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高精度水平井
高精度（薄油层）水平井轨道设计与轨迹控制技术
李培佳冯志明刘国渝周洪林
（大港油田集团定向井技术服务公司，天津300280）
摘要应用高精度水平井钻井技术开发薄油层是降低钻井综合成本，提高原油产量的重要途径之一。
高精度（薄油层）水平井轨道设计与轨迹控制技术是高精度（薄油层）水平井钻井的关键。
通过结合近期完成的几口实钻井的设计和施工情况，总结了一套较完整的薄油层水平井眼轨道设计和轨迹控制施工技术模式，着重介绍井眼轨道设计、优化钻具组合调整能力、仪器组合的测量能力、结合现场综合数据进行轨迹控制，可用于指导此类型井的现场施工。
主题词水平井薄油层井眼轨迹导向马达测量能力控制
作者简介李培佳1968年生。
1990年毕业于石油大学（华东）钻井专业，长期从事定向井、水平井的钻井技术管理工作，现任大港油田集团定向井技术服务公司经理助理、高级工程师。
刘国渝1970年生。
1993年毕业于石油大学（华东）钻井专业，长期从事定向井、水平井的钻井技术管理工作，现任大港油田集团定向井技术服务公司技术科副科长、工程师。
周洪林，1970年生。
1989年毕业于大港石油学校，长期从事定向井钻井技术工作，工程师。
水平井钻井技术的历史可追溯到19世纪末期。
从20世纪80年代国际钻井界开始深入研究和发展该技术，90年代大规模推广应用。
目前已作为常规钻井技术应用于几乎所有类型的油藏。
随着该技术的不断发展完善，水平井钻井的成本已降至了直井的1.2-2倍，水平井产量是直井的4-8倍。
水平井钻井技术已成为提高油田勘探
开发综合效益的重要途径。
随着水平井技术的进步和石油工业的不断发展，实践中对轨迹控制精度的要求越来越高。
不仅一些特殊的油藏需要严格限制轨迹位置，同时，随着分支井以及精确的水平井井网和形状设计研究的深入，即使油层厚的区块，从产能等要求出发，也对轨迹控制提出了更高要求。
另外，海上油田的水平井开发，由于位移和精度的高要求也会遇到类似的问题。
高精度（薄油层）水平井技术研究的内容是这些问题的集中反映。
我国的水平井钻井技术发展较晚，特别是在薄油层方面，虽然一些油田根据勘探开发实际，已开始了这方面的工作，如塔里木油田的哈德、塔中区块等。
但目前各方面都还处于起步和摸索阶段。
特别是工具、仪器等硬件不能满足要求，亟需改进，工艺上更需要针对性的深入分析研究。
我公司在近年的该类井服务中不断探索实践，在作业方和合作单位的支持下，在高精度（薄油层）水平井轨道设计与轨迹控制技术方面取得了一些收获。
高精度（薄油层）水平井与普通水平井的主要区别在于：
目的层薄，地层倾角和走向等变化大，轨道设计要求高，轨迹控制中调整频繁、难度大。
这就要求在轨道设计中一要优化剖面结构，最大限度减小摩阻和扭矩，为后期水平段施工提供安全基础。
同时，综合分析研究地层资料，优化入窗措施，卡准目的层。
在轨迹控制中仪器的测量能力和钻具组合的调整能力必须保证。
以上问题是高精度（薄油层）水平井轨道设计与轨迹控制的主要难题。
受仪器、工具等硬件的限制，目前我国的定向井技术水平与发达国家相比，存在一定的差距，特别是陆上
油田，先进的旋转导向和地质导向系统应用的较少，在水平井施工中主要使用的是国产常规动力钻具和MWD仪器，如何在现有的条件下解决好高精度（薄油层）水平井轨道设计与轨迹控制技术的难题，是该技术成功的关键。
一、井眼轨道设计
轨道设计是定向井设计中的重要部分，是一口定向井能否顺利完成的基础。
在水平井设计中以往我们多用简单的圆弧设计增斜井段，不论摩阻、扭距，还是入窗调整都存在问题。
通过多年的服务实践和总结，目前对轨道设计有了更新的认识，悬链线剖面或近似悬链线剖面在设计中被采用。
如在位移较大的TZ10-H2C水平井的增斜井段中，造斜段采用了造率分别为2°/30m、3.5°/30m的近似悬链线结构，该剖面较好地减少了摩阻和扭距（全井最大上提、下放阻力150kN）。
图一、二，表一、二分别是已完成的一口高精度（薄油层）水平井TZ10-H2C井的实际数据。
TZ10-H2C水平井设计数据表：
TZ10-H2C水平井实际中靶数据：
设计井号
TZ10-H2C
施工井队
60157
补芯高（m）
6.7
设计方位（）
17.38
设计井深（m）
4937.99m
设计造斜点（m）
3150
靶前位移（m）
904.75m
水平段长（m）
AB：
100CD：
100
设计靶区范围
半径AB10mCD20m
特殊点
井深
（m）
垂深
（m）
井斜（）
方位（）
南北投影
（m）
东西投影（m）
水平位移（m）
造斜率（/30m）
造斜段
3546.2
3521.49
32
17.38
120.39
27.01
122.97
2
设
稳斜段
4046.2
3929.16
38.67
17.38
396.20
113.34
411.97
0.4
计
增斜段
4302.1
4111.36
50.36
17.38
565.77
170.89
590.99
1.38
剖
A
4642.48
4224.5
90
17.38
863.44
270.25
904.75
3.5
面
B
4742.48
4224.5
90
17.38
958.87
300.12
1004.75
0
过度段
4792.48
4224.8
87
17.38
1006.57
315.05
1054.72
1.8
C
4837.99
4227
90
17.38
1049.99
328.64
1100.22
1.97
D
4937.99
4227
90
17.38
1145.42
358.51
1200.22
0
特殊点
斜深（m）
垂深（m）
井斜（º）
方位（º）
靶心距（m）
靶半高（m）
水平位移（m）
中靶情况
A
4680.34
4224.83
88.93
18.15
1.77
-0.03
931.55
B
4780.36
4225.37
88.95
17.22
1.63
-0.57
1031.55
C点
4837.08
4226.37
90.2
17.59
1.83
-0.37
1088.26
D点
4937.09
4225.64
91.97
17.91
1.31
+0.36
1188.26
图一：
TZ10-H2C井水平投影图
图二：
TZ10-H2C井垂直投影图
目前悬链线结构造斜率梯级一般为：
1°/30m→1.05°/30m→2.5°/30m。
由于井口位置、造斜点、目的层结构等的限制，近似悬链线结构在实践中更多地被采用。
如HD4-28H水平井的造斜率分别设计为3.6°/30m、9°/30m和10.5°/30m，效果较好。
所以，在高精度（薄油层）水平井轨道设计中应力求悬链线结构。
这
方面的工作还有待进一步深入研究和推广。
同时，轨道设计中应强化直井段的技术要求。
对于造斜点深的水平井，上部直井段产生的位移对入窗及后期水平井段施工影响很大。
另外，提高入窗精度和三维矢量优化是高精度（薄油层）水平井轨道设计中另一个不可忽视的重要一环。
入窗是由造斜段到水平段（目的层）的关键一环。
由于入窗时井斜已近90°，井斜对垂深调整及位移的“放大”效应突出。
这时的地层判断、轨迹预测及调整压力极大。
入窗控制的难点：
（1）、入窗钻进的起始点（上一趟钻进的井底）的井斜角、方位不能直接测得，而要靠预测确定，总会存在误差。
⑵、入窗钻进的增斜井段往往很短，尤其是起始点离靶中线垂增较小时，MWD的方向传感器离钻头有一定距离，可能造成在进靶井段内很少有测点信息，甚至无测点。
⑶、工具造斜率存在一定误差。
⑷、在较短的进尺内因信息缺
乏，很难进行有效的动态监控，因而加重了对计算和方案设计的依赖程度。
⑸．当靶窗较小时对造斜率精度要求较高。
若不能中靶则表示着陆控制失败，给后续工作带来困难。
综上所述，轨道设计中入窗点的确定以及入窗控制方案和工艺措施的制定很重要。
轨道设计中入窗点的确定方法有多种，其中无导眼回填、直导眼回填和斜直导眼回填轨道等方法较常用（由于成本原因，先进的地质导向系统在国内陆上油田中很少使用，这也限制了入窗的设计）。
无导眼回填和直导眼回填轨道设计，虽缩短了施工周期，但由于是直接进入窗口或导眼距窗口有一定距离，对构造较复杂的油层，不易采用此方法，应设计为斜直导眼（稳斜探顶），或在条件允许的情况下采用地质导向钻井系统。
入窗着陆控制的技术要点可以概括为：
略高勿低，造斜率应有10-20%余量；早扭方位，稳斜探顶；动态监控，尺高必争，“矢量进靶”。
“矢量进靶”直观地给出了对着陆点位置、井斜角、方位角等状态参数的综合控制要求，形象地表现为靶窗内的一个位置矢量。
采取的措施是：
a、结合地质资料和实钻情况，提高卡层（垂深、倾角、走向）准确性；b、实时分析计算工具造斜、调整能力，为入窗决策提高有力保障；c、及时进行多点测量，校核轨迹数据，为使用短无磁打好基础；d、使用短无磁，调整马达斜坡钻杆等钻具组合；e、准确全面记录工具面、钻压、泵压等参数的变化，对比测量结果，及时预测，准确调整；f、井斜尽可能按设计走大方向（如90°），调整时要小，留有余地，同时综合分析，井底在油层中的位置。
一定注意调整过程中“惯性趋势“的影响（过去了回来就要走弯路）。
二、优化钻具组合调整能力
钻具的选择（动力钻具），针对簿油层开发中，油层薄的只有0.8～10米左右，8-1/2”井眼钻头有0.22米左右。
也就是说井斜角有2°左右的起伏，就有可能出油层（平均角2°，每钻进10m垂深就变化0.35m左右，考虑到钻头的直径，井眼的边缘基本上贴油层上下两边钻进很有可能出去）。
这就要求目的层轨迹控制中随着地层走向的变化不断调整井斜和方位，而且调整段短，调整能力要求高，即钻具组合必须有高的造斜能力。
另一方面，对水平井而言目的层大部分为钻盘钻稳斜钻进，要求钻具组合能够适应长时间长井段的钻盘旋转钻进。
所以在（高精度）薄油层水平井的开发中，需要角度小（适应长时间长井段的钻盘旋转钻进）造斜率高的动力钻具，目前使用的国产常规动力钻具很难满足要求。
经过分析研究和现场实践非常规的“偏心”动力钻具开始被使用。
所谓“偏心”动力钻具，是在动力钻具本体稳定器（STAB）结构上加以改进，去掉高边部分的稳定器（STAB），下部低边稳定器（STAB）为垫块型。
在塔里木油田HD地区的应用效果统计如下：
常规动力钻具和“偏心”动力钻具使用情况对比：
1.25°
平均造斜率
泥岩
砂岩
油层连续造斜
常规稳定器
1.4
1-1.2
1.2-2
2-2.5
偏心稳定器
2
1.5-2
2-2.5
3-4
1.50°
平均造斜率
泥岩
砂岩
油层连续造斜
常规稳定器
3
2-2.5
2.5-3
4
偏心稳定器
3.5-4
2.5-3
4-5
5-6
1.75°
平均造斜率
泥岩
砂岩
油层连续造斜
常规稳定器
3.5
2.5-3.5
4
4-5
注：
造斜率单位为：
°/30m。
从以上可以看出相同角度的“偏心”动力钻具造斜率高出常规动力钻具20～30％。
较好地满足了目的层轨迹控制中井斜、方位调整和长时间长井段的钻盘旋转钻进两方面的要求。
但目前“偏心”动力钻具存在一定的不足，就是由于稳定器偏心造成应力变化不均，扭力加大，且很容易在弯点产生疲劳破坏，动力钻具易断，造成井下事故。
这方面的研究和改进工作尚有待深入。
钻具组合中欠尺寸稳定器（STAB）、无磁钻铤（NMDC）、钻铤、钻杆等在高精度（薄油层）水平井轨迹控制的不同阶段进行不同的调整，在保证整体强度要求的同时降低摩阻和扭矩。
（1）、侧钻钻具组合：
在侧钻钻具组合设计中，以往我们主要采用直马达加弯接头组合。
钻具组合为：
钻头（牙轮）+直马达+弯接头（1.5°—2.5°）+稳定器（STAB）+无磁钻铤（NMDC）+钻铤+钻杆
侧钻条件较好时导向钻具组合可以用于侧钻井段，并连续增斜段钻进，节省一趟起下钻作业。
但高效PDC钻头以及导向钻具应用于侧钻的条件等是我们今后服务中须进一步实践的工作。
（2）、增斜段钻具组合：
在增斜井段采用倒装钻具组合，斜坡钻杆的数量随井深增加和井斜增大不断补充，减少了摩阻，有利于钻压传递。
钻具组合中钻头基本为PDC钻头，型号有M1965和M1965D等。
配合高转速大扭距导向马达，钻进效果较好。
钻具组合的造斜能力选择略大于设计（1.75°导向马达高达12.58°/30m；1.5°导向马达最高为9.58°/30m），使转盘钻进与滑动钻进相结合，有效地保持了井眼清洁和稳定，进一步降低了摩阻和托压，充分发挥了PDC钻头的性能，加快了机械钻速。
钻具组合为：
钻头+导向马达+欠尺寸稳定器（STAB）+无磁钻铤（NMDC）+MWD短节+无磁抗压缩钻杆+127mm斜坡钻杆+127mm加重钻杆+127mm斜坡钻杆+127mm钻杆
（3）、水平段钻具组合：
水平段是薄油层水平井的关键井段，更是控制困难最多的井段。
水平段控制要点：
钻具稳平、上下调整、多开转盘、注意短起、动态监控、留有余地、少扭方位。
钻具组合为：
钻头+导向马达+短无磁钻铤（NMDC）+MWD短节+127mm无磁抗压缩钻杆+127mm斜坡钻杆+127mm加重钻杆+127mm斜坡钻杆+127mm钻杆
现场采取的具体措施为：
a、短无磁钻铤缩小预测“盲区”；b、导向马达尽可能选短；c、利于调整的高效钻头（GP447、HJ517-L等）；d、调整仪器的脉宽，选用最佳仪器工作模式；e、结合录井资料综合分析判断钻头位置。
三、仪器组合的测量能力
在水平井轨迹控制的总体要求中，具有较高的预测准确度是实现安全、准确、快速水平井轨迹控制目标的基础。
目前，在高精度（薄油层）水平井轨迹控制中大部分使用常规导向钻具组合，即常规导向动力钻具加MWD，测量仪器探管到钻头的距离在14～16m之间。
对高精度（薄油层）水平井轨迹控制而言，这样的预测距离过长，常常由于井底数据预测误差而导致轨迹失控。
如何在现有仪器、工具的基础上进行优化和改进，提高测量能力，是高精度（薄油层）水平井轨迹控制的又一关键所在。
目前的具体方法是：
（1）、选择适应的MWD仪器（例如对于深井选用正脉冲的S-MWD仪器）调整仪器测量制式和测量工艺，保证测量的实时性和准确性。
同时，使用短无磁钻铤（NMDC），缩短预测距离。
例如，对S-MWD仪器使用15探管，选用测量方式：
脉宽
长测量
短测量
05HZ
4.5分钟
3分钟
此种方式较为平稳，信号较快，使用不同的探管工作状态，可连续测量井斜、方位、工具面，随时监测井下的变化。
短无磁钻铤（NMDC）的使用：
现使用有两种，一种长4m，一种长2.8m。
现场施工实践证明，仪器进入无磁1米左右，既可测出井下准确高边，方位可通过多点的校正取得测量结果，确定井下正确的方位。
再有水平段中，方位轨迹已经不会有大的漂移变化。
使用短无磁钻铤（NMDC）最短预测井深达到8.4m左右，这无疑大大地提高了井底井斜的预见性。
测量井深的变短可以大大提高下步措施的准确性，因为几米的变化足以决定轨迹在油层中的出入。
（2）、优化动力钻具结构，缩短动力钻具长度。
动力钻具的长短主要跟马达级数、传动轴组合及万向节总成有关。
国产常规6-3/4”动力钻具，4级或更高级钻具长度一般7～8m左右，而3级动力钻具，只有6～6.5m左右。
薄油层的开发主要求稳，不见得一定要用级数高的功率大的动力钻具。
实践中选用多头低级数马达，保证适中扭矩以适应水平段调整的需要，同时最大限度缩短动力钻具长度，提高仪器的测量能力。
四、结合现场综合数据进行轨迹控制
高精度（薄油层）水平井轨迹控制中，在保证定向井专用工具仪器的同时，必须结合现场实时的钻井、录井等综合数据，分析判断井底位置和轨迹趋势。
钻头在井底不同位置钻进时，钻井录井等参数会有不同的变化，特别是在目的层（薄油层）中，实钻中可以通过气测值即C1、C2、C3值的变化确定油层的进入或出去。
已完成的薄油层水平井中，当C1大于0.01，C2－C3有变化时就显示钻遇油层边界。
如C4出现时，说明进入油中。
通过对油层段气测值分析：
在油层上部气测值较高，在油层中部气测值相对稳定（C4较高），在油层下部气测值也较高。
也就是说当钻到气测值最高时也就最危险的时候，一方面说明，可能进入油层上部，也可能进入油层下部，如措施不当极易出油层。
另一方面，定向或钻盘旋转钻进时气测值也不同，详见下表：
定向：
油层
中段
上段
下段
C1
0.015-0.02
0.01-
0.03
0.01-
0.02
钻盘旋转钻进：
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