定向井井身轨迹最优化方法研究

[摘 要]定向井技术常应用于石油钻井、煤层气钻井、煤矿定向透巷等领域，是当今世界最先进的钻井技术之一。定向井井身轨迹的优劣直接影响着钻井施工的安全程度、施工效率以及成本。本文主要简单探讨了定向井井身轨迹优化方法的现状、在定量数学模型的基础上提出了井身轨迹最优化的设计思路，详细分析了影响井身轨迹的因素以及井身轨迹的优化方法。

[关键词]定向井 井身轨迹 优化设计

中图分类号：TE2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）12-0041-01

现有的井身轨迹计算方法很多但其共有的缺点是设计出的轨迹只能满足施工的基本要求却不能从定量的角度肯定是否为一条可行的最优轨迹。在施工定向井时，井身轨迹走向决定着是否按设计到达目标点。因此，确定井身轨迹在地下空间的准确位置尤其重要。对于井身轨迹最优化的研究也十分有必要。

一、井身轨迹最优化设计思路

最优轨迹主要包括以下几点：⑴必须满足现场施工条件的限制；⑵设计出来的轨迹具有最小的井斜变化率和方位变化率、最短的井身长度即满足各种要求下的最短轨迹；⑶必须具有最小的扭矩和摩阻力等。可见，实现定向井井身轨迹最优化不仅可以缩短钻井周期、降低钻井成本，而且可以使地面和地下条件受到限制的油气资源得到经济、有效的开发，大幅度提高油气产量、保护自然环境，创造显著的经济效益和社会效益，并且能大大减少可能的井下事故，对于整个钻井工程的施工，具有很重要的意义。

二、影响井身轨迹的因素及其优化方法

1、定向井井深轨迹最优化的计算

在定向井井身轨迹的数学模型基础之上，我们需要优化各种计算方法，采用种相对误差较小的方法进行计算，并根据计算的结果，设计出最为合理的井身轨迹和施工方案。目前，受到技术条件的限制，我们还没有找到可以直接测得井眼内任一点对井口的相对位置的方法，只能根据单点、多点、陀螺、MWD等仪器测出的数据，间接求得井眼内某一点相对于井口的垂直深度、水平位移、南北坐标、东西坐标、水平位移，从而绘出水平投影以及垂直剖面井身轨迹[3]。目前普遍采用“两点法”来计算相邻两点间的小段井眼中心的垂直深度、水平位移、南北坐标、东西坐标、水平位移。小段井眼是进行计算的基本单元。当前，主要采用直线法和曲线法来计算井深轨迹，曲线法要比直线法更合理些，用计算机编程机计算时常采用此法。

2、钻柱起下钻摩擦阻力

钻柱起下摩擦阻力是影响定向井井身轨迹的主要因素之一，它是由钻柱与井壁接触摩擦产生的，可以阻碍钻柱的运动。起钻时它使钩负荷增大，令起钻困难并易导致钻具事故；下钻时它减少钻柱重力，使钻柱不易入井。钻柱起下摩擦阻力越小，最优井身轨迹的目标泛函π值就越小，根据我们建立的数学模型可知，π值越小，就越接近最优井身轨迹，所以我们在具体的施工过程中要尽量保证钻柱起下摩擦阻力越小越好。

3、造斜点的选择

造斜点的选取对于定向井的建造有十分重要的意义，是井身轨迹优化的重要方面。为了钻井施工的方便高效，选择的造斜点一般越浅越好，因为浅层造斜比深层造斜容易些（因为深层地层往往胶结良好）。应该尽量在大段砂层中造斜，因为砂层的井径稳定，而页岩段教易受到冲蚀。但是在实际的施工建设中，由于很多现实环境的影响，需要改变一些造斜点的位置，例如在一些比较容易掉块或者是坍塌的地层，造斜点就适宜适当向下移动或者将井径扩大，降低地层对施工的影响。

4、井斜角大小

定向井造斜后的井斜角一般在20°～60°，井斜较小时（5°～20°），井斜和方位都不好控制，井斜大于60°将使钻具摩擦阻力大大增加，从而影响定向井井身轨迹的最优化。

5、地层走势的选择

地城走势对井斜和方位漂移都有很大的影响。选择最优井位，利用地层的自然漂移趋势，是非常必要的。在地面条件允许的情况下，应尽量利用地层走势，最大限度地减小井眼漂移。

6、保证测量工作

首先，要用仪器测量井深、井斜角、井斜方位等原始数据来计算定向井井身轨迹，所以要保证测量仪器的精确度。再次，在测量井深轨迹时，我们往往只知道相邻两个测量点之间的长度而不清楚测段形状，严重影响了井身轨迹的优化。因此测量人员应该结合设计阶段的坐标系及施工过程具体细节和数据的采集对井身轨迹进行精确测量。

三、结束语

定向井是当今世界石油和煤炭开发领域最常用的井型，实现定向井井身轨迹的最优化，不仅要建立正确的数学模型，更需要在施工过程中根据实际情况不断地改进、调整和完善。虽然受到很多现实复杂环境的限制但是随着科技的进步以及我们的共同努力，对于定向井井身轨迹的最优化方法将会不断完善，定向井井身轨迹最优化也必将会对经济和社会效益产生更大的影响。

参考文献

[1] 刘绘新.孟英峰.定向井最优井身轨迹研究[J].天然气工业，2004，（02）.

[2] 王庆峰.定向井井身轨迹最优化方法分析[J].科技博览，2014，345.

[3] 杨涛.定向井井身轨迹的计算方法[J].中国煤炭地质，2009，（74-75）.