CN104747165B - 一种三维水平井井身剖面设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种三维水平井井身剖面设计方法，包含以下步骤：在现有钻井工具及钻具组合的造斜能力的基础上，通过实钻摩阻扭矩的计算分析，优选三维井段的第一造斜点、第一增斜井段、扭方位点、扭方位段、第二造斜点、第二增斜段等关键设计参数，优化分析调整，实现三维水平井钻井摩阻、扭矩最小化，形成三维水平井井身剖面优化设计。该方法所设计出的三维水平井井身剖面，井眼轨迹光滑、实钻轨迹控制难度及钻井摩阻扭矩低，与当前钻井工具及现场应用结合紧密，推广应用及适应性强。该剖面设计方法可适应于任何带偏移距的三维水平井井身剖面设计。
Description
技术领域
本发明属于钻井工程设计技术领域，具体涉及一种三维水平井井身剖面设计方法。
背景技术
井身结构设计是水平井成功实施额关键技术，它与地层压力、井眼稳定、完井方式、井身剖面和全面施工难度等因素密切相关，其设计科学合理与否，直接关系到下步井眼安全钻进、油层保护、钻井工程施工的经济性和后继采油作业。
水平井的井身轨迹与垂直井不同,水平井的井身要横穿油层,因而在设计中应考虑的因素很多,诸如,油藏几何形状、地层结构(地层倾角和方位)、生产层内液体分布情况的限制、起钻时地面扭矩和大钩负荷(包括阻力)及一F钻遇阻负荷值。另外,根据油层特性确定穿越油气层的水平井段的位置及最优化水平长度和总水平位移、初始造斜点的深度、造斜率及确定进入油层的合适的靶区位置等。这些因素对选择优化井身剖面起着极其重要的作用。井身剖面设计的合理与否,不仅关系到钻井和完井作业能否成功,而且也关系到产能的大小,及是否迅速产生水锥、气锥等问题,甚至造成巨大的经济损失。因此,在设计水平井的井身剖面时要全面掌握该钻井地区的地质结构和其他有影响的重要因素。
常规二维水平井，井口与水平段投影基本在同一条直线上，无偏移距，剖面设计属二维平面设计，设计过程中只分析靶前距、水平段长对钻井摩阻扭矩的影响，影响因素少，设计难度低、方法多。
受地形地貌影响，部分水平井井口与水平段投影无法在同一条直线上，存在一定偏移距，剖面设计属三维空间设计，设计过程中不但要计算靶前距、水平段长、垂深、地层稳定性等因素，还有计算带偏移距条件下，第一造斜点、扭方位点、第二造斜点的参数优选，以及三维剖面条件下诸多因素对剖面设计及现场施工过程中钻井摩阻扭矩的影响，设计难度增大，且国内尚无三维水平井井身剖面设计方法。
发明内容
本发明的目的是克服现有的二维水平井井身剖面设计方法无法适应复杂地貌情况下的井身剖面设计的问题。
为此，本发明提供了一种三维水平井井身剖面设计方法，包括如下步骤，
步骤1：根据区域地质特点，对井筒内不同地层段岩性分析，划分出需要进行三维水平井井身剖面设计复杂层段；
步骤2：确定靶前距长度，采用5～8°/30m的造斜率，计算井斜从0°增加至90°时靶前距能否满足钻井增斜要求；
步骤3：如果靶前距满足增斜要求，则进行下一步设计；如果靶前距过短，则先采用走负位移的方式，来弥补靶前距过短，再采用步骤2的方法计算合理靶前距；
步骤4：确定偏移距大小，采用3～8°/30m的造斜率、选择0～90°的偏移距角度，计算方位从0°或270°摆正至水平方位时的偏移距；
步骤5：根据靶前距、偏移距的大小，采用3～8°/30m的造斜率，井斜从0°至90°、方位从0°或270°摆正至水平方位时，计算出0～90°的偏移距角度；
步骤6：采用分段设计的方式设计不同垂深的井段，
（1）直井段2：从井口开始往下是一段直井段；
（2）斜井段：选择第一造斜点，从第一造斜点开始采用2～4°/30m的第一造斜率走偏移距，井斜控制在20°以内，直至消除三分之二以上的偏移距；
（3）扭方位段：选择扭方位点，采用3～6°/30m的第二造斜率扭方位，方位从90°或270°扭正至水平段的要求方位；
（4）第二增斜段：选择第二造斜点，从第二造斜点开始采用5～8°/30m的增斜率增斜至井段水平后入窗；
（5）水平段：入窗点为第二增斜段的末端点，从入窗点开始即为水平段，水平段的最末端为完钻点。
步骤7：配合钻井摩阻扭矩计算分析软件，进一步调整第一造斜点、扭方位点及第二造斜点，实现整个三维水平井井身剖面低摩阻低扭矩的优化设计。
所述的步骤1中所述的复杂层段包括漏失层和坍塌层。
所述的步骤2中靶前距长度为采用5～8°/30m的造斜率，井斜从0°增加至90°的斜井段的竖直投影长度，若靶前距长度为214m～343m，则满足钻井增斜要求，若靶前距长度小于214m，则不满足钻井增斜要求。
所述的步骤3中采用走负位移的方式，来弥补靶前距过短通过如下过程实现：根据靶前距采用3～5°/30m的造斜率，计算井斜从0°增加至30～40°条件下的负位移，然后采用改变方位、利用直井段先朝着水平方位的反方向钻进计算出的的负位移的距离。
所述的步骤4中所述的步骤4中偏移距长度为采用5～8°/30m的造斜率，井斜从0°增加至90°的斜井段的水平投影长度。
所述的步骤5中偏移角度按照如下公式进行计算：
其中，L—偏移距（m）；
D—靶前距（m）；
Dmin—最小靶前距,取214m。
所述的步骤6中第一造斜点选择在上整体井段的上1/3井段中任意一点，扭方位点为斜井段的末端点，第二造斜点为扭方位段的末端点。
所述的步骤7中的优化设计为基于wellplan计算软件，在已形成的剖面设计条件下，对不同钻具组合、钻机最大载荷能力、摩阻系数、泥浆性能、剖面实钻摩阻扭矩进行理论分析，最终形成剖面优化设计科学、实钻摩阻扭矩低、现场可操作性强的三维水平井剖面优化设计。
本发明的有益效果：本发明提供的这种三维水平井井身剖面设计方法，根据靶前距、偏移距、偏移角度、水平段长、垂深等参数，结合摩阻扭矩分析，分段设计，形成了一套三维水平井井身剖面设计方法，该方法所设计出的三维水平井井身剖面，井眼轨迹光滑、实钻轨迹控制难度及钻井摩阻扭矩低，与当前钻井工具及现场应用结合紧密，推广应用及适应性强。该剖面设计方法可适应于任何带偏移距的三维水平井井身剖面设计。
以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是二维水平井井身设计以及本发明的井身设计对比图。
附图标记说明：1、井口；2、直井段；3、第一造斜点；4、斜井段；5、第一造斜率；6、扭方位点；7、第二造斜率；8、扭方位段；9、第二造斜点；10、增斜率；11、第二增斜段；12、入窗点；13、水平段；14、完钻点。
具体实施方式
显然，本领域技术人员基于本发明的宗旨所做的许多修改和变化属于本发明的保护范围。
实施例1：
本实施例提供一种三维水平井井身剖面设计方法，如图1所示，包括如下步骤，
步骤1：根据区域地质特点，对井筒内不同地层段岩性分析，划分出需要进行三维水平井井身剖面设计复杂层段；
步骤2：确定靶前距长度，采用5～8°/30m的造斜率，计算井斜从0°增加至90°时靶前距能否满足钻井增斜要求；
步骤3：如果靶前距满足增斜要求，则进行下一步设计；如果靶前距过短，则先采用走负位移的方式，来弥补靶前距过短，再采用步骤2的方法计算合理靶前距；
步骤4：确定偏移距大小，采用3～8°/30m的造斜率、选择0～90°的偏移距角度，计算方位从0°或270°摆正至水平方位时的偏移距；
步骤5：根据靶前距、偏移距的大小，采用3～8°/30m的造斜率，井斜从0°至90°、方位从0°或270°摆正至水平方位时，计算出0～90°的偏移距角度；
步骤6：采用分段设计的方式设计不同垂深的井段，如图1所示，
（1）直井段2：从井口1开始往下是一段直井段2；
（2）斜井段4：选择第一造斜点3，从第一造斜点3开始采用2～4°/30m的第一造斜率5走偏移距，井斜控制在20°以内，直至消除三分之二以上的偏移距，第一造斜点3即为直井段2的最末端；
（3）扭方位段8：选择扭方位点6，采用3～6°/30m的第二造斜率7扭方位，方位从90°或270°扭正至水平段的要求方位，扭方位点6即为斜井段4的最末端；
（4）第二增斜段11：选择第二造斜点9，从第二造斜点9开始采用5～8°/30m的增斜率10增斜至井段水平后入窗，第二造斜点9即为扭方位段8的最末端；
（5）水平段13：入窗点12为第二增斜段11的末端点，从入窗点12开始即为水平段13，水平段13的最末端为完钻点14。
步骤7：配合钻井摩阻扭矩计算分析软件，进一步调整第一造斜点3、扭方位点6及第二造斜点9，实现整个三维水平井井身剖面低摩阻低扭矩的优化设计。
实施例2：
上述实施例中，步骤1中所述的复杂层段主要包括漏失层（洛河组、长4+5等）、坍塌层（直罗组、长7等），明确复杂层段可以为钻井液防塌堵漏或者技术套管封固的井身结构优化等措施提供依据，相当井筒安全风险预评估及对应措施。
当前主要采用1.25～1.5°的单弯螺杆钻具组合，该钻具组合现场实施过程中造斜率可达15°/30m以上，但造斜率若太大，超过15°/30m，其井眼轨迹的狗腿度太大将导致后期套管无法下入。因此一般水平井造斜率要求≤10°/30m，多数井为了确保斜井段轨迹光滑、降低钻完井摩阻扭矩，都采用的是5～8°/30m的造斜率。
上述步骤2中，靶前距长度的选择主要是立足5～8°/30m的造斜率，这样从0°增斜到90°理论计算需要540m～338m的斜井段，其投影垂直距离（靶前距）就需要343m～214m（landmark轨迹设计软件计算）。因此，靶前距只要在343m～214m就可以满足安全钻井要求，若靶前距长度小于214m，则不满足钻井增斜要求。
所述的步骤3中采用走负位移的方式，来弥补靶前距过短通过如下过程实现：根据靶前距采用3～5°/30m的造斜率，计算井斜从0°增加至30～40°条件下的负位移，然后采用改变方位、利用直井段先朝着水平方位的反方向钻进计算出的的负位移的距离，为井下造斜所必须的靶前距长度创造条件。当负位移至满足钻具最低靶前距要求的距离，就重复步骤2中的方法实现入窗。
所述的步骤4中所述的步骤4中偏移距长度为采用5～8°/30m的造斜率，井斜从0°增加至90°的斜井段的水平投影长度，有了偏移距，与靶前距就形成了偏移角度。
所述的步骤5中偏移角度是指带偏移距的三维钻井第一造斜井段轨迹的平面投影与靶前距的夹角。偏移角度的大小取决于靶前距的大小与钻具的造斜能力，因此，如果靶前距满足343m～214m的要求，则偏移角度在0～90°之间；若靶前距＜214m，则偏移角度在90～180°之间。具体偏移角度的选择，主要根据靶前距和偏移距，结合造斜能力，选择合理的偏移角度计算公式：
其中，L—偏移距（m）；
D—靶前距（m）；
Dmin—最小靶前距,取214m。
（如靶前距300m、偏移距300m条件下，偏移角度=74°）
所述的步骤6中第一造斜点3选择需要考虑垂深、偏移距和靶前距，综合考虑。要满足消除偏移距、降低井斜，也要考虑垂深与靶前距。一般来讲，第一造斜点3选择在上1/3井段。
扭方位点6为斜井段4的末端点，该点主要作用是把钻井方位扭正至水平段13的要求方位，同时钻至该点要求走完全部的偏移距。剩下就是第三段，也就是第二增斜段11入窗。
第二造斜点9为扭方位段8的末端点，第二增斜段11紧跟在扭方位段8之后，具体点的选择须根据入窗前剩余的垂深决定。
所述的步骤7中基于三维水平井井身剖面设计方法，在确定了优化的造斜点、扭方位点、偏移角度等关键参数、形成了最优三维剖面设计之后，还需要结合实际，对钻井摩阻扭矩进行理论计算分析，更贴近现场实施。而摩阻扭矩的分析主要基于wellplan计算软件，在已形成的剖面设计条件下，对不同钻具组合、钻机最大载荷能力、不同工况条件（摩阻系数、泥浆性能等）、剖面实钻摩阻扭矩进行理论分析，最终形成剖面优化设计科学、实钻摩阻扭矩低、现场可操作性强的三维水平井剖面优化设计。
综上所述，本发明提供的这种三维水平井井身剖面设计方法，结合当前常用钻井工具及钻具组合特点，通过分段计算第一造斜点、扭方位点、第二造斜点不同条件下摩阻扭矩，优化形成低摩阻、低扭矩三维水平井井身剖面设计。该设计方法的三维稳斜井段，可根据不同偏移距大小进行调整优化，提高了剖面设计的灵活性与适应性。
如上所述，对本发明的实施例进行了详细地说明，但是只要实质上没有脱离本发明的发明点及效果可以有很多的变形，这对本领域的技术人员来说是显而易见的。因此，这样的变形例也全部包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种三维水平井井身剖面设计方法，其特征在于：包括如下步骤，
步骤1：根据区域地质特点，对井筒内不同地层段岩性分析，划分出需要进行三维水平井井身剖面设计复杂层段；
步骤2：确定靶前距长度，采用5～8°/30m的造斜率，计算井斜从0°增加至90°时靶前距能否满足钻井增斜要求；
步骤3：如果靶前距满足增斜要求，则进行下一步设计；如果靶前距过短，则先采用走负位移的方式，来弥补靶前距过短，再采用步骤2的方法计算合理靶前距；
步骤4：确定偏移距大小，采用3～8°/30m的造斜率、选择0～90°的偏移距角度，计算方位从0°或270°摆正至水平方位时的偏移距；
步骤5：根据靶前距、偏移距的大小，采用3～8°/30m的造斜率，井斜从0°至90°、方位从0°或270°摆正至水平方位时，计算出0～90°的偏移距角度；
步骤6：采用分段设计的方式设计不同垂深的井段，
1）直井段（2）：从井口（1）开始往下是一段直井段（2）；
2）斜井段（4）：选择第一造斜点（3），从第一造斜点（3）开始采用2～4°/30m的第一造斜率（5）走偏移距，井斜控制在20°以内，直至消除三分之二以上的偏移距；
3）扭方位段（8）：选择扭方位点（6），采用3～6°/30m的第二造斜率（7）扭方位，方位从90°或270°扭正至水平段的要求方位；
4）第二增斜段（11）：选择第二造斜点（9），从第二造斜点（9）开始采用5～8°/30m的增斜率（10）增斜至井段水平后入窗；
5）水平段（13）：入窗点（12）为第二增斜段（11）的末端点，从入窗点（12）开始即为水平段（13），水平段（13）的最末端为完钻点（14）；
步骤7：配合钻井摩阻扭矩计算分析软件，进一步调整第一造斜点（3）、扭方位点（6）及第二造斜点（9），实现整个三维水平井井身剖面低摩阻低扭矩的优化设计。
2.如权利要求1所述的三维水平井井身剖面设计方法，其特征在于：所述的步骤1中所述的复杂层段包括漏失层和坍塌层。
3.如权利要求1所述的三维水平井井身剖面设计方法，其特征在于：所述的步骤2中靶前距长度为采用5～8°/30m的造斜率，井斜从0°增加至90°的斜井段的竖直投影长度，若靶前距长度为214m～343m，则满足钻井增斜要求，若靶前距长度小于214m，则不满足钻井增斜要求。
4.如权利要求1所述的三维水平井井身剖面设计方法，其特征在于：所述的步骤3中采用走负位移的方式，来弥补靶前距过短通过如下过程实现：根据靶前距采用3～5°/30m的造斜率，计算井斜从0°增加至30～40°条件下的负位移，然后采用改变方位、利用直井段先朝着水平方位的反方向钻进计算出的的负位移的距离。
5.如权利要求1所述的三维水平井井身剖面设计方法，其特征在于：所述的步骤4中偏移距长度为采用5～8°/30m的造斜率，井斜从0°增加至90°的斜井段的水平投影长度。
6.如权利要求1所述的三维水平井井身剖面设计方法，其特征在于：所述的步骤5中偏移角度按照如下公式进行计算：
其中，L—偏移距（m）；
D—靶前距（m）；
Dmin—最小靶前距,取214m。
7.如权利要求1所述的三维水平井井身剖面设计方法，其特征在于：所述的步骤6中第一造斜点（3）选择在上整体井段的上1/3井段中任意一点，扭方位点（6）为斜井段（4）的末端点，第二造斜点（9）为扭方位段（8）的末端点。
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Also Published As
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