司繼峰
摘要:傳統(tǒng)的鉆進方式在設(shè)計過程中大多依賴二維設(shè)計的方式,并且在作業(yè)過程中過度依賴工作人員的主觀經(jīng)驗,由此導(dǎo)致鉆進工作存在許多阻礙,其中鉆進速度長期難以得到提升。定向井三維設(shè)計法的基本原理是借助空間解析幾何方法,用二維的平面思維考慮三維空間問題。與二維設(shè)計相比,三維設(shè)計可以更加充分地將鉆進實際情況展現(xiàn)出來,對于提升鉆進速度具有重要意義。
關(guān)鍵詞:三維設(shè)計;井斜角;方位角;鉆速
1.常規(guī)設(shè)計方法及其局限性
1.1常規(guī)設(shè)計法的不足
盡管截至目前為止,二維定向井剖面擁有十余種類型,但是其中任何一種類型的二維剖面,在設(shè)計過程中均沒有將井身軸線的方位變化考慮進進來,簡單的設(shè)計方法導(dǎo)致鉆進速度無法得到提升。實際鉆進過程中,難以保證井身軸線處于同一平面內(nèi),包括井斜角、方位角等在內(nèi)的一系列井身參數(shù)都在隨之變化,由此表明實際生產(chǎn)中因地質(zhì)、鉆具組合、鉆井參數(shù)的影響,井身方位與原設(shè)計方位發(fā)生偏離,鉆具無法按照固定路線鉆進進而導(dǎo)致鉆速無法提升。[1]
對于部分特殊繞障井、叢式井,需要充分考慮方位的整體變化,這種情況下傳統(tǒng)的二維設(shè)計就不能滿足需求。為了進一步滿足實際生產(chǎn)需求,需要使用三維的軌道設(shè)計方式對定向井井身軸線進行設(shè)計,充分考慮井斜角與井斜方位角的實際變化情況。
1.2三維設(shè)計法
斜平面法運用糾方位初始點、目標點構(gòu)建斜平面,并且在斜平平面內(nèi)尋找合適的曲線代表待鉆井身軸線,由此充分展現(xiàn)出待鉆井身在鉆進過程中井斜角、井斜方位角伴隨井深發(fā)生的變化,從而可以明確適合的鉆進速度。
對應(yīng)的設(shè)計特點共同表現(xiàn)為預(yù)先明確一條空間曲線,連接糾方位初始點、目標點代表待鉆井身軸線。定向井實際施工中,通常會選擇動力鉆具加彎接頭的鉆具組合對井斜、方位的變化進行控制,正因如此才會出現(xiàn)造斜工具裝置角問題導(dǎo)致鉆速難以得到提升。[2]造斜工具裝置角會伴隨井身方位的變化而變化,并非恒定值,裝置角變化量與井身方位變化量相等。在對斜平面法、螺旋法設(shè)計、計算時,俊輝把工具裝置角定為恒定值。
現(xiàn)階段的定向鉆井工藝技術(shù)可以有效解決工具裝置角與井身井斜方位角同步變化的問題,由此獲得的井身軸線設(shè)計在實際施工時展現(xiàn)出強大的精準性,井身軸線可以保持在同一平面內(nèi),實際井身與設(shè)計方案不會發(fā)生偏離,這也是三維設(shè)計方法的優(yōu)勢所在。
2.待鉆經(jīng)驗軌道提速優(yōu)化設(shè)計
盡量選擇形狀簡單、便于施工的井眼軌道定向井、水平井提速設(shè)計的一項基本原則,鑒于此在周圍作業(yè)環(huán)境允許的條件下會選擇將井眼軌道設(shè)計為二維剖面。 不過伴隨現(xiàn)階段油田勘探開發(fā)工作持續(xù)推進, 石油鉆井的作業(yè)環(huán)境復(fù)雜化程度逐步提升,相應(yīng)的鉆進速度難以得到提升,這種情況下對鉆井技術(shù)的水平存在更高的要求。
三維井眼軌道設(shè)計方式可以對鉆井軌道進行優(yōu)化設(shè)計,最終生成多目標井設(shè)計與隨鉆控制方案。不在同一鉛垂面內(nèi)多目標井口與靶點,經(jīng)過三維井眼軌道設(shè)計以后統(tǒng)一定位。[3]井口、各靶點間的井眼軌道大概率上為三維,但是不排除其中部分井段會被設(shè)計為二維軌道, 另一部分被設(shè)計為井段設(shè)計成三維。
2.1三維繞障井軌道設(shè)計
鉛直圓柱、圓臺是一種最簡單的障礙物模型,在需要繞障的特定范圍內(nèi),將障礙物的已鉆直井視作為鉛直圓柱,通常情況下的障礙物位于水平投影圖上,依然可以找到一個圓或圓弧,由此可以繞過障礙物。如圖2所示,通常情況下會選擇使用井眼軌道圓柱螺線模型進展開障井設(shè)計。明確的靶點、障礙物的位置與形狀基礎(chǔ)上,展開繞障設(shè)計時存在一系列已知參數(shù):靶點垂深Ht,水平位移At,平移方位φ,繞障中心點M與井口發(fā)生的水平位移AM、平移方位φM、繞障半徑。
繞障半徑RM不僅包含障礙物控制范圍,還有一定的附加安全繞障距離。此處需要注意的是,繞障中心點未必是障礙物的幾何中心,僅為水平投影圖上對應(yīng)的繞障圓弧曲率中心。
2.1 繞障井軌道設(shè)計
受到地面環(huán)境的影響,地面井位并沒有十分充足的選擇空間,其中以海上鉆井平臺為代表的鉆井模式,尤其是對油田進行開采達到中后期的加密井,以及一些特殊的地質(zhì)條件都是影響軌道設(shè)計的因素。
井口、目標點所處的鉛垂平面內(nèi),障礙物通過的概率極低,倘若鉆具遇到這些障礙物,輕則鉆速下降、無法鉆進,重則鉆具損壞,因此繞開障礙物十幾分必要,常見容易出現(xiàn)障礙物的情況如鉆井眼、鹽丘、金屬礦床、斷層、異常高壓區(qū)等,此時需要開展精確三維繞障軌道設(shè)計。
圓柱螺線模型假設(shè)表示的圓柱螺線模型井眼軌道:垂直剖面的井眼軌道與水平投影的曲率HK、VK分別為常數(shù),代表的井眼軌道是一種變螺旋角圓柱螺線,最大的特點是:在垂直剖面圖與水平投影圖中,井眼軌道均是圓弧狀態(tài)。
由此獲得任意井深度L對應(yīng)的井斜角、方位角從而對提升鉆速進行計算。
結(jié) 論
之所以使用常規(guī)的鉆井法其鉆進速度難以提升,是因為井斜角、方位角等在一系列井身參數(shù)會伴隨影響因素而發(fā)生變化,進而導(dǎo)致井身方位和原設(shè)計方位發(fā)生偏離,鉆具無法按照預(yù)定路線鉆進,造成鉆速無法提升。使用三維設(shè)計的方式可以使鉆具有效避開障礙,計算獲得相應(yīng)的井斜角、方位角變化,實現(xiàn)鉆速的提升。
參考文獻
[1]劉珊珊,趙亦朋,王小秋,汪志明.自然曲線井眼軌道設(shè)計模型及反演求解方法[J].西安石油大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2022,37(01):66-72.
[2]于凡,黃根爐,韓志勇,倪紅堅,李菁,李偉.懸桿線井眼軌道設(shè)計方法[J].石油勘探與開發(fā),2021,48(05):1043-1052.
[3]趙亦朋,趙慶,蔣宏偉,王志月,楊光. 塔里木油田水平井軌道優(yōu)化設(shè)計軟件及應(yīng)用[C]//.2019油氣田勘探與開發(fā)國際會議論文集.,2019:3119-3124. DOI:10.26914/c.cnkihy.2019.050549.