煤层气水平井最优井斜角的计算与影响因素分析

申福猴

(中国石化集团华北石油局 培训中心，河南 新乡 453000)

煤层气水平井最优井斜角的计算与影响因素分析

申福猴

(中国石化集团华北石油局 培训中心，河南 新乡 453000)

本文重点讨论了煤层气水平井轨迹设计与控制一体化技术，在理论分析的基础上，推导了切线段最优稳斜角的计算公式，阐明了目标储层的厚度、最大最小造斜率的差值和水平目标段井斜角对切线段稳斜角的影响规律，最后进行了轨迹优化实例分析。

水平井；井斜角；切线段；轨迹控制

目前,我国应用比较广泛的煤层气增产措施主要有水平井技术(羽状分支水平井、超短半径水平井)、裸眼洞穴完井和直井水力压裂,其中,煤层气水平井具有成本低和增产效果好的特点，在煤层气的开采中应用广泛。然而，我国煤层气水平井也存在一定的问题：1)我国大多数煤层气储层具有自身的特征，如低饱和度、低压力、低渗透及煤层透气性不好，很多先进的国外排采经验和钻井技术不能完全适用；2)“十二五”规划对我国的煤层气地面开发提出了一定的要求，需要对关键技术，包括钻井液技术、钻井工艺及完井技术等有所突破。为了解决上述问题，我国对钻井工艺和轨迹设计、控制及仪器设备等方面进行了研究，并取得了一定的研究成果。唐华根据冀东油田实际井眼,研究了6″井眼水平井钻具组合造斜性能及力学分析，水平段井眼轨迹控制，最终形成了最佳6″井眼水平井钻井工艺技术，并设计了6″井眼水平井钻具组合，优化了旋转钻进和滑动钻进方式，最终实现了轨迹控制、钻井速度和井下安全的统一。刘海军也对井眼轨迹的优化进行了研究，在现场施工条件允许时，优化井眼轨迹，尽量降低方位角变化率和井斜变化率等参数，提供最短的井眼轨迹长度，尽量降低井口动力的消耗及钻井的摩擦阻力。本文主要对煤层气水平井井眼轨迹控制中井斜角的计算及影响因素进行了研究。

1 水平井井眼轨迹控制

在水平井钻井中，待钻井眼的轨迹控制和判别水平井造斜段实钻井眼轨迹的中靶情况是非常关键的问题，同时也是一项复杂的工作，存在一定的工作难度，二者之间相互影响，而且是水平井钻井成败的关键。

和一般的丛式井、定向井和侧钻井的井眼轨迹控制不同，水平井造斜段待钻井眼轨迹控制在水平段的入靶点处，有闭合方位、垂深、水平位移和井斜角大小的限制，此外，井斜角的大小还直接影响着井眼轨迹在产层内的横穿产层长度、位置及是否能够避开水锥等诸多问题；因此，从水平井的井眼轨迹控制现场的施工工艺出发，为了适应某些因素的变化，在水平井的井眼轨迹着陆控制阶段，需要针对造斜工具和目的层及仪器等的具体情况，制订出相对应的着陆控制方案。经常用到的着陆控制设计方法有如下2种。

1)单圆弧法。即从着陆控制过程的起点以一单圆弧的造斜段直接钻进至靶区着陆点的方法，该方法适用于油层厚度较大、靶窗高度较大、油层中部的深度相对确定的情形[1]。

2)应变法。即在着陆控制设计中，为了适应实钻过程中可能出现的各种误差而在2个增斜段中间设置——稳斜调整段的方法，设置调整段的目的。首先，为了适应在钻井中油层中部的深度发生变化时，使轨道的控制处于相对被动地位；然后，通过调整段补偿前段造斜时工具造斜率误差所造成的轨道偏差，使在最终着陆进靶时能够更加准确和顺利，该方法是一种以不变应万变的轨迹设计方法[2]。

结合大多数现场水平井的实际情况，优选出应变法的井眼着陆设计方法。应变法最重要的一步是求取切线段最优稳斜角的大小。

2 水平井切斜段最优井斜角推导

假定最大预期造斜率(即最小的弯曲半径)为R1，最小预期造斜率(即最大的造斜半径)为R2。采用工程单位(°)/30 m，经过换算[3]得：

(1)

(2)

求取最佳切线段井斜角是在这一井斜角上开始第2次增斜，无论实际造斜半径为R1还是R2，都能进入目标区。垂增位移如图1所示。

图1 垂增位移

假设切线角度为Itan，目标层角度为If(水平时为90°)，则以任意造斜半径R，从a造斜至水平段所消耗的垂直位移为：

H=RsinIf-RsinItan

(3)

当分别以最大和最小造斜率造斜时，所产生的垂直位移分别为[4]：

H1=R1sinIf-R1sinItan

(4)

H2=R2sinIf-R2sinItan

(5)

要达到无论在何种情况都要进入目标层的要求，2种造斜率条件下产生的垂直位移差应小于等于目标层厚度，即

H2-H1≤Tb-Tt

(6)

将式4和式5代入式6可得：

(R2-R1)(sinIf-sinItan)=Tb-Tt

(7)

(8)

将式1和式2代入式8得：

(9)

在式1的基础上可得水平井窗口“靶心”垂深的计算公式如下：Ttgt=

(11)

式中，Ttgt表示“靶心”垂深，单位为m；BURexp表示水平井第2增斜段的设计造斜率，单位为(°)/30 m。

3 切线段最优井斜角影响因素分析

3.1 油层厚度对切线段最优井斜角的影响

BURmax=10°/30 m，BURmin=6°/30 m，If=90°，绘制水平井窗口处目标储层厚度对切线段最优井斜角的影响如图2所示。

图2 水平井窗口处目标储层厚度对切线段最优井斜角的影响

3.2 最大井斜角差值对切线段最优井斜角的影响

造斜率大小取决于所用的下部钻具组合、钻进参数和地质因素等。实钻之前无法知道实钻造斜率的确切数值,所以通常根据经验、邻井资料和理论分析,估计出实钻造斜率的范围，然后即可给出最低造斜率Kmin和最高造斜率Kmax。实钻造斜率必然在Kmin和Kmax之间，工具造斜能力是影响造斜率的最重要因素[5]。

BURmax=10°/30 m，If=90°，Tb-Tt=10 m，所以造斜率变化对切线段最优井斜角的影响如图3所示。

图3 造斜率范围(Kmax-Kmin)变化对切线段最优井斜角的影响

3.3 水平井目标段的井斜角对切线段最优井斜角的影响

BURmax=10°/30 m，BURmin=6°/30 m，Tb-Tt=10 m，所以水平井目标段的井斜角对切线段最优井斜角的影响如图4所示。

图4 水平井目标段的井斜角对切线段最优井斜角的影响

从图2～图4可以看出，切线段最优井斜角随目标储层厚度的增加而降低，随最大、最小造斜率差值的加大而增加；切线段最优井斜角随水平目标段井斜角的增加而加大，且该增长幅度比较大。

4 水平井轨迹优化实例分析

本部分通过调整造斜半径值来研究全角变化率与造斜半径的关系，优化水平井轨迹。假设造斜半径为150和250 m，分别对水平井轨迹进行模拟，造斜半径不同，则水平井轨迹曲线也会发生相应的改变。首先，根据计算机辅助设计的计算方法得到2个入靶点的点坐标，造斜半径为150和250 m时，2个入靶点的点坐标分别为N1和N2，N1(19 506 364.079,3 942 082.358 3,353.900)，N2(19 506 271.683 4，3 942 044.109,352.200)。假设直井段深115 m，穿N1靶数据如下：入靶井深414.12 m，入靶点井斜角为88.57°，对接井斜角为88.57°，测深614.94 m，最大全角变化率为36.41°/100 m。穿N1点轨迹设计曲线如图5所示。从图5可以看出，造斜半径为 150 m时，造斜半径较小，初始造斜时，方位向着相反的方向定向，使造斜段长度增加，浪费进尺数。

图5 穿N1点轨迹设计曲线

穿N2靶数据如下：入靶井深 480.24 m，入靶点井斜角为88.13°，稳斜角为73.65°，稳斜段长度为61.2 m，对接井斜角为 88.13°，测深为581.05 m，最大全角变化率为29°/100 m。穿N2点轨迹设计曲线如图6所示。

图6 穿N2点轨迹设计曲线

从图6可以看出，造斜半径为250 m时，曲线比较光滑，全角变化率在30°/100 m以内，稳斜段明显，半径轨迹比150 m时明显要好。

N1和N2点的关键数据见表1。从表1可以看出，采用 250 m 造斜半径时对接总进尺较少，如果直井段的长度固定，则可缩短造斜过程，使稳斜段长度和稳斜角都更加合理；因此，造斜半径确定为250 m，完成水平井轨迹优化。

表1 不同造斜半径下参数对比

5 结语

本文对煤层气水平井的井斜角进行了分析，得到其理论推导公式和影响因素，最后采用计算机软件分析了通过不同的造斜半径优化水平井轨迹的过程。水平井井眼轨迹控制对于煤层气的开采非常重要，通过计算机软件对水平井轨迹进行模拟并且优化轨迹，提高了开采效率。

[1] Aguilera R. Horizontal wells[M]. Houston：Gulf Publishing Company, 1991.

[2]高德利. 油气井管柱力学与工程[M].东营: 中国石油大学出版社, 2006.

[3]葛云华,苏义脑.中半径水平井井眼轨道控制方案设计[J].石油钻采工艺,1993, 15(2):1-7.

[4] 苏义脑. 水平井井眼轨迹控制研究浅谈[J]. 钻采工艺,1992,15(4):101-107.

[5] 杨国来，李静，许敏影，等. 先导式溢流阀静动态特性的仿真研究[J].新技术新工艺，2013(1)：9-11.

责任编辑李思文

OptimumDeviationAngleCalculationandInfluencingFactorsAnalysisofCBMHorizontalWells

SHEN Fuhou

(Training Center, North China Petroleum Bureau of Sinopec group, Xinxiang 453000, China)

The paper focused on horizontal well trajectory design and control integration technology issues, based on the theoretical analysis, the optimal inclination angle of tangent section was deduced, and the effect of target reservoir thickness, difference of maximum and minimum build-up rate and the inclination angle of horizontal section on the optimal inclination angle of tangent section were illustrated, and finally the case of trajectory optimization was analyzed.

horizontal well, inclination angle, tangent section, trajectory control

TE 37

:A

申福猴(1978-)，男，工程师，主要从事机械设计制造及其自动化专业和职工培训等方面的研究。

2015-01-12