20世纪90年代初期，我国开展了大规模的水平井钻井技术攻关。经过20多年的研究与应用，水平井已应用于几乎所有类型的油气藏，成为油气田开发中的一项成熟实用技术［1］。在确定水平井井位的过程中，经常出现复杂地面条件与水平井井位优选的矛盾。部分水平井因复杂地面条件的限制，采用常规的靶前距(287～191m)和造斜率((20°～30°)/100m)，无合适的井口位置。解决办法一是移动井口增大靶前距，井眼长度增加，摩阻增大，成本增加;二是采用180～140m的小靶前距，一次造斜的造斜率高达(31.80°～40.89°)/100m，影响钻具、完井管柱的正常下入和随钻测量仪器的正常工作，增大了轨迹控制难度和卡钻风险。为此，研究采用反位移法设计小靶前距水平井轨道，降低了轨迹控制难度、摩阻和成本。
1轨道设计方法
水平井的井眼轨道设计就是要确定水平段以上的井眼几何轨迹，即把井眼轨道设计成通过水平段的铅垂平面内的曲线或曲、直线段组合。依靠曲线段造斜，可实现井眼从井口位置向一定距离外的靶点延伸，井口与第一靶点在水平面的距离即为靶前距。对于水平井，曲线段井斜一般从0°增加至90°左右，该曲线段所属圆弧的半径即造斜所需最小位移。当靶前位移大于最小位移时，可以通过在曲线段中间增加斜直线段或者使用更大半径的曲线段来完成造斜。当靶前位移小于最小位移时，则需要使用更小半径的曲线段来完成造斜。小靶前距水平井采用反位移增距的方法，使用常规造斜率设计小靶前距水平井的井眼轨道剖面，剖面设计计算示意见图1。图1小靶前距水平井反位移法轨道设计计算示意剖面共分为三段:第一段是井口O至中点D的反向造斜段，该段一般形式为“直－增－稳－降”，中点的井斜角为0°;第二段为中点D至水平井入靶点G的增斜着陆段，该段形式一般为“增－稳－增”［2］。第三段为靶点G至水平段终点H的水平稳斜段。设计计算主要包括以下三个步骤:第一步:设计第二段DG的井眼轨道，计算合适的水平井靶前距Sz。双增剖面的设计要素有以下关系:SZ=Ｒ3(1－cosαw2)+Lw2sinαw2+Ｒ4(cosαw2－cosαH)(1)HDG=Ｒ3sinαw2+Lw2cosαw2+Ｒ4(sinαH－sinαw2)(2)式中:Ｒ3、Ｒ4分别为两个增斜段的曲率半径，m;LW2为稳斜段长度，m;αW2为稳斜段井斜角，(°);αH为水平段入靶井斜角，(°);HDG为DG间的垂深增量，m;SZ为DG间的位移，m;若LW2=0，则SZ为井斜角从0°增加到水平段稳斜角αH的最小位移。在式(1)，(2)中，计算参数共7个，其中曲率半径Ｒ2、Ｒ3、水平段入靶井斜αH已知，即只要确定稳斜段长度LW2和稳斜段井斜角αW2即可完成设计。而LW2、αW2是作为轨迹调整需要预留的稳斜段长度和井斜角，可由设计者根据需要设定。第二步:确定反位移量SN，设计第一段井眼轨道。使用“增－稳－降”剖面反向造斜，设计井口O点至中点D之间的井眼轨道。根据位移SZ及靶前距So确定反位移量SN，选择常规造斜率进行增－稳－降剖面设计。确定了造斜点深度HKOP、造斜率、位移以后，即可用式(3)，(5)［3］计算稳斜段井斜角αW1和长度LW1。αw1=sin－1ＲoHAD2+(Ｒo－SN)槡2－tan－1Ｒo－SNHAD(3)HZ1=HG－HDG－HA－sinαw1(Ｒ1+Ｒ2)(4)Lw1=HZ1cosαw1(5)式中:Ｒ1为反向造斜段增斜曲率半径，m;Ｒ2为反向造斜段降斜曲率半径，m;ＲO为曲率半径之和，m，ＲO=Ｒ1+Ｒ2;SN为井口O至中点D的位移，m，SN=SZ－SO;HAD为AD段的垂深增量，m，HAD=HG－HA－HDG;HG为靶点垂深，m;HA为造斜点垂深，m。选择不同的造斜点深度，计算得出不同的最大井斜及稳斜段长度，筛选合适的参数，即可完成该段井眼轨道设计。第三步:设计水平段G点到H点之间的水平稳斜段的参数。水平段长度Ls和井斜角αH为已知，由式(6)，(7)计算水平段位移Ss和垂深增量Hs:Ss=LssinαH(6)Hs=LscosαH(7)式中:Ss为水平段位移，m;Hs为水平段垂深增量，m;Ls为水平段长度，m。
2应用实例
C11p1井是江苏油田研究实施的第一口小靶前距水平井，该井由于地面条件的限制，选择了靶前距为172.17m的小靶前距，地质设计给定了井口坐标、水平段A、B靶点的坐标，通过计算求得设计所需的靶前距、入靶井斜角、方位角等基本参数，然后按23°/100m的常规造斜率设计出自中点至水平井入靶点井段的水平井轨道，求得常规造斜率所需的靶前距为272.97m，计算出反位移量为100.8m。再通过设定造斜点、造斜率、降斜率等参数，使用“增－稳－降”剖面设计反向造斜段的井眼轨道。最后，计算水平段的轨道参数后完成全井轨道的设计。应用反位移法设计的井眼轨道剖面数据见表1。如果用一次造斜方法设计水平井的井眼轨道，其剖面数据见表2。该井按设计的井眼轨道，自872.64m开始反向造斜，井斜增至5.5°后稳斜钻进至2047.62m，再降斜钻进至2134.50m，井斜角降到了1.2°，反向位移达到98.94m。从此处开始二次造斜，根据现场随钻地质测井数据监测调整轨迹，钻进至2570m，垂深2440.55m，井斜86.7°，闭合距141.71m，比设计闭合距提前30m进入水平段，微调轨迹稳斜钻完水平段至井深2801.51m完钻。在大井斜段，尤其是水平段的钻进过程中，由于轨迹较复杂，托压较严重，加压困难，通过增加短起下频次和提高钻井液的润滑性，较好地解决了托压问题。实钻井眼轨迹关键点数据见表3。
3结论
(1)在地面条件允许的情况下仍应优先选择常规靶前距水平井。(2)小靶前距水平井若采用一次造斜设计，造斜率高，影响钻具、完井管柱的正常下入、随钻测量仪器的正常工作，增大了轨迹控制难度和卡钻风险。(3)反位移法设计小靶前距水平井轨道，解决了一次造斜造斜率高的问题，但井眼轨道较复杂，易发生托压问题。(4)反位移量宜尽量小，以减小轨道的复杂程度，缩短井眼长度。
作者:马开良 陈小元 王建 窦正道 莫钺 单位:中国石化江苏油田分公司石油工程技术研究院
