第二章定向井的设计

第二章定向井的设计2.1定向井设计的准备2.1.1定向井基本技术术语钻井工程师首先必须熟练定向井中的一些术语。(1)造斜点，Kick-OffPoint或K.Ｏ.P，即井眼开始从垂直井段倾斜的起点。(2)井斜角，Inclination或INC，即井眼某一点的轴线的切线与铅直线之间的夹角。(3)方位角是表示井眼偏斜的方向，它是指井眼轴线在水平面的投影的方向与正北方向之间的夹角。(4)井斜变化率，指单位长度（100英尺或30米）内井斜角的变化值，而单位长度内方位角变化值则称为方位变化率。(5)垂深(TrueVerticalDepth)，TVD，深度零点到测点水平面的距离。(6)闭合距和闭合方位，闭合距指水平面上测点到井口的距离；闭合方位即在水平投影图上，测点与井口联线与正北方向的夹角(7)LeadAngle，导角或方位提前角，预计造斜时的方向线与靶点方向线(目标方向)的夹角。2.1.2作业者应提供的设计资料(1)井名、数量、地区；(2)井的垂深；(3)水平位移与方位；(4)靶区描述与限制；(5)井眼尺寸与套管程序；(6)泥浆程序；(7)邻井位置及可能的测斜数据；(8)邻井的钻井资料；(9)钻井承包商的名称及钻机号；(10)钻杆描述(11)钻铤及加重钻杆的资料；(12)泵型号、马力、缸套尺寸、冲程及额定泵压等；(13)工具运输和人员计划；(14)能提供的通讯；(15)承包商及作业者代表的名字与电话；(16)钻井工具的最小井径；(17)定向钻井人员的食宿；(18)狗腿严重度限制；(19)轨迹测量方式；(20)任何其他有关情况。2.1.3服务公司应提供的设计资料(1)一份(或几份)定向井设计图；(2)服务公司计划提供的工具及设备清单；(3)非磁钻铤的要求；(4)磁偏角；(5)推荐的测量方式；(6)总体定向钻井方案；(7)责任定向井工程师的名字、地址及电话；(8)准备使用的测量计算方法；(9)人员、设备的运输计划。2.1.4井眼尺寸(1)目前的常规定向工具能满足6”～17-1/2”井眼的定向钻井；(2)大尺寸井眼比较容易控制井眼轨迹，而小井眼则相对较难，因为小井眼需使用更小、更柔的钻铤、钻杆；(3)小尺寸井眼中，地层因素对轨迹的影响较大。2.1.5套管程序(1)定向井中使用的套管有13-3/8”、10-3/4”、9-5/8”、7-5/8”、7”，甚至更小的套管；(2)如果井眼轨迹很光滑，没有很大的狗腿，那么即使在大井斜井段，也能顺利进行下套管作业；(3)井眼倾斜井段，应在套管上加扶正器以支撑套管，避免在下套管过程中，发生压差粘卡；(4)在大井斜井段，可使用较厚的套管以避免磨损；(5)大多数定向井可采用直井中的套管程序；(6)对于深井或大斜度井，应该考虑在钻杆上加橡胶保护箍以避免损坏套管或钻杆。2.1.6泥浆程序(1)定向钻井泥浆程序十分重要，合理的泥浆应有足够的携砂能力和润滑性，以减少卡钻的机会；(2)泥浆性能控制对减少定向井钻柱拉伸与扭矩也很重要；(3)泥浆中应加润滑剂，泥浆比重与粘度必须随时控制；(4)如果以泥浆作为钻井液，那么在正常压力井段，应使用高般土，低规固相含量的泥浆，这样将有利于清洁井眼；(5)水泥基浆中加6～8%的柴油，将保证良好的润滑性能以减少钻具磨阻和压差卡钻；然而在水域钻井，一定要避免污染水域；(6)如果有异常高压井段,要求泥浆比重达到12.oppg或更高，那么应考虑在钻开该高压地层前，下一层保护套管，以封固所有正常压力井段；(7)能用清水钻直井的地区,同样也用清水钻定向井。2.1.7造斜点选择(1)造斜点通常是越浅越好；(2)一般来说浅层造斜比深层造斜容易一些，因为深层地层往往胶结良好；(3)造斜点至少应在前一层套管鞋以下50米，以避免损坏套管鞋；(4)尽量在大段砂层中造斜，因为砂层的井径稳定，而页岩段较易受到冲蚀；(5)对一口定向井来说，初始造斜的井斜、方位非常重要；(6)造斜后的井斜角大小也要考虑，通常井斜在25°以上井眼方位较稳定，而井斜较小时(5°～20°)，井斜、方位都比较难控制。2.1.8靶的形状与尺寸(1)定向井设计的第一步就是确定靶区；(2)靶区开头与尺寸通常由地质构造、产层位置决定，并考虑油区油井分布情况；(3)然而，靶区应经过广泛讨论后再确定，以避免靶区定得太小，不现实，从而导致作业费用大大增加。2.1.9平台最佳位置选择(1)选择最优井位，利用地层的自然漂移趋势,是非常必要的；(2)地层走势对井斜有很大的影响；(3)通过软、硬交错的地层，通常钻头倾向于垂直地层层面钻进；(4)如果层状地层倾角大于45°，通常钻头倾向于平行地层层面钻进；(5)同样，地层走势对方位漂移有影响。如果预计钻进方向同于地层上倾方向，方位将按钻头自然漂移趋势漂移，而井斜将增加很快；(6)如果预计钻进方向在地层上倾方向的左边，钻头将向右漂移；如果预计钻进方向在地层上倾方向的右边，钻头将向左漂移；(7)因此在地面条件允许的情况下，应尽量利用地层走势，最大限层地减少井眼的漂移。2.1.10造斜率选择(1)大多数定向井造斜率为2°～3°/30m；如果需要在浅层造斜段获得较大位移，造斜率可提高到3.5～5°/30m；(2)造斜时，井斜应稳步增加，直到最大井斜。2.1.11最大井斜角(1)常规定向井,一般最大井斜在20°～60°之间；(2)如果井斜大小(低于20°)，则井眼的井斜、方位都较难控制；(3)井斜大于60°将使钻具摩阻大大增加，并且难于进行用常规测井工具的测井。渤海定向井1993年所钻SZ36-1-B10井，最大井斜65°，测井时工具所通过井段的最大井斜为62°，而在65°井段，反复通井，测井仪器均不能通过。2.1.12降斜率(1)对于“S”型井眼，通常降斜段降斜率选择1°～2°/30m；(2)如果降斜后仍然要钻较长的井段，必须采用较小的降斜率，平缓降斜，以避免键槽卡钻。2.1.13导角(方位提前角)(1)导角就是指实际造斜时的方位与设计方位的差值。(2)通常对于转盘钻进时，钻头有右漂趋势，但有些定向井方位左漂。(3)为利用这一自然漂移趋势，通常是造斜时的方位在设计方位的左边，即比设计方位小某一角度，即导角。(4)SouthernLouisianaOffshore定向井作业中，最大导角达15°～30°并且定向控制很成功。2.1.14狗腿严重度(1)狗腿严重度是描述井眼轨迹全角变化的尺度。通常以每30米井段的全角变化表示。(2)通常狗腿较大的井段应反复划眼，以减小严重程度和形成键槽的可能，同时也能减小钻柱旋转时挠曲，避免损坏钻具。(3)狗腿严重度计算公式：a:CosDog-Leg=﹝Cos(Inc1)×Cos(Inc2)+Sin(Inc1)×Sin(Inc2)×Cos(DirectionChange)﹞b:DogLeg=Cos-12.1.15允许的方位偏移与极限(1)定向钻进时，初始造斜方向或在设计方位的左边或右边，(即选定导角)，然后通过自然漂移钻达靶区，井眼轨迹是一条空间曲线。(2)但是对导角也有一个限制，在井眼密集的井网中，要求定向井轨迹保持在以设计井眼轴线为中心的圆柱内，以避免与邻井相碰。(3)同样，由于油藏特性和地质地层条件，也对导角的大小有一定的限制。2.1.16邻井和钻柱的磁场对测量仪器的影响(1)用过的钻柱通常已被磁化，因此测量时需用非磁钻铤。(2)同时，邻井的套管产生的磁场对测量有影响，因此也要加以考虑。2.2定向井轨迹设计与计算2.2.1定向井剖面类型选择在进行定向设计的时候,首先应根据井身剖面设计的原则确定一种井身剖面。井身的剖面类型很多。选择合适的井身剖面不是一位容易的事。它必须考虑到地质条件、套管程序、目的层的位置以及钻井技术水平等因素。根据目前国内外的资料和经验，最常用的井身剖面有三种。如图2-1所示：类形1，如图2-1A所示，这种剖面造斜深度较低，通常在表层套管内即达到所需的井斜角，以后一直稳斜钻至目的层位。该剖面最常用于不下中间套管和单一油层的中深井，也可用于要求水平位移很大，井深较深的井。类型2，如图2-1B所示，这种剖面造斜井深较浅。造斜完后，下表层套管然后稳斜钻进。在达到预定的水平位移后降斜钻进，直到井眼垂直，然后下中间套管。最后使井眼垂直进入油层。该剖面适用于地层情况复杂需要下中间套管，而且油层较多的井。采用这种剖面，井距易于保持均匀。在斜井段处于较软的上部地层便于造斜。类型3，如图2-1C所示。这种剖面具有大段的垂直井段，与其它类型的剖面相比井斜角可能大一些，且位移小一些。由于造斜点较深，地层胶结较好，因此造斜费时较长，且造斜段没有用套管封固。图2-1A图2-1B图2-1C上述几种剖面类型，并不是一成不变的。在生产实践中，常常根据实际情况灵活应用，设计出许多剖面。例如悬链线，二次抛物线等井身剖面，选用这类井身剖面，钻具摩阻小。2.2.2井身剖面的设计方法(1)定向井井身剖面的设计方法有三种：作图法、查图法、解析法。由于计算机技术的迅速普及且精度高，因此解析法成为最广泛使用的一种方法。(2)解析法的计算方法2.2.1中所述的第二类型井身剖面，即五段制剖面“直-增-稳-降-稳”，可以作为所有常规井剖面的代表，故下面以这种剖面为例说明其设计计算方法。例1：已知条件：全井总垂井H，靶点垂深Ht，设计方位Ф0，进入油层角度α”，试设计该定向井。设计步骤：①初步确定井身剖面类型采用五段制，即“直-增-稳-降-稳”。图2-1为剖面示意图图2-2：剖面示意图②选定造斜点，即确定垂直井段Hv③选定增斜率和降斜率增斜率Δα1，降斜率Δα2，则增斜、降斜井段的曲率半径分别为：11R1=-----------R1=-----------Δα1Δα2④计算最大井斜角αmax通过几何关系，求得方程得：αmax-1（HO-（HO2+AO2-2RO*AO）1/2）/(2RO-AO)式中:HO=Ht-Hv+R2*sinα*AO=At+R1-R2*cosα*RO=R1+R2井身剖面的计算，按照曲率半径法原理通过计算机实现。2.2.3实际井眼轴线的计算方法(1)井眼轨迹的测量方法分类，共分为三类七种方法：第一类：直线法，包括正切法和平均角法。第二类：折线法，即平衡正切法。第三类：曲线法，包括圆柱螺线法(曲率半径法)、校正平均角法、弦步法。(2）现场常用的测量计算方法在上述七种计算方法中，从计算假设中的合理性上看，直线法不如曲线法，但直线和折线法较为简单，而曲线较为复杂。由于计算机得到普遍应用，因此曲线也就成了最普遍的方法，尤其是圆柱螺线法(曲率半径法)和最小曲率法。下面介绍现场常用的两种方法：(一)平均角法(角-平均法)(Angle-averagingｍethod)此法认为两相邻测点之间的井眼为一直线，该直线的井斜角α和方位角φ等于上下两测点相应角度的算术平均值。即αA+αBαV=-------------2φA+φBφV=-------------2其余计算公式如下:ΔH=ΔLC0SαV--垂深增量ΔS=ΔLSinαV--位移增量ΔN=ΔLSinαV．CosφV--南北坐标变化ΔE=ΔLSinαV．SinφV--东西坐标变化(二)曲率半径法(RadiusofCurvaturemethod)此法认为相邻两测点的井段是一段圆弧曲线，整个井眼就是由许多段曲率半径不等的圆弧组成。图2-3所示，(a)和(b)为AB井段的垂直和水平平面图。令RAB和rAB为AB在上述两图的曲率半径。图2-3A：井段AB的垂直剖面图图2-3B：井段AB的水平平面图井段AB的有关计算式为：