了得網工業技術_水平連通井井眼軌跡設計與控制技術

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《水平連通井井眼軌跡設計與控制技術》可供從事鑽井技術的研究人員、鑽井工程師以及鑽井管理人員參考，同時也可作為大專院校相關專業師生的參考書。

內容簡介

水平連通井（又稱U型井）屬於定向井技術中的一門特殊專業技術，對於煤層氣、地下可溶性礦等特殊地下資源的開采，該技術具有增加有效供給範圍、導流能力、單井產量和采出程度等優點，但是在實鑽過程中，往往由於軌跡控制精度低、質量差等，導致連通作業困難甚至連通失敗。《水平連通井井眼軌跡設計與控制技術》完善了水平連通井的軌跡精細控制技術，提供了相應的軌跡控制模式化方法。

章緒論
節技術背景
第二節本書的主要內容及相互關繫
第二章水平連通井軌道設計方法
節水平連通井工藝概述
第二節水平井井眼軌道分類及設計模型
第三節二維井眼軌道設計通用模型
第四節三維井眼軌道設計模型及實例設計
第五節水平連通井軌道優化設計模型及實例設計
第六節本章小結
第三章下部鑽具組合造斜能力分析方法
節下部鑽具組合造斜率幾何分析法
第二節三點定圓原理
第三節幾何造斜率的計算方法章緒論

節技術背景

第二節本書的主要內容及相互關繫

第二章水平連通井軌道設計方法

節水平連通井工藝概述

第二節水平井井眼軌道分類及設計模型

第三節二維井眼軌道設計通用模型

第四節三維井眼軌道設計模型及實例設計

第五節水平連通井軌道優化設計模型及實例設計

第六節本章小結

第三章下部鑽具組合造斜能力分析方法

節下部鑽具組合造斜率幾何分析法

第二節三點定圓原理

第三節幾何造斜率的計算方法

第四節幾何造斜率影響因素分析

第五節計算軟件

第六節本章小結

第四章井眼軌跡預測方法

節井眼軌跡預測技術研究

第二節軌跡預測計算實例

第三節計算軟件

第四節本章小結

第五章水平連通井井眼軌跡分段控制方法

節軌跡控制技術的要求

第二節著陸控制

第三節水平段控制

第四節連通控制

第五節本章小結

第六章現場應用

節 FS-19井井眼軌跡控制

第二節 QF-2井井眼軌跡控制

第三節對比分析及小結

參考文獻

附錄

在線試讀

"章緒論
伴隨著易開發氣藏資源的不斷衰竭，石油工業開始不斷將重點轉向高難度氣藏及非常規氣藏，然而常規鑽井技術不能滿足這樣的氣藏開發施工作業及生產需求，需要一些針對不同類型氣藏的特殊鑽井技術，水平連通井就是其中之一。
水平連通井(又稱U型井)屬於定向井技術中的一門特殊鑽井技術。由於其技術的特殊性，水平連通井技術可以應用於多種領域。尤其對於煤層氣、地下可溶性礦等特殊資源的開采，水平連通井的技術優勢相當明顯。
早期的連通井技術主要用於事故處理，使用電流，激發事故井中的套管，通過磁場確定套管位置，從而連通救援井和事故井。2010年連通井技術在美國墨西哥灣漏油事件中得到應用，救援井成功鑽入事故井，終順利解決了漏油事故。
連通井技術開發煤層氣在國外應用比較成熟，而在國內主要用於可溶性井礦鹽的開采。近些年，該技術也開始應用於煤層氣的勘探開發作業中。2005年7月，中國石油天然氣股份有限公司（簡稱中石油）在山西寧武盆地首次鑽成一口煤層氣多分支連通水平井，該井由一口直井和一口多分支水平井連通組成。磁性導向鑽井(magnetic guidance tool，MGT)技術的采用保證了兩井準確連通(開始應用磁性導向鑽井技術之前，並沒有某種技術來保證一次對接成功，而磁性導向鑽井技術可以精確控制兩井井眼的相對空間距離，該技術的應用解決了判斷鑽頭與目標點位置的難題，若將其應用於雙水平鑽井，將使超稠油開采變得更加有效)。其後連通井技術在國內煤層氣開采中也得到推廣應用，取得了良好的應用效果。此後，我國在2011年又首次連通了一口水平井和定向井。由此可見，磁性導向鑽井技術作為水平連通井的關鍵技術，具有廣泛的應用前景。然而對於水平連通井而言，磁性導向鑽井技術雖然降低了井眼連通的風險，但是如果要保證水平連通井的連通質量，降低連通作業的難度，還需要對水平連通井的井眼軌跡進行合理的設計和實時控制。因此，優化水平連通井的井眼軌跡設計方法，完善水平連通井的井眼軌跡控制技術（尤其是在水平段的精細控制及連通段的磁性導向鑽井技術的成套配合），纔能在程度上降低連通井的施工風險，降低連通作業的難度，保證水平連通井的高效低成本鑽進。水平連通井的模式化設計及控制技術，對煤層氣、頁岩氣等新型能源的開發利用也具有十分重要的現實意義，提高這些新型能源開發的經濟性，降低施工成本。
節技術背景
一、國內外水平井技術發展現狀"章緒論

伴隨著易開發氣藏資源的不斷衰竭，石油工業開始不斷將重點轉向高難度氣藏及非常規氣藏，然而常規鑽井技術不能滿足這樣的氣藏開發施工作業及生產需求，需要一些針對不同類型氣藏的特殊鑽井技術，水平連通井就是其中之一。

水平連通井(又稱U型井)屬於定向井技術中的一門特殊鑽井技術。由於其技術的特殊性，水平連通井技術可以應用於多種領域。尤其對於煤層氣、地下可溶性礦等特殊資源的開采，水平連通井的技術優勢相當明顯。

早期的連通井技術主要用於事故處理，使用電流，激發事故井中的套管，通過磁場確定套管位置，從而連通救援井和事故井。2010年連通井技術在美國墨西哥灣漏油事件中得到應用，救援井成功鑽入事故井，終順利解決了漏油事故。

連通井技術開發煤層氣在國外應用比較成熟，而在國內主要用於可溶性井礦鹽的開采。近些年，該技術也開始應用於煤層氣的勘探開發作業中。2005年7月，中國石油天然氣股份有限公司（簡稱中石油）在山西寧武盆地首次鑽成一口煤層氣多分支連通水平井，該井由一口直井和一口多分支水平井連通組成。磁性導向鑽井(magnetic guidance tool，MGT)技術的采用保證了兩井準確連通(開始應用磁性導向鑽井技術之前，並沒有某種技術來保證一次對接成功，而磁性導向鑽井技術可以精確控制兩井井眼的相對空間距離，該技術的應用解決了判斷鑽頭與目標點位置的難題，若將其應用於雙水平鑽井，將使超稠油開采變得更加有效)。其後連通井技術在國內煤層氣開采中也得到推廣應用，取得了良好的應用效果。此後，我國在2011年又首次連通了一口水平井和定向井。由此可見，磁性導向鑽井技術作為水平連通井的關鍵技術，具有廣泛的應用前景。然而對於水平連通井而言，磁性導向鑽井技術雖然降低了井眼連通的風險，但是如果要保證水平連通井的連通質量，降低連通作業的難度，還需要對水平連通井的井眼軌跡進行合理的設計和實時控制。因此，優化水平連通井的井眼軌跡設計方法，完善水平連通井的井眼軌跡控制技術（尤其是在水平段的精細控制及連通段的磁性導向鑽井技術的成套配合），纔能在程度上降低連通井的施工風險，降低連通作業的難度，保證水平連通井的高效低成本鑽進。水平連通井的模式化設計及控制技術，對煤層氣、頁岩氣等新型能源的開發利用也具有十分重要的現實意義，提高這些新型能源開發的經濟性，降低施工成本。

節技術背景

一、國內外水平井技術發展現狀

水平井鑽井技術是以提高油氣產量或者提高油氣采收率為根本出發點的。20世紀80年代，水平井鑽井技術已成為一種綜合性較強的配套技術，並在全世界的石油領域內得到快速發展。整合了多門學科的先進技術成果，是其代表性的特點，具體包括［1-5］：水平井完井技術、水平井測井技術、水平井完井液技術、水平井油氣層保護技術、水平井地質導向技術、水平井井眼軌跡控制技術、水平井優化設計技術等一整套重要技術。目前，水平井鑽井技術已經在整個油氣田勘探開發領域得到了廣泛應用，並且獲得了巨大的經濟效益［6，7］。

從定向井技術發展到現今廣泛應用的水平井技術，已經有近百年歷史。

20世紀30年代，海洋油田的開采需求進一步促進了定向井技術的發展，人們開始意識到，對井眼彎曲的現像可以加以利用，這樣就可以用定向鑽井的方法實現在海岸邊開采海底油氣藏的目的。有記錄的早的定向井為1930年在美國加利福尼亞鑽的兩口定向井。1934年，美國利用打偏斜井的方法在得克薩斯州東部處理了井噴事故，該井也成為有記錄的口定向救援井，並在該井首次使用單點測斜儀器。

到了20世紀50年代，蘇聯及法國研制並應用了渦輪鑽具，同時，美國的Smith Tool Company則研制出了螺杆鑽具。此後，渦輪鑽具和螺杆鑽具因其可以在井下旋轉鑽頭的技術優勢被廣泛應用到定向井鑽井的施工中。20世紀80年代隨鑽測量(measure while drilling，MWD)測斜技術和計算機輔助鑽井技術得到了廣泛的使用，應用這兩種技術可以更加精確地監測和控制定向井的井身軌跡。同時，在水平井井眼軌跡設計理論上，也不斷取得突破［8-17］，1989年Karlsson［8］首先提出了井眼軌跡設計的真實圓弧法，到了1993年，Shuichi［14］又提出了水平井軌道設計的二維、三維法，同時給出了計算模型，這也是目前運用廣泛的水平井設計方法。此後，Sheppard等［16］又在鑽柱載荷的研究中引入井眼軌跡的形狀為影響因素，從摩阻角度對深部造斜井的優點進行了論證。

由於井眼軌跡設計與監控技術的不斷改進，此後水平井技術相繼在美國、加拿大、法國等國家得到廣泛的工業化應用。目前，全球的水平井、分支井數量已經完成超過45萬口，隨著旋轉導向鑽井繫統、地質導向鑽井繫統、磁性導向鑽井繫統、遙控變徑穩定器、可調角度彎外殼馬達、隨鑽錄井(logging while drilling，LWD)等井下工具及測斜設備的更新，水平井已經成為降低油氣勘探成本的重要手段，井眼軌跡控制技術在國外發達國家已經達到相當高的水平，技術日益成熟，應用範圍也越發廣泛，在此基礎上又延伸出了蒸汽輔助重力洩油(steam-assisted gravity drainage，SAGD)雙水平井、水平連通井等水平井鑽井新技術。

20世紀50年代，我國開始發展定向井鑽井技術，成為繼美國和蘇聯後第三個鑽定向水平井的國家。1956年我國在玉門油田鑽成了口定向井。20世紀70年代，我國成功在渤海海面上的一座平臺上鑽進了12口定向井。20世紀70～80年代，通過國外定向井鑽井技術的交流和國家科技項目的投入以及定向井、叢式井關鍵技術的攻關推廣，我國共完成鑽各類定向井4317口，節約土地7500畝(約5000000m2)、資金。此後，水平井鑽井技術逐漸發展成為一項常規鑽井技術，在國內油氣勘探開發領域得到應用。從技術水平上看，目前我國已經發展成為世界上水平井技術較強的國家，有相對完善的體繫，基本實現了技術、裝備的配套，並且創造了多項勘探開發紀錄，並成功走向了國際市場。

二、水平井設計及控制技術發展現狀

1。定向井軌道設計方法

國內外有很多石油領域或非石油領域的學者對定向井軌道設計方法進行過研究［18-21］，在常規定向井和非常規定向井的軌道設計方法上都取得了重要研究成果。目前為成熟的方法是二維和三維定向井軌道設計方法，包括常規二維軌道設計、三維繞障軌道設計、多靶點軌道設計等。

其中，韓志勇［22］對定向井軌道設計及軌跡計算方法進行了繫統研究，給出了包括常規二維定向井軌道、多造斜率二維定向井軌道、繞障井軌道，多目標點井軌道設計等經典設計方法。另外艾池等［23］建立過一些復雜的定向井軌道設計方法及相關關鍵參數計算公式。然而，在穿越或規避斷層及破碎帶的軌道設計方法方面，現有軌道設計方法在計算時都比較復雜且效率較低，即使為著名的軟件公司LANDMARKTM開發的COMPASSTM定向井軟件也無法保證通過一次計算達到設計要求，也需要多次試算纔可以。

2。摩阻、扭矩預測的分析方法

無論是定向井、水平井或是大位移井，摩阻、扭矩計算都是其中相當重要的研究課題。在進行軌跡設計時，進行摩阻預測分析可以評價其施工可行性，在施工前進行摩阻預測分析能夠為優選鑽具組合提供依據，從而達到降低摩阻、扭矩及施工難度的目的。

國內外有諸多學者［24-30］做了大量的工作來對摩阻扭矩問題進行研究。1983年，Johansick［26］首次提出了鑽柱拉力和扭矩的軟杆預測模型以用在定向井施工中。之後，韓志勇［29］在Johansick的軟杆模型的基礎上進行了優化，這樣，就可以利用該模型改進井眼軌道設計、優化鑽柱設計、故障診斷和預防現場事故。M。L。Payne等［30］將鑽柱剛度的影響考慮在內後，對摩阻扭矩模型提出了優化，該模型因為考慮了鑽柱的剛性因素所以被稱為剛杆模型。在現場應用中，井眼曲率變化較小的井眼常用軟杆模型，而井眼曲率變化較大的井眼則常用剛杆模型［31，32］。

3。鑽進趨勢預測方法

鑽進趨勢預測屬於進行定向井軌跡控制、鑽具組合優化設計的基礎工作。國內外有大量學者針對該問題，圍繞底部鑽具組合(bottom-hole assembly，BHA)力學特性分析、鑽頭與地層相互作用模型及鑽進趨勢預測方法等方面進行了大量研究。

H-S。Ho［33］指出，鑽進趨勢預測程序應完整包含三個主要因素——BHA力學特性分析程序、岩石與鑽頭交互作用模型及鑽前分析特征，在此基礎上建立了岩石與鑽頭交互作用模型，該模型的特點是考慮地層和鑽頭各向異性及鑽進特性影響。

此外，還有一些學者建立了包括靜力學和動力學分析模型等多種BHA力學特性分析模型，並給出了其求解方法。白家祉等［34，35］、蘇義腦等［36］建立了采用縱橫彎曲連續梁求解方法的BHA力學特性，該模型的特點是計算簡單、精度高、運算快，目前該方法已經能夠求解多種形式的鑽具組合。

國內學者在H-S。Ho建立的岩石與鑽頭相互作用模型基礎上，對鑽進趨勢預測方法進行了深入的研究。其中，2003年以來，管志川、夏焱、史玉纔等［37，38］提出采用鑽進方向角來判據預測鑽具造斜能力，並建立了針對不同鑽具組合的力學模型和鑽頭與地層相互作用模型，給出了鑽進趨勢角的求解方法，從而建立了考慮井斜角、地層傾角、鑽頭轉角、鑽壓、鑽頭側向力及鑽頭和地層各向異性指數等綜合影響因素的鑽進趨勢預測模型及方法。

4。磁性導向鑽井技術

磁性導向鑽井技術(magnetic guidance tool，MGT)主要用於水平連通井鑽井或成對水平井鑽井對超稠油的開采方面。加拿大富含稠油，其稠油開采技術代表了當前世界稠油開采的水平，利用MGT技術鑽成對水平井對超稠油實施SAGD開采，這種技術顯著的優勢是提高了采收率和開采速度，采收率可達50%。

在國內，磁性導向鑽井技術鑽水平連通井及成對平行水平井起步較晚。2008年5月，遼河油田首次采用MGT技術成功完成了杜32-興H313井和杜32-興H314井這對成對水平井，該技術很好地解決了雙水平井井眼軌跡精細控制的問題，提高了超稠油的開采效率。此後，新疆油田在風城利用磁性導向鑽井技術，成功克服了井眼曲率大、油層垂深淺、管柱下入難、軌跡控制精度高等難題，其鑽成的雙水平井軌跡質量高，水平段垂直間距控制在5～6m，達到了設計要求。

三、水平連通井技術的應用現狀

水平連通井技術早使用於救援井施工，其救援手段是通過注入密度較高的鑽井液或其他措施來達到壓井或處理井下事故的目的［39］。目前在我國該技術主要應用於井礦鹽的施工開發中，通過連通井技術以實現兩井或多井在目標開采層連通的目的，其優點是建井成本低、鹵水產量高、質量好，對接層位及地層污染小等，國內已有至少四個地區的非石油行業采用了水平連通井技術［40-43］。除了井礦鹽的開采，近些年來，水平連通井技術也開始應用於煤層氣井的勘探開發中，該技術對於煤層氣開采的優勢是可以有效溝通煤層割理和裂隙繫統，大幅增加井眼的波及和洩氣面積，使裂隙內氣液兩相流的流動阻力明顯降低，擴大煤層降壓範圍，從而大幅提高煤層氣的單井采量，在我國煤層氣勘探開發中具有廣闊前景［44，45］。

我國早在山西保德地區進行水平連通井勘探試驗，施工了4對水平連通井組，氣井產水量大，日均產量在200m3以上。除1號井外，其餘3口井長期水量不減。此後，在山西和順地區、陝西彬長礦區和寧夏石炭井礦區也進行了水平連通井在煤層氣開發中的試驗。2010年，中煤科工集團西安研究院在山西晉城潘莊區塊進行了水平連通井技術的現場試驗［43］，該井日產氣量可達20×104m3，取得了成功。與鹽田不同的是，煤層氣造穴隻有水力造穴和機械造穴兩種方式，這兩種方式所造容腔體積較小，一般的定向工具精度很難達到要求。因此，具有更高精度的近鑽頭旋轉電磁測距法(rotary magnetic ranging system，RMRS)在水平連通井的施工中開始得到了廣泛應用。內蒙古烏蘭察布氣化采煤工程中3口氣化采煤井的連通，山西寧武平地一口羽狀水平對接井的成功連通，四川樂山、化工多口鹽井的對接都是采用了RMRS技術"

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