第五章定向井轨迹控制技术

1、第五章 定向井轨迹控制技术5.1 定向井轨迹控制基本原则 通过选择钻具组合，优选和调整钻进参数，使井眼沿预计的轨迹前进，最终钻达目的层，中靶。这是定向井轨迹控制的内容。一个优秀的定向井工程师的追求目标，除了中靶外，还要 钻出良好的井眼轨迹并保证优质、快速钻进。5.2 井底钻具组合的选择和调整 井底钻具组合是轨迹控制的工具。 如何优选井底钻具组合是轨迹控制最重要的内容。 因为 井底钻具组合作用的结果就是井眼轨迹。5.2.1 井底钻具组合的类型根据井底钻具组合的设计目的或作用效果的不同， 可分为以下三类： 即增斜、 降斜和稳斜。 而增斜钻具又可分为马达增斜 (或造斜)和转盘增斜。 所以，实际上常规

2、定向井的最基本钻具组 合有四个，即马达造斜钻具、转盘增斜、转盘降斜和稳斜。下面是 12-1/4 ”井眼中，四套基本钻具组合： 造斜， 12-1/4 ”Bit+9-1/2 ”马达 +1.5 °弯接头 +8”NM· DC(1)+5 ”HWDP(14)预计 BOR=3° /30m 转盘增斜 12-1/4 ”Bit+12-1/4 ”STB+8”NMDC(1)+8”DC(2)+12-1/4 ”STB+8”DC(1)+12-1/4 ”STB+8”DC(5)+5 ”HWDP(20)预计 BOR=2 4°/30m 降斜， 12-1/4 ”Bit+8 ”NMDC(1)+1

3、2-1/4 ”STB+8”DC(1)+12-1/4 ”STB+8”DC(5)+5 ”HWDP(20) 预计 BOR=-(2 3) ° /30m 稳斜，12-1/4 ”Bit+12-1/4 ”STB+8”S· DC(2)+12-1/4 ”STB+8”DC(1)+12-1/4 ”STB+8”DC(5)+5”HWDP(20) 在上述组合中，如需要可加一些配合接头，扰性接头、震击器、键槽破坏器等。 前面已说过，从钻具组合的效果上看，可分为四种基本类型。但是实际井眼轨迹控制时，对钻具组合性能的要求远非如此简单。它还要求钻具组合产生的效果，在幅度上能够控制，这 就是所谓的微增、微降钻具

4、组合，这也是较难掌握的一点。比如说，BOR=±0.3 ° /30m的增斜率或降斜率。拿某一套稳斜钻具 (如上述号 ) 来说，通过调整钻铤、短钻铤的根数和位置、扶正器的位 置和尺寸、或者调整钻进参数，号钻具能变成具有任何性能的钻具，即增斜、稳斜、降斜、 微增、微降。下面是两套微增、微降钻具组合。 微降，12-1/4 ”Bit+S · DC(1)(3m)+12-1/4 ”STB+8”DC(1)+12-1/4 ”STB+8”DC(5)+5 ”HWDP(20) 通过钻压和转速的调整，降斜率范围可达：0.3 0.6 °/30m。 微增，12-1/4 ”Bit+12

5、-1/4 ”STB+8”DC(1)(9m)+12-1/4 ”STB+8”DC(1)12-1/4 ”STB+8”DC(5) 通过钻压的调整，增斜范围可达： 0.3 0.8 ° /30m。另外，通过调整扶正器尺寸，也可得到多种微增、微降钻具组合。5.2.2 井底钻具组合的力学分析 井底钻具组合表现出不同的效果 (如增斜、 降斜、稳斜)是由于不同的钻具组合具有各自的 力学特性。这主要是钻头处产生的侧向力的方向和大小的不同。目前，对钻具组合的力学分析还不完善。一是许多力学分析停留在二维阶段，即只是针对 井斜的变化，或垂直方向的钻头侧向力。而三维的力学分析还做得不够，即对钻头变方位力或 方位变

6、化的研究不够或研究结果不能令人满意。 二是钻具组合的力学分析结果还不能跟井眼轨 迹直接联系起来，也就是说还不能做到完全准确地预测井眼轨迹。有的学者正试图通过以下工作来做到准确的轨迹预测： 通过下部钻具组合的受力变形分析，正确计算钻具的造斜力和变方位力； 通过地层力分析合理确定地层造斜力和变方位力； 确定钻头结构变方位力，考虑钻压，通过迭加计算，即确定钻头上的三维分力； 通过侧向切削模型和轴向钻速模型， 确定侧向切削量和纵向进尺， 即确定三维分位移； 按三维分位移的大小和方向，即可确定合位移 （ 即钻进方向 ） ，从而可预测井斜角和方 位角的数值。但是这项工作还只是处于初级阶段。目前，对钻头组合

7、的纯力学分析已比较令人满意，特 别是二维的分析。目前，国内外已有许多软件可用于钻具组合的力学分析。它们的力学模型或 者力学方法主要有 K·K·Millheim 的有限元法；白家祉的纵横弯曲连续梁法；B· H·Walker的能量法， W·B·Bradley 和 F·J· Fischer 的差分法。其中，白家祉的连续梁法对钻头侧向 力的计算已相当令人满意。我们在选择钻具组合时，应先对钻具组合进行力学分析，求出侧向力，再结合实际经验， 综合地层因素， 预测出轨迹变化趋势， 就可以决定所选择的钻具组合是否符合轨迹控制的要求

8、。5.2.3 调整钻具组合的原则与方式 如果钻头不是按照预定的井眼轨迹前进，就需要在适当的时候，起钻调整钻具组合。调整 钻具的原因有三个：一是井斜不合适；二是方位不合适；三是井斜、方位都不合适。 钻具组合调整一般在稳斜段进行，调整钻具组合时应考虑如下几点： A：确认调整后的钻具入井后，具有预料的性能； B：一般情况下，采用微调的形式，以避免大幅度增斜/ 降斜导致稳斜段狗腿太大；C：尽量争取调整后的钻具能钻较长的井段，以避免反复起下钻调整钻具。一是保证快 速钻进，二是避免波浪形井眼轨迹；D：如果要进行调方位作业 （纠方位 ） ，应考虑使用较小度数的弯接头，避免大狗腿；如 果裸眼井段太长， 还应考

9、虑马达纠斜时的安全性， 考虑是否可以在下完套管后进行纠方位或者 提前在较浅井段进行。总之，调整钻具组合要准确、及时并且全面考虑井身质量和整个钻井作 业。 从调整钻具的目的看，调整钻具组合的方式有两种：一是调方位，这需要下动力钻具 或组装方位变向器；二是调整井斜。用井下马达调方位即下入造斜钻具组合 （弯接头+井下马达 ） 。所谓变向器调方位， 是在转 盘钻组合中，加方位变向器，通过方位变向器的作用在钻头处产生一个横向侧向力，钻头横向 漂移，从而达到增减方位的目的。井斜的调整则较简单。通过对转盘钻具的钻铤根数和位置、扶正器的位置与尺寸的调整 来改变钻具的性能，达到轨迹控制目的。目前，一种被称为导向

10、马达的钻具正在定向井、水平井中广泛使用。其突出优点是：既 能转盘稳斜钻直井段，又能定向造斜。即它同时兼备调整井斜、方位的能力并且不用起下钻调 整钻具。其结构是将普通泥浆马达上外壳做成异向双弯形式，同时在其本身带扶正器。5.3 地层因素对井眼轨迹的影响井眼轨迹是通过钻头与地层的相互作用形成的。很明显，同一套钻具组合在不同的地层 表现出的性能是不一样的， 或者说轨迹方位和井斜的变化率是不一样的， 这是由于不同的地层 因素的影响。地层因素影响可以归到地层力上。目前，对地层力的定量分析，还很不理想。对地层因素对井眼轨迹影响的认识，还只是 定性阶段或半定量阶段。 由于地下情况异常复杂， 地层力的分析目前

11、暂局限于具有一定规律性 的地层， 其目的在于确定出地层反作用在钻头上的侧向力。 在定量分析中至少应考虑以下一些 影响因素： 地层倾角； 地层各向异性； 井眼方位与地层上倾方位之间的夹角； 钻压； 井斜角。此外，转速、钻头类型等也对地层力发生影响。结合地层力分析和钻具三维力学分析， 通过侧向切削模型和轴向钻速模型， 确定三维分位 移，从而预测井眼轨迹。这是理论上轨迹预测的总体思路。勘探院的苏义脑博士在这方面做了 一些研究， 但预测结果只是动力钻具造斜部分。 而最关键的转盘钻具组合的轨迹预测以及如何 利用和控制地层因素影响等方面的工作还有待下一步进行。 下面就地层因素的几个方面说明它 们对井眼轨迹的影响。 通过软、硬交错的地层，通常钻头倾向于垂直地层层面钻进； 如果层状地层倾角大于 45 °，通常钻头倾向与地层层面钻进； 如果预计钻进方向同于地层上倾方向，方位将按钻头自然漂移趋势漂移，而井斜将增 加很快；如果预计钻进方向在地层上倾方向的左边，钻头将向右漂移；如果预计钻进方向在地 层上倾方向的右边，钻头将向左漂移。 一般来说，上部地层倾角不大，比较疏松，方位漂移不大；而下部地层有一定倾角， 且结构致密，方位漂移较大。钻头钻遇砾石层，方位漂移较严重。总而言之，