定向井与水平井.docx

定向井和水平井钻井技术〔一〕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， 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确定的井段后，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°之间变化目前，广泛使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：从垂直井段开头倾斜的起点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. 井斜变化率和方位变化率： 井斜变化率是指单位长度内的井斜角度变化状况， 方位变化率是指单位长度内的方位角变化状况，均以度／ 100 米来表示〔也可使用度／30 米或度／100 英尺等〕8. 方位提前角〔或导角〕：估量造斜时方位线与靶点方向线之间的夹角三．狗腿严峻度狗腿严峻是用来测量井眼弯曲程度或变化快慢的参数〔以度／ 100 英尺表示〕可用解析法、图解法、查表法、尺算法等来计算狗腿严峻度 k1．第一套公式2. 其次套公式cosγ ＝cosa1cosa2 ＋sina1sina2 cos Δ j„„„„„„„„„„„„„„„〔 9－3〕本式是由鲁宾斯基推导出来的，使用格外普遍。

美国人按上式计算出不同的 a1 、a2 和Δ j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较，第一套公式具有普遍性，适合于多种外形的井眼，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，用于井斜和方位变化较小的状况四．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很多直线段组成，另一 类则视其为不同曲率半径的圆弧组成 计算方法多种多样，测段外形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全都如图 9－6，计算式为：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。

如图 9－7，测段的计算公式有三种表达形式〔1〕第一种表达形式〔9－13〕～〔9－16〕式中： 这四个公式是最常用的计算公式：（3） 第三种表达形式（4） 曲率半径法的特别状况处理③第三种特别状况，α 1≠α 2，且其中之一等于零此时，按二测点方位角相等来处理，然后代入其次种特别状况的计算式中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如图 9－8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Δ S′是切线 1M 和M2 在水平面上的投影之和，即 Δ S′＝1′M′＋ M′2′Δ S′并不是测段的水平投影长度 Δ S要作出井身垂直剖面图，需要求出 Δ S，而最小曲率法却求不出Δ S，这是最小曲率法的缺点为了作出垂直剖面图，可用下式近似地求出 Δ S′：„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„〔 9－39〕其次节 定向井剖面设计在开钻前认真进展设计，可以大大节约定向钻井的本钱。

影响井眼轨迹的因素很多， 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阅历很重要，这些阅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，作业者至少应供给靶点的垂深、水平位移和方位角，或供给井口与靶点的座标位置，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. ．作业区域和地理位置通过作业区域，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、方位漂移有确定的了解，依据地理位置，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，可能遇到的简洁状况，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，以及安全圆柱、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．设计原则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则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、井身构造、钻井液类型、完井方法等进展合理设计， 以利于安全、优质、快速钻井。

如救险井的钻井目的是制服井喷和灭火，保护油、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，以减小井眼轨迹把握和施工难度，加快钻井速度四是井身构造、井控措施等应满足要求2. ．尽可能利用方位的自然漂移规律在使用牙轮钻头钻进时，方位角的变化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，则会钻达 T′点，只有依据 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，要使用 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. 有利于安全、优质和快速钻井，满足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，这是由于井眼曲率限制太小会增加动力钻具造斜井段、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把握的工作量，影响钻井速度。

井眼曲率也不宜过大，否则钻具偏磨严峻、摩阻力增大和起下钻困难，也简洁造成键 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，在定向井中应把握井眼曲率的最大值，我国海上定向井一般取 7～16°／100 米，最大不超过 20°／100 米不同的井段要选用不同的井眼曲率，具体如下：井下动力钻具造斜的井眼曲率取： 7～16°／100 米转盘钻增斜的增斜率取： 7～12°／100 米转盘钻降斜的降斜率取：3～8°／ 100 米井下动力钻具扭方位的井眼曲率取： 7～14°／100 米导向马达调方位或增斜的井眼曲率取： 5～12°／100 米说明：随着中曲率大斜度井和水平井的快速进展，对一般定向井的井眼曲率〔或狗腿严峻度〕的限制越来越少， API 标准中已不再规定常规定向井的狗腿严峻度为了保证起下钻顺当和套管安全，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 应满足下式：Dc――套管外径，厘米2. ．井眼尺寸目前常规的定向井工具能满足 152 ～445 毫米〔6～171/2 英寸〕井眼的定向钻井要求， 一般地说，大尺寸井眼比较简洁把握轨迹，但由于钻铤的尺寸也较大，形成弯曲所需的钻压较大， 小井眼要使用更小、更柔的钻具，而且地层因素对轨迹的影响也较大。

因此小井眼的轨迹把握更困难一些在常规的井眼尺寸中，大多数定向井可承受直井的套管程序假照实钻井眼轨迹较光 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固然，在斜井段， 应在套管上加扶正器以支撑套管，避开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，打算是否使用厚壁套管3. ．钻井液设计：（1） 定向井钻井液设计格外重要，钻井液应有足够的携砂力气和润滑性，以削减卡钻的时机；（2） 钻井液性能把握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把握4） 假设用水基钻井液，那么在正常压力井段，应使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，确定要避开污染问题6） 假设有特别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保护套管，以封固全部正常压力井段4. ．造斜点的选择造斜点的选择要适当浅些，但是在极浅的地层中造斜时，简洁形成大井眼同时，由 于地层很软，造斜完成后下入稳斜钻具时，要特别留神， 以免消灭井眼，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洁一些，由于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。