七段式三维水平井井眼轨道设计方法

一，背景与问题

国内页岩油气储层埋深较大（垂深2500~4200米），传统五段式三维水平井轨道（垂直段—增斜段—稳斜段—扭增段—水平段）存在以下问题：扭增段过长：需同时调整井斜角和方位角，轨迹控制难度高，钻井效率低。缺乏稳斜调整段：导致入靶精度不足，难以适应储层垂深和造斜率的不确定性。

二，七段式轨道设计方法

核心思想：将五段式轨道的“扭增段”拆分为“扭方位段—稳斜段—增斜段”，形成七段式轨道（七段式三维水平井轨道示意图如图1）：

1.垂直段2.第一增斜段3.第一稳斜段（调整初始轨迹）4.扭方位段（纯方位角调整）5.第二稳斜段（稳定调整后轨迹）6.第二增斜段（最终增斜至水平段）7. 水平段。

三，设计优势

缩短三维扭方位段长度：通过拆分，减少复杂轨迹段长度，降低控制难度。

增加稳斜调整段：提高入靶精度，适应储层非均质性。

优化摩阻与扭矩：通过分段设计降低钻柱受力，提升钻井效率。

数学模型与求解

1基本方程组

建立三元非线性方程组，描述各段垂深、水平位移和方位角的关系：

2. 等效拆分

将三维轨道拆分为两个铅垂面和一个斜平面，建立等效二元方程组，降低求解复杂度：铅垂面1：垂直段—第一增斜段—第一稳斜段。 铅垂面2：第二稳斜段—第二增斜段—水平段。斜平面：扭方位段连接两铅垂面，通过广义连接点j 实现方程关联。

3. 求解步骤

计算广义连接点j 的闭合距和垂深。

分步求解稳斜段井斜角、段长及中间变量。

验证参数合理性（如正值约束），调整设计条件。

四，实例应用与效果

案例背景：新疆吉木萨尔油田某页岩油水平井

目标参数：水平段长1500米，靶点垂深2584米，井斜角89°，方位角260°。设计条件：造斜点垂深500米，造斜率 K1=4.5∘/30m，，K2=6∘/30m。

七段式轨道设计结果：

三维扭方位段长度：224.35米（五段式为434.38米），缩短48.3%。摩阻与扭矩：最大钩载551.85 kN，综合安全系数4.31，与五段式相当。 钻井效率：三维段控制难度降低，复合钻进占比提升。对比五段式轨道如表1：

五，结论

1.技术优势

七段式轨道显著缩短三维扭方位段，降低轨迹控制难度，适合储层埋深大的丛式水平井。通过等效方程组拆分，简化数学模型求解，提升设计效率。

2. 应用前景

结合“井工厂”模式，优化勺形轨道设计，减少死油区。开发智能化实时优化系统，动态调整轨迹参数。

3. 挑战

需进一步研究多靶点组合设计（如“V型”“Z型”轨道）。针对浅层大位移井，优化套管下入工具及摩阻模型。