钻井工程-12-13-井眼轨道设计与轨迹控制

井眼轨道设计与轨迹控制,中国石油大学（北京）2012年11月15日,钻井工程,井眼轨道：一口井开钻之前，预先设计的井眼轴线形状。直井轨道：过井口的铅垂线定向井轨道：二维定向井：过井口和目标点的铅锤面上的曲线。三维定向井：具有不同曲率的空间曲线。轨道设计：定向井、水平井、侧钻井、大位移井等。井眼轨迹：一口井实际钻成后的井眼轴线形状。轨迹控制：直井防斜打直；特殊工艺井控制井斜和方位，使轨道和轨迹相一致。,第1节定向井井眼轨道设计,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2.0一、定向井轨道分类二维定向井：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。三维定向井：纠偏三维定向井，绕障三维定向井。,最大稳斜角,二、常规二维定向井轨道设计1、设计原则（1）能实现钻定向井的目的（2）有利于安全、优质、快速钻井轨道形状简单，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。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。,选择合适的井眼曲率：小，造斜段长，钻速低；大，摩阻大，起下钻、下套管等作业困难；保持均匀，避免急弯，防止阻卡；保证钻具顺利通过。,起下钻允许的最大曲率，度/100m；动力钻具长度，m；钻头直径，mm；动力钻具直径，mm；安全间隙值，软地层f=0;硬地层f=36mm。,保证下套管顺利及考虑套管的弯曲强度：,下套管允许最大曲率，0/100m；钢材弹性模量，Pa；套管外径，mm；套管钢材屈服极限，Pa；安全系数，1.21.25；丝扣应力集中系数，1.72.5。,（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。,2、轨道类型常规二维定向井轨道有四种类型：,三段式多靶三段式五段式双增式,二维定向井轨道形状,3、设计条件、内容及步骤（1）设计条件由地质、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,（2）设计内容及步骤选择轨道形状：给定，选用三段式；给定，选用五段式或多靶三段式；给定，且较大，用双增式。确定造斜点位置，造斜率，降斜率，第二造斜率；计算关键参数：最大井斜角，稳斜段长度；计算各井段井身参数：绘制垂直剖面图和水平剖面图。,4、轨道的设计计算：以五段式轨道为例，已知：（1）计算关键参数：（如图）,令：,则：,由：,得：,（2）计算各井段参数,增斜段：,稳斜段：,降斜段：,目标段：,5、不同轨道类型的关键参数的计算造斜段井眼曲率半径计算公式：的单位为（1）三段式给定时，计算,（1）三段式给定，计算给定，计算,（2）多靶三段式给定：计算：（倒推设计法）（3）五段式已知条件：中间参数：,（4）双增式给定条件：中间参数：,注意：以上各轨道类型计算公式中所有符号的含义见教材图5-20、5-21、5-22、5-23中的标注，尤其是应注意不同轨道时的和的取值。,6、井段计算及设计结果表示对每个井段计算出段长、垂增、平增三个参数。（1）增斜段（4）双增轨道的第二增斜段（2）稳斜段（5）目标段（3）降斜段,（关键参数）已求出,（已知条件）,第2节定向造斜工具及轨迹控制,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。一、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。,、动力钻具造斜工具的种类三种：弯接头、弯外壳、偏心垫块。（1）弯接头造斜原理：迫使钻头倾斜，造成对井底的不对称切削；井壁迫使弯曲部分伸直，钻柱弹性力使钻头产生侧向切削弯角越大，造斜率越大；一般为0.52.5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。（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。,二、转盘钻造斜工具变向器、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。,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。,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。,增斜钻具组合,（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。,稳斜钻具组合,（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。,降斜钻具组合,三、定向井轨迹控制的基本方法垂直段、造斜段、增斜段、稳斜段、降斜段、扭方位等。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810度为准。3、增斜井段一般用动力钻具定向造斜到一定角度（810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。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。,四、扭方位的计算装置角的计算动力钻具反扭角的计算定向方位角的计算。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。,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。井斜铅锤面：过井斜方位线的铅锤面。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。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0360度内变化，顺时针为“+”，逆时针为“-”,2、装置角与井斜角、方位角的关系（1）基本关系：,（2）w对的影响,全增斜,全降斜,近似稳斜90度扭方位,稳斜扭方位,增斜增方位降斜增方位降斜减方位增斜减方位,3、装置角的计算已知条件：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。（1）解析法,注意：求w时反余弦的定义域为0180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。,（2）图解法（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r为半径画圆。（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。（5）即为增斜扭方位的装置角w，即为降斜扭方位的装置角w。（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。,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：,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：,4、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。,4、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。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。（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，只能采用资料反算法。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：,五、造斜工具的定向定向：使造斜工具作用方位指向预定方位的工艺。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。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方位。,（2）磁铁定向法（双罗盘定向法）双罗盘测斜仪+定向磁铁（安装在无磁钻铤上）上罗盘处在定向磁铁位置，指针标志工具面方位下罗盘远离定向磁铁，指针指向正北方位。（3）定向键法（螺鞋定向法）磁性或陀螺测斜仪+螺鞋（定向鞋）+定向键定向键安装在造斜工具上，其所在母线指示工具面方位。测斜仪螺鞋上的定向槽所在母线与罗盘上的“法线”对齐。测量时，定向槽卡在定向键上，“法线”的方位就是工具面方位。,3、各种定向方法及其使用（1）双罗盘定向仪+定向磁铁需使用无磁钻铤，可用于直井定向和斜井定向。（2）陀螺仪+定向键无需使用无磁钻铤，可用于直井定向和斜井定向。（3）磁罗盘测斜仪+定向键目前使用最多的定向方法。必须使用无磁钻铤，可用于直井定向和斜井定向。（4）氢氟酸测斜仪+定向齿刀只能在斜井内使用，方法比较落后。（5）地面定向法可用于直井定向和斜井定向，方法比较落后。（6）随钻测斜仪+定向键目前最先进的定向方法，可以做到随钻定向。,六、已投入商业运作的导向钻井系统（1）垂直钻井系统（VDS）：德国用于深井及超深井防斜垂直钻井用；（2）自动定向钻井系统（ADD）：美国能源部提出的；（3）自动导向系统（AGS）：美国SteveBell公司研制；（4）旋转导向钻井系统（SRD）：美国CAMCO公司推出；（5）IDEAL和PowerDrive系统：Schlumberger(Anadrill)公司（6）旋转闭环钻井系统（RCLS）：美国BakerHughes公司；,七.地质导向钻井简介地质导向是综合钻井、随钻测井/测斜、地质录井及其他各项参数，实时判断是否钻遇泥岩以及识别泥岩位于井眼的上部还是下部，并及时调整钻头在油层中穿行，具体表现在：1)根据近钻头电阻率和自然伽玛判断钻头处的岩性；2)根据ARC衰减电阻率和相位电阻率差别判断钻头是否接近泥岩；3)根据AND提供的顶密度和底密度判断泥岩位置；4)根据AND提供的顶密度和底密度计算地层倾角；5)根据随钻测井电阻率曲线的极化角现象识别地层界面；6)根据钻时和气体数据，结合岩屑判断钻头处岩性；7)结合扭矩和D指数判断钻头处岩性；8)利用地层韵律性，结合砂岩粒度变化判断井眼位于油层中的位置。,目前国外Schlumberger和BakerHughes公司拥有此项技术。Schlumberger公司(Anadrill)于1993年推出了IDEAL系统之后，又推出了PowerDrive系统：PowerDriveXtra(475,675,900)PowerDriveXceedPowerDriveX5(475,675,825,900,1100)PowerDrivevorteXBakerHughes拥有RCLS(闭环旋转自动导向)系统：AuotTrakRCLSAutoTrakG3RCLS和Navigator系统。但目前只进行高价技术服务而不出售商品工具，已收到巨大经济回报。截止到2004.4.10，INTEQ的AutoTrakRCLS累计进尺超过10,000,000ft，目前每天全球钻井进尺超过8,000ft。,第六节水平井钻井技术简介一、定义：水平井是指井眼轨迹达到水平以后，井眼继续延伸一定长度的定向井，延伸长度要大于油层厚度的六倍。二、水平井的分类：根据从垂直井段向水平井段转弯时的曲率半径大小进行分类。,三、水平井设计程序和框图水平井设计程序和框图是1992年11月由美国石油工程协会和地质家协会、地球物理家协会和测井分析家协会共同开会约定的。该设计内容（如图）是由地质、钻井、采油油藏、成本核算四部分人员共同合作完成的。,Highlysophisticateddirectionaldrillingsystemsareabletoprobebelowthesurfaceevenhorizontallyandforextendeddistancestoreachprospectiveoilandgasreservoirsinlesstimeandwithmorereliability.美国高精度定向钻井系统可以用更少的时间更可靠地探测到地下油气储集层：定向钻井、水平钻井、大位移钻井、爪型（辐射）钻井和多分支钻井。,五、发展和应用,委内瑞拉Petrozuata水平井几何形状,截止2000年为止，美国、加拿大和世界其他国家所钻的水平井数及美国钻机动用情况如图,世界水平井数量统计表,据美国HIS能源集团统计（Janury/Febuary2000PetroMin），截至1999年5月，全世界水平井数量共计20430口,国外水平井技术指标,水平井最大水平段达6118米；水平井最大垂深6062米；水平井最大单井进尺10172米；双侧向水平井总水平段长度达4550.1米（垂深1389.9米）；多分支水平井总水平段长度达到11342米。（注：数据截至2001年）,水平井的新应用,水平井作为注入井，提高产量分支水平井开采多个产层开采老油田剩余油多目标开发产层开采气藏或疏松砂岩油藏水平井资料用于油藏描述薄层油藏、注水剖面修正、持续增产,本章小结一钻井技术发展回顾旋转钻井发展阶段（1）初期阶段（萌芽阶段）19001920年（20年）（2）发展阶段（经验钻井阶段）19201950年（30年）（3）科学化钻井阶段：1950现在（50年）前期阶段19501980（30年）后期阶段1980现在约20年（后期阶段又称现代钻井阶段）,挑战：深水高温高压环境安全E&D效益降低成本,水平井20430口最大水平段达6118米多底井总水平段长度达到11342米大位移井最大位移10728米,先进技术：水平井大位移井多分支井欠平衡钻井地质导向钻井顶部驱动装置膨胀管技术,50s,60s,70s,80s,90s,2000+,二、科学化钻井后期阶段主要技术成果,（1）井下信息实时检测、传输、处理、分析,地层参数钻井参数井眼参数,使用MWD、LWD、SWD、DDS、GST和FEWD等随钻测量技术,（2）开发了井下导向和井下闭环钻井系统,（3）发展了新钻井技术,水平井钻井技术多分支井钻井技术欠平衡压力钻井技术,小井眼钻井技术、连续油管钻井技术,三、现代钻井技术发展趋势,（一）向信息化、智能化方向发展1信息化钻井技术,（1）随钻测量(MWD)（80年代初）,井斜角方位角,与近钻头测斜器（MNB）配合使用,（2）随钻测井(LWD)（80年代中）,地层电阻率体积密度中子孔隙度自然伽马,四参数组合随钻测井仪（实时获得所钻地层岩性及所含流体状况）,（3）随钻地震(SWD)（80年代末）,钻头待钻地层前方岩石