《石油工业概论》课件-项目四：井眼轨迹控制技术

井眼轨迹认识<基本概念>钻井施工技术课程目录CONTENTS基本概念01基本参数02计算参数03图示表示方法04基本概念01基本概念井眼轨道是指一口井开钻前，预先设计出的井眼轴线形状。井眼轨迹是指一口钻成的井的实际井眼轴线形状。实钻井眼轴线总是会偏离设计井眼轴线。在钻井过程中，使实钻轨迹与设计轨道一致，即井眼轨迹控制，始终都是石油钻井施工的重要工艺技术。一类是检测参数，即测斜仪器测得的井深、井斜角、井斜方位角，这三个参数称为井眼轨迹基本参数。另一类是计算参数，是根据检测参数计算出来的其他几何、方位参数，用于描绘轨迹形状。基本参数02基本参数（1）测深：井身轴线上任一点到井口的井身长度，称为该点的测量深度，简称测深，常用字母Ｌ表示。测深通常是用钻柱长度或电缆长度来测量的。测深是测点的标志。井深的增量为井段，以ΔＬ表示。两测点之间的井段称为测段。井深的增量为下测点井深减去上测点井深。（2）井斜角：测点处井眼方向线（切线，指前）与重力线间的夹角，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的部分称为井眼方向线。某测点处的井眼方向线与通过该点的重力线之间的夹角称为该测点处的井斜角。井斜角表示了井眼轨迹在该测点处倾斜的大小。如图所示的αＡ和αＢ。ＡＢ井段的井斜角增量为：Δα＝αＢ－αＡ。上测点AΔL＝OA-OBＯ上测点BＯAＢ基本参数（3）井斜方位角：某测点处的井眼方向线投影到水平面上，称为井斜方位线。以正北方位线为始边，顺时针旋转到井斜方位线所转过的角度称为井斜方位角。凡所讲到的方位线，都是在水平面上，如图所示的φA和φB。AB井段的井斜方位角增量Δφ=φB-φA另外井斜方位角也可用“象限角”表示，指井斜方位线与正北方位线或正南方位线之间的夹角，书写时需注明所在的象限。如图所示，Ｎ３０°Ｅ表示井斜方位角北偏东３０°。ＯＡＢＮＥfAfB风险提示03计算参数03计算参数（1）垂深：测点的垂直深度，是指井身上任一点至井口所在水平面的距离，可在垂直剖面图上反映出真实值。图中DA和DB，AB井段的垂深增量为：ΔD=DB-DA（2）水平长度：简称平长，即测点井深的水平投影长度，是指自井口至测点的井眼长度在水平面上的投影长度。在水平投影图上可反映其真实值，平长以字母ＬＰ表示，平增ΔＬＰ=ＬＰB-ＬＰAＯAＢDBDA计算参数（3）水平位移：简称平移，是指轨迹上某点至井口所在铅垂线的距离，或指井眼轴线某一点在水平面上的投影至井口的距离，也称闭合距。水平位移常以字母S表示，如图所示，Ａ和Ｂ两点的水平位移分别为SＡ和SＢ。（4）平移方位角：指平移方位线所在的方位角，以正北方位线为始边顺时针转到平移线上所转过的角度，常以字母θ表示，如图所示，在水平投影图上可反映其真实值。计算参数（5）Ｎ（北）坐标和Ｅ（东）坐标：轨迹上某点在以井口为原点的水平面坐标系里的坐标值。水平坐标可以有增量，以ΔＮ和ΔＥ表示。（6）视平移：也称投影位移，指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。如图所示，Ａ和Ｂ两点的视平移分别为ＶＡ和ＶＢ。当实钻轨迹与设计轨道偏差很大甚至背道而驰时，视平移可能是负值。计算参数（7）井斜变化率：单位长度井段内井斜角的绝对变化值称为井斜变化率，通常用两测点间井斜角的变化量与两测点间井段的长度之比表示，常用的单位为：（°）／３０ｍ。（9）井眼曲率：井眼曲率是指井眼轨迹曲线的曲率。从一个点到另一个点，井眼钻进方向变化的角度既反映了井斜角的变化，又反映了井斜方位角的变化。人们将此角度称为两点间的全角变化值或称为两点间的“狗腿角”，常以γ来表示。井眼曲率也称为全角变化率，又称狗腿严重度（简称狗腿度），是指单位长度井段内“狗腿角”的大小。井眼曲率以ｋ表示，即：（8）井斜方位变化率：单位长度井段内井斜方位角的绝对变化值，称为井斜方位变化率。通常以两测点间井斜方位角的变化值与两测点间井段长的比值表示，常用的单位为：（°）／３０ｍ。风险提示03图示表示方法04图示表示方法通过测斜仪器测出井眼轨迹的基本参数，经过相应的计算后可以用作图的方式描述井眼轴线形状及方位。井眼轨迹的图示法有两种：一种是垂直投影图与水平投影图相配合；一种是垂直剖面图与水平投影图相配合。不管那种都必须有水平投影图。井眼轨迹认识<定向井相关术语及井眼轨道类型>钻井施工技术课程目录CONTENTS井眼轨道有关术语01定向井轨道类型及特点02定向井的设计思路和基本方法03井眼轨道有关术语01井眼轨道有关术语（1）直井段：设计井斜角为零度的井段，如图Da所示。（2）造斜点：开始定向造斜的位置称为造斜点，也是垂直井段开始倾斜的起点，如图a点所示。（3）增斜段：井斜角随井深增加的井段，也成造斜段，如图ab段。（4）稳斜段：井斜角保持不变的井段，如图bc段。（5）最井大井斜角：最大井斜角有两种不同意义，在定向井的设计剖面中，其增斜段的终点处，井斜角值应该最大；对已完成的实际井眼来说，全井所有各点中，斜角的最大值称为该井的“最大井斜角”；（6）降斜段井斜角随着井深的增加而减小的井段，如图ct段。（7）目标点：由设计确定的定向井目的层的坐标点，通常是以地面井口为坐标原点的空间坐标系标值来表示，如图t点。（9）靶区及靶区半径：包含目标点在内的一个区域称为靶区。在一般油气井中，靶区半径为允许实钻井眼轨迹偏离设计目标点的水平距离，如图R所示，靶区半径的大小，根据勘探开发的需要或钻井的目的而定。（10）靶心距：在靶区平面上，实钻井眼轴线与目标点之间的距离。b最大井斜角αmax

caDat定向井轨道类型及特点02定向井轨道类型及特点根据轨道的不同，定向井可分为二维定向井和三维定向井。二维定向井是指设计的井眼轨道，都在一个铅垂平面上变化，即设计的井眼轨道只有井斜角的变化而无井斜方位角的变化。二维定向井又可分为常规二维定向井和非常规二维定向井。常规二维定向井的井眼轴线形状都是由直线和圆弧组成。非常规二维定向井的井眼轴形状除了直线和圆弧以外，还有某种特殊曲线，例如悬链线，二次抛物线等。说明：在图中画出二次抛物线定向井轨道类型及特点三维定向井是指设计的井眼轨道在三组空间上变化，即既有井斜角的变化又有井斜方角的变化。三维定向井又可分为纠偏三维定向井和绕障三维定向井。三段式、多靶三段式、五段式和双增式，图中的字母a代表造斜点(KOP)，b代表增斜结束点，t代表目标点，c代表五段式的降斜始点或双增式的第二次造斜点，d代表多目标井的目标终点，所有这些点均称关节点。O定向井轨道类型及特点三段式轨道“直—增—稳”的特点：（1）一般适用于造斜点比较浅的井。（2）稳斜段长，有利于快速钻进，一般采用满眼钻具组合。（3）不易发生井下事故，可防键槽。（4）适用于不下中间套管的井。（5）适用于单一油层的中深井、水平位移较大的井。（6）可用于深造斜点的井，在直井段快速钻进。五段式轨道“直—增—稳—降—稳”的特点：（1）一般适用于造斜点比较浅的井。（2）井眼可近似垂直进入油层。（3）适用于多产油层，分层开采的井。（4）需要下中间套管的井。风险提示03定向井的设计思路和基本方法03定向井的设计思路和基本方法定向井井眼轨道的设计思路定向井井眼轨道设计的基本方法目的层油藏地质设计→产量预测→完井方法的确定→目标段的设计→目的层以上的井眼轨道设计→套管设计→井下工具和监测方法的选择→钻头水力参数设计与地面设备的选择→综合经济评价。定向井设计是一个“先地下后地面，自下而上，综合考虑，反复寻优”的过程。此过程涉及大量的分析计算和对比选择，因此一般由计算机来完成。12井眼轨迹控制<基本方法

>钻井施工技术课程目录CONTENTS井眼轨迹控制01井斜角大小的控制02井斜方位的控制03造斜工具的定向04井眼轨迹控制01井眼轨迹控制井眼轨迹控制是对实钻井眼，井斜角大小和方位的控制，目的是使实钻井眼轨迹，沿着预先设计的轨道钻达目标点。定义1.优选钻具组合2.优选钻进参数3.检测井眼轨迹4.控制井眼轨迹工作程序井斜角大小的控制02井斜角大小的控制钻进过程中，通过测斜仪器发现，井斜角出现较大偏差时，就要采用相应的工具和设备，控制井斜角的大小。在钻进过程中使用可变径稳定器，控制和调整井斜角。可变径稳定器结构如图6-3-5所示。通过调整稳定器外径的大小，改变下部钻具的井斜控制能力，从而控制井斜角。井斜方位的控制03井斜方位的控制井斜方位的控制通过对井眼前进方向的预测和监测，在钻井过程中有目的的，采取一些有效的钻井工艺措施，使井眼轨迹尽可能沿着设计目标方向前进，一旦井眼轨迹的漂移量太大，通过预测有脱靶的危险，这时就要强行改变井眼轨迹的前进方向，即扭方位。造斜工具的装置角，在定向井的方位控制中是非常重要的，它决定了使用这个造斜工具，钻出的新井眼是增斜、降斜或是稳斜；是增方位、减方位或是稳方位。1.利用钻具组合的方位漂移率，来自然扭方位；2.利用动力钻具带弯接头强行扭方位。装置角扭方位井斜方位的控制工具面和工具弯角如图所示，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，拐弯处上下两段的轴线间的夹角称为工具弯角。高边和高边方向定向井的井底，是一个呈倾斜状态的圆平面，称为井底圆；井底圆上的最高点称为高边；从井底圆心至高边之间的连线，所指的方向称为高边方向；从正北方向线顺时针转至高边方向，在水平面上的投影所转过的角度称为高边方位角。工具面角造斜工具下到井底以后，工具面所在的角度称为工具面角。它有两种表示方法；高边工具面角和磁工具面角。高边工具面角是以高边方向线为始边，顺时针转到工具面与井底圆平面的交线，所转过的角度；磁工具面角是以正北方向线为始边，顺时针转到工具面与井底圆平面的交线，在水平面上的投影线所转过的角度。装置角如图所示，Ａ点是井底圆上的最高点，ＯＡ线称为“高边方向线”。Ｃ点是钻头中心，ＯＣ线称为“装置方向线”。以高边方向线为始边，顺时针转到装置方向线上，所转过的角度，称为造斜工具的装置角。造斜工具的定向04造斜工具的定向定向直接头的基本结构，包括壳体、定向键套、定向键和定位螺钉，如图所示。定向弯接头的基本结构，包括壳体、扶正套、定向键和定位螺钉，如图所示。定向专用工具井眼轨迹控制磁性定向法是在无磁钻铤上嵌装１～３对磁铁块，每对磁铁的南北极均为１８０°，每对磁铁的纵向距离为２５。４～３８。１ｍｍ。磁铁块的方位就是造斜工具弯曲面的方位。磁性定向法（1）连接井底动力钻具下井，定时向钻具内灌钻井液，下完钻循环钻井液。（2）停泵，用测斜仪器测出造斜工具面的方位角。（3）根据设计方位并考虑钻具的反扭角，转动转盘使造斜工具面方位与设计定向方位一致，然后锁住转盘。（4）下入测斜仪器，测量造斜工具面方位是否符合要求，不符合时要进行调整，直到符合要求后，方可开泵定向钻进。（5）每２０～３０ｍ为一测点，井斜角和方位角都符合要求即可完成定向。磁性定向的操作步骤井眼轨迹控制随钻测斜仪定向:是目前最先进的定向方法。它可以做到随钻定向，即在钻进过程中随时指示出，造斜工具的工具面方位及其变化情况。目前常用的随钻测斜仪定向分为有线和无线两种。有线随钻测斜仪定向的操作步骤:（1）下入定向造斜钻具至造斜点位置。（2）把测斜仪器下入钻杆，使斜口管鞋，座在定向键上，观察电缆拉力及工具面角变化。（3）放松电缆，将手压泵压至１４ＭＰａ后，将电缆卡子卡在液压缸顶部的电缆上。（4）调整工具面，锁住转盘，开泵钻进。（5）钻进过程中，每１０ｍ记录井斜角、方位角、工具面角、钻压、泵压、压差和钻具反扭角；及时调整造斜工具面角。注意判断动力钻具和钻头的工作状况。（6）当井斜角和方位角达到设计要求后，起钻更换下一步钻具组合。无线随钻测斜仪定向操作步骤：（1）把无线随钻测斜仪安装在，下部钻具组合的非磁钻铤里，在井口处测量一次，确保仪器工作正常。（2）下入定向造斜钻具至造斜点，开泵，测量造斜位置的井斜角、方位角和弯接头工具面角。（3）调整工具面，锁住转盘，开泵钻进。（4）钻进过程中，每１０ｍ记录井斜角、方位角、工具面角、钻压、泵压、压差；及时调整造斜工具面角。注意判断动力钻具和钻头的工作状况。（5）当井斜角和方位角达到要求后，起钻更换下一步钻具组合。直井防斜工艺技术钻井施工技术课程目录CONTENTS井斜的原因01直井防斜工艺技术02井斜的原因01井斜的原因1.地层因素的影响（１）倾斜层状地层对井斜的影响在倾斜的层状地层中钻进时，由于在层面交界处的岩石不能长时间支持钻压而趋向沿垂直层面发生破碎，因而井眼下倾一侧的层面上形成小斜台，如图所示。（２）地层的各向异性的影响平行于层理方向的岩石强度大，破碎比较困难，而垂直于层理方向比较容易进行。所以，当钻头在地层中钻进时，就会沿着阻力最小的方向前进，如图所示。（３）岩性软硬交错对井斜的影响即使地层倾角很小，甚至绝对是水平层理的，也会由于岩性的变化、软硬交错而引起井斜。如图所示。井斜的原因2.下部钻柱弯曲对井斜影响下部钻具就是靠近钻头的那部分钻具，称作“底部钻具组合”。下部钻具的弯曲和倾斜将产生两个后果：一是引起钻头偏斜（相对于井眼轴线），在井底形成不对称切削，如图所示（１）钻机安装质量。在安装设备时，天车、游车和转盘三点不在一条铅垂线上，或转盘安装不平而引起钻具一开始就倾斜等。（２）使用了弯钻具。（３）钻压控制不好。（４）井眼扩大。3.其他因素直井防斜工艺技术02直井防斜工艺技术钻直井的两种基本的下部钻具组合是满眼钻具和钟摆钻具。满眼钻具组合一般是由几个外径与钻头直径相近的稳定器（３～５个）与一些外径较大的钻铤组成，用于防斜和稳斜。钟摆钻具组合在钻柱的下部适当位置安放一个扶正器，该扶正器支撑在井壁上，使下部钻柱悬空，从而产生一个钟摆力来降斜。在钻井设计中，应根据地层特性和地质设计对井斜的要求等，作出分井段的井斜控制设计，它包括井段的允许最大全角变化率和最大井斜角。在满足井斜控制标准要求的前提下，一方面力求井斜趋势稳定，避免井斜加剧和频繁的增减变化。另一方面要尽力满足解放钻压的要求，以利于提高钻速。因为地层因素是影响井斜的因素，所以充分了解和掌握所钻地区和井的地层特性是非常重要的，尤其是井斜问题严重的地区，如果忽视这一最基本的因素，往往导致井斜控制的失败，从而造成严重的后果。在做钻井工程设计时，应充分了解各地层倾角大小和岩性状况，各层段造斜能力的大小，这是制定合理的防斜工艺措施的基础。1.充分了解和掌握地层特性3.采用合理的下部钻具组合2.合理的井斜控制计划直井防斜钻具组合钻井施工技术课程目录CONTENTS满眼钻具组合01钟摆钻具组合02塔式钻具组合03满眼钻具组合01满眼钻具组合满眼钻具的防斜原理是使钻头上面的一段钻铤具有尽可能大的刚度和大的直径，使其与井眼保持较小的间隙，以使在钻井过程中受钻压作用时不易弯曲，并保持钻柱始终居于井眼中图满眼钻具的防斜作用心，使钻头轴线与井眼轴线基本一致，迫使钻头沿着原来的井眼方向钻进。这种钻具组合具有“满眼”、“刚性”的结构特点，即其稳定器外径接近井眼尺寸，钻铤外径较大，具有较强的抗弯能力，故能承受较高钻压而变形较小，使钻具组合在井眼内基本居中。为了发挥满眼钻具的防斜作用，在钻具上至少要有三个稳定点，即除靠近钻头有一稳定器外，其上面应再安放两个稳定器才能保持有三点接触井壁。如果只有两点接触，钻具就不能保证井眼的直线性，如图（ａ）所示；如果有三点接触就不会发生这种情况，如图（ｂ）所示。可以通过三点直线性来保持井眼的直线性和限制钻头的横向移动，这就是满眼钻具的基本防斜原理。1.满眼钻具的防斜原理满眼钻具组合

如图所示，包括４个扶正器。近钻头稳定器简称近扶，该扶正器直径较大，与钻头直径仅差１～２ｍｍ。在易斜地区，长度可加长，在特别易斜的地区，可将两个扶正器串联起来，依靠其支撑在尚未扩大的井壁上，抵抗钻头所受的侧向力，有效地防止钻头侧向切削。中扶正器简称中扶，中扶的位置需要经过严格的计算。中扶的直径与近扶相同，作用是保证中扶与钻头之间的钻柱不发生弯曲，使这段钻柱不发生倾斜，从而防止钻头对井底的不对称切削。上扶正器简称上扶或三扶，其安装位置在中扶之上一根钻铤的单根处，上扶的直径一般与近扶和中扶相同。第四扶正器简称四扶，一般情况下可以不安装四扶，仅在特别易斜的地层才装，安装位置在上扶之上一根钻铤单根处。直径要求与上扶相同，上扶与四扶的作用在于增大下部钻柱的刚度，协助中扶防止下部钻柱轴线发生倾斜。2.满眼钻具的设计塔式钻具组合01在已经发生井斜的井内使用满眼钻具组合并不能减小井斜角，只能做到使井斜角的变化很小或不变化。所以满眼钻具组合的功能是控制井眼曲率，而不能控制井斜角的大小。02扶正器与井眼的间隙对满眼钻具组合的性能影响非常显著。在使用时应使间隙尽可能小，同时要考虑扶正器磨损，使间隙将增大。当间隙达到或超过两倍设计值时，应及时更换修复扶正器。03在钻进软硬交错、倾角较大的地层时，要注意适当减小钻压，并要勤划眼，以便消除可能出现的狗腿角。3.满眼钻具的使用注意事项钟摆钻具组合02钟摆钻具组合钟摆钻具原理如图所示，当钟摆摆过一定角度时，在钟摆上就会产生一个向回摆，钟摆钻具示意图的力Ｆ，称为钟摆力。钟摆摆过的角度越大，钟摆力就越大。如果在钻柱的下部适当位置安放一个扶正器，该扶正器支撑在井壁上，使下部钻柱悬空，则该扶正器以下的钻柱就好像一个钟摆，也要产生一个钟