CN104632079A - 一种三维水平井井眼轨道靶前位移的确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种三维水平井井眼轨道靶前位移的确定方法，属于石油天然气钻井技术领域。本发明根据被设计水平井邻井的测井、录井和地震资料得到砂体展布和储层埋深，以确定被设计水平井A靶点和B靶点的坐标及垂深，利用所确定的坐标和垂深计算A靶点的井斜角和井斜方位角，以拟采用的井眼尺寸、钻机装备能力为依据，以井斜角、井斜方位角、工具造斜率、地层造斜率因素为约束条件，确定三维水平井井眼轨道的靶前位移。本发明简单易行，能够很好的实现井位部署和井间防碰绕障，符合现场施工实际，同时可节约施工时间。

Description

一种三维水平井井眼轨道靶前位移的确定方法

技术领域

本发明涉及一种三维水平井井眼轨道靶前位移的确定方法，属于石油天然气钻井技术领域。

背景技术

在石油天然气技术领域，为了提高储层的储量动用率，提高单井产量，采用水平井进行产能建设，例如：华北分公司鄂尔多斯盆地大牛地气田就是通过水平井进行了10亿方天然气产能建设，取得了很好的实施效果，为了保护环境，降低工程成本和后期的有效管理，探索试验了“井工厂”开发模式，就是在一个井场打4口以上的水平井，见非专利文献《“井工厂”模式在大牛地气田的应用》(闫吉曾，邓红琳等，《中石化油气开采技术论坛论文集(2013)》)。华北分公司泾河油田也是通过水平井进行了石油产能建设，取得了较好的实施效果，但在水平井开发过程中也面临一个难题：红河油田、泾河油田位于甘肃省，属于黄土塬地形，“塬、梁、峁”很多，地表沟壑纵横，十分复杂，由于水平井井眼轨道是二维设计，优选井场非常困难，成本居高不下。

在“井工厂”模式下，如果水平井水平段采用平行状分布，三维井眼轨道设计可最大限度的提高单井产量；在沟壑纵横的地形下若采用三维井眼轨道设计可解决井场优选问题。但这就需要设计三维井眼轨道设计与二维井眼轨道设计有非常大的差异：二维井眼轨道设计仅仅涉及井斜变化，设计比较简单，而三维井眼轨道设计不仅涉及井斜变化，还涉及方位变化，设计非常复杂，所以在确定水平井靶前位移时，不仅要考虑井斜的变化还要考虑方位的变化，导致靶前位移难以确定，并因此在井位部署时靶前位移不符合工程实际，钻井施工非常困难，有的因“吃掉”水平段会引起单井产量下降。

发明内容

本发明的目的是提供一种三维水平井井眼轨道靶前位移的确定方法，以解决三维水平井设计中存在水平井靶前位移难以确定以及准确进行井位部署的问题。

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道靶前位移的确定方法，该方法包括以下步骤：

1)根据被设计水平井邻井资料、测井、录井资料，得到储层砂体展布和储层埋深，确定被设计水平井A靶点和B靶点的坐标和垂深；

2)根据A靶点和B靶点的坐标和垂深计算水平井A靶点的井斜角α_A和井斜方位角φ₂；

3)根据被设计水平井拟采用的井眼尺寸、下入套管钢级和壁厚，确定套管下入需要的井眼曲率K；

4)根据被设计水平井采用的钻具组合造斜能力，确定造斜工具的造斜率；

5)根据邻井实钻数据确定地层的自然造斜率K_z；

6)利用步骤1)至步骤5)中确定的参数计算靶前位移S。

所述步骤2)中水平井A靶点的井斜角α_A和井斜方位角φ₂的计算公式为：

${\mathrm{\α}}_A=\arccos \frac{D_B-D_A}{\sqrt{{(X_B-X_A)}^2+{(Y_B-Y_A)}^2}}$

${\mathrm{\φ}}_2=\left\{\begin{array}{cc}\arctan \frac{Y_B-Y_A}{X_B-X_A}& (\frac{Y_B-Y_A}{X_B-X_A}>0)\\ \arctan \frac{Y_B-Y_A}{X_B-X_A}+2\mathrm{\π}& (\frac{Y_B-Y_A}{X_B-X_A}\≤0)\end{array}\right.$

其中(X_A，Y_A)为A靶点的坐标，(X_B，Y_B)为B靶点的坐标，D_A为A靶点的垂深，D_B为B靶点垂深的，arccos为反余弦函数，arctan为反正切函数。

所述步骤6)中靶前位移S是由A靶点的南北坐标和东西坐标确定，

$S=\sqrt{{\mathrm{\ΔN}}^2+{\mathrm{\ΔE}}^2}$

其中ΔN为A靶点的南北坐标，ΔE为A靶点的东西坐标。

所述A靶点的东西坐标和南北坐标的计算公式为：

$\mathrm{\ΔE}=\frac{g}{K\cos \mathrm{\ω}}+\frac{1-\cos {\mathrm{\α}}_1}{K}\sin {\mathrm{\φ}}_1+L\sin {\mathrm{\α}}_2\sin {\mathrm{\φ}}_2+\frac{\cos {\mathrm{\α}}_2-\cos {\mathrm{\α}}_A}{K}\sin {\mathrm{\φ}}_2$

$\mathrm{\ΔN}=\frac{f}{K\cos \mathrm{\ω}}+\frac{1-\cos {\mathrm{\α}}_1}{K}\cos {\mathrm{\φ}}_1+L\sin {\mathrm{\α}}_2\cos {\mathrm{\φ}}_2+\frac{\cos {\mathrm{\α}}_2-\cos {\mathrm{\α}}_A}{K}\cos {\mathrm{\φ}}_2$

其中 $\mathrm{\ω}=\arctan \left(\frac{{\mathrm{\φ}}_2-{\mathrm{\φ}}_1}{\ln \frac{\tan \left(0.5{\mathrm{\α}}_2\right)}{\tan \left(0.5{\mathrm{\α}}_1\right)}}\right)$

$f={\∫}_{{\mathrm{\α}}_1}^{{\mathrm{\α}}_2}\sin \mathrm{\α}\cos (\tan \mathrm{\ω}\left({\mathrm{\φ}}_1\right)\ln \frac{\tan \left(0.5\mathrm{\α}\right)}{\tan \left(0.5{\mathrm{\α}}_1\right)}+{\mathrm{\φ}}_1)\mathrm{d\α}$

$g={\∫}_{{\mathrm{\α}}_1}^{{\mathrm{\α}}_2}\sin \mathrm{\α}\sin (\tan \mathrm{\ω}\left({\mathrm{\φ}}_1\right)\ln \frac{\tan \left(0.5\mathrm{\α}\right)}{\tan \left(0.5{\mathrm{\α}}_1\right)}+{\mathrm{\φ}}_1)\mathrm{d\α}$

${\mathrm{\α}}_1\∈[\frac{\mathrm{\π}}{18},\frac{\mathrm{\π}}{4}];{\mathrm{\α}}_2\∈[\frac{\mathrm{\π}}{4},\frac{\mathrm{\π}}{2}];\mathrm{\φ}\∈[0,\frac{\mathrm{\π}}{2}];L\∈[0,L_{\max }]$

K_min+K_z≤K≤K_max+K_z

α₁和α₂为井斜角，L稳斜段段长，L_max稳斜段最大值，φ₁为初始井斜方位角，φ₂为A靶点的井斜方位角，α为积分变量，K是井眼曲率，K_min为工具最小造斜率，K_max为工具最大造斜率，K_z为地层自然造斜率，ω、f和g是中间过渡参数。

本发明的有益效果是:本发明根据被设计水平井邻井的测井、录井和地震资料得到砂体展布和储层埋深，以确定被设计水平井A靶点和B靶点的坐标及垂深，利用所确定的坐标和垂深计算A靶点的井斜角和井斜方位角，以拟采用的井眼尺寸、钻机装备能力为依据，以井斜角、井斜方位角、工具造斜率、地层造斜率因素为约束条件，确定三维水平井井眼轨道的靶前位移。本发明简单易行，根据所确定的靶前位移能够很好的实现井位部署和井间防碰绕障，符合现场施工实际，同时可节约施工时间。

附图说明

图1是本发明实施例中地震反演砂体分布图；

图2是本发明实施例邻井测井图；

图3是本发明实施例中东西坐标和南北坐标示意图。

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。

本实施以鄂尔多斯盆地泾河油田一口三维水平井为例，由于黄土塬地貌沟壑纵横，需采用三维水平井开发，下面以该地区的三维水平井井眼轨道靶前位移的确定过程进行说明，该过程具体包括以下步骤：

1.根据被设计水平井邻井资料，如图2所示，绘制储层砂体展布、预测储层埋深，确定水平井A靶点的X坐标、Y坐标和垂深以及B靶点的X坐标、Y坐标和垂深，如图1所示，这里X、Y坐标的坐标原点在赤道线，以赤道线为横轴，以经线为纵轴，纵轴是X坐标，横轴是Y坐标。A靶点指的水平段起点(也即是入靶点)，B靶点指的是水平段结束点，具体数值见表1。

表1

靶点	X坐标	Y坐标	垂深(m)
				A靶点	3918542.91	36523564.57	1336.74
B靶点	3919030.56	36523433.34	1344.74

2.根据步骤1中A靶点和B靶点的坐标及井深确定水平井A靶点的井斜角和井斜方位角。

${\mathrm{\α}}_A=\arccos \frac{D_B-D_A}{\sqrt{{(X_B-X_A)}^2+{(Y_B-Y_A)}^2}}$

${\mathrm{\φ}}_2=\left\{\begin{array}{cc}\arctan \frac{Y_B-Y_A}{X_B-X_A}& (\frac{Y_B-Y_A}{X_B-X_A}>0)\\ \arctan \frac{Y_B-Y_A}{X_B-X_A}+2\mathrm{\π}& (\frac{Y_B-Y_A}{X_B-X_A}\≤0)\end{array}\right.$

其中α_A为A靶点的井斜角，单位为弧度；φ₂为A靶点的井斜方位角，单位为弧度；X_A为A靶点的X坐标；Y_A为A靶点的Y坐标；X_B为B靶点的X坐标；Y_B为B靶点的Y坐标；D_A为A靶点的井深，单位为米；D_B为B靶点的井深，单位为米；arccos为反余弦函数；arctan为反正切函数；π为圆周率，等于3.1415926。

将表1中数据带入该公式计算结果是A靶点井斜角为1.5550弧度，转换为工程单位角度为89.0923度；A靶点井斜方位角为6.0203弧度，转换为工程单位角度为344.9381度。

3.根据被设计水平井采用的井眼尺寸、下入套管钢级和壁厚，预测套管下入需要的井眼曲率。本井拟采用二级井身结构，一开采用Φ311.2mm井眼尺寸，二开采用Φ215.9mm井眼尺寸，下入Φ139.7mm，钢级P110，壁厚7.72mm的套管。因此井眼曲率不能超过12°/30m。

4.根据被设计水平井采用的钻具组合造斜能力，预测造斜工具的造斜率，本井造斜段采用1-1.5°单弯螺杆，预测造斜率在3.5-10°/30m。

5.根据邻井实钻数据，预测地层自然造斜率。根据本井邻井和区域钻井资料，地层自然造斜率在0.5-1.7°/30m。

6.根据步骤1至5数据确定被钻水平井的靶前位移。如图3所示，A靶点的东西坐标和南北坐标确定如下：

$\mathrm{\ΔE}=\frac{g}{K\cos \mathrm{\ω}}+\frac{1-\cos {\mathrm{\α}}_1}{K}\sin {\mathrm{\φ}}_1+L\sin {\mathrm{\α}}_2\sin {\mathrm{\φ}}_2+\frac{\cos {\mathrm{\α}}_2-\cos {\mathrm{\α}}_A}{K}\sin {\mathrm{\φ}}_2$

$\mathrm{\ΔN}=\frac{f}{K\cos \mathrm{\ω}}+\frac{1-\cos {\mathrm{\α}}_1}{K}\cos {\mathrm{\φ}}_1+L\sin {\mathrm{\α}}_2\cos {\mathrm{\φ}}_2+\frac{\cos {\mathrm{\α}}_2-\cos {\mathrm{\α}}_A}{K}\cos {\mathrm{\φ}}_2$

其中： $\mathrm{\ω}=\arctan \left(\frac{{\mathrm{\φ}}_2-{\mathrm{\φ}}_1}{\ln \frac{\tan \left(0.5{\mathrm{\α}}_2\right)}{\tan \left(0.5{\mathrm{\α}}_1\right)}}\right)$

$f={\∫}_{{\mathrm{\α}}_1}^{{\mathrm{\α}}_2}\sin \mathrm{\α}\cos (\tan \mathrm{\ω}\left({\mathrm{\φ}}_1\right)\ln \frac{\tan \left(0.5\mathrm{\α}\right)}{\tan \left(0.5{\mathrm{\α}}_1\right)}+{\mathrm{\φ}}_1)\mathrm{d\α}$

$g={\∫}_{{\mathrm{\α}}_1}^{{\mathrm{\α}}_2}\sin \mathrm{\α}\sin (\tan \mathrm{\ω}\left({\mathrm{\φ}}_1\right)\ln \frac{\tan \left(0.5\mathrm{\α}\right)}{\tan \left(0.5{\mathrm{\α}}_1\right)}+{\mathrm{\φ}}_1)\mathrm{d\α}$

${\mathrm{\α}}_1\∈[\frac{\mathrm{\π}}{18},\frac{\mathrm{\π}}{4}];{\mathrm{\α}}_2\∈[\frac{\mathrm{\π}}{4},\frac{\mathrm{\π}}{2}];\mathrm{\φ}\∈[0,\frac{\mathrm{\π}}{2}];L\∈[0,L_{\max }]$

其中α₁和α₂为井斜角，单位为弧度；L稳斜段段长，单位为米；L_max为稳斜段最大值，单位为米；φ₁为初始井斜方位角，单位为弧度，指的是第一个二维井段所有点的井斜方位角，这个井段的井斜方位角为常数，也就是说第一二维井段均在这个方位上钻进，直至二维段终点；α为积分变量；K是井眼曲率，单位为弧度/米；K_min为工具最小造斜率，单位为弧度/米；K_max为工具最大造斜率，单位为弧度/米；K_z为地层自然造斜率，单位为弧度/米；ω、f和g是中间过渡参数。

本实例中取值如下：α₁＝15°，α₂＝75°，φ₁＝285°，φ₂＝344.94°，L＝45m，α_A＝89.09°，K＝4.5°/30m。计算结果是A靶点的东西坐标-235.99m，A靶点的南北坐标是383.88m，所以靶前位移确定为450.61m。因此，通过地质与工程相结合，确定靶前位移，地质可据此进行井位部署，以最大限度提高单井产量，本井按照上述确定的靶前位移部署实施后，钻井过程顺利，油层套管一次性顺利下入，投产后日产油11.30吨，取得了较好的地质效果。

本发明根据测井、录井和地震资料绘制砂体展布并预测储层埋深，从而确定A靶点垂深，以拟采用的井眼尺寸、钻机装备能力为依据，以井斜角、井斜方位角、工具造斜率、地层造斜率等因素为约束条件，确定三维水平井井眼轨道的靶前位移，该方法便于井位部署、井间防碰绕障，符合现场施工实际，同时可节约施工时间。

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 (4)

1.一种三维水平井井眼轨道靶前位移的确定方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)根据被设计水平井邻井资料、测井、录井资料，得到储层砂体展布和储层埋深，确定被设计水平井A靶点和B靶点的坐标和垂深；

2)根据A靶点和B靶点的坐标和垂深计算水平井A靶点的井斜角α_A和井斜方位角φ₂；

3)根据被设计水平井拟采用的井眼尺寸、下入套管钢级和壁厚，确定套管下入需要的井眼曲率K；

4)根据被设计水平井采用的钻具组合造斜能力，确定造斜工具的造斜率；

5)根据邻井实钻数据确定地层的自然造斜率K_z；

6)利用步骤1)至步骤5)中确定的参数计算靶前位移S。

2.根据权利要求1所述的三维水平井井眼轨道靶前位移的确定方法，其特征在于，所述步骤2)中水平井A靶点的井斜角α_A和井斜方位角φ₂的计算公式为：

${\mathrm{\α}}_A=\arccos \frac{D_B-D_A}{\sqrt{{(X_B-X_A)}^2+{(Y_B-Y_A)}^2}}$

${\mathrm{\φ}}_2=\left\{\begin{array}{cc}\arctan \frac{Y_B-Y_A}{X_B-X_A}& (\frac{Y_B-Y_A}{X_B-X_A}>0)\\ \arctan \frac{Y_B-Y_A}{X_B-X_A}+2\mathrm{\π}& (\frac{Y_B-Y_A}{X_B-X_A}\≤0)\end{array}\right.$

其中(X_A，Y_A)为A靶点的坐标，(X_B，Y_B)为B靶点的坐标，D_A为A靶点的垂深，D_B为B靶点垂深的，arccos为反余弦函数，arctan为反正切函数。

3.根据权利要求2所述的三维水平井井眼轨道靶前位移的确定方法，其特征在于，所述步骤6)中靶前位移S是由A靶点的南北坐标和东西坐标确定，

$S=\sqrt{{\mathrm{\ΔN}}^2+{\mathrm{\ΔE}}^2}$

其中ΔN为A靶点的南北坐标，ΔE为A靶点的东西坐标。

4.根据权利要求2或3所述的三维水平井井眼轨道靶前位移的确定方法，其特征在于，所述A靶点的东西坐标和南北坐标的计算公式为：

$\mathrm{\ΔE}=\frac{g}{K\cos \mathrm{\ω}}+\frac{1-\cos {\mathrm{\α}}_1}{K}\sin {\mathrm{\φ}}_1+L\sin {\mathrm{\α}}_2{\sin \mathrm{\φ}}_2+\frac{\cos {\mathrm{\α}}_2-{\cos \mathrm{\α}}_A}{K}\sin {\mathrm{\φ}}_2$

$\mathrm{\ΔN}=\frac{f}{K\cos \mathrm{\ω}}+\frac{1-\cos {\mathrm{\α}}_1}{K}\cos {\mathrm{\φ}}_1+L\sin {\mathrm{\α}}_2{\cos \mathrm{\φ}}_2+\frac{\cos {\mathrm{\α}}_2-{\cos \mathrm{\α}}_A}{K}\cos {\mathrm{\φ}}_2$

其中 $\mathrm{\ω}=\arctan \left(\frac{{\mathrm{\φ}}_2-{\mathrm{\φ}}_1}{1n\frac{\tan \left(0.5{\mathrm{\α}}_2\right)}{\tan \left(0.5{\mathrm{\α}}_1\right)}}\right)$

$f={\∫}_{{\mathrm{\α}}_1}^{{\mathrm{\α}}_2}\sin \mathrm{\α}\cos (\tan \mathrm{\ω}\left({\mathrm{\φ}}_1\right)1n\frac{\tan \left(0.5\mathrm{\α}\right)}{\tan \left(0.5{\mathrm{\α}}_1\right)}+{\mathrm{\φ}}_1)\mathrm{d\α}$

$g={\∫}_{{\mathrm{\α}}_1}^{{\mathrm{\α}}_2}\sin \mathrm{\α}\sin (\tan \mathrm{\ω}\left({\mathrm{\φ}}_1\right)1n\frac{\tan \left(0.5\mathrm{\α}\right)}{\tan \left(0.5{\mathrm{\α}}_1\right)}+{\mathrm{\φ}}_1)\mathrm{d\α}$

${\mathrm{\α}}_1\∈[\frac{\mathrm{\π}}{18},\frac{\mathrm{\π}}{4}];{\mathrm{\α}}_2\∈[\frac{\mathrm{\π}}{4},\frac{\mathrm{\π}}{2}];\mathrm{\φ}\∈[0,\frac{\mathrm{\π}}{2}];$ L∈[0,L_max]

K_min+K_z≤K≤K_max+K_z

α₁和α₂为井斜角，L稳斜段段长，L_max稳斜段最大值，φ₁为初始井斜方位角，φ₂为A靶点的井斜方位角，α为积分变量，K是井眼曲率，K_min为工具最小造斜率，K_max为工具最大造斜率，K_z为地层自然造斜率，ω、f和g是中间过渡参数。