定向井轨迹控制刘志强.ppt

定向井井眼轨迹控制技术,刘志强 中国地质科学院勘探技术研究所,目 录 一、概述 二、定向井设计与计算 三、定向井专用工具 四、定向井测量仪器 五、定向井井眼轨迹控制,一、概述,1、定向井的概念 定向井：是指按照预先设计的轨迹钻进，具有井斜和方位 变化的井。 它是由特殊井下工具、 测量仪器和工艺技术有效控 制井眼轨迹，使钻头沿着特 定方向钻达地下预定目标的 钻井工艺技术。,2、定向井的基本应用,（1）地面限制： 高山、森林、城镇、重要建筑、沼泽； 良田、草场； 海洋、湖泊、河流、盐田。,（2）地下地质条件要求。 用直井难以穿过的复杂层、盐丘和断层等 。,（3）处理井下事故的特殊要求。 遇到井下事故无 法处理或不易处理时 ，常采用定向井技术 。如：掉钻头、断钻 具、卡钻等。,（4）提高经济效益的特殊需要。,土耳其天然碱矿对接井施工,（5）增产措施、煤矿安全、工程救险等。,3、定向井的类型 按施工技术方法： 自然弯曲定向井 人工弯曲定向井 按设计井眼轴线形状： 二维平面定向井 三维平面定向井 按设计最大井斜角： 低斜度定向井（最大井斜15） 中斜度定向井 （最大井斜 15 45） 大斜度定向井（最大井斜 45 85） 水平井（最大井斜85） 按井底结构分类： 单底定向井 多底定向井,二、定向井设计与计算,1 、井眼轨迹的基本参数 （1）监测参数: 井深：是指井口至测点的井眼长度。 井斜角：井眼方向线与铅垂线之间 的夹角。,以正北方位线为始边，顺时针方向旋转到井眼方位线上所转过的角度。,方位角：,（2）计算参数: 垂深：是指井眼轨迹上的点至井口水平面的距离。 N坐标和E坐标 ：井眼轨迹上的点在以井口为原点的水平面 坐标系里的坐标值。 水平位移：是指井眼轨迹上的点至井口所在铅垂线的距离。 井斜变化率：单位长度井段内井斜角的变化值。 方位角变化率：单位长度井段内方位角的变化值。 全角变化值：沿井眼前进方向上，两测点之间的空间角度变 化。也称为“狗腿角” 。 全角变化率：单位长度井段内的全角变化值。,2、 钻孔轴线空间位置的计算 （1）切线法 （2）平衡切线法 （3）平均角法 （4）曲率半径法 （5）最小曲率法 （6）Mercury,参考书目： 1、 受控定向钻探技术 江天寿 周铁芳 2、 水平井井眼轨迹控制 苏义脑 3、 定向钻井技术 王清江,3、方位角基准变换,由于采用了不同正北方向的基准，所以定义了三种方位角： 真方位角、磁方位角和坐标方位角。 真方位角：井眼轴线上某测点的方向线（切线）在水平面上 的投影与真北方向线之间的夹角。 磁方位角：井眼轴线上某测点的方向线（切线）在水平面上 的投影与磁北方向线之间的夹角。 坐标方位角：井眼轴线上某测点的方向线（切线）在水平面 上的投影与坐标北之间的夹角。,真方位角=磁方位角+磁偏角 坐标方位角=真方位角-子午线收敛角 坐标方位角=磁方位角+磁偏角-子午线收敛角,磁偏角示意图,各方位角之间的关系,最小曲率法计算钻孔轴线空间位置,4、定向井的井眼轨迹设计,（1）定向井相关术语 造斜点：开始定向造斜的位置。 造斜率：表示造斜工具的造斜能力，其值等于所钻井段的 井眼曲率。 靶点：钻井工程设计中规定的必须钻达的地层位置,亦称 之为目标点。 靶区半径：允许井眼轨迹偏离靶点的距离。 靶区：以靶区半径为半径的圆面。,（2）定向井的井眼轨迹类型 二维定向井 三维定向井 （1）三段式 （2）多靶三段式 （3）五段式 （4）双增式,（3）井眼轨迹设计步骤 选择井眼轨迹形状； 确定造斜点（侧钻点、分支点）； 选定造斜率、确定最大井眼曲率； 求得井眼轨迹的待定参数； 井身计算及井眼轨迹绘图。,三、定向井专用工具,1、造斜钻头 2、井下动力钻具 3、定向接头 4、无磁钻杆（或无磁钻铤） 5、扶正器（稳定器） 6、震击器 7、键槽破坏器 8、悬挂短节 9、浮阀 10、挠性接头,造斜钻头,螺杆钻具,无磁承压钻杆、无磁钻铤,上图：斜口引鞋 右图：定向接头,四、定向井测量仪器,1、磁罗盘单、多点照相测斜仪 2、有线随钻测斜仪 3、无线随钻测斜仪（压力脉冲、声波、电磁波等） 4、电子多点测斜仪 5、照相单、多点陀螺测斜仪 6、电子陀螺测斜仪 7、引导中靶系统,五、定向井井眼轨迹控制,1、基本概念 （1）实质：井眼轨迹控制的实质，就是不断地控制井眼的前进方向。井眼方向由井眼的井斜角和井斜方位角来表示的。 （2）要求：在实钻过程中，设法使实钻的井眼轨迹尽可能符合设计的井眼轨道。 （3）井眼方向控制内容： -井斜角的控制：增斜、降斜、稳斜 -井斜方位角控制：增方位、降方位、稳方位,2、轨迹控制的主要内容 （1）造斜工具或钻具组合的选择 （2）造斜工具的装置方位计算 装置角的计算； 动力钻具反扭角的计算； （3）实时进行轨迹测量和轨迹计算。 测量仪器的选择，测量密度和测点密度的选择； 根据轨迹计算结果，提出下步轨迹控制要求； 井眼前进方向的预测。 （4）井下定向工艺和钻进工艺,3、轨迹控制的几条原则 （1）既要保证中靶，又要加快钻进。 “太远”可能造成脱靶。频繁地更换钻具和测斜将增加钻井成本和导致井下复杂情况。 （2）尽可能多地使用转盘钻的扶正器钻具组合来进行控制。 转盘钻的钻速比动力钻具高。当方位偏差太大或转盘钻不能完成增斜要求。 （3）尽可能利用地层的自然规律。 地层因素导致钻头的不对称切削，或引起井斜方位的变化。尽可能利用自然规律，减少利用工具进行控制的时间。 （4）条件允许尽可能使用导向钻具+MWD 同时实现滑动钻进和复合钻进。,4、造斜工具的装置角 （安装角、工具面角） 井斜铅垂面与造斜工具面的夹角(还不够准确！)； 以井斜铅垂面为基准，顺时针旋转到造斜工具面上所转过的角度； 在井底平面上，以高边方向线为基准，顺时针旋转到工具面与井底圆的交线上所转过的角度；,5、工具面角与井斜角、方位角之间的变化关系： 工具面角在、象限，方位均增加；工具面角在、象限，方位均减小； 工具面角在 、象限，井斜角都是增加的；但工具面角在 、 象限，井斜角并非都是减小的。只在绿色区域是减小，在粉红色区域内仍然是增大的。,6、直井段施工技术 总原则：防斜打直 （1）按照地层条件布置和设计钻孔。 （2）确保设备安装和开孔质量。 （3）采用合理的钻进方法和规程参数。 （4）正确选用钻具 钟摆钻具 偏重钻具 满眼钻具或简易钢性钻具： 特殊结构的防斜钻具 主动垂钻系统,7、定向井造斜段施工技术 （1）造斜工具的定向方法,（2）定向造斜工具（井下动力钻具） a、定向弯接头+螺杆钻具 优点：结构简单。缺点：造斜率低，钻头偏移大。 b、单弯螺杆定向造斜钻具 优点：造斜率高。缺点：万向轴受力复杂。 c、双弯螺杆定向造斜钻具 利用弯外壳+弯接头组合，通过改变两个结构弯角的大小来实现造斜率的调整。 d、动力钻具带偏心垫块,（3）造斜井段施工要求 a、采用随钻跟踪测斜，计算和作图结合预测井眼轨迹变化趋势，如造斜率达不到要求，及时采取相应措施进行调整。 b、按照设计的钻进参数钻进，要求司钻送钻均匀，使井眼曲率变化平缓，井眼轨迹圆滑。 （调整钻进参数改变造斜率；改变近钻头钻具组合） c、控制好井斜方位的变化，因地层等因素造成方位严重漂移，影响中靶或邻井安全限定区域时，使用造斜钻具及时对方位角进行调整。,（4）井斜角变化率的控制 a、普遍使用“弯外壳螺杆钻具组合”造斜； b、井下动力钻具的长度影响造斜率，螺杆钻具比涡轮钻具更易造斜； c、弯壳体螺杆结构弯角度数一般在02 范围按0.25级差进行分级，若弯角太大，钻具不易下井，大弯角钻具多用于强行扭方位； d、改变钻压和调整工具面角均能改变造斜率； e、地层特性（各向异性、硬度）影响造斜率； f、由于加工精度原因，相同弯角的钻具可能造斜率不同； g、较深的硬地层造斜井段，PDC钻头优于牙轮钻头，PDC钻头的寿命长、进尺多，而牙轮钻头产生金属碎屑的危险性相对较大。,（5）扭方位施工 如果井眼轨迹的方位漂移量过大，通过预测有脱靶的危险，这时要强行改变井眼轨迹的前进方向，即扭方位，使之恢复到能中靶的方位上来。 a、扭方位钻具组合的结构及钻进参数与常规定向造斜钻具的基本相同； b、尽可能选择可钻性和稳定性较好的地层实施扭方位作业； c、由于深井形成的反扭角较大，因此扭方位施工一般采用随钻测斜仪配合作业； d、全力扭方位时会伴随井斜角减小效应，因此扭完方位后，再通过增斜手段调整井斜角，保证得到较好的井眼轨迹；,（6）造斜段施工技术措施及注意事项 a、下井的增斜钻具结构要符合设计要求； b、发现下井的增斜钻具不合理，要及时调整或更换； c、必须严格按照设计或定向技术人员制定的钻井参数施工； d、增斜钻进时，泵压适中并满足增斜要求； e、如果钻具刚性变大，下钻时注意遇阻情况，地层较软时防止钻出新井眼； f、根据测井数据及时作图，分析出井眼轨迹的实际情况； g、钻完一个单根后，测量井底数据并分析钻具是否满足设计要求，如不符合及时调整钻进参数或更换钻具组合。,（7）复杂情况及处理 造斜不成功 原因 相应措施,钻出新井眼（“裤裆”井） 新井眼往往在以下情况中可能出现： 较浅、较疏松的地层； 狗腿较大的井段，如造斜段、扭方位井段； 钻具钢性改变以后。 预防措施： 如造斜是在较浅、较疏松的地层进行，尽可能使井斜角、方位角平缓变化，避免形成大的狗腿； 下钻遇阻时，一般均采取划眼、开泵冲下等办法，但一定要注意钻压、泵压的变化。 每钻完一个单根，都要反复划眼，修正孔壁，使井眼光滑。,8、 水平段施工技术 （1）水平井井眼轨迹控制的特点 中靶要求高 水平井的目标（靶体）是三维立体的，而常规定向井的目标通常是二维的。 控制难度大 工具造斜率、仪器误差、工具面角等不确定因素。 特殊工具多 使用带伽马参数的MWD进行矿层顶底板的识别；为克服摩阻使用水力加压器等。 井下管柱受力复杂 摩阻变大，起下钻、钻压困难；钻具轴向压力大，引起钻具变形，无法正常施加钻压。,钻井液密度选择范围变小，容易出现井漏或井塌 随着井斜角的增大，地层破裂压力将减小，而坍塌压力将 增大，另外，随着水平段的延长，井内钻井液的激动压力和抽 吸压力将增大，容易造成井漏或井塌。 携带岩屑困难，井眼中容易形成岩屑床 当井斜在45 60时会成“岩屑床”。严重时会堵塞井眼环空。 电缆下入困难 采用泵送的方式。 固井难度大 套管由于自重贴在下井壁，居中困难；水泥浆在凝固过程中析出的自由水集中在井眼的上侧，形成一条“水槽”。 完井工艺难度大 井眼曲率较大时，套管难以下入。射孔、电测作业困难。,（2）水平井井眼轨迹控制的技术措施 造斜率略高勿低 造斜钻具和实际造斜率要高出设计值10% 20%左右。 造斜率先高后低 降斜容易增斜难。 （造斜段）合理控制轨迹垂深 垂深误差的累计对造斜率起到显著的放大作用。 早扭方位 井斜较小时扭方位较容易，井斜较大时扭方位变得困难。,矢量进靶 控制好进入靶窗的井斜。 留有余地 井眼轨迹提前进行调整，避免出靶。 注意短起 水平段较长时，频繁的井斜和方位调整，使钻进变得困难，适当的短起可以提高钻进效率。 动态监测 对已钻井眼轨迹、钻具造斜率进行全程监控和评价，提出待钻井眼的实施方案。,（3）（水平段）裸眼侧钻分支技巧 水泥架桥侧钻、 可回收式斜向器侧钻、 裸眼悬空侧钻 侧钻之前要充分活动具，目的是将钻柱中的扭力全部释放，有利于井下动力钻具在侧钻时保持工具面的稳定； 侧钻时采用滑动钻进方式，钻速一般