黃展鵬：探析叢式井側(cè)鉆繞障水平井優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

黃展鵬

摘要：為促進(jìn)油田采收率的提升，應(yīng)用叢式井井網(wǎng)加密技術(shù)的效果顯著。為對(duì)鉆井成本進(jìn)行縮減，應(yīng)用老井，開展開窗側(cè)鉆的形式已經(jīng)成為應(yīng)用普遍程度較高的一種形式。在側(cè)鉆水平井?dāng)?shù)量不斷增加的情況下，繞障井的設(shè)計(jì)難度也不斷提升。分析繞障井設(shè)計(jì)中存在的問題，對(duì)二維定向井及直井的障礙模型進(jìn)行研究，分析側(cè)鉆繞障井和二維三維繞障井的設(shè)計(jì)形式，傳統(tǒng)的繞障井設(shè)計(jì)中，一般情況下先開展水平投影圖的設(shè)計(jì)，進(jìn)而進(jìn)行垂直剖面圖的設(shè)計(jì)，最后校核曲率，設(shè)計(jì)計(jì)算的過程繁瑣程度較高，必須開展反復(fù)性的試算校核干預(yù)，但是其并不能確保設(shè)計(jì)的軌道為最優(yōu)化的管道，所以本文就叢式井側(cè)鉆繞障水平井優(yōu)化設(shè)計(jì)方式展開論述分析。

關(guān)鍵詞：叢式井;側(cè)鉆繞障水平井;優(yōu)化設(shè)計(jì)

一、障礙物描述

叢式井側(cè)鉆繞障水平井設(shè)計(jì)過程中，最關(guān)鍵的障礙物為已鉆的三維水平井，一般情況下，描述實(shí)鉆軌跡的形式可通過自然曲線模型、圓柱螺線模型及最小曲率法開展，分析到實(shí)鉆井眼軌跡的誤差溫蒂，簡(jiǎn)化障礙物，若是障礙井段為穩(wěn)斜段或者直井段的情況下，必須將障礙物視作圓柱體，以直線為軸線;障礙井段設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)為定向井段，空間圓環(huán)中，將障礙物看做其中一部分，圓弧為軸線，設(shè)計(jì)叢式井側(cè)鉆水平井軌道的過程中，O為平臺(tái)中心點(diǎn)，將其作為原點(diǎn)，進(jìn)行空間指標(biāo)坐標(biāo)系的建立[1]。圖1為障礙物穩(wěn)斜井段，在這一情況下，其實(shí)點(diǎn)坐標(biāo)在假定的障礙物軸線上，其為M0（X0，Y0，Z0），其中α0及φ0，其中，障礙物軸向方向向量為t0，表示為（sinα0cosφ0，sinα0sinφ0，cosφ0），r為障礙物軸線上任意一萬個(gè)位置的矢量r，其可應(yīng)用r0+lt0表示，，其中l(wèi)0≥l≥0，此時(shí)，r0表示M0的矢徑，l表示任何一點(diǎn)對(duì)于起始點(diǎn)上于障礙物之上的井深增量。障礙物軸線末端點(diǎn)與起始點(diǎn)采用l0表示。若是障礙物為造斜井段情況下，可以對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化，使之形成空間圓環(huán)，其中軸線為空間圓弧.

二、繞障軌道類型

繞障軌道類型必須從側(cè)鉆點(diǎn)方向，障礙物與靶點(diǎn)方向線之間的相對(duì)位置關(guān)系出發(fā)開展劃分，依側(cè)鉆點(diǎn)障礙物軸線與八點(diǎn)方向線之間的距離及側(cè)障礙物軸線與側(cè)鉆點(diǎn)方向線之間的距離進(jìn)行障礙物與方向線之間的相交性進(jìn)行判定。若是側(cè)鉆點(diǎn)方向線與障礙物相交或者靶點(diǎn)方向線之中一條線與障礙物相交，則設(shè)計(jì)繞障軌道中，設(shè)計(jì)形式為扭方位段與穩(wěn)斜段及扭方位段聯(lián)合的設(shè)計(jì)形式，若是障礙物與兩條方向線均相交，則必須設(shè)計(jì)繞障軌道為扭方位段與扭方位段與扭方位段聯(lián)合，所以，從不同的軌道類型及障礙物，對(duì)側(cè)鉆繞障水平井進(jìn)行類別劃分，其中共計(jì)包括四種類別，具體見下圖3所示[2]。

此時(shí)，側(cè)鉆點(diǎn)A坐標(biāo)為（XA，YA，ZA），其中αA及φA，為井斜角及井斜角方位角，首靶點(diǎn)為T1，其坐標(biāo)為（XT，YT，ZT），其中αr及φr，為井斜角及井斜角方位角，此時(shí)側(cè)鉆點(diǎn)方向線方程及靶點(diǎn)方向線方程表示形式分別為下列公式：

若是直井段或者斜井段為障礙物的情況下，直線為軸線，此時(shí)障礙物軸線與靶點(diǎn)方向線及障礙物軸線與側(cè)鉆點(diǎn)方向線之間，最近的距離d1和d2的表示方式分別為 ，計(jì)算后可獲取，這一算式中，VA——側(cè)鉆點(diǎn)A、Vr——首靶點(diǎn)T1及V0——障礙物起始點(diǎn)M0單位方向向量。

此時(shí)，若是障礙物為定向井段情況下，圓弧為其軸線形狀，若是圓弧的半徑為R，則M為圓弧軌跡上相對(duì)于起始點(diǎn)M0精神增量的S點(diǎn)，依據(jù)上述圓弧及直線矢量方程可以得知，向量 的矢徑可以應(yīng)用下列算式表示，其為 其中，RA代表側(cè)鉆點(diǎn)A矢徑。此情況下，M點(diǎn)知側(cè)鉆點(diǎn)方向下距離可以應(yīng)用公式dA=|VA×rAM|表示。若是M為圓弧上與側(cè)鉆點(diǎn)方位線相距離最近線的情況下，函數(shù)極值條件必須滿足以下條件： 依據(jù)這一公式可以進(jìn)行s的井深增量方程的獲取，可進(jìn)行M點(diǎn)坐標(biāo)的計(jì)算，也可以獲取最近的距離，依靠障礙物與靶點(diǎn)方向線之間最近距離求解過程，得知其與之存在相似性，所以無需贅述。若是計(jì)算獲取的距離d1及d2其中任意一個(gè)距離低于繞障的半徑R情況下，則表示，障礙物僅與一條方向線相交，此時(shí)僅需要進(jìn)行兩段扭方位段的計(jì)算，即可確保安全繞障。若是計(jì)算獲取的距離d1及d2距離均低于繞障的半徑R情況下，則表示，障礙物與上述兩條方向線相交，此時(shí)僅需要進(jìn)行三段扭方位段的計(jì)算，即可確保安全繞障。

三、繞障軌道最優(yōu)化設(shè)計(jì)模型

約束條件

叢式井側(cè)鉆繞障水平井設(shè)計(jì)之中，必須保障障礙物軸線與設(shè)計(jì)軌道之間的最近距離需要高于安全防碰的距離，此為約束條件，為進(jìn)行最近距離解析表達(dá)式的獲取，對(duì)模型中約束條件開展最優(yōu)化干預(yù)，軌道設(shè)計(jì)上，必須進(jìn)行內(nèi)插點(diǎn)的設(shè)計(jì)，分別進(jìn)行不同內(nèi)插點(diǎn)至障礙物軸線距離的就算[3]。

假設(shè)障礙物為直井段或者斜井段的情況下，融安張桂東設(shè)計(jì)中，任意一個(gè)點(diǎn)P，坐標(biāo)為（XP，YP，ZP）其至障礙物軸線的距離表示方式為 ，這一算式中，V1賽表障礙物軸線單位方向的向量。若是定向井段為障礙物情況下，假設(shè)軌道上任意一點(diǎn)為Q，其坐標(biāo)為（XQ，YQT，ZQ），其至障礙物軸線上的弧長(zhǎng)為s，此時(shí)點(diǎn)M矢徑表示方式為 若是M為所求最近點(diǎn)的距離，可存在 則存在M點(diǎn)坐標(biāo)與最近距離的表達(dá)公式。

目標(biāo)函數(shù)

目標(biāo)函數(shù)選擇繞障軌道總長(zhǎng)度的最短數(shù)據(jù)，將其在自然曲線模型之中應(yīng)用，開展軌道計(jì)算和設(shè)計(jì)，自然曲線模型之中，存在常數(shù)的方位變化率和井斜變化率，以此可獲得公式 該情況下，N為設(shè)計(jì)井段的數(shù)量，第i井段井斜變化率為kαi單位為rad/m，第i井段的軌道長(zhǎng)度為L(zhǎng)i，單位為m，第i井段中方位變化率為kφi，單位為rad/m，△α指的是側(cè)靶點(diǎn)與側(cè)鉆點(diǎn)之間的井斜變化量，單位為rad，△φ為靶點(diǎn)與側(cè)鉆點(diǎn)之間的方位變化量，單位為rad。

其中，針對(duì)兩端扭方位段繞障設(shè)計(jì)中，其繞障軌道的總長(zhǎng)度為L(zhǎng)T的情況下，其主要值得為第一扭方位段的長(zhǎng)度L1，LH為穩(wěn)斜段長(zhǎng)度，第二扭方位的段長(zhǎng)L2的和值，也就是Lr=L1+L2+LH，此時(shí)優(yōu)化變量涵蓋LH、kφ，1、kφ，2、kα，1、kα，2，其中， 若是為三段扭方位段繞障設(shè)計(jì)中，總長(zhǎng)度Lr為三段扭方位段的長(zhǎng)度，其計(jì)算方式為L(zhǎng)r=L1+L2+L3，優(yōu)化變量為L(zhǎng)1、kφ，1、kφ，2、kφ，3、kα，1、kα，2，kα，3，計(jì)算方式為

四、結(jié)束語

綜上所述，本文章所構(gòu)建的叢式井側(cè)鉆繞障水平井軌道最優(yōu)化模型，針對(duì)叢式井側(cè)鉆水平設(shè)計(jì)中需要對(duì)已鉆障礙經(jīng)進(jìn)行避開的問題，依據(jù)障礙井段，將其劃分為定向井段，以圓柱及圓環(huán)模型抽象障礙物方式，可在對(duì)安全防碰距離進(jìn)行滿足的情況下，滿足最大井斜變化率，滿足最大井眼曲率和最大方位變化率，可在約束條件下，進(jìn)行最短繞障軌道的設(shè)計(jì)，降低了重復(fù)性校核和試算的發(fā)生率，這一模型，在其余類型的繞障井設(shè)計(jì)中同樣適用。

參考文獻(xiàn)：

[1]謝虹橋. 涪陵頁巖氣田三維叢式水平井軌跡控制技術(shù)[J]. 石油工業(yè)技術(shù)監(jiān)督， 2021， 37（4）：5.

[2]王桂宏. 大慶油田叢式井場(chǎng)電控一體化集成裝置應(yīng)用研究[J]. 油氣田地面工程， 2020， 39（10）：5.

[3]楊明偉. YSL油田叢式定向井鉆井提速配套技術(shù)研究[J]. 西部探礦工程， 2020， 32（7）：2.