JPH-411 井三维井眼轨道设计及轨迹控制技术

牛似成

（中国石化华北油气分公司石油工程技术研究院，河南郑州 450006）

杭锦旗区块在规模化开发过程中，面临井场征 地费用高、征地协调时间长、环保压力大等问题，利用老井场打新井可以大幅缩短建井周期、降低征地及钻前作业成本，对于华北油气分公司加快产建进度意义重大。三维水平井可有效提高老井场利用率，单个井场可钻进多口三维水平井，实现地质有利发育区的集约化开发，同时多个井口位于同一井场，也便于后期作业管理。目前，国内三维水平井组钻井技术较成熟，涪陵页岩气田、长庆油田、胜利油田、渤海油田等多家单位均已进行了大规模的现场应用[1-5]。2015 年，华北油气分公司在泾河油田及洛河油田成功实施了多口三维水平井[6-8]，包含首个三维水平井组——LH1-2-7，同一井场实施 3 口井（2 口三维水平井）。国内外很多学者针对水平井三维井眼轨道设计及轨迹控制技术进行了研究[9-13，并取得了较好的认识，针对杭锦旗区块JPH-411 井邻井情况及地质中靶要求等对三维井眼轨道进行了优化设计，并在实钻过程中总结出一套实钻轨迹控制技术。

1 三维井眼轨道设计及控制难点

杭锦旗区块构造上位于鄂尔多斯盆地伊盟北部隆起带，JPH-411 井位于杭锦旗区块锦 58 井区工程复杂中低风险区，与 JPH-410 井同井场。JPH-411 井设计目的层为下石盒子组盒1 段，垂深3 152 m，A 靶点靶前距450 m，偏移距218 m，设计水平段长1 000 m，水平段方位150.79°。基于JPH-411 井地质中靶数据，分析三维井眼轨道设计及控制难点主要有三点：①JPH-411 井与JPH-410 井井口间距仅为4.62 m，直井段若未进行防碰设计则最近距离均小于30.00 m，必须进行轨道防碰设计，直井段进行防碰设计后，必然增大后续三维增斜扭方位井段的设计及实施难度；②JPH-411 井靶前距及偏移距均较大，扭方位时机确定难度较大，若提前扭方位偏移距，可能无法达到设计要求，会造成中靶困难，若滞后扭方位，靶前距位移又很难满足定向工具造斜要求，大井斜情况下扭方位难度非常大，且较大的靶前距及偏移距必然造成斜井段较长，钻具组合与井壁的接触面积增大，摩阻扭矩必然增大，且钻进后续井段托压亦会较严重；③杭锦旗区块在前期的勘探开发过程中，储层非均匀性分布较为明显，且对储层垂深的预测存在较大的不确定性，往往需要根据实钻地层情况调整中靶轨迹，这给三维井眼轨道顺利着陆带来了较大的挑战。

2 三维井眼轨道优化设计

2.1 设计思路

针对JPH-411 井地质中靶要求及实钻面临问题，将三维井眼轨道优化设计为“直井段（微增斜）-二维增斜段-三维增斜扭方位井段-稳斜段-二维增斜段-水平段”六段制轨道剖面。直井段采用微增井斜增大设计轨道与JPH-410 井实钻轨迹最近距离及分离系数，实现有效防碰；第一段二维增斜段沿初始扭方位钻进，减小偏移距及靶前距，降低后续增斜方位对中靶难度；三维增斜扭方位段同时增斜扭方位，尽量减小斜井段长度，减低摩阻扭矩；稳斜段预探目的层顶界，可根据目的层顶界垂深变化及时调整长度，后续紧跟第二段二维增斜段着陆中靶；水平段按照多靶点控制要求实施，具体情况见图1。

图1 JPH-411 井六段制三维井眼轨道设计示意图

2.2 直井段防碰绕障轨道

待设计JPH-411 井与实钻JPH-410 井井口相距4.62 m，JPH-411 井井眼轨道若不进行防碰绕障设计，则由井口至造斜点最近距离均小于30.00 m，且部分井段分离系数小于2，碰撞减风险较大。JPH-411井一开后直井段采用微增斜沿增大最近距离方位钻进，即120°左右，最大井斜角控制在1.5°左右。井眼轨道水平位移增大至30.00 m左右后降斜至0°，不再增大水平位移，避免水平位移增大后对后续增斜扭方位产生较大影响，具体数据见表1。

2.3 第一段二维增斜段轨道

第一段二维增斜段轨道设计主要目的为确定初始方位角、缩短偏移距。初始方位角确定后，初始方位角与水平段方位角的夹角即为扭方位工作量，一般扭方位工作量在 60°～70°较为合适。扭方位工作量和偏移距与靶前距之比值相关性较强，偏移距与靶前距之比值越大，则扭方位工作量越大；反之，实钻过程中初始方位角与水平段方位角夹角越大，则偏移距减小越快。初始扭方位角与水平段方位夹角为90°时，偏移距减小最快，但增加了扭方位工作量，大大增加了后续增斜扭方位井段实施难度。

表1 JPH-411 井直井段防碰绕障轨道

JPH-411 井基于水平段靶点垂深、方位情况，通过迭代计算得到了初始扭方位角度为78.96°，与水平段方位角150.79°夹角为71.83°。根据国内多名学者研究结果[15]，第一段二维增斜段井斜角不宜大于40°，可为后续扭方位钻进提供足够的井斜变化空间。考虑到造斜工具能力、完井管柱下入需求和减小降摩减扭等多方面因素，第一段二维增斜段造斜率控制在4°～6°/30 m。

2.4 三维增斜扭方位段轨道

三维增斜扭方位段以扭方位为主、增斜为辅，对比了多种井眼轨道计算方法，最终确定采用恒工具面角法设计了三维增斜扭方位井段轨道[9]。恒工具面角法计算井眼轨道，工具面角及造斜率恒定，井斜小时方位变化率较大，而井斜较大时方位变化率小。造斜率仍考虑造斜工具能力、完井管柱下入需求、减小降摩减扭等多方面因素，取值4°～6°/30 m，井斜增大至78°时，方位扭正至水平段方位150.79°。

2.5 稳斜段及第二段二维增斜段轨道

针对杭锦旗区块储层垂深不确定性，采用稳斜段+第二段二维增斜段着陆中靶，即通过稳斜段预探储层顶界，调整稳斜段长及第二段二维增斜段造斜率确保准确中靶。根据 JPH-411 井邻井盒 1 段储层，预测垂深与实钻垂深误差为3～10 m，以扭正方位150.79°、井斜78°计算出稳斜段长45 m，第二段二维增斜段以扭正方位 150.79°和造斜率 4°～6°/30 m 钻进着陆中靶。稳斜段垂深变化10 m 左右、造斜段垂深变化6 m 左右，即该井盒1 段储层垂深提前或滞后出现10 m，可缩短或增加稳斜段长，调整第二段二维增斜段造斜率，确保准确着陆中靶。

2.6 水平段轨道及全井段三维井眼轨道

长庆油田、胜利油田三维水平井均采用三级井身结构。长庆油田三开水平段采用φ215.9 mm 钻头钻进，从而完成1 500 m 水平段施工；胜利油田三开水平段采用φ152.4 mm 钻头钻进，水平段长度多为800～1 500 m[3-5]。JPH-411 井采用三级井身结构，针对三开水平段进行了钻具钻进及完井管柱下入模拟分析，计算结果表明三开水平段以不超过2 000 m为宜。水平段井眼采用多靶点井眼轨道设计，每100 m 设置一个中间靶点，通过多个靶点确保水平段井眼轨道在目的层内穿行。基于各井段三维井眼轨道设计，得到了JPH-411 井全井段三维井眼轨道设计（表 2）。

表2 JPH-411 井全井段三维井眼轨道设计

3 井三维井眼轨迹控制技术

JPH-411 井优化设计的六段制井眼轨道剖面实钻过程中必须精细控制才可以满足地质中靶要求，解决实钻问题。与常规二维井眼轨迹控制不同的是，三维井眼轨迹具有较大的偏移距，井斜及方位均要发生变化，且大井斜下方位变化较为困难，且控制三维井眼轨迹变化平滑是保证后续套管下入的关键。因此，对三维井眼轨迹进行了分井段精细化控制。

3.1 直井段井眼轨迹控制

JPH-411 井直井段井眼轨迹控制关键是防碰绕障及轨迹平滑。直井段首先按照防碰绕障设计要求沿扩大与JPH-410 井实钻轨迹最近距离方位120°进行微增斜钻进，采用“PDC 钻头+1.25°单弯螺杆+MWD”钻具组合定向滑动钻进出增斜趋势后，再采用复合钻进，实时测量井斜数据并及时调整。计算JPH-411 井实钻轨迹与JPH-410 井实钻轨迹最近距离，待最近距离增大至安全允许范围后（大于30 m），逐步在井斜不变的情况下将方位调整至80°左右，与后续第一段二维增斜段初始方位角相同。为保证直井段井眼轨迹光滑，不再强行将井斜降至0°，即直井段沿初始方位角方向进行微增斜钻进，提前缩小偏移距，减小第一段二维增斜段偏移距工作量。整个直井段井眼轨迹控制要求井斜角小于 2°，全角变化率小于1°/30 m。

优选直井段钻具组合，具体为：φ222.3 mm PDC钻头+φ165.0 mm×1.25°单弯螺杆+短钻铤+φ220.0 mm 扶正器+定向接头+MWD+φ165.0 mm 无磁钻铤×2+φ165.0 mm 钻铤×8+φ127.0 mm 加重钻杆×31+φ127.0 mm 钻杆串。

3.2 第一段二维增斜段轨迹控制

第一段二维增斜段沿初始方位角进行增斜钻进，因前期直井段已钻进了一部分偏移距，对增斜段待钻井眼轨道进行了重新设计。增斜段重点井斜角由38°减小至30°，垂深及偏移距不变，造斜率5.4°/30 m，实钻过程中实时调整定向钻进与复合钻进比例，确保增斜段井斜、垂深及偏移距成比例增加。

优选斜井段钻具组合，具体为：φ222.3 mm PDC钻头+φ165.0 mm×1.50°螺杆+MWD+φ165.0 mm 无磁钻铤×2+φ127.0 mm 钻杆×45+φ127.0 mm 加重钻杆×40+φ127.0 mm 钻杆串。

3.3 三维增斜扭方位段轨迹控制

经过第一段二维增斜段增斜钻进，井斜角增大至30°左右，偏移距亦缩小至合理范围，井眼轨迹进入最佳增斜扭方位井段。增斜扭方位段前期通过试钻，明确在地层等多因素影响下，不同工具面角对井斜变化率及方位变化率的分配情况，即在某一工具面角下定向钻进 1 m，井斜及方位分别变化多少，由此确定后续工具面角摆放的范围。每钻进1 个单根测量实钻轨迹井斜数据，预测井底实钻轨迹数据，并对待钻井眼轨道适当修正，制定下个单根复合钻进及定向钻进比例、定向钻进时的工具面角，由此保证实钻轨迹沿着设计井眼轨道进行钻进。根据地层调整复合钻进及定向钻进比例可以降低定向实施难度，提高钻进速度，但同时也会增大全角变化率，对轨迹实施带来一定的不确定性。通过精细控制三维增斜扭方位段轨迹，井斜增大至78°，方位扭正至149.39°，水平段方位要求 150.79°，基本实现了方位扭正。

3.4 稳斜段及第二段二维增斜段轨迹控制

三维增斜扭方位井段之后，设计45 m 稳斜段，预探盒1 段目的层顶界。实钻结果表明，各层位垂深较设计预测值稍有滞后，预测A 靶点垂深3 144.5 m，较设计预测A 靶点垂深3 143.0 m 推迟1.5 m 左右，适当缩短稳斜段长度，采用单增模式着陆中靶，提高钻进速度。稳斜段及第二段二维增斜段继续采用增斜钻具组合钻进，稳斜段采用增斜钻具钻进需要不断调整工具面定向钻进消减增斜趋势，钻进速度较低。

3.5 水平段轨迹控制

水平段采用多靶点井眼轨道设计，实钻轨迹亦采用多靶点实现有效控制。通过前期理论分析及不同钻具组合应用实践表明，三开钻具组合加放φ 150.0 mm 扶正器可以提高钻具整体刚性，消减带螺杆钻具增斜趋势，减少三开水平段稳斜钻进过程中的定向钻进比例，保障三开水平段井眼轨迹光滑平顺，提高三开水平段机械钻速。优选水平段钻具组合：φ152.4 mm 钻头+φ127.0 mm×1.25°螺杆+φ 150.0 mm 扶正器+MWD+φ127.0 mm 无磁钻铤+φ 88.9 mm 钻杆×150+φ88.9 mm 加重钻杆×40+φ 88.9 mm 钻杆串。

4 实施效果分析

实施三维井眼轨道设计及轨迹控制技术，提高了三维水平井现场可操作性，实现了准确着陆中靶，确保了三维水平井快速安全成井。JPH-411 井钻井周期63.79 d，机械钻速10.42 m/h，与同井场JPH-410 井机械钻速10.56 m/h 相当。

采用水平距离法计算了JPH-411 井直井段、斜井段轨迹符合率，测点间距为30 m， JPH-411 井实钻轨迹复合率为81.70%。此外，统计分析了JPH-411 井直井段、斜井段各测点水平距离及全角变化率（图2 和图3），从图中可明显看出，JPH-411 井实钻轨迹与设计轨道吻合度较高。

图2 JPH-411 井实钻轨迹与设计轨道水平距离

针对实钻轨迹进行了二开中完技术套管下入能力分析及三开完井管柱下入能力分析。计算结果表明，均可安全下入，现场亦实现了二开中完技术套管及三开完井管柱安全下入。

5 结论与建议

（1）针对杭锦旗区块地质中靶要求及实钻面临问题，以快速安全钻井、减小施工难度为目标，优化形成六段制三维井眼轨道设计及轨迹控制技术，在现场应用过程中取得了较好的效果。

（2）杭锦旗区块在现场实施三维水平井过程中，建议推广应用六段制三维井眼轨道设计及轨迹控制技术。

图3 JPH-411 井实钻全角变化率与设计全角变化率