定向井和水平井钻井技术.docx

定向井和水平井钻井技术 定向井和水平井钻井技术第一节 定向井井身参数和测斜计算 一．定向井的剖面类型及其应用 定向钻井就是“使井眼按预定方向偏斜，钻达地下预定目标的一门科学技术”定向钻井的应用范围很广，可归纳如图9－l所示 定向井的剖面类型共有十多种，但是，大多数常规定向井的剖面是三种根本剖面类型，见图9－2，称为“J”型、“S”型和连续增斜型按井斜角的大小范围定向井又可分为： 常规定向井井斜角＜55° 大斜度井井斜角55～85° 水平井井斜角＞85°〔有水平延长段〕 二．定向井井身参数 实际钻井的定向井井眼轴线是一条空间曲线钻进必须的井段后，要进展测斜，被测的点叫测点两个测点之间的距离称为测段长度每个测点的根本参数有三项：井斜角、方位角和井深，这三项称为井身根本参数，也叫井身三要素 1．测量井深：指井口至测点间的井眼实际长度 2．井斜角：测点处的井眼方向线与重力线之间的夹角 3．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0—360°之间改变。

目前，广泛运用的各种磁力测斜仪测得的方位值是以地球磁北方位线为准的，称为磁方位角磁北方向线与正北方向线之间有一个夹 1 角，称磁偏角，磁偏角有东、西之分，称为东或西磁偏角，真方位的计算式如下：真方位＝磁方位角十东磁偏角 或 真方位＝磁方位角一西磁偏角 公式可概括为“东加西减”四个字方位角也有以象限表示的，以南〔S〕北〔N〕方向向东〔E〕西〔W〕方向的偏斜表示，如N10°E，S20°W在进展磁方位校正时，必需留意磁偏角在各个象限里是“加上”还是“减去” 4．造斜点：从垂直井段起先倾斜的起点5．垂直井深：通过井眼轨迹上某点的水平面到井口的距离 6．闭合距和闭合方位〔l〕闭合距：指水平投影面上测点到井口的距离，通常指靶点或井底的位移，而其他测点的闭合距离可称为水平位移〔2〕闭合方位：指水平投影响图上，从正北方向顺时针转至测点与井口连线之间的夹角7．井斜改变率和方位改变率：井斜改变率是指单位长度内的井斜角度改变状况，方位改变率是指单位长度内的方位角改变状况，均以度／101米来表示〔也可运用度／30米或度／101英尺等〕8．方位提前角〔或导角〕：预料造斜时方位线与靶点方向线之间的夹角。

三．狗腿紧要度狗腿紧要是用来测量井眼弯曲程度或改变快慢的参数〔以度／101英尺表示〕可用解析法、图解法、查表法、尺算法等来计算狗 2 腿紧要度k 1．第一套公式 2．其次套公式 cosγ＝cosa1cosa2＋sina1sina2cosΔj………………………………………〔9－3〕本式是由鲁宾斯基推导出来的，运用特别普遍美国人按上式计算出不同的a1、a2和Δj值下的狗腿角γ值，并列成表格，形成了查表法3．第三套公式γ——两测点间的狗腿角假设将三套公式作比拟，第一套公式具有普遍性，适合于多种形态的井眼，其次套只适用于平面曲线的井眼〔即二维井型〕，第三套是近似公式，用于井斜和方位改变较小的状况 四．测斜计算的主要方法测斜计算的方法可分为两大类二十多种一类是把井眼轴线视为由许多直线段组成，另一类那么视其为不同曲率半径的圆弧组成计算方法多种多样，测段形态不行确定主要的计算方法有正切法、平衡正切法、平均角法、曲率半径法、最小曲率法、弦步法和麦库立法从计算精度来讲，最高的是曲率半径法和最小曲率法，其次是平均角法以下各图和计算公式中下角符号1、2分别代表上测和下测点 1．平均角法〔角平均法〕此法认为两测点间的测段为一条直线，该直线的方向为上下两测 3 点处井眼方向的矢量和方向。

测段计算公式： 2．平衡正切法 此法假定二测点间的井段为两段各等于测段长度一半的直线构成的折线，它们的方向分别与上、下两测点处的井眼方向相同 3．曲率半径法〔圆柱螺线法〕 此法假设两测点间的测段是条等变螺旋角的圆柱螺线，螺线在两端点处与上、下二测点处的井眼方向相切 4．最小曲率法 最小曲率法假设两测点间的井段是一段平面的圆弧，圆弧在两端点处与上下二测点处的井眼方向线相切 测段计算公式如下： 令fM＝〔2/γ〕×tg〔γ/2〕，fM是个大于1但很接近1的值在狗腿角γ足够小的状况下，可近似认为fM＝1，这时上述四个计算公式就完全变成平衡正切法的公式了，它是对平衡正切法公式的校正 ΔS′是切线1M和M2在水平面上的投影之和，即ΔS′＝1′M′＋ M′2′ΔS′并不是测段的水平投影长度ΔS要作出井身垂直剖面图，须要求出ΔS，而最小曲率法却求不出ΔS，这是最小曲率法的缺点为了作出垂直剖面图， 其次节 定向井剖面设计 在开钻前谨慎进展设计，可以大大节约定向钻井的本钱影响井 4 眼轨迹的因素许多，其中一些因素很难进展估算〔如在某些地层中的方位漂移状况等〕。

因此，在同一地区得到的钻井经历很重要，这些经历可以在其他井设计过程中起重要的参考作用 一．设计资料 要进展一口定向井的轨道设计工作，作业者至少应供应靶点的垂深、水平位移和方位角，或供应井口与靶点的座标位臵，通过座标换算，计算出方位角和水平位移此外，定向井工程师还要收集以下资料： 1．作业区域和地理位臵通过作业区域，通常可以找到该地区已完井的钻井作业资料〔野猫井除外〕，并对地层状况、方位漂移有必须的了解，依据地理位臵，可以计算或查得到地磁偏角 2．地质设计书和井身构造了解有关地层压力、地温梯度、地层倾角、走向、岩性、断层，可能遇到的困难状况，以及油藏工程师的特别要求等 3．作业者对造斜点、造斜率、增〔降〕斜率的要求，以及平安圆柱、最大井斜等井身质量的要求 4．了解钻井承包商的状况，如泥浆泵性能，井下钻具组合各组件的根本状况等 二．设计原那么 1．能实现钻定向井的目的 定向井设计首先要保证明现钻井目的，这是定向井设计的根本原那么设计人员应依据不同的钻探目的对设计井的井身剖面类型、井身 5 构造、钻井液类型、完井方法等进展合理设计，以利于平安、优质、快速钻井。

如救险井的钻井目的是制服井喷和灭火，爱护油、气资源因此，救险井的设计应充分表达其目的：一是靶点的层位选择合理二是靶区半径小〔小于10米〕，中靶要求高；三是尽可能选择简洁的剖面类型，以减小井眼轨迹限制和施工难度，加快钻井速度四是井身构造、井控措施等应满意要求 2．尽可能利用方位的自然漂移规律在运用牙轮钻头钻进时，方位角的改变往往有向右增加的趋势，称为右手漂移规律如图9－9所示，靶点为T，设计方位角为j′假设按j′定向钻进，那么会钻达T′点，只有遵照j角方向钻进，才会钻达目标点TΔj角称为提前角，提前角的大小，要依据地区的实钻资料，统计出方位漂移率来确定，我国海上开发井一般取2～7度 目前流行的PDC钻头〔如RC426型等〕，对方位右漂具有较好的抑制效果在地 层倾角小、岩性稳定时，PDC钻头具有方位左漂的趋势，这主要是由于PDC钻头的切削方式造成的因此，要运用PDC钻头钻进的定向井，提前角要适当地小一点 3．依据油田的构造特征，有利于提高油气产量，提高投资效益 4．有利于平安、优质和快速钻井，满意采油和修井的作业要求 三．剖面设计中应考虑的问题 1．选择适宜的井眼曲率 井眼曲率不宜过小，这是因为井眼曲率限制太小会增加动力钻具 6 造斜井段、扭方位井段和增〔降〕斜井段的井眼长度，从而增大了井眼轨迹限制的工作量，影响钻井速度。

井眼曲率也不宜过大，否那么钻具偏磨紧要、摩阻力增大和起下钻困难，也简单造成键槽卡钻，还会给其他作业〔如电测、固井以及采油和修井等〕造成困难因此，在定向井中应限制井眼曲率的最大值，我国海上定向井一般取7～16°／101米，最大不超过20°／101米不同的井段要选用不同的井眼曲率，详细如下： 井下动力钻具造斜的井眼曲率取：7～16°／101米 转盘钻增斜的增斜率取：7～12°／101米 转盘钻降斜的降斜率取：3～8°／101米 井下动力钻具扭方位的井眼曲率取：7～14°／101米 导向马达调方位或增斜的井眼曲率取：5～12°／101米 说明：随着中曲率大斜度井和水平井的快速开展，对平凡定向井的井眼曲率〔或狗腿紧要度〕的限制越来越少，API标准中已不再规定常规定向井的狗腿紧要度 为了保证起下钻顺当和套管平安，必需对设计剖面的井眼曲率进展校核，以限制最大井眼曲率的数值井下动力钻具造斜和扭方位井段的井眼曲率Km应满意下式： Dc――套管外径，厘米 2．井眼尺寸 目前常规的定向井工具能满意152～445毫米〔6～171/2英寸〕井眼的定向钻井要求，一般地说，大尺寸井眼比拟简单限制轨迹，但 7 由于钻铤的尺寸也较大，形成弯曲所需的钻压较大，小井眼要运用更小、更柔的钻具，而且地层因素对轨迹的影响也较大。

因此小井眼的轨迹限制更困难一些 在常规的井眼尺寸中，大多数定向井可采纳直井的套管程序假如实钻井眼轨迹较光滑，没有较大的狗腿，那么即使在大井斜井段，也能较顺当地进展下套管作业当然，在斜井段，应在套管上加扶正器以支撑套管，幸免在下套管过程中发生压差卡钻，同时提高固井质量另外，在大斜度井段，可依据井段长度和作业时间，确定是否运用厚壁套管 3．钻井液设计： 〔1〕定向井钻井液设计非常重要，钻井液应有足够的携砂实力和润滑性，以削减卡钻的时机； 〔2〕钻井液性能限制对削减定向井钻柱拉伸与扭矩也很重要； 〔3〕钻井液中应加润滑剂，钻井液密度与粘度必需随时限制 〔4〕假如用水基钻井液，那么在正常压力井段，应运用高排量和低固相含量的钻井液，这样有利于清洁井眼； 〔5〕水基钻井液应具有良好的润滑性能，以削减钻具摩阻和压差卡钻；然而在海上钻井，必须要幸免污染问题 〔6〕假如有异样高压井段要求钻井液密度到达1.45克／厘米3或更高，那么应考虑在钻开该高压地层前下一层爱护套管，以封固全部正常压力井段 4．造斜点的选择 8 造斜点的选择要适当浅些，但是在极浅的地层中造斜时，简单形成大井眼。

同时，由于地层很软，造斜完成后下入稳斜钻具时，要特殊当心，以免出现新井眼，尤其是在稳斜钻具刚度大或造斜率较高时通常地说，浅层造斜比深层造斜简单一些，因为深层地层往往胶结良好，机械钻速低，需花费较长的造斜时间 另外，造斜点通常选在前一层套管鞋以下30～50米处，以免损坏套管鞋，同时削减水泥掉块产生卡钻的可能性 在深层地层造斜时，应尽量在大段砂层中造斜，因为砂层的井眼稳定，钻速较快，而页岩段较易受到冲蚀，钻速较低，而且在以后长时间钻井作业，简单在造斜段形成键槽而可能导致卡钻 5．靶区形态和范围 靶区形态与范围通常由地质构造、产层位臵确定，并考虑油田油井的分布状况，靶区大小是由作业者确定的通常认为，鞍区范围不能定得太小，很小的靶区范围不仅会增加作业本钱，同时也会增加调整方位的次数，造成井眼轨迹不平滑，增加转盘扭矩，同时也增加产生健槽。