试论三维井眼轨道设计及轨迹控制技术

黎建兵

摘要：利用三维水平井能够有效缓解井场存在的诸多问题，可以更好地提升单井产量、降低成本和提升效率。在三维水平井应用过程中，相对于常规水平井，三维水平井的井眼轨道设计工作更加繁冗，因此，对于轨道设计的精度要求较高。在三维水平井井斜不断增大的同时，工具面摆放与井眼轨迹控制十分困难，需要根据偏移距离的实际控制情况，完成方位的改变，在钻井施工过程中，可以通过优化钻具的组合，确保轨迹的效果始终处于平滑状态，进而更好地控制轨迹，提升机械钻速，缩短钻井周期。

关键词：三维;水平井;井眼;轨道设计;轨迹控制

引言：三维水平井钻井技术的应用，虽然促使国内形成三维水平井配套钻井技术，并且取得较好的提速效果，但是在井眼轨道设计仍然需要对钻井过程中的技术难点进行科学分析，采用针对性技术进行提前预防，进而减少位移偏大问题，保证施工安全，提高施工质量，另外要在轨迹控制上通过经验轨迹控制、优化钻具组合和控制施工流程等，提高技术应用效果。有鉴于此，文章首先进行三维水平井钻井技术难点分析，对井眼轨道设计及轨迹控制技术进行了总结，旨在为下一步钻井技术研究提供借鉴与指导。

一、三维井眼钻井技术难点

1.1轨迹控制难度较大

三维水平井钻井技术应用过程中，具有轨迹控制难度较大的突出难点。例如，在施工的同时，假如前扭方位，那么实际偏移距必然达不到设计的偏移距要求，造成入窗难度加大，假如滞后扭方位，那么实际偏移距能够达到设计的偏移距要求，但是靶前位移出现无法满足造斜要求的情况，地层的造斜率产生不稳定现象，造斜段和水平段施工产生较大的控制难度。

1.2钻具组合应用困难

由于地层的岩性存在不确定性，不同的钻具在应用过程中会产生不同的困难，例如，单牙轮、三牙轮和组装多牙轮钻头使用最为广泛，能够适应从软到硬的多种地层，但该类型钻头成本高昂，使用周期相对短暂，而聚晶金刚石复合片负复合钻头在应用过程中容易经受钻压干扰，继而产生不稳定情况。金属螺杆具有不同的头，因此产生的造斜率并不相同，其造斜能力对钻进尺度能够产生直接影响，以此，在遇到不同钻井情况时，不能使用统一弯度螺杆设备[1]。

1.3钻井液现场配置与调整困难

钻井液性能要达到设计要求规定的配置范围，保证有良好的高粘切效果，拥有出色的携砂能力，能够循环冲洗净化井眼。在钻井液调整过程中，对于比例的应用需要结合井眼的实际润滑效果，需要保证钻井安全，减少托压。

1.4变方位绕障施工难度较大

三维水平井钻井施工过程中，往往井眼密集、低下井眼轨迹纵横交错，造成实际井口和入窗点，在闭合方位和靶题方位上明显不一致，后期加密井防碰及安全施工的难度显著增加，方位控制环节难度加大。为了破解井眼碰撞难题，需要针对钻井防碰撞关键技术进行研究和应用，确保后期安全钻井[2]。

二、三维井眼轨道设计及轨迹控制技术

2.1三维井眼轨道设计技术

首先，提出三维井眼轨道设计模型，明确变方位及入窗时机;其次，利用靶前距位移优势，尽量下调造斜点，假如第一增写段造斜率明显小于设计造斜率，可以适当缩短稳斜段的长度，增加第一增斜段长度，缩短钻井周期;在此，要尽量降低工具面角及其对井斜方位的影响，减小大井斜时斜面、柱面扭方位工作量;最后，要控制井眼轨迹的全角变化，以此减少摩擦阻力和扭矩，针对井眼生产工作面做不断优化，在此环节需要注意对各个环节的技术控制，通过对井眼轨迹进行分段设计，能够形成十分良好的控制效果[3]。

2.2三维井眼轨迹控制技术

2.2.1直井段轨迹控制技术

直井段轨迹控制的关键在于绕障及保持轨迹平滑。直井段需要在轨迹控制过程中依据防止碰撞设计要求做微增斜钻进，在定向滑动后产生增斜趋势时，采取复合钻进，进而测量数据并及时调整。计算井间实钻轨迹最近距离，将此距离增大到安全范围后，将方位进行调整，保持与增斜段初始方位角度相同。为了保证直井段轨迹光滑，需要沿着初始方位角度方向做微增斜钻进，主要目的在于缩小偏移距，减小实钻工作量[4]。

2.2.2增斜段轨迹控制技术

沿初始方位角度进行增斜钻进，增斜段垂深、偏移距保持固定，是钻过程中调整定向钻进、复合钻进占比，保证增斜段井斜角、垂深及偏移距成正比例增加。

2.2.3增斜扭方位段轨迹控制技术

经过上述两部分的钻进，井斜角可增大，偏移距可缩小，水平井井眼轨迹成功进入最佳的增斜扭方位段。通过实钻可以发现，在地层因素等多重方面的干扰下，不同工具面角对于井斜的变化率和方位的变化率产生分配，通过这一变化可以确定工具面角在后续实钻中的摆放范围，以此确保实钻的轨迹能够沿着预计的经验轨道持续钻进[5]。

2.2.4稳斜段轨迹控制技术

在增斜扭方位段其后进行稳斜段设计，设计结果表明，一旦产生各层位垂深滞后，则想要提高钻进速度，就必然要将稳斜段长度进行缩减，通过单增模式进行中靶。则此段需要通过不断调整钻具的工具面进行定向钻进，消减增斜趋势。

2.2.5水平段轨迹控制技术

此段采取多靶点的轨道设计，在实钻过程中轨迹对应采取多靶点控制，通过上文分析及通过不同钻具组合进行充分验证，能够提升钻具整体刚性、消减螺杆钻具增斜趋势、减少定向钻进比例、保证轨迹光滑、提升机械钻速的方法为，根据地层特点，合理确定钻头、钻井参数和水利参数，根据井型优选钻具组合，在确保造斜率的同时减少水平段定向次数，采用三开一趟钻施工方案创造稳定的井眼环境[6]。

结束语：三维水平井可有效缓解井场征地费用高、征地协调时间长、环保压力大等问题，但是，三维水平井在应用钻井技术的过程中，存在轨迹控制难度较大、钻具组合应用困难、钻井液现场配置与调整困难、变方位绕障施工难度较大等井眼轨道设计难点文章通过分析技术难点，在三维井眼轨道设计及轨迹控制技术上进行研究，通过对井眼轨迹进行分段设计，分别实施三维井眼轨迹控制技术、增斜段轨迹控制技术、增斜扭方位段轨迹控制技术、稳斜段轨迹控制技术、水平段轨迹控制技术，旨在进一步提升技术应用效果，提高施工水准。

参考文献：

[1]史配铭，李晓明，倪华峰，石崇东，姜庆波，程华林.苏里格气田水平井井身结构优化及钻井配套技术[J].石油钻探技术.2021（06）：29-36.

[2]蔣太平，李果民，姚战利，丁红卫.苏14-19-34井组水平井轨迹控制技术研究与应用[J].钻探工程.2021（08）：19-25.

[3]田逢军，王运功，唐斌，李治君，刘克强.长庆油田陇东地区页岩油大偏移距三维水平井钻井技术[J].石油钻探技术.2021（04）：34-38.

[4]胡春阳.涪陵页岩气田三维水平井井眼的轨迹控制技术[J].化工管理.2020（31）：59-60.

[5]何贵松，何希鹏，万静雅，高玉巧，张培先.低勘探程度区页岩气水平井地质导向方法与应用——以渝东南地区LY1HF井为例[J].科学技术与工程.2019（27）：124-133.

[6]孟庆双.ZP26-P2三维水平井钻井施工实践与认识[J].石油和化工设备，2020，23（11）：112-114.