定向工具面角對井眼軌跡控制的影響

定向工具面角對井眼軌跡控制的影響

目前，世界上許多國家都將海洋油氣勘探和開發(fā)作為主要的石油供應點。然而，由于海上運輸成本高，通用井系統(tǒng)在海上運輸平臺上廣泛使用。當今叢式井鉆井面臨的主要問題包括槽口較密集、鄰井距離很近、防碰問題嚴重等。直井段不能完全打直,造成造斜點處井眼軌跡變化趨勢偏離設計線,由于井眼慣性的影響,井底不能及時靠近設計線,從而使防碰問題更加嚴重,因此在叢式井鉆井中應著重考慮初始定向工具面對軌跡控制的影響。為了解決這一問題,可以根據(jù)“空間斜面圓弧”模型以及“全力扭方位”計算模型,探討初始定向時選擇合適的工具面,能使井眼軌跡盡快貼近設計線,等實鉆井斜方位角接近目標井斜方位角后,再朝著目標井斜方位角定向,有效減輕防碰問題。本文根據(jù)“空間斜面圓弧”模型,參考“全力扭方位”計算模型,以BZ13-1A2叢式井為計算實例,結(jié)合landmark軟件計算,分析了初始定向工具面對井眼軌跡的影響。1實井段情況對比“全力扭方位”計算模型并不適用于所有的定向井。因為雖然在任何情況下都不可能鉆成一口完全垂直的井,但是如果直井段井底的井斜方位角和目標方位角相差不多,此方法效果不太明顯。只有當井底已經(jīng)產(chǎn)生井斜的直井井底井斜方位角和目標井斜方位角相差很多時才可以考慮利用“全力扭方位”計算模型。下面以BZ13-1A2井為例介紹“全力扭方位”計算模型在叢式井定向鉆井中的應用。BZ13-1A2井南北坐標4267331.42m,東西坐標418551.99m,屬叢式井3×3槽口中的一個外排槽口,水深24.2m,補心海拔26.9m,設計目標方位287.24°,設計的直井段長度450m。靶點坐標是:南北坐標4267588.00m,東西坐標417725.00m,垂深是3976.90m。該井直井段的實測軌跡數(shù)據(jù)(見表1)。從表1中可以看出直井段沒有完全打直,最后一個測點已經(jīng)產(chǎn)生了0.5°的井斜。從井眼的走向趨勢可以看出產(chǎn)生的井斜方位角(78.7°)沒有朝向目標井斜方位角(287.24°),平臺的整個槽口水平位移投影圖(見圖1)。這樣就會有一些問題:(1)當按照常規(guī)定向方法定向,即定向工具面角直接朝著目標井斜方位角定向時,由于井眼慣性的影響,井眼軌跡總是會順著原井眼井斜方位角的趨勢前進,井斜方位角變化太慢,貼近設計線需用的井段就會加長。(2)叢式井鉆井對防碰要求很高,雖然在最后一個測點處只有0.5°井斜,但已經(jīng)產(chǎn)生了水平位移-1.49m。通過landmark軟件計算,如果直接朝著目標井斜方位角(287.24°)滑動鉆進30m,會產(chǎn)生水平位移-2.36m,那么就會造成軌跡線上的水平位移不能滿足臨井A4井的防碰距離的要求,對鉆井安全造成很大的影響。根據(jù)以上分析,顯然開始直接按照目標井斜工具面定向無法保證快速貼近設計線軌跡和防碰要求。因此在定向時使用圖2所示的工具面角。在圖2中,φ1是直井段井底已經(jīng)產(chǎn)生的井斜方位角;φ2為設計軌道的目標井斜方位角;ω2是常規(guī)定向工具面角,當直接朝著目標井斜方位線定向時,應該和φ2一樣;ω1是全力扭方位時定向工具面角,于是,在φ1和ω1的共同作用下,井眼雖然會沿著原來井眼方向前進,但由于定向工具面角較目標井斜方位角超前,所以整體效果仍然是朝著目標井斜方位角定向鉆進的。此時,實鉆井眼軌跡剛好滿足井斜方位角朝著設計方位靠近的要求,井底水平距離減小而不容易造成A4井防碰困難等問題。等實鉆井斜方位角和目標井斜方位角相近的時候,再將定向工具面角調(diào)整為目標井斜方位角。由上圖系統(tǒng)分析可知,采用這樣的全力扭方位模型,實際工具面相當于兩個動態(tài)矢量的和,即有:ω2=φ1+ω1。2“無法扭方位”構(gòu)造井段初始點和井底角井眼方向控制的內(nèi)容是:從當前井底的井斜角α1和井斜方位角φ1,鉆進長度為ΔL的井段后,使井斜角和井斜方位角分別到達α2和井斜方位角φ2。由于空間圓弧軌跡是一段位于空間斜平面內(nèi)的圓弧,所以井眼方向控制方案設計中的工具面角實際上是指該圓弧井段起始點的工具面角?！叭εし轿弧庇嬎隳Ｐ褪谴_定一個定向工具面,使井斜方位角的變化量Δφ達到最大值。由“空間斜面圓弧”模型,可以得到下式:式中:ω為定向工具面角;α1為直井段井底井斜角;Δφ為井斜方位角變化量;γ為井段的狗腿度(以下相關(guān)符號注解相同)。要使扭方位Δφ達到最大,需要滿足:根據(jù)上述“空間斜面圓弧”模型,可以推導出在使用“全力扭方位”計算模型下的全力扭方位造斜工具面角如下:在參考“全力扭方位”計算模型時,由于叢式井定向作業(yè)時采用陀螺定向,可以測出井底的井斜α1、井斜方位角φ1,而井段允許的狗腿度γ是已知的(本文涉及到的井是按照3°/30m來計算)。在不考慮鉆井參數(shù)、地層各向異性等影響的情況下,總是可以確定一個最大扭方位工具面角ω,可以用landmark軟件驗證出可以作為初始定向工具面角。3定向工具面角的確定以BZ13-1A2井二開鉆31.5cm井眼為例,使用“全力扭方位”計算模型來計算造斜點處定向工具面對軌跡控制的影響。從槽口圖中可以看出,初始定向工具面角只有朝著背離直井段傾斜趨勢的半圓區(qū)域內(nèi)(168.7°~348.7°),才能使軌跡靠近設計軌道。將直井段井底井斜角α1=0.5,井眼允許狗腿γ=3°/30m代入公式(3)中,計算出最大扭方位工具面角ω=226°。用landmark軟件驗證計算并利用結(jié)果畫圖說明當目標井段允許的狗腿度γ為一定,滑動鉆進井段ΔL一定時,定向工具面角與水平位移大小、所能達到的井斜方位角以及后期需要滑動鉆進井段之間的關(guān)系(不考慮鉆井參數(shù)、地層各向異性等影響)。分以下三種情況分別計算,利用“全力扭方位”計算模型計算出定向工具面角,利用landmark軟件驗證計算并畫圖比較說明以上三種情況下的不同定向工具面角與軌跡控制之間的關(guān)系,結(jié)果(見圖3、圖4、圖5)。從圖3中可以看出:(1)當目標井段允許的狗腿度γ為一定時(3°/30m),滑動鉆進井段ΔL不變時(31.6m),如果朝著288°定向時,會產(chǎn)生1.56m的閉合距,對鄰井A4井會產(chǎn)生很大的防碰危險。這是因為受直井段井眼軌跡慣性的影響;(2)當定向工具面朝著226°定向時,將原來1.49m的水平距離減小到0.86m,使防碰風險大大的降低;(3)在分析所有定向工具面角后,利用“全力扭方位”計算模型計算的定向工具面角226°所產(chǎn)生的水平位移依然較小。從圖4中可以看出:(1)當目標井段允許的狗腿度γ一定(3°/30m),滑動鉆進井段ΔL不變時(31.6m),如果朝著288°定向時,會產(chǎn)生井斜方位角14.14°,軌跡沒有盡快貼近設計線。這也是因為受直井段井眼軌跡慣性的影響;(2)當定向工具面朝著226°定向時,將產(chǎn)生井斜方位角290.75°,使軌跡基本上朝著目標方位線前進;(3)在分析所有定向工具面角后,利用“全力扭方位”計算模型計算的定向工具面角226°所產(chǎn)生的井斜方位角是最貼近設計線的。從圖5中可以看出:(1)當目標井段允許的狗腿度γ一定(3°/30m),滑動鉆進井段ΔL不變時(31.6m),如果朝著288°定向鉆進后,后期需要滑動鉆進85.94m,需要滑動鉆進的井段較長,從而鉆井周期會較長;(2)當定向工具面朝著226°定向鉆進后,后期只需要67.61m井段滑動鉆進,整個軌跡的滑動鉆進井段極大地縮短;(3)在分析所有定向工具面角后,利用“全力扭方位”參考模型計算的定向工具面角226°定向后,整個井滑動鉆井的井段長度最小。4定向工具面角的確定本文以BZ13-1A2井為實例,根據(jù)“空間斜面圓弧”模型以及在直井段沒有打直條件下的“全力扭方位”計算模型計算了全力扭方位定向工具面角,并利用landmark軟件以20°為步長驗證計算了從168.7°到348.7°不同定向工具面對軌跡控制的影響,計算結(jié)果表明“全力扭方位”計算模型計算得到的工具面角226°是最優(yōu)的定向工具面角,產(chǎn)生了很好的效果,可以作為初