定向井及水平井基础知识介绍

1、定向井及水平井基础知识介绍中国石油吉林油田公司2012年10月提 纲第一部分、定向井基础知识介绍第二部分、水平井基础知识介绍第三部分、现场实际应用情况 定向井技术起源于20世纪初，是美国Eastman公司开展起来的，到20世纪中期，随着国际钻井三大技术(MWD随钻测量技术、高效PDC钻头、长寿命导向螺杆钻具)的应用，得到飞速发展，我国是继美国和前苏联之后，第三个钻水平井的国家，1965年在四川钻成了两口水平井，90年水平井被列入国家“八五”重大科技攻关项目，目前全国各油田已经普遍推广应用。定向井：按照一定目的要求，沿着设计轨道钻达预定目的层位的井。一、定向井技术概述井斜角：井眼轴线上每一点都有

2、自己的井眼前进方向。过井眼轴线上的某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。井斜角常以希腊字母表示，单位为度()。一个测段内井斜角的增量总是下测点井斜角减去上测点井斜角，以表示。 井眼轨迹的基本参数井斜方位角：1. 井眼轴线上每一点，都有其井眼方位线；称为井眼方位线，或井斜方位线。井眼轴线上某点处的井眼方向线投影到水平面上，即为该点的井眼方位线（井斜方位线）2. 井眼轴线投影到水平面上以后，过其上每一点作投影线的切线，该切线向井眼前进方向延伸部分，即

3、为该点的井眼方位线，或称井斜方位线。上述1和2两个定义，是相同的，都是正确的。以正北方位线为始边，顺时针方向旋转到井眼方位线（井斜方位线）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。 井眼轨迹的基本参数井斜方位角常以字母表示，单位为度()。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，以表示。井斜方位角的值可以在0360 范围内变化。注意“方向”与“方位”的区别。方位线则是水平面上的矢量，而方向线乃是空间的矢量。只要讲到方位，方位线，方位角，都是在某个水平面上；而方向，方向线和狗腿角

4、，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指该点井眼方向线在水平面上的投影。在学习扭方位计算时，也要特别注意这个区别。 井眼轨迹的基本参数磁偏角目前广泛使用的磁性测斜仪是以地球磁北方位为基准的。磁北方位与正北分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分位线的东面，西磁偏角指磁北方位线在正北分位线的西面。用磁性测斜仪测得的井斜方位角称为磁方位角，并不是真方位角，需要经过换算求得真方位角。这种换算称为磁偏角校正。换算的方法如下： 不准确的说法：“地北与磁北之间的差值，称为磁偏

5、角”“以地球北极为准，磁北在其右边的为东磁偏角，”真方位角磁方位角东磁偏角真方位角磁方位角西磁偏角 井眼轨迹的基本参数磁偏角地图井眼轨迹的基本参数测斜计算方法主要的七种计算方法可分为三类：曲线法优于直线法和折线法。手算用平均角法，电算用曲线法。动力钻具钻出的井眼用最小曲率法；转盘钻钻出的井眼用圆柱螺线法。我国标准化委员会规定：手算用平均角法，电算用校正平均角法。（校正平均角法与圆柱螺线法的计算值相差非常小，差别在小数点以后第七、八位，有效数字的前8位都是相同的）。井眼轴线形状的图示法投影图表示法 相当于机械制图中的视图表示法，在国外使用广泛。这种图示法包括两张图：一张是水平投影图，相当于俯视图

6、。一张是垂直投影图，相当于侧视图，其投影面选在原设计方位线所在的铅垂平面上(横坐标V，纵坐标D)。 投影图主要用于指导施工。优点：从图上可直接看出，需要增斜还是需要降斜，需要增方位还是需要减方位。也可根据这张图，可以想象出井眼轴线的空间形状。缺点：这种垂直投影图不能反映出井身参数的真实值。 其它井身参数垂直深度：简称垂深，是指轨迹上某点至井口所在水平面的距离。垂深的增量称为垂增。垂深常以字母表示，垂增以表示。 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。平长以字母表示，平增以表示。坐标和坐标：是指轨迹上某

7、点在以井口为原点的水平面坐标系里的坐标值。 其它井身参数水平位移：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。水平位移常以字母表示。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。闭合距与闭合方位：国外将水平位移称作 闭合距(Closure Distance)，将平移方位角称作闭合方位角(Closure Azimuth)。我国现场常特指完钻时的水平位移为闭合距，平移方位角为闭合方位角。 视平移：有人称为投影位移，英文称Vertical Section，视平移可以定义为水平

8、位移在设计方位线上的投影。视平移以字母表示。1、造斜点（KOP）：在定向井中，开始定向造斜的位置叫“造斜点”。通常以开始定向造斜的井深来表示。2、造斜率：表示造斜工具的造斜能力，常用“/100m ”表示。3、井斜变化率：单位井段内井斜角的变化速度称为“井斜变化率”，常用“/30m ”表示。4、方位变化率：单位井段内方位角的变化速度称为“方位变化率”，常用“/30m ”表示。5、全角变化率K（狗腿度）：指的是单位井段内井眼钻进的方向在三维空间内的角度变化，它既包含了井斜角的变化又包含着方位角的变化。常用“/30m ”表示。其它基本概念6、靶点（目标点）：设计规定的、需要钻达的地层位置，称为靶点。

9、7、靶区半径：允许实钻井眼轨迹偏离设计目标点的水平距离，成为靶区半径。8、靶心距：在靶区平面上，实钻井眼轴线与目标点之间的距离，称为靶心距。9、工具面（Tool Face）：在造斜钻具组合中，由弯曲工具的两个轴线所决定的平面，称为工具面。10、工具面角：分为磁边工具面角和高边工具面角；磁边工具面角：以正北方向线为基准；高边工具面角：以井眼方位线为基准。11、反扭角：使用井底马达带弯接头进行定向造斜或扭方位时，动力钻具启动前的工具面与启动后加压钻进时的工具面之间的夹角，称为反扭角。反扭角总是使工具面逆时针转动。其它基本概念（一）常用工具1、井下马达 螺杆、涡轮 单弯、双弯 铰链马达、加长马达、非

10、磁性马达等 其中单弯螺杆钻具应用最多。单弯螺杆钻具的设计是根据弯接头配接普通直马达钻具组合用于造斜的基本原理，按照动力钻具在水平井中的工作要求，在现有直螺杆钻具结构基础上改制而成的。它可以获得较高的造斜率，为达到更好的稳定效果。三、常用工具、仪器动力钻具四、常用工具、仪器工作原理：是一种以钻井液为动力，把液体压力能转为机械能的容积式井下动力钻具。当泥浆泵泵出的泥浆流经旁通阀进入马达，在马达的进出口形成一定的压力差，推动转子绕定子的轴线旋转，并将转速和扭矩通过万向轴和传动轴传递给钻头，从而实现钻井作业。 组成： 旁通阀、液马达、万向轴和传动轴 2、高效钻头四、常用工具、仪器3、弯接头 它是造斜钻

11、具产生侧向力的原因，弯接头壳体上有高边标志线，所谓高边即弯接头的弯曲方向。4、定向接头 其作用是支撑和固定测量仪器，使仪器测出准确的工具面。5、无磁钻铤 无磁钻铤的作用一是避免由于使用钢钻铤对测量仪器产生的影响；二是屏蔽上下钻具及井壁周围的磁场，以保证磁性测量仪器测量结果的准确性。四、常用工具、仪器 6、抗压缩钻杆 在中曲率水平井的造斜段，由于井眼曲率较大，普通钻铤下不去，故在钻柱的承压部分要用特种钻杆。 7、旁通接头或循环头 当测量仪器是有线随钻时，用于实现循环的接头。四、常用工具、仪器（二）常用仪器四、常用工具、仪器单点测斜仪（略） 有线随钻测斜仪无线随钻测斜仪(MWD)随钻测井(LWD)

12、 工作原理： 有线随钻测斜仪井下仪器总成在井下测得井斜、方位、工具面等参数，数据信号通过电缆传输到地面专用机，地面专用机将信号处理、解码，并通过数据线再传到司显，指导随钻人员定向施工；电缆既给井下仪器供电，又用来传输信号。1、有线随钻测斜仪四、常用工具、仪器有线随钻系统电缆绞车四、常用工具、仪器司钻显示器地面专用计算机保护筒探管四、常用工具、仪器优点： （1）信号传输快；施工中可随时观测到井眼轨迹的变化情况； （2）信号传输准确，干扰因素少； （3）可在复杂工况下进行定向施工，不受含砂量、钻井泵、钻井液等因素的影响，可在气体、泡沫钻井中使用； （4）井队可以提前下钻，起钻至旁通接头位置就可以将

13、仪器取出。缺点： （1）电缆施工中容易受到损伤，造成短路或断路，不能传输信号； （2）定向时不能开转盘钻进，若要开转盘，需要将仪器取出； （3）操作相对复杂，准备工作时间长； （4）需要配备专用的电缆绞车，在雨天及路况不好的情况下不能施工。四、常用工具、仪器立管压力时间针阀上升，立管压力升高针阀不动，立管压力稳定MWD泥浆脉冲信号发生原理 井下仪器总成测得井斜、方位、工具面等参数，信号通过泥浆脉冲传输到地面，在立管上安装压力传感器，压力传感器将压力波动信号转化为电信号传到远程数据处理仪（司显），远程数据处理仪将信号进行处理解码的同时，又将信号传给专用数据处理仪。专用数据处理仪对数据信号进行处理

14、解码，同时还要给远程数据处理仪供电，设置远程数据处理仪的各项参数。 2、无线随钻 MWD四、常用工具、仪器MWD地面设备MWD井下设备四、常用工具、仪器MWD泥浆脉冲地面专用计算机远程数据处理器四、常用工具、仪器LWD井下仪器串3、随钻测井LWD四、常用工具、仪器LWD司显卡瓦开关深度传感器泥浆脉冲地面接口箱四、常用工具、仪器泥浆脉冲信号发生原理限流环脉冲发生器四、常用工具、仪器（1）LWD功能及组成随钻地质参数： 双向自然咖玛、电阻率（4种探测深度）、补偿中子孔隙度、岩石密度 定向工程参数： 井斜角、方位角、 磁性工具面、高边工具面角井下仪器工况诊断： 震动传感器、 温度传感器磁参数： 地磁

15、场强度，地磁倾角四、常用工具、仪器地面实时监视界面地质参数曲线（2）随钻测井四、常用工具、仪器 用LWD测井曲线与邻井测井曲线可以进行对比，更准确的划分地层界面、确定标志层深度。（3）用LWD测井曲线确定标志层垂深 用自然伽玛曲线、电阻率曲线，准确的划分出岩性界面。在随钻监测中，结合岩屑录井，分析轨迹是否接近油层，为有效调整轨迹方向提供依据。（4）用LWD曲线划分地层界面、预测到油层的距离（5）LWD曲线变化判别轨迹接近油顶或油底情况 实钻井眼轨迹与油层走向的相对位置发生变化时，自然伽玛和电阻率均有明显的变化，因此，可根据曲线的相对大小及其变化判断井眼轨迹所处位置、预测油层位置。四、常用工具、

16、仪器四、常用工具、仪器 1、带弯螺杆或弯接头的钻具组合 结合随钻测斜仪器，通过滑动钻进方式，完成增降井斜和方位控制，通过复合钻进的方式，实现稳斜钻进。 2、常规扶正器钻具组合 不使用井下动力钻具，通过调整扶正器与钻铤的位置和长度关系，实现在一定斜度的井眼内进行增斜、降斜或稳斜。不能用于造斜。五、定向井轨迹控制 （二）定向井轨迹控制钻具组合 五、定向井轨迹控制类型L1L2L3强增斜组合1.01.8中增斜组合1.01.818.027.0弱增斜组合1.01.89.018.09.0增斜钻具组合的配合尺寸强增斜组合中增斜组合弱增斜组合增斜钻具组合五、定向井轨迹控制稳斜钻具组合稳斜钻具组合的配合尺寸类型L

17、1L2L3L4L5强稳斜组合0.81.24.56.09.09.09.0中稳斜组合1.01.83.06.09.018.09.027.0弱稳斜组合1.01.84.59.0五、定向井轨迹控制类型L1L2强降斜组合9.027.0弱降斜组合0.818.027.0降斜钻具组合的配合尺寸降斜钻具组合（二）定向井轨迹控制的基本方法 二维定向井的设计轨道一般是由四种井段组成：垂直井段、增斜井段、稳斜井段和降斜井段。一口定向井的轨迹控制过程，可分为以下几个阶段： 1、打好垂直井段 通常采用钟摆钻具或塔式钻具组合钻井，严格控制钻压，对于造斜点较深的定向井可以在钻至造斜点50-100米处轻压吊打，控制井斜角，便于下步

18、定向施工。（每100-150米必须进行一次测斜斜) 五、定向井轨迹控制 2、把好定向造斜关 定向角和反扭角的确定：根据垂直井段、井斜、方位、造斜点深度和造斜钻具组合，以及地层影响井眼轨迹的规律，确定定向角和反扭角。 定向方法：单点定向、有线随钻测斜仪定向、无线随钻测斜仪（MWD）定向、陀螺定向。五、定向井轨迹控制 3、转盘增斜井段控制好井斜、方位 按照设计钻井参数钻进、均匀送钻，使井眼曲率变化平缓、轨迹圆滑；测量有关数据，及时跟踪预测，掌握井斜、方位的变化趋势，如增斜率达不到设计要求时，应及时采取措施。 4、稳斜井段控制好降斜率 在方位漂移严重的地层钻进，为了稳定井斜方位，可在钻头上连续接2-

19、3只足尺寸稳定器，加强下部钻具组合的刚性；因地层因素影响，采用稳斜钻具出现降斜趋势时，可用微增钻具组合稳斜。五、定向井轨迹控制 5、降斜井段简化下部钻具组合 降斜段一般接近完井井段，井下扭矩及摩阻较大，为了安全钻进，一般在满足井眼中靶的条件下，简化下部钻具组合，减少钻铤和稳定器的数量，甚至可用加重钻杆代替钻铤。 6、扭方位 由于影响井眼轨迹方位漂移的因素比较复杂，一般应在井斜角较小时调整方位，在中靶的前提下，尽量少扭方位。 7、跟踪控制到靶点 按规定进行测斜，尽可采用复合钻井方式。五、定向井轨迹控制在以下三种情况下，使用动力钻具进行控制： (1)使用转盘钻扶正器组合已难以满足增斜或降斜要求时，

20、改用动力钻具造斜工具进行强力增斜或降斜； (2)转盘钻扶正器组合不能控制方位，而且在钻进中常常出现方位偏差，当井眼方位有较大偏差，有可能造成脱靶时，必须使用动力钻具造斜工具来完成扭方位； (3)为提高钻井速度、提高中靶率和井身质量，进行复合钻进。五、定向井轨迹控制提 纲第一部分、定向井基础知识介绍第二部分、水平井基础知识介绍第三部分、现场实际应用情况水平井定义 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。这里所说的“达到水平”，是指井斜角达到90左右，并非严格的90。这里所说的“延伸一定长度”，一般是在油层里延伸，并且延伸的长度要大于油层厚度的六倍，据研究，只有在油层延伸的长

21、度大于油层厚度的六倍，水平井才有经济效益。 一、水平井技术概述 1、入靶点：是指地质设计规定的目标起始点。2、终止点：是指地质设计规定的目标结束点。3、靶前位移：是指入靶点的水平位移。4、水平段长：入靶点与终止点的轨道长度。5、矩形靶：即纵向为a米,横向为b的长方体。二、水平井的基本概念 （一）水平井基本技术术语6、调整井段：用于施工中调整井眼轨迹的井段。7、倒装钻具组合：在钻大斜度井段和水平段时，为了给钻头加压，将部分重量较轻的钻具放至钻具组合下部，把钻铤、加重钻杆等较重的钻具放至直井段或较小井斜的井段的钻具组合。倒装钻具组合的基本原则：（1）钻铤所处位置井斜角不超过30；（2）加重钻杆所处

22、位置井斜角不超过60。 二、水平井的基本概念 （二）水平井的分类 类别造斜率/(/30m)井眼曲率半径/m水平段长度长半径288602153001700中半径820215852001000中短半径20808520200500短半径301506010100300超短半径特殊转向器0.33060二、水平井的基本概念 水平井的分类二、水平井的基本概念 工艺 类型长半径中半径短半径造斜率8/30m(8-30)/30m(90-300)/30m曲率半径214.9m214.986m19.15.73m井眼尺寸无限制无限制61/4in,43/4in钻井方式转盘钻井或导向钻井系统造斜段：弯外壳马达或Cillige

23、n钻具组合水平段：转盘钻井或导向钻井铰接马达方式转盘钻柔性组合钻杆常规钻杆常规钻杆及加重钻杆27/8in测斜工具无限制有线随钻测斜仪；电子多点测斜仪；MWD柔性有线测斜仪或柔性MWD取芯工具常规工具常规工具岩心筒长1m地面设备可用常规钻机可用常规钻机配备动力水龙头或顶部驱动系统完井方式无限制无限制只限于裸眼及割缝管长、中、短半径水平井的工艺特点二、水平井的基本概念 类型优点缺点长半径穿透油层段长(100m)使用标准的钻具及套管使用常规钻井设备 “狗腿严重度”较小可使用选择性完井方法可用各种人工举升采油工艺测井及取心方便井眼及工具尺寸不受限制井眼轨道控制段最长全井斜深增加钻井费用增加不适用于薄油

24、层及浅油层钻杆扭矩较大套管用量最大三种基本类型水平井的主要优缺点一览表二、水平井的基本概念 类型优点缺点中半径1、进入油层前的无效井段较短2、使用的井下工具接近于常规工具3、造斜段多用于下动力钻具及导向系统钻井，可控性好 4、离构造控制点较近5、可用常规的套管及完井方法6、井下扭矩及阻力较小7、较高及较稳定的造斜率8、井眼控制井段较短9、穿透油层段长(可达1000m)10、井眼尺寸不受限制11、可以测井及取心12、可实现选择性完井方法1、要求使用MWD2、要求使用加重钻杆短半径1、井眼曲线段最短2、容易侧钻3、中靶准确度相对较高4、从一口直井中可以多口水平井分支5、造斜点与油层距离最小6、可用

25、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4、井眼尺寸受到限制5、起下钻次数较多6、要求使用顶部驱动系统或动力水龙头7、井眼方位控制受到限制（三）各类水平井的特点 长半径水平井，可以用常规定向钻井的设备、工具和方法钻成，固井、完井也与常规定向井相同，只是难度增大而已；主要缺点是摩阻力大，起下管柱难度大，此类水平井的数量将越来越少。 中半径水平井，在增斜段均要用弯外壳井下动力钻具进行增斜，使用导向钻井系统控制井眼轨迹；固井完井方法也可与常规定向井相同，只是难度更大；由于中半径水平井摩阻力小，所以目前在已钻水平井中，中半径水平井数量最多。 二、水平井的基本概念 短半径和中短半径水平井，主要用于老井侧钻，死井复活，提高采收率，少数也有打新井的。此类水平井需用特殊的造斜工具，目前有两种钻井系统：柔性旋转钻井系统和井下马达钻井系统；另外完井的困难较大，只能裸眼或下割缝筛管，由于中靶精度高，增产效益显著，此类水平井将越来越多。 超短半径水平井，也被称为径向水平井，仅用于老井