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【摘 要】本文从科学方法，论述井眼轨迹预测方法，并从实际中得出科学结论，论述精确井眼轨迹控及工具的应用。并从三个方面进论述：一是井眼轨迹预测理论及方法；二是井眼轨迹预测的主要方法；三是钻井系统动力学的井眼轨迹预测理论及方法。
【关键词】井眼轨迹 预测动力学钻具组合
钻井工程井眼轨迹预测就是通过对井眼轨道内钻具力学建模或对实钻井眼轨迹资料进行统计分析等手段来建立井眼轨迹预测目标函数，从而指导轨迹设计、优化下部钻具组合、预测实钻井眼轨迹参数、提高轨迹控制精度的一种科学方法。
为了缩短我国与先进国家在钻井技术方面的差距，特别是为了发展我国在复杂结构井、大位移井及连续导管钻井等方面的钻井技术，不仅应该开展井眼轨迹控制理论及工具的研究，更应该开展科学的井眼轨迹预测理论及方法研究。
一、井眼轨迹预测理论及方法
科学的井眼轨迹预测方法是钻井工程中的关键技术之一。它是进行精确、高效井眼轨迹控制的前提。
在国内外钻井工程历次技术革新中井眼轨迹的预测方法与控制技术都是研究的热点和难点，井眼轨迹预测与控制关系到井身质量、钻井速度和钻井成本。
目前，井眼轨迹预测理论及方法基本上可以分为以下几类：
第一类方法根据实际使用钻具类型和原井眼轨迹参数，利用实际的井眼轨迹计算方法预测井眼，它没有考虑钻具的结构和力学特性以及钻头与岩石互作用对井眼轨迹的影响。
第二类方法认为井眼轨迹的形成不仅与下部钻具组合的受力状态和变形特征有关，而且与钻头及钻头与地层互作用有关。对下部钻具组合的分析给出了钻头上的机械作用力，而对钻头与地层互作用的分析则提供了作用在钻头上的地层力。
综合考虑上述两种因素，然后通过钻头与岩石互作用模型的具体体现形式——三维钻速方程可以计算出井眼轨道上任一点在平动坐标系中的钻速分量，再结合原井斜角和方位角即可计算出新井斜角和方位角，从而实现井眼轨迹的预测，这类方法建立的理论模型比较合理，且模型中需要实验或统计分析来确定的参数相对较少、易于编程实现，所以该类方法应用较广泛。
第三类方法认为井眼轨迹的形成受众多确定因素和随机因素的综合影响，影响井眼轨迹的诸多参数如钻具组合、钻井参数、井眼几何形状及地层参数对钻进方向的影响比较复杂，有些参数无法取全取准或者无法准确分析各影响因素的贡献权重，因此有必要将理论计算和实钻数据统计分析结合起来，才能使得建立的预测模式更符合实际。这类方法在分析影响井眼轨迹的主要参数的基础上建立相应的理论模式，然后通过实钻数据统计分析确定理论模式中的待定系数，从而形成理论计算与统计分析相结合的预测模式。
二、井眼轨迹预测的主要方法
国内外钻井界专家在井眼轨迹预测与控制领域作了大量研究工作，近十年来仅国内钻井界专家提出的井眼轨迹预测方法就达十余种之多，这些预测方法在不同时期都做出了不同的贡献，现简要介绍几种近年来国内应用较多的预测方法。
（1）下部钻具组合力学与结构分析和钻头与岩石互作用相结合的预测方法。
分析了下部钻具的受力状态，建立了下部钻具三维静力分析的微分方程，确立了钻头处、稳定器或接触点、弯角处、切点处和井壁的边界条件；考虑钻头与地层的作用力、钻头各向异性、地层各向异性和地层倾向、倾角等因素的影响，建立了以矩阵形式表达的各向异性钻头与正交各向异性地层相互作用的三维钻速方程；根据实际钻进时，井眼轨迹除个别点外都是光滑的，横向钻速为零，建立了井眼轨迹预测的目标函数，使用该模型可以计算井斜角和方位角的变化从而实现井眼轨迹预测。
（2）完善的平衡曲率预测方法。
平衡曲率法认为钻具组合最终会形成一个使钻头侧向力等于零的井眼曲率。该方法认为下部钻具组合挠曲形式和钻头的侧向切削力对井眼轨迹的形成有很大影响，并且指出只有当二者结合时才会发挥作用。该方法根据建立在不同坐标系下的钻速方程表达式和井斜角、方位角表达式及曲率增量表达式可以对实钻井眼进行模拟和预测。
（3）理论模式与实钻数据统计分析相结合的预测方法。
在多元幂积侧向切削理论模型的基础上结合钻头与岩石互作用理论，建立了综合考虑地层因素、钻头切削破岩特性对钻头轴向力和侧向力的有效作用综合影响、井深增量、钻头转速和井眼前进方向地层可钻性等因素的井眼偏移量计算模式。在下部钻具力学特性、钻柱摩阻分析计算提供井底钻压和井眼侧向力的情况下，使用该模式可对井眼轨迹进行预测计算。该模式构造的理论模型中一些综合影响比例因子、系数及各因素的影响指数需要在分析大量已有钻井资料的前提下对多元幂积侧向切削模型取对数然后进行多元线性回归确定。
三、钻井系统动力学的井眼轨迹预测理论及方法
完整的井眼轨迹预测方法应该以钻头、下部钻具组合、地层、钻柱为主要研究对象，并应考虑钻井液水力因素的影响。
目前的井眼轨迹预测方法考虑了下部钻具组合的力学与结构特性、钻头的结构特性及钻头侧向切削性能与轴向切削性能不一致性、地层性质及钻头与岩石互作用等因素，并采用了理论模型与实钻数据统计分析相结合的研究方法，但是这些预测模式都忽略了井眼内钻具的动力学特性及钻井液水力因素对井眼轨迹的影响。
因此，本文提出了一种基于钻井系统动力学的井眼轨迹预测理论及方法。该方法从系统动力学的角度出发，认为钻井系统（钻柱、下部钻具组合、钻头）的振动是影响井眼轨迹的一个重要因素，仅仅考虑下部钻具组合和钻头与岩石互作用来预测井眼轨迹是不全面的。
该预测模式的理论模型包括四个主要部分：钻柱纵横扭耦合振动模型、下部钻具组合特性分析（力学特性和结构特性）、钻头特性分析（结构、切削、水力）及钻头与岩石互作用模型，其中钻井液对井眼轨迹的影响体现在钻头特性分析上。
考虑到井眼轨迹的形成是众多确定性和随机性因素综合影响的结果，因此有必要将实钻数据统计分析手段引入到下部钻具组合力学与结构分析模型和钻头与岩石互作用模型的构建中以帮助确定模型中的统计量、比例因子、影响因素的指数等。
使用基于钻井系统动力学的井眼轨迹预测模式，通过预测软件的仿真计算，可以完成不同钻井参数、钻具组合和要钻遇井下条件（如地层岩性变化、构造力影响等）的井眼轨迹待钻预测设计和随钻跟踪预测计算，从而可以指导井眼优化设计，减少井下纠偏的多举性、增加实钻井眼的可预知性、提高钻井系统的可靠性，同时通过节省实钻时间达到降低钻井成本的目的。
针对定丛井，由于井间距的缩小，在做定丛井每口井的定向设计时，防碰成为我们优化定向井轨道的首选，运用现代计算机的运算速度优势，针对地下障碍物水平投影的多样性，利用试探法进行绕障圆位置的确定，优化了在水平投影图上的轨迹设计曲线，并给出了多种不同设计轨迹，可以根据现场施工状况的不同，灵活地选用井眼轨道设计轨迹。
结论
通过密井网定向井防碰研究和多段制绕障定向井井眼轨道控制方法的研究，制定了密井网定向井防碰施工方案，利用防碰预警技术验证设计轨迹的可行性，确保了设计井眼和已钻井眼无相碰事故发生。
同时利用无线随钻导向技术、MWD仪器随钻定向技术，不断优选出钻具组合，实现了井眼轨迹的精准控制。
【关键词】井眼轨迹 预测动力学钻具组合
钻井工程井眼轨迹预测就是通过对井眼轨道内钻具力学建模或对实钻井眼轨迹资料进行统计分析等手段来建立井眼轨迹预测目标函数，从而指导轨迹设计、优化下部钻具组合、预测实钻井眼轨迹参数、提高轨迹控制精度的一种科学方法。
为了缩短我国与先进国家在钻井技术方面的差距，特别是为了发展我国在复杂结构井、大位移井及连续导管钻井等方面的钻井技术，不仅应该开展井眼轨迹控制理论及工具的研究，更应该开展科学的井眼轨迹预测理论及方法研究。
一、井眼轨迹预测理论及方法
科学的井眼轨迹预测方法是钻井工程中的关键技术之一。它是进行精确、高效井眼轨迹控制的前提。
在国内外钻井工程历次技术革新中井眼轨迹的预测方法与控制技术都是研究的热点和难点，井眼轨迹预测与控制关系到井身质量、钻井速度和钻井成本。
目前，井眼轨迹预测理论及方法基本上可以分为以下几类：
第一类方法根据实际使用钻具类型和原井眼轨迹参数，利用实际的井眼轨迹计算方法预测井眼，它没有考虑钻具的结构和力学特性以及钻头与岩石互作用对井眼轨迹的影响。
第二类方法认为井眼轨迹的形成不仅与下部钻具组合的受力状态和变形特征有关，而且与钻头及钻头与地层互作用有关。对下部钻具组合的分析给出了钻头上的机械作用力，而对钻头与地层互作用的分析则提供了作用在钻头上的地层力。
综合考虑上述两种因素，然后通过钻头与岩石互作用模型的具体体现形式——三维钻速方程可以计算出井眼轨道上任一点在平动坐标系中的钻速分量，再结合原井斜角和方位角即可计算出新井斜角和方位角，从而实现井眼轨迹的预测，这类方法建立的理论模型比较合理，且模型中需要实验或统计分析来确定的参数相对较少、易于编程实现，所以该类方法应用较广泛。
第三类方法认为井眼轨迹的形成受众多确定因素和随机因素的综合影响，影响井眼轨迹的诸多参数如钻具组合、钻井参数、井眼几何形状及地层参数对钻进方向的影响比较复杂，有些参数无法取全取准或者无法准确分析各影响因素的贡献权重，因此有必要将理论计算和实钻数据统计分析结合起来，才能使得建立的预测模式更符合实际。这类方法在分析影响井眼轨迹的主要参数的基础上建立相应的理论模式，然后通过实钻数据统计分析确定理论模式中的待定系数，从而形成理论计算与统计分析相结合的预测模式。
二、井眼轨迹预测的主要方法
国内外钻井界专家在井眼轨迹预测与控制领域作了大量研究工作，近十年来仅国内钻井界专家提出的井眼轨迹预测方法就达十余种之多，这些预测方法在不同时期都做出了不同的贡献，现简要介绍几种近年来国内应用较多的预测方法。
（1）下部钻具组合力学与结构分析和钻头与岩石互作用相结合的预测方法。
分析了下部钻具的受力状态，建立了下部钻具三维静力分析的微分方程，确立了钻头处、稳定器或接触点、弯角处、切点处和井壁的边界条件；考虑钻头与地层的作用力、钻头各向异性、地层各向异性和地层倾向、倾角等因素的影响，建立了以矩阵形式表达的各向异性钻头与正交各向异性地层相互作用的三维钻速方程；根据实际钻进时，井眼轨迹除个别点外都是光滑的，横向钻速为零，建立了井眼轨迹预测的目标函数，使用该模型可以计算井斜角和方位角的变化从而实现井眼轨迹预测。
（2）完善的平衡曲率预测方法。
平衡曲率法认为钻具组合最终会形成一个使钻头侧向力等于零的井眼曲率。该方法认为下部钻具组合挠曲形式和钻头的侧向切削力对井眼轨迹的形成有很大影响，并且指出只有当二者结合时才会发挥作用。该方法根据建立在不同坐标系下的钻速方程表达式和井斜角、方位角表达式及曲率增量表达式可以对实钻井眼进行模拟和预测。
（3）理论模式与实钻数据统计分析相结合的预测方法。
在多元幂积侧向切削理论模型的基础上结合钻头与岩石互作用理论，建立了综合考虑地层因素、钻头切削破岩特性对钻头轴向力和侧向力的有效作用综合影响、井深增量、钻头转速和井眼前进方向地层可钻性等因素的井眼偏移量计算模式。在下部钻具力学特性、钻柱摩阻分析计算提供井底钻压和井眼侧向力的情况下，使用该模式可对井眼轨迹进行预测计算。该模式构造的理论模型中一些综合影响比例因子、系数及各因素的影响指数需要在分析大量已有钻井资料的前提下对多元幂积侧向切削模型取对数然后进行多元线性回归确定。
三、钻井系统动力学的井眼轨迹预测理论及方法
完整的井眼轨迹预测方法应该以钻头、下部钻具组合、地层、钻柱为主要研究对象，并应考虑钻井液水力因素的影响。
目前的井眼轨迹预测方法考虑了下部钻具组合的力学与结构特性、钻头的结构特性及钻头侧向切削性能与轴向切削性能不一致性、地层性质及钻头与岩石互作用等因素，并采用了理论模型与实钻数据统计分析相结合的研究方法，但是这些预测模式都忽略了井眼内钻具的动力学特性及钻井液水力因素对井眼轨迹的影响。
因此，本文提出了一种基于钻井系统动力学的井眼轨迹预测理论及方法。该方法从系统动力学的角度出发，认为钻井系统（钻柱、下部钻具组合、钻头）的振动是影响井眼轨迹的一个重要因素，仅仅考虑下部钻具组合和钻头与岩石互作用来预测井眼轨迹是不全面的。
该预测模式的理论模型包括四个主要部分：钻柱纵横扭耦合振动模型、下部钻具组合特性分析（力学特性和结构特性）、钻头特性分析（结构、切削、水力）及钻头与岩石互作用模型，其中钻井液对井眼轨迹的影响体现在钻头特性分析上。
考虑到井眼轨迹的形成是众多确定性和随机性因素综合影响的结果，因此有必要将实钻数据统计分析手段引入到下部钻具组合力学与结构分析模型和钻头与岩石互作用模型的构建中以帮助确定模型中的统计量、比例因子、影响因素的指数等。
使用基于钻井系统动力学的井眼轨迹预测模式，通过预测软件的仿真计算，可以完成不同钻井参数、钻具组合和要钻遇井下条件（如地层岩性变化、构造力影响等）的井眼轨迹待钻预测设计和随钻跟踪预测计算，从而可以指导井眼优化设计，减少井下纠偏的多举性、增加实钻井眼的可预知性、提高钻井系统的可靠性，同时通过节省实钻时间达到降低钻井成本的目的。
针对定丛井，由于井间距的缩小，在做定丛井每口井的定向设计时，防碰成为我们优化定向井轨道的首选，运用现代计算机的运算速度优势，针对地下障碍物水平投影的多样性，利用试探法进行绕障圆位置的确定，优化了在水平投影图上的轨迹设计曲线，并给出了多种不同设计轨迹，可以根据现场施工状况的不同，灵活地选用井眼轨道设计轨迹。
结论
通过密井网定向井防碰研究和多段制绕障定向井井眼轨道控制方法的研究，制定了密井网定向井防碰施工方案，利用防碰预警技术验证设计轨迹的可行性，确保了设计井眼和已钻井眼无相碰事故发生。
同时利用无线随钻导向技术、MWD仪器随钻定向技术，不断优选出钻具组合，实现了井眼轨迹的精准控制。