CN107420040A - 一种二维浅层水平井井眼轨道设计方法 - Google Patents

一种二维浅层水平井井眼轨道设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及钻井工程技术领域，特别是关于一种二维浅层水平井的变幅摆线井眼轨道设计方法。一种二维浅层水平井井眼轨道设计方法，包括如下步骤：（1）确定井眼轨道基本设计参数；（2）以步骤（1）中收集到的井眼轨道基本设计参数判断井眼轨道形式，假设采用单圆弧井眼轨道，求得造斜点的垂深H以及造斜段的井眼造斜率Z，依次判断造斜点的垂深H所在深度为稳定地层且造斜段的井眼造斜率Z满足造斜工具的最大造斜能力，即采用单圆弧井眼轨道设计；（3）反之则采用变幅摆线轨道设计，则采用圆弧‑摆线轨道设计，即直井段—预斜段—变幅摆线段—水平段轨道设计。本发明仅需根据地质设计的基本参数，计算过程简单方便。

Description

一种二维浅层水平井井眼轨道设计方法
技术领域
本发明涉及钻井工程技术领域，特别是关于一种二维浅层水平井的变幅摆线井眼轨道设计方法。
背景技术
水平井技术现已成为高效开发浅层油藏（埋深300-800米）的重要手段，由于浅层水平井具有造斜点浅、造斜段短、造斜率较高（一般在6°以上）、大斜度段和水平段施加钻压困难的特点，钻井过程中关键技术主要体现在钻头加压技术、定向控制技术、井眼清洁技术等方面，而解决这些问题的前提是合理的井眼轨道设计。目前浅层水平井井眼轨道设计主要倾向于采用单增型的圆弧轨道进行井眼轨道设计，以最大限度的降低造斜点，该方法受靶前距条件影响严重，往往需要频繁调整井口位置，有时候受地面条件限制无法实现，而解决大偏移距问题的悬链线轨道设计由于悬链线是增曲率轨道，不利于进入水平段钻井施工时频繁的入窗调整要求。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种二维浅层水平井井眼轨道设计方法，以解决二维浅层水平井的井眼轨道设计问题。
本发明的技术方案在于：
一种二维浅层水平井井眼轨道设计方法，包括如下步骤：
（1）确定井眼轨道基本设计参数，包括设计井的井口坐标O（X0，Y0）、最大垂深Hmax、靶前距S、水平段入窗点A及完钻点B坐标；
（2）以步骤（1）中收集到的井眼轨道基本设计参数判断井眼轨道形式，假设采用单圆弧井眼轨道，求得造斜点的垂深H以及造斜段的井眼造斜率Z，依次判断造斜点的垂深H所在深度为稳定地层且造斜段的井眼造斜率Z满足造斜工具的最大造斜能力，即采用单圆弧井眼轨道设计；其过程如下所示：
1）假设采用单圆弧井眼轨道，即直井段—圆弧段—水平段轨道设计，则造斜点的垂深H为
H=Hmax-S （1）
2)判断垂深H是否合理
如果H<0,或者H>0且H所在深度为不稳定地层，则不能用单圆弧井眼轨道设计；
3）若2）条件符合，则计算造斜段的井眼造斜率Z
假设水平段井斜角为 ，则造斜段的井眼造斜率Z为
（2）
其中，K为单位换算系数，当曲率单位为度/30米时，K=30；当曲率单位为度/100米时，K=100；
如果Z的大小超过了造斜工具的最大造斜能力，则不能用单圆弧井眼轨道设计，若H>0,所在地层为稳定地层，造斜段的井眼造斜率满足造斜工具的最大造斜能力，则可采用单圆弧井眼轨道设计。
（3）反之若无法采用单圆弧井眼轨道设计，则采用变幅摆线轨道设计，则采用圆弧-摆线轨道设计，即直井段—预斜段—变幅摆线段—水平段轨道设计；步骤如下：
1）后期采油工程采油泵的下入井斜角范围确定预斜段井眼轨道参数。预斜段井眼轨道参数包括预斜段圆弧的段长，预斜段最大井斜角，水平段入窗井斜角；
2）变幅摆线段井眼轨道数据计算：包括摆线段井眼轨道曲线任意一点的切线斜率、变幅摆线段井眼轨道曲线任意一点井斜角、变幅摆线段井眼轨道段长以及任意变幅摆线段井眼曲率，从而获得造斜点井深以及变幅摆线方程的特征参数R，代入变幅摆线段井眼轨道的参数方程从而获得定摆线段井眼轨道方程，具体过程如下所示：
1）根据变幅摆线的参数方程，得到变幅摆线段井眼轨道的参数方程为
（3）
式中：s为水平位移，h为垂深，R为变幅摆线动圆半径，为动圆旋转角，为变幅系数，；
2）任意变幅摆线段井眼轨道井斜角计算
根据积分法则，摆线段井眼轨道曲线任意一点的切线斜率为
（4）
则变幅摆线段井眼轨道曲线任意一点井斜角为
（5）
当，变幅摆线段井眼轨道曲线两段连接点处：
（6）
当，变幅摆线段井眼轨道曲线两段连接点处：
（7）
3）任意变幅摆线段井眼轨道段长计算：
（8）
变幅摆线段井眼轨道段长为
（9）
4）任意变幅摆线段井眼曲率计算
任意一点M的井眼曲率半径为：
（10）
则点M处的井眼曲率为：
（11）
5）造斜点井深的确定
根据垂直井深和靶前距控制方程
（12）
其中：；
根据式（6）、（8）,计算结果，代入式（12），采用试算法，从1、1.5、2……开始试算，原方程组只剩下H0和R两个未知数，求解得到造斜点井深H0以及变幅摆线方程的特征参数R；
6）确定变幅摆线段井眼轨道方程
根据5)中得到的R，计算摆线段井眼轨道的参数方程
（13）
求解从而得到定摆线段井眼轨道方程。
本发明的技术效果在于：
1、本发明的实施仅需根据地质设计的基本参数，计算过程简单方便；
2、本发明摆脱了靶前距长度对二维浅层水平井井眼轨道的限制，可合理优化井眼轨道，有效降低二维浅层水平井的施工难度。
附图说明
图1是本发明二维浅层水平井单圆弧井眼轨道设计示意图。
图2是本发明二维浅层水平井摆线井眼轨道设计示意图。
图3为本发明石7平X井摆线井眼轨道设计与圆弧剖面轨道设计对比图。
具体实施方式
一种二维浅层水平井井眼轨道设计方法，包括如下步骤：
（1）确定井眼轨道基本设计参数，包括设计井的井口坐标O（X0，Y0）、最大垂深Hmax、靶前距S、水平段入窗点A及完钻点B坐标；
（2）以步骤（1）中收集到的井眼轨道基本设计参数判断井眼轨道形式，假设采用单圆弧井眼轨道，求得造斜点的垂深H以及造斜段的井眼造斜率Z，依次判断造斜点的垂深H所在深度为稳定地层且造斜段的井眼造斜率Z满足造斜工具的最大造斜能力，即采用单圆弧井眼轨道设计；其过程如下所示：
1）假设采用单圆弧井眼轨道，即直井段—圆弧段—水平段轨道设计，则造斜点的垂深H为
H=Hmax-S （1）
2)判断垂深H是否合理
如果H<0,或者H>0且H所在深度为不稳定地层，则不能用单圆弧井眼轨道设计；
3）若2）条件符合，则计算造斜段的井眼造斜率Z
假设水平段井斜角为，则造斜段的井眼造斜率Z为
（2）
其中，K为单位换算系数，当曲率单位为度/30米时，K=30；当曲率单位为度/100米时，K=100；
如果Z的大小超过了造斜工具的最大造斜能力，则不能用单圆弧井眼轨道设计，若H>0,所在地层为稳定地层，造斜段的井眼造斜率满足造斜工具的最大造斜能力，则可采用单圆弧井眼轨道设计。
（3）反之若无法采用单圆弧井眼轨道设计，则采用变幅摆线轨道设计，则采用圆弧-摆线轨道设计，即直井段—预斜段—变幅摆线段—水平段轨道设计。步骤如下：
1）通过后期采油工程采油泵的下入井斜角范围确定预斜段井眼轨道参数。预斜段井眼轨道参数包括预斜段圆弧的段长，预斜段最大井斜角，水平段入窗井斜角；
2）变幅摆线段井眼轨道数据计算：包括摆线段井眼轨道曲线任意一点的切线斜率、变幅摆线段井眼轨道曲线任意一点井斜角、变幅摆线段井眼轨道段长以及任意变幅摆线段井眼曲率，从而获得造斜点井深以及变幅摆线方程的特征参数R，代入变幅摆线段井眼轨道的参数方程从而获得定摆线段井眼轨道方程，具体过程如下所示：
1）根据变幅摆线的参数方程，得到变幅摆线段井眼轨道的参数方程为
（3）
式中：s为水平位移，h为垂深，R为变幅摆线动圆半径，为动圆旋转角，为变幅系数，；
2）任意变幅摆线段井眼轨道井斜角计算
根据积分法则，摆线段井眼轨道曲线任意一点的切线斜率为
（4）
则变幅摆线段井眼轨道曲线任意一点井斜角为
（5）
当，变幅摆线段井眼轨道曲线两段连接点处：
（6）
当，变幅摆线段井眼轨道曲线两段连接点处：
（7）
3）任意变幅摆线段井眼轨道段长计算：
（8）
变幅摆线段井眼轨道段长为
（9）
4）任意变幅摆线段井眼曲率计算
任意一点M的井眼曲率半径为：
（10）
则点M处的井眼曲率为：
（11）
5）造斜点井深的确定
根据垂直井深和靶前距控制方程
（12）
其中：；
根据式（6）、（8）,计算结果，代入式（12），采用试算法，从1、1.5、2……开始试算，原方程组只剩下H0和R两个未知数，求解得到造斜点井深H0以及变幅摆线方程的特征参数R；
6）确定变幅摆线段井眼轨道方程
根据5)中得到的R，计算摆线段井眼轨道的参数方程
（13）
求解从而得到定摆线段井眼轨道方程。
实施例1
现以延长石油东部油区青化砭油田石7平X井为例，对其实钻井眼轨迹整体性分析。
（1）收集石7平X井基本的地质设计参数,包括井口坐标、地面海拔高度数据、靶点数据、水平段长度、靶前距等数据，地面海拔已经复测；如表1中所示。
表1 石7平2井基本设计数据
（2）以步骤（1）中收集到的基本设计参数判断井眼轨道形式
1）假设采用单圆弧井眼轨道，如图1所示，则造斜点的垂深H为
H=484-418.75=65.25 （14）
2)判断H的深度是否合理
H>0但垂深在65.25米处为第四系黄土层，属于表层不稳定地层，不能用单圆弧井眼轨道设计，采用变幅摆线轨道设计。
（3）变幅摆线轨道设计，如图2所示
1）预斜段井眼轨道参数确定
根据后期采油工程采油泵的下入井斜角范围确定预斜段圆弧的段长为270m，预斜段最大井斜角为40°，根据基本设计参数确定水平段入窗井斜角为89.3°，靶前距S为418.75m。
2）变幅摆线段井眼轨道数据计算
由式（4）、（5）、（6）、（7）得
（15）
代入相关参数得到
（16）
由式（12）得到垂直井深和靶前距控制方程
（17）
其中：
根据式（16）、（17）组成的方程组中有、、、H0和R三个未知数，采用试算法，从1、1.5、2……开始试算，原方程组只剩下、、H0和R四个未知数，当为1时，求解可以得到造斜点井深H0为91.7507m, 变幅摆线方程的特征参数R为122.4302m。井深91.75m处为稳定地层。
根据5)中得到的R，计算摆线段井眼轨道的参数方程
（19）
任意一点M的井眼曲率为：
（20）
任意变幅摆线段井眼轨道段长：
（21）
表2石7平2井井眼轨道设计数据
以石7平2井为例，分别做出圆弧、变速摆线两种剖面，如图3所示(下面那条浅色线为变速摆线轨道),通过摩阻软件计算，结果如表3所示。
表3 各工况下两种剖面大钩载荷对比表
由图3可以看出, 变速摆线剖面轨道设计相比圆弧剖面轨道设计，造斜点垂深由65.28m增加到91.75m, 设计井眼轨道相对平滑。从表3模拟结果可以看出，变速摆线剖面轨道设计相比圆弧剖面轨道设计，滑动钻进、起下钻、下套管等工况下，大钩载荷变化不太，基本相当，完全可以替代圆弧剖面轨道设计。按此设计实际施工钻井各工况下的实际摩阻与计算相符，下套管与完井作业较顺利。

Claims (4)

1.一种二维浅层水平井井眼轨道设计方法，其特征在于：包括如下步骤：
（1）确定井眼轨道基本设计参数，包括设计井的井口坐标O（X0，Y0）、最大垂深Hmax、靶前距S、水平段入窗点A及完钻点B坐标；
（2）以步骤（1）中收集到的井眼轨道基本设计参数判断井眼轨道形式，假设采用单圆弧井眼轨道，求得造斜点的垂深H以及造斜段的井眼造斜率Z，依次判断造斜点的垂深H所在深度为稳定地层且造斜段的井眼造斜率Z满足造斜工具的最大造斜能力，即采用单圆弧井眼轨道设计；
（3）反之若无法采用单圆弧井眼轨道设计，则采用变幅摆线轨道设计，则采用圆弧-摆线轨道设计，即直井段—预斜段—变幅摆线段—水平段轨道设计；步骤如下：
1）确定预斜段井眼轨道参数，包括预斜段圆弧的段长，预斜段最大井斜角，水平段入窗井斜角；
2）变幅摆线段井眼轨道数据计算：包括摆线段井眼轨道曲线任意一点的切线斜率、变幅摆线段井眼轨道曲线任意一点井斜角、变幅摆线段井眼轨道段长以及任意变幅摆线段井眼曲率，从而获得造斜点井深以及变幅摆线方程的特征参数R，代入变幅摆线段井眼轨道的参数方程从而获得定摆线段井眼轨道方程。
2.根据权利要求1所述的一种二维浅层水平井井眼轨道设计方法，其特征在于：所述的步骤（2）中判断井眼轨道形式包括：
1）假设采用单圆弧井眼轨道，即直井段—圆弧段—水平段轨道设计，则造斜点的垂深H为
H=Hmax-S （1）
2)判断垂深H是否合理
如果H<0,或者H>0且H所在深度为不稳定地层，则不能用单圆弧井眼轨道设计；
3）若2）条件符合，则计算造斜段的井眼造斜率Z
假设水平段井斜角为，则造斜段的井眼造斜率Z为
（2）
其中，K为单位换算系数，当曲率单位为度/30米时，K=30；当曲率单位为度/100米时，K=100；
如果Z的大小超过了造斜工具的最大造斜能力，则不能用单圆弧井眼轨道设计，若H>0,所在地层为稳定地层，造斜段的井眼造斜率满足造斜工具的最大造斜能力，则可采用单圆弧井眼轨道设计。
3.根据权利要求1所述的一种二维浅层水平井井眼轨道设计方法，其特征在于：所述的变幅摆线段井眼轨道数据计算的具体过程为：
1）根据变幅摆线的参数方程，得到变幅摆线段井眼轨道的参数方程为
（3）
式中：s为水平位移，h为垂深，R为变幅摆线动圆半径，为动圆旋转角，为变幅系数，；
2）任意变幅摆线段井眼轨道井斜角计算
根据积分法则，摆线段井眼轨道曲线任意一点的切线斜率为
（4）
则变幅摆线段井眼轨道曲线任意一点井斜角为
（5）
当，变幅摆线段井眼轨道曲线两段连接点处：
（6）
当，变幅摆线段井眼轨道曲线两段连接点处：
（7）
3）任意变幅摆线段井眼轨道段长计算：
（8）
变幅摆线段井眼轨道段长为
（9）
4）任意变幅摆线段井眼曲率计算
任意一点M的井眼曲率半径为：
（10）
则点M处的井眼曲率为：
（11）
5）造斜点井深的确定
根据垂直井深和靶前距控制方程
（12）
其中：；
根据式（6）、（8）,计算结果，代入式（12），采用试算法，从1、1.5、2……开始试算，原方程组只剩下H0和R两个未知数，求解得到造斜点井深H0以及变幅摆线方程的特征参数R；
6）确定变幅摆线段井眼轨道方程
根据5)中得到的R，计算摆线段井眼轨道的参数方程
（13）
求解从而得到定摆线段井眼轨道方程。
4.根据权利要求1所述的一种二维浅层水平井井眼轨道设计方法，其特征在于：所述的确定预斜段井眼轨道参数是根据后期采油工程采油泵的下入井斜角范围确定的。
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