定向井井眼轨迹预测与控制论述

于肖臣

【摘 要】定向井的施工是石油钻探开发过程中的关键环节。影响井眼轨迹的因素包括地质结构、钻具的类型、井眼的几何形状、钻井工艺的选择等。为了确保定向井井眼轨迹的准确，在钻井的过程中需要对井眼的轨迹做好预测工作。本文对定向井井眼轨迹的预测方法进行了总结和分析，并结合实际的工作经验探究了定向井井眼轨迹预测的方案。

【关键词】定向井 井眼 轨迹预测 控制

1 井眼轨迹预测的内涵

所谓的井眼轨迹预测就是指根据井眼当前的走向判断井眼的延伸方向。图1 描述的是井眼轨迹和轨道示意图，影响井眼轨迹的因素有很多，包括地质特点、地层的倾斜度、岩石的种类和强度等。井眼轨迹的形成是这些因素共同作用的结果，但当前无法根据这些因素对井眼的轨迹进行精确的判断，只能在施工的过程中不断总结经验，并借助一定的数据进行辅助的判断。为了确保井眼轨迹的精确度，在实际钻井的过程中需要实时的监控和调整钻头的前进的方向。井眼的实际走向在地面上是无法观察到的，只能在施工的过程中采用专门的仪器进行实时的观测。

2 井眼轨迹的预测依据

从力学的角度来看，外力的作用是改变物体运动轨迹的根本原因。物体的运动状态包括运动的方向、速度两个方面，反映到钻井上来就是指钻速的大小和钻井的方向。钻井的过程中会产生井斜角和井斜方位角。根据实际的工作经验可以知道，在钻井的过程中，钻头的前进方向主要由钻头的受力情况所决定。而钻头的受力状况又受到钻具的形状、钻具的形变程度、地质特性等因素影响。

截至当前，对于井眼轨迹的预测还无法建立数学模型进行精确的计算，但通过一定的实践经验和辅助工具，可以制定出一套准确性较高的预测方法。

这套预测方法主要包括三个方面的内容。首先是测斜结果计算对比分析。在钻井的过程中需要对钻头的状态进行实时的监控，并记录下观测的测斜结果，通过绘图的方式将测斜结果反映出来，并进行分析对比。其次是待钻地层因素分析。由于地质特性会对井眼的轨迹产生一定的影响，应当在钻井前对待钻地层的地质特点进行深入全面的分析，结合相关的数据来预测井眼的轨迹方向。最后是近钻头钻具组合受力分析。这一过程需要从地层结构、井眼轨迹的形状、钻头的组合方式等方面进行综合考虑，构建一定的数学模型进行井眼的延伸方向预测。

3 井眼轨迹控制原则

井眼控制就是在钻井的过程中采用有效的措施和手段确保钻头能够按照预定的轨迹前进，从而确保井眼的轨迹能够符合要求。在井眼轨迹控制的过程中，控制的主体是钻头，被控制的量是井斜角和井斜方位角。这两个量分别反映出井斜的变化率和井斜方位的变化率。对井眼轨迹产生影响的因素包括地层的状况、井壁的平整度、岩石的性质、岩石的分布特点等。由此可以看出，井眼控制过程中的干扰因素较多，控制难度较大。

在钻井的过程中，现场操作人员需要根据钻井的状况进行实时的调整。在进行钻井前，操作人员需要考虑钻具的组合形式，控制井眼的工艺，钻具导向的工具等。由于当前还无法建立有效的数学模型对井眼的轨迹进行精确的计算，操作人员只能根据钻井前的预测，并根据钻井过程中的实际情况进行判断。在不断的实践过程中，有一些固有的原则应当遵守。

3.1既要保证中靶，又要提高钻速

在实际钻井的过程中，要尽量准确的判断井眼的轨迹趋势，不能使井眼的轨迹偏离预定的轨道太远。但由于无法对轨道作出精确的判断，在钻井的过程中出现误差是无法避免的。只要保证能够中靶，就没有必要频繁的进行测斜或更换钻井工具。这样不仅会降低钻井的效率，导致施工成本的增加，多次的反复加工还会对地层造成不必要的破坏。因此，操作人员在实际钻井的过程中应当准确把握更换钻具的时机。

当前工具的造斜率：

继续预测待钻井眼所需造斜率为：

如果Kz =K 时，可以继续钻进，反之则需要对钻具进行更换，并选择其它控制方法。

3.2尽可能多的使用转盘钻和近钻头组合钻具进行轨迹控制

转盘钻的钻速要高于动力钻具，在一个阶段的钻井作业结束后，通常会更换转盘钻来增加钻井的速度。动力钻只在两种情况下才会得以使用。第一种情况是使用转盘钻无法达到增斜或降斜的要求时。第二种情况是转盘钻无法良好的控制方向时。在这两种情况下，再使用转盘钻来钻井可能会导致井眼的轨迹产生较大的偏差，甚至出现脱靶的问题。

3.3尽可能利用地层的自然造斜规律

在钻井的过程中，很多客观因素都会对井眼的走向产生影响，如地层特点、钻头形状、侧向切削等。为了减少这些因素对井眼轨迹判断产生影响，应当尽可能的利用地层自然造斜规律进行钻井，从而减少钻井工具的更换次数。

3.4尽量使用导向钻具

在使用导向钻具时，不仅可以提高井眼预测的精确度，还能在一个井眼的钻探完成后，不更换钻具就进行下一个井眼的钻探。采用导向钻具还能将造斜、增斜、降斜的过程有机的结合起来，提高钻井的效率和稳定性，减少钻井过程中的中断次数，避免频繁起下钻而对井下的环境产生影响，因而还可以有效的降低钻井的成本。

3.5加强钻具的检查，防止钻具事故的发生

在对一些井斜较大的油井进行钻进时，钻具容易受到较大的损坏。在每一次的钻井工作完成后，都需要对钻具进行一定的保养，并仔细检查钻具是否存在一定的磨损或损坏的情况。一旦发现钻具中存在问题，一定要进行及时的检修或更换。在使用钻具前，还要对钻具再次进行检查，从而有效的杜绝钻具事故的发生。

4 结语

当前，我国的石油钻探过程中，对井眼的预测仍没有找到良好、精确度高的预测方法，但通过对工作经验的总结和合理钻进方式选择，可以总结出有效的控制原则，做到既不脱靶，又能确保钻井的效率，实现石油钻探的经济效益最大化。