（石油与天然气工程专业论文）陕北浅层石油定向井轨迹优化选择及施工技术研究.pdf

中文摘要 论文题目： 专业： 硕士生： 指导教师： 陕北浅层石油定向井优化选择及施工技术研究 摘要 本文研究的重点是陕北定向井轨迹优化设计，其理论过程首先是在设计目标已经确 定的前提下设计轨迹曲线函数，然后是根据陕北实际施工经验数值调整一些关键参数和 施工工艺参数。在定向井轨迹最优化设计中，首先建立了二维定向井轨迹最优化设计模 型，重点讨论了三段制的“直+ 增斜+ 稳斜型和四段制的“直+ 增斜+ 稳斜+ 降斜型井眼 几何设计及其最优化数学模型。 本文通过陕北石油定向井优化施工技术，优选了钻井工艺，钻具结构，井身结构。 并用单稳定器组合钻具进行了试验和优选。理论与实践证明，用最优化设计方法得到的 定向井井眼轨道可实现最短路径钻达靶点，井眼光滑，摩阻力小，是提高钻速、降低钻 井成本的最优方案。 通过对陕北定向井轨迹的研究和选择达到了以下目的：( 1 ) 优选出了陕北油田定向井 轨迹；( 2 ) 在定向井施工中找出了最合理的钻井参数，以最低钻井成本打中靶区；( 3 ) 研 究了定向井施工中所遇到的几个典型钻井问题并提出了解决方法，在针对该地区地层特 点，采用单稳定器钻具组合，通过合理调整稳定器的安放位置、稳定器尺寸及钻具刚度， 可获得理想的增斜、稳斜及降斜组合，完全达到了三段制定向井轨迹控制的目的；( 4 ) 对 陕北浅层石油定向井钻井技术进行了实例分析。 关键词：定向井井眼轨迹数学模型钻具组合单稳定器组合钻具 论文类型：应用研究 英文摘要 s u b j e c t ：t h er e s e a r c ho nc o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g ya n do p t i m a lc h o i c eo fd i r e c t i o n a l w e l li ns h a l l o wl a y e rr e s e r v o i rs h a n b e i s p e c i a l i t y ：o i la n dn a t u r a lg a se n g i n e e r i n g n a m e ： c h a n gx i s h u n ( s i g n a t u r e ) i n s t r u c t o r ：c h e nj u n b i n ( s i g n a t u r e ) y a n gl u f e i ( s i g n a t u r e ) a b s t r a c t t h eo p t i m a ld e s i g no f d i r e c t i o n a lw e l lp a t hi ns h a n b e ii st h ee m p h a s i so f t h i sp a p e r ：f i r s t ， t h et r a c kf u n c t i o nw i l lb ed o n ea f t e rt h ed e s i g ng o a lh a sb e e nd o n e ，a n dt h e nt h ek e yp a r a m e t e r a n dc o n s t r u c t i o nt e c h n i c sp a r a m e t e rw i l ld ea d j u s t e do nt h eb a s eo fp r a c t i c a lc o n s t r u c t i o n n u m e r i c a lv a l u e t h eo p t i m a ld e s i g nm o d e lo ft w o - d i m e n s i o nd i r e c t i o nw e l lp a t hw a sb u i l d e d b yo p t i m a lc o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g yo fd i r e c t i o n a lw e l ls h a n b e i d r i l i n gt e c h n o l o g y , s t r u c t u r e o fd r i l i n gt o o la n dw e l l b o r ec o n f i g u r a t i o nw e r eo p t i m i z e d t e x ta n ds e l e c t i v e p r e f e r e n c ew e r e p r a c t i c e dw i t hs i n g l es t a b i l i z e rw a y - t y p ed r i l l i n gu n i t t h et h e o r ya n dp r a c t i c ep r o v e st h a tw e l l t r a c ko fd i r e c t i o n a lw e l lw h i c hw a so b t a i n e db yu s i n gt h em e h o do fo p t i m a ld e s i g nw a st h e o p t i m i z a t i o nm e t h o dt oi m p r o v et h ep e n e t r a t i o nr a t ea n dr e d u c t i o no fc o s t m o r e o v e rt h ep a t h g e a i n gt ot a r g e tp o i n tw a ss h o r t e s t ，t h ew e l l b o r ew a ss m o o t h ，f r i c t i o nd r a gw a ss m a l l s o m er e s u l t sw e r eo b t a i n e db yt h er e s e a c ha n ds e l e c t i o no fd i r e c t i o n a lw e l lp a t h ，s u c ha s ( 1 ) d i r e c t i o n a lw e l lp a t hh a db e e ns e l e c t e d ，( 2 ) t h em o s tr e a s o n a b l ed r i l i n gp a r a m e t e rh a db e e n f o u n di no r d e rt og e tt h et a r g e tw i t hl o w e s tc o s t ，( 3 ) s e v e r a lt y p i c a li s s u e sd u r i n gc o n s t r u c t i o n o fd i r e c t i o n a lw e l lh a db e e ns t u d i e d ，a n dr e s o l v e n tw e r eg o t ，( 4 ) c a s e - s t u d yo fd i r e c t i o n a lw e l l i ns h a l l o wl a y e rr e s e r v o i rs h a n b e ih a db e e nd o n e k e yw o r d s ：d i r e c t i o n a lw e l l ，w e l lp a t h ，m a t h e m a t i c a lm o d e l ，m a k e - u po fs t r i n g ，s i n g l e s t a b i l i z e rw a y - t y p ed r i l l i n gu n i t t h e s i s ：a p p l i e dr e s e a r c h 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中做 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文收录 到中国学位论文全文数据库并通过网络向社会公众提供信息服务。本人离校后发表 或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大 学。 论文作者签名 导师签名 日期：& 的矗i 灯 日期：加 i m 注：如本论文涉密，请在使用授权的说明中指出( 含解密年限等) 。 谈一敛 拯雎 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究目的和意义 随着我国社会主义市场经济的发展及人们对土地的合理利用和环境保护意识的提 高，石油工作者也越来越重视定向井钻井技术的开发和利用。陕北油田开发实践研究表 明，定向井钻井技术给陕北油田带来了新的生机和非常可观的经济效益及社会效益。定 向井轨迹控制是定向井研究的核心内容，而井身轨迹的优化设计又是轨迹控制技术的关 键问题。在石油钻井工程中，随着钻探技术的不断发展，除了直井之外，定向井、侧钻 井、水平井、侧钻水平井等大量的特种井也成功开采出来。在定向井的开采过程中，井 迹控制问题是定向井钻井技术的核心，它直接影响了井的产量和经济效益。井迹控制具 有丰富的内涵，井迹设计、下部钻具组合造斜性能分析与预测、井迹合理描述与参数计 算构成了定向井迹控制的主要内容，其中井迹设计是定向井迹控制的主要研究内容。 井迹设计主要包括井的优化设计和实钻设计。优化设计是指在施工之前确定技术路 线及施工方案，先确定井口的位置，之后根据在综合考虑约束信息的基础上确定造斜点 范围等主要参数，然后在满足工艺要求的前提下对目标函数进行轨迹设计。实钻设计也 称随钻设计，是指在钻探过程中要施行实时监控，对井迹的钻进情况进行实时调整。实 钻设计主要包括钻进过程中的工艺措施调整和轨迹调整，是根据实际情况的变化而进行 的。具体地，工艺措施调整主要是下部钻具组合的更换和调整，也包括一些工程处理； 轨迹调整需要重新设计轨迹，在造斜之前需适当地调整造斜点范围，在造斜过程中则需 重新设计轨迹，所用的方法原理和优化设计是一致的。所以轨迹的优化设计非常重要。 轨迹优化设计是本文的研究重点。其理论过程首先是在设计目标已经确定的前提下 设计轨迹曲线函数，然后是根据实际施工经验数值调整一些关键参数和施工工艺参数。 其技术路线主要是通过设计轨迹曲线及其目标函数、选取造斜点范围、增( 降) 斜率、 井斜角、增( 降、稳) 斜段长度等参数。 缘此，以定向井井眼轨迹的优化问题为背景，以定向井轨迹计算及施工工艺为研究 基础，以定向井迹优化设计实现最低成本为目标是很有意义的。本文通过对定向井井身 轨迹进行优化设计，并根据陕北的施工实际情况进行工艺试验，从而大大减少可能的井 下事故，缩短钻井周期，降低钻井成本，并将有利于后续作业如完井、测试、修井和采注 等作业的顺利进行；在定向井施工中找出最合理的钻井参数，以最低钻井成本使井眼打 中靶区；通过研究找出适合于陕北定向井施工的最简单、低风险的多分支井。本论文的 研究将对陕北浅层油田钻井工程的实施具有重要意义。 1 2 钻井工程背景 定向井是沿着预先设计的井眼曲线钻达目的层一靶点的钻井方法，定向井轨迹控制 是定向井研究的核心内容，而井眼轨道的优化设计又是控制技术的关键问题。近几年， 西安石油大学硕士学位论文 随着井眼轨道设计研究的深入，相继出现了一些新理论、新方法：但这些方法本质上属于 启发式的范畴，井眼轨道设计中部分参数的确定取决于设计者的经验与直觉。尽管这些 方法在井眼轨道的剖面设计中己得到了广泛应用，但并不能保证设计结果在技术和经济 上的最优性。另外，这些方法都有一定的针对性，所涉及到的井轨迹剖面类型有限，达 不到工程上的实际需求。 定向井轨迹控制有着丰富的研究内容。具体来说，在进行定向井轨迹控制时，除应 满足地质设计要求外，还必须考虑所钻地层的地质条件及参数、下部钻具组合特性、钻 柱、完井管柱、生产管柱及相关设备与井眼的适应性和工具本身的强度特性、磨阻与钻 机荷载等因素的影响，因此井眼轨道设计对轨道剖面类型有着全面的要求。剖面类型过 于单调必将影响轨道设计的经济效益甚至工程质量，针对单一剖面类型所设计的算法的 弊端也在于此。最近有文献对二维水平井轨道优化设计进行了很好的讨论，并在辽河油 田近十口井的试算中取得了良好效果，但所涉及的剖面类型单一，与工程上的实际需求 还有一定距离。 定向井轨道设计的方法很多，目前应用于实践的剖面设计类型已有十几种。本文以 “直一增一稳( 用于位移较大的定向井) 剖面为典型设计剖面，对定向井轨迹影响因素 ( 轨迹曲线参数) 进行了详细分析；并建立了考虑下部钻具组合特性、轨迹曲线参数、地 质要求等因素，以最短井轨迹曲线长为目标的二维轨道数学模型：通过分析模型的目标 函数及可行域的性质，建立了包括“直一增一稳”剖面设计在内的几种常见剖面类型， 并根据陕北石油定向井实际施工的需要进行优化设计。 定向井相对于直井，定向井是指井斜角( 见以下的井迹描述参数) 不为零的井。定 向井、侧钻井、水平井、侧钻水平井、分支井、大位移井都属于定向井的范畴。 井迹井迹或称轨道、轨迹，具有较强的物理、力学及工程含义，指一种具有强烈 的工程含义的空间曲线，或者说是以石油工程中的定向井、侧钻井、水平井、侧钻水平 井、分支井、大位移井中钻头运行的轨道为背景的。 井迹设计是指根据明确的含义及已知的要满足的条件，设计一条空间曲线。 井迹描述参数描述井迹的参数大体上可分为基本参数、坐标参数、挠曲参数、井 间关系参数与施工参数。以下是描述井眼轨迹时的主要参数： 井深( ) ：井迹( 井眼轨道) 上任意一点到井口的曲线长度，也称斜深或测量深度。 井斜角( 口) ：井迹上任意一点的切线方向与铅垂面( 铅垂线) 之间的夹角，单位为度或 弧度。 方位角( ) ：井迹上任意一点方向线( 切线方向) 在水平面上投影与正北的夹角，单位 为度或弧度。 空间坐标：井迹上任意一点的空间位置可用北坐标( x 或n ) 、东坐标( y 或e ) ，真垂深 ( z 或t v d 或h ) 表示，坐标系符合右手规则。 水平位移( h t ) ：井迹上任意一点至井口或井迹上任意一点所在铅垂线的距离，单位 2 第一章绪论 为m 。 视平移或垂直段( v s ) ：水平位移在设计方向线上的投影，单位为m 。视平移是绘制垂 直投影图的重要参数。 造料点( k o p ) ：在定向井施工中，开始定向造斜或扭方位的位置，单位为m 。 工具面角( t f 0 或功) ：沿定向井迹切线方向所构成的平面顺时针转向造斜工具弯曲 平面而形成的夹角，单位为度或弧度。这是定向井施工中最重要的可控参数。 井斜变化率( 以) 与方位变化率( 瓦) ：井迹上任意一点单位长度上井斜角与方位角 变化量，它分别反映了井斜角和方位角随井深变化的程度。 弯曲角( s ) ：定向井迹前进方向上任意两个切线矢量之间的夹角，单位为度或弧度。 井眼曲率( k ) ：定向井迹切线矢量对于弧长的旋转程度，反映井迹的弯曲程度。 曲率半径( r ) ：井眼曲率的倒数，单位为m 。 扭转角( 0 ) ：井迹前进方向上任意两个副法线之间的夹角。 井眼挠率( t ) ：单位弧长扭转角的变化，它反映了井迹的扭转程度。 井迹图示法在定向井现场施工中，通常采用三维图、投影图与柱面图来直观描述 井迹的变化规律。 三维视图表示法采用右手系，以定向井井口为坐标原点，以正北( n ) 作为x 轴的 正向，以正东( e ) 作为y 轴的正向，z 轴铅垂向下指向地心。三维视图的优点是在一个坐 标系中可以完整描述井迹，但它不能反映井斜角、方位角、视平移等参数，直观性差。 投影图表示法需要两张图，垂直投影图与水平投影图。垂直投影图是将井迹投影 到某个铅垂面( 一般为设计方向线所通过的铅垂面) 上所形成的井迹图，水平投影图是将 井迹投影到水平面上所形成的井迹图。 开采定向井的必要性根据油藏的具体特点，如裂缝性油层、薄油层或低渗透油层， 为增大油气层的裸露面积、增加产量、提高采收率，有必要将其设计成定向井、大斜度 井或者水平井。另外还有一种救援井的情况，即发生井下事故时为了快速、准确地钻达 目标点，尽可能缩短事故井的失控时间从而保护油气资源而钻的井。可见定向井的用途 非常广泛，定向井的开采是非常必要的。 1 3 国内外研究现状 我国的定向钻井始于1 9 5 6 年，在上个世纪6 0 年代，曾达到了相当高的水平，钻 出了许多高难度的定向井，与当时世界先进水平的差距并不大。我国是世界上第二个钻 成水平井的国家。但在上个世纪6 0 年代后期，我们与世界先进水平的差距拉大了。8 0 年 代后，地质矿产部勘探技术研究所和探矿工程研究所等单位组织众多的科技人员进行了 地质勘探孔受控定向钻探新技术的系统研究与开发，取得了突破性的进展和多项研究成 果。研制的造斜工具、定向仪、造斜钻头等在国内上千个钻孔中得到推广和应用。 定向井迹控制技术的发展概况井迹控制是指借助特殊的井下工具与监测仪器，采 3 西安石油大学硕士学位论文 取合适的工程参数，强制钻头按照事先设计好的轨道或尽可能地靠近预置轨道到达靶点 或靶区的过程。井迹控制也可叙述为依一定的性能指标( 中靶精度最高、钻井成本最低、 井眼最安全等) ，选择合适的设计变量或控制变量，形成一条满足工程要求( 工具要求与 施工参数要求) 与地质要求( 中靶或钻达油层) 的井迹的过程。井迹控制既可以看成是静态 下的约束优化问题，也可以视为移动边界和或固定端的最优控制问题，这就为引入数学 模型来描述和解决问题提供了可能。 定向井迹控制问题是定向井钻井技术的核心。定向井迹控制具有丰富的内涵，下部 钻具组合造斜性能分析与预测、井迹设计、井迹合理描述与参数计算构成了定向井迹的 主要内容，其中井迹设计是定向井迹的主要研究内容。 井迹控制的研究，可以上溯到2 0 世纪2 0 年代末开始的有关井斜理论的研究。在 长达7 0 年的过程中，国内外有关专家、学者、工程人员从井迹描述与设计、钻柱力学、 钻头与地层相互作用、井迹预测等方面做了大量的工作，从而使得井迹控制理论与实践 不断得到发展和完善。在5 0 年代和6 0 年代，人们是以井斜控制理论与技术为研究主题， 从而解决“防斜打直”问题为研究目标。进入7 0 年代后期，随着定向井技术的发展，研 究的重心开始向定向井的井迹控制问题转移，要求在控制井斜的同时，也要控制方位。 进入8 0 年代以来，随着水平井与大位移井的出现，井迹控制的问题变得更为复杂，一方 面新工具新仪器的出现迫切要求对其机理进行更为准确的认识；另一方面，对井迹的控 制要求更高，不仅要求在位置上满足靶的要求，而且对中靶时的角度也有了要求，称为 “矢量中靶”。9 0 年代以来，随着导向钻井技术( 地质导向技术与旋转导向技术) 的出现 和发展，在继续注重井迹控制的理论研究的同时，更多的人将研究的重心转向硬件的研 制上，铰接马达、可变径稳定器、近钻头测量工具、仪器化马达、旋转导向系统、随钻 地震技术的不断涌现，不断发展了井迹控制技术。 定向井井迹设计的好坏直接决定了井的产量和经济效益，包括优化设计和实钻设计。 实钻设计主要包括钻进过程中的工艺措施调整和轨迹调整，其中工艺措施调整主要是下 部钻具组合的更换和调整，也包括一些工程处理：轨迹调整是根据实际情况的变化，需 要重新设计轨迹，所用的方法原理和优化设计是一致的。所以井迹优化设计非常重要， 本文研究的重点是井迹的优化设计及施工工艺。 井迹优化设计方法的发展概况目前，二维井迹设计主要以平面圆弧与直线的组 合来实现，常用的轨迹有11 种之多啪。三维井迹设计的方法则主要是将三维问题转化为 二维问题来近似，或考虑高难度定向井施工特点另行处理。在井迹计算方面，出现了弦 步法、弧步法、真实圆弧法、常曲率法、自然参数法、三次样条函数法、数值积分法、 曲线结构法等。在井迹设计与随钻设计方面，出现了悬链线、抛物线设计方法，三维设 计的斜平面法( 位置斜平面法、方向斜平面法、复合斜平面法) 与柱面螺旋线法、拟螺线 法、矢量中靶方法等。 上个世纪7 0 年代到9 0 年代中期，随着定向井、丛式井、水平井、大位移井的出现， 4 第一章绪论 井迹设计方法出现了蓬勃发展的局面阻“6 l 蛾u j 3 。1 l 嫡- t 1 & 1 9 _ 州。1 9 8 2 年，龚伟安讨论 了定向井狗腿度的问题乜1 1 ，揭开了国内研究定向井迹形态的序幕。1 9 8 6 年以来，基于不 同的假设，研究者提出了不同的井迹设计方法，如刘福齐教授提出的弦步法与弧步法陇1 、 杜春常教授提出的自然参数法、曲线结构法哺1 、数值积分法嘲、真实圆弧法n 町等。这 一时期，对测量仪器的系统误差对井迹的影响进行了研究，并取得了许多成果防驯。在 井迹设计方面，除二维的“圆弧一直线组合剖面外，还出现了悬链线型及抛物线型剖 面设计方法，但其因在工程上难以实现而很少采用。自1 9 9 1 年以来，刘修善教授系统地 研究了井迹设计与计算理论，以微分几何为工具，提出方向斜平面法与复合斜平面法， 建立了水平井设计的三维控制体模型n l l & 2 3 。箱川啪1 。1 9 9 2 年，s c h u hf j 等学者在研究了 水平井造斜段设计方法后，建立了常工具面偏斜时的井迹方程1 。1 9 9 3 年，g u ob o y u n 等学者提出了常曲率设计方法，与水平井施工规律基本符合鼬3 。 1 9 9 3 年江胜宗博士等以系统论的观点建立了下部钻具组合优选及轨迹设计与控制 的数学模型m 瑚1 ，将b h a 力学性能、钻头与地层相互作用、待钻设计与井底预测作为系 统的元素，讨论了系统的环境与元素及元素间的关系。1 9 9 4 年w u 等研究者h 应用变分 原理，确定了斜井的最短轨迹。1 9 9 7 年h e l m y 等研究者建立了定向井轨迹设计的优化 模型，定量地考虑了诸如造斜点、增( 降) 斜率、井斜角等因素的影响，但其不太适合于 水平井与大位移井，采用的算法的适应性也不是很强，往往得不到可行解。1 9 9 8 年 s u r y a n a r a y a n ap v r 等学者h 3 1 比较全面地考虑了影响非直井迹设计的因素，并针对具 体问题采用修正拟线性化法( m q a ) 与序列梯度存储算法( s g r a ) 进行求解。2 0 0 0 年， w i l l i a m s o nh s 在所提出的井迹计算方法时，首次考虑了地球曲率的影响h 副。2 0 0 0 年 桂满仓教授等提出了一种新的水平井优化设计模型汹1 。然而上述方法要么模型过于简化 或范围过窄，要么算法与模型适用性较差，要么二者兼而有之，因此研究定向井迹设计 与控制的特点，设计一系列全新的轨道优化设计模型是十分必要的。 井眼轨迹优化设计的理论，首先是在设计目标的前提下进行轨迹设计，然后是一些 关键参数的先验经验调整，最后是井口位置的确定。 国外在定向钻井技术方面最主要的进展是随钻技术( 随钻测量m 1 | d 随钻测井l w d ) 和旋转导向系统( r o t a r ys t e e r a b l ed r i l l i n g ) 的出现和发展。另外，螺杆钻具、可控 弯接头等在定向钻井中的应用，都显著地提高了定向钻井的技术水平。 在定向井的设计与计算方面，值得提出的有：上个世纪6 0 年代初期，郑基英教授 曾推导了弯接头装置角的部分计算公式，在7 0 年代提出了井身轨迹计算的圆柱螺线法 ( 也叫曲率半径法) 和校正平均角法，在我国的定向井理论研究方面做了开创性的工作。 白家祉教授把纵横弯曲连续梁理论应用于井底钻具组合的力学分析，在当时世界上众多 研究井底钻具组合的方法中独树一帜；在定向井剖面设计方面，韩志勇推导了一系列解 析法公式，又与宁秀旭一起提出了三维定向井的设计方法和计算公式，为使用计算机进 行定向井井身设计提供了条件。1 9 8 6 年，刘福齐提出“弦步法”进行井身轨迹计算，也 西安石油大学硕士学位论文 有独到之处。 在石油钻井工程设计中，对于二维定向井单靶轨道设计，使用公式法可以快速完成 有关计算：对于简单的三维定向井单靶轨道设计，可以使用斜平面法或者复合斜平面法， 将三维问题转化为平面上的二维问题进行求解。随着水平井、侧钻井、分枝井、多靶井 等复杂轨迹类型的出现，井身轨迹设计问题越来越复杂，常规设计方法已经很难满足实 际工作的需要。1 9 9 5 年，鲁港首先将设计变量( 井斜角、井斜方位角、井段长、井段曲 率等) 作为优化变量，把井深作为优化目标，对二维多靶定向井轨迹设计问题提出了最优 化数学模型。1 9 9 7 年，m w - h e l m y 等人建立了定向井轨迹设计的优化模型，优化变量 包括造斜点、增( 降) 斜率、井斜角、套管下入深度等，利用该模型可以设计出曲线段更 短、曲率更小的s 型定向井轨迹。1 9 9 8 年，pv1 ls u r y a n a r a y a n a 等人全面考虑了影响 轨迹设计的因素，并针对具体问题采用修正拟线性化法与序列梯度存储算法进行求解。 江胜宗在博士论文将井段类型作为优化变量之一，建立了含有离散变量的三维井身轨迹 的约束最优化模型，并讨论了算法的收敛性。于桂荣等人对三维多靶问题建立了描述井 身轨迹参数的非线性方程组模型，并归结为约束最优化模型进行求解。 1 4 研究内容和技术路线 1 4 1 研究内容 定向井是沿着预先设计的井眼曲线钻达目的层一靶点的钻井方法，定向井轨迹控制 是定向井研究的核心内容，而井眼轨道的优化设计又是控制技术的关键问题。近几年， 随着井眼轨道设计研究的深入，相继出现了一些新理论、新方法；但这些方法本质上属 于启发式的范畴，井眼轨道设计中部分参数的确定取决于设计者的经验与直觉。尽管这 些方法在井眼轨道的剖面设计中己得到了广泛应用，但并不能保证设计结果在技术和经 济上的最优性。另外，这些方法都有一定的针对性，所涉及到的井轨迹剖面类型针对不 同地区和条件有一定的局限性，达不到工程上的实际需求。 定向井轨迹控制有着丰富的研究内容。具体来说，在进行定向井轨迹控制时，除应 满足地质设计要求外，还必须考虑所钻地层的地质条件及参数、下部钻具组合特性、钻 柱、完井管柱、生产管柱及相关设备与井眼的适应性和工具本身的强度特性、磨阻与钻 机荷载等因素的影响。因此井眼轨道设计对轨道剖面类型有着全面的要求，剖面类型过 于单调必将影响轨道设计的经济效益甚至工程质量，针对单一剖面类型所设计的算法的 弊端也在于此。近几年有文献对陕北地区石油钻井轨道优化设计进行了一些讨论，并在 一些定向井中进行了试验，但所涉及的剖面类型单一，与工程上的实际需求还有一定距 离。本文具体研究内容如下： ( 1 ) 通过对陕北定向井轨迹的研究和选择，优选出陕北油田定向井轨迹； ( 2 ) 在定向井施工中找出最合理的钻井参数，以最低钻井成本使井眼打中靶区； ( 3 ) 研究定向井施工中的钻井问题，提出解决方法； 6 第一章绪论 ( 4 ) 对陕北浅层石油定向井钻井技术进行实例分析。 1 4 2 技术路线 定向井轨道设计的方法很多，目前应用于实践的剖面设计类型已有十几种。本文以 “直增稳”剖面设计为重点，对定向井轨迹影响因素( 轨迹曲线参数) 进行了详细分 析，以最短井轨迹曲线长为目标的二维轨道数学模型；通过分析模型的目标函数及可行 域的性质，建立了包括“直一增一稳 剖面设计在内的三种常见剖面类型，并根据陕北 石油定向井实际施工的需要进行优化设计。 具体技术方法是通过对陕北浅层石油定向井轨迹的研究，确定定向井井眼轨道的最 优化数学模型，通过计算对比优选出合理的剖面类型。根据地层岩性合理选择造斜点， 确定天顶角造斜率；针对陕北地层和设计特点选择最优化的钻进参数；优化钻具组合， 采用单稳定器解决钻进中蹩钻等施工问题。 7 西安石油大学硕士学位论文 第二章陕北油田地质及施工情况概述 2 1 地质工程情况概述 2 1 1 地质情况 陕北油田位于鄂尔多斯盆地东部伊陕斜坡带，是迄今为止中国陆地发现和钻采石油 最早的油田，属陆相沉积的低压、低渗、低产油田，近年来经中石油长庆油田公司和延 长油矿管理局大规模开发勘探，不断取得新突破，相继发现上亿吨级的安塞油田、靖安 油田等油田。 该地区地质构造简单，地层倾角一般在5 。左右，为一套陆相碎屑岩沉积系列，上 部为第四系全新统，下伏地层为白垩系、侏罗系及三叠系地层。 陕北地区典型地层为：上部第四系主要为冲积黄土。三叠系长。为长石砂岩与砂质 泥岩、页岩互层；长。嵋以中细粒砂岩为主，砂岩局部含油；长。+ 。为粉砂质泥岩；长。 为细粒长石砂岩与砂质泥岩不等厚互层，是主要采油层。 2 1 2 工程地质要求 a 严格按照延长油矿管理局工作手册和探井地质细则中有关地质录井的具体规 定，进行设计中的各项地质工作。 b 钻具要丈量准确，保证井深无误，每钻进5 0 m 正确校正井深，在取芯前( 或油层 顶部1 、完钻前、下套管前必须校正井深。当校正井深与原井深误差在0 5 以内时，可 按原井深计，当误差较大时，必须查找原因，判断正误。如按原校正井深计必须相应校 正岩屑或岩芯剖面深度。 c 岩屑录井每钻进l m 取砂样一包，要求量足( 5 0 0 9 ) 并具有代表性。钻进井深3 0 0 m 后，每钻进5 0 m 校正一次岩屑迟到时间，严格按迟到时间取样。取样时砂样上下搅匀后 再取。取砂样要求井深位置准确，泥浆泵排量压力正常，确保岩屑上返速度。方余钻完 后，应继续循环，待最后l m 岩屑返出后，方可上提钻具。如遇井漏，应采取有效措施 堵漏，严禁大段取样。 d 岩屑描述应着重在岩石定名和油气水情况，定名准确。油层砂岩类要着重描述， 不漏掉油气显示0 5 m 以上特殊岩层及主要特性。 岩屑描述方法：大段摊开，宏观细找，近看颜色，查岩性。干湿结合，挑分岩性， 分层定名，按层描述。砂质岩要进行荧光照射，干湿结合，并作好记录。 e 钻油层时，送钻要均匀，精心操作，千方百计提高岩芯收获率和井身质量。如取 芯每回次进尺不限，但每回次钻进时间应旦h ，岩芯平均收获率需 9 0 ，油层部分每回 次最低收获- - - 乾_ 6 0 。 岩芯出筒时地质人员必须在场，按出筒顺序整理编号，整理丈量。岩芯长度要反 复核对，井深数据前后一致，描述含油气水情况。如要求取样必须及时，对含油级别达 到油迹以上者，要取饱合度油样，该样品必须在岩芯出筒后l h 内自理完毕，投入取样 8 第二章陕北油田地质及施工情况概述 瓶内，含油岩芯严禁用水冲洗。 g 要求取样井，在地质化验人员未到现场时，井队不得钻进岩层。井场必须备有化 验人员摆放仪器的值班房，在取芯结束后应立即将化验人员送回矿区，以保证样品及时 分析。 i l 砂质岩是描述的重点，其描述的顺序是颜色、岩石名称、矿物成分、组织结构、 胶结程度、层理特征、构造、含油气水情况、特殊矿物及其它含有物、化石接触关系等。 i 含油砂岩是描述的重点中的重点，在岩性描述中应注意层理结构、粒级变化、裂 缝种类及长宽充填物等。在含油描述中，应收集产状资料，如气泡大小、密集程度、冒 出时间、原油渗出方式、面积、含油物性层理的关系等。对致密油层还应隔一段时间观 察一次渗油情况，对含水层加以详细观察描述。 j 在钻进过程中地质人员和钻井人员都必须经常注意观察，发现有跳钻、循环水带 气泡、井涌等现象必须及时详细记录时间、井深、程度等。同时，在必要时应停钻循环 观察。 k 井口地质人员必须随时根据录井资料画出1 ：5 0 0 录井图，并经常与邻井对比， 以便随时设计剖面，确定实际套管、取芯、完钻位置。 1 需电测时提前一天通知电测站准备测井，完钻后要停钻循环等电测车到井场后， 方可起出钻具进行电测，项目如下： 第一次( 完钻后) 进行标准测井( 全井段) 和综合测井及微电极曲线( 全井段) 。 第二次( 固井注水泥后2 4 一- 3 6 h 内) 进行声幅、自然伽玛和磁定位测井。 m 固井质量： 水泥封固段井径变化幅度小，井径要求( 最大值一最小值) 最大值( 最小值) 5 。 采用双塞法注水泥。 封固段套管扶正器现场确定，2 0 米一组，管内水泥塞l o m ，管外返高至井深一米。 声幅曲线幅度翌o 。 后凝到达7 2 h 后进行试压，试压必须排除试压井口、管线和井内套管自由段丝扣 刺漏后再进行。 第一次试压，压力i o m p a ，作好3 0 m i n 内的压降记录，在3 0 m i n 后压降5 0 5 m p a 为 合格。 r l 完钻后岩芯全部装箱、编号、注明井号、岩芯编号、深度、厚度，送所属油矿保 存，或按顺序在井场附近挖坑封埋，并记录封存方位、距离、坑的几何尺寸、岩芯摆放 层次及每层岩芯的回次块号范围，全部记录交于甲方。 0 在完钻电测后，施工井队必须提交l ：2 0 0 随钻剖面及岩芯( 岩屑) 记录本，便于 甲方判断油层，不影响乙方及时排下套管，尔后甲方交还于乙方。 p 在完井交接井时，施工人必须提交该井钻井工程原始资料，油层资料表、全井 9 西安石油大学硕士学位论文 l ：5 0 0 剖面图和油层段l ：2 0 0 剖面图( 包括透明底图) 。在交接井之前不得搬迁。交接 后施工单位应按地质细则和合同附件( 二) 的要求及时提交各项资料。 q 井队及甲方地质人员必须在下套管前，对施工井系统选择，逐一记录承压段位置。 r 甲、乙双方工程技术人员必须按地质要求排下套管。 s 固井水泥返高在最上一个承压段井深位置，再增加l o o m 。 t 在交接井后两天以内进行油层射孔。 u 因地层变化或其它原因修改设计时必须征得审批单位同意后方可施工。 2 2 施工情况概述 陕北石油开发以其独特的地区地域特征和地质特征有异于其它地区。陕北地区地形 复杂，沟、渠、峁纵横交错。该地区气候干旱，森林植被稀少，水土流失较为严重，给 施工过程中的道路修建，井场布置，材料供应等带来极大困难。特点如下： ( 1 ) 陕北地区属于切割强烈的黄土丘陵地区，油藏规模小、分散、连片性差； ( 2 ) 油层低渗透或超低渗透，产量低，开发难度大，开采成本高，风险大： ( 3 ) 施工主要在半山腰及山上发展，增加了修筑道路的难度； ( 4 ) 施工井深较浅，多数在1 0 0 0 米左右，最深只有2 5 0 0 米左右。 2 3 地层主要特点及施工要求 2 3 1 地层特点 a 油层埋芷浅，平均油层埋深8 0 0 - - 一9 0 0 m ； b 地层倾角5 。左右； c 由于地层构造及地质构造等引起的井塌、井漏、缩径、易导致井内事故的发生。 2 3 2 施工要求 a 井浅，位移大，要求有较高的造斜率； b 施工中由于摩阻大，易引起“蹩钻”现象： c 费用较低，只有高效快速钻进才能占有市场。 2 4 定向井基本概念及施工 定向井是沿着预先设计的井眼曲线钻达目的层一靶点的钻井方法，定向井轨迹控制 是定向井研究的核心内容，井迹控制为依一定的性能指标( 中靶精度最高、钻井成本最低、 井眼最安全等) ，选择合适的设计变量或控制变量，形成一条满足工程要求( 工具要求与 施工参数要求) 与地质要求( 中靶或钻达油层) 的井迹的过程。 要研究定向井的轨迹，首先应该了解定向井的井身结构、井身结构的基本参数以及 它们之间的相互关系，这些概念对于定向井的设计和计算都是至关重要的。 2 4 1 井身基本参数 井身基本参数，也有人称之为井身基本要素。实际钻出的定向井的井身轴线都是一 1 0 第二章陕北油田地质及施工情况概述 条空间曲线。为了了解这条空间曲线的形状，需要先进行测斜。被测的点称为测点，测 点的标志是该点所在的井深，相邻两测点的井段长度，称为测段。在每个测点上所取得 的测斜数据有三项，即该点处的井深、井斜角和方位角m 。 a 井深 井深指井口至测点间的井身实长，也有人称之为斜深，国外称作测量井深( m e a s u r e d d e p t h ) 。井深通常是以钻柱长度或电缆长度来量测的。井深既是测点的标志，又是该测 点处的井身参数之一。 实际上测斜仪器并不是一个点，它是有一段长度的。测点的井深是以测斜仪器中的 测角装置( a n g l eu n i t ) 所在的井深为准的。井深常以字母l 表示，单位为米( m ) 。 b 井斜角口 过井眼轴线上某点作井眼轴线的切线，该切线向井眼前进方向延伸的部分称为井眼 方向线。井身方向线与重力线之间的夹角称为该点的井斜角。井眼方向线与重力线都是 有向线段。井斜角表示了井身轨迹在该测点处倾斜的大小。 井斜角通常以字母q 表示，单位为度。如图2 - 1 所示，a 点的井斜角为q ，b 点 的井斜角为q 。 多# 暝靠匆娩 图2 - 1 井斜角示意图 c 井斜方位角西 某测点处的井眼方向线投影到水平面上，称为井眼方位线，或井斜方位线。以正北 方位线为始边，顺时针方向旋转到井眼方位线上所转过的角度，即井斜方位角。正北方 位线是指地理子午线沿正北方向延伸的线段，所以正北方位线和井眼方位线也都是有向 线段，都可以用矢量表示。 西安石油大学硕士学位论文 d 井斜变化率k 。 井斜变化率是指井斜角随井深变化的程度，以k 。表示。严格地讲，井斜变化率是 井斜角( q ) 对井深( l ) 的一阶导数，可写为： g t t 警 由于实际工作中我们测量的隔一定长度的井段，所以，是以增量代替微分， 以相邻二测点间的井斜角变化值( a c t ) 与二测点间的井段长度( 缸) 的比值来表 示井斜变化率的。这可以表示为： 以= 告 k 。是该测段的平均井斜变化率，单位为度每3 0 米( 。3 0 m ) ，如1 0 。3 0 m 。 e 方位变化率瓦 方位变化率是指井斜方位角随井深变化的程度，以髟表示。方位变化率的 严格定义应是：井斜方位角( ) 对于井深( l ) 的阶导数。即 = 差 同样，实际工作中也以增量代替微分，即： = 等 也是该测段内的平均方位变化率，单位也是度每3 0 米( 。3 0 m ) 。 2 4 2 陕北定向井施工目的 定向钻井技术是按预订轨迹钻达目的层的一种钻井方法。陕北施工定向井的目的： ( 1 ) 便于加强管理，减少运输成本： ( 2 ) 增加油井综合经济效益，提高采油回收率； ( 3 ) 减少占有林地和耕地量； ( 4 ) 减少道路修筑费用。 2 4 3 施工定向井所能取得钻井经济效益和社会经济效益 a 钻井经济效益 ( 1 ) 占用土地面积少，征地费用降低。陕北石油开发在没有推行定向井之前每建一口 油井需要征用一个井场的土地，同时还要征用通往井场道路占用的土地，如果地形条件 复杂，还要修筑盘山道路，费用较高。如今采用定向井施工后，7 眼油井只需征用一个 井场( 平台) 土地，修筑一条通往该平台的道路即可。假如单井井场占地1 5 m 2 5 m ， 单井道路占地4 m x15 0 m ，不采用定向井则7 眼井井场及道路占地至少9 7 5 m x 7 m 。采用 定向井技术后，一个平台7 眼井的井场及道路占地只需2 0 m x 5 0 m + 4 m x l 5 0 m ，这样比原 来减少征地至少7 5 。 ( 2 ) 建井周期缩短，搬迁费用降低。建井周期缩短主要指采用定向钻井之后减少了钻 1 2 第二章陕北油田地质及施工情况概述 机搬迁次数，从过去的建一眼井搬迁一次到现在的建一个平台的油井搬迁一次。搬迁次 数越少，费用也随之降低。如图2 所示的一个平台7 眼井建井期间只需搬迁一次即可。 如果每次搬迁按3 天计算，每口井成井时间按7 天计算，采用定向井技术单井建井周期 就比原来缩短了2 5 7 1 。 中间为直井，其余为定向 井，箭头为设计方位 图2 - 2 丛式井平台平面图图2 - 3 平台基孔布置图 ( 3 ) 便于管理，减少开支。管理费用指的是完井之后和油井投产之前，这一阶段油矿 所做的建设性投资以及油井投产之后的油井管理、维护及其原油的运输费用。过去一口 井需要安装一次，耗费大量的材料及辅助工作量，而如今一个平台只作次集中安装， 既提高了工作效率又减少了投资费用，油井投产后的管理、维护及运输业都又变得集中 了。 ( 4 ) 单井油产量提高，经济效益更好。陕北油田主要是近水平的含油砂层，含油层厚 薄不均。定向井施工增加了采油的有效井段，日产油量就提高了。 ( 5 ) 从钻井效益看，定向井与直井的效益也大不相同。如2 0 0 1 年陕北石油市场直井 价格为1 6 3 元m ，而定向井价格为3 0 0 元m ，如果一口直井井深为8 0 0 m ，而定向井井 斜为2 5o ，此时定向井井深就为8 8 2 7 m ，钻井经济综合效益要好于直井。 b 社会经济效益 陕北原本就是山多沟多、纵横交错，有效土地面积不多，保护土地资源和环境资源 尤为重要。近几年，定向钻井成功实践之后，陕北油田的管理者以及当地人民深刻地体 会到定向钻井给他们带来的好处和不可估计的社会效益。主要表现在一下三个方面： 1 大大减少了土地的占有率，尤其减少了对耕地面积的占有率，有效地保护了当地 的土地资源。 2 对地表植被的破坏程度减小了，水土流失程度也减轻了，有效地保护了当地的环 境资源。 3 钻井过程中排放泥浆集中了，有效地减少了对周围环境的污染范围，减轻了环境 的污染压力。 1 3 j 人 兰 ， 一一 一 一一一 ， _ jil 、 西安石油大学硕士学位论文 2 5 井组内井数的确定和排列方式 井场位置的选择和组内井数的确定主要考虑：满足地下要求，节省投资，发挥井场 的最大作用，方便钻井施工，地面交通条件可行等。一般每组由4 7 口井组成，井口排 列方式主要有利于钻井设备的移动，多选择“一”字形排列，井口间距一般为4 , - 一6 m 。 1 4 第三章定向井的井身轨迹设计及优选 第三章定向井的井身轨迹设计及优选 3 1 定向井井身轨迹优化设计理论基础 3 1 1 定向井轨迹研