水平井工程设计及轨迹控制

水平井钻井工程设计及轨迹控制一、水平井的概述：八十年代中期以来，水平井技术在世界范围内取得了突飞猛进的进展，为提高勘探效果，提高单井产量和油层采收率，开辟了一条新的途径，给石油工业的发展带来了新的革命，胜利油田从1990年9月开始，以埕科1井为起点，展开了水平井研究与应用，针对各种类型油藏，如整合油藏、不整合油藏、稠油砾石油藏、低渗透块状砾石油藏、砂岩油藏、石炭系砂岩油藏、古潜山漏失型油藏等进行攻关研究。“八五”期间组织了六个油田、五个院校，762名科技人员，在水平井钻井的设计技术、轨迹控制技术、钻井液技术、完井技术及测井射孔技术的五个方面共31个专题进行了四年的攻关，在理论研究、实验技术、软件技术、工具仪器研制和工具方法等方面，取得了重大技术突破，包括了16项重大科技成果在内的30项技术成果，形成了一整套水平井钻井、完井技术，截止1995年7月项目提交国家鉴定时，胜利油田完成各类水平井30口。“八五”攻关计划完成后，水平井技术迅速转化为生产力，很快形成了大规模推广应用的局面。到1996年底我国陆上已完成水平井94口，推广面积达到13个油田，六种类型的油气藏。仅投产的47口科学实验水平井增产原油78吨，新增产值9.52亿元,获直接经济效益6.46亿元。到98年底全国陆上油田已钻成水平井204口，其中胜利油田所钻井和以技术服务形式在外油田所钻水平井共计119口。更重要的是，“水平井是增加原油产量、提高采收率和开发特殊油藏最有效的手段之一”这一观点，得到了广大勘探开发工作者的共识，从而带动了与水平井有关的地质、油藏、采油工程等相关技术的发展，推动石油的科技进步。自项目推广应用以来，应用的油藏类型逐步扩大，完成的水平井类型逐步增多。除本油田以外，先后应用到塔里木、长庆、吐哈、青海、中原、江汉、河南、大港、玉门、江苏等油田，以及江苏省洪泽县非石油行业的芒硝矿开采，完成了以水平探井、阶梯水平井、连通式水平井等为代表的12种类型水平井，其经济效益十分显著，所完成的开发井稳定产值为同地区直井的3倍，其投资仅为直井投资的1.8倍左右，1997年《石油水平井钻井成套技术》被列为国家”八·五”国民经济贡献巨大的十大攻关成果。下表是胜利钻井工程技术公司定向井公司历年水平井的完成情况：年9192939495969798992000.12每年完井口数74611102425253489历年累计7111728386287112146235下表是历年完成的水平井类型：水平探井、大位移水平井稠油砾石油藏水平井三维多目标水平井丛式水平井短半径水平井阶梯式水平井套管开窗侧钻水平井超深（深层）水平井超薄油藏水平井连通式水平井蒸汽驱重力泄油水平井多年来的水平井开发应用,为增加原油产量,提高油气采收率，提供了有效手段,在油田的整体开发建设中显示出巨大的优越性：---油层裸露面积最大，采油面大，能提高油气层采收率。---地质储量控制范围大。---投资少效益高，一口水平井的投资仅为一口直井的1.8倍左右，而效果达到几口井的效益。---可节约地面钻前及采油工程投资，如地面占地，输油管汇和采油装置等。---采用三维多目标水平井，可以达到一口井开采多个油气层的目的，减少钻探口井数。---采用丛式水平井可以使整装油田的开采井网更加合理、优配。二、水平井钻井工程设计经过多年的实践与应用，水平井形成较为完善的长、中、短半径水平井钻井技术，水平井钻井工程设计技术成为完成水平井关键技术，在项目的实施过程中，经过不断的研究与攻关，建立了水平井钻井工程设计新理论、新概念，长期的探索与实践和对地质特性的研究，解决了一系列关键技术问题，形成具有胜利油田特点的水平井钻井工程设计模式和设计流程规范。（一）、水平井钻井工程设计的油藏地质条件实施水平井开发所遇到的第一个问题就是油藏地质条件，关系到水平井的成败及经济效益。在设计时，要综合考虑各种地质资料，对于地震测线、地球物理测井、邻井实钻资料及试油、采油地质资料进行认真分析研究，掌握地下构造、地质形态及油气资源分布情况，提出准确可靠的靶点三维坐标，对于探井还必须建立在三维地震资料的基础上，进行综合分析对比，卡准层位，提供该地区的区域地质情况、油藏特性、地层剖面图及构造剖面图，并根据油藏情况提出明确的施工精度；提供距目的层最近距离的标志层深度，明确的着陆点位置，以便调整井眼轨迹实现矢量中靶。在多年的开发实践中，水平井广泛的应用于以下油气藏：整合、不整合油气藏、低渗透致密油气藏、天然裂缝性油气藏、边水驱动和气驱油藏、稠油砾石油气藏、低产能油气藏、不规则油气藏、薄层油气藏等。1）井位的确定井位坐标要求：基本数同一般直井。丛式井坐标需一同下发，以便作出丛式井整体设计。注明各中靶点的坐标及垂直深度，提供最新井位构造图。2）地面井口位置的选择工程、地质设计及测量人员根据井位坐标和地面实际条件确定井口位置和井架整托方向（丛式井）。井口位置选择尽量利用地层自然造斜规律。多目标井井口位置在第一靶点和最后一个靶点联线的延长线上。井架立好后需要进行井口坐标的复测。3）定向井设计地质设计在坐标初测后提出初步设计，在坐标复测后提出正式设计。地质设计除包括一般井内容外，在工程施工中要求必须说明靶点相对与井口的位移和方位，多目标井说明靶点之间的稳斜角度。附最新井位构造图、油藏剖面图、设计轨迹水平投影图和垂直投影图。工程设计必须符合地质设计要求。井身轨迹设计数据表，特殊工艺技术措施。井身结构及分段钻具组合和钻井参数等。4）设备要求（钻机）根据定向井垂直井深、水平位移、井身结构和井眼曲率选择设备类型。推荐设备标准（使用于位移／垂深〈0.4的定向井）：垂深〈2800米、水平位移〈600米，选用3200米钻机；垂深〈3500米、水平位移〈1200米，选用4500米钻机；垂深〈4500米、水平位移〈2000米，选用6000米钻机；垂深〈4500米、水平位移〉1500米，选用7000米钻机。5）靶区确定（二）水平井井眼轨道剖面设计1、设计要考虑的因素(1)根据油藏地质特性和地质要求，确定水平段的基本类型，要结合区域性地质资料、工程资料进行综合分析，选定水平井的类别和井身剖面类型。水平井的类别有三种：①长半径水平井（造斜率K6°/30m，曲率半径R286m）②中半径水平井（造斜率K=6°～20°/30m，曲率半径R=86～286m）③短半径水平井（造斜率K20°/30m，曲率半径R86m）供选择的基本剖面类型有四种：①双增稳剖面直---增---稳---增---平②双增剖面直---增---增---平③三段制剖面直---增---平④三增剖面直---增---增---平（2）根据造斜工具能力，选择切实可行的造斜率，确定水平段的钻井方法。（3）结合地面、地下条件，选择合适的靶前位移，确定井口坐标和适合于地层的造斜点，初步计算井身剖面参数。（4）对初步剖面进行摩阻及扭矩，实现安全优质快速钻井。2、井身结构设计（1）设计原则：由内到外的设计原则，具体要考虑的是：①根据地质情况，在满足工程要求的前提下，尽可能简化井身结构，减少套管层次，提高钻井速度，节约钻井成本，同时经济的可行性还需要油藏和采油工程加以考虑，最终确定完井方法、完井套管尺寸及相应的井眼尺寸。②满足所用钻机及设备的能力。③合理确定技术套管的尺寸及下深，封固斜井段至适当的井斜角，以防止发生复杂情况。④所设计套管的强度应做到安全经济，既能保证高造斜率下套管的顺利下入，又能满足强度要求，力争节约。（2）水平井井身结构模式建立及主要特点设计模式的发展经历了四个阶段，井身结构、套管程序由复杂到简单，由试验到定型，到达了日臻完善和灵活多样化，四个阶段的井身结构和特点：第一阶段(初级)：φ660mm井眼一开，φ508mm表层套管封固松软地层φ444.5mm井眼二开，φ508mm技套管封固到井斜角40°φ311.1mm井眼三开，φ339.7mm技套管封固到井斜角90°φ215.9mm井眼四开，φ139.7mm油层套管完井。主要特点：对于低造斜率、长增斜段的长半径水平井来说，无疑是一种非常安全的井身结构，但不经济，且大井眼造斜率难以控制，造成携岩困难，有时还会导致钻具事故。第二阶段（基本）：φ660mm井眼一开，φ508mm表层套管封固松软地层φ444.5mm井眼二开，φ339.7mm技套管封固直井段，φ311.1mm井眼三开，φ244.5mm技套管封固到井斜角90°φ215.9mm井眼四开，φ139.7mm油层套管完井。主要特点：①解决了大井眼定向时因排量小造成的携岩困难，利于安全。②定向造斜和转盘增斜时造斜率便于控制，也解决了转盘钻时的方位漂移，减少钻具事故。③φ244.5mm技套封固了斜井段，可实现长水平段的安全钻进。第三阶段（定型）φ444.5mm井眼一开，φ339.7mm表层套管封固松软地层φ311.1mm井眼二开，φ244.5mm技套管封固到井斜角90°φ215.9mm井眼三开，φ139.7mm油层套管完井。主要特点：①简化了井身结构，减少套管层次，从而提高了钻井速度，缩短钻井时间，降低了钻井成本。②用小井眼代替了大井眼，定向造斜和转盘增斜时的机械钻速得到了提高。③定向造斜时，相对排量较大，便于岩屑携带，保证了施工安全，得到大面积推广应用。第四阶段（改进的长裸眼型）φ444.5mm井眼一开，φ339.7mm表层套管封固松软地层φ215.9mm井眼二开，φ139.7mm油层套管完井。主要特点：①简化了井身结构，减少套管层次，从而提高了钻井速度，缩短钻井时间，降低了钻井成本。②用小井眼代替了大井眼，定向造斜和转盘增斜时的机械钻速得到了提高。③定向造斜时，相对排量较大，便于岩屑携带，保证了施工安全，目前得到大面积推广应用。3、水平井井眼轨道剖面设计（1）水平井的基本数据计算①根据地质提供的靶点三维坐标，计算水平段长度，水平段稳斜角及方位角。②确定井身剖面类型。③确定水平井钻井方法及造斜率，选定合适的靶前位移。④利用计算机软件，初步计算井身剖面分段数据。⑤对初定剖面进行摩阻、扭矩计算分析，通过调整设计参数，选取摩阻扭矩最小的剖面。⑥根据初定剖面的靶前位移及设计方位角，计算出井口坐标，并到现场落实。⑦根据复测井口坐标，对设计方位及剖面数据进行微调，完成剖面设计。(2)水平井靶区的确定确定靶区的依据有五个方面:油藏的边界条件；钻探目的；地质勘探；开发精度要求；钻井能力和手段。水平井的靶区类型：扇形靶：即纵向为±a米，横向为±b度的扇形体。圆柱靶：即沿水平段设计井眼轴线截面半径为R的圆柱体。矩形靶：即纵向为±a米，横向为±b米的长方体。梯形靶：即纵向为±a米，A靶横向为±b、B靶±c米的几何体。(3)设计剖面数据计算方法采用圆柱螺旋线法（曲率半径法）或最小曲率法进行计算。(4)设计剖面数据计算机软件。(三)、水平井钻柱设计众所周知，水平井是定向井的自然延伸和扩展，因此水平井除了具有定向井的某些共性外，还具有自己的特性，正是由于这些特性才形成了先进的水平井钻井技术，这些特性对水平井产生了影响，提出了新的要求，具体表现在：（1）从井身剖面上看，水平井比定向井多了大斜度井段和水平段，而在大斜度井段和水平段中，钻具组合的力学特性发生了质的变化，因而要求建立水平井的钻具组合的力学分析方法，以此来进行不同类型、不同钻井方法的水平井钻具组合设计。（2）与定向井相比，水平井的轨迹控制要求的精度和难度较高，除部分水平井在部分井段使用的钻具组合与定向井有相同的钻具组合和钻井方法外，大部分都使用了与常规钻具不同的钻具组合和钻井方法，水平井的特殊性引出了许多新的技术难题是不可避免的，因而也要求建立对不同类型，不同钻井方式下，不同井段的水平井钻具组合研究，寻找这些钻具组合的特性和水平井轨迹方面的规律，并以此进行相应的井底钻具组合设计。1、水平井钻具组合设计要考虑的两部分问题（1）钻柱的设计其目的是使水平井钻柱能够满足加压的要求，所受到的摩阻和扭矩最小，并能满足钻机的水力要求。这部分的理论基础就是水平井钻柱的受力分析，而分析的方法是利用摩阻扭矩的计算摸拟和应用计算机程序分