（油气井工程专业论文）鱼骨型分支井轨道优化设计研究.pdf

m u l t i - l a t e r a lw e l lo ff i s h - b o n eo p t i m a ld e s i g no nt r a c k y o uy a n r u i ( o i l & g a sw e l le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f h a nl a i - j ua n db uy u h u a n a b s t r a c t t y p i c a lw e l l b r a n c ht e c h n o l o g i c a lo ft h ef i s hb o n ec a u s e dw i d e s p r e a dc o n c e r ni nt h e o i li n d u s t r y ，a n dt h et r a c kd e s i g n e do ft h ew e l ld r i l l i n gp r o j e c tb e f o r et h ed r i l l i n gi st h ef i r s t k e y t h e r e f o r e ，t h eb r a n c ho ft h ew e l lt oc a r r yo u tr e s e a r c hd e s i g n e dt oo p t i m i z et h et r a c k f o r t h eb r a n c hw e l ld r i l l i n gt e c h n o l o g yi so fg r e a ts i g n i f i c a n c e t h i sp a p e rb a s e do nt h et h ef i s hb o n eb r a n c hw e l lo fs h e n g l io i l f i e l dw h i c hh a sb e e n d r i l l e d ，w ed e t a i l e dd i s c u s st h et r a c kt y p ea n dr e s e r v o i ra d a p t a b i l i t yo ft h ef i s hb o n e - b r a n c h w e l l t h ed e s i g no ft h et r a c kn e e dt oc o n s i d e r e dr e s e r v o i rg e o l o g yf a c t o r sa n dt h e i rm u t u a l i n f l u e n c e ，s u m m e du pt h e f i s hb o n e b r a n c hw e l l d e s i g np r i n c i p l e s ，m e t h o d sa n d s t e p s r e s e a r c ht h eb r a n c hp a t t e r n sf r o mt h ec a p a c i t ya n dt o o l s ，t h es h a p ep a r a m e t e r sa r et h e l e n g t ho fb r a n c hw e l l ，b r a n c ha n g l e ，t h en u m b e ro fb r a n c h eh o l e ，t h en u m b e ro fb r a n c h e s ， t h es p a c i n go fb r a n c hw e l l s g e tt h ep r o d u c t i o ni m p a c t i o nl a wf r o md i f f e r e n tp a r a m e t e r so n t h ef o r mo ff i s h - b o n eb r a n c h e s ，ia n a l y s et h eb r a n c ha n g l e ，b r a n c hl e n g t ha n db r a n c h b e n d i n g ，s l o p e m a d et o o l s 谢t l lc o m p a s ss o f t w a r e ，t h e r e s u l t sf o rt h em u l t i - b r a n c h h o r i z o n t a lw e l l st oo p t i m i z et h ed e s i g np a r a m e t e r so ft h ef o r mi sg r e a ts i g n i f i c a n c e i nv i e w o ft h r e e d i m e n s i o n a lc h a r a c t e r i s t i c so ff i s hb o n eb r a n c hw e l l s ，f o c u so nt h e t h r e e d i m e n s i o n a ld e s i g na n dc a l c u l a t i o nm e t h o d s ，a n ds u b - t r a c kd e s i g na n dc a l c u l a t i o n m e t h o d s t h em e t h o d sp r o v i d eat h e o r e t i c a lb a s i sf o rc o m p u t e rp r o g r a m s ，i tc a nb ew i d e l y a p p l i e d i nt h ea c t u a l d e s i g n a t t h es a m et i m eo nt h eb a s i so ft h ec o n c e p t u a l d e s i g n ，e s t a b l i s h i n ga na l l h o l e t r a c ko ft h em o s to p t i m a ld e s i g nm o d e l sa n di n t r o d u c e o p t i m i z a t i o nm u l t i p l i e rm e t h o dt oo p t i m i z et h ed e s i g no ft h eh o l et r a c k f o rm e c h a n i c a l p r o p e r t i e so ff i s hb o n eb r a n c ho ft h eh o l es e c t i o n ，r e s e a r c ht h es t r e s sd i s t r i b u t i o nr e g u l a r p a t t e mo ft h eb r a n c hc o n n e c t i o n u s i n gf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i st h er a d i u so fc u r v a t u r ea n d s i d e t r a c k p o s i t i o no f t h ew a l l c o n n e c t i n g t h e i m p a c t o fs t r e s s d i s t r i b u t i o n ，a n d d e s t r u c t i v e n e s sa n dr e g u l a rp a t t e mo fc h a n g e so nt h ec o n n e c t i o n ，w h i l es u m m e du pt h e m o s ts t a b l eo ft h eh o l ew h e nt h eb e s ts i d eb r a n c h e sa l o n gt h ed r i l l i n gp o s i t i o ni st h eg r e a t e s t l e v e lo fs t r e s sd i r e c t i o n w e l lb r a n c ho ff i s hb o n e o p t i m a ld e s i g no nt r a c kd e s i g nh a sb e e ns u c c e s s f u l l ya p p l i e d i nt h ee i g h tw e l l so fs h e n g l io i l f i e l d ，a n dh a v eo b t a i n e dv e r yg o o dd r i l l i n gr e s u l t s k e yw o r d s ：f i s hb o n e b r a n c h ，b r a n c hp a r e m s ，w e l l st r a c k ，o p t i m a ld e s i g nm o d e l 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得 的成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致 谢外，本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得 中国石油大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同 工作的同志对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： 刍刍雌 日期： 五乃年卜月2 z 日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其r 印l i l 0 版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅 和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或 其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名： 浊圭包篷二。 日期： p 7 年r 月吖e l 指剥币躲聿醛睁日期洳9 年厂月“日 | 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 问题的提出及研究的意义 第一章绪论 1 1 1 问题提出的背景 鱼骨型分支井钻井技术是在水平井钻井技术基础上发展起来的，是指在水平井水 平井段的左右两侧或单侧再钻进两个或两个以上的分支井眼的一种钻井新技术。 分支井技术起源于2 0 世纪5 0 年代，第一批分支井开始于前苏联的俄罗斯和乌克 兰地区，第二批分支井于1 9 6 8 年开钻于前苏联的西伯利亚地斟1 1 。直到1 9 9 5 年以后， 随着水平井完井技术的发展和三维地震技术的普及，鱼骨型分支井技术才得到了迅速 的发展。该项技术与常规水平井相比，鱼骨型分支井有助于制定合理的开发方案，以 较低的成本有效开发多产层油藏，形状不规则油藏，低渗、稠油、薄层、枯竭油藏及 裂缝油藏等。从钻井角度看，鱼骨型分支井可以大大节约钻井成本和时间，增加油层 裸露面积，减少占用土地及有利于环境保护。因此鱼骨型分支井技术目前成为热门技 术，引起了世界石油工业的广泛关注。 目前，鱼骨型分支井技术主要用来开采如下一些储层：小型或隔离区块油层，阁 楼油，透镜状储层，高定向渗透性储层，垂直叠加的单个油层，需要优化压力控制和 提高波及效率的储层，渗透率不同需要水驱的储层，有多组天然裂缝的储层等。由于 鱼骨型分支井开采的油藏都是比较复杂的油藏，钻井完井费用远高于一口常规直井或 水平井的钻完井费用，因此为了避免分支井井眼轨道走向的盲目性，同时达到提高产 量的目的，就必须对分支井在地层中的展布和走向及其形态进行精确地设计。 轨道设计是钻分支井前钻井工程的首要关键环节。虽然井眼轨道设计己经有近5 0 年的研究和发展历史，但是由于鱼骨型分支井自身的复杂性和特殊性，对目前井眼轨 道设计提出了新的挑战，相关的理论和技术距人们所期望的理想目标还相差甚远。 同时，对于鱼骨型分支井连接井段的力学特性及其井壁稳定性问题，也是一个非 常关键的问题，因为分支井连接井段的力学特性及其应力分布情况直接决定了分支完 井的方式选择以及完井质量的好坏。如果在完井前没有很好的进行连接井段地层应力 释放情况的研究，就可能造成连接失效，导致分支的丢失和井下复杂事故的发生。由 于连接井段的井眼几何形状复杂，在地层中的空间形态各异，地层应力大小和方向不 同，以及分支曲率半径和方位不一样，连接井眼段的应力集中和破坏情况就会各不相 第一章绪论 同。因此对于这样一个空间不规则的几何体而言，很难用一个解析公式求解连接段的 应力重新分布问题以及井眼的变形和破坏问题。目前在这方面的研究工作国内比较少， 因此在这方面的研究是具有开创性意义的研究。 1 1 2 研究意义 我国油田现己进入高含水开采阶段，探索一系列经济可行的手段来挖潜剩余油已 成为今后一个时期内的主要研究课题。据有关资料介绍，采用鱼骨型分支井技术可使 油气的采收速度和采收率提高3 0 - - , 6 0 ，油田开发综合成本降低2 0 - - - , 5 0 。因此， 结合我国油田开发现状，利用多分支井挖潜剩余油已成为一种必然趋势。 鱼骨型分支井在经济方面的优势主要表现为： ( 1 ) 在钻井和完井时，可从主井眼上直接增加分支； ( 2 ) 海上钻井采用鱼骨型分支井钻井工艺，可以从一个平台槽钻多个分支井眼， 能暴露出更多的产层，从而减少海上平台槽的数量，缩减平台的数量和尺寸； ( 3 ) 把边际油田转变为具有经济开发价值的油田； ( 4 ) 应用分支井钻井技术能够降低油田的开发成本； ( 5 ) 采用分支井钻井技术从一个位置开采，降低了审批等的费用； ( 6 ) 在未知渗透率的各向异性地层中，钻分支井可减小经济风险； ( 7 ) 降低废弃物处置费用，由于分支井眼省去了许多垂直井段，需要的钻井进尺 也相应减少，需要处置的钻井液及钻屑也少； ( 8 ) 钻井场地占用小，减少了土地费用及对环境的污染； ( 9 ) 可以降低地面采油和集输设备上钻井隔水管及井1 2 1 等材料的成本。 由于鱼骨型分支井独特的优势，尤其是随着石油开采业的不断发展以及石油价格 不断的提升，世界各国对多分支井的研究与应用都极为关注。近年来，鱼骨型分支井 技术的研究文献呈不断上升趋势，但这些研究主要集中在鱼骨型分支井钻采工具和钻 采工艺技术领域，到目前为止，有关轨道设计定量研究的文献尚未发现。 目前需要解决的基础性问题有： ( 1 ) 鱼骨型分支井的造斜点的位置及方位的确定； ( 2 ) 鱼骨型分支井分支数目的确定； ( 3 ) 鱼骨型分支井分支长度的确定； ( 4 ) 分支井眼连接井段的力学特性和井壁稳定性问题。 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 因此鱼骨型分支井的轨道优化设计的研究不仅有巨大的工程实际应用价值，而且 将推动鱼骨型分支井技术的发展。 1 2 国内外研究现状分析 1 2 1 分支井技术研究现状 分支井技术是在定向井、大斜度井和水平井技术基础上发展起来的一项石油开采 技术，它可以大大提高油藏的采收率，降低油藏开采综合成本，经济效益十分显著， 应用前景十分广泛，应该是2 1 世纪油气田开发的主体工艺技术之一。 分支井技术的理论早在2 0 世纪初就提出来了，自从1 9 5 3 年前苏联用涡轮钻具钻 成世界上第一口真正的分支井一伊申拜6 6 4 5 井( 9 个分支井眼，产量是直井的1 7 倍) 到现在，分支井技术现场运用技术的发展己经经历了半个世纪，但是分支井技术的理 论早在2 0 世纪初就提出来了，在上世纪8 0 年代以前仅仅前苏联在该技术上做了较多 的研究，至1 9 9 0 年，前苏联共打了1 2 6 口多分支井，其中3 31 2 1 勘探井、7 71 2 采油井、 31 2 1 注入井和9 口其它用途井【2 1 。 到上世纪9 0 年代，随着定向井、水平井技术的日臻成熟以及井下工具的快速发展， 以美国、加拿大为主的许多国家石油公司便开始对分支井进行大规模的研究和现场应 用。特别是井下工具的快速发展大大加速了分支井技术的发展，国外已经研制出多套 多底井系统，据不完全统计，b a k e r o i l t o o l ，h a l l i b u r t o n ，s p e r r y s u n 等公司现已研制 成功了近2 0 套多分支井系统，并钻成了近2 0 0 01 2 多分支井。在某种意义上说，没有 井下钻井工具的发展是不可能有分支井技术的广泛应用。近年来多分支井系统的更新 速度很快，大多数并都实现了四级以上完井，实现了工程为地质油藏服务的目标，获 得了较大的经济效益。 1 9 9 7 年春，由英国s h e l l 公司e r i c d i g g i n s 组织在阿伯丁举行了多分支井的技术进 展论坛，并按复杂性和功能性建立了t a m l ( t e c h n o l o g ya d v a n c e m e mm u l t i l a t e r a l s ) 分级 体系【3 5 1 ，其目的是为多分支井技术的发展指出一个更加统一的方向。为了满足分支井 技术发展要求，m a r a t h o n 等多家石油公司开发了多种分支井钻井完井系统。虽然目前 分支井井下装置系统还不太成熟，有许多需要改进和完善之处，但是它们标志着分支 井技术已开始进入划时代发展阶段。 据不完全统计，目前世界上己有数千口分支井，其中约8 0 都是裸眼完井，约2 0 是衬管完井，只有个别井是尾管完井。这些分支井基本上采用已有的常规钻井技术， 3 第一章绪论 地面设备与钻直井无多少区别。主要是完井技术和需满足特殊要求的完井工具与常规 有所区别。当然在地质导向( 随钻测井) 技术、井下泥浆马达( 涡轮和螺杆) 、钻头选型( 无 轴承的p d c 和t s p 钻头) 等方面都采用了新技术、新工具。 我国从1 9 9 3 年才开始在东部老油田进行老井侧钻分支井眼尝试，而国外在2 0 世 纪7 0 年代末就己经进行了大量的老井侧钻分支井眼作业。美国b e c h t e l 公司于1 9 8 7 年开发出水力破岩分支水平井技术，并在加利福尼亚和洛杉矶油田钻成径向分支水平 井6 0 0 余口，而我国目前这种技术和该类型的分支井比较少。1 9 9 2 年国外开始进行井 下分支装置系统研究，1 9 9 3 年和1 9 9 4 年几家石油公司开始进行现场试验( 目前某些系 统己趋于成熟) ，而我国到1 9 9 7 年才开始准备立项研究【6 】o 国内各科研院所、油田都十分重视多分支井技术的攻关，辽河石油勘探局是国内 第一家成功研制并现场应用具有t a m l 第四等级多分支井技术的单位。对分支井的运 用我国还处于试验阶段，在技术研究上还远远落后于国外，我国和国外分支井技术发 展差距为5 1 0 年。为此，建议尽快开展分支井钻井完井综合配套工具的试验研究， 以促使我国尽早赶上国外分支井钻井完井技术水平。 国外各大公司仍然把多分支井技术作为前沿课题进行攻关，并且把多分支井技术 作为公司的标志性技术。并且在分支井技术的研究上主要集中在钻井和完井技术上。 但是，分支井的油藏评价技术也远远落后于分支井的钻井技术，对钻井项目的评价和 油井产能预测这一个古老而又难以精确解决的问题一直以来困扰着石油界，因为钻井 过程中和油藏中不确定性的存在使得对油田开发的评价带来很多困难。一直以来，研 究人员曾通过多方面的努力来描述并估算水平井和多侧向井、分支井的生产指数和注 水指数，而且为此建立了若干模型。在建立形式简化但计算准确的解析和半解析模型 过程中，人们借鉴了垂直井模型经验，采用模拟井的概念并考虑了油藏几何形状的影 响。通常人们将油井的泄油面积简化为具有封闭边界的平行六面体，或简化为项部或 底部压力恒定，边部为封闭边界或无限大的油藏。虽然数值模拟可适用于非均质或其 他复杂的油藏，但采用解析模型计算生产指数还是具有很大吸引力和指导意义的。 从2 0 世纪5 0 年代开始研究水平井产能预测方法到现在，国外很多学者对此做了 很多努力，对于多分支井和打开部分井段的水平井，国内目前还没有一个可准确预测 其产能的模型。s u r a k y e t e n 【7 】等人对非常规井的类型、井位和轨道进行的研究，主要运 用油藏数值模拟技术和神经网络等方法，对分支井分支位置的选择和分支长度进行了 经济评价，最终优选出井的类型、位置和轨道走向及分支长度。r a v b r i s t e r g y p 8 】等人 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 对分支井的分支造斜点的优选进行了研究。我国在1 9 9 0 年前后才开始研究水平井渗流 理论，但是关于分支井渗流理论的研究近几年才开始，一些多文献对此做了研究1 1 。 而定量研究国内也是近年才开始，范子菲【1 2 】等对油藏和气藏水平井水平段最优长 度设计方法进行了定量的研究，分析了几个关键参数对产量的影响。1 9 9 8 年程林松等 对水驱油藏合理水平井段长度的确定方法进行了基于经济评价模型的定量研究，根据 资金平衡原理，运用最优化方法，综合考虑水驱油藏水平井开发的技术指标因素和经 济指标因素建立了确定水驱油藏水平井开发中合理水平段长度的优化模型，提出了一 种确定水平井合理水平段长度的工程计算方法；同时，还给出了水平井开发中各项费 用及收入的计算方法：根据所介绍的方法，在微机上研制和开发了水平井合理水平段 长度的优化计算软件；运用该方法对某海上油田进行了计算，与数值模拟计算结果对 比表明该计算方法可应用于水平井开发的优化设计。胡月亭【l3 】等对水平井水平段长度 优化设计方法进行了研究，通过分析一口水平井的投入与产出随水平段长度的延伸而 发生的相应变化，着重对模型目标函数的选取及水平段长度的效益约束方程进行分析 研究。杨耀忠等对屋脊式断块油藏侧钻水平井优化技术进行了研究，根据屋脊式断块 油藏侧钻水平井的地质条件，对地质建模、剩余油分布研究的相关技术进行了综合论 述；并研究了水平井地质参数敏感性，指出了这类油藏进行侧钻的水平段最佳优化方 位、最佳长度及最佳射开部位；在临盘油田盘4 0 块屋脊式断块油藏应用了侧钻水平井 技术，根据剩余油研究结果及优化的水平井地质参数进行了布井。 综上所述，水平分支井的钻井完井技术是超前于它的油藏评价技术，对于鱼骨型 分支井轨道优化设计涉及诸如地质及油藏工程和钻井工艺如何结合等方面的问题，目 前还未见文献报道，但是分支井关键参数对产量等的影响，如分支数目，长度等对产 能的影响虽已有文献进行研究，并且这些研究大都是针对分支井而作出的，对于整口 鱼骨型分支井的轨道如何优化设计和任意形状轨道下产能的预测现在还是一个大难 题，同时，分支段井壁稳定的研究才刚刚开始，急需进一步的研究。就目前鱼骨型分 支井技术的发展来看，现在还有很多须待解决的关键技术和问题，而现在急需解决好 的关键技术有： ( 1 ) 鱼骨型分支井的地质、油藏工程与井眼轨道最优化设计的综合技术。即根据 地质、油藏条件和拟用的采油方式，选择分级标准并确定井身剖面的类型。分支井的 类型选择取决于产层特征、开发目的、开采条件、产层厚度和它的岩性，以及产层上 部是否存在密闭层。分支井的井身剖面、分支长度和分支数目等取决于产层的非均质 5 第一章绪论 性、地层厚度、岩性、岩石硬度的分布、地层剖面的稳定性等。选择和设计时还必须 考虑当时的钻井、固井、完井工艺技术水平。 ( 2 ) 研究多分支井的固井、完井、采油、增产、修井配套技术及专用软、硬件的 开发工作。鱼骨型分支井是用钻井手段提高产量和采收率的新兴技术，其技术难度较 大，尤其是完井技术。因此，我们必须在跟踪国外技术的同时，加大研究力度，要有 所创新，尽快开发和完善该项技术。 ( 3 ) 分支井眼的井眼稳定技术、轨道控制技术、扭矩摩阻预测技术、井下压力波 动预测技术、井控技术等等。 1 2 2 井眼轨道设计的研究现状 对于鱼骨型分支井的主井眼和分支井眼轨道设计计算，一般来讲是和常规的定向 井、水平井轨道设计方法一样。而一般井眼轨道设计都是二维设计，至今为止主要以 直线一圆弧组合剖面和悬链线剖面等为主。其中最典型的剖面有“l ”型、“s ”型和 双增型剖面。w i g g i n s t z l l 4 从增斜一稳斜井段中的5 个未知参数的关系分析出发，推导 了“l ”型、“s 型和连续增型剖面的计算公式。k i k u c h i 从平面几何的角度讨论了 双增型剖面水平井轨道的的设计方法，建立了基本公式，并编制相应的软件，它的最 大特点在于设计井眼轨道时可以考虑相应的地质参数，如地层倾角等。h a s h e m 1 5 】应用 几何学原理推导了大位移井和水平井的基本公式，并设计了通用的p c 程序。国内韩 志勇对定向井轨道设计进行了详尽的研究。 但是，二维剖面井眼轨道无法解决在定向钻井实际施工中所碰到的三维空间问题。 刘根梅等研究了两种三维定向井设计方法：水平面投影法和空间斜平面法。水平面投 影法适用于稳斜变方位的三维定向井轨道设计，它是将定向井三维井眼所在的曲面展 开后再投影到水平面上，进而根据水平投影图计算出当量水平位移。空间斜平面法适 用于定向井增斜和降斜变方位及三维侧钻井眼轨道设计它的基本作法是进行坐标变 换。赵静华根据三次函数方程的图像与定向井井身剖面很相似的特点，用变换坐标轴 的方法使图像在第四象限内，分析函数方程中各参数与图像的关系和实际表示的意义， 从而得到井眼轨道的三维设计公式，这种设计方法的特点是井眼曲线是一条连续的曲 线。冯志明祥细分析了多种轨道设计方法，它们的特点是把动力钻具装置角在钻进的 过程中作为常数来处理，不符合实际情况。因为在实际钻进中弯角可以保持不变，但 装置角却随着井眼轨道的增长而不断变化。也就是说，在钻进过程中，装置角是一个 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 瞬时值。因此，冯志明把装置角作为一个瞬时值来考虑，建立了一套新的模式。g u o 等讨论三种三维设计方法：常曲率法、曲率半径法和常变方位率法。c o b b l e t m 7 1 等讨 论了短曲率半径、中曲率半径和长曲率半径定向井的轨道设计。m c o i l l i a n 讨论了定 向井轨道设计的计算机算法。s h e p p a r d t l 8 】等着重考虑如何降低轨道摩阻和扭矩情况下 的轨道设计问题。d a v i d 1 9 1 等分别讨论了定向井轨道设计的p c 优化算法。 在定向钻进中，实钻井眼轨道与理论设计轨道是不可能完全吻合的，二者之间必 然存在一定的偏差。如果偏差在允许的范围以内，则可继续钻进；如果超过允许范围， 或当要绕障钻进时，就应该随钻修正设计，以使钻头在已偏差的基础上，沿着一条新 的理论曲线向目标点钻进。因此，随钻修正设计在现场施工中几乎是不可避免的。白 家祉等主要讨论了随钻修正设计的性质，提出了两种修正方案，对每种方案推导了具 体方程组，并运用牛顿迭代法编程。陈作等首先通过实钻井眼轨道数据和井下钻具的 造斜能力来判别实钻井眼轨道与原设计井眼轨道的偏离情况然后根据偏离的情况来修 正待钻井眼轨道设计，并对待钻井段造斜钻具组合进行判别。当不发生偏离时，不改 变钻具组合，继续钻进；当实钻井眼与设计井眼发生偏离时，利用实钻中正在使用的 造斜钻具另加一套稳斜钻具可准确钻达水平段的靶点。刘修缮等将水平井的待钻设计 问题分为两类：( 1 ) 限制终点井眼方向并适当限制终点的位置；( 2 ) 限制终点的位置和 井眼方向；针对以上两类问题讨论了方向斜平面法和复合斜平面法两种待钻设计方法。 孙国华采用柱面法研究了三维绕障多目标井的轨道设计，把轨道分为七段，即直一增 一增扭一稳扭一稳稳一稳扭一稳稳，推导出了该类井轨道设计的通用算式。阎铁等根 据绕障定向井的具体条件，从三角几何学及水平、垂直图分析，建立了一套绕障定向 井筒单实用的待钻设计方法。邱国虎等给出了含有井斜变化率、方位变化率、段长等 未知数的井眼轨道三维方程，并应用无约束条件下的最优化方法进行求解。因为没有 限制工具造斜率的范围，所以这种方法的缺点是不能保证设计出来的井眼轨道是可行 的轨道。艾池等针对井眼轨道设计的内容、形式以及设计方法的多样性问题，提出了 井眼轨道设计的广义方程。该方程与井眼轨道的具体描述模型无关，适用于定向井和 水平井的二维和三维剖面设计。其中，待钻井眼设计采用斜平面模型；绕障井段设计 是将障碍物抽象为铅直圆柱；对于三维漂移轨道设计，除考虑最大井斜角和第一稳斜 段外，还要确定初始方位角。张众等将非线性最优化理论引入到定向井、水平井的轨 道设计中，把轨道设计问题归结为非线性不等式约束下的非线性规划问题，并采用序 列无约束最优化方法c s u m t 求解，得到具有满足现场工具造斜能力、井眼最短、管 7 第一章绪论 柱摩阻最小等特点。迄今为止，关于三维井眼轨道的模型有很多种，考虑到钻柱的摩 阻扭矩和狗腿度，现在多采用斜面圆弧。 就目前来讲，国内外单纯的轨道设计计算方法基本己经成熟，水平是基本一致的， 常规二维井眼轨道设计、水平井井眼轨道设计、丛式井设计、斜面法井眼轨道设计等 理论在国内外都有研究和应用。为了适应各种实际情况，出现了各种设计理论和方法。 有为了减少钻柱扭矩的设计方法，有为了减少摩阻的设计方法。但是单纯的轨道设计 方法还远远不能满足分支井轨道设计的要求，鱼骨型分支井轨道设计不光要考虑地质 和油藏工程的要求，还要满足钻井工艺上的要求。b l o w s o n 2 0 】阐述了多分支井井眼轨 道设计的一般规则。目前还没有见到关于鱼骨型分支井轨道设计的详细设计理论和评 价技术。 1 3 轨道设计方法概述 鱼骨型分支井轨道设计是一个高协作性工作，首先要进行详细的油藏三维描述， 特别是油藏的几何特性，最大应力方向以及油气的流动规律等等；再根据三维油藏模 型来设计出分支轨道。对于分支井来说，主井筒的轨道应尽量简单，以保证钻井完井 顺利进行，并使主井筒与分支井筒之间有良好的连通性。一旦确定了主井眼水平段上 的一系列分支侧钻点后，接着设计各个分支井眼。在分支井眼设计时，要充分考虑到 渗透性和应力的各向异性的影响，e c o n o m i d e s 等人已对渗透性的各向异性在设计分支 井眼方位和间距之间的关系做了一定的研究。分支井的延伸方向应该和渗透率大的方 向垂直以达到产油量最大。在考虑到后续作业以及裂缝的方向时，分支井筒的延伸方 向应该和裂缝延伸方向垂直。 对于区域性延伸的油藏，含薄的或厚的砂岩，存在底水或气顶，如果分支间距小， 则能提高累积采油量和提高采收率，但是这会增加钻井成本。因此在确定分支井眼的 数目、分支长度和最优间距时首先必须考虑钻井工艺技术能否达到【2 1 - 2 3 。 首先确定井口坐标和各个靶点的坐标以及垂深，有了井口坐标，井底垂深和各靶 点数据后，下一步就是要设计主井眼轨道，此时，就可以借助于一般水平井的设计方 法进行设计。 在设计分支井眼时要考虑穿过的油藏流体体系，因为在一个分支中窜入非油气流 体就会阻碍油气通道，影响其它的分支生产甚至导致井下复杂事故。 各个分支的汇流效应取决于油藏中的水力连通性。如果各个分支是水力分隔的， 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 泄油体之间的压差逐渐增大，这将会导致分支之间的液体流动。如果油藏中的各个分 支是水力连通的，各个分支共同从同一油藏分流产量，只要主泄油井筒和各个分支井 筒之间的压差保持最低，就可以达到各个分支之间的流体不会互相窜流，也可以大致 确定泄油体的大小和几何形状，对每一个分支就可以单独预测其产能。用油藏数值模 拟的方法可以更精确的进行产能预测【2 6 。2 引。 鱼骨型分支井和一般水平井一样存在着很多的潜在风险。因为井眼轨道设计的油 藏模型的建立是在一定的约束条件下建立的，虽然这些模型有一定的确定性，一般来 源于地震资料分析、测井资料、岩心资料分析、地层资料和对比井的测试解释资料， 以及流体性质和采油历史资料等数据的分析。但是这些资料依然带有一定的不确定性， 这些不确定性取决于特定的条件，同时，测量这些数据的标准不同，就很难在一个统 一的模型中完全一致。但是随着地质三维建模技术的不断提高，三维模型的确定性也 不断提高，这就给轨道设计进一步降低了风险性。但是鱼骨型分支井的一个重要优势 就是能够将钻井和完井的风险分离开来，也就是说，每一个分支相联系的风险是独立 的，除非发生了井眼漏失。 综上所述，鱼骨型分支井轨道设计的一般步骤是：先根据油藏的性质确定出井口 坐标，各个靶点坐标及垂深，接下来设计主井井眼轨道，优选分支侧钻点，然后设计 分支井眼。设计完全井轨道后，进行项目风险分析和经济评价，方案的优选。设计的 程序流程框图如图1 1 。 图1 - 1 分支井轨道设计流程图 f i g 1 - 1 t h et r a c kd e s i g nf l o wc h a r to fb r a n c hh o l e 9 第一章绪论 1 4 本文主要研究思路、内容 1 4 1 研究思路 利用地质和油藏等方面的知识，结合钻井工艺分支井轨道设计的一般理论、原则 和方法，对鱼骨型分支井的三维特性进行研究，针对鱼骨型分支井的特点，对鱼骨型 分支井的分支数、分支角度、分支长度进行研究。因为分支数目和分支的水平位移之 间存在一个耦合的关系，各分支段的长度不光是要满足油藏条件( 达到最大的油藏控制 面积和波及效率以及最大的采收率) ，还要考虑经济的因素和钻井工艺技术能否达到， 从而确定出合理的分支数目、分支长度和分支角度。 在鱼骨型分支井轨道的具体设计上，把分支井按分支拆分为单独的井眼，把三维 设计转化为二维轨道设计方法来进行设计和离散参数的计算；同时在概念设计的基础 上，建立全井眼轨道最优化设计模型，并引入最优化方法求解。 针对分支井分支处连接段井壁力学的特性，主要研究分支连接处的应力分布规律， 和两个井眼之间的井壁岩石的破坏情况，借助于有限元方法分析不同曲率半径和侧钻 方位对连接段井壁应力分布和变形的影响，以及连接处井壁的破坏程度及变化规律， 找出连接井段井眼最稳定时的最佳分支侧钻方位。 1 4 2 研究内容 本论文主要内容包括三部分： ( 1 ) 鱼骨型分支井的分支形态优化 分支的角度、分支长度和分支数目等取决于产层的非均质性、地层厚度、岩性、 岩石硬度的分布、地层剖面的稳定性等，但选择和设计分支井时还必须考虑钻井、固 井、完井工艺技术水平。本文主要从钻井工艺的技术实现上，研究如何确定分支井的 分支数，分支长度，分支角度。 ( 2 ) 鱼骨型分支井轨道优化设计 在现有井眼轨道设计技术水平上，对井眼轨道设计中存在的一些问题进行进一步 的研究，着重分析研究了鱼骨型分支井井眼轨道设计和三维井眼轨道设计新方法空间 圆弧设计法，使其既具有较高精度又便于计算机实现；同时在概念设计的基础上，建 立全井眼轨道优化设计模型，并引入最优化方法( 乘子法) 求解。 ( 3 ) 鱼骨型分支井分支连接井段的稳定性分析 针对分支井分支处连接段井壁力学特性，研究分支连接处破坏的程度及变化规律， 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 同时总结出连接井段井眼最稳定时的最佳分支侧钻方位。 第二章鱼骨型分支井轨道设计的影响因素及设计原则 第二章鱼骨型分支井轨道设计的影响因素及设计原则 在钻鱼骨型分支井前要慎重考虑分支井筒所钻开的油藏的部位、层位以及分支井 筒的数目、长度、方向、侧钻点位置等因素。以下将从这方面讨论分支井筒优化设计 所要考虑的油藏地质因素和钻井完井因素。在这里仅作一些定性的分析，在后面的章 节里还将对分支段数目、长度、等形态参数进行更加深入的定量研究。 2 1 鱼骨型分支井轨道设计的油藏地质因素分析 分支井开发油气藏的主要优点是：泄油效率高、产量高、能有效开采多层油层或 多套油气层系而用较少的井、经济效益好；井数少钻井成本和地面建设工程成本相对 较低，便于管理。其缺点表现在：单井钻井成本较高，井下风险高；油气产量递减相 对较快，油层在钻井液中浸泡时间长，可能对油藏的伤害大。因此分支井井眼轨道设 计对开发效果起着至关重要的作用，在钻前要慎重考虑分支井分支井眼所钻开的油藏 部位、层位以及分支井眼的数目、长度、方向等内容。当分支井完钻后，只有通过完 钻井的新资料，更新油藏地质模型，并研究合理的完井措施及工作制度，预测生产动 态，并进行一些生产测试，确定稳油控水等开发方案，此时对分支井整体开发效果己 经基本上失去了控制能力。 因此，在钻井之前，做好深入细致的分析研究，是提高分支井开发效益的关键所 在。以下将从几个方面详细讨论分支井分支井筒轨道优化设计所要考虑的油藏地质因 素。 2 1 1 分支段方位应考虑的油藏地质因素 对于分支井轨道设计来说，首先要确定的是分支井眼应该向哪个方向钻井，如果 这个问题没有确定好就有可能南辕北辙，那将会大大影响分支井开采的效益，因此分 支段的方位选择对其开发效果有很大影响，在确定分支井的钻进方位之前，应研究清 楚以下油藏地质问题： ( 1 ) 油藏类型及含油面积形态； ( 2 ) 油藏砂体延伸方向； ( 3 ) 油藏渗透率的各向异性程度，油藏中有无高渗透率带，高渗透率带发育状况 及走向； 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 ( 4 ) 封闭油藏中有无裂缝，裂缝的发育状况及走向； ( 5 ) 油藏有无气顶或边水，气顶或边水的侵入方向； ( 6 ) 油藏现有水平最大主应力方向。 理论分析认为，分支井段方位的选择应该从以下几个方面考虑： ( 1 ) 充分考虑油藏形态与水平井泄流面积形态之间的匹配关系； ( 2 ) 考虑垂直砂体延伸方向，以便增大分支段泄流面积； ( 3 ) 考虑垂直最大水平渗透率或垂直高渗透带延伸方向，以增加储层向井眼的渗 流能力； ( 4 ) 考虑垂直裂缝走向，争取垂直穿过多条裂缝发育带，以提高产量； ( 5 ) 考虑垂直边水或气顶侵入方向，使边水或气顶均匀推进，提高驱替效果； ( 6 ) 考虑垂直现有最大水平主应力方向，增加地层流体向井眼的渗流能力。 而对于造斜方位的确定还要考虑钻井工程中井眼的稳定性问题，这在随后的第五 章介绍。 2 1 2 分支数目应考虑的油藏地质因素 对于用分支井开发油气藏来说，分支数目的多少直接决定了油田直接投入成本的 多少，以及分支井波及的油藏面积的大小，这些将会大大影响分支井开采的效益，因 此对于不同油藏分支数目的选择对其开发效果有很大影响，在确定分支井方案之前， 应研究清楚考虑以下油藏地质因素： ( 1 ) 油层类型； ( 2 ) 油层厚度办； ( 3 ) 油藏上下左右的岩层性质，是否是稳定地层以便于侧钻； ( 4 ) 油藏流体体系的连通性情况，分析各个分支之间流动的干扰情况。 对于分支数目的确定不光考虑地质的因素，最主要的是要考虑经济的因素和技术 能否达到，需要专门讨论分支数目的最优确定方法，这在后面的第四章将详细介绍。 2 1 3 分支长度应考虑的油藏地质因素 分支段的长度直接影响着分支井波及效率、泄油面积和控制储量等重要地质因素， 因此分支井分支段长度设计时应重点考虑以下地质因素： ( 1 ) 油层类型； ( 2 ) 油层厚度； 1 3 第二章鱼骨型分支井轨道设计的影响因素及设计原则 ( 3 ) 油藏渗透率k 及孔隙度； ( 4 ) 油藏原油性质( 如粘度、密度p 等) ； ( 5 ) 油藏所控制的经济合理的地质储量n ； ( 6 ) 产能需求。 如果用一个函数来表示，则各分支段的长度与上述诸因素的关系为： l f = f ( n ，h ，k ，p ) 其中：l ，= 水平段合理长度。 应该说在其他条件不变的情况下，分支数目和分支的长度之间存在一个耦合的关 系。各分支段的长度不光是要满足油藏条件( 达到最大的油藏控制面积和波及效率以及 最大的采收率) ，也和油价以及相关经济因素、技术因素有很大关系。在实际钻井过程 中，油藏地质因素如何考虑则需根据各个油藏实际情况。在后面第四章详细分支段长 度的确定。 2 1 4 分支侧钻点位置应考虑的油藏地质因素 无论是对于钻井还是油藏来说，分支井的侧钻点的选择都是至关重要的。在分支 侧钻点的位置选择时要考虑以下一些因素t ( 1 ) 侧钻点处岩层的稳定性。要避免不稳定地层以防止井壁垮塌造成井下复杂事 故； ( 2 ) 轨道可能遇到的复杂地层情况。尽可能的选择侧钻点和轨道类型使整个轨道 尽量少地在复杂地层段穿越； ( 3 ) 侧钻点处流体压力体系的稳定性， 情况； ( 4 ) 侧钻点位置要尽量避开特殊构造， 井下垮塌，泥浆漏失等等复杂情况； 如果压力体系不稳定就可能导致井下复杂 如盐丘、断裂带等特殊构造，以免缩径或 ( 5 ) 侧钻点位置选择应该还要考虑地层岩石的可钻性，尽量选在可钻性好的地层。 2 2 鱼骨型分支井的钻井完井因素 2 2 1 钻进方式选择技术 根据完井方式的不同，目前我国鱼骨型水平井钻进主要采用前进式和后退式钻进 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 方式。 前进式钻井技术即是在钻分支井时，先侧钻分支，然后重新进入主井眼，继续前 进钻主井水平井眼。 后退时式钻井技术即是在钻分支井眼时，先完成主井眼的钻进，然后后退钻进各 个分支，这种钻进方式多是煤层钻井。 前进式钻进方式对顺利下入防砂筛管的成功率较高，后期完井相对主动；另外， 还可最大限度地减少可能的井眼损失，取得最佳的开发效果。 2 2 2 鱼骨型分支井悬空侧钻技术【2 2 】 悬空侧钻技术是鱼骨型水平井钻井技术的核心，决定着钻井技术的成败。侧钻的 方法是分支井眼各向主井眼的侧上方2 0 0 3 0 0 ( 或3 3 0 0 3 4 0 0 ) 方向钻进一根，再采用 扭方位的工具面钻进一根，确保分支井眼迅速偏离主井眼，并完成分支井眼的钻进。 在进行主井眼的侧钻时，钻具要起至侧钻分支的前一个单根，并采用与侧钻分支相反 的工具面进行划槽作业，之后开始控时侧钻，根据钻进的实际情况确定侧钻时控时时 间的长短，要保证主井眼一次侧钻成功，并使侧钻的主井眼位于分支井眼的下方，每 次下钻到分支侧钻点后，钻具能依靠自身重力的作用顺利进入主井眼而不是各