《石油工业概论》教案-井眼轨迹控制

授课章节项目/任务钻井施工过程钻进工程/二次开钻授课方式理论课eq\o\ac(□,√)实践课□理实课□其他□授课次数第次授课内容井眼轨迹控制1监测仪器计划课时2教学目标与要求知识目标：掌握监测仪器的使用；了解监测仪器的类型。能力目标：能正确使用监测仪器。素质目标：能够独立分析问题、解决问题、团队合作。教学重点与难点重点：监测仪器的使用难点：监测仪器的使用处理方法：以案例驱动，激发学生学习兴趣；依据钻井工程设计资料、图片、案例等方法处理重难点问题教学资源多媒体教室、资源库和在线课平台、现场资料和专业技术标准等教学过程主题/任务/活动教学方法/教具时间分配导课案例驱动/现场案例10min监测仪器的类型案例驱动/现场案例30min监测仪器的使用案例驱动/现场案例50min总结讲解10min作业/技能训练分析监测仪器的原理及使用方法。教学评估课前任务评估、课前测验、课堂表现、小组评价、课堂测验、课后作业等。教研室主任签名：年月日教学设计导课：本节课我们学习井眼轨迹控制，井眼轨迹控制是采用各种技术，使钻头沿设计的井眼轨道钻进，井眼轨迹控制是钻井工作中的一项重要工作，对于指导定向钻井施工、减少井下复杂情况、保证井身质量、安全优质钻达目标，有着重要的意义。通过轨迹测量、计算、比较，选择合适的定向钻具组合，优选和调整钻进参数，使井眼沿设计的轨道前进，最终钻达目的层。如何才能对井眼轨迹进行控制呢？这就需要利用专门的测斜仪器，接下来让我了解一下都有哪些测斜仪器吧。一、监测仪器的基本类型无论是钻直井还是钻定向井，都需要使用专门仪器对实钻，井眼轨迹的井深、井斜角和井斜方位角进行监测，并与设计轨道对比，以便采取有效措施，实现井眼轨迹控制的目标。这种测量在钻井工程中称作测斜。测斜所使用的专门仪器称为测斜仪。目前，石油钻井过程中的测量需要借助三种媒介，即大地重力场、大地磁场和天体坐标系，由此根据测量原理不同，产生了与这三种测量媒介有关的测量仪器，如图６－３－１所示。油田现场根据测量用途不同，常把测斜仪器分为单点测斜仪、多点测斜仪和随钻测斜仪三大类。在工作中这三类测斜仪如何选用呢？首先我们来看单、多点测斜仪。二、监测仪器的选用1.电子单、多点测斜仪电子单、多点测斜仪是目前我国石油定向钻井工程中，使用最普遍的一种仪器，大小井眼均可使用，是现场定向人员及工程监督部门，控制井眼轨迹、检验完井井身质量必不可少的工具。（1）电子单、多点测斜仪主要由有以下几部分组成：电子单、多点探管；数据处理连接线；单多点数据处理仪；处理软件；外筒总成（2）单、多点测斜仪的分类：按井眼大小不同可分成大径和小径仪器按井下的温度、压力不同可分成常温型仪器（125℃）高温型仪器（150℃以上）;一般井越深温度、压力越高，就要选用高温高压型仪器。（3）电子单、多点测斜仪的操作要点跟据井眼大小、井下温度、井下压力等参数，合理选择仪器；入井前要对探管进行设置，主要目的是设置延迟时间和测量间隔，同时要清空探管中以前的测量数据，避免和新的测量数据混淆；探管装入保护筒前一定要和地面，计时秒表同时启动，因为时间是确定井深的唯一参照；投测仪器时一定要投到钻杆内,切不可大意投到环空中。注意观察秒表,剩两分钟时，要求司钻把钻具放到井底并静止。静止最少保持到延时结束，且探管能采集两个点以上数据后，再起钻；起钻过程中要准确记录，每次起出一个立柱或单根的起止时间，并同时记录该点的测深；起钻完成后取出探管，观察探管的指示灯情况，关掉探管开关。接下来我们学习随钻测斜仪ＭＷＤ2随钻测斜仪ＭＷＤＭＷＤ适用于实时监测井眼轨迹的几何参数（井斜角、井斜方位角）、定向参数（工具面角）、工艺参数（钻压、转速、泵压等）及地层的物理性质（电阻、倾斜角等）。ＭＷＤ由井下监测部分（各种参数的传感器、输出监测信号等）、信号传输部分（编码器、传送部分、动力部分）、地面接收部分（译码器、计算、显示、存储、打印等）组成。根据测量仪器的结构特点和测量参数的传输方式可分为有线随钻测斜仪和无线随钻测斜仪两大类。（1）有线随钻测斜仪有线随钻测斜仪是一种磁性测斜仪,它可在钻井施工中，实时地测量井斜角、方位角、工具面角钻井工程参数，以及温度、总磁场、总加速度、磁倾角、电压等辅助参数。这种仪器的最大弱点是，在随钻过程中只能进行滑动钻进，不能进行旋转钻进。有线随钻测量仪器主要由两大部分组成：井下仪器、地面仪器及地面辅助设备。井下仪器主要包括：有线探管、电缆头、上、下堵头、抗压筒、加长杆、加重杆、引鞋体等。地面仪器主要包括：专用工控机、司钻显示仪及司钻显示仪通讯线。地面辅助设备主要包括：电缆绞车、高压循环头及天地滑轮等。（2）无线随钻测斜仪其基本原理为：利用重力加速度计，作倾角传感器，用磁通门作方位参数传感器，用集成电路温度传感器，提供井下温度参数。无线随钻测量仪器，井下仪器主要包括：打捞帽、探管、扶正器、电池、驱动部分、脉冲器和限流环。测斜仪在入井之前，预先按定向井工程师，对所采集测量数据的要求，进行特定的模式设置，然后将其，随钻具组合一并下入井内，由钻井液流动作其动力源，测量信号的输出，由钻井液的脉冲波动来完成。在地面井口处，安装脉冲信号接收装置———压力感应器，压力感应器将钻井液脉冲信号，输进地面计算机，再由计算机对此信号进行处理，并将处理过的信息，送至钻台上的司钻读数器及操作间内的操作终端，加以显示、输出。总结：本节课我们重点学习了监测仪器的基本类型、单多点测斜仪的组成、分类及操作要点，同时学习了有线和无线随钻测量的原理和结构。

授课章节项目/任务钻井施工过程钻进工程/二次开钻授课方式理论课eq\o\ac(□,√)实践课□理实课□其他□授课次数第次授课内容井眼轨迹控制1井眼轨迹控制基本方法计划课时2教学目标与要求知识目标：掌握井眼轨迹控制基本方法和装置角相关概念；掌握造斜工具定向。能力目标：能够进行井眼轨迹的控制。素质目标：能够独立分析问题、解决问题、团队合作。教学重点与难点重点：井眼轨迹控制基本方法和装置角相关概念难点：造斜工具定向方法处理方法：以案例驱动，激发学生学习兴趣；依据钻井工程设计资料、图片、案例等方法处理重难点问题教学资源多媒体教室、资源库和在线课平台、现场资料和专业技术标准等教学过程主题/任务/活动教学方法/教具时间分配导课案例驱动/现场案例10min井眼轨迹控制基本方法案例驱动/现场案例20min装置角相关概念案例驱动/现场案例30min造斜工具定向方法案例驱动/现场案例30min总结讲解10min作业/技能训练分析造斜工具定向方法的操作要求。教学评估课前任务评估、课前测验、课堂表现、小组评价、课堂测验、课后作业等。教研室主任签名：年月日教学设计导课：井眼轨迹控制基本方法本节课我们学习井眼轨迹控制基本方法，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。井眼轨迹控制的工作程序为：根据井眼设计轨道，优选钻具组合、优选钻进参数等进行防斜、造斜、稳斜、降斜钻进；在钻进中采用先进的仪器设备，检测井眼轨迹，发现井眼轨迹（井斜角和井斜方位角）偏离设计轨道太远，有可能脱靶时，就要选用相应的仪器设备，采用一定的技术措施，让实钻井眼回到设计轨道上。因此本节课的重点内容为井斜角大小控制、方位角的控制、造斜工具的定向控制。首先我们来看井斜角大小的控制。1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。2井斜方位的控制在实际钻井过程中，由于地质及钻具原因，一口井的井眼轨迹漂移是必然的。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。目前，扭方位有两种方法，一种是利用钻具组合的方位漂移率，来自然扭方位；另一种是利用动力钻具带弯接头强行扭方位。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。接下来我们就学习与装置角有关的概念1）装置角的有关概念（1）工具面和工具弯角：如图６－３－６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。（2）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。（3）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。（4）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。我们已经了解了装置角的概念，那么如何根据装置角，得到方位角呢？2）方位角的确定使用井底动力钻具，带动钻头破碎岩石时，存在一个与钻头转动方向相反的反扭矩，如图3-55所示。在反扭矩作用下，钻柱向钻头转动方向的反方向，产生一个变形，这个扭转変形角度称为动力钻具的反扭角，用φn。表示。反扭角会使已经确定好的装置角减小。为保证装置方位角不变，考虑到动力钻具反扭角的影响，在给造斜工具定向时，不能将工具面对准装置方位线，而应超过装置方位线一个“反扭角”，即对准定向方位线。定向方位线的方位角称为定向方位角，用φs。如图所示，即φs=φ1+ω+φn。在扭方位计算中，我们可以算出造斜工具的定向方位角φs。人在地面上，怎样知道造斜工具在井下的状况呢？我们又是如何把造斜工具的工具面，正好摆在预定的定向方位线上呢？这需要一套定向工艺技术，定向就是把造斜工具的工具面，摆在预定的设计方位线上。接下来我们学习造斜工具的定向方法。3造斜工具的定向1）定向专用工具造斜工具是定向需要的工具，定向接头是现场常用的定向工具。目前国内常用的定向接头有两种：定向直接头和定向弯接头。定向直接头用于，弯壳体螺杆钻具定向钻进，定向弯接头用于，直壳体螺杆钻具定向钻进。（1）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６－３－８所示。（2）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６－３－９所示。2）定向方法定向方法可分为两大类：地面定向法和井下定向法。地面定向法工序复杂，准确性差，目前已经很少采用。井下定向法是先用正常下钻，将造斜工具下到井底，如果实际方位与预定方位不符，也可在地面上通过转盘，将工具面扭到预定的定向方位上。这种方法工序简单、准确性高，但需要一套先进的定向测量仪器。现在国内外使用的井底定向法很多，这里就简单介绍以下几种。1）磁性定向法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。磁性定向的操作步骤：（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。2）随钻测斜仪定向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