CN113312688B - 一种页岩气水平井的轨迹设计方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种页岩气水平井的轨迹设计方法，涉及油气钻井工程技术领域。所述方法包括：确定页岩气水平井的A靶点和B靶点的相对坐标和垂深，以及确定水平段方位角和水平段井斜角；根据水平段方位角，确定初始增斜平面的方位角；选择初始造斜点，在初始增斜平面上设计“直‑增‑稳”轨迹至稳斜点；基于水平段方位角和水平段井斜角，自稳斜点设计“增扭‑增扭‑增扭”三段制轨迹至A靶点；基于A靶点和B靶点的相对坐标和垂深，设计轨迹连接A靶点至B靶点。本申请提供的轨迹设计方案可以称为“小三维”轨迹设计方法，能够提高钻井导向效率、降低摩阻扭矩，提高对垂深提前工况的适应能力。

Description

一种页岩气水平井的轨迹设计方法

技术领域

本申请实施例涉及油气钻井工程技术领域，特别涉及一种页岩气水平井的轨迹设计方法。

背景技术

页岩气开采主要采用“井工厂”钻井模式，一个平台通常部署双排6～10口井，水平段巷道间距为300～400m；单排5口井部署方式下，最大横向偏移距可达100m；大横向偏移距条件下导致井眼摩阻扭矩大，轨迹控制难度大，导向钻井效率低，水平段延伸能力差。

目前，页岩气水平井轨迹设计主要采用“大三维”和“双二维”两种设计方法。“大三维”轨迹造斜点设计在深部，采用集中增斜扭方位的方式，剖面类型为“增扭”或“增扭-稳-增扭”，边走横向偏移距，边走靶前距，三维跨度大，在大井斜条件下仍需强扭方位，轨迹控制难度大，摩阻扭矩大。“双二维”轨迹将三维轨迹分解到两个平面上，第一个平面上采用“直-增-稳-降-直”轨迹剖面，走完横向偏移距，并将井斜降为零，在第二个平面上采用“直-增-增”或“直-增-稳-增”二维轨迹直至A靶点，这种设计方法避免了边增斜边扭方位作业，相对大三维轨迹降低了轨迹控制难度和摩阻扭矩，但在第一剖面上要实现“直-增-稳-降-直”五段轨迹控制，需要更换不同的定向钻具组合，且先增后降导致了重复增斜工作量。

在大横向偏移距条件下，不论是“大三维”，还是“双二维”轨迹设计，摩阻扭矩问题仍然突出，轨迹设计方法需要进一步优化。

发明内容

本申请实施例提供了一种页岩气水平井的轨迹设计方法，能够提高钻井导向效率、降低摩阻扭矩，提高对垂深提前工况的适应能力。所述技术方案如下：

根据本申请实施例的一个方面，提供了一种页岩气水平井的轨迹设计方法，所述方法包括：

确定页岩气水平井的A靶点和B靶点的相对坐标和垂深，以及确定水平段方位角和水平段井斜角；

根据所述水平段方位角，确定初始增斜平面的方位角；

选择初始造斜点，在所述初始增斜平面上设计“直-增-稳”轨迹至稳斜点；

基于所述水平段方位角和所述水平段井斜角，自所述稳斜点设计“增扭-增扭-增扭”三段制轨迹至所述A靶点；

基于所述A靶点和所述B靶点的相对坐标和垂深，设计轨迹连接所述A靶点至所述B靶点。

本申请提供的轨迹设计方案可以称为“小三维”轨迹设计方法，以本申请提供的轨迹设计方法，在大横向偏移距条件下，通过在造斜段至入靶点采用双增剖面上高下低的设计方法，第一增斜剖面的造斜率略大，第二增斜剖面的造斜率略小的轨迹调整方式，相比现有的“大三维”和“双二维”轨迹设计方法，可以提高钻井导向效率、降低摩阻扭矩，提高对垂深提前工况的适应能力。

可选地，所述确定水平段方位角和水平段井斜角，包括：

以井口O为坐标原点，构建三维直角坐标系，根据所述A靶点的空间坐标(X_A，Y_A，Z_A)、所述B靶点的空间坐标(X_B，Y_B，Z_B)计算所述水平段方位角φ_s和所述水平段井斜角θ_s：

可选地，所述根据所述水平段方位角，确定初始增斜平面的方位角，包括：

在靶前距≤300m的情况下，确定所述初始增斜平面的方位角与所述水平段方位角之间的夹角为90°；

在300m＜靶前距≤400m的情况下，确定所述初始增斜平面的方位角与所述水平段方位角之间的夹角为90～105°。

可选地，所述在所述初始增斜平面上设计“直-增-稳”轨迹至稳斜点，包括：

根据井口间距，确定所述初始造斜点的井深；

设计一增斜剖面；

设计稳斜段至所述稳斜点，所述稳斜点的坐标位置根据所述初始增斜平面的方位角、所述初始造斜点的井深、增斜率、稳斜角和所述稳斜段计算确定。

可选地，所述增斜剖面的增斜率的取值范围为1～3°/30m，方位变化率为0°/30m，稳斜角设计为6～12°。

可选地，限制条件为所述稳斜点的横向偏移距比所述A靶点的横向偏移距小20～70m，所述稳斜点与所述A靶点的垂深差比所述A靶点的前位移小20～70m。

通过设置该限制条件，可以减少摩阻扭矩，提高对垂深提前工况的适应能力。

可选地，所述基于所述水平段方位角和所述水平段井斜角，自所述稳斜点设计“增扭-增扭-增扭”三段制轨迹至所述A靶点，包括：

以所述稳斜点为第二造斜点，设计第一增扭段的造斜率为4～5°/30m，所述第一增扭段的最大井斜角小于等于15°；

设计第二增扭段的造斜率为7～8°/30m，所述第二增扭段的最大井斜角为40～60°；

设计第三增扭段的造斜率为4～5°/30m，所述第三增扭段设计至所述A靶点，末端井斜角等于所述水平段井斜角，末端方位角等于所述水平段方位角。

通过在稳斜点至A靶点之间采用这样的轨迹设计方式，即便在垂深提前的情况下，也能够预留足够的空间从而及时调整井斜角，保证储层钻遇率。

可选地，所述第一增扭段、所述第二增扭段和所述第三增扭段的剖面采用恒装置角曲线、自然参数曲线或圆柱螺线曲线设计。

可选地，所述基于所述A靶点和所述B靶点的相对坐标和垂深，设计轨迹连接所述A靶点至所述B靶点，包括：

在所述A靶点至所述B靶点之间无大断层，地层倾角变化小的情况下，采用直线段设计连接所述A靶点至所述B靶点。

可选地，所述基于所述A靶点和所述B靶点的相对坐标和垂深，设计轨迹连接所述A靶点至所述B靶点，包括：

在所述A靶点至所述B靶点之间断层发育、地层倾角变化大的情况下，在大的拐点上设置控制点，从所述B靶点往后推，以各段连线的井斜角和方位角，作为各段控制起点的井斜角和方位角，再从所述A靶点开始设计以空间圆弧曲线依次连接各个控制点直至所述B靶点，每段圆弧都要保证在优质储层靶体内。

本申请实施例提供的技术方案可以包括如下有益效果：

本申请提供的轨迹设计方案可以称为“小三维”轨迹设计方法，以本申请提供的轨迹设计方法，在大横向偏移距条件下，通过在造斜段至入靶点采用双增剖面上高下低的设计方法，第一增斜剖面的造斜率略大，第二增斜剖面的造斜率略小的轨迹调整方式，相比现有的“大三维”和“双二维”轨迹设计方法，可以提高钻井导向效率、降低摩阻扭矩，提高对垂深提前工况的适应能力。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请一个实施例提供的页岩气水平井的轨迹设计方法的流程图；

图2是本申请一个实施例提供的小三维轨迹设计的示意图；

图3是本申请一个实施例提供的井眼轨迹的水平投影的对比图；

图4是本申请一个实施例提供的摩阻扭矩的对比图；

图5是本申请一个实施例提供的对垂深提前工况的适应能力的分析图；

图6是本申请一个实施例提供的初始增斜剖面的钻井时间的对比图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请实施方式作进一步地详细描述。

请参考图1，其示出了本申请一个实施例提供的页岩气水平井的轨迹设计方法的流程图，该方法可以包括如下几个步骤(110～150)：

步骤110，确定页岩气水平井的A靶点和B靶点的相对坐标和垂深，以及确定水平段方位角和水平段井斜角。

A靶点和B靶点是水平井钻井过程中的两个目标点，这两个目标点可以是依据一定的数据计算出来的预定目标点，定义了井眼轨迹的最终方向。A靶点是指井眼轨迹的第一个终点，B靶点是指井眼轨迹的第二个终点。

可选地，以井口O为坐标原点，构建三维直角坐标系。例如，以南北方向为X轴，东西方向为Y轴，垂直方向为Z轴，A靶点的空间坐标为(X_A，Y_A，Z_A)、B靶点的空间坐标为(X_B，Y_B，Z_A)。A靶点和B靶点的相对坐标即为A靶点和B靶点之间的相对空间位置。A靶点和B靶点的垂深即为A靶点和B靶点在垂直方向上的高度差，可以记为|Z_A-Z_B|。

另外，在构建上述三维直角坐标系之后，可以采用如下公式计算水平段方位角φ_s和水平段井斜角θ_s：

在一示例中，井口O、A靶点和B靶点的三维坐标可以如下表1所示：

表1

节点	X坐标(m)	Y坐标(m)	Z坐标(m)
				井口O	0	0	0
A靶点	-315	450	4000
				B靶点	-2315	450	4000

步骤120，根据水平段方位角，确定初始增斜平面的方位角。

在本申请实施例中，初始增斜平面的方位角可以依据水平段方位角来确定。可选地，根据靶前距和水平段方位角，确定初始增斜平面的方位角。靶前距是指水平井的第一个靶点(即A靶点)与井口铅垂线的距离(是水平位移的一部分)，靶前距也可以称为靶前位移。

可选地，在靶前距≤300m的情况下，确定初始增斜平面的方位角与水平段方位角之间的夹角为90°；在300m＜靶前距≤400m的情况下，确定初始增斜平面的方位角与水平段方位角之间的夹角为90～105°。

步骤130，选择初始造斜点，在初始增斜平面上设计“直-增-稳”轨迹至稳斜点。

初始造斜点是指采用造斜器具开始人工造斜钻进的起点孔深，即造斜孔段的起点。稳斜点即为稳斜段的端点，稳斜段即为井斜角保持不变的井段。

可选地，本步骤可以包括如下几个子步骤：

1、根据井口间距，确定初始造斜点的井深，以使得该处最小防碰分离系数≥1.5；

2、设计一增斜剖面；

3、设计稳斜段至稳斜点，稳斜点的坐标位置根据初始增斜平面的方位角、初始造斜点的井深、增斜率、稳斜角和稳斜段计算确定。

可选地，增斜剖面的增斜率的取值范围为1～3°/30m，方位变化率为0°/30m，稳斜角设计为6～12°。

可选地，在设计“直-增-稳”轨迹至稳斜点时，存在限制条件，该限制条件为稳斜点的横向偏移距比A靶点的横向偏移距小20～70m，稳斜点与A靶点的垂深差比A靶点的前位移小20～70m。通过设置该限制条件，可以减少摩阻扭矩，提高对垂深提前工况的适应能力。

如图2所示，根据井口间距，确定初始造斜点KOP₁的井深，保证该处的最小防碰分离系数≥1.5；再设计一增斜剖面(即图中从KOP₁到S₁)，增斜率k_1θ设计为1～3°/30m，方位变化率k_1φ设计为0°/30m，稳斜角θ₁设计为6～12°，设计稳斜段L₁至稳斜点KOP₂。

步骤140，基于水平段方位角和水平段井斜角，自稳斜点设计“增扭-增扭-增扭”三段制轨迹至A靶点。

可选地，本步骤可以包括如下几个子步骤：

1、以稳斜点为第二造斜点，设计第一增扭段的造斜率为4～5°/30m，第一增扭段的最大井斜角小于等于15°；

2、设计第二增扭段的造斜率为7～8°/30m，第二增扭段的最大井斜角为40～60°；

3、设计第三增扭段的造斜率为4～5°/30m，第三增扭段设计至A靶点，末端井斜角等于水平段井斜角，末端方位角等于水平段方位角。

如图2所示，以稳斜点KOP₂为第二造斜点，设计第一增扭段(即图中从KOP₂到S₂)的造斜率k₂为4～5°/30m，第一增扭段的最大井斜角θ₂小于等于15°；设计第二增扭段(即图中从S₂到S₃)的造斜率k₃为7～8°/30m，第二增扭段的最大井斜角θ₃为40～60°；设计第三增扭段(即图中从S₃到A)的造斜率k₄为4～5°/30m，第三增扭段设计至A靶点，末端井斜角θ₄等于水平段井斜角θ_s，末端方位角φ₄等于水平段方位角φ_s。通过在稳斜点KOP₂至A靶点之间采用这样的轨迹设计方式，即便在垂深提前的情况下，也能够预留足够的空间从而及时调整井斜角，保证储层钻遇率。

可选地，第一增扭段、第二增扭段和第三增扭段的剖面采用恒装置角曲线、自然参数曲线或圆柱螺线曲线设计。

步骤150，基于A靶点和B靶点的相对坐标和垂深，设计轨迹连接A靶点至B靶点。

在A靶点至B靶点之间无大断层，地层倾角变化小的情况下，采用直线段设计连接A靶点至B靶点。

在A靶点至B靶点之间断层发育、地层倾角变化大的情况下，在大的拐点上设置控制点，从B靶点往后推，以各段连线的井斜角和方位角，作为各段控制起点的井斜角和方位角，再从A靶点开始设计以空间圆弧曲线依次连接各个控制点直至B靶点，每段圆弧都要保证在优质储层靶体内。

在一示例中，设计的井眼轨迹的相关参数如下表2所示：

表2

由于现有的“大三维”和“双二维”轨迹设计方案，在第二平面上的轨迹设计目前都采取双“增(扭)”剖面，造斜率设计都为上小下大，上部造斜率设计为5～6°/30m，下部造斜率设计为6～7°/30m，页岩储层埋深变化大，地质预测精度低，A靶点垂深经常较设计提前，导致下部造斜率达到9°/30m以上，并形成鱼钩型井段，易造成套管下不到位，水平段长达不到设计要求，甚至填井侧钻。因此，目前的轨迹设计剖面类型不能适应垂深提前的情况，需要进一步优化。

本申请提供的轨迹设计方案可以称为“小三维”轨迹设计方法，以本申请提供的轨迹设计方法，在大横向偏移距条件下，通过在造斜段至入靶点采用双增剖面上高下低的设计方法，第一增斜剖面的造斜率略大，第二增斜剖面的造斜率略小的轨迹调整方式，相比现有的“大三维”和“双二维”轨迹设计方法，可以提高钻井导向效率、降低摩阻扭矩，提高对垂深提前工况的适应能力。

下面，结合图3至图6，对本申请提供的“小三维”轨迹设计方法相比于现有的“大三维”、“双二维”轨迹设计方法的优势进行介绍说明，图中示出的数据是对示例井经过实验测得的。

如图3所示，其示例性示出了“大三维”、“双二维”和本申请提供的“小三维”轨迹设计方法，得到的井眼轨迹的水平投影图。图中轨迹31是采用“大三维”轨迹设计方法设计出的井眼轨迹，图中轨迹32是采用“双二维”轨迹设计方法设计出的井眼轨迹，图中轨迹33是采用“小三维”轨迹设计方法设计出的井眼轨迹。从图中可以看出，“小三维”轨迹设计方法通过在造斜段至入靶点采用双增剖面上高下低的设计方法，第一增斜剖面的造斜率略大，第二增斜剖面的造斜率略小的轨迹调整方式，相比现有的“大三维”和“双二维”轨迹设计方法，可以提高钻井导向效率、降低摩阻扭矩，提高对垂深提前工况的适应能力。

如图4所示，其示例性示出了“大三维”、“双二维”和本申请提供的“小三维”轨迹设计方法，分别对应的摩阻扭矩的对比图。从图中可以看出，本申请提供的“小三维”轨迹设计方法，相比于“大三维”和“双二维”轨迹设计方法，设计的轨迹摩阻扭矩更小。

如图5所示，其示出了“大三维”、“双二维”和本申请提供的“小三维”轨迹设计方法，在不同起始井斜和造斜率条件下，对垂深提前工况的适应能力的分析图。从图中可以看出，本申请提供的“小三维”轨迹设计方法，相比于“大三维”和“双二维”轨迹设计方法，对垂深提前工况适应能力更强。

如图6所示，其示出了“双二维”和本申请提供的“小三维”轨迹设计方法，分别对应的初始增斜剖面的钻井时间(以天为单位)的对比图。从图中可以看出，本申请提供的“小三维”轨迹设计方法，相比于“双二维”轨迹设计方法，钻井效率更高。

应当理解的是，在本文中提及的“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。另外，本文中描述的步骤编号，仅示例性示出了步骤间的一种可能的执行先后顺序，在一些其它实施例中，上述步骤也可以不按照编号顺序来执行，如两个不同编号的步骤同时执行，或者两个不同编号的步骤按照与图示相反的顺序执行，本申请实施例对此不作限定。

以上所述仅为本申请的示例性实施例，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种页岩气水平井的轨迹设计方法，其特征在于，所述方法包括：

确定页岩气水平井的A靶点和B靶点的相对坐标和垂深，以及确定水平段方位角和水平段井斜角；

根据所述水平段方位角，确定初始增斜平面的方位角；

选择初始造斜点，在所述初始增斜平面上设计“直-增-稳”轨迹至稳斜点；

基于所述水平段方位角和所述水平段井斜角，自所述稳斜点设计“增扭-增扭-增扭”三段制轨迹至所述A靶点；

基于所述A靶点和所述B靶点的相对坐标和垂深，设计轨迹连接所述A靶点至所述B靶点；

其中，所述确定水平段方位角和水平段井斜角，包括：

以井口O为坐标原点，构建三维直角坐标系，根据所述A靶点的空间坐标(X_A，Y_A，Z_A)、所述B靶点的空间坐标(X_B，Y_B，Z_B)计算所述水平段方位角φ_s和所述水平段井斜角θ_s：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述水平段方位角，确定初始增斜平面的方位角，包括：

在靶前距≤300m的情况下，确定所述初始增斜平面的方位角与所述水平段方位角之间的夹角为90°；

在300m＜靶前距≤400m的情况下，确定所述初始增斜平面的方位角与所述水平段方位角之间的夹角为90～105°。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在所述初始增斜平面上设计“直-增-稳”轨迹至稳斜点，包括：

根据井口间距，确定所述初始造斜点的井深；

设计一增斜剖面；

设计稳斜段至所述稳斜点，所述稳斜点的坐标位置根据所述初始增斜平面的方位角、所述初始造斜点的井深、增斜率、稳斜角和所述稳斜段计算确定。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述增斜剖面的增斜率的取值范围为1～3°/30m，方位变化率为0°/30m，稳斜角设计为6～12°。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，限制条件为所述稳斜点的横向偏移距比所述A靶点的横向偏移距小20～70m，所述稳斜点与所述A靶点的垂深差比所述A靶点的前位移小20～70m。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述水平段方位角和所述水平段井斜角，自所述稳斜点设计“增扭-增扭-增扭”三段制轨迹至所述A靶点，包括：

以所述稳斜点为第二造斜点，设计第一增扭段的造斜率为4～5°/30m，所述第一增扭段的最大井斜角小于等于15°；

设计第二增扭段的造斜率为7～8°/30m，所述第二增扭段的最大井斜角为40～60°；

设计第三增扭段的造斜率为4～5°/30m，所述第三增扭段设计至所述A靶点，末端井斜角等于所述水平段井斜角，末端方位角等于所述水平段方位角。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述第一增扭段、所述第二增扭段和所述第三增扭段的剖面采用恒装置角曲线、自然参数曲线或圆柱螺线曲线设计。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述A靶点和所述B靶点的相对坐标和垂深，设计轨迹连接所述A靶点至所述B靶点，包括：

在所述A靶点至所述B靶点之间无大断层，地层倾角变化小的情况下，采用直线段设计连接所述A靶点至所述B靶点。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述A靶点和所述B靶点的相对坐标和垂深，设计轨迹连接所述A靶点至所述B靶点，包括：

在所述A靶点至所述B靶点之间断层发育、地层倾角变化大的情况下，在大的拐点上设置控制点，从所述B靶点往后推，以各段连线的井斜角和方位角，作为各段控制起点的井斜角和方位角，再从所述A靶点开始设计以空间圆弧曲线依次连接各个控制点直至所述B靶点，每段圆弧都要保证在优质储层靶体内。

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