席寶濱 高德利

（中國石油大學(xué)石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249）

基于測量工具的U型水平井井身剖面設(shè)計(jì)

席寶濱 高德利

（中國石油大學(xué)石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249）

為實(shí)現(xiàn)2口水平井的精確連通，引入了磁場測距導(dǎo)向工具，開展了U型水平井井身剖面設(shè)計(jì)方法研究。在對(duì)井眼軌跡不確定性分析過程中，引入了合成誤差圓。通過對(duì)比合成誤差圓直徑與磁場測距導(dǎo)向工具測距范圍的大小，得到2種磁場測距導(dǎo)向工具的使用時(shí)機(jī)。根據(jù)磁場測距導(dǎo)向工具的選擇使用情況以及測量特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的井身剖面。額外延伸部分為剖面設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在，根據(jù)測距范圍給出了其精確的計(jì)算公式。通過實(shí)例驗(yàn)證可以看出此剖面設(shè)計(jì)是合理的。U型水平井的井身剖面設(shè)計(jì)體現(xiàn)了鉆井設(shè)計(jì)與控制一體化，對(duì)今后的深入研究和實(shí)踐具有參考意義。

U型井；水平井；連通；測距導(dǎo)向；剖面設(shè)計(jì)；不確定性

U型井技術(shù)就是采用定向鉆探技術(shù)和水平井鉆井技術(shù)，使地面相距數(shù)百米的兩井或多井，在地下數(shù)百米甚至數(shù)千米的目的層處定向?qū)舆B通。主要用于鹽礦開采、煤層地下氣化開采、石油和天然氣開采、煤層氣開采、地?zé)衢_采、管道和隧道河底穿越等領(lǐng)域，潛在的應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)樘烊粴馑衔锖外櫟V的開發(fā)等［1-3］。U型水平井指的是2口水平井在地下進(jìn)行精確連通。

由于U型水平井技術(shù)還處在研究初期，所以在剖面設(shè)計(jì)時(shí)，首先是確保兩井成功的對(duì)接連通并且順利的完成這個(gè)工程，其次才是確保軌跡最短或者摩阻扭矩最?。?］。要想達(dá)到2口水平井在地下的精確連通，測量工具是必不可少的一個(gè)手段。但是傳統(tǒng)的測量工具M(jìn)WD由于測量精度及其滯后性、連通靶點(diǎn)不確定性和軌跡的測量計(jì)算誤差等使得其不能滿足兩井精確連通的需要。故在最后的精確連通階段引入磁場測距導(dǎo)向工具來實(shí)現(xiàn)2口水平井的水力和機(jī)械連通［5］。但是使用哪種磁場測距導(dǎo)向工具、何時(shí)使用和如何設(shè)計(jì)井身剖面，這一系列問題國內(nèi)外文獻(xiàn)都未給出明確解答。筆者在分析由傳統(tǒng)測量工具M(jìn)WD的積累誤差產(chǎn)生的井底不確定性和磁場測距導(dǎo)向工具測量原理的基礎(chǔ)上，優(yōu)選了U型水平井的磁場測距導(dǎo)向工具，給出其最佳使用時(shí)機(jī)，最后提出合理實(shí)用的U型水平井井身剖面設(shè)計(jì)方案。

1 磁場測距導(dǎo)向工具

目前，磁場測距導(dǎo)向工具主要有電磁引導(dǎo)工具（Magnetic Guidance Tool， 簡稱MGT）、單電纜引導(dǎo)工具（Single Wire Guidance Tool， 簡稱SWG）和旋轉(zhuǎn)磁場測距導(dǎo)向系統(tǒng)（Rotating Magnet Ranging System，簡稱RMRS）。3種磁場測距導(dǎo)向工具在鄰井防碰、救援井、叢式井、雙水平井和連通井等中得到了廣泛應(yīng)用，并取得了顯著效益。MGT主要應(yīng)用在蒸汽輔助重力泄油（SAGD）中，其在世界上第1口U型水平井的磁場測距導(dǎo)作業(yè)中效果較好［5］，但由于其測距范圍和本身的結(jié)構(gòu)限制了MGT在U型水平井中的應(yīng)用。相比而言，SWG和RMRS更加的適合于U型水平井［6］。

1.1 旋轉(zhuǎn)磁場測距導(dǎo)向系統(tǒng)

旋轉(zhuǎn)磁場測距導(dǎo)向系統(tǒng)主要由磁短節(jié)、探管和測距導(dǎo)向計(jì)算方法等組成，可以隨鉆探測鄰井距離，精確實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)井導(dǎo)向鉆井控制的目標(biāo)［7］。旋轉(zhuǎn)磁場測距導(dǎo)向系統(tǒng)用于U型水平井中的工作示意圖見圖1。磁短節(jié)是由橫向排列的多個(gè)永磁體安裝在無磁鉆鋌內(nèi)組成，緊跟在鉆頭后，與鉆具一同旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的交變磁場是旋轉(zhuǎn)磁場測距導(dǎo)向系統(tǒng)的信號(hào)源。探管主要包括三軸磁通門傳感器、三軸加速度傳感器和三軸交變磁場傳感器，其主要作用是探測井下探管在已鉆井中的自身擺放姿態(tài)和由旋轉(zhuǎn)磁短節(jié)產(chǎn)生的交變磁場［8］。根據(jù)地面接收到的磁信號(hào)數(shù)據(jù)，利用測距導(dǎo)向計(jì)算方法可以精確計(jì)算鉆頭到對(duì)接點(diǎn)的相對(duì)位置，鉆井工程師可以不斷調(diào)整正鉆井軌道以實(shí)現(xiàn)2口水平井的精確連通。RMRS測量精度為5%，最大測距范圍為70 m。

圖1 RMRS在U型水平井中的工作示意圖

1.2 單電纜引導(dǎo)工具

單電纜引導(dǎo)工具主要由產(chǎn)生磁場的測井用單芯電纜和接收磁信號(hào)的傳感器組（MWD的一部分）組成，如圖2所示。電纜末端接1個(gè)電極放入已鉆井，如果已鉆井是套管完井，那么電極與套管接觸；如果已鉆井是裸眼完井，那么電極直接與井壁接觸。電纜內(nèi)通入已知電流強(qiáng)度（幾十安培）的低頻交變電流（1~30 Hz）或直流，則根據(jù)安培環(huán)路定律在電纜周圍產(chǎn)生一定磁場強(qiáng)度的磁場，由MWD內(nèi)的三軸電磁傳感器組探測得到該磁場強(qiáng)度的三軸分量［9］。

圖2 單電纜引導(dǎo)工具工作示意圖

MGT和RMRS中磁源產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度與距離成反比，衰減速度很快。而SWG中電流產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度與距離 成反比，衰減較慢，故其測距范圍大的多。SWG最大測距范圍為220 m。當(dāng)正鉆井與電纜軸線垂直時(shí)，SWG測量精度為2%；當(dāng)正鉆井與電纜軸線平行時(shí)，SWG測量精度為30%。SWG平均測量精度為5%［6，10］。

2 井眼軌跡不確定性

兩口水平井在精確連通前鉆進(jìn)和控制與常規(guī)水平井一樣，但無論如何精確控制井眼軌跡，都存在井眼軌跡測量的不確定性問題。有文獻(xiàn)詳細(xì)的討論了這個(gè)問題，并通過誤差橢球（圓）對(duì)其進(jìn)行了直觀描述［11-13］。在U型水平井的精確連通過程中引入井眼軌跡的誤差橢球，以此來指導(dǎo)U型水平井磁場測距導(dǎo)向工具的選擇和井身剖面的設(shè)計(jì)。2口水平井的誤差橢圓柱如圖3所示，當(dāng)誤差橢圓開始重疊時(shí)，就需要引入磁場測距導(dǎo)向工具來引導(dǎo)正鉆井的鉆進(jìn)，以達(dá)到及時(shí)調(diào)整井眼軌跡、實(shí)現(xiàn)精確連通的目的。

圖3 井眼軌跡不確定性

由于2口水平井的鉆井設(shè)備和測量工具基本一致，那么井眼軌跡的誤差橢圓柱也基本一致。為了方便描述，在一定的范圍內(nèi)，可將2口水平井的誤差橢圓柱進(jìn)行合并，組成合成誤差圓柱，如圖4所示。合成誤差圓的半徑為2口水平井上參考點(diǎn)和掃描點(diǎn)（最近距離掃描）所在位置的誤差橢圓長半軸之和。

圖4 合成誤差圓柱

3 磁場測距導(dǎo)向工具的選擇

通過合成誤差圓來指導(dǎo)磁場測距導(dǎo)向工具的選擇。磁場測距導(dǎo)向工具選擇的判別模型如圖5所示。

圖5 磁場測距導(dǎo)向工具選擇的判別模型

圖中，aref為參考點(diǎn)處誤差橢圓長半軸，m；aoff為掃描點(diǎn)處誤差橢圓長半軸，m；rcom為合成誤差圓半徑，rcom=aref+aoff，m；rmag為磁場測距導(dǎo)向工具最大測距范圍，包括旋轉(zhuǎn)磁場測距導(dǎo)向系統(tǒng)最大測距范圍rRMRS和單電纜引導(dǎo)工具最大測距范圍rSWG，m。

判別如下：（1）當(dāng)2rcom≤rRMRS時(shí)，選擇只使用旋轉(zhuǎn)磁場測距導(dǎo)向系統(tǒng)RMRS；（2）當(dāng)2rcom＞rRMRS時(shí)，選擇使用單電纜引導(dǎo)工具SWG+旋轉(zhuǎn)磁場測距導(dǎo)向系統(tǒng)RMRS。引入最近距離掃描，其掃描半徑為rnst。當(dāng)rRMRS＜rnst+rcom＜rSWG時(shí)，開始使用SWG；隨著兩井的靠近，當(dāng)rnst+rcom≤rRMRS時(shí)，開始使用RMRS［10］。

4 井身剖面的設(shè)計(jì)

要實(shí)現(xiàn)精確連通的2口水平井都設(shè)計(jì)成相似的雙增剖面，中間穩(wěn)斜段起到調(diào)整的作用［1］。

4.1 只使用旋轉(zhuǎn)磁場測距導(dǎo)向系統(tǒng)RMRS的情況

只使用RMRS情況下的U型水平井井身剖面圖如圖6所示，井身剖面設(shè)計(jì)在二維平面內(nèi)，在t2點(diǎn)精確連通。設(shè)計(jì)2口水平井重疊部分Soli的目的是為了確保正鉆井底部鉆具組合進(jìn)入已完鉆水平井中，建立起光滑井眼。設(shè)計(jì)第1口井額外延伸部分Sext的目的是為了更好地利用RMRS來引導(dǎo)第1口水平井的鉆井從而實(shí)現(xiàn)2口水平井的精確連通。2口水平井的剖面計(jì)算與常規(guī)水平井相同，不再贅述。額外延伸部分Sext的計(jì)算如圖7(a)所示，計(jì)算公式為

開始使用RMRS時(shí)正鉆井的井斜角為

圖6 只使用RMRS情況下的井身剖面圖

圖7 Sext計(jì)算方法

4.2 使用SWG+RMRS的情況

根據(jù)SWG的測量特點(diǎn)，井身剖面如圖8所示。井身剖面與只使用RMRS情況下的相似，只改變了第1口水平井的額外延伸段。額外延伸段由水平段改為了降斜段，以適合SWG的測量。

圖8 使用SWG+RMRS情況下的井身剖面圖

額外延伸部分Sext的計(jì)算如圖7（b）所示。由余弦定理得

額外延伸部分

開始使用SWG時(shí)正鉆井的井斜角為

5 實(shí)例驗(yàn)證

以文獻(xiàn)［5］中數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。該井由電磁引導(dǎo)工具（MGT）引導(dǎo)完成連通。根據(jù)MGT測量特點(diǎn)，得知只使用MGT時(shí)的剖面設(shè)計(jì)與計(jì)算和只使用RMRS的情況相同，所以可以用此文獻(xiàn)中的數(shù)據(jù)對(duì)只使用RMRS的情況進(jìn)行討論。

正鉆井造斜率為11.6 （°）/30 m；根據(jù)計(jì)算在連通點(diǎn)附近2口水平井的合成誤差圓半徑為5 m；MGT測距范圍為25 m。

由公式（1）計(jì)算得額外延伸部分為30.6 m；由公式（2）計(jì)算得開始使用磁場測距導(dǎo)向工具時(shí)正鉆井的井斜角為68°。為了更好地引導(dǎo)連通水平段長度多設(shè)計(jì)了30 m，開始使用磁場測距導(dǎo)向工具時(shí)正鉆井的井斜為68°。

通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，額外延伸部分在本設(shè)計(jì)中的計(jì)算值和文獻(xiàn)中給出的值相一致。而本設(shè)計(jì)中計(jì)算出的開始使用磁場測距導(dǎo)向工具時(shí)正鉆井的井斜角的值比文獻(xiàn)中給出的大8°，分析其原因是提前使用了磁場測距導(dǎo)向工具，從而有充足的時(shí)間為后面的磁場測距導(dǎo)向做準(zhǔn)備。

6 結(jié)論

（1） 2口水平井連通過程中，要依靠磁場測距導(dǎo)向工具的精確引導(dǎo)。在只使用SWG和RMRS時(shí)，U型水平井的井身剖面設(shè)計(jì)和計(jì)算是相同的。由于旋轉(zhuǎn)磁場測距導(dǎo)向系統(tǒng)（RMRS）的近鉆頭測量和單電纜引導(dǎo)工具（SWG）的大范圍測距，使得其成為U型水平井首選的2種磁場測距導(dǎo)向工具。

（2） 通過井眼位置的不確定性分析來指導(dǎo)磁場測距導(dǎo)向工具的選擇使用。當(dāng)合成誤差圓直徑在RMRS測距范圍內(nèi)，只使用RMRS；若超出范圍，則先使用SWG再使用RMRS。

（3） 針對(duì)2種不同的情況，進(jìn)行了相應(yīng)的井身剖面設(shè)計(jì)，明確給出了額外延伸部分的計(jì)算公式，通過實(shí)例討論證明了設(shè)計(jì)的正確性。實(shí)現(xiàn)了U型水平井鉆井軌跡設(shè)計(jì)與控制一體化，對(duì)今后的深入研究和實(shí)踐具有參考意義。

［1］高德利， 吳曉東， 李根生， 等.復(fù)雜結(jié)構(gòu)井優(yōu)化設(shè)計(jì)與鉆完井控制技術(shù)［M］.山東東營：中國石油大學(xué)出版社， 2011：1-14.

［2］李子豐， 戴江.對(duì)接水平井及其井間導(dǎo)航軌道控制技術(shù)［J］.天然氣工業(yè)， 2008， 28（2）：70-72.

［3］鮮保安， 夏柏如， 張義， 等.煤層氣U型井鉆井采氣技術(shù)研究［J］.石油鉆采工藝， 2010， 32（4）：91-95.

［4］POLONI R, SASSI G, VALENTE P, et al.An innovative approach to heat heavy oil formations by means of two horizontally interconnected wells ［R］.SPE 133129, 2010.

［5］LEE D, BRANDAO F.U-tube wells - connecting horizontal wells end to end case study：Installation and well construction of the world's first u-tube well ［R］.SPE/IADC 92685, 2005.

［6］GRILLS T L.Magnetic ranging technologies for drilling steam assisted gravity drainage well pairs and unique well geometries-a comparison of technologies ［R］.SPE 79005, 2002.

［7］刁斌斌， 高德利， 吳志永.磁短節(jié)等效磁矩的測量［J］.石油鉆采工藝， 2011， 33（5）：42-45.

［8］刁斌斌， 高德利， 吳志永.雙水平井導(dǎo)向鉆井磁測距計(jì)算方法［J］.中國石油大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版， 2011，35（6）：71-75.

［9］MALLARY C R, WILLIAMSON H S, PITZER R, et al.Collision avoidance using a single wire magnetic ranging technique at milne point, alaska ［R］.IADC/SPE 39389, 1998.

［10］AL-KHODHORI S M, HOLWEG P, ALRIYAMI H.Connector conductor wells technology in brunei shell petroleum-achieving high profitability through multiwell bores and downhole connections ［R］.IADC/SPE 111441, 2008.

［11］WILLIAMSON H S.Accuracy prediction for directional measurement while drilling ［J］.SPE Drilling &Completion, 2000, 15（4）：221-233.

［12］WOLFF C J M, DE WARDT J P.Borehole position uncertainty - analysis of measuring methods and derivation of systematic error model ［J］.Journal of Petroleum Technology, 1981, 33（12）：2338-2350.

［13］董本京， 高德利， 柳貢慧.井眼軌跡不確定性分析方法的探討［J］.天然氣工業(yè)， 1999， 19（4）：72-76.

（修改稿收到日期 2014-08-20）

〔編輯 薛改珍〕

Profile design of U-shaped horizontal well based on measuring tools

XI Baobin, GAO Deli
（MOE Key Laboratory of Petroleum Engineering,China University of Petroleum,Beijing102249,China）

In order to realize accurate connection of two horizontal wells, a magnetic field ranging steering tool was introduced, and research was conducted on the design of U-shaped horizontal wellbore profile.While conducting uncertainty analysis of wellbore trajectory, a composite error circle was introduced.By comparing the diameter of the composite error circle with the ranging size of the magnetic field ranging steering tool, the timings for using two magnetic ranging steering tools were obtained.Based on the selection and use of the magnetic ranging steering tool and measuring characteristics, the relevant wellbore profile was designed.The additionally extended part was the key part in profile design, and its accurate calculation equation was given by the ranging size.Example verification shows that this profile design is reasonable.The U-shaped horizontal well profile design reflects the integration of drilling design with control, providing reference significance for further study and practice in the future.

U-shaped well;horizontal well;connection;ranging steering;profile design;uncertainty

席寶濱，高德利.基于測量工具的U型水平井井身剖面設(shè)計(jì)［J］.石油鉆采工藝，2014，36（6）：7-10.

TE243

：A

1000–7393（2014） 06–0007–04

10.13639/j.odpt.2014.06.002

國家科技重大專項(xiàng)“復(fù)雜結(jié)構(gòu)井優(yōu)化設(shè)計(jì)與控制關(guān)鍵技術(shù)”（編號(hào)：2011ZX05009-005），國家自然科學(xué)基金委創(chuàng)新研究群體（編號(hào)：51221003），國家自然科學(xué)石油化工聯(lián)合基金“頁巖氣鉆探中的井壁穩(wěn)定及高效鉆完井基礎(chǔ)研究”（編號(hào)：U1262201）。

席寶濱，1984年生。中國石油大學(xué)（北京）油氣井工程專業(yè)在讀博士研究生，現(xiàn)主要從事油氣井力學(xué)與控制工程方面的研究。電話：18810524500。E-mail：wdxizi@163.com。