定向井水平井钻井技术.pdf

目 录 第一章 定向井 水平井 钻井技术概述 1 第二章 定向井 丛式井 水平井设计与计算分析 19 第三章 定向井 水平井井身轨迹控制技术 34 第四章 定向井 水平井测量技术 60 第五章 长 中曲率半径水平井钻井专用工具 70 定向井水平井钻井技术 第 1 页 共 76 页 第一章 定向井 水平井 钻井技术概述 第一节 定向井 水平井基本概念 1 定向井 丛式井 水平井发展介绍 定向井是按照预先设计的井斜角 方位角和井眼轴线形状进行 钻进的井 定向井相对直井而言它具有一定的井斜角和方位角 而 直井是井斜角为零的井 虽然实钻井眼都存在一定井斜度 但它仍 然是直井 定向井首先是从美国发展起来的 在十九世纪后期 美国的旋 转钻井代替了顿钻钻井 当时没有考虑控制井身轨迹的问题 认为 钻出来的井必定是铅垂的 但通过后来的井筒测试发现 那些垂直 井远非是垂直的 并由于井斜原因造成了侵犯别人租界而造成被起 诉的案例 最早采用定向井钻井技术是在井下落物无法处理后的侧 钻 早在 1895 年美国就使用了特殊的工具和技术达到了这一目的 有记录定向井实例是美国在二十世纪三十年代初在加利福尼亚油 田钻成的 第一口救援井是 1934 年在东德克萨斯康罗油田钻成的 救援 井是指定向井与失控井具有一定距离 在设计和实际钻井让救援 井和失控井眼相交 然后自救援井内注入重泥浆压住失控井 目前最深的定向井由 BP 勘探公司钻成 井深达 10654 米 水平位移最大的定问井是 BP 勘探公司于己于 1997 年在英国 北海的 Rych Farn 油田钻成的 M11 井 水平位移高达 10114 米 我国定向钻井技术的发展可以分为三个阶段 50 60 年代开 定向井水平井钻井技术 第 2 页 共 76 页 始起步 首先在玉门和四川油田钻成定向井及水平井 玉门油田 的 C2 15 井和四川磨三井 其中磨三井总井深 168 米 垂直井深 350 米 水平位移 444 2 米 最大井斜 92 水平段长 160 米 70 年代扩大试验 推广定向井钻井技术 80 年代通过进行集团化 联合技术攻关 使得我国定向钻井软件到硬件都有了一个大的发 展 我国目前最深的水平井是胜利油田完成的 DH1 H1 井 完钻 井深达到 6452 00 米 水平位移最大的大位移井是海洋石油总公 司南海东部公司完成的西江 24 3 A14 井 水平位移超过 8000 米 最大的丛式井组是胜利油田完成的河 50 丛式井组 该丛式井组长 384 米 宽 115 米 共完成定向井 42 口 2 定向钻井的分类 按定向钻井的用途分类可分为以下几种类型 普通定向井 多目标定向井 丛式井 定向井 救援定向井 水平井 空间三维多目标水平井 分枝井 多底井 定向井水平井钻井技术 第 3 页 共 76 页 国外定向钻井发展简况 内 容 年代 50 年代 60 年代 70 年代 80 年代 90 年代 剖面设计及轨迹计 算方法 误差很大的正切法 进行轨迹计算 发展到三维设计和 大组丛式井整体设 计 计算机专家系统进 行设计和指导施工 井斜控制理论 斜井段二维分析 三维数据分析 由静 态发展到动态 发展了多种分析计 算方法并编制了计 算机程序 定向造斜工艺 涡轮加弯接头 斜向器配合转盘钻 涡轮 螺杆动力田具 向低速大扭矩发展 各种专用井下工具 系列化 发展了复合式动力 钻具 导向钻井系 统 长寿命 PDC 钻 头等 测量方式 氢氟酸玻璃法和地 面定向法 有线随钻测斜仪投 入工业性使用 无线 随钻测斜仪研制成 功 多种无线随钻测斜 系统投入工业使用 和发展了电子测量 系统和陀螺测量系 统 定向井钻井水平 精度要求不高 中深定向井 可打准确度较高的 定向救援井和大组 丛式井 钻成大量水平井 从 大半径水平井到小 半径水平井 多底泄 油井 定向井水平井钻井技术 第 4 页 共 76 页 我国定向钻井技术发展情况 内容 年代 60 年代 80 年代 90 年代 剖面设计及轨迹计 算方法 设计采用查表法 图 解法等精度不高的 方法 发展了曲率半径法 最小曲率半径法精确 的轨迹计算和设计方法 编制了预测和防 碰扫描的计算机软件包 引入了人工智能和专家系统 井斜控制理论 进行了钻具的二维 静态分析主要使用 有限元法 发展了多种新的分析计算方法 例如 平 衡梁法 加权余量法等 并编制了计算机 分析程序 理论分析模型由静态发展到动态 由二维 发展到三维 定向造斜工艺 使用地面定向法 钻 杆打钢印 数据测 量石油电测井数据 使用精度高的磁性单多点测斜仪进行定向 和轨迹数据测量 发展了有线随钻测斜仪 定向 发展了导向钻井系统 初步研制出径向水 平井造斜工艺 测量方式 氢氟酸测斜仪 机械 式罗盘的电测井方 法 多种引进的有线随钻测斜仪系统投入工业 使用和发展了电子测量系统及陀螺测量系 统 发展了无线随钻测斜系统引进了带地质参 数的 MWD 系统 定向井钻井水平 简单的单口定向井 水平井位移小 精度 低 钻成了大量高难度定向井 大组丛式井 多目标井 套管定向开窗井 水平井也从 大半径水平井发展到了中半径水平井 在水平井方面取得大型突破 钻成了长 中 短半径水平井 定向井水平井钻井技术 第 5 页 共 76 页 第二节 水平井钻井技术简介 所谓水平井 是指一种井斜角大于或等于 86 并保持这种角 度钻完一定长度水平段的定向井 1 水平井钻井技术发展概况 1863 年 瑞士工程师首先提出钻水平井的建议 1870 年 俄国工程师在勃良斯克市钻成井斜角达 60 的井 瑞典和美国研制出测量井眼空间位置的仪器 1888 年俄国也设计出 了测斜仪器 1929 年 美国加利福尼亚州钻成了几米长的水平分支井筒 30 年代 美国开始用挠性钻具组合在垂直井内钻曲率半径小的水平 分支井眼 1954 年苏联钻成第一口水平井 1964 年一 1965 年我国钻成两口水平井 磨 3 井 巴 24 井 自从 80 年代以来 随着先进的测量仪器 长寿命马达和新型 PDC 钻头等技术的发展 水平井钻井大规模高速度的发展起来 我国水平井钻井在 90 年代以来也取得了很大发展 胜利油田已 完成各种类型水平井近 400 口 水乎井钻井水平和速度不断提高 中 原油田中原油田在 1991 年施工了一口长半径水平井卫 2 25 井 当 时钻井施工非常成功 各项技术指标属国内领先水平 但是由于后续 技术手段不足 造成该井未获得预期的开采效果 到 2001 年 该井 才获得较好的工业投产 经过 10 年的反复论证 2001 年中原油田 部署了云 2 平 1 井 胡 5 平 1 井 文 92 平 1 井 钻井过程中由于油 定向井水平井钻井技术 第 6 页 共 76 页 层与地质设计的偏差 出现了井眼轨迹上翘下扣的现象 对施工安全 造成了很大隐患 2004 年 油田部署了第一口天然气水平井和第一 批中短半径小井眼开窗侧钻水平井 水平井技术迈入国内先进水平行 列 具体见下表 近期完成的部分水平井技术服务 定向井水平井钻井技术 第 7 页 共 76 页 序 号 井 号 类型 井深 m 垂深 m 最大井斜 开窗或 侧钻井 深 位移 m 最大造斜 率 m 水平段长 m 完成年份 施工地点 1 TK318CH 1 短半径侧钻水平井 5705 08 5451 84 97 0 5396 273 1 4 213 2004 塔河油田 2 TK318CH 2 短半径侧钻水平井 5793 86 5444 98 95 2 5399 99 337 81 1 4 276 7 2004 塔河油田 3 丰收 3 平 1 8 1 2 井眼常规 水平井 2448 28 2120 7 96 2 1690 669 1 0 38 333 48 2004 江苏油田 4 周 9 5 3CH 5 1 2 套管开窗 侧钻水平井 2685 2400 88 2 2320 59 300 0 40 150 2004 江汉油田 5 濮侧平 130 9 5 8 套管开窗 侧钻水平井 3068 2859 5 92 1760 285 0 45 70 2004 中原油田 6 濮侧平 16 5 1 2 套管开窗 侧钻水平井 2549 67 2393 87 3 2107 242 0 60 78 11 2004 中原油田 7 桥69 平1 8 1 2 常规天然 气水平井 4248 3692 41 92 1 3280 721 42 0 42 461 73 2004 中原油田 8 濮 1 侧平 239 5 1 2 套管开窗 侧钻水平井 2662 2430 68 93 7 2156 254 22 0 55 61 2004 中原油田 9 濮 6 侧平 65 5 1 2 套管开窗 侧钻水平井 2856 67 2751 16 76 2503 196 68 0 46 80 2004 中原油田 定向井水平井钻井技术 第 8 页 共 76 页 附表 1 近期完成的部分水平井技术服务 序 号 井 号 类型 井深 m 垂深 m 最大井斜 开窗或 侧钻井 深 位移 m 最大造斜 率 m 水平段长 m 施工日期 施工地点 10 濮 2 平 1 8 1 2 井眼常规 水平井 2880 2371 55 92 7 2086 02 629 22 0 45 389 51 2004 中原油田 11 文92 平1 8 1 2 井眼常规 水平井 3680 3177 7 94 9 2844 606 2 0 44 376 5 2003 中原油田 12 云 2 平 1 8 1 2 井眼常规 水平井 3200 2234 12 94 1890 87 1099 66 0 41 757 61 2003 中原油田 13 胡 5 平 1 8 1 2 井眼常规 水平井 2610 2096 59 93 1 1755 69 646 83 0 53 284 2003 中原油田 14 濮 1 侧平 231 5 1 2 套管开窗 侧钻水平井 2600 2408 96 5 2042 265 9 0 60 109 2005 中原油田 15 濮 1 侧平 193 5 1 2 套管开窗 侧钻水平井 2788 2401 91 3 2137 500 0 60 158 11 2005 中原油田 定向井水平井钻井技术 第 9 页 共 76 页 2 水平井的类型及各种类型水平井的特点 1 水平井的类型 根据水平井曲率半径的大小分为 长曲率半径水平井 小曲率水平井 中曲率半径水平井 中曲率水平井 短曲率半径水平井 大曲率水平井 2 不同曲率水平井的基本特征及优缺点 不同曲率水平井的基本特征表 井 型 项目 长半径水平井 中半径水平井 短半径水平井 造斜率 6 30 米 6 20 30 米 150 300 30 米 曲率半径 304 914 米 291 87 米 12 6 米 井眼尺寸 无限制 121 4 43 4 61 4 43 4 钻井方式 转盘钻或导向钻 井系统 造斜段 特种马达 或导向钻井系统 水平段 转盘钻或 导向钻井系统 以使用特种工具的 转盘钻进为主 目前 也使用特种马达方 式 钻 杆 常规钻杆 15 100 米使 用抗压钻杆 铰接驱动钻杆 测量工具 无限制 有 线 随 钻 测 斜 仪 MWD 但井 眼 6 1 8 时不 能使用 转盘钻井时使用多 点测斜仪 马达钻井时使用有 线随钻测斜仪 地面设备 常规钻机 常规钻机 需要配备顶部驱动 系统或动力水龙头 完井方式 无限制 无限制 裸眼或割缝管 定向井水平井钻井技术 第 10 页 共 76 页 不同曲率水平井的优缺点 优点 缺点 长 半 径 水 平 井 1 穿透油层段最长 2 使用标准的钻具及套管 3 狗腿严重度 最小 4 使用常规钻井设备 5 可使用多种完井方法 6 可采用多种举升采油工艺 7 测井及取芯方便 8 井眼及工具尺寸不受限制 1 井眼轨道控制段最长 2 全井斜深增加最多 3 钻井费用增加 4 各种下部钻具组合较长 5 不适合薄油层和浅油层 6 转盘扭矩较大 7 套管用量最大 8 穿过油层长度与总水平位移比最小 中 半 径 水 平 井 1 进入油层时无效井段较短 2 使用的井下工具接近常规工具 3 使用动力钻具成导向钻井系统 4 离构造控制点较近 5 可使用常规的套购及完井方法 6 并下扭矩及阻力较小 7 较高及较稳定的造斜率 8 井眼轨迹控制井段较短 9 穿透油层段较长 1000 米 10 井眼尺寸不受限制 11 可以测井及取芯 12 从一口直井可以钻多口水平分枝井 13 可实现有选择的完井方案 1 要求使用 MWD 测量系统 2 要求使用加重钻杆或抗压缩钻杆 短 半 径 水 平 井 l 井眼曲线段最短 2 侧钻容易 3 能够准确击中油层目标 4 从一口直井可以钻多口水平分枝井 5 直井段与油层距离最小 6 可用于浅油层 7 全井斜深最小 8 不受地表条件的影响 1 非常规的井下工具 2 非常规的完井方法 3 穿透油层段短 120 180 米 4 井眼尺寸受到限制 5 起下钻次数多 6 要求使用顶部驱动系或动力水龙头 7 井眼方位控制受到限制 8 目前还不能进行电测 表 1 水平井分类 造斜率分类 造斜率 半径 国际 长 2 8 25 4 m 2865 716 m 中 8 30 25 4m 716 191 m 中短 30 60 25 4m 191 95 m 短 60 200 25 4m 95 28 m 国内 长 8 30m 286 5m 中 8 20 30m 286 5 86m 中短 20 70 30m 85 24m 短 70 300 30m 24 5 77m 定向井水平井钻井技术 第 11 页 共 76 页 第三节 定向井 水平井基本术语 1 井深 指井口 转盘面 至测点的井眼实际长度 人们常称为斜 深 国外称为测量深度 Measure Depth 2 测深 测点的井深 是以测量装置 Angle Unit 的中点所在井 深为准 3 井斜角 该测点处的井眼方向线与重力线之间的夹角 见图 1 1 井斜角常以希腊字母 表示 单位为度 4 井斜方位角 是指以正北方位线为始边 顺时针旋转至井斜方位 线所转过的角度 见图 1 2 井斜方位角常以希腊字母 表示 单 位为度 实际应用过程中常常简称为方位角 5 磁方位角 磁力测斜仪测得的井斜方位角是以地球磁北方位线为 准的 称磁方位角 图 1 1 井斜角示意图 图 1 2 井斜方位角示意图 6 磁偏角 磁北方位线与真北方位线并不重合 两者之间有一个夹 角 这个夹角称为磁偏角 磁偏角又有东磁偏和西磁偏角之分 当磁 北方位线在正北方位线以东时 称为东偏角 当磁北方位线在正北方 位线以西时称为西偏磁偏角 进行磁偏角校正时按以下公式计算 定向井水平井钻井技术 第 12 页 共 76 页 真方位角 磁方位角 东偏磁偏角 真方位角 磁方位角一西偏磁偏角 图 1 3 磁偏角示意图 7 井斜变化率 是指井斜角随井深变化的快慢程度 常以 Ka 表示 精确的讲井斜变化率是井斜角度 对井深 L 的一阶导数 d K dL 井斜变化率的单位常以每 100 米度表示 8 井深方位变化率 实际应用中简称方位变化率 是指井斜方位角 随井深变化的快慢程度 常用 K 表示 计算公式如下 d K dL 井斜方位变化率的单位常以每 100 米度进行表示 定向井水平井钻井技术 第 13 页 共 76 页 9 全角变化率 狗腿严重或井眼曲率 从井眼内的一个点到另一个 点 井眼前进方向变化的角度 两点处井眼前进方向线之间的夹角 该角度既反映了井斜角度的变化又反映了方位角度的变化 通常称为 全 角 变 化 值 两 点 间 的 全 角 变 化 值 相 对 与 两 点 间 井 眼长度 L 变化的快慢及为全角变化率 用公式表达如下 K L 实际钻井中 井眼曲率的计算方法 目前计算井眼曲率的方法 很多 有公式法 查表法 图解法 查图法和尺算法五种 后四种 办法皆来源于公式法 计算井眼曲率的公式有三套 第一套公式 对于一个测点 K SQR K 2 K 2sin2 对于一个测段 K SQR L 2 L 2 sin2 C 第一套公式的图解法 参见图 1 4 图 1 4 第一套公式的图解法 1 作水平射线 OA 定向井水平井钻井技术 第 14 页 共 76 页 2 作 BOA C 两测点平均角 3 以一定长度代表单位角度 量 OB 两测点方位角差 4 自 B 点向 OA 作垂线 垂足为 C 点 5 按步骤 3 中的比例 CA 6 连接 A B 并量 AB 长度 按步骤 3 比例换算成角度 此角度及狗腿角 第二套公式 由于误差较大 现场使用略少 第三套公式 SQR 1 2 2 1 2COS 图 1 5 第三套公式的图解法 第三套公式图解法 参见图 1 5 1 选取一定比例 经一定长度代表单位角度 作线段 OA 使其 长度代表 l 2 作 OB 线段 使 BOA 3 按步骤 的比例 量 OB 2 4 连接 A B 并量取 AB 的长度 按步骤 1 的比例换算成角 度 即为 定向井水平井钻井技术 第 15 页 共 76 页 10 垂深 垂直井深 即某测点的垂直深度 以 H 表示 是指井身 任意一点至转盘面所在平面的距离 11 水平投影长度 是指自井口至测点的井眼长度在水平面上的投影 长度 以 S 表示 12 水平位移 简称平移 是指测点到井口垂线的距离 在国外又称 为闭合距 Closure Distance 13 平移方位角 又称为闭合方位角 Closure Azimuth 常用 表 示 是指以正北方位线为始边顺针方向转至平移方位线上所转过的角 度 14 视平移 又称为投影位移 井身上的某点在垂直投影面上的水平 位移 在实际定向井钻井过程中 这个投影面选在设计方位线上 所 以视平移也可以定义为水平位移在设计线上的投影 15 高边 在斜井段用一个垂直于井眼轴线的平面于井眼 这时的井 眼不能理解为一条线 而是一个具有一定直径的圆 相交 由于井眼 是倾斜的 故井眼在该平面上有一个最高点 最高点与井眼圆心所形 成的直线即为井眼的高边 16 工具面 工具面就是造斜工具弯曲方向的平面 17 磁性工具面角 造斜工具弯曲的平面与正北方位所在平面的夹角 18 高边工具面角 造斜工具弯曲方向的平面与井斜方位角所在平面 的夹角 19 装置角 造斜工具弯曲方向的平面与原井斜方向所在平面的夹角 通常用 表示 定向井水平井钻井技术 第 16 页 共 76 页 20 反扭矩 在用井底动力钻具钻进时 都存在一个与钻头转动方向 相反的扭矩 该扭矩被称为反扭矩 21 反扭角 使用井底动力钻具钻进时 都存在一个与钻头转动方向 相反的扭矩 由于该扭矩的作用 使得井底钻具外壳向逆时针方向转 动一个角度 该角度被称为反扭角 22 贮层顶部 水平井段控制油层的顶部 23 贮层底部 水平井段控制油层的底部 24 设计入口角度 进入储层顶部的井斜角度 25 着陆点 井眼轨迹中井斜角达到 90 的点 26 入口窗口高度 入靶点垂直方向上下误差之和 27 入口窗口宽度 入靶点水平方向左右误差之和 28 出口窗口高度 出靶点垂直方向上下误差之和 29 出口窗口宽度 出靶点水平方向左右误差之和 30 着陆点允许水平偏差 着陆点允许水平方向前后的误差 31 单弯动力钻具 动力钻具壳体上具有一个弯曲角度的动力钻具 特点是造斜率较弯接头组合高 钻头偏移较小 第四节 定向井 水平井基本施工步骤简介 1 定向井井位的确定 井位坐标要求 基本数同一般直井 丛式井坐标需一同下发 以 便作出丛式井整体设计 注明各中靶点的坐标及垂直深度 提供最新 井位构造图 定向井水平井钻井技术 第 17 页 共 76 页 2 地面井口位置的选择 工程 地质设计及测量人员根据井位坐标和地面实际条件确定井 口位置和井架整托方向 丛式井 井口位置选择尽量利用地层自然 造斜规律 多目标井井口位置在第一靶点和最后一个靶点联线的延长 线上 井架立好后需要进行井口坐标的复测 2003 年钻井四公司施工文新 99 1 井时 项目组对该区块进行调 研 摸清该区块的自然造斜 280 情况 建议甲方对井口进行适 当移动 原井口东移 40 米 利用地层自然造斜规律进行造斜 全井 没用随钻测斜仪定向而顺利中靶 这样既加快了钻井速度 又保证了 施工质量 3 定向井设计 地质设计在坐标初测后提出初步设计 在坐标复测后提出正式设 计 地质设计除包括一般井内容外 在工程施工中要求必须说明靶点 相对与井口的位移和方位 多目标井说明靶点之间的稳斜角度 附最 新井位构造图 油藏剖面图 设计轨迹水平投影图和垂直投影图 工程设计必须符合地质设计要求 井身轨迹设计数据表 特殊工 艺技术措施 井身结构及分段钻具组合和钻井参数等 定向井水平井钻井技术 第 18 页 共 76 页 4 设备要求 钻机 根据定向井垂直井深 水平位移 井身结构和井眼曲率选择设备 类型 推荐设备标准 使用于位移 垂深 0 4 的定向井 垂深 2800 米 水平位移 600 米 选用 3200 米钻机 垂深 5000 米 水平位移 200 米 选用 4500 米钻机 垂深 4500 米 水平位移 2000 米 选用 6000 米钻机 垂深 4500 米 水平位移 1500 米 选用 7000 米钻机 5 定向井靶区半径标准 不同井深靶区半径要求 总公司标准 靶区垂深 米 靶区半径 米 靶区垂深 米 靶区半径 米 1000 30 3000 80 1500 40 3500 100 2000 50 4000 120 2500 65 4500 140 定向井水平井钻井技术 第 19 页 共 76 页 第二章 定向井 丛式井 水平井设计与计算分析 第一节 定向井 水平井二维轨道设计 一口定向井的实施 首先要有一个轨道设计 才能以此设计为依 据进行具体的定向井钻井施工 对于不同的勘探 开发目的和不同的 设计限制条件 定向井的设计方法有多种多样 而每种设计方法 都 有一定的设计原则 定向井设计是一个非常重要的环节 好的设计是成功的一半 因此 合理地设计好井身轨道 是定向井成功的保证 一 设计原则 一口定向井的总设计原则 应该是能保证实现钻井目的 满足采 油工艺及修井作业的要求 有利于安全 优质 快速钻井 在对各个 设计参数的选择上 在自身合理的前提下 还要考虑相互的制约 要 综合地进行考虑 一 选择合适的井眼形状 复杂的井眼形状 势必带来施工难度的增加 因此井眼形状的选 择 力求越简单越好 从钻具受力的角度来看 目前普遍认为 降斜井段会增加井眼的 摩阻 引起更多的复杂情况 如图所示 2 1 1 增斜井段的钻具轴 向拉力的径向的分力 与重力在轴向的分力方向相反 有助子减小钻 具与井壁的摩擦阻力 而降斜井段的钻具轴向分力 与重力在轴向的 分力方向相同 会增加钻具与井壁的摩擦阻力 因此 应尽可能不采 定向井水平井钻井技术 第 20 页 共 76 页 用降斜井段的轨道设计 图 2 1 1 二 选择合适的井眼曲率 井眼曲率的选择 要考虑工具造斜能力的限制和钻具刚性的限 制 结合地层的影响 留出充分的余地 保证设计轨道能够实现 在能满足设计和施工要求的前提下 应尽可能选择比较低的造 斜率 这样 钻具 仪器和套管都容易通过 当然 此处所说的 选择低造斜率 没有与增斜井段的长度联系在一起进行考虑 另外 造斜率过低 会增加造斜段的工作量 因此 要综合考虑 常用的造斜率范围是 4 10 30 米 中原油田造斜率要求不 超过 5 30 米 三 选择合适的造斜井段长度 造斜井段长度的选择 影响着整个工程的工期进度 也影响着动 力钻具的有效使用 若造斜井段过长 一方面由于动力钻具的机械钻速偏低 使施工 周期加长 另一方面由于长井段使用动力钻具 必然造成钻井成本的 上升 所以 过长的造斜井段是不可取的 定向井水平井钻井技术 第 21 页 共 76 页 若造斜井段过短 则可能要求很高的造斜率 了方面造斜工具 的能力限制 不易实现 另一方面过高的造斜率给井下安全带来了不 利因素 所以 过短的造斜井段也是不可取的 因此 应结合钻头 动力马达的使用寿命限制 选择出合适的 造斜段长 一方面能达到要求的井斜角 另一方面能充分利用单只钻 头和动力马达的有效寿命 四 选择合适的造斜点 造斜点的选择 应充分考虑地层稳定性 可钻的限制 尽可能把 造斜点选择在比较稳定 均匀的硬地层 避开软硬夹层 岩石破碎带 漏失地层 流沙层 易膨胀或易坍塌的地段 以免出现井下复杂情况 影响定向施工 造斜点的深度应根据设计井的垂深 水平位移和选用的轨道类型 来决定 并要考虑满足采油工艺的需求 应充分考虑井身结构的要求 以及设计垂深和位移的限制 选择 合理的造斜点位置 五 选择合适的稳斜段井斜角和入靶井斜角 井斜角的大小 直接影响了轨迹的控制 井斜角太小时 方位不好控制 而井斜角太大时 施工难度却又 增加 因此 稳斜段井斜角和入靶井斜角的选择 应充分满足轨迹控 制的需要 另外 它对方位控制 电测 钻速都有明显的影响 一般来讲 井斜角的大小与轨迹控制的难度有下面的关系 1 井斜角小于 15 时 方位难以控制 定向井水平井钻井技术 第 22 页 共 76 页 2 井斜角在 15 一 40 时 既能有效地调整井斜角和方位 也 能顺利地钻井 固井和电测 是较理想的井斜角控制范围 3 井斜角在 40 一 50 时 钻进速度慢 方位调整困难 4 井斜角大于 60 电测 完井作业施工的难度很大 易发生 井壁垮塌 举例 双增轨道计算 与单增类似 两个矢量的连接需要两个圆弧和一条直线段 图 2 2 13 双增轨道设计几何图 由图 2 2 13 看出 当 AB为 A 点的井斜 定向井水平井钻井技术 第 23 页 共 76 页 则得 2 53 当 AB 90 R2 C21 A21 2 54 3 三段增斜 图 2 2 14 三增轨道设计几何图 由图 2 2 14 看出 定向井水平井钻井技术 第 24 页 共 76 页 定义 得 AB 90 定义 得 R3 A21 B21 2 57 SZ A11 B11 R3 2 58 第三节 定向井测斜数据处理 实际钻出的定向井的井眼轨迹是一条空间曲线 为了了解这条空 间曲线的形状 需要进行井斜角和方位角的测量 由于测斜不能连续 进行 只能按一定的间距一个点一个点地进行测量 因此需要采用一 定向井水平井钻井技术 第 25 页 共 76 页 种计算方法进行数学拟合 来求得一条连续的空间曲线 到目前为止 由于两测点之间轨迹形状的多变性 我们还无 法知道测段真实的形状 因此只好依靠假设 如 直线 折线或 各种曲线来拟合 现有的定向井轨迹计算方法有二十余种 如 正切法 平均 角法 平衡正切法 圆柱螺线法 最小曲率法和校正平均角法等 等 1 平均角法 平均角法又称平均法 此法认为两测点间的测段为一直线 该直 线的方向为上下两测点处井眼方向的 和方向 图 2 3 2 平均角法几何图 计算公式如下 3 平衡正切法 定向井水平井钻井技术 第 26 页 共 76 页 平衡正切法假定两测点间的井段为两段各等于测段长 度一半的直线构成的折线 它们的方向分别与上下两测点处的井 眼方向一致 如图所示 图 2 3 3 平衡正切法网几何图 计算公式如下 2 圆柱螺线法 曲率半径法 圆柱螺线法假设两测点间的测段是一条等变螺旋角的圆柱螺线 螺线在两端点处与上下两测点处的井眼方向相切 圆柱螺线的水平投影是圆弧 垂直投影也是圆弧 它是以曲线法 为基本假设的一种 其计算精度较直线法或折线法高 圆柱螺线法与国外的 曲率半径法 假设条件基本一致 因此在 定向井水平井钻井技术 第 27 页 共 76 页 国外也叫做 曲率半径法 图 2 3 4 圆柱螺线法几何图 计算公式如下 3 最小曲率法 最小曲率法假设两测点之间的井段是一段空间平面上的圆 弧 圆弧在两端点处与上下两测点处的井眼方向线相切 定向井水平井钻井技术 第 28 页 共 76 页 图 2 3 5 最小曲率法几何图 计算公式如下 由于圆柱螺线法和最小曲率法是以曲线假设为依据的 其精 度相对来说较准确 在计算机以普及的今天 这是两种使用最广 泛的方法 几种计算方法的精度比较如下 定向井水平井钻井技术 第 29 页 共 76 页 第四节 丛式井的防碰计算 对于丛式井 特别是密集的丛式井 由于设计轨道与设计 轨道 设计轨道与实钻轨迹 实钻轨迹与实钻轨迹之间的距离很 近 因此 不论是在设计时的防碰考虑不周 还是在实钻时的防 碰控制不及时 都有可能导致最后的正钻井与邻井的轨迹相碰 从而造成严重的工程事故 因此 丛式井防碰是一个非常关键的 技术问题 图 2 4 1 防碰井眼示意图 如图 2 4 1 所示 要想防止正钻井与邻井轨迹相碰 就 需要找到一种有效的分析计算方法 计算出两井在不同井深时的 相对距离 并对其相对的发展趋势作出准确的预测 方能防碰于 未然 一 计算方法 目前常用的丛式井防碰分析计算方法有三种 即水平面扫 描法 法面扫描法和最小距离扫描法 一 水平面扫描法 定向井水平井钻井技术 第 30 页 共 76 页 水平面扫描法计算的是扫描井与相关邻井之间在同一垂深截 面上的相互位置关系 图 2 4 2 水平面扫描法示意图 如图 2 3 2 所示 在扫描井轨迹上任一井段按需要的精度 间距 截取许多水平截面 求相关邻井与此水平面的截点座标 然后在各个水平截面上以扫描点为圆心 作极座标图 在图上对 扫描点与邻井同一垂深点的相互距离和方位进行分析的方法称 水平面扫描法 二 法面扫描法 如图 2 4 3 所示 法面扫描是以扫描井轨迹上任一扫描 点 作一垂直子井眼轨迹轴线的平面 即法面 然后计算该平 面与周围相关邻井井眼轨迹在三维空间中的截点座标 截点到扫 描点的相对距离和相对方向 即是扫描井在这一扫描点上与周围 相关邻井在法面上的相互关系 以扫描点为圆心所绘制出的即是 法面扫描图 定向井水平井钻井技术 第 31 页 共 76 页 法面扫描从另一个角度反映了扫描井与周围相关邻井的相 互关系 法面扫描得到的距离 是周围相关邻井到扫描井的径向 距离 而方向却是反映了相对扫描井来说 上 下 左 右的关 系 三 最小距离扫描原理及公式 如图 2 4 4 所示 用法面扫描方法和平面扫描方法 计算 出的与周围相关邻井的距离 不一定是最小距离 图 2 4 4 最小井距扫描示意图 最小距离法计算出的是邻井轨迹的空间最近距离 二 具体应用 这三种方法以不同的方式求解井与井之间的距离 它们各有 定向井水平井钻井技术 第 32 页 共 76 页 所长 l 直井防碰用水平面扫描法 在直井段或井斜较小的情况下 水平扫描可很清楚地看出各井眼 轨迹之间的距离 若是对一口井直进行扫描 则用扫描结果所作 的扫描 图 与丛式井水平投影图一样 2 斜井的防碰用法面法和最小距离法 在井斜角较大时 对于同方向井 用法面扫描法 对于异方向的 井 用水平面扫描法 这是因为 在对同方向井扫描时 法面法 计算出钓井距 通常比平面法计算出的井距小 而在对异方向井 扫描时 平面法计算出的井距 通常比法面法计算出的井距小 如图 2 一 4 5 所示 图 2 4 5 法面法和最小井距法 3 法面法的进一步应用 法面扫描在计算井距的同时 还有一个功能 就是能计算出扫描 井与邻井的相对方向 这个相对方向也可以得到一张扫描图 这张图 揭示了两口井的相对发展趋势 如图所示 在方向图中 垂直中线代 表邻井轨迹相对与正钻井左右变化的分界线 水平中线代表邻井轨迹 相对与正钻井上下变化的分界线 当在某个扫描点时 方向图上的扫 定向井水平井钻井技术 第 33 页 共 76 页 描点落在第一象限 则在井距扫描图中 下一点的发展趋势 必然会 向右上方发展 法面扫描的这两个特点 可用在两个方面 应用在丛式井的防碰预测方面 丛式井的防碰扫描 是在正钻井与邻井之间进行的 因此 在法面扫描的方向图上 显示出了两个井眼轨迹是逐渐靠拢 还 是逐渐分开 这就提示了施工人员 看是否有井眼轨迹相碰的潜 在危险 以便及时作出相应的防范措施 应用在单口井的轨迹控制方面 在定向井的实施过程中 总是希望实钻轨迹尽量贴近设计线 走 应用法面扫描原理 把实钻井眼作为正钻井 把设计轨道作 为邻井来进行扫描 就能及时发现正钻井轨迹是否有偏离设计线 的趋势 由此 就可作出是否采取措施进行调整 定向井水平井钻井技术 第 34 页 共 76 页 第三章 定向井 水平井井身轨迹控制技术 第一节 定向井 水平井井眼轨迹控制理论 无论是定向井 还是水平井 控制井眼轨迹的最终目的都是 要按设计要求中靶 但因水平井的井身剖面特点 目的层靶区的 要求等与普通定向井和多目标井不同 在井眼轨迹控制方面具有 许多与定向井 多目标井不同的新概念 需要建立一套新的概念 和理论体系来作为水平井井眼轨迹控制的理论依据和指导思想 我们在长 中半径水平井的井眼轨迹控制模式的形成和验证 过程中 针对不断出现的轨迹控制问题 建立了适应于水平井轨 迹控制特点的几个新概念 一 中靶概念 地质给出的水平井靶区通常是一个在目的层内以设计的水 平井眼轨道为轴线的柱状靶 其横截面多为矩形或圆 我们可以 定向井水平井钻井技术 第 35 页 共 76 页 把这个柱状靶看成是由无数个相互平行的法面平面组成 因此 控制水平井井眼轨迹中靶 与普通定向井 多目标井是个截然不 同的新概念 主要体现是 井眼轨迹中靶时进人的平面是一个法平面 也称目标窗口 但中靶的靶区不是一个平面 而是一个柱状体 因此 不仅要求 实钻轨迹点在窗口平面的设计范围内 而且要求点的矢量方向符 合设计 使实钻轨迹点在进入目标窗口平面后的每一个点都处干 靶柱所限制的范围内 也就是说 控制水平井井眼轨迹中靶的要 素是实钻轨迹在靶柱内的每一点的位置要到位 即入靶点的井斜 角 方位角 垂深和位移在设计要求的范围内 也就是我们所 讲的矢量中靶 定向井水平井钻井技术 第 36 页 共 76 页 定向井水平井钻井技术 第 38 页 共 76 页 第二节定向井 水平井直井段井身轨迹控制技术 随着钻井技术的发展和钻井工具的日益完备 常规定向井轨迹控制所使用 的钻具组合已经成熟 形成如图 14 所示的基本定式钻具组合 组合一 钟摆钻具 159DC 18m 159DC 9m 组合二 双扶刚 178DC 18m 197 接头 178DC 9m 178DC 159DC 钟摆防斜 组合三 定向造斜 165 螺杆 定向接头 159DC 组合四 增斜 215 双母 159DC 18m 159DC 9m 159DC 组合五 增斜 214 159DC 27m 159DC 9m 159DC 组合六 稳斜 215 双母 159DC 9m 159DC 18m 159DC 组合七 稳斜 213 214 159DC 2m 159DC 9m 159DC 18m 组合八 钟摆降斜 159DC 9m 159DC 9m 159DC 组合九 定向 稳斜 165 单弯螺杆 159DC DP 近年来 螺杆钻具的制造工艺日趋成熟 早期 国内生产的多为 直螺杆钻具 在单一定向的情况下使用寿命仅为 30小时 60小时 目前 螺杆钻具品种多样 单 双弯螺杆 直螺杆等 单 双弯螺杆既能够使用转盘进行双驱复合钻进 又能滑动钻进 在完成定向施工的动力钻具中 单 双弯螺杆钻具具有优势 它不但 能够提供给钻头足够的扭矩 而且具有很灵活的可调性 首先 它可 定向井水平井钻井技术 第 39 页 共 76 页 以进行角度的选择 一般 螺杆厂家都能按钻井的需求生产系列不同 角度的螺杆钻具 0 50 0 75 1 00 1 25 1 50 1 75 2 00 2 5 3 0 3 5 在特殊需要时 可以同向或反向配接 普通定向弯接头来进行角度调节 其次 还可以根据扶正器位置不同 钻具受力状态不同这一重要特点 进行合理的扶正器数量及位置的调 整 来达到井眼的增斜 稳斜 降斜及调整井眼方位的要求 有无扶 正器 单扶正器和双扶正器 完全可以根据实际需要配合普通扶正器 进行合理的钻具组合 在转盘钻进 滑动钻进的结合情况下使用寿命 可以突破 150 小时以上 螺杆技术的成熟为动力钻具复合钻进技术提 供了基础保障 PDC 钻头配合螺杆钻具钻井 其钻屑破碎成小的颗粒 减小了 举升和输送钻屑所需要的力 从而提高井眼的净化和降低井下摩阻 螺杆钻具配合 PDC 钻头复合钻进 一趟钻可以完成定向 稳斜 降 斜等各种轨迹控制技术 为此我们对螺杆钻具优选 钻具组合优化进 行研究 4 1 1 螺杆钻具的优选 螺杆钻具的弯角使钻头产生偏距 双驱复合钻进时钻具所受的约 束力更大 交变的动应力使钻具易发生疲劳断裂 也易使螺杆钻具的 薄弱环节产生先期损坏 弯角越大 钻头偏距也越大 所受的交变应 力和扭矩越高 但是 弯角太小 则其造斜率就小 不能满足井眼轨 迹控制的需要 同样弯度的螺杆钻具对不同的地层 实钻中造斜率有 所差别 因此 我们依据理论的指导 并通过现场试验 进行了螺杆 定向井水平井钻井技术 第 40 页 共 76 页 钻具弯角 的优选 以适应在中原油田地层钻井的需要 4 1 1 1 定向段单弯螺杆弯角的优选 1 0 5 单弯单扶或双扶螺杆 0 5 双扶 0 5 单扶单弯在文 33 152 井 新卫 222 井使用 由于增 降斜率太低 钻进 50 80m 没有增斜效果 0 5 的单弯螺 杆不适应中原油田的定向井双驱复合钻井的需要 2 0 75 单扶单弯和双扶单弯螺杆 0 75 双扶单弯在胡 5 200 井 卫 360 井 胡 7 一 282 井 文 33 152 井 胡 5 197 井用 其增 降斜率每单根能达到 0 75 左 右 与设计增斜率 4 30m 相差太大 在定向增斜时少用或不用 0 75 单扶单弯加 PDC 钻头组合 在濮 7 14 7 井等 6 口井试 验中 定向造斜率适中 一般为 12 14 100m 双驱复合钻进 时增斜率 2 8 100m 因此 0 75 单弯单扶螺杆比较适合中原 油田钻井的需要 下表是 0 75 单弯螺杆在各井段的应用情况 0 75 单扶单弯螺杆试验情况 序号 井号 使用井段 m 造斜率 100m 使用目的 1 濮 7 147 2550 2780 12 6 定向 2 桥 66 23 2516 2634 4 66 自然造斜 3 文 279 2960 3150 2 00 微降斜 4 马 68 2361 2837 2 50 自然造斜 3 1 单弯单扶螺杆 定向井水平井钻井技术 第 41 页 共 76 页 在新文 72 8 井 文 273 5 井 新文 10 88 井 新文 10 4 井 文 213 15 井 新濮 3 180 井等井试验使用上使用 1 单扶单弯螺 杆 采用 1 单扶单弯螺杆加 PDC 钻头钻进 定向造斜至井斜 15 后 启动转盘进行复合钻进 每 100m 增斜率 3 8 完全满足 了中原油田钻井的需要 1 单弯单扶螺杆双驱钻井的增斜效果见表 3 1 00 单扶单弯螺杆复合钻进试验情况 序号 井号 定向井段 m 最大井斜 增斜率 100m 使用目的 1 文 279 2080 2900 53 3 7 自然造斜 2 文 23 21 2440 2960 51 5 8 自然造斜 3 文 88 23 2910 3555 48 8 自然造斜 4 文 72 125 2828 3150 38 5 自然造斜 4 1 25 或 1 5 单弯螺杆 在大井斜定向井中 使用 1 25 单弯双扶螺杆 稳斜效果较好 但是 由于 1 25 或 1 5 单弯螺杆弯度大 钻头偏移量大 双驱复 合钻进时螺杆芯子受交变应力大 可能断芯子 一般情况下 使用 1 25 1 5 螺杆时尽量避免启动转盘 5 1 75 以上单弯螺杆 在中短半径水平井中 使用 1 75 以上度数弯螺杆 可以达到设 计要求 目前 3 5 弯螺杆定向造斜率可以达到 100 150 100m 但是 由于 1 75 以上弯角的弯螺杆弯度大 很易断芯子 1 75 以 定向井水平井钻井技术 第 42 页 共 76 页 上的单弯螺杆严禁双驱复合钻进 4 1 1 2 稳斜段单弯螺杆弯角的优选 下表是 1 双扶单弯螺杆带 PDC 钻头钻进的情况 当井斜达到 10 以上后 其稳方位 微降斜效果相当明显 正常情况下降斜 0 5 2 5 100m 方位变化很小 1 双扶单弯螺杆在稳斜段的应用 序号 井号 钻头类型 施工井段 m 井斜变化 方位变化 1 新文 38 33 F1924C 1678 2130 27 21 5 99 102 2 新濮 3 102 GP545 2732 2960 40 39 285 3 濮 6 122 GP545 3643 3860 37 5 33 295 292 4 文 79 131 GP545 3080 3351 29 28 5 310 312 4 1 1 3 降斜 防斜螺杆钻具优选 降斜 防斜一般选用直螺杆 由直螺杆组成合理的钻具组合 在 桥 29 50 井使用 井斜只有 1 75 桥 66 一 22 井全井最大井斜只 有 2 5 新濮 3 126 井在 2340m 时降斜率平均 3 2 100m 达到 了降斜的目的 井眼轨迹控制技术 1 螺杆的弯度和下扶正器的位置 尺寸确定后 要达到增斜 定向井水平井钻井技术 第 43 页 共 76 页 微增 稳斜 降斜的目的 可通过调整上扶正器的位置 尺寸及钻压 来实现 2 增斜和微增可以不加上扶正器 或者根据不同地层的造斜 效果 加外径较小的扶正器 也可以调高上扶正器的位置 3 稳斜井段根据不同的地层 可选用上下扶正器外径相同或 上扶正器外径略小的单弯螺杆 4 降斜井段选用下扶正器略小于上扶正器的单弯螺杆 5 上扶正器选用变径扶正器 可通过调整扶正器的尺寸达到 增 稳 降斜的作用 从而实现一套钻具组合完成一口定向井 第三节 水平井轨迹控制技术 常规的水平井都由直井段 增斜段和水平段三部分组成 由直井 段末端的造斜点 KOP 到钻至靶窗的增斜井段 这一控制过程称为 着陆控制 在靶体内钻水平段这一控制过程称为水平控制 水平井的 垂直井段与常规直井及定向井的直井段控制没有根本区别 水平井井 眼轨道控制的突出特点集中体现在着陆控制和水平控制 一 着陆分析 进靶钻进是着陆控制过程的最后一个阶段 也是该过程最关 键 有时也是难度最高的一个阶段 在进靶钻进前要做好充分的准备 工作 精心计算和设计方案 分析误差 更精确掌握造斜率 调整钻 具组合 制定可行的控制方案措施 方案的制定要确定几个关键参数 即 1 确定起始点的井斜角和方位角 定向井水平井钻井技术 第 44 页 共 76 页 根据 矢量进靶 的要求 在稳斜探顶中或之前 就应使井眼 轨道方位符合要求 在进钻进过程中要采取的措施之一就是要保持方 位不致产生不希望的变化 而最好不要在进靶进过程中再去扭方位 核准起始点处的井斜角值 它是决定进靶井段长度的关键参 数 为了更为准确 可根据钻进过程中的一些情况和现象 必要时进 行适当修正 图 1 进靶分析示意图 二 着陆控制的技术要点 着陆控制的技术要点可以概括为如下口诀 略高勿低 先高 后低 寸高必争 早扭方位 稳斜探顶 动态监控 矢量进靶 1 略高勿低 略高勿低 集中体现了选择工具造斜率的指导思想 即为 了保证使实钻造斜率不低于井身设计造斜率 为了防止