如圖 4 所示，由于井眼曲率是連續(xù)變化，已知原井眼的井眼曲率K1和調(diào)整后的井眼曲率K2，可得出井眼曲率的變化率為：

則任意弧長(zhǎng)為s的X點(diǎn)處的井眼曲率為：

圖 4 過(guò)渡井段井斜變化示意圖

單位長(zhǎng)度變化的井斜角為：

式中：α1為過(guò)渡段起點(diǎn)的井斜角，(°)； α2為過(guò)渡段末點(diǎn)的井斜角，(°)；K1為原井眼的井眼曲率，(°) /30 m；ΔK為井眼曲率變化率，(°) /30 m2；K2為調(diào)整后的井眼曲率，(°) /30 m；L為過(guò)渡段的長(zhǎng)度，m。

在定向井鉆井施工過(guò)程中，需要精確控制井眼軌跡，在需要調(diào)整井眼曲率的情況下，就需要將過(guò)渡段對(duì)調(diào)整點(diǎn)的影響考慮在內(nèi)，以免造成脫靶[5]。具體控制方法為計(jì)算出過(guò)渡段的長(zhǎng)度，根據(jù)設(shè)計(jì)的調(diào)整點(diǎn)位置計(jì)算出實(shí)際中的調(diào)整點(diǎn)位置，然后按此點(diǎn)進(jìn)行實(shí)際的鉆井作業(yè)。

水平井鉆井中，由于其井斜角趨近90°，水平井水平段井眼軌跡在鉛垂面上是一條上、下起伏的曲線，鉆頭位置距離油層的上、下邊界的距離是井眼軌跡控制的關(guān)鍵。為了保證鉆頭不出靶，需要對(duì)調(diào)整井段做出精確計(jì)算；變換導(dǎo)向方式后，要估算下一個(gè)調(diào)整點(diǎn)；應(yīng)盡量減少調(diào)整次數(shù)，以提高機(jī)械鉆速，降低鉆進(jìn)成本。

3 計(jì)算實(shí)例

以水平井鉆井水平井段的軌跡控制為例。在鉆井過(guò)程中，要保證井眼在油層厚度之內(nèi)，由于井眼軌跡過(guò)渡段的影響，很容易出靶，此時(shí)必須考慮井眼軌跡過(guò)渡段對(duì)調(diào)整點(diǎn)位置的影響。

如圖 5 所示，單彎雙穩(wěn)導(dǎo)向鉆具各段長(zhǎng)度分別為：L1=1.6，L2=3，L3=4，θ=1°，α1=80°，K1=0。由計(jì)算得工具造斜率為4.5°/30 m，過(guò)渡段長(zhǎng)度L=16.9 m，K2=81.27 °。

圖 5 單彎雙穩(wěn)導(dǎo)向鉆具組合結(jié)構(gòu)圖

若忽略過(guò)渡段的影響，直接按工具造斜率計(jì)算井斜角為82.54°。造成的結(jié)果是高估了鉆具組合的造斜能力，井眼不按設(shè)計(jì)的軌道延伸，如果調(diào)整點(diǎn)距離油層邊界過(guò)近，則有可能產(chǎn)生出靶的問(wèn)題。為了保證鉆具在極限的位置不出靶，則要在此調(diào)整點(diǎn)之前考慮造斜，即將調(diào)整點(diǎn)位置提前，由過(guò)渡段長(zhǎng)度和工具的造斜率反算調(diào)整點(diǎn)的具體位置，確定之后，要估算下一個(gè)調(diào)整點(diǎn)位置，及時(shí)糾正井眼軌跡，確保鉆具不出靶。

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)鉆井施工作業(yè)中遇到的問(wèn)題，提出了井眼軌跡過(guò)渡段的概念，并根據(jù)底部鉆具組合力學(xué)分析方法解釋了過(guò)渡段出現(xiàn)的原因，并提出了過(guò)渡段長(zhǎng)度和井斜角變化的計(jì)算方法。鉆井作業(yè)中在需要調(diào)整井眼曲率的井段會(huì)出現(xiàn)過(guò)渡段，此段對(duì)于定向井鉆井及水平井鉆井的水平段井眼軌跡的控制有著重要影響，本文提出的方法可以指導(dǎo)鉆井設(shè)計(jì)及施工中精確控制井眼軌跡的作業(yè)。

[1]高德利， 劉希圣， 徐秉業(yè). 井眼軌跡控制[M]. 北京： 石油工業(yè)出版社， 1994： 34-41.

[2]毛建華， 王清江， 王治平， 等.“ 井眼慣性”對(duì)水平井水平段軌跡控制的影響探討[J]. 鉆采工藝， 2009， 32（1）： 14-16.

[3]蔣文震， 李群生， 王希勇， 等. 三穩(wěn)定器鉆具在定向井軌跡控制中的應(yīng)用分析[J]. 鉆采工藝， 2007， 30（4）： 32-37.

[4]白家祉， 蘇義腦. 井斜控制理論與實(shí)踐[M]. 北京： 石油工業(yè)出版社， 1990： 44-46.

[5]劉修善. 實(shí)鉆井眼軌跡的客觀描述與計(jì)算[J]. 石油學(xué)報(bào)，2007， 28（5）： 128-132， 138.

Study of Transitional Section in Well Trajectory Control

GONG Jize, ZHANG Haishan, HUANG Zhao
（Shanghai Branch of CNOOC Limited, Shanghai 200030, China）

Well trajectory control is very important during directional well drilling and horizontal well drilling, especially in the horizontal sections of directional drilling and horizontal drilling. The infuence of the geometrical attitude of well trajectory on the mechanical properties of BHA should be considered in these sections in order to control the well trajectory accurately which means right on the target. Through quantity calculation, the mechanical properties of BHA in specifc geometric parameters of the well trajectory were analyzed in this paper, and a method for analyzing the transitional section has been put forward to guide design and construction of directional well drilling and horizontal well drilling in well trajectory control.

directional well; horizontal well; well inertia; well trajectory control; transitional section; BHA

TE243

A

10.3969/j.issn.1008-2336.2017.01.090

1008-2336（2017）01-0090-03

2016-08-22；改回日期：2016-10-31

宮吉澤，男，1984年生，工程師，畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（北京）油氣井工程專業(yè)，碩士，主要從事海上油氣勘探開(kāi)發(fā)的鉆井技術(shù)工作。E-mail：gongjz@cnooc.com.cn。