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.