大偏移距水平井轨迹设计方法研究

大偏移距水平井轨迹设计方法研究

摘要：随着钻井技术特别是大偏移距水平井的不断发展，钻井的难度也不断

增加，对钻井过程中的力学分析和计算要求越来越高。由于大偏移距水平井需大

幅度扭方位作业，加大了轨迹控制的难度，且钻具及套管受力较复杂，摩阻扭矩

较大，水平段托压严重，易引发井下事故。针对大偏移距水平井轨迹设计难点，

本文通过对大偏移距水平井的定义进行阐述，分析了该类水平井的轨迹设计方法，对今后钻井工程设计及现场施工有一定的指导意义。

关键字：大偏移距；油田；钻井；水平井；

大偏移距水平井的最大特点是水平位移大，裸眼段长，在斜井段的钻探过程中，不仅要增加井斜，还要对方位进行同步调整，极大地增加了钻柱和套管柱在

井筒内的摩阻扭矩，严重制约了三维水平井的发展。基于工厂化平台钻井模式普

遍应用，水平井井眼轨迹逐渐往大偏移距方向发展。一口井井眼轨迹的好坏很大

程度上由井眼“狗腿”度决定。“狗腿”度对摩阻具有很大影响，主要是因为在

弯曲井段管柱的刚度效应明显增强，钻柱与井壁间的接触力增大，导致摩阻也随

之增大。

一、大偏移距水平井定义

三维水平井是指井口不在水平段方位线上的水平井，其井口到水平段方位线

的垂直距离称为偏移距。偏移距大于200m的三维水平井称为大偏移距三维水平井，偏移距介于100~200m的三维水平井成为中偏移距三维水平井，偏移距小于100m的三维水平井称为小偏移距三维水平井。如图1所示，在水平投影图中，靶

点A与靶点B构成的靶体与井口坐标O不共线，OD就是其偏移距。OA是水平段

的靶前位移，是AD实际有效靶前位移，大偏移距三维水平井在现场施工过程中

主要参考有效靶前距AD、偏移距OD及垂深对实钻剖面进行优化，φ是水平井的

设计方位角，φA、φB分别是靶点A、靶点B的闭合方位，φD为先期定向方位角。

图1 带靶前位移的大偏移距水平井概念描述图

二、大偏移距水平井轨迹模型分析

1、大偏移距水平井几何评价模型

以往的水平井轨道设计优化及最优控制技术均是建立在数学或力学模型基础上，约束条件多、迭代次数多、计算复杂、无成形软件可供计算，对井眼轨迹实际可优化性及操作性不高。因此本文引入计算简洁、实用性强的三维无因次系数法这一几何模型来定量描述大偏移距水平井井眼轨迹的空间三维程度复杂形态，进而可以评价出不同模型优化下的轨迹剖面优劣。无因次系数值越大，三维水平井井眼轨迹三维程度越高，轨迹曲率越大；反之则越小。

2、五点六段式剖面模型

大偏移距水平井经过力学计算、摩阻扭矩分析及现场实钻井数据回归统计优化分析，通过三维无因次系数对传统五段式剖面及在其基础上的优化模型进行了综合计算、对比，优选出目前最适合MH油田区域的五点六段式轨迹剖面。二维水平井传统五段式轨迹剖面是“直井段—增斜段—稳斜段—增斜段—水平段”，而改进的五点六段式剖面是将复杂的三维水平井井眼轨迹由5个节点分成6段，五点是指“二开造斜点—走偏移距/负位移起始造斜点—扭方位起始调整点—全力增斜点—入窗着陆点”，六段是指“直井段—走偏移距/负位移定向造斜段—稳斜控制段—扭方位调整段—全力增斜入窗段—水平段”。这样的优点是在现

场施工作业中，将轨迹控制利用了化整为零的方法分段控制，各段轨迹控制

目标显明、分工明确，降低三维水平井轨迹优化的难度，提高整体井眼轨迹控制

的精度，增大了现场定向工程师的可操作性。

三、大偏移距水平井轨迹设计原则

MH油田采用“工厂化+大平台”钻井模式，单平台最多部署8口水平井，井

口间距5m，水平井最大偏移距达到571m。为确保套管安全下至井底，以剩余钩

载不小于套管自身重量10%为临界条件，初步拟定适用于该区块工厂化平台钻井

不同偏移距轨迹，优化设计原则如下：裸眼段摩擦系数较小时，由于常规三维轨

迹下套管剩余钩载最大，建议采用常规三维轨迹设计方法；裸眼段摩擦系数较大，当靶前距为300m，在偏移距不大于170m情况下，采用常规三维轨迹设计方法。

该方法不需要提前造斜，现场轨迹控制相对简单；在偏移距处于170～300m范围

之内，推荐采用双二维轨迹设计方法，提前消除偏移距；偏移距大于300m情况下，推荐采用小井斜扭方位轨迹设计方法。当靶前距为400m，在偏移距不大于

130m情况下，采用常规三维轨迹设计方法；在偏移距处于130～340m范围之内，

采用双二维轨迹设计方法；在偏移距大于340m情况下，采用小井斜扭方位轨迹

设计方法：

无因次几何评价模型筛选出的五点六段式剖面优化方法明显优于传统五段式

三维方法。五点六段式剖面优化法设计的剖面的摩阻扭矩较小，可有效降低长裸

眼水平段后期施工风险。五点六段式剖面采用了将大偏移距三维水平井井眼轨迹

控制技术“化整为零”的方法，将复杂的三维井眼轨迹分段精细化控制，各段控

制目标明确。大大降低了轨迹控制难度，提高了井眼轨迹控制规范性。

四、大偏移距水平井轨迹设计方法分析

针对大偏移距水平井轨迹设计，目前常用的有常规三维轨迹设计方法、小井

斜扭方位轨迹设计方法和双二维轨迹设计方法。常规三维轨迹设计方法采用五段

制剖面，即“垂直段－增斜段－稳斜段－扭增段－水平段”。该方法的突出特点

是将“扭方位”和“增斜”一体化，优点是井深通常最短，缺点是入靶难度较大。小井斜扭方位轨迹设计方法采用七段制剖面，即“垂直段－增斜段－稳斜段－扭

方位段－稳斜段－增斜段－水平段”。双二维轨迹设计方法采用九段制剖面，即“垂直段－增斜段－稳斜段－降斜段－垂直段－增斜段－稳斜段－增斜段－水平段”，该方法与小井斜扭方位理念相同：在井斜角较小时将方位摆正再进行增斜段轨迹设计，不同处在于后者方位摆正后井斜不用降至0°。该方法有助于缩短扭方位段长度，提高钻井速度，也有助于克服垂深和造斜率的双重不确定性，降低中靶难度。

结论

随着偏移距增大，下套管过程中井壁对套管柱侧向作用力和旋转钻进过程钻具所受扭矩均逐渐增加，套管下至井底剩余钩载减小。与常规三维轨迹相比，双二维轨迹和小井斜扭方位轨迹受偏移距影响较小；当摩擦系数较小时，常规三维轨迹优于双二维轨迹、小井斜扭方位轨迹；当摩擦系数较大时，双二维轨迹和小井斜扭方位轨迹明显比常规三维轨迹更有利于钻井施工。

参考文献：

［1］梁海军，李娜．适用于长庆大偏移距三维水平井的新型剖面和轨迹评价几何模型［J］．西部探矿工程，2015，27(10):37－40．