探讨提高钻速的待钻井眼轨道设计方法

司继峰

摘要：传统的钻进方式在设计过程中大多依赖二维设计的方式，并且在作业过程中过度依赖工作人员的主观经验，由此导致钻进工作存在许多阻碍，其中钻进速度长期难以得到提升。定向井三维设计法的基本原理是借助空间解析几何方法，用二维的平面思维考虑三维空间问题。与二维设计相比，三维设计可以更加充分地将钻进实际情况展现出来，对于提升钻进速度具有重要意义。

关键词：三维设计;井斜角;方位角;钻速

1.常规设计方法及其局限性

1.1常规设计法的不足

尽管截至目前为止，二维定向井剖面拥有十余种类型，但是其中任何一种类型的二维剖面，在设计过程中均没有将井身轴线的方位变化考虑进进来，简单的设计方法导致钻进速度无法得到提升。实际钻进过程中，难以保证井身轴线处于同一平面内，包括井斜角、方位角等在内的一系列井身参数都在随之变化，由此表明实际生产中因地质、钻具组合、钻井参数的影响，井身方位与原设计方位发生偏离，钻具无法按照固定路线钻进进而导致钻速无法提升。[1]

对于部分特殊绕障井、丛式井，需要充分考虑方位的整体变化，这种情况下传统的二维设计就不能满足需求。为了进一步满足实际生产需求，需要使用三维的轨道设计方式对定向井井身轴线进行设计，充分考虑井斜角与井斜方位角的实际变化情况。

1.2三维设计法

斜平面法运用纠方位初始点、目标点构建斜平面，并且在斜平平面内寻找合适的曲线代表待钻井身轴线，由此充分展现出待钻井身在钻进过程中井斜角、井斜方位角伴随井深发生的变化，从而可以明确适合的钻进速度。

对应的设计特点共同表现为预先明确一條空间曲线，连接纠方位初始点、目标点代表待钻井身轴线。定向井实际施工中，通常会选择动力钻具加弯接头的钻具组合对井斜、方位的变化进行控制，正因如此才会出现造斜工具装置角问题导致钻速难以得到提升。[2]造斜工具装置角会伴随井身方位的变化而变化，并非恒定值，装置角变化量与井身方位变化量相等。在对斜平面法、螺旋法设计、计算时，俊辉把工具装置角定为恒定值。

现阶段的定向钻井工艺技术可以有效解决工具装置角与井身井斜方位角同步变化的问题，由此获得的井身轴线设计在实际施工时展现出强大的精准性，井身轴线可以保持在同一平面内，实际井身与设计方案不会发生偏离，这也是三维设计方法的优势所在。

2.待钻经验轨道提速优化设计

尽量选择形状简单、便于施工的井眼轨道定向井、水平井提速设计的一项基本原则，鉴于此在周围作业环境允许的条件下会选择将井眼轨道设计为二维剖面。 不过伴随现阶段油田勘探开发工作持续推进， 石油钻井的作业环境复杂化程度逐步提升，相应的钻进速度难以得到提升，这种情况下对钻井技术的水平存在更高的要求。

三维井眼轨道设计方式可以对钻井轨道进行优化设计，最终生成多目标井设计与随钻控制方案。不在同一铅垂面内多目标井口与靶点，经过三维井眼轨道设计以后统一定位。[3]井口、各靶点间的井眼轨道大概率上为三维，但是不排除其中部分井段会被设计为二维轨道， 另一部分被设计为井段设计成三维。

2.1三维绕障井轨道设计

铅直圆柱、圆台是一种最简单的障碍物模型，在需要绕障的特定范围内，将障碍物的已钻直井视作为铅直圆柱，通常情况下的障碍物位于水平投影图上，依然可以找到一个圆或圆弧，由此可以绕过障碍物。如图2所示，通常情况下会选择使用井眼轨道圆柱螺线模型进展开障井设计。明确的靶点、障碍物的位置与形状基础上，展开绕障设计时存在一系列已知参数：靶点垂深Ht，水平位移At，平移方位φ，绕障中心点M与井口发生的水平位移AM、平移方位φM、绕障半径。

绕障半径RM不仅包含障碍物控制范围，还有一定的附加安全绕障距离。此处需要注意的是，绕障中心点未必是障碍物的几何中心，仅为水平投影图上对应的绕障圆弧曲率中心。

2.1 绕障井轨道设计

受到地面环境的影响，地面井位并没有十分充足的选择空间，其中以海上钻井平台为代表的钻井模式，尤其是对油田进行开采达到中后期的加密井，以及一些特殊的地质条件都是影响轨道设计的因素。

井口、目标点所处的铅垂平面内，障碍物通过的概率极低，倘若钻具遇到这些障碍物，轻则钻速下降、无法钻进，重则钻具损坏，因此绕开障碍物十几分必要，常见容易出现障碍物的情况如钻井眼、盐丘、金属矿床、断层、异常高压区等，此时需要开展精确三维绕障轨道设计。

圆柱螺线模型假设表示的圆柱螺线模型井眼轨道：垂直剖面的井眼轨道与水平投影的曲率HK、VK分别为常数，代表的井眼轨道是一种变螺旋角圆柱螺线，最大的特点是：在垂直剖面图与水平投影图中，井眼轨道均是圆弧状态。

由此获得任意井深度L对应的井斜角、方位角从而对提升钻速进行计算。

结 论

之所以使用常规的钻井法其钻进速度难以提升，是因为井斜角、方位角等在一系列井身参数会伴随影响因素而发生变化，进而导致井身方位和原设计方位发生偏离，钻具无法按照预定路线钻进，造成钻速无法提升。使用三维设计的方式可以使钻具有效避开障碍，计算获得相应的井斜角、方位角变化，实现钻速的提升。

参考文献

[1]刘珊珊，赵亦朋，王小秋，汪志明.自然曲线井眼轨道设计模型及反演求解方法[J].西安石油大学学报（自然科学版），2022，37（01）：66-72.

[2]于凡，黄根炉，韩志勇，倪红坚，李菁，李伟.悬杆线井眼轨道设计方法[J].石油勘探与开发，2021，48（05）：1043-1052.

[3]赵亦朋，赵庆，蒋宏伟，王志月，杨光. 塔里木油田水平井轨道优化设计软件及应用[C]//.2019油气田勘探与开发国际会议论文集.，2019：3119-3124. DOI：10.26914/c.cnkihy.2019.050549.