侧钻井井眼轨迹优化设计及控制(讲稿)

侧钻轨迹优化设计及控制西南石油学院石晓兵2002年10月主要内容侧钻轨迹二维设计侧钻轨迹三维设计侧钻轨迹影响因素分析侧钻钻柱摩阻分析及应用侧钻轨迹控制问题的提出侧钻井：根据油藏工程、地质及开发的需要，在油气水井油层套管内一个预定的方向和深度，采用一定的工具和工艺开窗钻进后，使部分井眼与原井口垂线偏离一定的距离的井身剖面称为侧钻井，最终入靶的井斜角接近90度，则为侧钻水平井。其作用主要表现在：油气水井侧钻在开发区利用原井眼，完善并保证了部分井网，可减少打部分调整井；在开发区利用原井眼，可利用油气井侧钻加深层位，获取新的油气流；通过油气水井侧钻，使部分停产井恢复生产，提高油气水井利用率和开发效果；侧钻作为井下作业大修的主要工艺手段，有利于老区改造挖潜，有利于提高井下作业工艺技术与普通水平井相比侧钻井的特点：受原井油层套管的限制需进行断铣或磨铣对原井套管开窗裸眼井小。钻具、井下工具小、环空尺寸小，易出现钻具断、卡事故及钻具失稳屈曲现象。侧钻井井身剖面类型121341—直井段（原井眼）；2—斜井段；3—圆弧段；4—水平段侧钻的井身剖面，根据其形状可分为两类。侧钻方式侧钻方式根据侧钻目的、侧钻油藏工程需要与井况分为两类。（1）定向侧钻为了使新钻井眼符合一定的方位、井斜角及水平位移的要求，需进行定向侧钻。定向侧钻即将定斜器装置下到预计的深度，在测定定斜器斜面的准确方位固定后再开窗，使其在开窗过程中，沿设计的方位井眼轨迹钻达目的层。（2）一般侧钻对侧钻的整个过程中，没有明确的方位、井斜角和水平位移要求，定斜器在开窗过程中只起导斜和造斜的作用，使开窗、钻进沿着定斜器斜面轴线进行，钻达设计目的层。侧钻井适应井别和井径侧钻作为油田开发中井下作业的主要工艺技术，不但适用于油井，同样也适用于气井和注水井，不受井别的限制。由于侧钻利用了部分原井眼，且侧钻后还要有利于分层开采和措施，使得侧钻井径受到限制。因为小井眼要求使用直径较小的更加柔性的钻铤和钻杆，直径较小的钻柱还限制了可用钻压的范围。大直径井眼比小直径井眼易于控制方向。小直径井眼裸眼钻进时地层特性对井眼偏离设计剖面的影响大，且侧钻所下尾管尺寸受到原井眼限制，不利于分层开采和措施。所以进行侧钻的井的井径应选择直径120mm以上的套管为宜。侧钻井适用范围对于开发低渗透、低压油层和垂直裂缝发育的油层或开发受地面工程限制的油气水井，利用在原井眼用套管内开窗侧钻水平井技术，有利于提高油气井产量，提高采油速度和采收率。侧钻井设计原则（1）设计基本数据根据侧钻要求，设计基本数据包括开窗位置、方位、井斜、裸眼长度、井底位移、尾管规范及长度。地质条件侧钻水平井设计时，应详细了解该地区的地质条件，作好油藏调查，如地质分层、岩性、地层压力、地层倾角、走向、断层、采出程度、含油气水情况，为设计提供依据，对本区内开发生产井的资料进行分析，是获取该资料的重要方法。侧钻井设计原则（2）设计中关键因素的选择对在套管内侧钻水平井，开窗位置要根据水平井的曲率半径来确定。同时要选择套管完好、管外地层胶结好的部位。侧钻水平井多选在低渗透性油藏和裂缝性油藏，特别适用于垂直裂缝发育较好的油层。侧钻水平井应采用中、短半径侧钻水平井的工艺方法。设计要点根据侧钻的目的，设计要点贯穿于整个侧钻过程中，如下和固定斜向器、开窗阶段施工要求、修窗要求、裸眼钻进参数及要求等。其目在于指导施工，实现侧钻目的。设计原则（小结）1）根据开发要求，保证实现侧钻目的和提高油气井利用率；2）根据油气田构造、地质特征、油层产状选择不同的侧钻方式，有利于提高油气产量和采收率，改善投资效益；3）在选择井斜、方位等参数时，应有利于钻井、采油和井下作业；4）在选择完井方式时，应满足注采需要；在满足侧钻目的前提下，力求使设计的井斜井深即裸眼钻进井段最短，以减少井眼轨迹、井身控制难度和工作量，有利于安全快速钻井，提高效益。侧钻井轨迹优化设计国内外的钻井实践已充分证实了水平井在提高原油采收率，增加单井原油产量，开发薄油藏等方面的巨大效益。但了有不少的实例说明不成功的设计造成的高投入低产出，因此侧钻井轨迹的优化设计是非常重要的。在吸收国内外水平井设计经验基础上，通过实践，充分认识到侧钻轨迹设计是一个系统工程，以下诸多因素在设计中必须加以考虑：以下诸多因素在设计中必须加以考虑1)地质、油藏工程对水平井靶区的要求；2)采油工艺、增产措施以及测试对完井的要求；3)测井、地质资料采集对设计的要求；4)设计对地质预测不确定性的适应性；5)地层分层、岩性、破裂压力、孔隙压力、坍塌压力；6)对工具造斜能力不确定性的适应性；7)可能发生的钻井事故、复杂情况的预防与处理；8)现有工具设备的能力；9)试验项目实施的要求。侧钻井的钻井设计中的轨迹设计即要满足地质、油藏及采油的需要，又要满足钻井工艺水平的要求。轨迹设计的基本原则按侧钻井设计井身剖面在空间坐标系中的几何形状，又可分为两维侧钻井（侧钻水平井）和三维侧钻井（侧钻水平井）剖面两大类。两维侧钻井剖面是指设计井眼轴线仅在设计方位线所在的铅垂平面上变化的井。三维侧钻井剖面是指在设计的井身剖面上，既有井斜角的变化又有方位角的变化。三维侧钻水平井常用于侧钻的新井眼与已钻井眼并不在一个平面内，或存在着井眼难于直接通过的障碍物（如：已钻的井眼，盐丘、气顶等），设计井需要绕过障碍钻达目标点。另外，设计的二维侧钻井轨迹在施工中偏离了设计方位，中途修改设计时也要用到三维设计方法，这种情况在施工中经常遇到。在设计轨迹时，在满足钻井目的的前提下，应尽可能选择比较简单的剖面类型，力求使设计的斜井深最短，以减少井眼轨迹控制的难度和钻井工作量，有利于安全、快速钻井，降低钻井成本。侧钻点及其选择侧钻点在侧钻井中，开始定向造斜，即定斜器的位置叫造斜点。确定了定斜器的位置；窗口的位置相对就确定了。1）造斜点即窗口位置应选择在比较稳定的地层，避免在岩石破碎带、漏失地层、流砂层或容易坍塌等复杂地层，以避免出现井下复杂民政部，影响侧钻施工。2）应选在可钻性较均匀的地层，应避免在硬夹层定向造斜。3）造斜点的深度应根据设计井的垂直井深、水平位移决定，并要考虑满足采油工艺的需要。设计垂深长应既充分利用原老进眼，又减少了裸眼钻进井段；若垂深短则会增加裸眼钻进长度及下固尾管技术难度。因此要综合考虑造斜点的深度，满足侧钻需要，实现少投入的侧钻目的。4）选择造斜点位置应尽可能避开方位自然大的地层，以免影响侧钻设计方位。侧钻点的选择由以下因素综合考虑决定为减少造斜井段的长度，减轻地质不确定性的危险，缩短建井周期，窗口位置应在保证有足够造斜井段的条件下，尽量接近目的深度。侧钻点应选在比较稳定的地层，保证窗口稳定，避免在岩石破碎带，漏失地层，流砂层或容易坍塌等复杂地层定向造斜，以免出现井下复杂情况，影响施工。应选在可钻性较均匀的地层。避免在硬夹层造斜。侧钻点的深度应根据设计井的垂直井深，水平位移和选用的剖面类型决定，并要考虑满足采油工艺的需要。如：设计垂深大、位移小的水平井时，应采用深层造斜，以简化井身结构和强化直井段钻井措施，加快钻井速度。在设计垂深小，位移大的水平井时，则应提高侧钻点的位置，在浅层侧钻造斜，即可减少施工的工作量，又可满足大水平位移的要求。在井眼方位漂移严重的地层侧钻水平井，选择侧钻点位置时应尽可能使斜井段避开方位自然漂移大的地层或利用井眼方位漂移的规律钻达目标点。侧钻点选择的注意事项1)在选择造斜点（窗口位置）、井眼曲率等参数时，应有利于钻井、采油和井下作业。2)造斜点应选择在远离事故井段或套损井段以上30m左右，以利于有一定水平位移而避开原井眼。3)造斜点以上上部套管应完好，无变形、漏失、破裂现象以利于侧钻施工和完井工作顺利进行、确保侧钻成功。4)造斜点应选择在固井质量好、井斜小的井段，尽是避开易塌、易漏、地层倾角大的地层，并避开套管接箍。5）对于出砂严重、窜漏和套管破裂在射孔井段或射孔井段底部的需侧钻的油水井，在造斜点的位置选定时，要综合考虑侧钻效果，一般为保证侧钻质量，开窗位置均选在射孔井段以上。造斜点选择在上述原则初定的基础上，必须进行严格的通井和上部套管试压。通过井史与测井资料的对比，在满足方位、水平位移、造斜点、井眼曲率等综合参数的同时，最大限度地实现侧钻目的，及时修正窗口位置，使侧钻工作建立在良好的基础上。井眼曲率在侧钻裸眼钻进中，井眼曲率是一个很重要的参数。井眼曲率过大会给钻井、采油和修井作业造成困难。当然井眼曲率也不宜过小，井眼曲率太小会增加斜井段的井眼长度，从而增大了井眼轨迹控制的工作量，影响钻井速度。因此，在侧钻中井眼曲率应控制在（1°～1°30'）/10m。二维侧钻水平井设计剖面类型侧钻水平井的井身剖面有多种多样，最常用的有三种：增－平、增－增－平、增－稳－增－平，如下图所示：增－平井身剖面增-增-平剖面增-稳-增-平剖面二维侧钻水平井设计（1）增－平轨道设计方法对增－平的剖面设计，如入靶点位置已给定时，则计算时需由井底反推搜索侧钻点位置，具体计算如下：如图所示，由测点M作井眼方向线的垂线与入靶点T的方向线的垂线交于O点，直线MO的方程：H＝Hi＋tg(αi)×(S－Si)直线TO的方程：H＝HS＋tg(αS)×(S－SS)如R2＞R1，则表示侧钻点需选在侧钻点需下移；如R2＜R1，则表示侧钻点需选在侧钻点需上移；如R2＝R1，则表示M点即为侧钻点，此时造斜率K=1／R1＝1／R2如上所述的增－平剖面的设计方法的优点是，设计出的剖面类型简单，造斜段为单一的造斜率，易于控制。缺点是造斜点、造斜率均由计算唯一给出，不一定符合实际要求。（2）斜直－连续造斜－水平的轨道设计方法对于一个具有连续增斜段的水平井轨道，已知条件为：（2）斜直－连续造斜－水平的轨道设计方法第一步：求出各造斜段末端井斜角aiai＝ai-1＋LiKi／30an＝aS第二步：求出第n造斜段的造斜率Kn和段长LnKn＝5400／(πRn)（2）斜直－连续造斜－水平的轨道设计方法第三步：求出各造斜段的垂深Hvi和段长StiHvi＝Hvi-1＋Ri(sinai－sinai-1)Sti＝Sti-1＋Ri(cosai-1－cosai)（3）增－稳－增－平的轨道设计方法对于一个具有稳斜段的水平井轨道，已知条件为：侧钻井起始段施工参数的优化设计老井窗口以上原井斜、方位对侧钻水平井的开窗段铣、扭方位侧钻水平井井身剖面设计等都有影响。为了准确地反映原井、方位的影响，在输入老井侧斜数据和地质靶区要求，计算机软件可以在确定井身剖面类型的前提下，经过搜索，优化出侧钻点，由于受老井的井斜和方位的影响，在地质靶区给定的情况下，侧钻点是唯一确定的。并能够计算出侧钻点的井深、垂深、北坐标、东坐标以及钻井方位等参数。对侧钻井起始段有重要影响的主要初始井眼条件主要包括侧钻点井深侧钻点垂深侧钻点北东坐标侧钻点初始井斜角侧钻点初始方位角侧钻水平井的老井初始井斜角和初始方位角完全取决于侧钻点的位置。即不同的侧钻点位置在老井中对应不同的初始井斜角和初始方位角。为了分析初始条件对起始段的影响，首先得确定侧钻点的位置。二维侧钻井（侧钻水平井）轨迹的起始段的主要因素在二维侧钻水平井轨迹设计中，假设所确定侧钻点的初始方位角与设计方位角一致且侧钻点在设计平面之内。此时影响起始段的主要因素为侧钻点垂深和初始井斜角1）.初始井斜角为0如果初始井斜角为0，入靶点距侧钻点的水平位移不等于侧钻点到入靶点的垂深的话，将不可能设计出单一曲率的增～平井眼轨迹。此时可供选择的井眼轨迹设计方案可有变曲率井眼轨迹或双增型井眼轨迹。2）初始井斜角不为0初始井斜角不为0点,仅当在设计平面上侧钻点井斜方向的垂线与水平段入靶点井斜方向的垂线的交线相等的话，才有可能设计出单一曲率的增～平井眼轨迹。否则可供选择的井眼轨迹设计方案可有变曲率井眼轨迹或双增型井眼轨迹。三维侧钻水平井轨迹的起始段的主要因素为了考虑老井的初始井斜、方位对侧钻水平井起始段的影响，需要对侧钻水平井进行三维轨迹设计考虑。侧钻点的初始北、东坐标是影响扭方位