套管开窗侧钻水平井井眼轨迹控制技术

韩立军

摘要：小井眼套管开窗侧钻水平井与常规套管开窗侧钻相比轨迹控制难度大 ，目前各大油田虽然对小井眼套管开窗侧钻进行了实践 ，并对其轨道设计、开窗工艺 、施工工艺进行了探讨，但对其轨迹控制技术总结甚少。

关键词：小井眼;开窗;侧钻;水平井;轨迹控制

1 小井眼套管开窗侧钻水平井井眼轨迹控制影响要素分析

小井眼套管开窗侧钻水平井井眼轨迹控制是一项复杂的工作 ，影响其控制精度的因素很多 ，主要有：剖面类型 、老井眼轨迹、钻进参数 、靶窗允许误差 、地层、开窗方式、下部钻具组合性能等。

1.1 剖面类型

曲线段的造斜率设计成“低——高——低”型，便于实钻过程中易于控制井眼轨迹 。从井身轨迹控制而言 ，曲线段半径减小，井眼轨迹控制容易一些， 这是由于垂深差不大 ，岩性较稳定 ，工具的造斜性能在一小段稳定地层中比较稳定的缘故。

小井眼套管开窗侧钻水平井的剖面类型归根到底受近目的层的岩性、老井套管状况、水泥胶结状况、完井方法、现有造斜工具等诸多因素影响。一般情况下，只要井下工具及老井井眼条件许可，尽量采用较小半径的侧钻水平井， 在地层复杂地区尤需如此。

1.2 水平靶窗允许误差

由于小井眼套管开窗侧钻水平井半径较小，因此， 水平段的纵向允许误差对井眼轨迹控制的难易程度有较大的影响。当纵向允许误差减小时，工具最大和最小造斜率越来越趋近于剖面设计造斜率， 这表明 ，纵向允许误差越小， 要求工具的造斜能力越稳定。

1.3 原井眼轨迹

原井眼直接影响侧钻点的选择 ，同时老井侧钻点的井斜 、方位及坐标是侧钻水平井设计的基础数据 ，该点参数直接影响着水平井井眼轨迹控制工艺，主要表现在：

（1）当井斜较大时（大于5°）， 侧钻定位方式可采用非磁性测量、陀螺仪或高边控制三种方式，而究竟选用哪一种方式， 要依方位的控制精度 、难度及测量仪器的性能而定;

（2）对斜向器开窗而言， 当井斜较小（小于3°），无论侧钻点位移大小 、侧钻点 、“足根” 、“足趾” 是否共线 ， 都可直接将斜向器对准两维设计或三维设计的井身剖面要求的方位钻进 ，当井斜较大时， 除非有特别要求， 在一般情况下， 斜向其应尽量摆放在最大扭方位方式所要求的方向上;

（3）侧钻点的选取对于小井眼套管开窗侧钻水平井井眼轨迹控制有着至关重要的作用。为利于侧钻控制，应在调查侧钻点附近30 ～ 50m区间岩性、套管完好性、水泥胶结状况的基础上，结合现有的井下动力钻具， 在原井眼中选择出最优的侧钻点。

1.4 地层对侧钻水平井井眼轨迹控制的影响

井眼形成过程实质上是钻头与地层相互作用的过程。井眼轨迹便是钻具、钻头、岩性、地层各向异性、地层走向和倾向相互影响、相互作用的最总体现。由于小井眼套管开窗侧钻水平井井下工具尺寸较小， 钻进过程中， 如果不考虑地层的影响，有可能造成施工与井眼轨迹控制的被动。地层岩性决定着钻头侧向削切量 ，而胶结程度则决定着井眼尺寸钻井瞬间扩大率。地层愈松散，钻进过程中愈扩径，对工具的造斜能力发挥影响也愈大。

1.5 其它影响侧钻水平井井眼轨迹控制的因素

影响侧钻水平井井眼轨迹控制的因素还有很多， 如侧钻方法的选择， 下部钻具组合是否合理，待钻井眼设计水平的高低等等 。

2 井底预测技术

井底预测技术是实现井眼轨迹定量预测与控制的基础。由于测量仪器距井底有一段距离（7～13m），而侧钻水平井造斜率较高，如果预测不准井底处井斜方位，则易造成大的施工误差，因此对侧钻水平井而言，井底预测显得更为重要。井底预测的方法很多，可分为两大类，一类是力学法。从理论上讲，力学法比较准确。但由于井下是一个复杂的多元系统，而系统中某些参数（如地层性质等）又不易掌握， 这一定程度上影响了力学预测方法的预测精度， 兼之力学预测方法准备变量多 ，计算复杂， 现场施工已较少采用。对于给定的钻具组合和钻井参数， 由于在一定的井段范围内地层岩石的性质变化不大，所以井眼轨迹往往呈现出特定的变化规律。因此采用几何方法预测 ，也能达到相当高的精度。几何预测方法很多， 要严格评价各种井底预测方法的优劣是比较困难的。井底预测的这些几何方法主要是依据各种曲率的变化规律进行选择，并且需要紧密结合钻井过程的实际工况。使用时，应根据实际的钻井工况，进行分析判断和预测。

（1）对于井下动力钻具（包括导向钻具）钻进的井段，最小曲率法优于其它方法;对于转盘钻的钻进井段， 自然参数法和圆柱螺线法的预测效果较好 ，且这两种预测方法的精度基本相同。

（2）定曲率预测方法主要用于曲率比较稳定的井段。另外， 对于新井眼内只有一个测点的过渡井段，可以用“突变点”处轨迹参数的预测值配合该点的实测数据来预测井底 。

（3）当曲率的波动有一定的变化规律时，曲率补偿预测方法具有优势。

（4）若曲率的变化逐渐趋于稳定，则应使用加权平均预测法 。

（5）若实测数据左右波动 ，可以选用插值预测方法或曲线拟和预测方法 。从根本上讲，要提高井底预测的精度，应从以下两个方面入手， 一是在工艺技术条件允许的前提下 ，尽可能缩短测点至井底的距离;二是提高测斜资料的精度 。

3 侧钻水平井待钻井眼设计

侧钻水平井待钻井眼设计是井眼轨迹控制技术的重要组成部分 ， 他可为现场施工提供最重要的依据。

4 轨迹控制中下部钻具组合的选择

在小井眼套管开窗侧钻水平井井眼轨迹控制中，若测斜发现实钻轨迹偏离设计过多很难中靶时， 必须起钻更换钻具组合， 下部钻具组合（BHA）选择步骤如下：

（1）估算现有工具的造斜能力;根据实测资料计算已用组合的实钻造斜率， 并与理论造斜率进行比较 ，找出规律， 为 BHA 造斜率的评价及选用提供第一手资料;

（2）进行井底预测， 算出井底处几何参数（垂深、北坐标 、东坐标等）;

（3）根据井底位置及目标位置 ，进行多因素约束下的待钻设计;

（4）依据经验及步骤 ⑴的结果 ，选取一种造斜率尽可能满足待钻设计要求的 BHA;

5 结束语

水平井段一般采用小弯度单弯马达或直马达配合转盘低转速转动的复合钻进方式钻进。转盘转动的主要目的是给钻头加压， 同时也有利于携屑 。使用单弯马達钻进水平段时， 采用滑动钻进方式可以调节井斜与方位 ， 调节余地大 。而使用直马达钻进水平段时 ，采用滑动钻进方式和改变钻压的方法可以达到调节井斜的目的 ，即转盘不转，加大钻压可使井斜增大，减小钻压或每钻进一段后提起划眼等办法可使井斜减小 ，但方位不合适时则需要起钻换钻具。因此， 在下直马达钻进水平段之前，必须调整好方位 。

参考文献：

[1] 董国昌，刘英，刘金利.星A6-6 深井大位移套管开窗侧钻定向井钻井研究与实践[J] .吉林石油科技， 2001 ， 20（1）：35～39.