1 第二章 水平井剖面设计 第一节 水平井剖面的设计内容
1、水平井剖面设计原则 水平井剖面的设计一般依据下面的几点： 根据地质提供的入靶点止靶点三维坐标数据，计算水平段长，水平段稳斜角及设计方位角； 确定剖面类型，考虑是否需要第一稳斜段，并考虑第一次增斜角的范围； 确定水平井钻井方法及造斜率，选择合适的靶前位移； 初步计算井身剖面分段数据，根据水平井剖面设计中可供选择的五个基本参数(即造斜点，第一稳斜角，第一稳斜段长度及第二造斜率)，选择其中的任意三个，求出其它两个参数后，再进行井身剖面分段数据计算； 对初选剖面进行摩阻、扭矩计算分析，通过调整设计的基本参数，选取摩阻及扭矩最小的剖面； 根据初定剖面的靶前位移及设计方位角，计算出井口坐标，并到施工现场落实井位； 复测井口坐标，对设计方位角及剖面数据进行微调，完成剖面设计。
2、水平井剖面设计的原理和方法 2.1 水平段的数据计算 假设水平段入靶点为A点，止靶点为B点，X为南北坐标（纵标)，Y为东西坐标（横标）,A点垂深为Ha,B点垂深为Hb(以转盘面为基准),地质提供的三维坐标可表示为A点坐标（Xa,Yb,Ha）,B点坐标(Xb,Yb,Hb) 水平段垂深(H)的计算 H=Hb一Ha 若H>0,说明水平段井斜角90max。油藏程—完井方法
若H=0,说明水平段井斜角90max。井身结构—井笛剖面—钻具组合 若H>0,说明水平段井斜角90max。地面情况（钻机） 水平段平增(S〉的计算 22ababYYXXS 2
水平段井斜角max
的计算
)(90maxSHatn 水平段长L的计算
maxsinSL 设计方位角的计算 ababXXXYYY,
2.2 增斜段的考虑因素、设计方法、数据计算 增斜率的确定，首先应根据油藏特性及工程地质条件，确定水平井的类型，通常选长半径水平井,造斜率应小于6°/300m；若选中半径水平井，选斜率应大于6°/300m；其次，造斜率的大小要考虑现有造斜工具的能力，并留有适当的余地以便进行调节；第三，造斜率的大小应考虑地面因素的影响，当地面条件决定了靶前位移较大时，则选用较低的造斜率，相反，则选用较高的造斜率；第四,在没有其它条件限制时，在现有工具造斜率的范围内，尽可能选用较高的造斜率，根据水平井摩阻与扭矩分析计算，在长、中半径水平井中，造斜率越高则摩阻及扭矩越小。 2.3 稳斜段设计方法,考虑因素及数据计算 设计稳斜段的目的 设计稳斜段的目的，首先是在现有工具造斜率不稳定的情况下，设计稳斜段以便用来调节井眼轨迹，若施工中第一造斜段造斜率大于设计造斜率，则可通过适当延长稳斜段来解决，反之，若第一增斜段造斜率小于设计造斜率，则可通过适当缩短稳斜段，增加第一增斜段长度，稳斜段存在也能比较灵活的调整进入靶点的垂深及水平位移，同时为调整井斜角及方位角提供井段，实现水平井的矢量入靶，其次是在有明显标准层的情况下，尤其对于中半径水平探井设计稳斜段以便有转盘钻钻进，探明标准层的位置，调节入靶垂深，在次，在复杂地层设计稳斜段，包括易发生事故或可钻性较差，机械钻速比较慢的地层，用转盘钻钻过这段复杂地层减少井下复杂事故发生，为提高钻井(速度，缩短钻井周期，一般将转盘钻按排在这一段，实践表明，这样效益十分明显。 3
稳斜角大小的确定 实践表明，稳斜角一般选在40一75°，这样的目的主要有：第一，若此时井斜角，方位角不合适，或者实钻井眼轨迹与设计轨迹偏离较大时，有较大余地进行调节，第二，稳斜段在垂深且尽量接近标准层，便于采用较大钻压和排量，利于岩屑的携带。 稳斜段长度的确定 稳斜段长度的大小主要受下面因素的影响，第一，受地面条件的影响，靶前位移很大时，应适当增加稳斜段的长度，反之减小。第二，受地下复杂情况的影响,若需用转盘钻钻过这段地层，复杂地层越厚所需要的稳斜段也就越长。第三，数据分析的影响，稳斜段的最少井段应保证能进行两个测点的测斜，因为只有知道两点的数据后,才能确定本趟钻具组合所用钻井参数是否合适，一般稳斜段应不低于25m。 造斜点确定 造斜点的确定本着由下而上的原则进行，同时还要考虑造斜点应避开复杂地层。 靶前位移的初定 靶前位移的初定依据是根据剖面类型及稳斜段的确定原则来定，并结合实际造斜工具选定造斜率。 水平井井身结构设计 水平井井身结构设计的原则主要是根据油藏情况及工艺要求，确定完井方法，完井套管尺寸及相应的井眼尺寸；然后根据由内到外的原则，按地质情况，在满足工程施工要求的前提下，尽量简化井身结构，减少套管层次，提高钻井速度，节约钻井成本。 在确定技术套管的尺寸和下深时，应考虑封固造斜段至适当的井斜角，防止发生复杂情况，所设计套管的强度应安全经济，能保证高造斜率情况下套管的顺利下入，以上设计时应考虑所用钻机及设备的自身能力。
第二节 水平井的剖面设计要求与类型 水平钻井技术与常规定向钻井技术最为不同的两个特点是使用的造斜钻具及其特别的剖面设计。造斜井段的剖面设计几乎与选择最好的定向钻井承包公 4
司一样重要。 单位井身长度的成本最低时，水平井的长度为最佳长度。水平井在机械方面的限制主要是钻井设备和钻柱的抗扭和抗拉力的能力。为了达到可能达到的最大长度，必须使扭矩和上提拉力为最小，但是由于钻具在井眼内的弯曲和重力决定着水平井的扭矩和上提拉力，因此，最佳设计要求选择使用在钻井作业时不会弯曲的尽可能轻的钻具。 1、剖面设计要求 可行的最简单造斜曲线是从造斜点井斜接近零度时开始，以单一连续的弧钻进到90°井斜的单一均匀曲线。如果马达造斜钻具增斜特性的变化小于水平目标区的容许误差，那么这一设计便是最佳设计。 但是，大多数马达造斜钻具增斜特性的变化和误差都大大地超过水平目标区的允许误差。为了补偿这些变化和误差，就有必要在造斜井段设计增加一段调节用的斜直井段。 设计造斜曲线首先要确定水平目标区。 为了解决气锥和（或）水锥的水平井，以距油—气和（或）油—水界面一定距离的垂直深度为目标区钻一真正的水平井效果可能最好。对这一类目标区，设计井斜角为90°。 多数普通类型的水平目标区要贯穿油藏的某一特定构造位置。对解决锥的应用，这一位置可能是油藏的底部或者顶部，也可能是保证从该深度开始通过水压裂缝与油藏完全相通的一个特定位置。“水平”目标区在这种情况下就不是水平的，而是要求沿此构造位置钻进的井眼轨迹。 按照水平井段靶区设计的不同要求，水平井段分为以下几类： 倾斜靶区剖面； 垂直靶区剖面； 蛇形剖面； 构造位置靶区剖面。 造斜曲线的设计要使作业者不需要通过大量的倒换钻具便能在规定的限制范围内钻达目标区。 造斜曲线设计必须考虑到以下问题： 避开复杂地层造斜； 曲线末端即造斜结束时的位移最小； 5
造斜井段的长度最短； 有一个调整井段以应付不理想造斜率的情况； 利用造斜井段的构造标记确定最终目标区的深度； 在目标区的容限之内； 轨迹要能够保证完成全部水平井段的钻进； 必须是允许使用所有必需的采油工具和设备的可完成井眼。 某一些特定水平井的最佳造斜率取决于钻到目标区所需要的方向控制能力，以及避开在复杂地层造斜的造斜井段高度。便如，水平目标区之上300m的位置为一复杂地层，这时大概应考虑把造斜点选择在该地层之下，用余下的高度来确定所需要的造斜率。 如果只考虑造斜井段的钻进，那么最佳井眼曲率是可以达到的最高曲率，由于井眼曲率还影响着所有的后续作业，所以需要对高曲率的优点和其对以后作业的影响做出平衡。 如果计划对整个水平井段进行控制，尽采用可能达到最大造斜率。采用地面驱动的方法钻水平井段时，应把井眼的曲率限制在钻柱的曲率限制值之内。另一种考虑是采用不限制完井时选择采油工具和将来采注作业的井眼曲率。 2、水平剖面设计类型 剖面设计基本上是简单的几何计算。造斜曲率可以分为以下三种基本剖面类型： 单曲率—斜直剖面的设计 单曲率—斜直剖面是最老、应用最为广泛的造斜曲线，这类剖面的特点是，整个曲线由三段组成，造斜由上、下两个造斜率相同的造斜井段完成，中间为斜直的稳斜井段。这一造斜曲线的设计基础是：以工程计划中计划使用的造斜钻具的最小预计造斜率和最短斜直井段来选择造斜点和计划的造斜曲线末端的位置。在设计中使用造斜钻具可能的最小造斜率是关键。这样就要求造斜钻具先前已在类似地层使用过，如果是在邻近地区使用过则更理想。 变曲率一斜直剖面 变曲率一斜直造斜曲线的设计是为了进一步控制目标的垂直深度。变曲率一斜直造斜曲线的设计方法是用上部造斜井段确定的马达造斜钻具组合的实际造斜能力，但是并不根据这一造斜率，而是利用比实际造斜率要低的预计造斜率来选择下部造斜井段的造斜点。 6
这种设计最适用于以构造位置为目标的水平井。尤其是构造位置是靠地层的顶层来确定，而这个顶层是在下部造斜曲率井段内，这类水平井采用这种方法设计是最有用。 理想造斜曲率剖面设计 理想造斜曲率剖面就是没有斜直井段的弯曲率造斜剖面。钻这种剖面的水平井，可以使用单斜式的造斜马达，除非由于钻头寿命的限制。这种设计虽然费用最低，但它要求单斜式造斜马达的的性能变化范围要小于下部造斜曲率井段所固有的变化。这种方法也许是将来采用的或者可以作为在该地区的第三口水平井所使用的设计。
第三节 水平井双增形轨道设计 水平井双增形轨道设计是中、长半径水平井最常用的设计轨道。卡尔森等人提出了设计双增轨道的平行切线法。本文在肯定卡文的思路和方法的同时,指出卡文中计算切线段井斜角的公式的错误，并给出了正确的计算公式。同时还进一步指出了平行切线法的不足之处,从而提出了设计双增轨道的最优进入法，可使进入点与窗口中心重合，同时给出了计算公式和算例。 水平井轨道的基本形状有两类,一类是单增轨道，由“直-增一平”三段组成，增斜段有圆弧形（恒曲率)的，也有悬链线等（变曲率)形状的。另一类是双增轨道，由“直一增一稳一增一平”五段组成，两次增斜段都是圆弧形。单增轨道多用于对目标层位和造斜率掌握较准确的情况下。双增轨道则多用于地质不确定性较高和对造斜率预计不准确的情况下。单增轨道较易设计，双增轨道的设计则较难，而且目前大量钻进的中、长半径水平井多采用双增轨道。本文主要论述双增轨道的设计问题。 1、双增轨道的设计条件和要求 双增轨道设计需要给定有关目标区、直井段和造斜率等条件及要求。 1.1目标区条件 水平井钻进的目标是在目的层内划出的一个目标区（如图2-1所示)，形状为具有一定长、宽、高的立方体，其长度方向与铅垂方向有一定夹角，该夹角大小取决于目的层的地层倾角。井眼进入目标区的一端，称为目标窗口(图1中的左端),进入窗口的一点称为进入点。最理想的进入点应与窗口中心（图中
