浅析水平井设计优化和钻井轨迹控制技术

翁行芳

关键词：水平井;设计优化;轨迹控制

随着油气勘探开发技术进步，对低产、低压、低渗透和浅薄层油藏等传统技术难以动用的油藏，通過水平井可以有效开发利用。水平井钻井关键是井身轨迹控制，有必要对水平井的设计优化和井身轨迹控制关键技术措施进行探究。

1 水平井钻井基本情况

1.1 水平井井身轨迹控制要求

水平井根据半径可分为长中短三种，不同类型对造斜率、钻具有不同要求，短半径水平井钻具位移小，除常规钻具外主要有铰接马达和挠性钻杆，完井后裸眼段较多;中半径钻具水平位移较大，常用弯外壳和导向钻具;长半径钻具位移大，需配套弯头、稳定器等。

钻井轨迹控制需明确“靶区”，一般是柱状的，以设计的轨迹轴线为轴、横截面为圆形或矩形，包含无数个平行法平面，所以水平井与定向井不同，其中靶是“矢量中靶”。水平井中靶时进入的靶区也叫目标窗口，并非平面，而是柱状体，不仅要确保实钻轨迹点在窗口平面内，且要求矢量方向也符合要求，确保实钻轨迹点中靶后每个点都处于靶柱范围内，也就是每个轨迹点的方位角、井斜角、位移、垂深等都要达标。

1.2 水平井井身轨迹控制影响因素

水平井钻井造斜点到入靶点设计垂深增量、水平位移增量都固定，一旦矢量方向和轨迹点位置偏离设计轨道，会改变垂深和位移增量关系，影响中靶。水平井钻进中，实钻轨迹点、井斜角等参数会出现提前、适中、滞后等不同情况。一是实钻轨迹点提前，即缩短了靶前位移，在井斜角较大时，稳斜段钻至目标储层产生的位移量会超过靶区平面，造成延迟入靶，易造成窗口脱靶。二是轨迹点位置适中，在井斜角合适时，井身轨迹复合设计要求。一旦井斜角超前，就要加长稳斜段长度，且会造成延迟入靶。三是轨迹点位置滞后，即加大了靶前位移，一旦井斜角偏小，需加大造斜率改善待钻井眼垂深和位移增量关系，确保以较高造斜率提前入靶。在井身轨迹控制中，实钻轨迹点接近或稍滞后，保持合适井斜角，有利于中靶。造斜段作为水平井井身轨迹控制重点，实际是对实钻轨迹点位置和矢量方向的控制。

1.3 薄油层水平井井身轨迹控制技术难点

当前剩余油和外围油藏开发中，水平井钻井面临油藏很多是1-3m的薄层油藏，储层有效厚度有时仅为1m左右，具有厚度小、层数多、孔渗条件差、直井产量低等特点，在储层发育比较连续的情况下，适于利用水平井开发，但存在更大的难度。一是储层埋深误差加大中靶难度。平面展布比较连续的剩余油，其连续性也并非完全连续，会存在“歼灭”，储层垂深有较大变化，加之测井资料误差等，对水平井中靶带来困难。二是储层较薄加大井身轨迹控制难度。厚度较小的油藏，特别是存在较多“歼灭”的油层，水平井井身轨迹控制中，垂深控制范围只能在储层厚度范围内，控制精度要求高。三是靶点间垂深差异大加大钻井难度。薄层油藏开发必须加大水平段长度，确保尽量加大储层裸露面积，提升油井产能。但水平段加长后会穿过很多垂深不同的储层，需频繁进行井身轨迹调整，不仅加大了轨迹控制难度，轨迹高低起伏也加大了钻井施工难度和磨阻、扭矩等，对钻井作业井下安全性带来挑战。四是随钻测量仪器盲区加大轨迹控制难度。常用的LWD随钻测量仪器，与井底钻头间存在着大约20m盲区，需监测人员凭经验对盲区状况进行预估，加大了轨迹控制特别是进入目标储层时的入靶难度。

2 水平井钻井设计优化和井身轨迹控制

2.1 水平井钻井设计优化

井身轨迹设计优化是控制井身轨迹的基础。

2.1.1 优化设计水平段长度和方位

水平段长度设计要求较高，直接关系可采储量裸露范围。要以储层物性条件、厚度及原油粘稠度和理化性质为基础，对采收率进行宏观判断，合理设计水平段长度。要准确分析区域地质状况，把握砂体延伸展布，确保水平段可以垂直于砂体延伸，延伸方向处于最佳方位和最大渗透率方向，并控制好后期边水推进方向。

2.1.2 优化设计最佳靶点和垂向位置

要突出把握好靶点位置设计，重点考虑生产压差和波及能力要大，尽量将靶点位置设计在油层较厚部位。要结合边水侵入情况，中靶点位置要远离边水，末尾靶点可离边水相对较近。因现场工况条件复杂，注水开发对后期产能存在影响，靶点应远离注水井。同时，要综合考虑边底水、储层渗透性、气顶能力、储层厚度和非均质性等因素进行设计，老井挖潜还要注意井下液面情况。

2.1.3 优化动态和静态资料分析

水平井设计受储层走向、岩层岩性、断层等构造及地层压力、温度梯度等动态和静态资料影响，要慎重考虑储层储量和油水界面等油藏条件。在油藏中后期开发中可借助水平井挖潜增产，需根据地质条件变化，准确把握水平段到目标储层的储量、采储量和气顶膨胀等参数，防止钻井后进入水层或气层。

2.1.4 及时跟踪调整钻井进度

水平井钻进受井下构造不确定性、储层非均质性等因素影响，必须进行随钻监测，对钻井数据和返排岩屑等进行实时收集和分析，及时与标志层比对。出现异常后要在掌握地下构造变化基础上，及时进行井身轨迹设计调整，通过对钻进方向的及时修正，确保水平井精准入靶。

2.2 控制好关键参数

2.2.1 控制好井斜角

水平井钻井中关键部位需进行人工造斜，在复杂地质条件下加大了井身轨迹控制难度。要通过以下方式控制井斜角：优化钻具组合，加强钻进轨迹精准控制，防止出现较大钻进误差;加大钻头强度，防止钻进中因钻头强度较低导致斜角误差;强化随钻监测和数据分析，优选最佳区域进行造斜。

2.2.2 优化钻井参数

钻井参数直接关系到井身轨迹控制，可借助现代钻井软件和大数据分析等技术，对钻井参数进行优化设计，尽量控制钻进误差。造斜段是轨迹控制难点，要对直井段井斜角和方位角等参数提前进行精准测量，输入水平井轨迹控制软件，计算出井底位移、垂深和闭合方位等参数，尽量简化造斜钻具组合，确保造斜段以低磨阻和低扭矩钻进，造斜工具造斜率要比设计造斜率高10-20%，强化轨迹控制能力。可根据区块完井资料、三维地震资料等构建地质模型，结合随钻监测数据实时修正模型，确保井眼始终沿储层发育钻进，提高砂岩钻遇率。

2.3 控制好关键部位

虽然造斜段、水平段轨迹控制难度较大，但要在直井段就加强轨迹控制，这是井眼轨迹控制的基础。要确保直井段打直，始终沿垂线钻进。实钻中直井段难免出现井斜角，只要控制在可控范围内不对后期钻进产生不良影响即可。为防止直井段斜角过大，可应用钟摆钻具组合，提供足够钟摆力防止出现井斜角;还可应用PDC钻头，保持低钻压、高转速的持续稳定钻进，控制好钻柱，确保钻具组合不发生弯曲，为后期着陆段奠定基础。着陆段是钻井中靶关键部位，要将井斜角由0在规定部位调整到设计值。要选择合适的造斜工具，把握好储层岩性、地温梯度等，确保造斜率稳定。造斜作业可采取“先高后低”方式，实钻比设计造斜率稍高，可在减低后期造斜率的同时保证造斜率稳定。钻进中要坚持寸高必争，借助随钻测量仪器监测数据，实时关注位移、垂深和井斜等参数间关系，在造斜段早期就确保方位正确，避免出现闭合方位偏差。要立足提前设计好的稳斜探顶段，以合适井斜角钻进，期间控制好方位角和井斜角，确保井身轨迹始终沿设计方向钻进。

综上所述，水平井钻井作为油田勘探开发的一项重要技术，在剩余油挖潜、薄层油藏等常规钻井技术难以动用的油藏开发中具有重要作用，只有控制好井身轨迹，才能确保达到预期的采油作业目的。

参考文献：

[1]李永军.水平井钻井施工过程轨迹控制研究[J].中国石油和化工标准与质量，2017（14）.

[2]林琦，王鹏，刘振兴，章成强.定向施工中井眼轨迹控制[J].中国井矿盐，2013（02）.