中国石油大学钻井工程第五章+井眼轨道设计与轨迹控制张辉

1、概 述 井眼轨道：一口井开钻之前，预先设计的井眼轴线形状。 直井轨道：过井口的铅垂线 定向井轨道：（两维、三维） 轨道设计：定向井、水平井、侧钻井、大位移井等。 井眼轨迹：一口井实际钻成后的井眼轴线形状。 轨迹控制： 直井防斜打直； 特殊工艺井控制井斜和方位，使轨道和轨迹相一致。,直井用途：油田开发和勘探。有井斜限制要求。 定向井用途： 1、地面环境条件的限制(绕开地面障碍) 高山、湖泊、沼泽、河流、沟壑、海洋、农田或重要的建筑物等。 2、地下地质条件的要求 断层遮挡油藏、薄油层、倾角较大的地层钻进等。 3、处理井下事故的特殊手段 井下落物侧钻、打救援井等。 4、提高油藏采收率的手段（水平井）

2、 钻穿多套油气层、老井侧钻等。 5、减小地面井场占用面积,节省投资（丛式井、多底井）,水平井,侧钻,救援井,多底井,丛式井,第一节 井眼轨迹的基本概念,轨迹的图示方法 轨迹的基本参数 轨迹的计算参数,一、轨迹的图示方法,垂直剖面图：经过井眼轨迹上每一个点作一条铅垂线，这些铅垂线构成了一个曲面，称为柱面。将此柱面展开到一个平面上，就形成了垂直剖面图。,水平投影图：俯视图。将井眼轨迹这条空间曲线投影到井口所在的水平面上，形成水平投影图。,实钻井眼轨迹是一条空间曲线，可以有不同的表示方法。,1. 三维坐标法：X、Y、Z,2. 柱面图示法：垂直剖面图 （柱面展开图） + 水平投影图,该方法可反映出真实

3、的井深参数，如： 井深、井斜角、垂深 作图简便,垂直剖面图： 井口为坐标原点 纵坐标：垂深 D 横坐标：水平位移 Lp 水平投影图： 井口为坐标原点 纵坐标：N坐标 横坐标：E坐标,一、轨迹的图示方法,3. 投影图示法：垂直投影图 + 水平投影图,该方法不能反映出真实的井深和井斜角。,坐标原点：井口 横坐标：视平移 V 纵坐标：垂深 D,水平投影图：同上。,垂直投影图：侧视图。将井眼轨迹这条空间曲线投影到设计方位线所在的铅垂面（即：井口和目标点所在的铅锤面）。,柱面图示法应用最广,井深、井斜角和井斜方位角轨迹的三个基本参数 （1）井深（斜深、测深） 定义：井口（通常以转盘面为基准）至测点的轨迹

4、长度。 以字母 表示 ，单位为米（m）。 井深增量（井段长度）：下测点井深与上测点井深之差。 以 表示。,二、轨迹的基本参数,（2） 井斜角 （ ） 指井眼方向线与重力线之间的夹角。单位为 （ ）,井眼方向线： 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延伸的部分称为井眼方向线。 井斜角增量（）： 下测点井斜角与上测点井斜角之差。,(3) 井斜方位角（方位角） 在水平投影图上，以正北方位线为始边，顺时针方向旋转到井眼方位线上所转过的角度。 井眼方位线（井斜方位线）： 某测点处的井眼方向线在水平面上的投影。 井斜方位角增量： 上下测点的井斜方位角之差。,井斜方位角的变化范围：,井斜

5、方位角的另一种表示方式： 象限角：指井眼方位线与正北方位线或与正南方位线之间的夹角。 象限角的变化范围： 之间。,磁性测斜仪以地球磁北方位为基准。 磁偏角： 磁北方位与正北方位之间的夹角。 磁偏角校正： 真方位角= 磁方位角 + 东磁偏角 真方位角= 磁方位角 - 西磁偏角,磁性测斜仪测得,东磁偏角：磁北方位线在正北方位线的东面。 西磁偏角：磁北方位线在正北方位线的西面。,地球磁北方位线,磁方位角,东磁偏角,正北方向,（1）垂直深度 D （垂深） 轨迹上某点至井口所在水平面的垂直距离。 （2）水平位移 Lp（平移）,三、轨迹的计算参数,轨迹上某点至井口所在铅垂线的水平距离，（或：在水平投影面上

6、，轨迹上某点至井口的直线距离SA）。,（3）平移方位角 平移方位线所在的方位角。 平移方位线：在水平投影面上，井口至轨迹上某点的连线。 国外：将平移方位角称作闭合方位角。 国内：指完钻时的平移方位角为闭合方位角。 （4）视平移 V：水平位移在设计方位线上的投影长度。,三、轨迹的计算参数,（5）水平投影长度（水平长度、平长） ： 井眼轨迹上某点至井口的轨迹长度在水平面上的投影，即井深在水平面上的投影长度。 （6）N坐标和E坐标： 井口为原点 南北坐标轴，以正北方向为正 东西坐标轴，以正东方向为正,测深m：井口至井眼某点的轨迹长度。,垂深：井眼轴线上某测点至井口的垂直距离。,井斜角i ：井眼轴线的

7、切线与铅垂线的夹角。,方位角 ：井眼轴线在水平面上的投影的切线与正北方向的夹角。,井底平移方位角h （ 闭合方位角）：从正北方向顺时针转至井口与井底的水平投影连线的夹角。,井底水平位移（闭合距）：在水平投影图上，井底至井口的直线距离。,D完钻井底,指单位井眼长度内井眼全角的变化值，通常也叫狗腿严重度。（也称“全角变化率”）。,狗腿角，度,(7) 井眼曲率K：井眼轨迹曲线的曲率。,狗腿角：上下二测点的两条方向线之间的夹角（空间夹角）。,Lubinski公式：,井段长度，m,度/30m,该测段的狗腿角，（ ）； 该测段的平均井眼曲率，（ ）/30m ; 该测段的平均井斜角， （ ）,我国钻井行业标

8、准计算公式：,井眼轨迹的三大基本要素：井深、井斜角、方位角 计算参数重点掌握：垂深、水平位移、井眼曲率,第二节 轨迹测量与计算 一、测斜方法及测斜仪简介 1、测斜仪分类： 按工作方式分：单点式、多点式、随钻测斜仪 单点式测斜仪：用电缆从钻柱内送入井下，一次下井只能测一个井 深（靠近钻头）处的参数。 多点式测斜仪：一次下井能记录井眼轨迹上多个井深处的井斜参数。 随钻测斜仪：随同钻柱一起下入井内，在钻进过程中不断连续地测 量，并实时将数据传到地面，可准确地进行轨迹控制。 按工作原理分：磁性测斜仪（罗盘） 陀螺测斜仪（高速陀螺空间指向恒定）,2、测量内容： 井深 、井斜角 a 、方位角,3、磁性测斜

9、仪的工作原理 仪器内主要由井斜刻度盘、 罗盘、十字摆锤、照明和照 相系统组成，罗盘的S始终指 北。 （1）井斜角的测量 当测斜仪随井眼倾斜时，十字 摆锤始终指向重力线方向，重力线 与仪器轴线的夹角就是井斜角，由 摆锤在井斜刻度盘底片上的位置读 取。,1. Pendulum 2. Circular Glass 3. Compass 4. Pressure equalization 5. Cover glass,（2）方位角的测量 摆锤所在铅垂线与仪器轴线(井 眼方向线)构成井斜铅垂面，该井 斜铅垂面与水平面的交线就是井斜 方位线。摆锤在罗盘面上的投影位 置所在的放射线与罗盘N极之间的 夹角即为

10、井斜方位角 。 （3）井深测量： 根据电缆长度或钻柱长度。,4、Principles of MWD,随钻测量(Measurement While Drilling)是在钻井过程中进行井下信息的实时测量和上传的技术的简称(MWD)。 通常意义的MWD仪器系统，主要限于对工程参数(井斜，方位，工具面)的测量。 由井下部分(脉冲发生器，驱动电路,定向测量探管，井下控制器，电源等)和地面部分(地面传感器，地面信息处理和控制系统)组成，以钻井液作为信息传输介质。脉冲发生器有正脉冲、负脉冲和连续脉冲三种，井下电源可分为电池和井下涡轮发电机两类。 它是一种测量仪器，而无直接导向钻进的功能。,4、Princi

11、ples of MWD,Components of MWD,Downhole equipments Electronics and batteries Pulser Surface equipments Transducer Surface processing units,MWD Tools Sensors,accelerators and magnetometers along three orthogonal axes,Accelerometers measure components of the Earths gravitational filed magnetometers mea

12、sure components of the Earths magnetic filed By measuring the orientation and direction, the inclination,azimuth and toolface can be determined,二、对测斜计算数据的规定,1、测点编号： 测斜自下而上进行，测点编号自上而下进行编号。第一 个井斜角不等于零的测点作为第一测点。 2、测段编号：自上而下编号，第 i-1 个点与第 i 点之间所夹的测段为 第 i 测段。N 个测点有 N 个测段。 3、 第0 测点： 不是实测的，而是人为规定的。 当第 1 测点的

13、井深大于25 m 时，规定第0 测点的井深比 第 1 测点的井深小于25m ,且规定井斜角为零； 当第 1 测点井深小于 或等于25 m 时，规定第0 测点的井 深和井斜角均为零。,4、若 =0 ，则计算第 i 测段时， ，计算第 i+1 测段时， 5、在一个测段内，井斜方位角变化的绝对值不得超过 180度。还要注意平均方位角的计算方法。,1、计算顺序：计算目的是算出每个测点的坐标值； 从第1 个测段开始，逐段向下进行 算出每个测段的坐标增量；累加求得测点的坐标值。 第0 测点的坐标值已知（垂深、水平位移、N、E），,三、轨迹计算方法,2、计算内容 测点：五个直角坐标值（ ） 两个极坐标值（

14、） 测段：四个坐标增量（ ） 井眼曲率,3、计算方法的多样性（20多种） 要计算测段的四个坐标增量，就必须知道测段的几何形状。而测斜只能测上下两点的参数，测段形状未知，计算时只能假设测段形状，假设不同，计算方法不同。,4、计算方法： （1）平均角法：假设测段是一条直线；该直线的方向是 上下两测点处井眼方向的“和方向”（矢量和）。,测段计算公式：,（2）圆柱螺线法 假设测段形状为一条圆柱螺线；在水平投影图上是圆弧，在垂直剖面图上也是圆弧。（郑基英教授提出）,注意：公式中 和 单位，求三角函数时用度，其他情况用弧度。,计算公式：,（3）曲率半径法 美国人也曾提出了以圆柱螺旋线为模型的测段参数计算方

15、法，称之为曲率半径法，其计算结果与圆柱螺旋法相同，只是计算公式的表达式不同。 曲率半径法测段计算公式：,注意：圆柱螺旋线法与曲率半径法的公式，在分母位置上都有 和 （单位为弧度）。这两个增量中的任意一个或同时为零，都需要另选公式计算，为解决这一问题，提出了校正平均角法。,（4）校正平均角法 我国钻井行业标准规定使用的方法（校正平均角法）。 测段计算公式：,其中：,注意：以上二式中 和 的单位为弧度。 测段计算公式与平均角法公式的形式相似，只是在平均角法的公式基础上乘上校正系数 和 ，因而称之为校正平均角法。,关于校正平均角法的推导： 在曲率半径的基础上，进行三角变换：,将三角函数用幂级数表示：

16、 取：,将以上公式代入曲率半径法公式，即可得到校正平均角法计算表达式：,第三节 定向井井眼轨道设计,常规定向井： 大斜度井： 水平井： 上翘井： 大位移井： 水平位移与垂深之比大于 2.0,最大稳斜角,第三节 定向井井眼轨道设计,一、定向井轨道分类,三维定向井：井斜角、方位角均变化。,纠偏三维定向井 绕障三维定向井,二维定向井： 设计轨道只有井斜角变化，无方位角变化。,常规二维定向井：井段形状由直线和圆弧线组成。 非常规二维定向井：除直线和圆弧曲线外，还有特殊曲线，如： 悬链线、二次抛物线等。,二、常规二维定向井轨道设计 1、设计原则 （1）能实现钻定向井的目的 （2）有利于安全、优质、快速钻

17、井 轨道形状简单，尽量保证较长的直井段，容易实现钻进 尽量减小最大井斜角，以便减小钻井难度 选择合适的造斜点位置 地层：硬度适中，无坍塌、缩径、高压、易漏。 深度：根据垂深、水平位移、剖面类型等确定。 垂深大、位移小、造斜点应深一些，避免长稳斜段； 垂深小、位移大、造斜点应浅一些，减小定向施工工作量。,选择合适的井眼曲率 小，造斜段长，钻速低； 大，摩阻大， 起下钻、下套管等作业困难； 保持 均匀，避免急弯，防止阻卡； 保证钻具顺利通过。,起下钻允许的最大曲率，度/100m ； 动力钻具长度，m ； 钻头直径，mm ； 动力钻具直径，mm ； 安全间隙值，软地层 f =0 ; 硬地层 f =

18、36 mm 。, 保证下套管顺利及考虑套管的弯曲强度,下套管允许最大曲率，0/100m； 钢材弹性模量，Pa ； 套管外径， mm ； 套管钢材屈服极限， Pa ； 安全系数，1.21.25 ； 丝扣应力集中系数， 1.72.5 。,（3）有利于采油工艺的要求 尽量减小井眼曲率，以改善油管和抽油杆的工作条件。 尽量以较小井斜角进入油气层，以利于安装电潜泵，坐 封封隔器及其他井下作业。,2、轨道类型,轨道有四种基本段： 垂直段、增斜段、稳斜段、降斜段,轨道有四种类型： 三段式、多靶三段式、五段式、双增式,K：造斜点 b：增斜结束点 t：目标点 c：五段式的降斜始点 或双增式的第二造斜点 d：多目

19、标井的目标终点,图中各符号含义见课本P188,t,（1）设计条件 由地质、采油部门提供的要求： 目标点位置：垂深、水平位移、设计方位角 目标段位置： 目标段长度、目标段的井斜角 由钻井工程要求和设计原则确定的数据： 造斜点深度： 井眼曲率：,3、设计条件、内容及步骤,（2）设计内容及步骤 选择轨道形状： 给定 ，选用三段式； 给定 ，选用五段式或多靶三段式； 给定 ，且 较大，用双增式。 确定造斜点位置 ，造斜率 ，降斜率 ， 第二 造斜率 ； 计算关键参数：稳斜段井斜角 ，稳斜段长度 ； 计算各井段井身参数： 绘制垂直剖面图和水平剖面图。,4、轨道的设计计算：以五段式轨道为例 已知：,（1）

20、计算关键参数：,s,o,度/30m,m,蓝色标注角等于 红色标注角等于 黑色标注角等于,根据问题的意义取减号,已知：,蓝色标注角等于 红色标注角等于 黑色标注角等于,求解稳斜段长度,j,m,（2）计算各井段参数,增斜段：,稳斜段：,降斜段：,目标段：,垂深增量,水平位移增量,测深增量,（1）三段式 给定 时，计算,5、不同轨道类型的关键参数的计算,课下感兴趣的同学推导此式。, 给定 ，计算 给定 ， 计算,（2）多靶三段式 给定： 计算： （ 倒推设计法 ） （3）五段式 已知条件： 中间参数：,（4）双增式 给定条件： 中间参数：,注意：以上各轨道类型计算公式中所有符号的含义见教 材图5-2

21、0、5-21、5-22、5-23 中的标注，尤其是 应注意不同轨道时的 和 的取值。,6 、井段计算及设计结果表示 对每个井段计算出段长、垂增、平增三个参数。 （1）增斜段 （4）双增轨道的第二增斜段 （2）稳斜段 （5）目标段 （3）降斜段,（关键参数）已求出,（已知条件）,例5-4 课本P191,最好给出下表结果（三维设计时，需计算表中其它参数）,作业,P211习题 1 35（只做第2测段的数据，写步骤，最后列结果表） 37 （只做第2、3测点，写步骤，且只用校正平均角法计 算，最后列结果表） 41（垂深改为1800米，写步骤，最后列结果表）,第四节 直井防斜技术 井斜的危害： 1、在地质

22、勘探方面：造成地质资料失真，打乱合理的 地下 井网和开发方案。 2、在钻井施工方面：恶化钻柱工作条件，易造成井壁 坍塌和卡钻，易造成固井下套管困难和注水泥窜 槽，纠斜侧钻增加成本。 3、在开发采油方面： 影响分层开采，影响修井工作， 影响采收率（死油区）。,一、井斜的原因 地质因素、钻具因素、井眼扩大、钻压等。 1、地质因素 地层倾斜和地层可钻性不均匀两个方面 （1）地层可钻性各向异性因素 沉积岩特性：垂直层面方向的可钻性高，平行层面方向的可钻性低。 钻头总是有向着容易钻进的方向前进的趋势。地层倾角小于 45度时，钻头偏向垂直地层层面的方向。地层倾角超过60度时，钻头沿着平行地层层面方向下滑，

23、地层倾角在4560度之间时，井斜方向属不稳定状态。,图 512 地层可钻性的各向异性导致井斜,（2）地层可钻性的纵向变化 地层倾斜且软硬交错，钻头偏向垂直地层层面方向,钻头在上倾侧先接触到硬岩石，在下倾侧仍为软岩石。这样在钻压作用下，由于上倾侧岩石的硬度大，可钻性差，钻头吃入地层少，钻速慢，而在下倾侧，可钻性好，吃入地层多，钻速快，因此，井眼向上倾侧偏斜。,（2）地层可钻性的纵向变化 地层倾斜且软硬交错，钻头偏向垂直地层层面方向,开始时由于钻头在软地层一侧吃入多，钻速快，而在硬地层一侧吃入少，钻速慢，井眼有向地层下倾方向倾斜的趋势。,（3）地层可钻性的横向变化 垂直于钻头轴线方向上可钻性的变化

24、 如：在钻头的一侧下面钻遇溶洞或较疏松的地层，而另一侧则钻遇较致密的地层。,2、钻具因素 主要原因是钻具的倾斜和弯曲： 引起钻头倾斜，造成钻头受力不平衡，在井底形成不对称切削； 使钻头受侧向力作用，产生侧向切削。,导致钻具倾斜和弯曲的原因（主要是BHA，底部钻具组合，Bottom Hole Assembly）： 钻具和井眼有一定的间隙 钻压的作用，钻柱受压靠近井壁或发生弯曲 （“轻压吊打”） 钻具本身的弯曲，转盘安装不平、井架安装不正等。 3、井眼扩大 钻头在井眼内左右移动，靠向一侧，钻头轴线与井眼轴线不重合，导致井斜。,井斜原因,客观因素：地质因素 地层几何产状(地层倾斜) 地层可钻性各向异

25、性 地层可钻性纵向、横向变化,主观因素：钻具因素（钻具倾斜和弯曲） 钻具与井眼有一定的间隙 钻进措施不当（钻压） 井眼扩大 钻具本身弯曲，转盘安装不平、井架安装不正等,井斜本质：两种因素均导致钻头在井底形成不对称切削。,可钻性不均匀性,地质因素：客观因素，不可改变的。 主观因素可人为控制，设计了多种防斜钻具组合。,钻具引起井斜的主要原因：是钻具的倾斜和弯曲。,二、满眼钻具组合控制井斜,解决方法之一是让钻具填满井眼，即：满眼钻具组合。 基本原理： 增大下部钻具的尺寸和刚度，近似“填满井眼”，防止 钻柱弯曲和倾斜。 方法：在下部钻具适当位置安放34个扶正器。,适当位置：包括扶正器的数量、位置和直径

26、。,扶正器尺寸：,杨勋尧提出了满眼钻具组合设计方法，称为YXY法。,1、YXY组合的结构 包括四个扶正器： 近钻头扶正器（近扶） 中扶正器（中扶、二扶） 上扶正器（上扶、三扶） 第四扶正器（四扶）,1、YXY组合的结构,近扶正器：紧装在钻头之上，抵抗钻头所受侧向力、防止侧向切削和 不对称切削。 中扶正器：保证中扶正器和钻头之间的钻具不发生弯曲，其安放位置 需要严格计算。 上扶正器：保证钻具上至少有三个稳定点与井壁接触，从而保证井眼 的直线性，距中扶 1 钻铤单根。 第四扶正器：增大下部钻柱的刚度，协助中扶防止钻柱弯曲。一般不 装，特别易斜地层才用。,钻头中心线与井眼中心线的偏移角（钻头倾角）：

27、 增大， 减小， 增大， 减小， 增大， 减小 存在一个最优的 可使 最小。,2、YXY组合“中扶”位置的计算,力学模型：一端固支，一端铰支的纵横弯曲梁。 中扶：视为固支（转角为0，弯矩不为0） 钻头：视为铰支（转角不为0，弯矩为0）,2、YXY组合“中扶”位置的计算 根据等截面梁纵横弯曲理论中的挠度计算公式和压杆稳定的临界载荷计算公式，并进行处理求导可得最优位置：,中扶距钻头的最优长度，m ; 扶正器与井眼的间隙， m; 井眼直径，m； 扶正器外径 ，m; 钻铤钢材的杨式模量， 钻铤的截面的轴惯性矩， 钻铤在钻井液中的线重，kN/m ; 允许的最大井斜角，（ ）,例题：已知钻头直径 216

28、mm，扶正器直径 215mm，钻铤钢材杨式模量 ，钻铤外径 178 mm ,内径 71.4 mm ,钻井液密度 ，钻铤线重 1.6 kN/m，允许的最大井斜角 3 度，求中扶距钻头的最优长度。 解： 根据给定条件，可求得：,3、满眼钻具组合的使用 （1）在已经发生井斜的井中，只能使井斜角变化很小或不变化，不 能用于纠斜。 （2）间隙对满眼钻具组合性能够影响显著。当间隙 达到或超过两倍 的设计值时，应及时更换或修复扶正器。在井径扩大井段不适 用。要抢在井径扩大以前钻出新的井眼。 “以快保满，以满保直” （3）不宜在井眼曲率大的井段使用，防止卡钻。 （4）在钻进软硬交错时，或倾角较大的地层时，要注

29、意适当减小钻 压，勤划眼，以便消除可能出现的“狗腿”。 （5）为了发挥满眼钻具的防斜作用，在钻具上至少要有3 个稳定点， 即：至少要按3 个稳定器。,三、钟摆组合控制井斜 1、钟摆钻具组合的原理,钟摆力,在下部钻柱的适当位置安装一个扶正器，当井斜时，该扶正器支撑在井壁上形成支点，使下部钻柱悬空。则该扶正器以下的钻柱就好像一个钟摆，产生一个钟摆力，钻头在此钟摆力的作用下切削下井壁。从而使新钻的井眼不断降斜。,井径，m 钻铤直径，m ;,考虑到扶正器磨损和井径扩大，使用距离比计算距离适当小。,2、钟摆钻具组合设计（ YXY 法）,关键：计算扶正器至钻头的距离。距离太小，钟摆力小；距离太大，扶 正器

30、和钻头间的钻柱与井壁会产生新的接触点，所以存在最优距离。,钻头上的降斜力：,可产生最大钟摆力的最优扶正器安放位置计算：,钻压 ，kN,2、钟摆钻具组合使用 （1）多用于井斜角较大的井进行纠斜。直井内无防斜作用。 （2） 其性能对钻压特别敏感。钻压增大，则增斜力增大， 钟摆力减小。使用时必须严格控制钻压。 （3） 只能使用小钻压“吊打”。如果使用大钻压，可能 形成新的支点。 （4）不能有效控制井眼曲率，易形成“狗腿”。 （5）间隙对钟摆钻具组合性能的影响比较明显。,四、其它直井防斜技术 1、塔式钻具（钟摆钻具） 2、偏心钻铤（形成公转和钟摆力） 3、方钻铤（满眼钻具组合） 4、钻铤偏心短节（形成

31、钻铤公转） 5、微机控制自动 垂直钻井系统（VDS）,垂直钻井系统简介Vertical Drilling System(VDS）,The VertiTrak system is designed to keep the top hole vertical without interaction from surface and without compromising critical drilling parameters (flow rate, WOB or bit speed) while maintaining high ROP along the entire section and

32、 avoiding timeconsuming correction runs.,An inclinometer monitors any vertical deviation and an integrated oil pump provides hydraulic energy to power steering ribs on the bearinghousing to push the assembly back to vertical.,Several Advantages,The system can create smooth holes without offsets and

33、ledges because there is no bend in the assembly to cause oversize sections and no string rotation to damage the borehole walls and trigger borehole stability problems. The resulting improvement in hole quality and the precise wellpath leads to several advantages:, Minimal torque and drag in deeper h

34、ole sections Precise well placement Reduced wellhead spacing at the surface Improved safety for layout of the casing program Lean casing drilling with cost savings in drilling mud, casing material, cuttings disposal, etc.1,2 Reduced hole length as the rig can be placed directly above the target with

35、out factoring in the formations natural drift tendencies. No need for time-consuming correction runs even in highly dipped formations, fault zones, and salt formations, where it is difficult to control the directional behavior of PDC bits.,造斜：由垂直井段开始钻出一定方位的斜井段的工艺过程。 造斜点：开始造斜时的深度。垂直井段开始倾斜的起点。 造斜工具：井底

36、动力钻具造斜工具； 转盘钻造斜工具。,第五节 定向造斜工具及轨迹控制,一、井底动力钻具造斜工具 动力钻具（井下马达）：涡轮钻具、螺杆钻具、电动钻具。 动力钻具接在钻头之上，钻铤之下。 工作特点：在钻进过程中，动力钻具外壳和钻柱不旋转， 有利于定向造斜。,旋转钻井法,动力钻具接在钻头之上，钻铤之下；动力钻具以上的钻柱不旋转,动力钻具造斜工具三种: 弯接头 弯外壳 偏心垫块,1. 弯接头 (动力钻具和钻铤之间接一个弯接头) 造斜原理： 该结构迫使钻头倾斜，造成对井底的不对称切削； 井壁迫使弯曲部分伸直，钻柱弹性力使钻头产生侧向切削,1. 弯接头 (动力钻具和钻铤之间接一个弯接头),造斜率大小与下列

37、因素有关： 弯角越大，造斜率越大；一般为 0.5 2.5度； 弯曲点以上的钻柱刚度越大，造 斜率越大； 弯点至钻头的距离越小且重量越 小，造斜率越大； 钻速越小，造斜率越高; 受井眼间隙、地层、钻头结构影响,2. 弯外壳马达 （将动力钻具的外壳做成弯曲形状） 造斜原理与弯接头类似 3. 偏心垫块 杠杆原理，垫块作为支点。,二、转盘钻造斜工具 斜向器、射流钻头和扶正器组合。 目前很少用。 1. 斜向器（下部为“楔形”） 早期造斜工具，现在仅用于套管内开窗侧钻，或不适宜用动力钻具的井内。 斜向器定向下钻，快到井底时以一定的速度冲向井底并施加一定压力，使楔形尖插入井底，并剪断销子，待钻头离开导斜面后

38、加压钻进4-5小井眼后起钻，取出斜向器。,导斜面,销钉,2. 射流钻头 钻头上安装1 个大喷嘴，2 个小喷嘴，大喷嘴射流冲击出斜井眼。,3、扶正器钻具组合 仅用于有一定斜度的井眼内进行增斜、降斜和稳斜。 （1）增斜组合（杠杆原理） 分为强、中、弱三种增斜组合 钻压越大，造斜能力越大； 越长，增斜能力越小。 近钻头扶正器直径减小，增斜能力也减小。 使用时应保持低转速。,增斜钻具组合,（2）稳斜组合（刚性满眼钻具原理）： 分为强、中、弱三种稳斜组合 使用中注意保持正常的钻压和较高的转速。 可使用双扶正器串联代替近钻头扶正器增强稳斜效果。,稳斜钻具组合,（3）降斜组合（钟摆原理）： 分为强、弱两种降

39、斜组合 使用中注意保持小钻压和较低的转速。 对于强降斜组合， 越长，降斜能力越强，但不能 与井壁有新的接触点。,降斜钻具组合,三、定向井轨迹控制的基本方法 1、垂直井段 利用防斜打直技术（满眼钻具、钟摆钻具）。 2、定向造斜段 使用动力钻具造斜工具造斜，套管开窗侧钻用斜向器， 造斜段长度一般以井斜角达到 8 10度为准。 3、增斜井段 一般用动力钻具定向造斜到一定角度（8 10 度）后， 换用转盘钻利用增斜钻具组合继续增斜。 4、稳斜井段 尽可能使用转盘钻扶正器钻具组合进行控制。 5、扭方位井段 转盘钻扶正器组合不能控制井斜方位，必须利用动力钻具 造斜工具扭方位。,四、扭方位的计算 1、装置角

40、的概念 O点为井底中心点 井底平面上自井眼低边指向井眼高边的方向线 OA线称为“高边方向线”，C点 是钻头中心，OC线称为“装置方位线”。 以高边方向线为始边，顺时针旋转到装置方位线所转过的角度，称为“装置角”。用 表示。,工具面： 造斜工具作用方向线与钻柱轴线构成的平面（弯接头的两条交叉轴线所在的平面）。 装置角也称工具面角。,装置方位角： 装置角与井斜方位角之和。,在 0 360度内变化，顺时针为“+”，逆时针为“-”,2、装置角的计算 已知条件：目前井斜角 ，方位角 ； 欲达井斜角 ，方位角 ；工具造斜率 。 求解内容：造斜工具装置角 , 所要钻进井段的长度,根据空间几何关系，可求得下列

41、计算公式：,狗腿角，度 度/30m,弧长弧度半径,注意：求 w 时反余弦的定义域为0 180 度。 设,上述三个公式中，共有7 个参数： 显然若已知其中四个就可以求另外三个，可根据扭方位的实际情况灵活运用。,自学图解法 P203,图解法只适用 和 较小时的情况。,例题1：已知 要求扭完方位以后的井斜角为18 度， 试求装置角 w 和扭方位的井段长度 。 解： 由解析公式可求得：,例题2：已知 要求扭完方位以后的井斜角为18 度， 试求：装置角 w 和扭方位的井段长度 。 解： 由解析公式可求得：,3、动力钻具反扭角的计算 （1）反扭角的概念 由于动力钻具反扭矩，使钻柱反时针扭转的角度，称为动力

42、钻具的反扭角，用 表示。 反扭角将使已确定好的装置角减小。 造斜工具定向时的方位角称为定向方位角，用 表示。 （2）影响反扭角的因素 反扭矩的大小； 钻柱长度； 钻柱断面的极惯性矩； 钻柱与井壁之间的摩擦力 ； 装置角大小。,（3）反扭角的计算 由于影响因素的不确定性，只能采用资料反算法。 已知条件： 求解步骤： 1）求试钻井段的狗腿角 ： 2）求试钻井段的实际装置角 ：,注意：当 时，取“+ ” ； 当 时，取“ - ”。 3）求实际反扭角 ：,五、造斜工具的定向,1 、地面定向法 地面摆工具面：造斜工具下井前，地面调整好工具面下井。 打印标记（“+ ”）：钻杆同一母线两端接头打印“+ ”标

43、记。 定向下钻：记录每两根钻杆角度偏差，计算总偏差，根据 总偏差计算实际方位。 如果实际方位与预定方位不符，通过转盘将工具面扭到预定的定向 方位上。 该方法工序复杂，准确性差，很少应用。,定向：把造斜工具的工具面摆在预定的定向方位线上。 定向方法：地面定向法、井下定向法。,2、 井下定向法,先用正常下钻法将造斜工具下到井底，再从钻柱内下入 仪器测量工具面方位，如果实际方位与预定方位不符， 通过转盘将工具面扭到预定的定向方位上。 井下定向的关键是要知道原井斜方位和工具面方位。 测量工具面方位的关键：在造斜工具的内部给工具面作 标记。 标记方法： 定向齿刀法、定向磁铁法、定向键法,（1）定向齿刀法

44、 齿刀上的齿尖所知方位，标志着工具面方位。 测量时仪器最下面的铅模压在定向齿刀上，留下齿刀印痕指示 工具面方位。 氢氟酸液瓶的液面倾斜方向指示井斜方位。,（2）磁铁定向法（双罗盘定向法） 双罗盘测斜仪 + 定向磁铁（安装在无磁钻铤上） 上罗盘处在定向磁铁位置，指针标志工具面方位 下罗盘远离定向磁铁，指针指向正北方位。 （3）定向键法（螺鞋定向法） 磁性或陀螺测斜仪 + 螺鞋（定向鞋）+ 定向键 定向键安装在造斜工具上，其所在母线指示工具面方位。 测斜仪螺鞋上的定向槽所在母线与罗盘上的“法线”对齐。 测量时，定向槽卡在定向键上，“法线”的方位就是工具面 方位。,3、各种定向方法及其使用 （1）双

45、罗盘定向仪+ 定向磁铁 需使用无磁钻铤，可用于直井定向和斜井定向。 （2）陀螺仪 + 定向键 无需使用无磁钻铤，可用于直井定向和斜井定向。 （3）磁罗盘测斜仪+ 定向键 目前使用最多的定向方法。 必须使用无磁钻铤，可用于直井定向和斜井定向。 （4）氢氟酸测斜仪 + 定向齿刀 只能在斜井内使用，方法比较落后。 （5）地面定向法 可用于直井定向和斜井定向，方法比较落后。 （6）随钻测斜仪 + 定向键 目前最先进的定向方法，可以做到随钻定向。,六、已投入商业运作的导向钻井系统 （1）垂直钻井系统（VDS）：德国用于深井及超深井 防斜垂直钻井用； （2）自动定向钻井系统（ADD） ：美国能源部提出的；

46、 （3）自动导向系统（AGS） ：美国Steve Bell公司研制； （4）旋转导向钻井系统（SRD） ：美国CAMCO 公司推出； （5）IDEAL和PowerDrive系统： Schlumberger(Anadrill)公司 （6）旋转闭环钻井系统（RCLS） ：美国Baker Hughes 公司；,七.地质导向钻井简介 地质导向是综合钻井、随钻测井/测斜、地质录井及其他各项参数，实时判断是否钻遇泥岩以及识别泥岩位于井眼的上部还是下部，并及时调整钻头在油层中穿行，具体表现在： 1) 根据近钻头电阻率和自然伽玛判断钻头处的岩性； 2) 根据ARC衰减电阻率和相位电阻率差别判断钻头是否接近泥岩

47、； 3) 根据AND提供的顶密度和底密度判断泥岩位置； 4) 根据AND提供的顶密度和底密度计算地层倾角； 5) 根据随钻测井电阻率曲线的极化角现象识别地层界面； 6) 根据钻时和气体数据，结合岩屑判断钻头处岩性； 7) 结合扭矩和D指数判断钻头处岩性； 8) 利用地层韵律性，结合砂岩粒度变化判断井眼位于油层中的 位置。,目前国外Schlumberger和Baker Hughes公司拥有此项技术。 Schlumberger公司(Anadrill)于1993年推出了IDEAL系统之后，又推出了Power Drive系统： PowerDrive Xtra (475, 675, 900) Power

48、Drive Xceed PowerDrive X5 (475, 675, 825, 900, 1100) PowerDrive vorteX Baker Hughes拥有RCLS(闭环旋转自动导向)系统： AuotTrak RCLS AutoTrak G3 RCLS 和Navigator系统。但目前只进行高价技术服务而不出售商品工具，已收到巨大经济回报。截止到2004.4.10，INTEQ 的AutoTrak RCLS累计进尺超过10,000,000ft，目前每天全球钻井进尺超过8,000ft。,第六节 水平井钻井技术简介 一、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

49、井，延伸长度要大于油层厚度 的六倍。 二、水平井的分类：根据从垂直井段向水平井段转弯时的 曲率半径大小进行分类。,三、水平井设计程序和框图 水平井设计程序和框图是1992年11月由美国石油工程协会和地质家协会、地球物理家协会和测井分析家协会共同开会约定的。 该设计内容（如图）是由地质、钻井、采油油藏、成本核算四部分人员共同合作完成的。,Highly sophisticated directional drilling systems are able to probe below the surface even horizontally and for extended distances

50、to reach prospective oil and gas reservoirs in less time and with more reliability. 美国高精度定向钻井系统可以用更少的时间更可靠地探测到地下油气储集层：定向钻井、水平钻井、大位移钻井、爪型（辐射）钻井和多分支钻井。,发展和应用,委内瑞拉Petrozuata水平井几何形状,国外水平井技术指标,水平井最大水平段达6118米； 水平井最大垂深6062米； 水平井最大单井进尺10172米； 双侧向水平井总水平段长度达4550.1米（垂深1389.9米）； 多分支水平井总水平段长度达到11342米。 （注：数据截至2001年）,水平井的新应用,水平井作为注入井，提高产量 分支水平井开采多个产层 开采老油田剩余油 多目标开发产层 开采气藏或疏松砂岩油藏 水平井资料用于油藏描述 薄层油藏、注水剖面修正、 持续增产,水平井钻进过程中的主要问题：,井下测量困难。,由于钻具自重造成贴向井眼下侧井壁，摩擦阻力大；,钻压施加困难；,严格控制井眼轨迹较难；,岩屑不易带出，易造成井下事故；,井壁不稳定；,固井难度大；,选择合适的完井方法和固井技术等。,可以采取的措施：,可采用大功率的驱动系统(如顶部驱动系统)和优选钻具组合；,使用优质洗井液，保持井眼具有良好的清洁、润滑、稳定性能；,采用先进的随钻检测