第六章井眼轨迹设计与控制

1第六章、井眼轨迹设计与控制第一节、概述当今的科学技术提供了预测地下油气藏位置的手段，而从地面确定位置到地下确定油气藏通道的建立，只有通过钻井工程来达到。钻井工程的钻进原理前面的章节已经阐述，本章要解决的问题是如何来设计这一条通道的轨迹以及如何控制钻进过程，使实际钻进路径和设计轨迹一致。一种情况是：当地面井口位置就在地下油气藏的正上方，采用铅直井井眼轨迹设计，此时设计的轨迹就是从地面井口位置到地下油气藏的一条铅直线，轨迹控制的问题是如何防止实钻轨迹过大地偏离出铅垂线（这一过程称为“井斜控制”）。另一种情况是：当地面井口位置不在地下油气藏的正上方或钻井目标有特殊要求，将按专门的钻井目的和要求设计对应的井眼轨迹，并在钻进过程中一直进行井眼轨迹控制，使井眼沿预先设计的井眼轨迹钻达预定目标。工程上把第一种情况的井称为直井，第二种情况的井称为定向井或根据目标和轨迹的情况分为丛式井、侧钻井、水平井、大位移井、分支井等。定向井的应用范围广阔：1．地面限制。油田所处地面不利于或不允许设置井场钻井或搬家安装受到极大障碍。如房屋建筑、城镇、河流、沼泽、高山、港口、道路、海洋、沙漠等地面条件限制。图6-1定向井在油气田勘探开发中的应用a-勘探海底油田；b-海上钻井利用平台；c-控制断层；d-地面条件限制；e-盐丘附近钻井；f-增大出油量；g-多底井；h-救援井22．地下地质条件要求。由于地质构造特点，定向井能更有利于发现油藏、增加开发速度。如控制断层、探采盐丘突起下部的油气层、探采高角度裂缝性油气藏、开发薄油层油藏等。3．钻井技术的需要。需用定向井来处理井下复杂情况或易斜地层的钻井。如我国自行设计、施工的数口成功的定向救援井：濮2－151井（中原油田）、永59井（胜利）、南2－1井（青海）。均成功地制服了井喷失控事故。4．其它方面的应用如过江管道的铺设、煤层气的开发、地热井的钻井等。定向井引入石油钻井界约在19世纪后期，当时的定向井是在落鱼周围侧钻。世界上第一口真正有记录的定向井是1932年美国人在加利福尼亚亨延滩油田完成。当时浅海滩下油田的开发是在先搭的栈桥上竖井架钻井。美国一位有创新精神的钻进承包商改变了这种做法，他在陆地上竖井架，使井眼延伸到海床下，由此开创了定向钻井新纪元。1934年，德国的克萨斯康罗油田一口井严重井喷。一位有丰富想象力的工程师提出用定向井技术来解决。在距失控井一定距离钻一口定向井，井底与失控井相交，然后向井内泵入重浆压住失控井，这是世界上第一口定向救援井。二战后随着生产的发展、海洋石油的开发、井下动力钻具的研制以及计算技术的进步，促进了定向井技术的发展。我国的第一口定向井是1955年在玉门油田钻成，井号为C2－15井。1965年在四川油田钻成了我国第一口水平井，磨三井，水平延伸160m，是世界上第二个钻成水平井的国家。四川油田的草16井，1987年钻成，是一口过长江定向井。70年代以来，我国海洋定向井迅速发展，在渤海湾海上钻丛式定向井，在一个钻井平台上施工多达12口（目前已达35口以上）定向井。胜利油田的河50丛式井组，1988年完成，一个陆地平台钻成42口定向井。由于石油天然气勘探开发的需要，在我国第七个五年计划期间，定向井、丛式井钻井工艺技术获得突破性进展，大踏步进入生产实用阶段，其水平跨入世界先进行列。采用这项技术打成了一大批多目标并、三维绕障井、高精度定向勘探井，满足了地质勘探上的特殊需要，并且成功地运用丛式井组整装开发了沈阳、二连、江苏的卞杨等三个油田。“七五”期间全国共钻成定向井4317口，为“六五”期间的4．65倍，少占用土地万亩以上，节约资金3亿元。辽河油田在杜48断块的10号平台钻17口井，平均井深2344．2m，最大井斜28°，最大水平位移1633．3m，中靶率达到100％，平均建井周期32天，平均机械钻速9．12m／hr，这个平台和相同日数的单井相比少占工业用地123亩，节约76％，节约成本119．7万元。四川石油管理局1987年成功地钻成隆40－1丛式井组，最大井斜角90°，开创了我国深层、硬地层打大斜度井的先河。该井完钻井深3130米，垂直井深2290．04米，最大水平位移1459．44米，在气层内进尺532米，等于目的层垂直厚度的5倍，该井打出了我国大斜度定向井的新水平。胜利油田根据油藏地面建设十分密集，地下老井很多（达14口）的实际情况，采用了多目标、绕障打油田开发井的先进技术，应用计算机剖面绘图，防碰扫描、三维绕障程序、丛式井防干扰装置，随钻定向造斜与扭方位技术以及电子多点测量等一系列井眼轨迹控制技术，打成了我国目前陆上丛式井完井口数最多的井组—河50丛式井组，共有42口井，其中多目标井有5口，平台占地面积65亩，比单井少占地335亩，节约土地84．5％。3第二节、定向井井眼轨迹设计定向井在施工前必须按专门的钻井目的和要求设计对应的井眼轨迹。该设计轨迹必须在现有的装备、工艺和技术条件下满足勘探开发的要求。设计时要考虑能经济地钻达目标的路径或轨迹，要考虑地质因素对要用的井底钻具组合的影响以及可能最终影响井眼轨迹的其它因素。定向井施工是使井眼沿预先设计的井眼轨迹钻达预定目标的过程，所以设计的定向井轨迹是施工的依据和检验的标准。一、基本要素定向井的井眼轨迹是空间的一条曲线，为了能结合工程参数描述该曲线，需要掌握定向井的基本要素：1．井深。井眼轴线上任一点到井口的井眼长度称为该点的井深，也称为该点的测量井深或斜深，单位为米,常用字母L表示；2．井斜角：井眼轴线上任一点的井眼方向线（切线，指向前方）与通过该点的重力线间之间的夹角，称为该点处的井斜角，单位为度，常用字母表示；3．方位角：井眼轴线上任一点的正北方向线与该点的井眼方向线在水平面投影线间的夹角，称为该点处方位角，单位为度，常用字母表示；4．井斜变化率：单位长度井段内井斜角的改变值称为井斜变化率。通常以两测点间的井斜角的变化值与两测点间井段长度的比值表示。常用单位为图6-2井斜角和方位角4度／30米，用字母K表示：)16(ABABLLK式中：mLLmKBABA测点处测量井深，、上下（、测点处井斜角，、上下（、井斜变化率，B)AB)A/5．方位变化率：单位长度井段内方位角的改变值称为方位变化率。通常以两测点间的方位角的变化值与两测点间井段长度的比值表示。常用单位为单位为度／30米，用字母K表示：)26(ABABLLK式中：mLLmKBABA测点处测量井深，、上下（、测点处方位角，、上下（、方位变化率，B)AB)A/6．垂深：井眼轴线上任一点到井口所在水平面的距离称为该点的垂深，单位为米；7．水平位移：井眼轴线上任一点到井口所在的铅垂线的距离，称为该点的水平位移，单位为米；其中的井深、井斜角和方位角为定向井井眼轨迹的基本要素，掌握了井眼轴线任一点的这三要素，也就掌握了井眼轴线的球坐标，就能把井眼轴线精确描述出来。当然，对于实际的井眼，由于测量技术和成本的原因，我们只能获得井眼轴线上有限点的三要素，这样，我们对实际井眼轨迹的描述就有一定的近似性。二、井眼曲率井眼曲率是井眼设计和施工中的一个非常重要的参数，它决定着设计的可行性、经济性和安全性。井眼曲率大，可以在较短的弯曲井段获得所需的较大的井斜角，从而节省造斜进尺和施工费用。但是，井眼曲率过大会加剧钻具磨损，甚至造成断钻具事故。过大的井眼曲率也使钻具通过困难并给后期的完井作业和采油工程增加麻烦。井眼的曲率的定义为：单位井段长度内井眼切线倾角的改变。通常以两测点间切线倾角的变化值与两测点间井段长度的比值表示。下面分三种情况来讨论井眼曲率的计算方法：1.只有井斜角变化的井段：5此种井段处于一个垂直平面内，井段两测点间的切线倾角的变化即为井斜角变化，因此该井段井眼曲率等于该井段的井斜变化率：)36(ABABLLKK2.只有方位角变化的井段：此种情况井段井段两测点间的切线倾角的变化即为方位角变化，因此该井段井眼曲率等于该井段的方位变化率：)46(ABABLLKK3．同时有井斜角变化和方位角变化的井段：如图所示，图中的AB表示空间井眼轴线段，A和B为L上相邻的两个测点。为清楚起见，将B点切线移到A点（即在A点作B点切线的平行线），并延长A、B两点的切线交水平面EON于A/、B/，连接OA/和OB/，则A/OB/为方位角增量，角A/AB/就是井眼空间井眼曲线在A、B两测点间切线倾角的变化值，又称为全角变化或全角，用表示。OAA/为A点井斜角，OAB/为B点井斜角。由图可知全角就是A点切线矢量和B点切线矢量间的夹角。由两矢量间夹角的计算公式有：BABABAcos式中：AAA、、—A点切线的方向余弦（A点切线分别于x、y、z轴方向之间夹角的余弦）BBB、、—B点切线的方向余弦有下列关系式成立：AAAAAAAAcossinsincossin图6-3全角变化示意图6BBBBBBBBcossinsincossin将代入式得到：BABBAABBAAcoscossinsinsinsincossincossincos)cos(sinsincoscoscosABBABA由此解得：)56()]cos(sinsincos[coscos1ABBABA井眼曲率为：)66()]cos(sinsincos[coscos1ABABBABAABLLLLK例测量数据如下表，计算两测点之间的井眼曲率K，单位为度/30米：测深（米）井斜角方位角20004.514821005.5145计算：米度/30309.020002100)]148145cos(5.5sin5.4sin5.5cos5.4[coscos301K三、井眼轨迹设计原则1．保证实现钻定向井的目的根据不同的定向井钻井目的对定向井井身剖面进行合理设计例如对于裂缝性油藏轨迹设计应横穿裂缝；薄油层油藏应采用大斜度或水平井；低渗块状油层可考虑采用多底井；救援井应根据目标层位、靶区半径的要求设计简单、快速、经济的井眼轨；落鱼侧钻仅需要设计轨迹避开落鱼、有一定的水平位移；对于整块油藏应按开发井网布置要求设计轨迹。72、考虑地面条件限制地面条件限制是确定定向井井位和丛式井平台位置的重要依据、还需考虑交通、采油、油气集输等方面的需要。3、正确选择造斜点、井眼曲率、和最大井斜角上述参数的选择应有利于采油、修井作业和钻井施工。（1）造斜点造斜点的选择－应选在比较稳定、均匀的地层。尽量在软－中硬地层造斜，并考虑钻头类型。尽量在方位漂移不大的地层造斜。应考虑垂深、水平位移、与最大井斜。造斜点高则水平位移大、井斜小，低则相反。最大井斜角＜15则方位不稳，最大井斜角45则测井、完井施工难度大、扭方位困难、扭矩大、井壁不稳，故一般最大井斜角为15－45。（2）井眼曲率井眼曲率不宜过小，以免造斜井段过长，增加轨迹控制工作量。井眼曲率不宜过大，以免造成钻具偏磨、摩阻过大、键槽、其它井下作业（如测井、固井、射孔、采油等）的困难。定向井中应控制其最大值5－12／100m，最大不超过16／100m。井眼曲率应能保证井下动力钻具顺利通过（动力钻具刚度较大不充许弯曲而保持直线状态）。井眼曲率应保证套管的安全。4．剖面设计应有利于安全、快速钻进，降低钻井成本在满足钻井目的前提下，尽量选用比较简单的剖面类型；尽量利用地层自然造斜规律；尽量利用拥有的造斜工具造斜能力；尽量使井身轨迹短；尽可能保持较长的直井段。四、井眼轨迹类型的选择1．二维定向井井眼轨迹二维定向井井眼轨迹指设计井眼轴线处于设计方位线所在铅垂平面上的定向井井眼轨迹。定向井井眼轨迹有多种多样，常用的有两种，即三段制井眼轨迹和五段制井眼轨迹：（1）直、增、稳三段制井眼轨迹。最常用和最简单的井眼轨迹。造斜点较浅（可减少最