水平井轨道控制方案设计(第五章)

第五章轨道控制方案设计在水平井实际钻井实践过程，油中深度的误差是难免的，它是影响轨道施工方案设计的重要因素之一，油中深度的不确定性将直接影响着轨道控制方案的选择问题。

目前常用的减少油中深度的不确定性的方法是通过标准层的对比来实现的。

另从施工本身而言，还存在着工具本身的实际造斜率与设计造斜率之间的偏差，这种偏差也是难免的，每种工具在不同地层，不同的钻井条件下，其造斜率总会表现出一定的差异，显然，偏差范围越小，控制精度越高，对轨道的控制越有利。

这种偏差也是影响轨道控制方案设计的重要因素之一。

考虑施工中影响轨道控制方案的因素，设计出适当的轨道控制方案，以适应这些因素在实钻中对轨道控制的影响，争取主动，是水平井尤其是薄油层水平井井眼轨道控制工艺的重要内容之一。

本文总结出三种目前普遍采用的控制方案的设计方法。

王平1井的轨道控制实践充分说明了该方法在薄油层中半径水平井着陆控制方案设计上具有普遍意义。

第一节单元弧法该法是一单元弧造斜段从着陆控制过程的起始点直接钻至靶区着陆点的方法。

适用于油层厚度大，靶窗高度大，且油中的深度相对确定的情况。

这样，仅需考虑工具的造斜的误差，以选择合适的造斜率和井斜角。

另一方面，为保证工具的造斜率存在误差的情况下亦能顺利中靶着陆，则必须要求以所选工具造斜率的上限造斜时不高出靶窗上方，而以其造斜率的下限造斜时不低于靶窗下方。

如图1所示。

设C点为着陆控制段始点，即当前井底位置，L为着陆点，T为设计靶点，为着陆点井斜，C点与T点的垂直深度差为△H，水平位移差为△S，设计的IL靶窗高度2h。

单元弧法就是从C点设计一圆弧段，与靶中心线相切，设切点为与T点位置及井斜L。

这样便能保证单圆弧着陆。

但由于C点的位置及井斜IC等条件的限制，实际着陆点L与T点不一定重合，这样就必会出现一段距离，IL即着陆平差。

平差的大小在某种程度上也反映了轨道控制的准确程度。

上图中设圆弧段造斜率为B°/30m。

靶区上限及下限着陆的造斜率分别为Bmax°/30m和Bmin°/30m。

则有：L ctgI S H H ·△△-= （1）B H COS I I SInI H S ctgI I I I lC l l l C L=⋅--=-⋅⋅--1719117191()cos(()sin ∆∆ （2） lC l L SInI I I COS h ctgI S H B )(11719max --⋅-⋅∆-∆= （3） LC l l I I I h ctgI S H B sin )cos((11719m in --⋅+⋅∆-∆= （4）当设计靶区水平段井斜I L =90°时，H=△H ，此时式(2)、(3)、(4)变为： )sin 1(1719L I HB -⋅∆= （5） )sin 1(1719m axC I hH B -⋅-∆= （6） )sin 1(1719m inC I h H B -⋅+∆= （7） 通过上述计算可知，应选择造斜率为B °/30m 的工具从C 点开始造斜着陆进靶，且该工具的最大造斜率不应超出Bmax °/30m ，也不应低于Bmin °/30m ，设实钻中工具的造斜率B 。

则最终着陆点与设计着陆靶点T 的平差P S 为：()S I I B S L C p ∆--⋅=cos cos 17190（8） 当P S 〈0，表示实际着陆点的水平位移小于设计着陆点的位移，即提前着陆，当P S 〉0时表示实际着陆点的水平位移大于设计着陆点的水平位移，即延迟着陆。

单元弧法设计中的另一种情况是已知着陆段所用的工具的造斜率为B °/30m ，其上下限造斜率分别为Bmax °/30m 及Bmin °/30m ，选择合适着陆段初始井斜角I C 的问题，如上图所示，为使该工具能顺利陆着进靶，则必须满足：h I I I B B L C L 2sin )cos(117191719max min=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛- 故着陆始点理想的井斜角应不小于：))(1719sin 21arccos(min max min max B B B B I h I I L L C -⋅⋅⋅⋅--= （9） 否则用该工具造斜将可能出靶。

第二节 应变法该法指在着陆控制中，为适应实钻过程中可能出现的各种误差而在两段增斜段中设置一稳斜调整段的方法。

设置调整段的目的，一方面是为了适应在实验中油中深度发生变化时，改变调整方案而不致于使轨道控制处于被动地位，另一方面可通过调整段补偿前段造斜时工具造斜率的误差所造成的轨道偏差，以使在最终着陆时，进靶能够更加准确、顺利。

这是一种“以不变应万变”的设计方法，见图2。

应变段井斜e I 的设计满足当以e I 稳斜时，在钻遇并探测到真正的油顶之后，有足够余地留待在轨道着陆控制段控制时，先以造斜率B 1°/30m 从当前井底位置C 点开始增斜到E 点，即从井斜c I 增至e I ，进入应变段之后一直稳斜，配合地质及油层随钻参数显示，直至探到油顶位置，确定出确切油中深度之后，最后以设计的造斜率B2°/30m 增斜着陆进靶窗。

该设计方法中，有三个参数需要确定：①应变段的井斜e I ； ②应变段的长度y L ；③第一增斜段增斜率B1°/30m 。

1、应变井斜e I 的计算应变井斜e I 的设计应满足当以e I 稳斜时在钻遇并探测到真正的油顶之后，有足够的余地留待造斜率为B 2°/30m 的工具着陆进靶而不致于错过靶窗，设油层靶中深度离油顶以下距离d 米，r L 为钻具组合中地质参数仪器（如随钻γ参数探测仪）离钻头的最大距离，如图3所示，则e I 应满足： d I I B I I e L e c =-+)sin (sin 1719cos 2解上方程可得： 22222222)1719(sin 1719arcsin )1719(1719arccos B L d I B B L B I r L r e +-+++=上式求出的e I 角还应根据B 2造斜率在实际应用时变化值的上、下限以及靶窗高度依式（9）进行校核，取二者中的大者做为应变段井斜角e I 。

2、应变段长度及造斜率B 1的确定。

如图所示，由于e I 已求出，F 点的相对位置便可确定。

)sin (sin 17192e L F I I B H H -∆∆－＝ )cos (cos 17192e L F I I B S S -∆∆－＝ 式中：△H F ：F 点相对于C 点的垂差。

F S ∆：F 点相对于C 点的水平距离。

为计算方便，在图中过F 点作靶中心线的平行线KF 交过C 点的垂线于K 点，CK 的距离为H 。

则有：L L e e L ctgI I I B S I I B H H ⎥⎦⎤⎢⎣⎡--∆---∆=)cos (cos 1719)sin (sin 171922 从而可得稳斜段长Ly 与B 1的关系： H ctgI I L I I B I L I I B L e y L e e y e L +⎥⎦⎤⎢⎣⎡+-=+-sin )cos (cos 1719cos )sin (sin 171921解上式得：[])sin(sin )cos()cos(17191e L y L c L e L I I L I H I I I I B -----＝ (10) 此时平增大小为：F e y e c p S I L I I B S ∆++-=sin )(cos 17191(11) 从式(10)及(11)可知，y L 减少时，1B 也随之减少，此时造斜段和水平段的位移减少，当y L 减为0时，即为单圆弧，此时水平位移最短。

如图4所示：(应变段末端必须落在KF 线上)。

显然，y L 越长，1B 越大，水平位移越远，可能造成的平差越大，为此，在设计时应选择合适的y L ，不但要吸收误差，而且具有足够的长度使轨道穿过油顶，故应根据油顶实际可能存在的大小△E 来设计稳斜段长y L ，不但要吸收误差，而且具有足够的长度使轨道穿过油顶，故应根据油顶实际可能存在的误差大小△E 来设计稳斜段长y L ，从而最终确定1B 。

由图知稳斜段长度y L 至少应为：r ey L I E L +∆=cos (12) 可将式(12)代入式(10)求得第一造斜段造斜率B 1°/30m 。

从上面的设计可以看出，当用(12)式求得的y L 及式(10)求得的1B 进行计算水平位移时，如果此时的水平位移比原设计的水平位移小时，可以适当增加y L 的长度，增加第一段造斜率，缩短平差，从而达到调整的目的。

第三节 导眼法所谓导眼法即在水平井着陆控制之前，先以一定的井斜直接稳斜钻入油层，探得油顶及油中深度之后，回填到一定深度后以单元弧方式直接进行着陆。

采用这种方法，主要地对油层的确切深度把握不准，且在油层上部无合适的标准层可做参考，这样为确保水平井钻井目的，该法不失为行之有效的最直接的方法。

当决定要用导眼法且工程上可行时，在轨道控制方面，需要解决的问题是：● 导眼段的井斜d I ；● 回填的井段长度h L 。

由于该法与单圆弧法基本类似，在确定了造斜工具的造斜率B 及其上、下限变化范围m in m ax ,B B 之后,根据所设计的靶区高度，可按式(9)直接求得，如图所示。

⎥⎦⎤⎢⎣⎡---=)(1719sin 21arccos min max min max B B B B I h I I L L d 式中，L I ：水平段设计井斜；h:靶窗单边高度(靶窗总高为2h) 。

如图5所示，设C 点为回填到的井底那一点，作靶中心线的延长线交过C 点的垂线于K 点。

则有：Ld L I I I B H sin )sin(11719-－＝ )sin()cos(11719d L d L h I I I I B L --－＝即在导眼段钻遇油中后，回填h L 米，便能保证在回填后，以单圆弧造斜，顺利着陆进靶。

结论：（1）在中半径水平井着陆控制中，除了要有一套灵活、多变，造斜能力控制范围广的导向钻具作为着陆控制手段外，还需要有一套合适的轨道控制方案相配合，以适应控制过程中可能遇到的各种偏差。

（2）水平井轨道控制的具体要求，应结合工具的现有条件，选择出合适的方案与之相配合。

通过实践，应变法对于中半径薄油层水平井井眼轨道的控制方案设计是成功的，具有普遍意义。