（石油与天然气工程专业论文）胜利油田海上深丛式井井眼轨迹控制研究与实践.pdf

中文摘要 翥士蒌；嘉蓑差雩萎：于! 艘 指导教师：杨振杰( 签名)丛鲨i 垫之 孙德强( 签名) 寻私 关键词；丛式井钻井参数稳斜轨迹控制预定向 论文类型：应用研究 墨茎塑矍 s u b j e c t ：t h et e c h n o l o g yo fc o n t r o l l i n gw e l l b o r et r a j e c t o r yo f c b 3 0 6b l o c k sd e e p c l u s t e rw e l l si nt h eo f f s h o r eo fs h e r l o io i l f i e l d s p e c i a l i t y ： n a m e ： i n s t r u c t o r ： a b s t r a c t n 埭s h o r tc l u s t e rw e l l s n u m b e rt h a tt h ed e p t hl e s st h a n2 0 0 0 mo fo f f s h o r eo i l f i e l do f s h e n g l io i l f i e l dh a v e b e e nl e s sa n dl e s s 1 1 1 ed i s p l a c e m e n to f t h e s e w e l l sa l et h a tm u l t i p l es m a l l t a r g e td e e p e rc l u s t e rw e l l s n 圮p r o d u c t i o nf o r m a t i o no f t h e s ew e l l sa r en o w0o rb u tn o tn g a n dt h ed e p t ho f m o s to f t h e ma r em o r et h a n4 0 0 0 m b e c a u s eo f t h ei n c r e a s eo f t h ed e p t ha n d t h ec h a n g i n go ft h ef o r m a t i o n , i t si m p o s s i b l et of i n i s haw e l lb yo n e 啷t h a to n l yu s et h e b h ao fm o t o ra n dp d ct or e a c ht h et a r g e t n 地a r t i c l ec o m e sf r o mp r a c t i c ea n dp u t so u tt h a t t h o u g ha d j u s t i n gt h eb h a 、w o ba n dp r m c t c w ec a l lr e d u c 聍t h et r i p sa n de n h a n c et h eb i t s l i f es ot h a tw et a i li n c r e a s et h er o pa n dr e d u c et h ed r i l l i n gc o s t t h e nw ec a l li m p r o v et h e e c o n o m yb e n e f i t k e yw o r d s ： t h e s i st y p e ： c l u s t e rw e l l d r i l l i n gp a r a m e t e rk e e pd i r e c t i o n c o n t r o lo fw e l l b o r e t r a j e c t o r yp r e d i r e c t i o u a l i s m a p p l i c a t i o nr e s e a r c h i 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果：也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名： 日期： 学位论文使用授权的说明 d 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接 相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大学。 论文作者签名： 导师签名： 型 珑诬岛 日期：业汐 日期：迦丑：! _ 、) 掣 第一章绪论 第一章绪论 1 - l 本论文研究的目的意义 目前胜利油田海上油区原有的2 0 0 0 米至3 0 0 0 米范围内的浅丛式井组越来越少，取 而代之的是多靶点小靶区的深丛式井，相应的开发层位已基本由原来的馆陶组变成中生 界或古潜山地层，许多井垂深都是4 0 0 0 米以上。大部分定向井为多目标且靶区半径小， 9 0 0 5 井是双目标井，靶区半径只有1 0 m ，而且二靶间位移与垂深比约为1 ，靶区为稳斜稳 方位井筒，二靶方位允许偏移量小于2 。，井眼轨迹要严格按设计控制发展。由于井深 的增加和层位的变化，己不可能用动力钻具带p d c ，一趟钻完成稳斜中靶的工艺。大段 裸眼段的稳斜问题、不同地层对钻头选型的要求、粘卡给井斜、方位的调整带来的困难 问题等，都是在深丛式井的钻井过程中要面临和解决的。目前，就胜利油田海上平台当 前的设备现状，对于深丛式井钻井来说，只能使用常规钻具通过合理的增、稳、降斜钻 具组合、合理的钻进参数来控制稳斜段井眼轨迹变化从而穿越不同地层的大段裸眼段。 而井眼轨迹的控制的耳的就是要在保证井身质量的前提下，提高机械钻速，降低钻井成 本。 1 2 国内外研究现状 本文从直井段的井斜控制和定向稳斜段的轨迹控制两个主要方面进行调查： 1 2 1 直井段的井斜控制 井斜是钻井工作中一个较为普遍的问题，尤其对丛式井而言，控制井斜不仅是井身 质量达不达标的问题，更是丛式井防碰的需要和影响提高钻井速度和成本的重要因素。 1 2 2 1 国外井斜控制理论 早在5 0 年代，以美国学者鲁宾斯基( l u b i n s k i ) 和w o o d s ) 等人为代表，首先研究了 钟摆钻具，并编制了一整套实用图表来计算稳定器的安装位置，为后来的钟摆钻具防斜 技术提供了理论依据。6 0 年代以h o c h 为代表，提出了双稳定器防斜钻具的理论，为满 眼钻具的发展提供理论基础。在h o c h 理论指导下，6 0 年代广泛使用了满眼钻具。以后 又出现了在钻头上再加一个近钻头稳定器，即至少有4 个稳定器的满眼钻具组合。在“满 眼”理论指导下，又出现了“方钻铤”、“螺旋钻铤”防斜，可以说满眼钻具的出现，使 钻井的防斜问题取得了很大进展。1 9 7 3 年美国学者w a l k e r 提出了用小势能法求解下部 钻具的受力和变形。a m o c o 公司的m i l l h e i m 和w a r m 首先用有限元法求解钻柱下部结构 的受力和变形。s h e l l 公司的f i s c h e r 和b r a d l y 使用差分法求解钻柱下部的受力和变形。 由于力学模型过于简化，计算结果与实际都存在一定差距。l u b i n s k i 在1 9 8 3 年来华讲学， 系统介绍了7 0 年代以来的研究成果，修正了过去研究中的不妥之处，指出其在1 9 5 0 发 表的有关钻柱二次或多次弯曲的结论是错误的，是假设钻柱在两维的螺旋形状态下得出 西安石油大学硕士学位论文 的。7 0 年代以来，研究中的一个重要特点是把地层造斜的因素定量地考虑进去，并用某 个数学模式来表示。 1 2 2 1 国内井斜控制理论 国内6 0 年代以前，基本上是引用国外的理论和方法，进入7 0 年代逐步开展了防斜 理论的研究。首先是西南石油学院唐俊才等人，对h o c h 的防斜理论进行了深入的研究， 指出了公式推导中的错误，并给出了修正公式。7 0 年代末，自家祉教授提出了用纵横弯 曲连续梁理论求解下部钻柱的受力和变形。他在最近几年又分别用有限元法、最小势能 法求解下部钻柱的受力和变形，并将求解结果与用纵横弯曲连续梁理论进行对比，得出 了3 种方法的结果基本上是一致的结论。原四川石油局钻采工艺研究所杨勋尧在最近几 年对钟摆钻具、满眼钻具都进行了研究，得出了简化的公式和图表，并在川东现场上指 导钻井实践，取得较好的防斜效果。另外，白、杨两人对地层造斜力也进行了一定研究。 1 2 2 定向稳斜段的轨迹控制 吉林省油田管理局钻井工艺研究院何军在小井眼丛式井井眼轨迹控制技术一文 中分析了井眼轨迹控制因素，指出采取相应措施，提高小井眼丛式井井眼轨迹控制精度 ，e l l s 曩 l s - bcd 2-81饲 i 曩a 上下l 击羹 z 簟0 睾器罢寰 o 宦 1 8 簟售 i 细量坫仔 一置钴t l _ - 馅t t 钻簟 1 2 2 1 上部井眼曲率的影响 上部井眼曲率对下部待钻井眼曲率的影响，俗称曲率效应或曲率惯性。曲率惯性的 影响最终归结为对钻头方位侧向力和井斜侧向力两方面的作用。对于小井眼丛式井主要 是对井斜侧向力影响大，见表1 1 ： 裹1 井斜曲率惯性影响 钻县蛆夸 井 ， 井般 3 5 0 0 m 时靶心半径企业标准为9 0 m 。而这两口井 a 靶斜深超过3 5 0 0 m ，b 靶斜深超过4 3 0 0 m ，但靶心半径均为3 0 m 。这一中靶难度的增大， 对井斜控制提出了更高的技术要求。 ( 2 ) 对于丛式井来说，防碰是一关键技术，该井组井口间距只有2 m ，在打直井段 时就要做好防碰工作，增加了工程的整体难度。 ( 3 ) 大段裸眼井段所造成的钻具摩阻和扭矩增大，使得滑动钻进的定向工具的工具 面控制难度增大，降低了钻速，所以对并下安全也提出了更高的要求。 ( 4 ) 沙河街和古潜山地层通常方位极不稳定，由于沙河街地层砾石夹层多，钻具和 钻头易发生蹩跳现象；古生界地层井涌与井漏之间的压力范围非常小，通常在0 0 2 9 c m 3 ， 若发生井涌或并漏不易处理，所以用动力钻具控制轨迹有非常大的局限性，因为很难通 过常规钻具对轨迹迸行有效的控制。 1 0 第三章直井段的控制 第三章直井段的控制 3 1 直井段控制井斜的重要意义 对于小靶区多目标定向井而言，其直井段的井斜控制比一般定向井直井段井斜控制 更为严格。直井段一旦打斜，不仅不利于定向造斜施工，而且同时对下一步井段轨迹控 制造成很大的困难，极易造成不必要的调整方位，也对丛式井组的防碰带来极大的威胁。 防斜打直是直井段的根本目的，只有这样才能为下一步施工奠定良好的基础。 3 2 井眼偏斜的原因分析 造成井眼偏斜的原因较多，但归纳起来不外乎两大原因：一是地下的原因，即地质 方面的因素。沉积地层由于存在层状结构、地层倾角、断层、软硬交错等，且不同方向 的物性和强度又有差异，使钻头在井底面非均等切削而不平衡钻进，导致近钻头处钻具 发生弯盐，从而使钻压偏离原井眼轴线，这样在近钻头处相当于形成一个弯角很小的“等 效导向钻具”结构，如果下部“等效导向钻具”不发生公转运动，那么这“等效导向钻 具”就会定向钻进而使井眼产生偏斜：一般来说垂直层面方向岩石强度低，所以，在地 层倾角较大的地区钻进时，更易倾斜。由于这种地层各向异性而使井眼发生的偏斜，在 此用虚拟地层力f f 去表征这种作用，这种力事实上不存在的( 除非地层发生蠕变或负压钻 进) ，只是为了定性描述的方便。 国内外学者为了比较科学! 定量地描述地层因素对井斜的影响，采用地层造斜力f f 来综合反映该因素的大小。根据地层各向异性理论，利用各向异性指数h 的概念和井斜是 钻头前进的轨迹偏离原井眼轴线的基本定义，导出了地层造斜力f f 的计算式： f f = l 2 h + s i n 2 ( 1 3 - a ) + p 】或f f = k + p 式中：b 地层倾角；舡井斜角；p 钻压：k - 地层综合造斜系数，反映地层造斜能 力的大小，它取决于地层各向异性指数h 和地层相对于井底平面的倾斜角，即相对地层 倾角b n ，k 和h 成正比，k 和相对地层倾角1 3 - a 成正弦函数关系。地层造斜力f f 和钻 压成正比；当c , = 1 3 时，地层造斜力f f = o ，而驴b 时，地层力实际为降斜力。 另外，近几年大庆油田开展了地层自然造斜规律的研究，利用钻头与地层相互作用 原理，建立了适应井眼轨迹任意变化状态下计算地层自然造斜能力的理论模型，并采用 地层各向异性指数和地层造斜系数两项指标来综合衡量地层自然造斜能力的方法，给出 了易斜区地层对井斜影响的综合分析图版，为直井防斜的底部钻具组合设计提供了地质 依据。 另一个原因是地面的原因，即地面所配的下部钻具组合和所施加的钻井参数对井眼 偏斜有影响。对于给定的下部钻柱组合，钻井参数中钻压和转速是主要因素，在铅垂段 钻进中，下部钻柱组合在一定的钻压下会发生弯曲变形，钻柱的弯曲使钻压作用方向偏 离了钻头处原井眼轴线，钻头处钻压产生一个横向偏斜力f b ，从而导致井眼偏斜。 西安石油大学硕士学位论文 3 2 1 地质方面的因素 不同的地区，不同构造部位，甚至不同的地层，井斜程度的显著差异表明地层因素 往往是影响井斜的主导因素。 ( 1 ) 地层各向异性对井斜的影响 地层的各向异性是指在作用一沉积层内，地层在不同方向上强度的相对差异。一般 在平行于层理的方向上岩石破碎比较困难，在垂直于层理的方向上岩石破碎强度低，可 钻性好，破碎阻力相对小，所以在钻进这种地层时钻头牙齿总是要保持沿这个破碎阻力 小的方向吃入地层。因而，钻头将保持沿着岩石容易破碎的方向前进。在水平地层，井 眼不易发生井斜；当地层呈倾斜状态分布时，这种自然趋势就必然导致并斜。对于高陡 构造这种自然造斜的趋势更为明显，且方位不稳定。 ( 2 ) 倾斜性层状地层的影响 在钻进倾斜性层状地层时，由于层状界面处的岩石不能长期支承钻压而趋向沿垂直 层面发生挤压破碎，因而在井眼下倾一侧的层面上形成小斜台阶。这个小斜台阶对钻头 施加一个横向作用力，把钻头推向地层的上倾方向，从而导致井斜。 ( 3 ) 岩层不同方向的物性和强度差异的影响 对于层状岩石来说，垂直层面方向岩石的强度低，可钻性好，破碎阻力相对小，所 以在钻进这种地层时钻头牙齿总是要保持沿这个破碎阻力小的方向吃入地层。 ( 4 ) 软硬交错地层的影响 钻进软硬交错地层时，可能发生严重的井斜问题。当钻头从软地层钻入硬地层或从 硬地层钻入软地层时，由于钻头在软硬交界面附近的破碎阻力不均，使钻头的钻进方向 总是向地层上倾方向倾斜，导致与钻进倾斜地层相似的井斜情况。 3 2 2 底部钻具弯曲的影响 钻井实践证明，采取轻压吊打，井斜很小。这是因为下部钻铤所受压力很小而处于 直线稳定状态。当下部钻柱在较大钻压作用下发生弯曲时，是引起井斜的另一个重要原 因。而且弯曲程度越严重，井斜也越严重。它对井斜的影响主要表现在两个方面： ( 1 ) 下部钻柱弯曲使钻头相对于并眼轴线偏斜，其钻进的方向偏离原井眼方向，直 接导致井斜。 ( 2 ) 下部钻柱弯曲使钻压改变了作用方向，即不再沿井眼轴线方向施加给钻头， 而是偏离了一个角度( 钻头倾斜角) ，从而使钻压产生一个引起井斜的横向偏斜力( 称为 增斜力) ，导致井斜。( 如图3 1 、3 2 所示) 第三章直井段的控制 主动力：尹= 丘+ 最 被动力：f f 当f o 时增斜； 当f f f 时降斜； 当f f f 时增斜 图3 1 钻头上的作用力 f = 伊 p l 压 p 2 坫压在# 昆轴线的f p i 特压在垂目# 眼轴线方自 的分量 f l 钻旦组合奎形起 头 舅向力f 色括动态力) f f 地层遣斜女 当钻头上的主动力台力为睥售| 力时，就具备 了降斜条件，但实际的情况如何。还应看葛 是否能大干地层遣斜力( 被动力) 。当且有 降剖特征的主动力大于地层造锻力时鞔可 起到降销效果。否则就将增斜 图3 2 钻头偏向不平衡造成的增斜力 从受力分解中不难发现，在主动力中，有两部分力十分重要： b 姒变形和运动产生的侧向力； b 姒变形造成的指向不确定性。 目前的所有防斜打直技术都是围绕这两点去进行的。 3 2 3 常用钻具组合力学特性分析： 常用防斜、降斜钻具组合分类：( 如图3 3 ) 西安石油大学硕士学位论文 名称 钻具组台示意图 钟摆钻具 l i _ i 珂盛- 翟碡m - 囝 满眼钻具 光钻具 圆 圈3 3 常用钻具组合示意图 双稳定器钟摆钻具组合力学特性分析： 圈34 双稳定器钟摆钻具组合示意图 几种不同形态下的降斜力分析： 随井斜角增加，钟摆钻具组合的降斜力逐渐增加。( 如表3 1 ) 表31 不同井斜角时双稳定器钟摆钻具组合的降斜力 井斜角( o ) 12 3 4 5 6 l 降斜力( k n )，0 2 1 2 5 0 4 1 3 20 6 1 2 i- 0 8 0 9 81 0 0 6 81 2 0 3 l 随钻压增加，钟摆钻具组合的降斜力逐渐增加。因此，在大钻压下，钟摆钻具可 能有效，也可能失效，原因不在降斜力是否下降，而在于下部钻柱发生了变形。( 如表 3 2 ) 表32 不同钻压时双稳定器钟摆钻具组合的降斜力 i 钻压( o )8 0 1 0 0 1 2 01 4 0 1 6 01 8 0 l 降斜力( k n )- o 4 0 6 1 0 4 1 3 2_ 0 4 2 1 80 4 3 2 0- o 4 4 4 30 4 5 9 3 随l 1 增加，钟摆钻具组合的降斜力先逐渐增加，在2 4 m 处达到最大，随后迅速 下降。因此，对于钟摆钻具组合而言，在一定的参数和并眼条件下，存在降斜力最大的 结构参数。( 如表3 3 ) 表3 3 不同l 1 时双稳定器钟摆钻具组合的降斜力 il ，( m ) 9 1 21 51 82 l2 4 2 73 0 i 降斜力( k n )0 2 6 7 0- o 3 0 0 2 _ o 3 5 1 4- 0 4 1 3 20 4 8 4 9- 0 ，5 6 8 74 0 3 9 3 6- o 3 7 2 4 随l 2 增加，钟摆钻具组合的降斜力先逐渐增加，在1 2 m 处达到最大，随后下 降。因此，同样可以优化钟摆钻具组合的结构参数。 1 4 第三章直井段的控制 表3 4 不同l 2 时双稳定器钟摆钻具组合的降斜力 1 2 ( m ) 6 91 21 51 82 l2 42 7 l 降斜力( k n )0 。4 0 3 9 0 4 1 3 20 4 1 6 0 - 0 4 1 2 4o 4 0 2 5o 3 8 5 6o 3 6 0 8- 0 3 2 8 6 随6 。增加，钟摆钻具组合的降斜力逐渐增加。因此，钟摆钻具组合的近钻头稳 定器应选欠尺寸。 表3 5 不同61 时双稳定器钟摆钻具组合的降斜力 6 。( m m )l23 45 i 降斜力( k n )0 4 1 3 2 - 0 4 1 8 90 4 2 4 6- 0 4 3 0 3- 0 4 3 6 0 随6 ：增加，钟摆钻具组合的降斜力逐渐降低。因此，钟摆钻具组合的上稳定器 应选满尺寸。 表3 ，6 不同62 时双稳定器钟摆钻具组合的降斜力 62 ( n u n )123 45 l 降斜力( k n )0 4 2 1 6 - 0 4 0 4 80 3 9 6 30 3 8 7 8 - 0 3 7 9 2 以上计算是双稳定器钟摆钻具组合为特例进行计算的，但通过改变参数，实际上 可基本包含所有的双稳定器结构钟摆钻具组合。 总之，下部钻具组合自身特性( 包括与井眼的间隙) 及钻压决定了它的弯曲程度和 对井斜的影响。因此，对大尺寸井眼不能应用使下部钻具发生弯曲而应用动力学降斜防 斜，这样在钻进过程中，应该严格控制钻压，保持送钻均匀，并尽量增大下部钻柱的刚 度，以减少因钻铤弯曲对井斜的影响。 3 3 几种钻具组合防斜机理 3 3 1 钟摆钻具组合防斜打直机理 尽量使b h a 变形和运动产生的侧向力为降斜力，特点： 降斜力f i ( 钻具组合变形引起的钻头侧向力) 较小。一旦p l ( 钻压在垂直井眼 轴线方向的分量) 是增斜力且超过钟摆力f l ，连起码的靠牺牲钻速为代价取得的一点 降斜效果都将失去，这就是有时钟摆钻具组合失效的原因之一。 有时，钟摆钻具组合在一定的钻压和井眼条件下，钻头指向造成的合力成为降斜 力，此时就可能具备较好的降斜效果。大钻压理论就是在这一特定条件下才能成立。但 这种情况很难控制。 3 3 2 满眼钻具组合防斜打直机理 尽量使b h a 变形后的轴线与井眼轴线一致，从而减小由p l 形成的合力。特点： 西安石油大学硕士学位论文 由于很难消除稳定器与井眼的间隙，因而，这种钻头指向造成的力p l 不可能消 除。 满眼钻具的特征是钻压大，并且没有“钟摆力”，使得这种钻头指向所造成的分 量可能较大。 满眼和钟摆钻具组合在大钻压下有时难以很好控制井斜的根本原因在于：由于井眼 的偏斜，重力作用使得变形后的钻具组合在下井壁一侧的运动轨迹密度超过上井壁，这 样钻头向上偏斜的几率大于向下偏斜的几率。这种行为的后果使得钻压的侧向分量的合 力成为增斜力。 当偏向角= l 。时，2 0 吨钻压在钻头侧向形成的分量达3 。5k n 当偏向角- 2 。时，2 0 吨钻压在钻头侧向形成的分量达7 0k n 3 3 3v d s 系统打直机理 从井眼高边向钻头施加一个主动的降斜力。当钻头上的合降斜力大于地层的增斜力 时，就能使井斜角减小，达到垂直钻井的目的 3 3 4 复合钻进防斜技术 复合钻进防斜技术是指采用螺杆钻具配合高效钻头的钻具组合来进行复合钻进，以 此来实现防斜和提高机械钻速的目的。螺杆钻具配高效钻头这种钻具组合是定向钻井技 术在直井中的应用与发展，是把国外早己研究应用成功的一项先进的井眼轨迹控制技术 用于直井的防斜打直。这项技术的特点和优点就是滑动钻进与旋转钻进相结合，当钻进 过程中出现井斜时，可实现不需起钻而采用定向纠斜技术进行滑动钻进：当达到降低井 斜的目的后，再用旋转方式钻进。这样既减少了起下钻次数，又提高了机械钻速、缩短 了钻井周期。这项技术在国内外应用比较广泛，并取得良好的效果。 3 4 井斜控制技术 在容易出现井斜的地区钻直井，应该采取综合性的防斜工艺技术措施才能收到预期 的效果。控制井斜的主要任务就是在保证较高机械钻速的前提下，使井斜角不超过允许 标准。 选择下部钻具组合方式的主要依据是地层特性和井斜控制的具体要求。 3 4 1 刚性满眼钻具组合防斜技术 通过提高底部钻具组合的剐性，减小井眼与钻具的间隙来提高底部钻具组合的抗弯 曲能力，最大限度的减小钻具弯曲引起的钻头倾角和钻头倾角引起的横向偏斜力。该方 法能有效地减小底部钻具弯曲引起的井斜，但没有纠斜能力。因此，只适应于地层造斜 趋势不很强的地层。其工具主要有满眼钻具、方钻铤、椭圆钻铤等。 1 6 第三章赢井段的控制 3 4 2 钟摆力纠斜技术 该技术是一种纠斜专用技术，一般与刚性满眼钻具组合配合使用进行并斜控制。其 原理是利用钟摆力是钻头产生与井斜方向相反的侧向切削作用，从而纠斜。该技术为提 高侧向切削相当垂直切削的速度的比值，只能采取牺牲钻压以减小垂直切削速度的方法， 以提高纠斜能力，但大大影响了钻井效率。 对于钟摆钻具来说，稳定器的安放位置十分重要，是组合钟摆钻具的关键。如安放 位置偏低则减斜力小，效果差；如安放位置偏高则稳定器以下钻铤会与井壁形成新切点， 使钟摆钻具失效。因此，钟摆钻具中稳定器的理想安放位置应在保证稳定器以下钻铤不 与并壁接触的条件下尽量提高些。稳定器位置主要取决于钻铤尺寸、钻压大小和井眼斜 度等。 钟摆钻具使用特点： 钟摆钻具能较成功地用于不易井斜地区，在使用大钻铤的条件下，能保证较高钻 压下钻出几乎垂直的井眼；比使用光钻铤钻具可增加钻压，而不会增大井斜； 钟摆钻具也是一种有效的纠斜工具，并广泛应用于各油田； 为充分发挥钟摆钻具的作用，应尽可能采用大尺寸钻铤加稳定器，这样形成的钟 摆长，减斜效果好。在具体操作中应严格控制钻压，避免因加压过大使稳定器以下出现 新切点致使钟摆失效；还应与处理地层交界面和加强划眼结合起来。 钟摆钻具的缺点是在直井内无防斜作用，与光钻铤一样，由于刚度小不能有效控 制井斜变化率。 3 4 3 离心力防斜、纠斜技术 将专用井下偏心、偏轴工具按一定位置接到底部钻具组合中，使底部钻具在井内旋 转过程中，产生一个旋转离心力，使钻柱除了自转外，还有一个周向公转，其结果使钻 头倾角和侧向力的作用方向随钻具公转而同步变化，从而可从根本上消除钻具弯曲造成 的井斜。该技术进行防斜钻进时，可以用较高钻压钻进，因此有利于提高钻井效率，其 防斜纠斜效果也较好，但无法控制地层增斜因素，因此，仍不能从根本上解决高陡构造、 大倾角地层的井斜控制问题。 偏重钻铤每转一圈就有一次钟摆力与离心力的重合，对井壁产生较大的冲击纠斜力， 同时周期性的旋转不平衡性使下部钻柱发生强迫振动，大大提高了钻头切削下井壁的纠 斜能力，另外离心力的作用使偏重钻铤重边在旋转时总是贴向井壁，使下部钻柱具有公 转运动特性，来消除其自转对井斜的影响使偏重钻铤在直井中更具有防斜作用。 偏重钻铤使用特点： 偏重钻铤是一种有效的防斜钻具，可在开钻时或在钻开易斜层之前下井使用，均 具有良好的防斜效果，并可使用较大钻压； 在钻定向井时，如需减斜或将井眼恢复垂直使用偏重钻铤很有效，还可使用较大 西安石油大学硕士学位论文 钻压t 偏重钻铤结构简单使用方便，一般在偏重钻铤之上接上普通钻铤即可，不需安放 稳定器，便于起下钻时效高； 偏重钻铤在并下工作安全可靠，不易发生并漏和卡钻等复杂事故，在易发生井漏 的易斜区，使用满眼钻具因环空间隙小、泵压高易引起井漏，而使用偏重钻铤则可避免； 在使用偏重钻铤时要特别注意防泥包，以免影响防斜效果。 3 4 4 利用钻具弯曲防斜、纠斜技术 该技术改变了传统的控制钻具弯曲引起的钻头倾角和横向偏斜力的防斜的概念，而 是将钻具弯曲引起的钻头倾角和横向偏斜力转化为降斜因素加以利用，共同对抗地层造 斜力。其方法是：采用柔性钻具结构改变底部钻具弯曲状态，使钻头侧向力和钻头倾角 的方向由指向井眼上侧，转变为指向井眼下侧。目前常用的几种现场应用效果较好的钻 具组合有：柔性钟摆钻具组合、双柔性钻具组合及柔性接头等。 3 4 5 导向钻井防斜、纠斜技术 该技术是利用动力钻具导向钻进进行井斜控制。其防斜机理是靠弯外壳井下马达的 偏轴作用，使底部钻具在井内旋转过程中产生一个旋转离心力，用于防斜。另外，井下 马达配合p d c 钻头进行导向钻进时，转速高、钻压低，也有利于防斜；其纠斜是靠弯 外壳并下马达滑动钻进实现的。因此，纠斜能力强，可广泛应用于各级别地层造斜趋势 情况下的防斜、纠斜。 3 4 6 井下专用工具防斜、纠斜技术 除上述防斜技术以外，国内外还开发了一些防斜纠斜井下专用工具，如：前苏联的 h c y 装置，b a k e r h u g h e s 公司v d s 、s d d 直井钻井系统，国内的水力防斜工具和压不 弯钻铤等。 3 5 直井段采取的防斜措施及施工要点 隔水施工由于地层极软，重要是灰黄色、棕红色粘土及流沙，地层本身几乎没有造 斜力。故选用塔式钻具采取轻压吊打的方式。塔式钻具特点是下部钻具的重量大，刚度 大、重心低、与井眼间隙小，一方面能产生较大钟摆力来防止井斜，另外稳定性好，有利于 钻头平稳工作。塔式钻具是国内外广泛使用的一种防斜钻具它钻出的井眼规则，井斜变化 率小，对井径易扩大地层特别有效( 因带稳定器的钟摆钻具和满眼钻具在井径易扩大地层， 起不到扶正和满眼的作用，防斜作用很差) 。实践表明，用好塔式钻具的关键是在于下部钻 具的重量大、重心低因此底部钻铤应尽可能使用大钻铤，钻铤柱的重心要低于全部钻 铤长度的l ，3 ，所加钻压应控制在全部钻铤重量的7 0 0 , 4 以内，以防钻压过大使上部钻铤和 钻秆严重弯曲，产生引起井斜的横向力。 下入吐 6 6 0 4 r a m 牙轮钻头+ 0 9 1 4 m m 扩大器+ 2 2 8 6 m m 钻铤l 柱+ o1 7 7 8 m m 钻 第三章直井段的控制 铤2 柱+ 方入。选择平潮开钻，钻具接触泥面先不启动转盘，待用泥浆泵冲出4 5 米 并眼后再开动转盘，然后采取缓慢、逐步加压的方式，并且泥浆泵开足排量。打完进尺 先循环1 5 分钟，将砂子带出，不可循环时间过长，防止井底大肚子或松软地层井塌。起 钻前封稠泥浆。 一开直井段使用大尺寸钻铤配成钟摆钻具： 4 4 4 5 m m 牙轮钻头+ 0 2 0 3 m m d c 2 根+ 0 4 3 8 m m s t a b 2 5 3 m + 0 2 0 3 m m d c l 根+ o1 7 7 8 m m d c 3 柱+ m1 2 7 m m d p ，但 初期仍要轻压吊打，至2 5 0 米后再将钻压适当加大。具体操作中应该使钻压在控制之内， 避免加压过大使稳定器以下出现新的切点致使钟摆失效。这样钟摆钻具在使用大钻铤的 条件下，能保证较高钻压下钻出几乎垂直的井眼，比使用光钻铤钻具可增加钻压，而不 会增大井斜。 1 9 西安石油大学硕士学位论文 第四章方位提前角应用在表层大井眼预定向中 4 1 方位提前量概念的提出 方位提前量是指定向钻井过程中，根据地层方位漂移特点所给的一个方位预留量， 它是当前并斜方位与预测靶心方位的夹角，方位提前量预留准确可以大大减少扭方位的 几率，减少起下钻次数。 4 2 有关方位漂移及方位提前量的研究资料 吴鹏在统计了苏北几个主要工区定向井方位变化情况的基础上，分析了影响方位变 化的主要因素，总结出了苏北工区方位漂移的一般规律，并提出了苏北主要工区方位提 前量的预留方法以及井眼轨迹控制技术。作了浅析苏北工区方位提前量及井眼轨迹控 制技术一文。 他提出在定向井、水平并旌工过程中不管使用的设备多么先进，方位提前量问题都 始终存在。正确确定方位提前量，可以大大减少扭方位的几率，提高中靶率，减少起下 钻次数，提高经济效益。 六普早期所施工的定向井中，因为对各个工区地质构造了解不充分，对方位漂移规 律没有一个定性的认识，方位提前量也是各不相同，井眼轨迹控制的效果不很理想。根 据初步统计，早期所打的定向井，几乎8 0 要扭方位。近几年，随着定向井钻井技术的 逐步提高，所使用的仪器、设备业愈来愈先进，通过不断摸索与总结，对方位的漂移规 律及方位提前量问题有了一个较为明确的认识，使扭方位的几率大大下降。 4 2 1 影响方位变化的主要因素 地质构造：这里所说的地质构造主要是指地层的倾向、倾角、走向及可钻性等。 就某地区而言，地层的倾向及走向是一定的，不同地区、不同构造的地层有不同的倾 向及走向，地层的倾角、走向等是影响井眼方位变化的主要因素。苏北地区地层相对平 缓，倾角不大，方位漂移存在着一定的规律，各工区之间方位漂移程度既有相同点，也 存在不同点，主要特点是右漂，但漂移程度不同，表4 1 是苏北主要工区井眼方位变化 的统计结果，其中l l 口井在增斜井段或稳斜井段所采用的钻具组合、钻井参数都基本相 同或相近。 第四章方位提前角应用在表层大井眼预定向中 表4 1苏北主要工区井眼方位变化的统计结果 1 k井母 晕嚣盘 搏废，m - 蜃 毒竽悉鲁注 _ 丽面面鬣l 黼i 妒 叠鬲s | 2 5 2 1 ，麴l ，2 粕酾辜宁姐 柏 蠢i 舻 工瓶j x 11 4 5 ej 5 勰一1 6 踯m i l l i l li 鑫撑l 声 s j - 2 啦j 1 7 0 q 2 2 9 4 簟南曩。 蠢患声 口k l a 5 2 冀i 2 l 2 雠$ 誓_ 曩 “ 蠢1 嘎乡 宰妻q ；0 k + 1 0 2 3 $ 9 ；：，1 蛐p 2 1 。嚣2 6 4 。4 ：拍1 2 薹妻： i ”城 1 2 5 j 蛐l 嚣1 8 簟曩 篡j 只刀 s i - j 黝2 6 02 2 3 。粕3 鼋宁曩1 4 爱：袅声 q k “m 2 。3 2 91 8 3 】2 3 口st 晦擐l ： 骞墨 誓盘q k m i 1 3 0 01 4 1 3 1 # 冀蠓雏 一 蹇向t ；4 2 嚣 竺：茎：! 登：! ! ：竺! ! 竺三竺!盏墨! ! 由表4 1 可以看出，各个工区方位漂移的大小，快慢有着各自的特点，也就是说， 各地区的地质，地层倾向、倾角及走向等决定了方位漂移的方向以及漂移速度的大小。 钻具组合：钻具组合对方位的影响主要由：钻具的刚性( 主要是钻铤尺寸的大小) 、 稳定器的尺寸( 主要是指稳定器的新旧程度) 、钻具组合( 指常规钻具组合，主要是增斜。 稳斜、或降斜钻具组合等) 。钻具主要用来改变或保持井斜变化，但同时由于钻具尺寸及 刚性的不同，在钻进过程中或大或小地影响了方位的变化。但一般认为：钻具的刚性越 大，满眼程度越好，稳定器越新( 尺寸足) ，该钻具的稳方位效果越好。比如双扶正器或 三扶增斜钻具组合比单扶正器增斜钻具组合稳方位效果要好的多。现场施工过程中，要 根据井眼的实际情况选择钻具组合，既要有利于控制方位变化，又要操作方便且有利于 井下安全。若地层易增斜，方位也比较稳定，可选一般的增斜钻具组合。若地层增斜比 较难，且方位易漂，不但要选用强增斜钻具组合，而且要选择好的稳定器。若钻进时， 蹩跳钻严重，钻压加不上，或地层缩径厉害，起下钻困难，钻具组合中要尽量少用稳定 器，以保证井下安全。 钻井参数：钻井参数包括钻压，转速、排量、泵压等，但影响井眼方位变化的主 要参数时转盘转速，转盘右旋是影响方位变化的重要因素，主要是抑制方位左漂或促进 方位的右漂。 有不少地区地层倾角小，转盘转速提高到8 0 9 0 r m i n 后，方位就开始右漂，定向 旌工中可以通过提高转速来控制方位的变化。台南油田，金湖油田的戴南组地层在钻进 过程中会发生方位左漂或有左漂的趋势，改变转盘转速可以起到控制方位漂移的作用。 如表4 1 中s j - 2 6 4 井在1 7 0 0 2 2 9 4 m 井段，方位变化值为零，说明地层左漂力或左漂的 趋势正好被转盘克服，此时转速起到抑制左漂的作用，也有可能是左右漂的量相互抵消。 加速右漂。对于方位右漂本来就比较严重的井，转盘转速对方位变化的影响会很大。 2 i 西安石油大学硕士学位论文 表4 1 中s j - 2 5 2 井、q k - 1 0 5 井、s d 2 4 2 井方位右漂率在5 。1 0 0 m 左右，除了与地层本 身因素有关外，与转盘转速也有很大关系。 通过统计，苏北工区的井方位右漂具有普遍性，不足l o 的井或有部分井某个井段 存在方位左漂，但不具有普遍性。 4 2 2 定向旌工中靶方位的相对性 中靶方位是指在当前井深下预测能都中靶圈的方位。对常规定向井来说，设计靶点 多为二维圆形靶圈，靶圈的半径取决于钻井目的层构造面积的大小，井深及相关行业规 范，能够命中靶心的方位称为靶心方位，命中左半圆最左边线的方位称为低边方位，命 中右半圆最右边线的方位称为高边方位。 中靶方位的相对性是指：在当前井深逐步接近中靶井深的过程中，预测的靶心方位、 低边方位和高边方位在不断发生变化，实质上就是钻进过程中，随着井斜方位的变化， 当前井深与靶圈的相对位置在发生变化而引起中靶方位在改变。 由于中靶方位是一个动态值，它与靶圈半径的大小、造斜点到靶点的距离有很大关 系。 中靶方位与靶区半径 对某一口井来说，靶区半径的大小是确定的。靶区半径越大，则中靶方位的变化范 围越大，即中靶的高低边方位差值越大，中靶越容易，反之则相反。 中靶方位与造斜点到靶点的距离 中靶成功率与造斜点到靶点的距离关系很大，1 ) 当造斜点较浅，靶点较深，造斜 点与靶点的距离较大时，中靶方位的高低边区间就很小，定向结束时留方位提前量就较 困难。2 ) 当造斜点较深，靶点相当较浅，造斜点与靶点的距离较小时，中靶方位的区间 就较大，留方位提前量就较为容易，如表l 中的s d 2 4 2 井，造斜点深1 9 6 0 m ，靶点深 2 6 0 0 m ，造斜点到靶点的距离只有6 4 0 m ，该井靶区半径4 0 m ，靶心方位为3 5 2 0 ，中靶低 边方位3 4 2 0 ，高边方位2 0 ( 3 6 2 。) ，中靶高低边范围为2 0 。区间较大，留方位提前量就较 容易，定向一次成功率会大大提高。 中靶方位的相对性变化 钻井过程中，中靶方位随着当前井深的并斜和方位变化而改变，而且变化的速率因 当前井深到靶点距离的不同而不同。这一点对预留方位提前量比较重要。若当前井深与 靶点距离较大时，井斜方位变化较大，预测中靶方位改变不大，这一方面说明如果目前 的方位控制不好，会漂出靶区，而要扭方位，另一方面，说明在离靶点远一点的时候扭 方位，工作量会小一些，也容易一些。若当前井深与靶点距离较小时，如果目前方位变 化较大，而预测方位的变化不会太大，这时如果方位在靶区内，就不易漂出靶外，相反， 如果这时扭方位，工作量更大一些。所以，定向过程中，定向作业结束之后的那一段( 增 斜段或稳斜段) 方位的变化以及快慢最为重要，做好该井段方位控制是决定下步施工是 第四章方位提前角应用在表层大井眼预定向中 否扭方位的关键。 范兆祥等人在复合p d c 在桩西地区定向井中的应用一文中做了统计并得出的一 般规律如下： 桩西地区定向井施工中，采用牙轮钻头钻进时井眼方位右飘趋势比较明显，( 见表 4 2 ) 。从表4 2 可以看出，采用牙轮钻头钻进时，桩西地区定向井井眼方位一般右飘，其 中东营组地层右飘变化率较小，沙河街组地层右飘变化率较大，最大变化率可达 4 6 9 0 1 0 0 m ，当然这也与钻具组合刚性、井眼井斜角大小有关。 表4 4 为桩西地区采用p d c 钻头钻进的部分定向井井眼轨迹数据，从表4 4 可以看 出：使用p d c 钻头，采用i 档车低速钻进。东营组上部地层左飘，采用i i 挡高转速钻进， 可以减缓左飘程度，甚至会出现右飘趋势。东营组底部至沙二段地层，采用i 档和i i 挡 钻进均表现为左飘，变化率最大达6 1 9 0 1 0 0 m ，沙三段地层有左飘也有右飘，但漂移变 化率较小。纵观全段，井眼方位总的漂移趋势表现左飘。 同时，在施工中还发现：使用p d c 钻头钻进时，井眼方位漂移遵循以下规律：刚 性越强的钻具，井眼方位左飘越严重：井斜角越大，井眼方位漂移量越小：井斜大于 1 5 0 时，井眼方位比使用牙轮钻头稳定；提高转速，可使井眼方位左飘趋势减弱，甚至 出现右飘。 表4 2 桩西地区部分采用牙轮钻头钻进的定向井井段数据裹 并段方位变化井斜变化钻具钻压转速地 方位变 井斜变 井号化率化率 ( m )( o )( o ) 结构 k n ) r m i n 层 o l o o i no 1 0 0 m z 1 2 32 8 4 1 - 3 0 8 50 7 6 1 5 63 5 1 3 5 7l1 6 07 5d+ 0 3 3+ 0 2 5 z 1 2 33 0 8 5 3 7 0 41 5 6 2 2 43 5 7 4 2 331 8 07 2s 3+ 3 3 7+ 1 0 7 z 8 9 52 5 6 争之1 4 29 9 7 1 0 5 32 7 3 0 221 8 07 8d+ o 9 8+ o 5 6 z 8 9 5 31 4 2 , - - 3 4 3 31 0 5 _ 3 1 1 93 0 2 2 8 8 21 8 0 7 5s 2 + 4 6 40 4 8 z 8 5 l2 8 0 m 0 7 0 03 2 3 3 2 72 1 0 9 4 841 8 07 2s 3+ o 4 4+ 2 9 9 z 4 2 1 13 1 0 7 3 3 1 80 1 i 1 0 42 0 5 3 1 351 8 07 2s 3+ 1 8 5+ 5 0 8 z 4 2 1 22 6 4 s 一2 9 0 51 7 2 4 2 ，1 7 81 9 6 - 2 8 541 6 07 8d+ 2 1 8+ 3 4 5 z 7 4 9 53 2 1 3 3 4 4 31 5 7 4 4 1 6 21 3 2 2 3 l 4 2 0 0 7 8s 3+ 1 9 8+ 4 0 5 西安石油大学硕士学位论文 表4 3 定向井常用下部钻具组合 序号下部钻具组合 组合1中2 1 5 9 b i t 枷2 1 4 s t a b 枷1 5 9 s d c x l 椰2 1 4 s t a b 加1 5 9 n m d e x l 砷2 1 4 s 1 柚 椰1 5 9 d c 6 - - 9 椰1 2 7 h w d p 组合2垂2 1 5 9 1 3 i t 椰2 1 4 s t a b + m 1 5 9 s d c 2 卅轮1 4 s t 柚+ 0 1 5 9 n m d c x i + m 2 1 4 s 1 a b m 1 5 9 d c & 母+ m 1 2 7 h w d p 组合3眈1 5 9 b i t 忡2 1 4 s t a b 恂1 5 9 n m d c l + q ) 2 1 4 s t a b 椰1 5 9 d c x l + m 2 1 4 s t a b 椰l5 9 d c 6 - - 9 + 西1 2 7 h w d p 组合40 2 1 5 9 b i t + 毗1 4 s t a b 忡1 5 9 n m l x ：l 舯1 5 9 s d c