钻井工程第5章

第1页 主要内容 第一节井眼轨迹的基本概念第二节轨迹测量与计算第三节直井防斜技术第四节定向井井眼轨道设计第五节定向井造斜工具与轨迹控制第六节水平井钻井技术简介 第五章井眼轨道设计与轨迹控制 第2页 井眼轨道 是指在一口井钻进之前人们预想的该井井眼轴线形状 井眼轨迹 是指一口已钻成的井的实际井眼轴线形状 19世纪末打直井20世纪20年代末直井防斜技术20世纪30年代初打定向井定向井 是使井眼沿某一轨迹钻达预定目标的过程 井斜控制 是使井眼按规定的限制条件钻进的过程 而这些限制条件与井斜角 偏离垂直方向的水平距离或二者有关 第五章井眼轨道设计与轨迹控制 第3页 定向井的应用 1 地面环境条件的限制 地面上的高山 湖泊 沼泽 河流 沟壑 海洋 农田或重要的建筑物等 2 地下地质条件的要求 增加油层穿越面积 提高产量和采收率 水平井 适应井下地质条件 节省钻井时间 对于断层遮挡油藏 薄油层 侧钻井 多底井 分支井 大位移井 侧钻水平井 径向水平井是定向井的新种类 3 处理井下事故的特殊手段 救援井 侧钻井 4 减小地面井场占用面积 节省投资 丛式井 多底井 二 钻井液的功用 第五章井眼轨道设计与轨迹控制 第4页 第五章井眼轨道设计与轨迹控制 第5页 第五章井眼轨道设计与轨迹控制 第6页 第五章井眼轨道设计与轨迹控制 第7页 第五章井眼轨道设计与轨迹控制 第8页 第五章井眼轨道设计与轨迹控制 第9页 第五章井眼轨道设计与轨迹控制 第10页 第五章井眼轨道设计与轨迹控制 第11页 第一节井眼轨迹的基本概念 第五章井眼轨道设计与轨迹控制 第12页 所谓井眼轨迹 实指井眼轴线 轨迹测量就是 测斜 目前常用的测斜方法并不是连续测斜 而是每隔一定长度的井段测一个点 这些井段被称为 测段 这些点被称为 测点 一 轨迹的基本参数 第一节井眼轨迹的基本概念 第13页 井眼曲线的表示方法 垂直平面 井斜平面 与水平平面 一 轨迹的基本参数 第一节井眼轨迹的基本概念 N O O 第14页 垂直平面上 每一点的井深与空间井眼的井深一样 每一点的井斜角与与空间井眼对应的井斜角一致 不是直接投影 一 轨迹的基本参数 第一节井眼轨迹的基本概念 第15页 水平面上 为空间井眼的水平投影 一 轨迹的基本参数 第一节井眼轨迹的基本概念 A N E B A B S O 第16页 1 井深 Dm 又称斜深 井深指井口 通常以转盘面为基准 至测点的井眼长度 也有人称之为斜深 国外称为测量井深 MeasureDepth 井深常以字母Dm表示 单位为米 m 井深的增量称为井段 以 Dm表示 二测点之间的井段称为测段 一个测段的两个测点中 井深小的称为上测点 井深大的称为下测点 井深的增量总是下测点井深减去上测点井深 一 轨迹的基本参数 第一节井眼轨迹的基本概念 测深 井口至测点处的井眼实长 米 第17页 2 井斜角 Inclination Inc 井斜角 单位为度 过井眼轴线上某测点作井眼轴线的切线 该切线向井眼前进方向延伸的部分称为井眼方向线 井眼方向线与重力线之间的夹角就是井斜角 显然 井眼方向线与重力线都是有向线段 井斜角表示了井眼轨迹在该测点处倾斜的大小 井斜角的增量 以 表示 AB井段井斜角增量为 B A 一 轨迹的基本参数 第一节井眼轨迹的基本概念 井斜角 测点处井眼方向线 切线 指前 与重力线间的夹角 度 第18页 井斜变化率 井斜角对井深的变化率 即钻过单位井深井斜角的变化 度 30米 buildrate droprate 第一节井眼轨迹的基本概念 一 轨迹的基本参数 第19页 3 井斜方位角 某测点处的井眼方向线投影到水平面上 称为井眼方位线 或井斜方位线 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 即井眼方位角 注意 正北方位线是指地理子午线沿正北方向延伸的线段 所以正北方位线和井眼方位线也都是有向线段 都可以用矢量表示 井斜方位角的增量是下测点的井斜方位角减去上测点的井斜方位角 B A 一 轨迹的基本参数 第一节井眼轨迹的基本概念 方位角 测点处正北方向至井眼方向线在水平面投影线间夹角 度 第20页 方位变化率 方位角对井深的变化率 即钻进单位井段 方位角的变化 度 30米walkrate 第一节井眼轨迹的基本概念 一 轨迹的基本参数 第21页 注意 方向 与 方位 的区别 方位线是水平面上的矢量 而方向线则是空间的矢量 只要讲到方位 方位线 方位角 都是在某个水平面上 而方向和方向线则是在三维空间内 当然也可能在水平面上 井眼方向线是指井眼轴线上某一点处井眼前进的方向线 该点的井眼方位线则是该点井眼方向线在水平面上的投影 一 轨迹的基本参数 第一节井眼轨迹的基本概念 第22页 需要注意的是 目前广泛使用的磁性测斜仪是以地球磁北方位为基准的 磁北方位与正北方位并不重合而是有个夹角 称为磁偏角 磁偏角又分为东磁偏角和西磁偏角 东磁偏角指磁北方位线在正北方位线的东面 西磁偏角指磁北方位线在正北方位线的西面 用磁性测斜仪测得的井斜方位角称为磁方位角 一 轨迹的基本参数 第一节井眼轨迹的基本概念 第23页 一 轨迹的基本参数 第一节井眼轨迹的基本概念 井斜方位角还可用 象限角 表示 象限角 指井斜方位线与正北方位线或正南方位线之间的夹角 象限角在0 90度之间变化 N67 5 W读作由北向西偏了67 5 第24页 第一节井眼轨迹的基本概念 一 轨迹的基本参数 第25页 基本参数 测斜仪器在每个测点上测得参数 井深 井斜角和井斜方位角 计算参数 根据基本参数计算出来的参数 1 垂直深度 简称垂深 2 水平投影长度 简称水平长度或平长 3 水平位移 简称平移 4 平移方位角 5 N坐标和E坐标 6 视平移 亦称投影位移 7 井眼曲率 狗腿严重度 全角变化率 二 轨迹的计算参数 第一节井眼轨迹的基本概念 第26页 1 垂直深度D垂直深度 简称垂深 是指轨迹上某点至井口所在水平面的距离 垂深常以字母D表示 Trueverticaldepth TVD 垂深的增量称为垂增 垂增以 D表示 垂增 D DB DA 第一节井眼轨迹的基本概念 二 轨迹的计算参数 垂深 测点的垂直深度 米 第27页 2 水平投影长度Lp 水平投影长度简称水平长度或平长 是指井眼轨迹上某点至井口的长度在水平面上的投影 即井深在水平面上的投影长度 水平长度的增量 称为平增 平长以字母上Lp表示 平增以 Lp表示 平长和平增在图5 4中是指曲线的长度 第一节井眼轨迹的基本概念 二 轨迹的计算参数 水平投影长度 测点与井口之间的井眼长度在水平面的投影长度 米 第28页 3 水平位移S水平位移 简称平移 指轨迹上某点至井口所在铅垂线的距离 或指轨迹上某点至井口的距离在水平面上的投影 此投影线称为平移方位线 水平位移常以字母S表示 如图5 5所示 第一节井眼轨迹的基本概念 二 轨迹的计算参数 水平位移 测点至井口所在的铅垂线的距离 米 第29页 在国外将水平位移称作闭合距 而我国油田现场常特指完钻时的水平位移为闭合距 闭合距 井底的水平位移 米 closure 第一节井眼轨迹的基本概念 二 轨迹的计算参数 第30页 4 平移方位角 平移方位角 指平移方位线所在的方位角 即以正北方位为始边顺时针转至平移线上所转过的角度 常以字母 表示 如图5 5所示 第一节井眼轨迹的基本概念 二 轨迹的计算参数 第31页 闭合方位角 在水平投影图上测点处正北方向与闭合方位线间的夹角 度 closureazimuth 在国外将平移方位角称作闭合方位角 而我国油田现场常特指完钻时的平移方位角为闭合方位角 第一节井眼轨迹的基本概念 二 轨迹的计算参数 点水平位移 A OA E 完井井底 闭合距 SE OE 闭合方位角fE 第32页 5 N坐标和E坐标N坐标和E坐标 是指轨迹上某点在以井口为原点的水平面坐标系里的坐标值 此水平面坐标系有两个坐标轴 一是南北坐标轴 以正北方向为正方向 一是东西坐标轴 以正东方向为正方向 如图5 4所示 A B二点的水平坐标分别为NA EA和NB EB 水平坐标可以有增量 以 N E表示 第一节井眼轨迹的基本概念 二 轨迹的计算参数 第33页 6 视平移V视平移 亦称投影位移 是水平位移在设计方位线上的投影长度 视平移以字母V表示 如图5 5所示 A B二点的视平移分别为VA VB 当实钻轨迹与设计轨迹偏差很大时甚至背道而驰时 视平移可能成为负值 第一节井眼轨迹的基本概念 二 轨迹的计算参数 视平移 测点水平位移在设计方位线上的投影 米 verticalsection 第34页 弧段OA 水平投影长度线段OA 水平位移 平移方位角V 视平移N坐标E坐标 第一节井眼轨迹的基本概念 二 轨迹的计算参数 第35页 7 井眼曲率井眼曲率 指井眼轨迹曲线的曲率 有人称作 狗腿严重度 全角变化率 由于实钻井眼轨迹是任意的空间曲线 其曲率是不断变化的 所以在工程上常常计算井段的平均曲率 狗腿角 对一个测段 或井段 来说 上 下二测点处的井眼方向线是不同的 两条方向线之间的夹角 注意是在空间的夹角 称为 狗腿角 也有人称为 全角变化 即上下二测点的两条方向线之间的夹角 空间夹角 井眼平均曲率 狗腿角被测段 或井段 除即可得到该段的井眼平均曲率 显然 所取测 井 段越短 平均曲率就越接近实际曲率 第一节井眼轨迹的基本概念 二 轨迹的计算参数 第36页 N O 井眼的曲率K holecurvature 井眼切线的方向相对于井深的变化率K表示曲线偏离直线的程度 第一节井眼轨迹的基本概念 二 轨迹的计算参数 r1 r2 L 第37页 井眼曲率计算方法 先计算狗腿角 再计算平均井眼曲率 Lubinski公式 我国钻井行业标准规定狗腿角的计算公式 式中 井斜角 方位角 c 平均井斜角 第一节井眼轨迹的基本概念 二 轨迹的计算参数 第38页 全角变化率K 井眼的空间曲率 井眼轨迹曲线的曲率 第一节井眼轨迹的基本概念 二 轨迹的计算参数 第39页 第一节井眼轨迹的基本概念 二 轨迹的计算参数 第40页 对一条空间曲线可以有不同的表示方法 三维坐标法 投影图示法 垂直投影图 水平投影图 不能反映出真实的井深和井斜角 柱面图示法 垂直剖面图 柱面展开图 水平投影图柱面 设想经过井眼轨迹上每一个点作一条铅垂线 所有这些铅垂线构成的曲面称为柱面 将柱面展平 就形成了垂直剖面图 可以反映出真实的井深参数 如 井深 井斜角 垂深 作图简便 第二节轨迹测量及计算 三 轨迹的图示法 第41页 1 水平投影图相当于机械制图中的俯视图 也相当于将井眼轨迹这条空间曲线投影到井口所在的水平面上 图中的坐标为N坐标和E坐标 以井口为坐标原点 所以只要知道一口井轨迹上所有各点的N E坐标值就可以很容易画出该井轨迹的水平投影图 第一节井眼轨迹的基本概念 三 轨迹的图示法 水平投影图 空间井眼轨迹的俯视图 第42页 2 垂直投影图相当于机械制图中的侧视图 即将井眼轨迹这条空间曲线投影到铅垂平面上 图中的坐标为垂深D和视平移V 也是以井口为坐标原点 但是经过井口的铅垂平面有无数个 应该选择那个呢 我国钻井行业标准规定 选择设计方位线所在的那个铅垂平面 这样的垂直投影图与设计的垂直投影图进行比较 可以看出实钻井眼轨迹与设计井眼轨迹的差别 便于指导施工中轨迹控制 显然 只要计算出一口井轨迹上所有各点的垂深和视平移就可以很容易画出该井轨迹的垂直投影图 第一节井眼轨迹的基本概念 三 轨迹的图示法 垂直投影图 将轨迹数据投影到指定的垂直平面内 通常为设计平面 第43页 3 垂直剖面图垂直剖面图的形式原理 参看图5 7 设想经过井眼轨迹上每一个点作一条铅垂线 所有这些铅垂线就构成了一个曲面 这种曲面在数学上称作柱面 此曲面有一个显著的特点 就是可以展平到一个平面上 当此柱面展平时就形成了垂直剖面图 实际的垂直剖面图并不是按照先作柱面然后展平的办法得到 垂直剖面图的两个坐标是垂深D和水平长度上Lp 实际上 只要计算出一口井轨迹上所有各点的垂深和水平长度就可以很容易画出该井轨迹的垂直剖面图 第一节井眼轨迹的基本概念 三 轨迹的图示法 垂直剖面图 柱面展开 沿水平投影面展开空间曲线 其优点是井眼上任一点的井深 井斜角与实际一致 第44页 1 水平投影图投影面 水平面坐标系 以井口为原点 N坐标轴 E坐标轴表达的参数 N坐标值 E坐标值 水平位移S水平长度Lp 闭合距 井斜方位角平移方位角 闭合方位角 三 轨迹的图示法 第一节井眼轨迹的基本概念 第45页 2 垂直投影图投影面 过设计方位线的铅垂面 即井口和目标点所在的铅锤面 坐标系 原点 井口 横坐标 视平移 纵坐标 垂深 表达的参数 垂深D 视平移V 井斜的增减趋势 三 轨迹的图示法 第一节井眼轨迹的基本概念 第46页 3 垂直剖面图垂直剖面 过井眼轴线上各点垂线组成柱面展开图 坐标系 原点 井口 横坐标 水平长度 纵坐标 垂深 表达的参数 垂深D 水平长度Lp 井深 井斜角a 三 轨迹的图示法 第一节井眼轨迹的基本概念 第47页 第一节井眼轨迹的基本概念 三 轨迹的图示法 第48页 第一节井眼轨迹的基本概念 三 轨迹的图示法 第49页 第一节井眼轨迹的基本概念 三 轨迹的图示法 第50页 第一节井眼轨迹的基本概念 三 轨迹的图示法 第51页 第二节轨迹测量及计算 第五章井眼轨道设计与轨迹控制 第52页 目的 掌握井眼轨迹参数的测量 计算 轨迹绘图方法 轨迹测量 在工程术语中称作测斜 1 测斜仪分类 按工作方式分 单点式 多点式 随钻测量 有线 无线 按工作原理分 磁性测斜仪 罗盘 陀螺测斜仪 高速陀螺空间指向恒定 按下井及传输信号方式可分 电缆式和非电缆式按测量井斜角范围分 有0 2 0一6 0 10 0 20 0 30 0 60 0 90 0 120 2 测量内容 井深 井斜角a 方位角 第二节轨迹测量及计算 一 测斜方法及测斜仪简介 第53页 单点测斜仪 通常是用钢丝或电缆从钻柱内送入井下 一次下井只能测一个井深 即靠近钻头 处的参数 费时短 常用于定向和轨迹控制 随钻测斜仪 是随同钻柱一同下入井内 在钻进过程中不断地连续地进行测量 并实时将测量数据传到地面上 可准确地进行轨迹控制 但随钻测斜仪使用费用很高 一般仅用于特殊难度井中 第二节轨迹测量及计算 一 测斜方法及测斜仪简介 第54页 多点测斜仪 即一次下井可记录井眼轨迹上多个井深处的井斜参数 井斜角和井斜方位角 多点测斜仪的下入 在裸眼井中用电缆送入到井底 然后在上提过程中每隔一定长度进行静止测量 并将数据用照相的办法记录在胶片上 提出后进行冲洗阅读 多点测斜仪也可在起钻前从钻柱内投入到靠近钻头处 然后在起钻过程中利用每起一个立柱静止卸扣的时间进行测量和记录 第二节轨迹测量及计算 一 测斜方法及测斜仪简介 第55页 3 磁性多点测斜仪的工作原理仪器内主要由井斜刻度盘 罗盘 十字摆锤 照明和照相系统组成 罗盘的S始终指北 1 井斜角的测量当测斜仪随井眼倾斜时 十字摆锤始终指向重力线方向 重力线与仪器轴线的夹角就是井斜角 由摆锤在井斜刻度盘底片上的位置读取 第二节轨迹测量及计算 一 测斜方法及测斜仪简介 第56页 第二节轨迹测量及计算 一 测斜方法及测斜仪简介 1 Pendulum重锤2 CircularGlass玻璃刻度盘3 Compass罗盘Pressureequalization压力平衡Coverglass护罩玻璃 第57页 2 井斜方位角的测量摆锤所在铅垂线与仪器轴线 井眼方向线 构成井斜铅垂面 该井斜铅垂面与水平面的交线就是井斜方位线 摆锤在罗盘面上的投影位置所在的放射线与罗盘N极之间的夹角即为井斜方位角 注意 在井下 罗盘标志方位与实际地理方位相反 3 井深测量 根据电缆长度或钻柱长度 第二节轨迹测量及计算 一 测斜方法及测斜仪简介 第58页 1 测点编号 测斜自下而上 测点编号自上而下 第一个井斜角不等于零的测点作为第一测点 2 测段编号 自上而下编号 第i 1个点与第i点之间所夹的测段为第i测段 所以 若有n个测点 就有n个测段 每个测段的参数皆以该段的编号作为下标符号 编号从1开始 无0测段 3 第0测点 根据测段编号的方法 第1测段应该是第0测点与第1测点之间所夹的测段 第0测点不是实测的 而是人为规定的 第二节轨迹测量及计算 二 对测斜计算数据的规定 规定当D1 25m时 D0 D1 25 井斜角 0 规定当D1 25m时 D0 0 井斜角 0 第59页 4 若 0 则计算第i测段时 计算第i 1测段时 5 在一个测段内 井斜方位角变化的绝对值不得超过180度 在具体计算时 还要特别注意平均井斜方位角 c的计算方法 第二节轨迹测量及计算 二 对测斜计算数据的规定 第60页 1 计算顺序 计算的目的是算出每个测点的坐标值 从第1个测段开始 逐段向下进行 算出每个测段的坐标增量 累加求得测点的坐标值 第0测点的坐标值已知 第二节轨迹测量及计算 三 轨迹计算的方法 第61页 对于任一测段i来说 在算出该测段的坐标增量之后 即可求得该测段下测点的坐标值 用公式表达为 第二节轨迹测量及计算 三 轨迹计算的方法 第62页 2 计算内容 测点 五个直角坐标值 两个极坐标值 测段 四个坐标增量 井眼曲率3 计算方法的多样性 要计算测段的四个坐标增量 就必须知道测段的几何形状 而测斜只能测上下两点的参数 测段形状未知 计算时只能假设测段形状 假设不同 计算方法不同 第二节轨迹测量及计算 三 轨迹计算的方法 第63页 3 平均角法 适用于手工计算 假设测段是一条直线 该直线的方向是上下两测点处井眼方向的 和方向 矢量和 测段计算公式 第二节轨迹测量及计算 三 轨迹计算的方法 第64页 第二节轨迹测量及计算 三 轨迹计算的方法 第65页 4 校正平均角法 适用于计算机计算 1 圆柱螺线法假设测段形状为一条等变螺旋角的圆柱螺线 其两端与上下两测点处井眼方向相切 在水平投影图上是圆弧 在垂直剖面图上也是圆弧 测段计算公式 第二节轨迹测量及计算 三 轨迹计算的方法 注意 公式中和单位 求三角函数时用度 其他情况用弧度 第66页 2 曲率半径法美国人也曾提出了以圆柱螺旋线为模型的测段参数计算方法 称之为曲率半径法 其计算结果与圆柱螺旋法相同 只是计算公式的表达式不同 曲率半径法测段计算公式 第二节轨迹测量及计算 三 轨迹计算的方法 注意 圆柱螺旋线法与曲率半径法的公式 在分母位置上都有和 单位为弧度 这两个增量中的任意一个或同时为零 都需要另选公式计算 为解决这一问题 提出了校正平均角法 第67页 4 校正平均角法我国钻井行业标准规定使用的方法 校正平均角法 测段计算公式 其中 第二节轨迹测量及计算 三 轨迹计算的方法 注意 以上二式中和的单位为弧度 测段计算公式与平均角公式的形式相似 只是在平均角法的公式基础上乘上校正系数和 因而称之为校正平均角法 第68页 平均角法计算表达式校正平均角法计算表达式 第二节轨迹测量及计算 三 轨迹计算的方法 第69页 将以上几式代入曲率半径法公式 即可得到校正平均角法计算表达式 第二节轨迹测量及计算 三 轨迹计算的方法 第70页 第二节轨迹测量及计算 三 轨迹计算的方法 第71页 第三节直井防斜技术 第五章井眼轨道设计与轨迹控制 第72页 直井防斜技术 直井的轨迹控制 井斜的危害 1 在地质勘探方面 造成地质资料失真 打乱合理的地下井网和开发方案 2 在钻井施工方面 恶化钻柱工作条件 易造成井壁坍塌和卡钻 易造成固井下套管困难和注水泥窜槽 纠斜侧钻增加成本 3 在开发采油方面 影响分层开采 影响修井工作 影响采收率 死油区 第三节直井防斜技术 第73页 井斜的原因有地质因素 钻具因素 井眼扩大 钻压等 井斜的原因 客观因素 地质因素工程因素 不对称切削侧向切削钻头轴线与井眼轴线不重合 第三节直井防斜技术 一 井斜的原因分析 第74页 1 地质因素地层倾斜和地层可钻性不均匀两个方面 1 地层可钻性各向异性因素沉积岩特性 垂直层面方向的可钻性高 平行层面方向的可钻性低 第三节直井防斜技术 一 井斜的原因分析 第75页 1 地层可钻性各向异性因素钻头总是有向着容易钻进的方向前进的趋势 地层倾角小于45度时 钻头偏向垂直地层层面的方向 地层倾角超过60度时 钻头沿着平行地层层面方向下滑 地层倾角在45 60度之间时 井斜方向属不稳定状态 第三节直井防斜技术 一 井斜的原因分析 图5 12地层可钻性的各向异性导致井斜 第76页 2 地层可钻性的纵向变化地层倾斜且软硬交错 钻头偏向垂直地层层面方向 第三节直井防斜技术 一 井斜的原因分析 第77页 2 地层可钻性的纵向变化 第三节直井防斜技术 一 井斜的原因分析 第78页 3 地层可钻性的横向变化垂直于钻头轴线方向上可钻性的变化如 在钻头的一侧下面钻遇溶洞或较疏松的地层 而另一侧则钻遇较致密的地层 第三节直井防斜技术 一 井斜的原因分析 第79页 2 钻具因素主要原因是钻具的倾斜和弯曲 引起钻头倾斜 在井底形成不对称切削 使钻头受侧向力作用 产生侧向切削 第三节直井防斜技术 一 井斜的原因分析 第80页 2 钻具因素 底部钻具组合 BottomHoleAssembly 简称BHA导致钻具倾斜和弯曲的原因 钻具和井眼有一定的空隙 钻压的作用 钻柱受压靠近井壁或发生弯曲 钻具本身的弯曲 转盘安装不平 井架安装不正等 第三节直井防斜技术 一 井斜的原因分析 第81页 3 井眼扩大井眼扩大也是井斜的重要原因 井眼扩大后 钻头可在井眼内左右移动 靠向一侧 也可使受压弯曲的钻柱挠度加大 于是钻头轴线与井眼轴线不重合 导致井斜 第三节直井防斜技术 一 井斜的原因分析 第82页 由钻具引起井斜的原因可归结为 钻头对井底的不对称切削 钻头轴线相对于井眼轴线发生倾斜 钻头上侧力导致对井底的侧向切削 解决这些问题的方法之一是让钻具填满井眼 即 满眼钻具组合基本原理 增大下部钻具的尺寸和刚度 近似 填满井眼 防止钻柱弯曲和倾斜 方法 在下部钻具适当位置上安3 4个扶正器 扶正器尺寸 第三节直井防斜技术 二 满眼钻具组合控制井斜 第83页 YXY组合的结构YXY组合中扶位置的计算满眼钻具组合的使用 第三节直井防斜技术 二 满眼钻具组合控制井斜 第84页 1 YXY组合的结构近钻头扶正器 中扶正器 上扶正器 第四扶正器等 作用 近扶正器 抵抗侧向力 防止侧向切削和不对称切削中扶正器 保证中扶正器和钻头之间的钻具不发生弯曲 其安放位置需要严格计算 上扶正器 保证钻具上至少有三个稳定点与井壁接触 从而保证井眼的直线性 距中扶一个钻铤单根 第四扶正器 增大下部钻柱的刚度 协助中扶防止钻柱弯曲 第三节直井防斜技术 二 满眼钻具组合控制井斜 第85页 2 YXY组合 中扶 位置的计算中扶位置的计算是满眼钻具组合设计的核心 基本物理模型 一端固定 一端铰支的纵横弯曲梁 钻头方向与井眼轴线的偏移角 增大 减小 增大 减小 增大 减小 存在一个最优的可使最小 第三节直井防斜技术 二 满眼钻具组合控制井斜 第86页 根据等截面梁纵横弯曲理论中的挠度计算公式和压杆稳定的临界载荷计算公式 并进行处理求导可得最优位置 中扶距钻头的最优长度 m 扶正器与井眼的半间隙 m 井眼直井 m 扶正器外径 m 钻铤钢材的杨式模量 钻铤的截面的轴惯性矩 钻铤在钻井液中的线重 KN m 允许的最大井斜角 第三节直井防斜技术 二 满眼钻具组合控制井斜 第87页 例题 已知钻头直径216mm 扶正器直径215mm 钻铤钢材杨式模量 钻铤外径178mm 内径71 4mm 钻井液密度 钻铤线重1 6KN m 允许的最大井斜角3度 求中扶距钻头的最优长度 解 根据给定条件 可求得 第三节直井防斜技术 二 满眼钻具组合控制井斜 第88页 3 满眼钻具组合的使用 1 只能控制井眼曲率 不能控制井斜角的大小 不能纠斜只能稳斜 2 以快保满 以满保直 间隙对满眼钻具组合性能够影响显著 设计间隙一般为当间隙达到或超过两倍的设计值时 应及时更换或修复扶正器 在井径扩大井段不适用 要抢在井径扩大以前钻出新的井眼 3 不宜在井眼曲率大的井段使用 防止卡钻 4 在钻进软硬交错时 或倾角较大的地层时 要注意适当减小钻压 勤划眼 以便消除可能出现的 狗腿 5 为了发挥满眼钻具的防斜作用 在钻具上至少要有3个稳定点 即 至少要按3个稳定器 第三节直井防斜技术 二 满眼钻具组合控制井斜 第89页 第三节直井防斜技术 二 满眼钻具组合控制井斜 第90页 1 钟摆钻具组合的原理在下部钻柱的适当位置安装一个扶正器 当发生井斜时 该扶正器支撑在井壁上形成支点 使下部钻柱悬空 则该扶正器以下的钻柱就好像一个钟摆 产生一个钟摆力 钻头在此钟摆力的作用下切削井壁 从而使新钻的井眼不断降斜 第三节直井防斜技术 三 钟摆钻具组合控制井斜 第91页 2 YXY钟摆钻具组合设计钻头上的钟摆力 可产生最大钟摆力的最优扶正器安放位置计算 钻压 KN 井径 m 钻铤直径 m 考虑到扶正器磨损和井径扩大 使用距离比计算距离适当小 第三节直井防斜技术 三 钟摆钻具组合控制井斜 第92页 2 钟摆钻具组合使用 1 多数用于井斜角较大的井纠斜 直井内无防斜作用 2 其性能对钻压特别敏感 钻压增大 则增斜力增大 钟摆力减小 使用时必须严格控制钻压 3 只能使用小钻压 吊打 如果使用大钻压 可能形成新的支点 4 不能有效控制井眼曲率 易形成 狗腿 5 间隙对钟摆钻具组合性能的影响比较明显 第三节直井防斜技术 三 钟摆钻具组合控制井斜 第93页 其它直井防斜技术 1 塔式钻具 钟摆钻具 2 偏心钻铤 形成公转和钟摆力 3 方钻铤 满眼钻具组合 4 钻铤偏心短节 形成钻铤公转 5 微机控制自动垂直钻井系统 VDS 第三节直井防斜技术 三 钟摆钻具组合控制井斜 第94页 第四节定向井井眼轨道设计 第五章井眼轨道设计与轨迹控制 第95页 常规定向井 大斜度井 水平井 上翘井 大位移井 水平位移与垂深之比大于2 0 最大稳斜角 第四节定向井井眼轨道设计 第96页 二维定向井 指设计的轨道都在一个铅垂平面上变化 即设计轨道只有井斜角的变化而无井斜方位角的变化 第四节定向井井眼轨道设计 一 定向井轨道分类 第97页 二维定向井 常规二维定向井 井段形状由直线和圆弧线组成 非常规二维定向井 除直线和圆弧曲线外 还有特殊曲线 如 悬链线 二次抛物线等 第四节定向井井眼轨道设计 一 定向井轨道分类 第98页 三维定向井 指设计的轨道都在三维空间上变化 既有井斜角的变化又有井斜方位角的变化 常用于在地面井口位置与设计目标点之间的铅垂平面内 存在井眼难以通过的障碍物 如 已钻的井眼 盐丘等 设计井需要绕过障碍钻达目标点 三维定向井 纠偏三维定向井绕障三维定向井 第四节定向井井眼轨道设计 一 定向井轨道分类 O 第99页 1 定向井井身剖面设计的原则 1 保证实现钻定向井的目的根据不同的定向井钻井目的对定向井井身剖面进行合理设计例如 裂缝性油藏 横穿裂缝薄油层 大斜度或水平井低渗块状油层 多底井 第四节定向井井眼轨道设计 二 常规二维定向井轨道设计 第100页 救援 目标层位 靶区半径 简单 快速 经济 第四节定向井井眼轨道设计 二 常规二维定向井轨道设计 第101页 落鱼侧钻 避开落鱼 一定水平位移整块油藏 按开发井网布置要求 第四节定向井井眼轨道设计 二 常规二维定向井轨道设计 第102页 地面限制油田所处地面不利于或不充许设置井场钻井或搬家安装受到极大障碍 如 1 英国的北海油田2 中国的塔里木油田 第四节定向井井眼轨道设计 二 常规二维定向井轨道设计 第103页 地下地质条件要求 增产由于地质构造特点 定向井能更有利于发现油藏 增加开发速度 第四节定向井井眼轨道设计 二 常规二维定向井轨道设计 第104页 海上生产集输需要 第四节定向井井眼轨道设计 二 常规二维定向井轨道设计 第105页 2 有利于安全 优质 快速钻井地面条件是确定定向井井位和丛式井平台位置的重要依据 还需考虑交通 采油 油气集输等方面的需要 轨道形状简单 尽量保证较长的直井段 容易实现钻进 尽量减小最大井斜角 以便减小钻井难度 小倾角定向井 中倾角定向井 大于 大倾角定向井 最大井斜角不得小于15度 否则井斜方位不易稳定 第四节定向井井眼轨道设计 二 常规二维定向井轨道设计 第106页 选择合适的造斜点位置 地层 硬度适中 无坍塌 缩径 高压 易漏 深度 根据垂深 水平位移 剖面类型等确定 垂深大 位移小 造斜点应深一些 避免长稳斜段 垂深小 位移大 造斜点应浅一些 减小定向施工工作量 在选择井眼曲率值时 要权衡造斜工具的造斜能力 减小起下钻和下套管的难度和缩短造斜井段的长度 第四节定向井井眼轨道设计 二 常规二维定向井轨道设计 第107页 3 有利于采油工艺的要求 尽量减小井眼曲率 以改善油管和抽油杆的工作条件 尽量以较小井斜角的直井段 斜直或垂直 进入油气层 以利于安装电潜泵 坐封封隔器及其他井下作业 4 尽量利用地层自然造斜规律 方位漂移 减少人工造斜工作量 5 在满足钻井目的的前提下 使剖面尽量简单 斜井段最短 6 斜井段全角变化率要保持均匀 避免急弯 第四节定向井井眼轨道设计 二 常规二维定向井轨道设计 第108页 设计步骤1 收集原始资料 地表限制 地下条件要求 自然造斜规律2 选择井身剖面类型 3 选择造斜点位置 1 地层应稳定 不应是破碎带 漏失 易塌地层 2 地层可钻性均匀 不应有硬夹层 3 满足采油工艺的要求 4 垂深大 水平位移小的井 造斜点应深 5 垂深小 水平位移大的井 造斜点应浅 6 定造斜点时应使斜井段避开方位漂移大的地层或利用方位漂移 第四节定向井井眼轨道设计 二 常规二维定向井轨道设计 第109页 设计步骤4 确定造斜率和降斜率大小造斜率 井下动力钻具 取5 16 100m转盘钻造斜 取4 8 100m降斜率 用钟摆钻具或光钻铤降斜 取6 2 100m最大井斜角 15 45 井眼曲率 控制在5 12 100m 最大不超过16 100m水平井 大曲率半径水平井 造斜率5 16 100m中曲率半径水平井 造斜率6 25 10m小曲率半径水平井 造斜率4 10 m 第四节定向井井眼轨道设计 二 常规二维定向井轨道设计 第110页 设计步骤5 计算剖面上各井段的 L H6 绘出设计的井眼轴线7 核算井眼曲率8 给出误差范围 控制圆柱Controlcylinder 第四节定向井井眼轨道设计 二 常规二维定向井轨道设计 第111页 2 轨道类型三段式多靶三段式五段式双增式 第四节定向井井眼轨道设计 二 常规二维定向井轨道设计 t 第112页 第四节定向井井眼轨道设计 二 常规二维定向井轨道设计 K造斜点b增斜结束点t目标点 b稳斜段井斜角 第113页 3 设计依据的条件由地质 采油部门提供的要求 目标点位置 目标段位置 由钻井工程要求和设计原则确定的数据 造斜点深度井眼曲率 第四节定向井井眼轨道设计 二 常规二维定向井轨道设计 第114页 4 关键参数的计算 1 三段式轨道给定 第四节定向井井眼轨道设计 二 常规二维定向井轨道设计 第115页 第五节定向井造斜工具及轨迹控制 第五章井眼轨道设计与轨迹控制 第116页 造斜 由垂直井段开始钻出一定方位的斜井段的工艺过程 造斜点 开始造斜时的深度 垂直井段开始倾斜的起点 造斜工具 井底动力钻具造斜工具 转盘钻造斜工具 井底动力钻具造斜工具动力钻具 井下马达 涡轮钻具 螺杆钻具 电动钻具 工作特点 在钻进过程中 动力钻具外壳和钻柱不旋转 有利于定向造斜 第五节定向井造斜工具及轨迹控制 一 动力钻具造斜工具 第117页 1 动力钻具造斜工具的形式三种 弯接头 弯外壳 偏心垫块 造斜工具 钻头 直螺杆 弯接头 钻铤钻头 弯外壳 钻铤 一 动力钻具造斜工具 这种结构一方面迫使钻头倾斜 造成对井底的不对称切削 从而改变井眼方向 另一方面井壁迫使弯曲部分伸直 使钻头受到钻柱的弹性力的作用 从而产生侧向切削 改变井眼方向 第五节定向井造斜工具及轨迹控制 第118页 1 弯接头影响造斜率大小的因素 弯角越大 造斜率越大 一般为0 5 2 5度 弯曲点以上的钻柱刚度越大 造斜率越大 弯点至钻头的距离越小且重量越小 造斜率越大 钻速越小 造斜率越高 一 动力钻具造斜工具 弯接头 第五节定向井造斜工具及轨迹控制 第119页 2 弯外壳马达 原理与弯接头类似 3 偏心垫块杠杆原理 垫块作为支点 一 动力钻具造斜工具 其造斜原理与弯接头类似 而且比弯接头的造斜能力更大 在动力钻具壳体的下端一侧加焊一个 垫块 在井斜角较大的倾斜井眼内 通过定向使此垫块处在井壁下侧 形成一个支点 在上部钻柱重力作用下使钻头受到一个杠杆力 从而产生侧向切削 改变井眼方向 显然 垫块的偏心高度越大 则造斜率越大 第五节定向井造斜工具及轨迹控制 第120页 2 涡轮钻具的结构与特性 一 动力钻具造斜工具 第五节定向井造斜工具及轨迹控制 第121页 2 涡轮钻具的结构与特性 1 涡轮钻具各参数之间有以下关系 2 在一定流量下 涡轮钻具的转速随扭矩的减小而增大 在空转时 转速达到最高 一 动力钻具造斜工具 第五节定向井造斜工具及轨迹控制 第122页 3 螺杆钻具的结构与特性 1 螺杆钻具的转数 扭矩 压力降 功率与流量之间的关系 与涡轮钻具相同 2 螺杆钻具的扭矩与压力降成正比 一 动力钻具造斜工具 第五节定向井造斜工具及轨迹控制 第123页 变向器 射流钻头和扶正器组合 1 变向器结构及原理如图 早期造斜工具 现在仅用于套管内开窗侧钻 或不适宜用动力钻具的井内 二 转盘钻造斜工具 第五节定向井造斜工具及轨迹控制 第124页 2 射流钻头钻头上安装1个大喷嘴 2个小喷嘴 大喷嘴射流冲击出斜井眼 二 转盘钻造斜工具 第五节定向井造斜工具及轨迹控制 第125页 3 扶正器钻具组合仅用于有一定斜度的井眼内进行增斜 降斜和稳斜 1 增斜组合 杠杆原理 分为强 中 弱三种增斜组合 钻压越大 造斜能力越大 越长 增斜能力越小 近钻头扶正器直径减小 增斜能力也减小 使用时应保持低转速 二 转盘钻造斜工具 第五节定向井造斜工具及轨迹控制 第126页 二 转盘钻造斜工具 第五节定向井造斜工具及轨迹控制 第127页 2 稳斜组合 刚性满眼钻具原理 分为强 中 弱三种稳斜组合 使用中注意保持正常的钻压和较高的转速 可使用双扶正器串联代替近钻头扶正器增强稳斜效果 二 转盘钻造斜工具 第五节定向井造斜工具及轨迹控制 第128页 3 降斜组合 钟摆原理 分为强 弱两种降斜组合 使用中注意保持小钻压和较低的转速 对于强降斜组合 越长 降斜能力越强 但不能与井壁有新的接触点 二 转盘钻造斜工具 第五节定向井造斜工具及轨迹控制 第129页 二 转盘钻造斜工具 第五节定向井造斜工具及轨迹控制 第130页 二维定向井的设计轨道 1 垂直井段利用防斜打直技术 满眼钻具 钟摆钻具 2 定向造斜段使用动力钻具造斜工具造斜 套管开窗侧钻用变向器 造斜段长度一般以井斜角达到8 10度为准 3 增斜井段一般用动力钻具定向造斜到一定角度 8 10度 后 换用转盘钻利用增斜钻具组合继续增斜 4 稳斜井段尽可能使用转盘钻扶正器钻具组合进行控制 三 定向井轨迹控制的基本方法 第五节定向井造斜工具及轨迹控制 第131页 5 扭方位井段转盘钻扶正器组合不能控制井斜方位 必须利用动力钻具造斜工具扭方位 一口定向井的轨迹控制过程 可分为三个阶段 1 打好垂直井段2 把好定向造斜关 定向造斜3 跟踪控制到靶点 既要保证中靶 又要加快钻速 三 定向井轨迹控制的基本方法 第五节定向井造斜工具及轨迹控制 第132页 定向井的方位控制1 决定是否需要扭方位2 如何扭扭方位计算包括 装置角的计算动力钻具反扭角的计算定向方位角的计算 四 扭方位计算 第五节定向井造斜工具及轨迹控制 第133页 1 装置角的概念定向井的方位控制控制方法 造斜工具的安放方向目的 保证按设计方位造斜 方位变化时进行扭方位 四 扭方位计算 第五节定向井造斜工具及轨迹控制 第134页 井底平面 井底与井眼方向线垂直的平面 井斜铅锤面 过井斜方位线的铅锤面 即井底井眼方向线所在的铅垂平面 高边方向线 井底平面上自井眼低边指向井眼高边的方向线 工具面 造斜工具作用方向线与钻柱轴线构成的平面 弯接头的两条交叉轴线所在的平面 装置角也称工具面角 四 扭方位计算 水平面 工具面 井底平面 高边 低边 第五节定向井造斜工具及轨迹控制 第135页 装置角定义 井斜铅垂面顺时针旋至造斜工具面所转过的角度 井斜铅垂面与造斜工具面之间的夹角 四 扭方位计算 水平面 工具面 井底平面 高边 低边 第五节定向井造斜工具及轨迹控制 第136页 1 装置角的概念OA线称为 高边方向线 C点是钻头中心 OC线称为 装置方位线 以高边方向线为始边 顺时针旋转到装置方向线所转过的角度 称为 造斜工具装置角 用w表示 四 扭方位计算 第五节定向井造斜工具及轨迹控制 第137页 四 扭方位计算 水平面 A B 意义 装置角的变化直接影响井眼井斜的变化 在方位控制中是非常重要的 它决定了新眼是增斜 稳斜 降斜 增方位 稳方位还是减方位 例如同样的弯接头 钻具组合 A增斜 B降斜 第五节定向井造斜工具及轨迹控制 第138页 装置方位角 装置角与井斜方位角之和 以表示 是装置角的两种不同表现形式 称为高边模式工具面角 称为正北 磁北 模式工具面角 是井底平面 斜面 上的角度 不易测量 是水平面上的角度 可以测量 用于定向 在0 360度内变化 顺时针为 逆时针为 四 扭方位计算 1 w w 1 N E 第五节定向井造斜工具及轨迹控制 第139页 3 装置角的计算计算方法有两种 解析法和图解法已知条件 目前井斜角 方位角 欲达井斜角 方位角 工具造斜率 求解内容 造斜工具装置角w 所要钻进井段的长度 四 扭方位计算 第五节定向井造斜工具及轨迹控制 第140页 1 装置角对井斜的影响 锁住转盘 扭方位井段是造斜工具面上的一段园弧 保持装置方位角不变 斜面法扭方位 四 扭方位计算 水平面 A B 第五节定向井造斜工具及轨迹控制 第141页 A 井斜变化式 2 f 1 四 扭方位计算 O 1 第五节定向井造斜工具及轨迹控制 第142页 注意 求w时反余弦的定义域为0 180度 设上述三个公式中 共有7个参数 显然若已知其中四个就可以求另外三个 可根据扭方位的实际情况灵活运用 四 扭方位计算 1 2 A O Z D 第五节定向井造斜工具及轨迹控制 第143页 2 w对井斜角的影响 四 扭方位计算 1 2 A O Z D I II III IV 全增斜 全降斜 近似稳斜90度扭方位 第五节定向井造斜工具及轨迹控制 第144页 2 w对井斜角的影响 四 扭方位计算 180 90 270 0 第五节定向井造斜工具及轨迹控制 第145页 3 装置角对方位的影响 四 扭方位计算 1 2 第五节定向井造斜工具及轨迹控制 第146页 3 装置角对方位的影响 A 方位变化式 f 1 已知 1 求 四 扭方位计算 N 2 1 O Z D 第五节定向井造斜工具及轨迹控制 第147页 3 装置角对方位的影响 B 讨论 装置角变化的影响 一定时 的值随 的变化而变化由可知 装置角绝对值相同 但符号不同 同样可达到相同的终了井斜角 但方位增量符号相反 0o 180o为增方位180o 360o为减方位 四 扭方位计算 N 2 1 O Z D 第五节定向井造斜工具及轨迹控制 第148页 3 装置角对方位的影响 四 扭方位计算 180 90 270 0 第五节定向井造斜工具及轨迹控制 0o 180o为增方位180o 360o为减方位 第149页 四 扭方位计算 增斜增方位降斜增方位降斜减方位增斜减方位 第五节定向井造斜工具及轨迹控制 第150页 变化对方位和井斜的影响规律 四 扭方位计算 180 90 270 0 第五节定向井造斜工具及轨迹控制 第151页 2 图解法 四 扭方位计算 第五节定向井造斜工具及轨迹控制 第152页 1 选择比例尺 用单位线段长度表示单位角度 例如 1厘米代表1度 2 选原点为O 作斜线OQ作为目前井底方位线 在OQ上量取OA 3 以A点为圆心 以为半径画圆 四 扭方位计算 第五节定向井造斜工具及轨迹控制 第153页 4 作线段OB 使 为正时 OB线在OA线下方 为负时 OB线在OA线上方 线段OB交圆于B B 两点 联结AB AB 顺时针是正的 逆进针是负的 5 即为增斜扭方位的装置角 即为降斜扭方位的装置角 6 OB长度 换算成角度 即为增斜扭方位后井斜角OB 长度 换算成角度 即为降斜扭方位后的井斜角 四 扭方位计算 第五节定向井造斜工具及轨迹控制 B B 1 第154页 例题 已知要求扭完方位以后的井斜角为18度 试求装置角w和扭方位的井段长度 解 由解析公式可求得 由图解法可从图中量得 四 扭方位计算 第五节定向井造斜工具及轨迹控制 第155页 例题2 已知要求扭完方位以后的井斜角为18度 试求 装置角w和扭方位的井段长度 解 由解析公式可求得 由图解法可从图中量得 四 扭方位计算 第五节定向井造斜工具及轨迹控制 第156页 图解法求装置角w的原理由图解法的步骤及图示可以看出 根据图示法假设 根据解析基本关系式 且考虑 当和很小时 将图解法与解析基本关系式进行比较可以看出注意 图解法只适用和较小时的情况 四 扭方位计算 第五节定向井造斜工具及轨迹控制 第157页 3 动力钻具反扭角的计算 1 反扭角的概念由于动力钻具反扭矩 使钻柱反时针扭转的角度 称为动力钻具的反扭角 用表示 即在反扭矩作用下紧靠动力钻具处钻柱截面的扭转角 反扭角将使已确定好的装置角减小 造斜工具定向时的方位角称为定向方位角 用表示 四 扭方位计算 第五节定向井造斜工具及轨迹控制 第158页 反扭角示意图 四 扭方位计算 造斜工具定向方位线 造斜工具装置方位线 现井斜方位线 S W 1 n 第五节定向井造斜工具及轨迹控制 第159页 2 影响反扭角的因素反扭矩的大小 钻柱长度 钻柱断面的极惯性矩 钻柱与井壁之间的摩擦力 装置角大小 3 反扭角的计算由于影响因素的不确定性 很难建立计算模式 只能采用资料反算法 工程上计算可采用经验数据法和资料反算法 四 扭方位计算 第五节定向井造斜工具及轨迹控制 第160页 资料反算法步骤 已知条件 求解步骤 1 求试钻井段的狗腿角 2 求试钻井段的实际装置角 注意 当时 取 当时 取 3 求实际反扭角 四 扭方位计算 第五节定向井造斜工具及轨迹控制 第161页 定向 使造斜工具作用方位指向预定方位的工艺 即把造斜工具的工具面摆在预定的定向方位线上定向方法可分为两大类 地面定向法和井下定向法 1 地面定向法 地面摆工具面 造斜工具下井前 地面调整好工具面下井 打印标记 钻杆同一母线两端接头打印 标记 定向下钻 记录每两根钻杆角度偏差 计算总偏差 根据总偏差扭方位 五 造斜工具的定向 第五节定向井造斜工具及轨迹控制 第162页 2 井下定向法井下定向的关键是要知道原井斜方位和工具面方位 1 定向齿刀法 氢氟酸测斜仪 铅模 定向齿刀 氢氟酸液瓶的液面倾斜方向指示井斜方位 铅模上留下的齿刀印痕指示造斜工具的工具面