煤層氣水平井最優(yōu)井斜角的計(jì)算與影響因素分析

申福猴

(中國石化集團(tuán)華北石油局 培訓(xùn)中心，河南 新鄉(xiāng) 453000)

煤層氣水平井最優(yōu)井斜角的計(jì)算與影響因素分析

申福猴

(中國石化集團(tuán)華北石油局 培訓(xùn)中心，河南 新鄉(xiāng) 453000)

本文重點(diǎn)討論了煤層氣水平井軌跡設(shè)計(jì)與控制一體化技術(shù)，在理論分析的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)了切線段最優(yōu)穩(wěn)斜角的計(jì)算公式，闡明了目標(biāo)儲(chǔ)層的厚度、最大最小造斜率的差值和水平目標(biāo)段井斜角對(duì)切線段穩(wěn)斜角的影響規(guī)律，最后進(jìn)行了軌跡優(yōu)化實(shí)例分析。

水平井；井斜角；切線段；軌跡控制

目前,我國應(yīng)用比較廣泛的煤層氣增產(chǎn)措施主要有水平井技術(shù)(羽狀分支水平井、超短半徑水平井)、裸眼洞穴完井和直井水力壓裂,其中,煤層氣水平井具有成本低和增產(chǎn)效果好的特點(diǎn)，在煤層氣的開采中應(yīng)用廣泛。然而，我國煤層氣水平井也存在一定的問題：1)我國大多數(shù)煤層氣儲(chǔ)層具有自身的特征，如低飽和度、低壓力、低滲透及煤層透氣性不好，很多先進(jìn)的國外排采經(jīng)驗(yàn)和鉆井技術(shù)不能完全適用；2)“十二五”規(guī)劃對(duì)我國的煤層氣地面開發(fā)提出了一定的要求，需要對(duì)關(guān)鍵技術(shù)，包括鉆井液技術(shù)、鉆井工藝及完井技術(shù)等有所突破。為了解決上述問題，我國對(duì)鉆井工藝和軌跡設(shè)計(jì)、控制及儀器設(shè)備等方面進(jìn)行了研究，并取得了一定的研究成果。唐華根據(jù)冀東油田實(shí)際井眼,研究了6″井眼水平井鉆具組合造斜性能及力學(xué)分析，水平段井眼軌跡控制，最終形成了最佳6″井眼水平井鉆井工藝技術(shù)，并設(shè)計(jì)了6″井眼水平井鉆具組合，優(yōu)化了旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)和滑動(dòng)鉆進(jìn)方式，最終實(shí)現(xiàn)了軌跡控制、鉆井速度和井下安全的統(tǒng)一。劉海軍也對(duì)井眼軌跡的優(yōu)化進(jìn)行了研究，在現(xiàn)場施工條件允許時(shí)，優(yōu)化井眼軌跡，盡量降低方位角變化率和井斜變化率等參數(shù)，提供最短的井眼軌跡長度，盡量降低井口動(dòng)力的消耗及鉆井的摩擦阻力。本文主要對(duì)煤層氣水平井井眼軌跡控制中井斜角的計(jì)算及影響因素進(jìn)行了研究。

1 水平井井眼軌跡控制

在水平井鉆井中，待鉆井眼的軌跡控制和判別水平井造斜段實(shí)鉆井眼軌跡的中靶情況是非常關(guān)鍵的問題，同時(shí)也是一項(xiàng)復(fù)雜的工作，存在一定的工作難度，二者之間相互影響，而且是水平井鉆井成敗的關(guān)鍵。

和一般的叢式井、定向井和側(cè)鉆井的井眼軌跡控制不同，水平井造斜段待鉆井眼軌跡控制在水平段的入靶點(diǎn)處，有閉合方位、垂深、水平位移和井斜角大小的限制，此外，井斜角的大小還直接影響著井眼軌跡在產(chǎn)層內(nèi)的橫穿產(chǎn)層長度、位置及是否能夠避開水錐等諸多問題；因此，從水平井的井眼軌跡控制現(xiàn)場的施工工藝出發(fā)，為了適應(yīng)某些因素的變化，在水平井的井眼軌跡著陸控制階段，需要針對(duì)造斜工具和目的層及儀器等的具體情況，制訂出相對(duì)應(yīng)的著陸控制方案。經(jīng)常用到的著陸控制設(shè)計(jì)方法有如下2種。

1)單圓弧法。即從著陸控制過程的起點(diǎn)以一單圓弧的造斜段直接鉆進(jìn)至靶區(qū)著陸點(diǎn)的方法，該方法適用于油層厚度較大、靶窗高度較大、油層中部的深度相對(duì)確定的情形[1]。

2)應(yīng)變法。即在著陸控制設(shè)計(jì)中，為了適應(yīng)實(shí)鉆過程中可能出現(xiàn)的各種誤差而在2個(gè)增斜段中間設(shè)置——穩(wěn)斜調(diào)整段的方法，設(shè)置調(diào)整段的目的。首先，為了適應(yīng)在鉆井中油層中部的深度發(fā)生變化時(shí)，使軌道的控制處于相對(duì)被動(dòng)地位；然后，通過調(diào)整段補(bǔ)償前段造斜時(shí)工具造斜率誤差所造成的軌道偏差，使在最終著陸進(jìn)靶時(shí)能夠更加準(zhǔn)確和順利，該方法是一種以不變應(yīng)萬變的軌跡設(shè)計(jì)方法[2]。

結(jié)合大多數(shù)現(xiàn)場水平井的實(shí)際情況，優(yōu)選出應(yīng)變法的井眼著陸設(shè)計(jì)方法。應(yīng)變法最重要的一步是求取切線段最優(yōu)穩(wěn)斜角的大小。

2 水平井切斜段最優(yōu)井斜角推導(dǎo)

假定最大預(yù)期造斜率(即最小的彎曲半徑)為R1，最小預(yù)期造斜率(即最大的造斜半徑)為R2。采用工程單位(°)/30 m，經(jīng)過換算[3]得：

(1)

(2)

求取最佳切線段井斜角是在這一井斜角上開始第2次增斜，無論實(shí)際造斜半徑為R1還是R2，都能進(jìn)入目標(biāo)區(qū)。垂增位移如圖1所示。

圖1 垂增位移

假設(shè)切線角度為Itan，目標(biāo)層角度為If(水平時(shí)為90°)，則以任意造斜半徑R，從a造斜至水平段所消耗的垂直位移為：

H=RsinIf-RsinItan

(3)

當(dāng)分別以最大和最小造斜率造斜時(shí)，所產(chǎn)生的垂直位移分別為[4]：

H1=R1sinIf-R1sinItan

(4)

H2=R2sinIf-R2sinItan

(5)

要達(dá)到無論在何種情況都要進(jìn)入目標(biāo)層的要求，2種造斜率條件下產(chǎn)生的垂直位移差應(yīng)小于等于目標(biāo)層厚度，即

H2-H1≤Tb-Tt

(6)

將式4和式5代入式6可得：

(R2-R1)(sinIf-sinItan)=Tb-Tt

(7)

(8)

將式1和式2代入式8得：

(9)

在式1的基礎(chǔ)上可得水平井窗口“靶心”垂深的計(jì)算公式如下：Ttgt=

(11)

式中，Ttgt表示“靶心”垂深，單位為m；BURexp表示水平井第2增斜段的設(shè)計(jì)造斜率，單位為(°)/30 m。

3 切線段最優(yōu)井斜角影響因素分析

3.1 油層厚度對(duì)切線段最優(yōu)井斜角的影響

BURmax=10°/30 m，BURmin=6°/30 m，If=90°，繪制水平井窗口處目標(biāo)儲(chǔ)層厚度對(duì)切線段最優(yōu)井斜角的影響如圖2所示。

圖2 水平井窗口處目標(biāo)儲(chǔ)層厚度對(duì)切線段最優(yōu)井斜角的影響

3.2 最大井斜角差值對(duì)切線段最優(yōu)井斜角的影響

造斜率大小取決于所用的下部鉆具組合、鉆進(jìn)參數(shù)和地質(zhì)因素等。實(shí)鉆之前無法知道實(shí)鉆造斜率的確切數(shù)值,所以通常根據(jù)經(jīng)驗(yàn)、鄰井資料和理論分析,估計(jì)出實(shí)鉆造斜率的范圍，然后即可給出最低造斜率Kmin和最高造斜率Kmax。實(shí)鉆造斜率必然在Kmin和Kmax之間，工具造斜能力是影響造斜率的最重要因素[5]。

BURmax=10°/30 m，If=90°，Tb-Tt=10 m，所以造斜率變化對(duì)切線段最優(yōu)井斜角的影響如圖3所示。

圖3 造斜率范圍(Kmax-Kmin)變化對(duì)切線段最優(yōu)井斜角的影響

3.3 水平井目標(biāo)段的井斜角對(duì)切線段最優(yōu)井斜角的影響

BURmax=10°/30 m，BURmin=6°/30 m，Tb-Tt=10 m，所以水平井目標(biāo)段的井斜角對(duì)切線段最優(yōu)井斜角的影響如圖4所示。

圖4 水平井目標(biāo)段的井斜角對(duì)切線段最優(yōu)井斜角的影響

從圖2～圖4可以看出，切線段最優(yōu)井斜角隨目標(biāo)儲(chǔ)層厚度的增加而降低，隨最大、最小造斜率差值的加大而增加；切線段最優(yōu)井斜角隨水平目標(biāo)段井斜角的增加而加大，且該增長幅度比較大。

4 水平井軌跡優(yōu)化實(shí)例分析

本部分通過調(diào)整造斜半徑值來研究全角變化率與造斜半徑的關(guān)系，優(yōu)化水平井軌跡。假設(shè)造斜半徑為150和250 m，分別對(duì)水平井軌跡進(jìn)行模擬，造斜半徑不同，則水平井軌跡曲線也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變。首先，根據(jù)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的計(jì)算方法得到2個(gè)入靶點(diǎn)的點(diǎn)坐標(biāo)，造斜半徑為150和250 m時(shí)，2個(gè)入靶點(diǎn)的點(diǎn)坐標(biāo)分別為N1和N2，N1(19 506 364.079,3 942 082.358 3,353.900)，N2(19 506 271.683 4，3 942 044.109,352.200)。假設(shè)直井段深115 m，穿N1靶數(shù)據(jù)如下：入靶井深414.12 m，入靶點(diǎn)井斜角為88.57°，對(duì)接井斜角為88.57°，測深614.94 m，最大全角變化率為36.41°/100 m。穿N1點(diǎn)軌跡設(shè)計(jì)曲線如圖5所示。從圖5可以看出，造斜半徑為 150 m時(shí)，造斜半徑較小，初始造斜時(shí)，方位向著相反的方向定向，使造斜段長度增加，浪費(fèi)進(jìn)尺數(shù)。

圖5 穿N1點(diǎn)軌跡設(shè)計(jì)曲線

穿N2靶數(shù)據(jù)如下：入靶井深 480.24 m，入靶點(diǎn)井斜角為88.13°，穩(wěn)斜角為73.65°，穩(wěn)斜段長度為61.2 m，對(duì)接井斜角為 88.13°，測深為581.05 m，最大全角變化率為29°/100 m。穿N2點(diǎn)軌跡設(shè)計(jì)曲線如圖6所示。

圖6 穿N2點(diǎn)軌跡設(shè)計(jì)曲線

從圖6可以看出，造斜半徑為250 m時(shí)，曲線比較光滑，全角變化率在30°/100 m以內(nèi)，穩(wěn)斜段明顯，半徑軌跡比150 m時(shí)明顯要好。

N1和N2點(diǎn)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)見表1。從表1可以看出，采用 250 m 造斜半徑時(shí)對(duì)接總進(jìn)尺較少，如果直井段的長度固定，則可縮短造斜過程，使穩(wěn)斜段長度和穩(wěn)斜角都更加合理；因此，造斜半徑確定為250 m，完成水平井軌跡優(yōu)化。

表1 不同造斜半徑下參數(shù)對(duì)比

5 結(jié)語

本文對(duì)煤層氣水平井的井斜角進(jìn)行了分析，得到其理論推導(dǎo)公式和影響因素，最后采用計(jì)算機(jī)軟件分析了通過不同的造斜半徑優(yōu)化水平井軌跡的過程。水平井井眼軌跡控制對(duì)于煤層氣的開采非常重要，通過計(jì)算機(jī)軟件對(duì)水平井軌跡進(jìn)行模擬并且優(yōu)化軌跡，提高了開采效率。

[1] Aguilera R. Horizontal wells[M]. Houston：Gulf Publishing Company, 1991.

[2]高德利. 油氣井管柱力學(xué)與工程[M].東營: 中國石油大學(xué)出版社, 2006.

[3]葛云華,蘇義腦.中半徑水平井井眼軌道控制方案設(shè)計(jì)[J].石油鉆采工藝,1993, 15(2):1-7.

[4] 蘇義腦. 水平井井眼軌跡控制研究淺談[J]. 鉆采工藝,1992,15(4):101-107.

[5] 楊國來，李靜，許敏影，等. 先導(dǎo)式溢流閥靜動(dòng)態(tài)特性的仿真研究[J].新技術(shù)新工藝，2013(1)：9-11.

責(zé)任編輯李思文

OptimumDeviationAngleCalculationandInfluencingFactorsAnalysisofCBMHorizontalWells

SHEN Fuhou

(Training Center, North China Petroleum Bureau of Sinopec group, Xinxiang 453000, China)

The paper focused on horizontal well trajectory design and control integration technology issues, based on the theoretical analysis, the optimal inclination angle of tangent section was deduced, and the effect of target reservoir thickness, difference of maximum and minimum build-up rate and the inclination angle of horizontal section on the optimal inclination angle of tangent section were illustrated, and finally the case of trajectory optimization was analyzed.

horizontal well, inclination angle, tangent section, trajectory control

TE 37

:A

申福猴(1978-)，男，工程師，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)和職工培訓(xùn)等方面的研究。

2015-01-12