浅谈大位移水平井轨迹控制技术
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[摘要]目前，大位移水平井钻井技术被广泛应用于石油、天然气的开采施工过程中，对其轨迹进行控制的关键就是井眼轨迹的设计，本文首先对井眼剖面的主要设计原则进行了介绍，进而针对轨道参数的选择以及参数优化后的结果进行了分析，最后对摩阻扭矩进行了分析，以期能够对水平井轨迹的有效控制提供一定的技术依据。
[关键词]大位移 水平井 轨迹控制
[中图分类号] TE [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2015）-7-416-1
对水平井轨迹进行合理的设计是保证大位移水平井顺利完成的重要关键，除了要保证井身的剖面不能超过钻柱的扭矩极限之外，还要尽可能地降低扭矩摩阻、增加水平延伸的距离。相比于一般的水平井，大位移水平井本身对于井眼轨迹的设计有着特殊的要求，本文就针对如何具体对大位移水平井的轨迹进行控制以及相关注意事项进行如下分析。
1井眼剖面的主要设计原则
在进行大位移水平井的轨迹控制时，其中一个非常重要的关键点就是井眼轨迹的设计，这其中需要以设计方案的可操作性作为主要基础原则。当斜井段较长的时候，套管的磨损程度和可能性就会越高，相应的轨道剖面设计就很难被实现。与此同时，设计时还需要注意保证扭矩、拉力和摩阻处于一个较小的范围，因此，可以通过对相关参数进行优化来实现。
2轨道参数的选择
2.1造斜点参数
在进行造斜点的选择时，如果设计的造斜点相对较浅，会造成斜井段的拉长，导致拉力和扭矩的进一步增大，在进行井段的加长工程中，非常容易产生键槽的问题，在很大程度上提升了井眼的控制难度。在进行稳斜角具体参数的选择时，滑动钻进摩阻会随着造斜点的提高而增大，对于大位移水平井进行轨迹控制时，设计人员需要尽可能地选择那些相对科学的曲线，同时还需要保证造斜点处于一个较深的水平，这些都有利于直井段对于短斜井段的缩短效应，为后续的钻井下套管作业提供了方便。
2.2稳斜角参数
随着稳斜角的不断增大，起下钻摩阻以及旋转的扭矩会随之减小，而滑动钻进摩阻则会随之增加。因此，为了保证斜稳角处于最佳条件应当将斜井段的长度控制在最短，这样相应的扭矩和摩阻也就越小。在井斜处于45°-55°这一范围内，存在着一个受到扭矩的限制而引发的最小深度值，因此，在进行稳斜角的设计时应该尽可能地避开这一角度范围。当稳斜角的数值一定时，扭矩和摩阻会随着稳斜段的减小而减小。
2.3增斜率参数
为了保证设计出的曲线更加平滑，就需要尽可能的减小增斜率，相应的增斜率的变化率、摩阻以及扭矩也会随之减小。
3造斜率参数的选择原则
造斜率的设计是整个控制技术中十分关键的因素，在工程的实际施工中，如果造斜段的造斜率相比于设计的造斜率略低时，一旦出现突发情况就会对工程的后续施工造成非常大的影响，使整个工程处于一个相对被动的状态。因此，一般在进行工程施工时所采用的螺杆钻具通常会比设计的造斜率高出一定的比例。
4井眼剖面优化分析
在进行大位移水平井设计时，设计人员可以采用多种类型的曲线来对轨迹的设计方案进行设计，这包括：悬链线轨迹、双圆弧型的轨迹、圆弧形轨迹、恒变降曲率的曲线轨迹以及准悬链线型的轨迹等。
如果设计的水平井靶前位移处于一个相对较小的范围时，就不太适合采用悬链线轨迹等会对摩阻产生降低效应的设计方法，这主要是因为这些设计方案都需要建立在充足靶前位移基础上才能实现的。因此，在对这一类水平井进行剖面的设计时往往会选择单圆弧型的剖面，相比于其他类型的剖面轨迹更加简单，这在很大程度上就会使井眼的设计轨迹更加平滑，与此同时还减少了井壁和钻柱彼此之间的接触面积、降斜井段以及局部的增斜，通过这种设计可以实现扭矩和全井摩阻的有效降低。通过这种设计方案设计出的井眼剖面的施工造斜率为0.35°/m。
通过这种设计方式的水平井剖面再进入到水平段之前，其复合钻的进尺相对较少，这就为可供施工调整的空间提供了很大的便利，同时，稳斜段也很好地避免了45°-55°这一范围，具有很强的操作性。因此，在进行大位移水平井的实际施工时，施工人员往往都会采用这种剖面来作为整个工程施工的指导方法来进行轨迹的控制。
5摩阻扭矩的分析
5.1钻井前摩阻扭矩的分析
施工前需要对摩阻扭矩进行分析，保证设计出的三轴应力、抗压、抗拉强度以及剖面侧向力等参数都满足安全系数的要求，同时还要保证施工所用的钻具在不同工况下都能够保证不屈曲。套管也能够按照设计的要求进行下入。
5.2实钻时摩阻扭矩的分析
在实际钻井的过程中，井下的摩阻扭矩通常要远远超过设计时的数据，这一方面是受到井眼轨迹的影响，另一方面主要是受到井壁不规则以及固相的含量偏高等原因造成的落雁摩阻系数偏高所引发的。在钻井完成后，还需要对通井以及大排量的循环进行多次的模拟，通过这些模拟可以发现起下钻摩阻基本都存在下降的情况。
5.3产生高摩阻的原因
（1）由于钻井的速度非常快，循环的时间非常短，这就会造成被研磨的非常细的破碎岩屑不容易从钻井液里面去除，进而导致了固相含量的进一步上升，最终使得摩阻系数偏大。
（2）如果油基钻井液的携砂能力较差，再加之井底的温度过高时，都会使油基钻井液进一步稀释，进而造成洗井的效果不好。
（3）井斜角的进一步增大会使得钻柱作用在井壁上的荷载增加，进而导致钻柱的运动阻力增加。
（4）井眼的清洁难度以及岩屑运移阻力都会随水平段延伸而不断增大，这会导致钻井液本身的携砂能力受到很大程度的限制，最终导致岩屑床问题严重。
6结语
综上所述，对水平井井眼轨迹进行优化设计是实现整个大位移水平井轨迹控制的重要措施，对此，设计时不仅要对钻井的具体参数进行优化，同时还要保证井眼轨迹的平滑度，另一方面，为了保证井下作业的安全，设计人员还需要尽可能地减少摩阻，强化井壁的稳定性，这对于保证大位移水平井的顺利完成具有重要的意义。
参考文献
[1]李梦刚.水平井井眼轨迹控制关键技术探讨[J]. 西部探矿工程，2009（02）.
[2]杜青云，寿翔，袁小平.大位移水平井轨道优化设计研究[J]. 中国石油和化工标准与质量. 2013（09）.
[作者简介]徐兵（1975～），男，毕业于中国石油大学资源勘查专业，工程师，研究方向为钻井管理。
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