第3章 定向钻井及定向测量

1、1,第三章 定向井及定向测量,第一节 定向井类型与设计 第二节 定向井测量工具、计算及误差 第三节 定向井制图,2,3,定向井或定向斜井是一种与水平面呈角度小于90度的钻井。 这种井常常为了预定计划而有意地造斜；然而，直井也经常由于微小的旋转和自然的偏离倾向而发生偏斜，与岩石类型和构造有关。,4,水平井最重要的定向井,水平井最早可追溯到1927年，但长期未受重视。 20世纪70年代末，原油价格上涨到35美元/桶，引发了人们关注水平井钻井技术。水平井能够提高油井产能、减少水气锥进、连通天然裂缝，从而改善油井的最终经济效益。 80年代初，法国公司Elf Aquitaine利用水平井开发位于意大利亚

2、得里亚海上Rospo Mare油田碳酸盐岩稠油油藏；一些美国公司也开始钻水平井，缓解新墨西哥州Abo Reef油藏中的水气锥进，并连通俄克拉何马州、堪萨斯州和得克萨斯州裂缝碳酸盐岩油藏中的天然裂缝。,5,法国Elf Aquaitain公司的水平井是指井身剖面很长（井眼水平部分达几千ft）的长半径水平井（造斜率3o/100ft）。采用井下马达旋转钻头钻井，目前仍适于海上油田开发。 第一口中半径水平井钻于1985年，用井下马达钻成。这类井是目前应用最广泛的水平井钻井技术，井身一般长10005000英尺，造斜率30o/100ft。 美国集中研究井身长100-300ft，曲率半径约30ft的短半径水平

3、井。短半径水平井成本较低，对美国和中国的一些低产井极具吸引力。美国一些小规模的石油公司（产量低于10桶/天的枯竭井）仍采用低成本的短半径水平井提高油井产量。,6,大港油田集团公司,1996年，在美国APACHE公司反承包服务中完成的D-2井。,2004年，完成国内最深分支水平井TK908DH井。第一分支完钻井深5234.55m，侧钻点为4250m，水平井段4784.55m5234.55m；第二分支完钻井深5239.88m，开窗点4085.17m，水平井段4739.08m5239.88m。,7,定向井的应用,1990年，大港油田王15-33井井喷。,8,采用定向井技术可以使地面和地下条件受到限制

4、的油气资源得到经济、有效的开发，能够大幅度提高油气产量和降低钻井成本，有利于保护环境，具有显著的经济效益和社会效益。 目前形成了普通定向井、多目标定向井、救援定向井、丛式定向井、水平井、分支井等几十种类型的定向井施工工艺。,9,我们对定向井的主要兴趣集中在将其应用到地下地质制图。,10,第一节 定向井类型与设计,11,一、定向井分类,普通斜井，也称L/J形井。这种井在垂直钻达预定深度后，以一定角度造斜，然后保持到井的最后总深（完井）。 S形井：开始为直井，然后造一个预定的角度，保持到设计深度；再减小角度，并常常是恢复到直井状态。 水平井是通过连续的造偏离角最终达到近水平钻井方位的状态或者是井眼

5、钻进方向与地层倾向小于3o。,3.1 定向井类型与设计,12,造斜点：从垂直井段开始倾斜的起点； 测量深度：指井口至测点间的井眼实际长度，也称斜深； 垂直深度：通过井眼轨迹上某点的水平面到井口的距离；海下垂直深度； 造斜率/井斜变化率：指单位长度内的井斜角度变化情况，常以度/100米表示。 井斜角或称斜角、偏移角、偏离角：测点处的井眼方向线与重力线之间的夹角； 降斜率：斜角减小的速率（度/100米）。常用在“S”形井。 归垂点：井回归垂直线的深度，测量斜深、真垂深和海下真垂深。 井底位置（BHL：Bottom-hole location）：从井口测量的井底的水平坐标与垂直坐标。,3.1 定向井

6、类型与设计,13,造斜点（Kick-off point） 测量深度（measured depth（MD） 垂直深度true vertical depth (TVD) 海下垂直深度subsea true vertical depth (SSTVD) 造斜率（Build Rate） 井斜角（Ramp Angle）,14,降斜率（Drop Rate）（度/100米） 归垂点（Vertical Point）,15,16,二、定向井设计,定向井设计需要许多数据，包括从井口到各个地下目的层的深度、距离；环靶直径（目的层展布）；造斜点；造斜率；平台位置；租赁线；井眼大小；总深等。一般由定向井服务公司完成。

7、定向井设计由两部分组成：剖面图（实钻井眼轴线在设计方位线所在垂直平面上的投影图）、平面图（井眼轨迹投影到井口所在的水平面上的图）。 坐标系统。,3.1 定向井类型与设计,17,KOP 950 ft,造斜率平均为 2度/百英尺,最大斜角 45度30分 4800 ft,18,19,这种图被用在已有构造图之后的设计井的快速估计。以模版所示，目的层的TVD 10000 ft ，离井口的水平距离 4000 ft，则需要钻的定向井偏移角约23度，MD为10800 ft 。,20,井眼轨迹设计及防碰扫描计算软件,21,第二节 定向井测量工具、 计算与误差,定向井在每个测点必须测量三个数据：井斜角、方位角和测

8、量井深，这三项称为井身基本参数，也叫井身三要素。 这些要素是计算地下各点位置的基础。偏移角和偏移距离由安装在钻杆中的测量工具或电缆测量；测深由钻杆或电缆长度确定。 测量工具可分为两种：磁的和无磁的。,22,一、测量工具,磁性单点照相测斜仪 magnetic single shot survey instrument：磁力测斜仪的一种。包括测摆、磁罗盘、定时器、照像机构和电源等主要部分。可测量井斜角、井斜方位角、工具面角。所测数据记录在一张照像底片。一次下井只能拍一张照片，取一组数据。 磁性多点照相测斜仪 magnetic multiple shot surveying instrument：其

9、测量原理与磁性单点测斜仪相同，两者结构相似。不同的是它能在定时器的控制下，每隔一定时间拍一张照片。从而在预定的井段内多次拍照，取得不同井深下的多组井斜和井斜方位数据。,3.2 定向井测量工具、计算与误差,23,陀螺单点照相测斜仪 gyroscopic single shot orientation system：利用陀螺测角原理设计的测量井斜和方位的仪器。当陀螺高速旋转时，其转轴的预定（已知）方向可由陀螺自身的转动惯性保持，从而提供一个测量方向的基准。仪器内设有一个测摆和一个通过万向支架机构与陀螺相连的罗盘。测量时，同磁性单点照相测斜仪一样，由一张照相底片，将测量数据记录下来。适于在磁干扰的环

10、境中测量，用以代替磁性单点照相测斜仪。 陀螺多点照相侧斜仪 gyroscopic multi-shot surveying instrument：一次下井在预定的时间内，取得不同井深的井斜和方位数据的陀螺照相测斜仪器。测量原理同陀螺单点照相测斜仪相同。适于在磁干扰环境中测量。,3.2 定向井测量工具、计算与误差,24,25,二、计算,定向测量三种要素：井斜角、方位角和测量井深。在指定的深度测量这些要素，用来计算一个井的定向测量数据。 定向测量计算有20多种方法，并能提供定向井身任意点的三维位置。较普通的方法有：（1）切线法，由于精度小而不再使用；（2）梯形法，也称平衡切线法；（3）平均角法；（

11、4）曲率半径法和（5）最小曲率法。无论哪一种方法的精度都随着井身的结构而发生变化。,3.2 定向井测量工具、计算与误差,26,平衡正切法 balanced tangential method：假设相邻两测点间的井眼轴线是一条折线，折线的上下两半段长度相等；上半段各点的井斜角和方位角与上测点相同，下半段各点的井斜角和方位角与下测点相同。 平均角法 average angle method：假设相邻两测点间的井眼为一直线，该直线的井斜角和方位角等于两测点井斜角和方位角的算术平均值。,27,曲率半径法 radius of curvature method：认为相邻两测点间的井眼轴线为一空间曲线，该段

12、曲线在其两端点处与上、下两测点处的井眼方向线相切，并且该段曲线在垂直投影面上的投影和在水平投影面上的投影各是一段曲率不变的圆弧。同义词：圆柱螺线法。 最小曲率法 minimum curvature method：假设两测点间的井段是一段斜平面上的圆弧，圆弧在两端点处与上下两测点处的井眼方向线相切。,28,项目 数据 1 井的水下深度 /英尺 2 井的测量深度 /英尺 3 井的垂直深度 /英尺 4 井斜角 5 方位角：以正北方向线为始边，顺时针旋转至方位线 所转过的角度。该方向线是指在水平面上， 方位角可在0360之间变化 6 视平移：水平位移在设计方位线上的投影长度 7 直角坐标系统 8 闭合

13、距：井眼轨迹上某测点至井口垂线的距离；同 义词：水平位移 闭合方位角：真北方位线与水平位移方向之间的夹角 9 狗腿严重度：测量井眼弯曲程度或变化快慢的参数（ 以度/100ft表示）,29,水下深度 测深 垂深 井斜角 方位角 垂直井段 直角坐标 闭合距 闭合方向 偏移强度,狗腿严重度,30,三、误差,测量误差与测量工具的种类、工作状态和程序直接相关。 钻井位置的误差受系统误差控制。垂直误差与深度有关；水平误差与水平位置有关。 磁法和自由陀螺仪测量显示一个潜在的误差范围，由测量设备的质量、操作程序和井身位置引起。注意，井身偏移越多，受位置误差的影响越大。,3.2 定向井测量工具、计算与误差,31

14、,不同测量方法 引起的误差,32,不同测量工具 引起的误差,33,1980年，Tenneco油公司做过一项定向井误差的详细研究：任何定向井都存在35ft以内的垂深和140ft以内的水平测量误差，其可靠性在90以上。这一结论不考虑测深、偏移角和测量类型。 在某些情况下，可以校正测量误差。如存在油水接触时，常被校正到合适位置。选择大多数井的接触面，然后调整少数井的接触面深度。 校正水的深度，同时也向上调整砂体的深度。顺便也解决了原需用断层或渗透率障才能解释的误差。,3.2 定向井测量工具、计算与误差,34,35,第三节 定向井投点制图,测量数据在底图上的投点有两种方法,36,一、简单的直线投点法,唯一所需的、投在底图上的数据是井口位置和BHL。在地面位置和BHL之间用虚线连接。 这种定向井投点制图不能提供地下的井身位置和深度信息；也无助于对断层、构造和等间距图的解释、制图和评价。,3.3 定向井投点制图,37,3.3 定向井投点制图,38,二、详细的定向投点法,只有当定向测量数据的实际投点可以提供井身的侧向位置和水下深度时，这种投点图才有实际意义。 该图可为任一路径处的井身位置和水下深度提供一个平面上的视觉向导；可以节约地下地质制图的时间，并且非常有助于断层、构造和等间距图的解释、制图和评价。,3.3 定向井投点制图