CN104481400A - 一种三维水平井井眼轨迹控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种三维水平井井眼轨迹控制方法，属于石油天然气钻井技术领域。本发明根据钻井装备和地层岩性确定钻井参数；通过随钻测量工具测量井眼参数，利用地质录井修正地层垂深，以已知测点进行待钻点设计，以垂深为控制目标，不断修正三维井段轨迹，钻至三维井段末点扭方位结束；再次利用地质录井修正入靶点垂深，进行二维钻井至靶点，然后利用储层岩性和水平段井斜确定钻具组合进行水平段钻井。本发明的优点在于，一是采用常规钻井、定向装备，成本非常低，具有推广价值；二是利用常规录井进行地质导向，不断修正轨迹，大幅提高了中靶精度；三是通过设计与施工整体一体化，现场定向施工易于操作，便于定向工程师施工。

Description

一种三维水平井井眼轨迹控制方法

技术领域

本发明涉及一种三维水平井井眼轨迹控制方法，属于石油天然气钻井技术领域。

背景技术

在石油天然气领域，低孔、低渗和低压油藏被称为“三低”油藏，这类油藏的特点是单井产量低，中石化华北分公司泾河油田、红河油田、渭北油田和洛河油田均属于这类“三低”油藏，例如泾河油田，孔隙度在10％左右，渗透率小于0.5mD，平均压力系数在0.95以下，水平井平均单井产量3.5吨/天左右，因此在开发时需要尽最大可能节约投资，提高开发效益。为节约投资，采用丛式水平井开发，就是在一个井场打两口以上的水平井，由于黄土塬地表沟壑纵横，井场征地困难，部分井要采用三维水平井钻井，就是钻井过程中既有井斜变化，同时又有方位的变化，钻井难度非常高。

泾河油田、红河油田等位于鄂尔多斯盆地，储层非均质性强，加之为降低成本采用常规钻井装备，实现三维水平井钻井更是“难上加难”，难点之一就是井眼轨迹控制技术。目前所实施的三维水平井比较少，少量实施的三维水平井井眼轨迹控制大都采用旋转导向系统和地质导向系统，例如：Auto Trak旋转导向系统、Power Drive旋转导向系统以及Geo-Pilot旋转导向系统，有的则采用比较高端的钻井装备，还有，国内，201310510905.9《一种高造斜率井眼轨迹控制方法》，这种旋转导向系统在三维水平井井眼轨迹控制中效果较好，但最明显的不足是成本非常高。总之，目前为了实现对三维水平井井眼轨迹控制，要么是借助旋转导向钻井系统，要么是采用高端钻井设备(包括：电动钻机，顶部驱动系统，高性能钻杆，高性能钻井液，高性能钻井泵和离心机等等)，这两种方式的成本都比较高，对于“三低”油藏而言，这两种方式都不太适合。

发明内容

本发明的目的是一种三维水平井井眼轨迹控制方法，以解决现有三维水平井井眼轨迹控制采用高端装备及旋转导向系统导致成本过高的问题。

本发明为解决上述技术问题而提供一种三维水平井井眼轨迹控制方法，该控制方法包括以下步骤：

1)根据被施工三维水平井井眼轨道，自造斜点至A靶点采用二维井段、三维井段和二维井段顺序组合的方式；

2)根据所设计的井眼曲率选择钻具组合，钻具组合的造斜率高于井眼曲率；

3)根据所选用钻具组合类型和环空临界排量确定泵排量，根据地层岩性及所选用钻具组合类型确定钻压；

4)根据所设计的初始方位角定向，按照确定的泵排量和钻压以及钻具组合自造斜点进行二维井段钻进；

5)在钻进至所设定的垂深后，测量此时的井底井深、井斜角和井斜方位角，并计算该点的实钻垂深、东西坐标和南北坐标；

6)通过实钻地质录井数据，对地层层序及对应垂深进行预测，确定A靶点垂深、东西坐标和南北坐标；

7)根据A靶点垂深，设置三维井段末点为虚拟靶点，根据步骤5)和步骤6)中的数据确定虚拟靶点的垂深、井斜角和井斜方位角，并计算三维井段所采用的工具面角；

8)根据步骤6)的地层预测和录井数据以及钻井过程中所选用的管柱的一根钻杆长度计算三维井段各待钻点的井斜角和井斜方位角；

9)按照所计算出的工具面角和各待钻点的井斜角及井斜方位角进行三维段钻井至三维井段末点，测量此时的井深、井斜角和井斜方位角，根据地质录井数据修正A靶点的垂深，进行待钻井眼轨道设计，根据造斜率，确定三维井段末点至A靶点井段井身剖面，进行二维井段钻进至A靶点；

10)根据水平段地层岩性和设计轨道的井眼曲率确定钻具组合，根据地质录井数据，以控制垂深为目标，进行水平段二维井段钻井，从而实现对三维水平井井眼轨迹的控制。

所述水平井二维井段采用圆弧段和直线段组合设计，三维井段采用恒工具面设计，所述三维井段与二维井段井眼曲率值相同。

所述步骤7)中工具面角计算公式如下：

增斜时

$\mathrm{\ω}=\arctan \frac{{\mathrm{\φ}}_e-{\mathrm{\φ}}_s}{\ln \tan \frac{{\mathrm{\α}}_e}{2}-\ln \tan \frac{{\mathrm{\α}}_s}{2}}$

降斜时

$\mathrm{\ω}=\arctan \frac{{\mathrm{\φ}}_e-{\mathrm{\φ}}_s}{\ln \tan \frac{{\mathrm{\α}}_e}{2}-\ln \tan \frac{{\mathrm{\α}}_s}{2}}+\mathrm{\π}$

其中，ω为所求工具面角，α_s为三维井段起点井斜角，α_e为三维井段末点井斜角，φ_s为三维井段起点井斜方位角，φ_e为三维井段末点井斜方位角。

所述步骤8)中三维井段各待钻点的井斜角和井斜方位角的计算公式为：

$({\mathrm{\α}}_{i+1}-{\mathrm{\α}}_i)-\frac{l_i}{D_{i+1}-D_i}({\sin \mathrm{\α}}_{i+1}-{\sin \mathrm{\α}}_i)=0$

${\mathrm{\φ}}_{i+1}=\arctan \frac{{\mathrm{\ΔE}}_{i+1}}{{\mathrm{\ΔN}}_{i+1}}$

其中α_i为已知测点井斜角，α_i+1为下一待钻点井斜角，D_i为已知测点垂深，D_i+1为下一待钻点垂深，l_i为管柱的一根钻杆长度，φ_i+1为下一待钻点的井斜方位角，△E_i+1为下一待钻点东西坐标，△N_i+1为下一待钻点南北坐标，i为正整数序列。

在进行二维井段钻井过程中是以垂深为控制目标的。

所述钻具组合造斜率高于井眼曲率30％以上，钻具组合包括钻头、弯螺杆、稳定器、随钻测量工具、无磁钻铤、加重钻杆和钻杆，三维井段采用三牙轮钻头，二维井段采用PDC钻头或三牙轮钻头。

所述步骤3)中泵排量Q的范围确定公式如下：

max(Q_pmin,Q_bmin,Q_smin,Q_cmin)≤Q≤min(Q_pmax,Q_bmax,Q_smax)

其中Q为泵排量，Q_pmax,Q_pmin分别为钻井泵的最大排量和最小排量，Q_bmax,Q_bmin分别为所选钻头的最大排量和最小排量，Q_smax,Q_smin分别为所选动力钻具的最大排量和最小排量，Q_cmin为环空临界排量。

所述步骤3)中钻压W取值如下：

W＝min(W_b,W_s,W_q)

其中W为钻压，W_b为所选钻头推荐钻压，W_s为所选动力钻具推荐钻压，W_q为管柱屈曲时钻压。

本发明的有益效果是:本发明通过二维井段获得钻具组合实际造斜率，利用四级固控调节钻井液性能满足钻井需要，根据钻井装备和地层岩性确定钻井参数；通过随钻测量工具测量井眼参数，利用地质录井修正地层垂深，以已知测点进行待钻点设计，以垂深为控制目标，不断修正三维井段轨迹，钻至三维井段末点扭方位结束；再次利用地质录井修正入靶点垂深，进行二维钻井至靶点，然后利用储层岩性和水平段井斜确定钻具组合进行水平段钻井。本发明的优点在于，一是采用常规钻井装备和动力钻具定向即可实现，成本非常低，具有推广价值；二是利用常规录井进行地质导向不断修正轨迹，大幅提高了中靶精度；三是通过设计与施工整体一体化，现场定向施工易于操作，便于定向工程师施工。

附图说明

图1是本发明实施例中设计与实钻轨迹垂直剖面图；

图2是本发明实施例中设计与实钻轨迹水平投影图；

图3是本发明实施例中设计与实钻轨迹三坐标图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

下面以鄂尔多斯盆地泾河油田一口三维水平井为例来详细说明本发明三维水平井井眼轨迹控制方法的具体实施过程。本井采用ZJ40罗马钻机，采用常规“螺杆钻具+MWD测量系统”，选用F-1300钻井泵，且不配备顶驱。

1.根据钻井地质设计，对水平井进行钻井工程设计。本实施例采用六段式井眼轨道，包括一维直井段、二维增斜段、三维井段、二维稳斜段、二维增斜段和二维水平段，其中水平井二维井段采用圆弧段和直线段组合设计，三维井段采用恒工具面设计，设置三维井段与二维井段井眼曲率值相同，并且自造斜点至A靶点采用二维井段、三维井段和二维井段顺序组合方式，本实施例中造斜点951.48m，井眼曲率4.9°/30m，三维井段采用恒工具面设计，工具面角为299.70°，具体参数见表1。

表1

2.根据设计井眼曲率4.9°/30m，选取造斜段钻具组合，使钻组组合的造斜率高于井眼曲率。本实施例中钻具组合为：Φ215.9mm三牙钻头+1.5°螺杆+无磁钻挺+MWD随钻测量工具+Φ127mm钻杆+Φ127mm加重钻杆成和Φ127mm钻杆串，根据上述选取的造斜段钻具组合，预测工具造斜率为7.75°/30m。

3.钻进至造斜点951.48m，在开启振动筛、除砂器和除泥器的基础上，开启离心机，钻井液失水在5ml内，含砂量在0.5％以内。

4.根据所选用的钻井泵型号、钻头型号、动力钻具和环空临界排量确定泵排量。泵排量范围如下：

max(Q_pmin,Q_bmin,Q_smin,Q_cmin)≤Q≤min(Q_pmax,Q_bmax,Q_smax)

其中Q为泵排量，单位为立方米/秒；Q_pmax,Q_pmin为钻井泵的最大排量和最小排量，单位为立方米/秒；Q_bmax,Q_bmin为所选钻头的最大排量和最小排量，单位为立方米/秒；Q_smax,Q_smin为所选动力钻具的最大排量和最小排量，单位为立方米/秒；Q_cmin为环空临界排量，单位为立方米/秒。

本实施例中的水平井采用F-1300钻井泵、三牙轮钻头和1.5°立林螺杆，根据泵排量范围公式，确定泵排量为28-32L/s。

5.根据地层岩性和所选用的钻头型号及动力钻具型号确定钻压。

钻压取值如下：

W＝min(W_b,W_s,W_q)

其中W为钻压，单位为牛顿；W_b为所选钻头推荐钻压，单位为牛顿；W_s为所选动力钻具推荐钻压，单位为牛顿；W_q为管柱屈曲时钻压，单位为牛顿。

本实施例中造斜段钻遇侏罗系延安组和三叠系延长组，根据所选钻头型号HJ518G和螺杆型号(转换为工程单位)，钻压确定在6-10吨。

6.按照设计初始方位角59°开始定向造斜，进行二维井段钻进，以垂深为控制目标，钻进至设计垂深1172.03m，井深1190m，通过实钻数据分析，复合时造斜率为0.7-1.2°/30m，滑动时造斜率为5.5-7.0°/30m，满足施工要求。

7.在二维井段钻井结束后，利用随钻测斜工具测量井底井深、井斜方位角和井斜方位角，计算该点实钻垂深、东西坐标和南北坐标。通过MWD进行测量，第一个二维井段结束点井底井深1191.84m，井斜角37°，井斜方位角为59.29°，计算后实钻垂深1175.26m，东西坐标69.66m，南北坐标35.33m；满足轨迹要求。

8.通过地质录井数据，对地层层序及对应垂深进行预测，地层进入延长组长3段，根据岩屑录井分析，A靶点垂深1476.86m，东西坐标为171.94m，南北坐标为596.43m保持不变，与原设计相同。地质录井包括岩性录井、气测录井、钻时录井、荧光录井。

9.根据A靶点垂深，设置三维井段末点垂深1370m为虚拟靶点，井斜角为64.5±1.5°和井斜方位角0±1.5°,通过工具面角计算公式：

$\mathrm{\ω}=\arctan \frac{{\mathrm{\φ}}_e-{\mathrm{\φ}}_s}{\ln \tan \frac{{\mathrm{\α}}_e}{2}-\ln \tan \frac{{\mathrm{\α}}_s}{2}}$

其中，ω为工具面角，单位为弧度；α_s为三维井段起点井斜角，单位为弧度；α_e为三维井段末点井斜角，单位为弧度；φ_s为三维井段起点井斜方位角，单位为弧度；φ_e为三维井段末点井斜方位角，单位为弧度。将步骤7和步骤9中三维井段起点和末点的井斜角和井斜方位角带入上述计算公式，得到的工具面角为300.5°。

10.根据录井地层预测和实时录井数据，根据管柱的一根钻杆长度，设定三维井段待钻点井斜角α_i+1由下列方程确定：

$({\mathrm{\α}}_{i+1}-{\mathrm{\α}}_i)-\frac{l_i}{D_{i+1}-D_i}({\sin \mathrm{\α}}_{i+1}-{\sin \mathrm{\α}}_i)=0$

方位计算公式为： ${\mathrm{\φ}}_{i+1}=\arctan \frac{{\mathrm{\ΔE}}_{i+1}}{{\mathrm{\ΔN}}_{i+1}};$

其中α_i为已知测点井斜角，单位为弧度；α_i+1为下一待钻点井斜角，单位为弧度；D_i为已知测点垂深，单位为弧度；D_i+1为下一待钻点垂深，单位为米；l_i为管柱的一根钻杆长度，单位为米；△E_i+1为下一待钻点东西坐标，单位为米；△N_i+1为下一待钻点南北坐标，单位为米。

11.钻进至三维井段末点，测量井深1512.03m、井斜角64.51°和井斜方位角为1.2°，满足轨迹控制要求。根据岩屑录井和气测录井，已进入长7段，修正A靶点垂深为1477m。需要稳斜150m，然后以造斜率4.8-5.1°/30m入靶A靶点，A靶点实际垂深为1476.72m，满足A靶点纵偏移1m的要求。

12.根据水平段为长8储层，岩性为岩屑砂岩，井斜角为90.57°，确定钻具组合为Φ215.9mmPDC钻头+1.25°螺杆+213mm扶正器+无磁钻铤+定向接头+Φ127mm钻杆+Φ127mm加重钻杆+Φ127mm钻杆串。水平段实际钻进750m。达到设计要求完钻，地质中靶率100％。实钻轨迹见图1、图2和图3所示。

从图1、图2和图3可以看出，实钻轨迹与设计非常吻合，说明轨迹控制精度非常高，控制效果非常好。本井目前日产油8.3吨/天，是邻井的2倍以上，取得了较好的地质效果。

最后所应说明的是：以上实施例仅用以说明而非限定本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解；依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种三维水平井井眼轨迹控制方法，其特征在于，该控制方法包括以下步骤：

1)根据被施工三维水平井井眼轨道，自造斜点至A靶点采用二维井段、三维井段和二维井段顺序组合的方式；

2)根据所设计的井眼曲率选择钻具组合，钻具组合的造斜率高于井眼曲率；

3)根据所选用钻具组合类型和环空临界排量确定泵排量，根据地层岩性及所选用钻具组合类型确定钻压；

4)根据所设计的初始方位角定向，按照确定的泵排量和钻压以及钻具组合自造斜点进行二维井段钻进；

5)在钻进至所设定的垂深后，测量此时的井底井深、井斜角和井斜方位角，并计算该点的实钻垂深、东西坐标和南北坐标；

6)通过实钻地质录井数据，对地层层序及对应垂深进行预测，确定A靶点垂深、东西坐标和南北坐标；

7)根据A靶点垂深，设置三维井段末点为虚拟靶点，根据步骤5)和步骤6)中的数据确定虚拟靶点的垂深、井斜角和井斜方位角，并计算三维井段所采用的工具面角；

8)根据步骤6)的地层预测和录井数据以及钻井过程中所选用的管柱的一根钻杆长度计算三维井段各待钻点的井斜角和井斜方位角；

9)按照所计算出的工具面角和各待钻点的井斜角及井斜方位角进行三维段钻井至三维井段末点，测量此时的井深、井斜角和井斜方位角，根据地质录井数据修正A靶点的垂深，进行待钻井眼轨道设计，根据造斜率，确定三维井段末点至A靶点井段井身剖面，进行二维井段钻进至A靶点；

10)根据水平段地层岩性和设计轨道的井眼曲率确定钻具组合，根据地质录井数据，以控制垂深为目标，进行水平段二维井段钻井，从而实现对三维水平井井眼轨迹的控制。

2.根据权利要求1所述的三维水平井井眼轨迹控制方法，其特征在于，所述水平井二维井段采用圆弧段和直线段组合设计，三维井段采用恒工具面设计，所述三维井段与二维井段井眼曲率值相同。

3.根据权利要求2所述的三维水平井井眼轨迹控制方法，其特征在于，所述步骤7)中工具面角计算公式如下：

增斜时

$\mathrm{\ω}=\arctan \frac{{\mathrm{\φ}}_e-{\mathrm{\φ}}_s}{\ln \tan \frac{{\mathrm{\α}}_e}{2}-\ln \tan \frac{{\mathrm{\α}}_s}{2}}$

降斜时

$\mathrm{\ω}=\arctan \frac{{\mathrm{\φ}}_e-{\mathrm{\φ}}_s}{\ln \tan \frac{{\mathrm{\α}}_e}{2}-\ln \tan \frac{{\mathrm{\α}}_s}{2}}+\mathrm{\π}$

其中，ω为所求工具面角，α_s为三维井段起点井斜角，α_e为三维井段末点井斜角，φ_s为三维井段起点井斜方位角，φ_e为三维井段末点井斜方位角。

4.根据权利要求2所述的三维水平井井眼轨迹控制方法，其特征在于，所述步骤8)中三维井段各待钻点的井斜角和井斜方位角的计算公式为：

$({\mathrm{\α}}_{i+1}-{\mathrm{\α}}_i)-\frac{l_i}{D_{i+1}-D_i}(\sin {\mathrm{\α}}_{i+1}-\sin {\mathrm{\α}}_i)=0$

${\mathrm{\φ}}_{i+1}=\arctan \frac{{\mathrm{\ΔE}}_{i+1}}{{\mathrm{\ΔN}}_{i+1}}$

其中α_i为已知测点井斜角，α_i+1为下一待钻点井斜角，D_i为已知测点垂深，D_i+1为下一待钻点垂深，l_i为管柱的一根钻杆长度，φ_i+1为下一待钻点的井斜方位角，ΔE_i+1为下一待钻点东西坐标，ΔN_i+1为下一待钻点南北坐标，i为正整数序列。

5.根据权利要求1所述的三维水平井井眼轨迹控制方法，其特征在于，所述步骤4)在进行二维井段钻井过程中是以垂深为控制目标的。

6.根据权利要求1所述的三维水平井井眼轨迹控制方法，其特征在于，所述钻具组合造斜率高于井眼曲率30％以上，钻具组合包括钻头、弯螺杆、稳定器、随钻测量工具、无磁钻铤、加重钻杆和钻杆，三维井段采用三牙轮钻头，二维井段采用PDC钻头或三牙轮钻头。

7.根据权利要求6所述的三维水平井井眼轨迹控制方法，其特征在于，所述步骤3)中泵排量Q的范围确定公式如下：

max(Q_pmin,Q_bmin,Q_smin,Q_cmin)≤Q≤min(Q_pmax,Q_bmax,Q_smax)

其中Q为泵排量，Q_pmax,Q_pmin分别为钻井泵的最大排量和最小排量，Q_bmax,Q_bmin分别为所选钻头的最大排量和最小排量，Q_smax,Q_smin分别为所选动力钻具的最大排量和最小排量，Q_cmin为环空临界排量。

8.根据权利要求6所述的三维水平井井眼轨迹控制方法，其特征在于，所述步骤3)中钻压W取值如下：

W＝min(W_b,W_s,W_q)

其中W为钻压，W_b为所选钻头推荐钻压，W_s为所选动力钻具推荐钻压，W_q为管柱屈曲时钻压。