SAGD双水平井入靶控制技术

2013-12-23马立君

石油钻采工艺 2013年6期

章敬易灿张龙马立君

（1.新疆油田公司开发公司，新疆克拉玛依 834000；2.北京加华维尔能源技术有限公司，北京 100101）

目前，蒸汽辅助重力泄油（SAGD）是国际上一项前沿开采稠油技术，一般采用生产井（P 井）和注汽井（I 井）平行的双水平布井方式，井口中心距离约为18～20 m，注汽井位于生产井上部，两者水平段之间垂向距离为5～8 m。一般靶窗高度1 m，宽度2 m，水平段长度450～1 200 m［1-2］，2 口井纵、横向间距均有严格要求，水平段的水平度和上下两口井水平段的平行度是SAGD 平行水平井钻井的两项关键指标，控制好入靶前的实钻轨迹沿设计轨迹钻进是保证这两项指标的基础。对于水平井，造斜井段是轨道控制的关键。而对SAGD 双水平井，它不仅要求具有合理的着陆点位置，而且对入靶时的井眼方向具有很高的要求。由于必须保证SAGD 双水平井的平行度，此时，如果不能对井斜及井眼方向进行有效的控制，将会增大水平段轨迹控制难度和工作量，给施工带来不利影响，并且影响原油采收率。

1 剖面设计与矢量中靶

1.1 剖面设计

水平井剖面设计是水平井设计中的重要部分，良好的水平井井身剖面设计可以减小井眼轨迹控制的难度，充分发挥动力钻具和转盘钻具各自的优势，为钻出平滑规则的井眼提供保障［3-5］。一般注汽井设计为直—增—稳三段制剖面，对生产井，考虑到生产的需要，必须留有20 m 或更长的稳斜段，因此剖面设计为直—增—稳—增—平的五段制井身剖面，剖面设计实例可参考文献［2］。

1.2 矢量中靶

水平井井眼轨迹中靶，与普通定向井、多目标井不同，水平井井眼轨迹中靶时进入的目标窗口，是一个柱状体，因此，不仅要求实钻轨迹点在窗口平面的设计范围内，而且要求点的矢量方向符合设计，使实钻轨迹点在进入目标窗口平面后的每一个点都处于靶柱所限制的范围内。也就是说，控制水平井井眼轨迹中靶的要素是实钻轨迹在靶柱内的每一点的位置要到位（即入靶点的井斜角、方位角、垂深和位移都在设计要求的范围内），也就是矢量中靶。

由于造斜点到目的层入靶点的设计垂深增量和水平位移增量是确定的，如果实钻轨迹点的位置和矢量方向偏离设计轨道，势必改变待钻井眼的垂深增量和位移增量的关系，也直接影响到待钻井眼轨迹的中靶精度。以单面圆弧为例，如图1 所示，设I1、I2为圆弧井身轨迹上的两点，其井斜角分别为α1，α2，轨道曲率半径为R，造斜率为K，该两点的垂增（即垂深增值）为H，平增（水平位移增值）为S，井段长为L。不考虑方位变化，可推得［6］

式中，α1，α2为井身轨道上两点I1、I2处的井斜，°；R为井身轨道曲率半径，m；K 为造斜率，（°）/30 m；H 为I1和I2点处垂深差值，m；S 为I1和I2点处水平位移差值，m；L 为I1到I2点处轨道长度，m。

图1 基本几何关系示意图

进一步转化，得

式（3）、（4）即是位移增量和垂深增量的关系式，如果造斜点和入靶井斜角一定，则位移增量与垂深增量仅与造斜率相关。

2 入靶控制的主要影响因素

2.1 造斜率

SAGD 油井要达到预期的高采收率，必须对注汽井和产油井有严格的控制要求，要求2 口井的距离误差满足工程设计的要求，并且尽可能使2 口井的水平段始端距离最大。如果两口井的水平段始端距离过近，高温蒸汽从井口注入注汽井后，首先通过水平段始端，此时温度最高，最容易发生汽窜，注采井容易过早形成热联通，影响采收率。一般采用“P下I 上”的入靶原则，尽量扩大注采井垂向距离。为了满足这一要求，造斜率选择范围一般可由式（1）推导得出。

设造斜点（KOP）井斜角为0°，并设水平段的井斜角设计值为αA，靶窗高度为2h，如图2 所示，则可求出实际着陆点（井斜αH=αA），与设计着陆点A 重合时的造斜率为

设靶窗为上、下对称（即上、下允差分别为h），则可求出造斜率的最大值Kmax（着陆点A1′）和最小值Kmin（着陆点A2′）分别为

图2 单圆弧剖面造斜率分析图

式中，H 为造斜点与着陆点间的垂增值，m；h 为靶窗半高，m；αH为着陆点井斜角，°。

式（6）和式（7）即为平均造斜率的控制范围。

为了保证实钻造斜率在合适的范围内，防止因各种因素造成工具实际造斜率低于其理论值，同时考虑实际造斜率若高于设计造斜率可以通过复合钻进的方式降低造斜率，若低于设计造斜率则只能通过更换钻具组合进行调整等因素。因此，应以“略高勿低”的原则选择造斜工具，一般选择工具的理论造斜率应比设计高10%～20%。同时为了减轻随后轨迹控制难度，造斜率一般也采用“先高后低”原则，即通过适当调整设计，轨迹控制前段采用较高造斜率，入靶采用较低造斜率；如果在前段采用较低造斜率，一旦后段造斜率跟不上，则只能通过更换钻具组合进行强力增斜。

2.2 方位控制

为了控制好轨迹，一方面要控制井斜，另一方面控制方位，否则很难使井眼轨迹矢量进靶。由于实际造斜点处存在一定井斜和位移，一般水平井实钻剖面都是三维的，造斜点处的方位、闭合方位与设计方位往往存在一定的偏差，在增斜钻进的同时需要扭方位以达到设计方位的要求，而扭方位的难易程度与井斜角的大小密切相关，为了控制好方位，井斜角越小时扭方位容易，井斜角大就会增加扭方位的难度，因此应尽早把方位调整到贴近设计方位，为矢量进靶奠定基础。假定工具造斜率为15 （°）/30 m，表1 为不同井斜角时，钻进10 m 全力扭方位最大调整角度。由表1 可见，为了确保矢量中靶，减小后续施工难度，尽量在井斜角30°之前完成方位的调整。针对SAGD 双水平井钻井，不仅需要尽早调整好方位，还必须注意注采井入靶时的“同向”原则，即确保入靶时两井同时中左靶或者右靶。

表1 钻具在不同井斜时扭方位能力

2.3 磁干扰

测量参数的精确程度除了与测量仪器自身的质量有关外，还与测量仪器所处的环境因素有直接关系，地层含铁、无磁磁化及邻井干扰等都对测量参数的精确程度有影响。MWD 测量是依靠探管内部3 个相互垂直的重力加速度计和3 个相互垂直的磁通门传感器，分别测量3 个方向上的重力分量和磁力分量，分别以Gx、Gy、Gz和Bx、By、Bz表示。Z 轴方向即为探管的轴向，也就是钻具和井眼方向［7］。现场作业中所需要仪器的参考数据和井眼几何参数均由这6 个分量计算得到。Bx、By反映了探管探测到的径向的磁场强度和量，如果径向方向存在铁性物质，将引起Bx、By测量值的变化。Bz反映了探管检测到的井眼轴向的磁场分量，如果仪器受到上下部钻具的磁干扰时，将引起测量值Bz的变化。在无磁干扰情况下，同一地区，相同的井斜和方位处的两测点（或位置、井斜变化不大），所测的值应相近，同一测点，依据这6 个分量计算出的Bt值（一般±0.3 uT之内）与Gt值（一般3‰以内）也应相近。依据这一原理，SAGD 平行水平井可以通过对比注采井的Bx、By和Bz值，判断注汽井是否受到磁干扰，一旦受到磁干扰，则应尽快偏离已钻井，避免磁干扰影响轨迹精确控制。表2 和表3 是FHWX7I/P 井记录的部分Gx、Bx、By等值，根据数值判断，这2 口井基本没有受到磁干扰。

表2 FHWX7I 井Gt 和Bt 在不同位置计算值

表3 FHWX7P 井Gt 和Bt 在不同位置计算值

3 着陆点井斜角的确定和入靶轨迹的控制

由于对地层情况比较熟悉，双水平井一般采用MWD 控制轨迹，在二开造斜段至着陆点后，通常进行测井、通井和下套管作业，这将会使着陆点的井斜角减小1～2°，而且在水平段开始施工中，为避免磁干扰影响，通常先转盘钻进一段距离，另外由于仪器另长的存在，在十几米后才能测出着陆点的井斜、方位，综合上述情况，施工时应将着陆点井斜角定为90.5～91.5°左右，以平衡测井及通井、下套管作业所造成的影响。

实际施工中，参考其余文献研究［8-10］，通常以入靶点垂深、井斜为目标进行轨迹修正计算，通过调整造斜率控制垂深和井斜以满足入靶要求，一般面临4种情况。

（1）位移超前，井斜超前。此时，实钻轨迹点的位置位于设计轨道上方，井斜角超出设计，则会使钻至目的层所产生的位移超过目标窗口平面的位置，即位移达到靶点要求时，垂深在目标靶点上方，容易导致脱靶。为了控制穿靶，此时必须减小造斜率，当到达着陆点时，一般位移与垂深满足要求，但井斜角小于90°，如果井斜相差不大，则可考虑在水平段中继续增斜至90°，此时应尽量控制着陆点从上靶窗进入，若施工中实在满足不了，着陆点从下靶窗进入，则必须尽快增斜至90°以上，防止在增斜过程中，垂深下降过多，导致两口井距离过近（过远）。

（2）位移超前，井斜滞后。此时，实钻轨迹点的位置位于设计轨道上方，井斜角小于设计值，通常这种情况是由在造斜点时正位移过大造成，通过控制好造斜率，使得实钻轨迹点尽量靠近设计轨道，能够确保中靶。

（3）位移滞后，井斜滞后。此种情况实钻轨迹点位于设计轨道下方，井斜角小于设计值，一般发生在造斜时负位移，开始造斜时造斜率不够，此时必须适当提高造斜率，使得实钻轨迹尽量靠近设计轨迹线，确保中靶。

（4）位移滞后，井斜超前。此种情况实钻轨迹点位于设计轨道下方，井斜适当超前，一般可提前着陆，此时通过转盘稳斜钻进小段位移进行穿靶，避免了入靶前造斜率出现较大变化而脱靶，同时对于破坏岩屑床、清洗井眼是有极大帮助的，是一种比较理想的状况。

实践表明，实钻轨迹点的位置接近或少量滞后于设计轨道，并保持井斜角适当超前，更有利于水平井的着陆。

4 实钻实例

4.1 FHWXP/I

FHWXP/I 井组位于新疆油田重1 区块，FHWXP 井设计造斜率分别为11.3 （°）/30 m 和12 （°）/30 m，按“略高勿低”的原则，选择工具的造斜率应为13.2～ 14.4 （°）/30 m。

FHWXP 井造斜点114 m 处井斜2.5°，方位角243.05°，闭合方位角284.76°与设计265.57°有一定偏差。为尽早将方位扭到位，通过调整工具面边增斜边扭方位，钻至井深171.41 m，井斜角19.4°，方位角264.05°，闭合方位262.84°，方位已基本调整完毕。进入油层后，全力增斜钻进至A 点386 m，测深368.46 m，井斜87.4°，方位265.75°，垂深278.77 m，位移162.82 m，闭合方位265.74°，成功完成了矢量进靶，靶心距0.22 m。

FHWXI 井设计造斜率分别为10.5 （°）/30 m 和12.547 （°）/30 m，造斜率与P 井相近，采用同一套钻具组合，在造斜点114 m 处井斜0.49°，方位为221.11°，闭合方位216.01°，采取先扭方位为主、增斜为辅的思路，钻至井深171.34 m 时，井斜19.4°，方位266.55°，闭合方位263.14°，方位基本调整到位，控制合适造斜率，成功完成矢量中靶，靶心距0.46 m。中靶情况如表4 所示。

表4 FHWXP/I 中靶情况

4.2 FHWYP/I

FHWYP/I 井组位于新疆油田重18 区块。P 井设计造斜率分别为10 （°）/30 m 和11.8 （°）/30 m，I 井设计造斜率为9.386 （°）/30 m 和12.5 （°）/30 m，设计方位112°，因此可以采用同一钻具组合。P 井造斜点256.1 m，此时井斜1°，方位335°，采用先调方位，后增井斜方式，钻至井深278.83 m 时，井斜7.7°，方位111.05°，方位基本调整到位；I 井造斜点255.1 m，此时井斜0.55°，方位133.46°，钻至308.38 m 时，井斜17.3°，方位111.35°，方位调整完毕。此后控制合适造斜率，成功矢量中靶，中靶情况如表5 所示，其中P 井靶心距0.48 m，I 井靶心距0.19 m。