水平井钻井过程中的轨迹控制

　　水平井是近年来钻井技术的一个新突破，它具有在油层内穿行的距离长、泄油面积增大、单井产量高等一系列优点。在水平井钻井过程，如何精确地控制水平井轨迹是关键，该文主要对此进行研究，提出了建设性的意见。

　　一、水平井分类

　　短半径水平井。造斜率：1/m---10/m应用范围：水平位移不大的水平井钻具组合：特殊钻具组合（铰接马达、挠性钻杆等）测量工具：特殊的测量工具水平段长度：60m--120m完井：多数裸眼

　　中半径水平井。造斜率：6/30m--20/30m应用范围：水平位移较大的水平井钻具组合：常规钻具（弯外壳，导向钻具组合）测量工具：常规测量工具（单点、多点、有线和无线MWD）水平段长度：300m----900m完井：常规完井技术，完井方式取决于油藏条件

　　长半径水平井造斜率：2/30m--6/30m应用范围：水平位移较大的水平井钻具组合：常规的钻具组合（弯接头，弯外壳，多稳定器钻具组合）测量工具：常规测量工具水平段长度：取决于可用的工艺技术水平完井：常规完井技术，完井方式取决于油葳条件

　　中靶概念提出。水平井靶区通常是一个在目的层内以设计的水平井眼轨道为轴线的柱状靶，其横截面多为矩形或圆。可以把这个柱状靶看成是由无数个相互平行的法面平面组成，也就是我们所讲的矢量中靶，控制井眼轨迹的最终目的都是要按设计要求中靶。

　　二、水平井增斜井段井眼轨迹控制的特点及影响因素

　　水平井钻井工程设计中所给定的钻具组合是在一定的理论和实践经验的基础上得出的，随着理性认识的深化和实践经验，设计的钻具组合钻出实际井眼轨迹与设计轨道曲线的符合程度会不断提高。但是，由于井下条件的复杂性和多变性，这个符合程度总是相对的。实钻井眼轨迹点的位置相对于设计轨道曲线总是会提前、或适中、或滞后，点的井斜角大小也可能是超前、适中或滞后。

　　实钻轨迹点的位置和点的井斜角大小对待钻井眼轨迹中靶的影响是：①实钻轨迹点的位置超前，相当于缩短了靶前位移。此时若井斜角偏大，会使稳斜钻至目的层所产生的位移接近甚至超过目标窗口平面的位置，必将延迟入靶，且往往在窗口处脱靶。②轨迹点位置适中，若此时井斜角大小也适中，是实钻轨迹与设计轨道符合的理想状态。但若井斜角大小超前过多，往往需要加长稳斜段，可能造成延迟入靶，或在窗口处脱靶。③轨迹点的位置滞后，相当于加长靶前位移。此时若井斜角偏低，就需要提高造斜率以改变待钻井眼垂深和位移增量之间的关系，往往要采用较高的造斜率而提前入靶。实践表明，控制轨迹点的位置接近或少量滞后于设计轨道，并保持合适的井斜角，有利于井眼轨迹的控制。点的井斜角偏大可能导致脱靶或入靶前所需要的造斜率偏高。实际上，水平井造斜段井眼轨迹控制也是轨迹点的位置和矢量方向的综合控制，这对于没有设计稳斜调整段的井身剖面更是如此。

　　三、井身剖面的特点及广义调整井段的概念

　　根据长、中半径水平井常用井身剖面曲线的特点，剖面类型大致可分为单圆弧增斜剖面、具有稳斜调整段的剖面和多段增斜剖面（或分段造斜剖面）几种类型，不同的剖面类型在轨迹控制上有不同的特点，待钻井眼轨迹的预测和现场设计方法也有所不同。

　　水平井常用井身剖面曲线的特点。

　　单圆弧增斜剖面。单圆弧增斜剖面是最简单的剖面，它从造斜点开始，以不变的造斜率钻达目标，这种剖面要求靶区范围足够宽，以满足钻具造斜率偏差的要求，除非能够准确地控制钻具的造斜性能，否则需要花较大的工作量随时调整和控制造斜率，因而一般很少采用这种剖面。

　　具有切线调整段的剖面。单曲率-切线剖面：具有造斜率相等的两个造斜段，中间以稳斜段调整。变曲率-切线剖面：由两个（或两个以上）造斜率不相等的造斜段组成，中间用一个（或一个以上）稳斜段来调整。由于多数造斜钻具的造斜特性不可能保持非常稳定，常常产生一定程度的偏差，这就需要在造斜井段之间增加一斜直井段来调节补偿这种偏差。单曲率-切线剖面后一段的造斜率可以在钻第一造斜段的过程中比较精确地预测出来，然后及时修改稳斜段的长度，以补偿第一段造斜率与设计的偏差，使井眼轨迹准确地钻达目标点的垂深。

　　多造斜率剖面。造斜曲线由两个以上不同造斜率的造斜段组成，是一种比较复杂的井身剖面。在水平井攻关和试验过程中，可以充分发挥动力钻具和转盘钻具各自的优势，提高钻井速度。将常规设计的稳斜井段改为第二增斜段，通过调整该段的造斜率和段长，同样可以弥补钻具造斜能力的偏差，而且还可以实现用一套钻具组合完成第一造斜段的通井和第二造斜段的钻进，并减少了起下钻次数。转盘增斜钻具组合与稳斜的刚性钻具组合比较，其刚性小，摩阻力小，不易出新井眼，有利于井下安全。采用转盘钻具钻进可以使用较大的钻压以提高机械钻速，缩短钻井周期。

　　广义的调整井段概念

　　如何利用稳斜调整井段来提高中靶精度，对目的层是薄产层的水平井尤为重要。由于在井斜角较大时，增斜率的偏差主要影响水平位移，而对垂深的影响很小，可以在大井斜角度下提高垂深的精度。因此，在入靶前的大井斜角井段增加一稳斜调整段，既可调整垂深精度，又有助于及时辨别地质标准层，以便及时准确地确定目的层入靶点的相对位置。其次，由于目前的硬件条件不十分完善，在钻中半径水平井的两趟动力钻具组合井段之间选择一调整井段，采用柔性的转盘增斜钻具组合来钻进，不仅可以钻出较小的造斜率井段以缓解第一和第三段造斜率，满足对井眼轨迹控制的需要，而且对改变井眼的清洁状况、防止出新眼都具有十分重要的作用。因此，调整井段的广义概念不仅是调整井眼轨迹，同时可以调整钻井过程中井眼的清洁净化状况；不仅调整井眼轨迹的中靶精度，还可根据地质要求及时调整目的层入靶点的相对位置；不仅可以是稳斜井段，还可以是适当造斜率的增斜井段。

　　经过多年攻关，形成了油田水平井集成配套PDC钻头使用、井眼轨迹控制、聚合物低摩阻低失水低固相快速钻井与保护油层钻（完）井液和先进装备、工具配套等优势技术，实现了一套钻具组合从二开直井段到第一增斜段再到稳斜段“一趟钻”，使水平井钻井速度接近所属区块常规定向井水平；在气田水平井，形成了集成配套穿越多套较厚煤层的复杂地层井眼轨迹控制和安全钻井等新技术；加强水平段的井身结构、钻头选型、防斜钻具、耐高温防塌钻井液体系及水泥浆体系等技术攻关，实现了提高单井产量的目标。

　　王家强 文