钻井工第十章井眼轨道设计与轨迹控制

海油陆探、海油陆采2西江24-3海上平台西江24-1边际油田34水平井技术适合于薄层的开采扩大泄油面积增加控制储量提高油井产能0.6万吨直井的5倍以上（L=300m）5需要有合适的角度，才能达到矢量入靶薄油层开发油层薄，中靶难角度偏大角度偏小67薄油层开发井眼轨迹在油层最佳位置穿行难层薄，地层倾角变化，有时上翘或下倾精确控制几千米远的钻头走向难度大891011121314概述：井眼轨道：一口井开钻之前，预先设计的井眼轴线形状。井眼轨迹：一口井的实际井眼轴线的形状。定向井轨道：二维定向井：过井口和目标点的铅垂面上的曲线。三维定向井：具有不同曲率的空间曲线。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，使轨道与轨迹相一致。15二维三维16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钻穿多套油气层、老井侧钻等。1718轨迹控制技术的发展：★20世纪20年代末，发现井斜，直井防斜技术。★20世纪30年代初，在海边向海里打定向井取得成功，定向井技术迅速发展和广泛应用。★20世纪30-40年代，转盘钻井经验预测定向钻井法。★20世纪50-70年代，井底动力钻具经验预测定向钻井法。★20世纪80年代，滑动导向钻井法，MWD技术。★20世纪90年代至今，旋转导向钻井法，轨迹自动控制技术，几何导向与地质导向技术MWD、LWD、FEWD技术。19本章内容提要第一节井眼轨迹的基本概念第二节轨迹测量及计算第三节直井防斜技术第四节定向井轨道设计第五节定向井造斜工具及轨迹控制第六节水平井钻井技术简介20第一节井眼轨迹的基本概念Section1Basicconceptsofwelltrajectory目的：掌握有关参数的概念及这些参数之间的关系。一、轨迹的基本参数测量方法：非连续测量，间断测量。“测段”，“测点”。测深、井斜角和井斜方位角----轨迹的三个基本参数。(1)测深：井口(通常以转盘面为基准)至测点的井眼长度。以字母Dm表示，单位为米(m)。测深增量（井段）：下测点测深与上测点测深之差。以ΔDm表示。21(2)井斜角(α)：指井眼方向线与重力线之间的夹角。单位为度(°)。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(Δα)：下测点井斜角与上测点井斜角之差。Δα＝αB－αA22第一节井眼轨迹的基本概念一、轨迹的基本参数(3)井斜方位角φ（井眼方位角、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Δφ：上下测点的井斜方位角之差。Δφ＝φB－φA井斜方位角的变化范围：0～360°。23第一节井眼轨迹的基本概念一、轨迹的基本参数井斜方位角的另一种表示方式：象限角：指井斜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：0～90之间。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24第一节井眼轨迹的基本概念一、轨迹的基本参数r二、轨迹的计算参数因为实际井眼轨道是一条ON（i）E（j）空间曲线，所以可以用空间直角坐标系来描述。一般选取直角笛卡尔坐标系ＯＮＥＤ。原点Ｏ选在井口处；Ｎ轴指向正北，单位矢量为i；Ｅ轴指向正东，单位矢量为j；Ｄ轴垂直向下，单位矢量为k。如果Kb和Kn分别表示r点的曲率和挠率,则有D（k）25第一节井眼轨迹的基本概念ll2223(000r=Ni+Ej+DkN(l)=∫sinαcosφdl⎫lE(l)=∫sinαsinφdl⎬D(l)=∫cosαdld2rdrKb=22dldldrdrdr⎬,2,3)⎪Kn=dldl2dl⎪Kb26第一节井眼轨迹的基本概念二、轨迹的计算参数三、井眼轨迹的图示法对一条空间曲线可以有不同的表示方法。三维坐标法：如前面所示。柱面图示法：垂直剖面图（柱面展开图）+水平投影图柱面：设想经过井眼轨迹上每一个点作一条铅垂线，所有这些铅垂线构成的曲面称为柱面。将柱面展平，就形成了垂直剖面图。可以反映出真实的井身参数，如：测深、井斜角、垂深；作图简便。27第一节井眼轨迹的基本概念28•在测量过程中，需借助三种媒介：大地的重力场、大地磁场、天体坐标系。•借助重力场测量井斜角、高边工具面，测量的基准是测点与地心的连线，即铅垂线。（测角器、罗盘重锤、重力加速度计）•借助地磁场测量方位角和磁性工具面。测量基准是磁北极。（罗盘、磁通门）。•借助天体坐标测量方位角或工具面。（陀螺仪：是一种惯性测量仪器、不以地球上任何参照物为基准，下井前对自转轴进行地理北极的方位标定。）第二节轨迹测量及计算Section2Measurementandcalculationoftrajectory•钻井过程测量具有如下特点：•1、间接测量，要有专用工具和仪器。•2、测量仪器的尺寸受井眼尺寸和钻井工具的限制。•3、受地层和钻井液高压的影响，要有安全系数。•4、抗高温性能。（耐温小于125度为常温仪器，182度以下为高温仪器。）•5、能承受震动、冲击等。第二节轨迹测量及计算Section2Measurementandcalculationoftrajectory定向井技术发展主要依赖于先进的测量仪器和先进的井下工具。测量仪器的基本用途：测量轨迹的几何参数、定向参数、地质参数（自然伽玛、电阻率、岩石密度、中子孔隙度）、钻井工艺参数。一、测斜方法1、测斜仪分类按工作方式分：单点式、多点式、随钻测量（有线、无线）。按工作原理分：液面原理仪器：虹吸测斜仪、氢氟酸测斜仪；磁性测斜仪（罗盘）、陀螺测斜仪（高速陀螺空间指向恒定）2、测量内容测深Dm、井斜角α、方位角φ。2930第二节轨迹测量及计算一、测斜方法一、液面原理：液面是水平的，井眼轴线是倾斜的。液面与井眼轴线法面的夹角，即为该点处的井斜角。二、重力原理：重锤＋罗盘＋照相。重力加速度计。三、磁北原理。磁通门。四、陀螺原理。（高速旋转的陀螺具有定向性或定轴性。）利用磁罗盘和磁通门，要求测量点附近无磁干扰。陀螺仪不受磁干扰，可用于套管内、丛式井、没有无磁钻铤等，但存在陀螺漂移。3、磁性测斜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极始终指北。（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即为井斜角。由摆锤在井斜刻度盘底片上的位置读取。31第二节轨迹测量及计算一、测斜方法（2）井斜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极之间的夹角即为井斜方位角。（注意：在井下,罗盘标志方位与实际地理方位相反。）（3）井深测量根据电缆长度或钻柱长度。32第二节轨迹测量及计算一、测斜方法冲洗出的单点测斜仪像片实例。10角装置50角装置井斜角：5.5井斜角：30方位角：N43E方位角：N38W•井斜角、重力高边由重力加速度计测出，与磁通门无关，故不受磁干扰。•磁性工具面由磁通门测出，与重力加速度计无关。•方位角与磁通门、重力加速度计均有关。测量数据的记录方式有照相底片、电子数字记录。传输方式：取底片（磁罗盘单多点等）、有线通过电缆传输、无线通过压力脉冲、电磁波和声波等方式参数。压力脉冲：正脉冲、负脉冲、连续波。负脉冲传输速率低，不能满足更多参数的需要，正逐渐被正脉冲所代替。连续波不会产生明显得脉冲，传输速度更高，但技术难度大。电磁波：信号衰减太厉害。声波：信号衰减太厉害、干扰大。无线转盘钻进时，钻具的转动、震动等原因，立管压力数据波动大，数据不准，测量时要静止。负脉冲系统连续波系统正脉冲系统•电子单多点测斜仪ESS（ElectronicSurveySlope)•该仪器可作为多点使用，也可作为单点使用。•电子多点测斜仪的外筒总成同磁性单点测斜仪。•测角总成又称探管,主要有电池筒、探管总成、接口箱等。测量参数为井斜角、方位角、及磁性工具面角、高边工具面角、磁倾角、温度、重力加速度计总值、磁通门总值等。•精度为井斜±0.5°，方位±1。5°，工作温度≤125°。•井斜测量范围0°－180°，方位测量范围0°－360°。•测量原理为：利用安装在测斜仪器内的加速度计和磁通门磁力计可测量出x、y、z方向地球重力加速度分量，测量出x、y、z方向的地磁分量，并可由这些测量值计算出井斜角、方位角以及工具面角等参数。安装在测斜仪器内的加速度计和磁通门•使用ESS时的要求：（1）检查水眼，不能小于仪器外径。（2）井下正常才能测斜。投测时，钻具内必须灌满泥浆。（3）根据井下测量时间及温度，选用合适的电池。（4）当仪器在地面组装并开动定时器时，秒表也要同时开动，秒表与定时器同步以使操作人员准确地知道何时测量和测量的次数。起钻时在起出一柱卸扣时，要卡紧液压大钳的下钳头，保证井下钻具静止，同时记准时间，以方便读取数据。（5）每次测量时，对仪器检查。应检查一下磁磁倾角、重力加速度计总值、磁通门总值是否正常。若不正常，则可能仪器损坏或仪器未进无磁，受到钻具的磁干扰。（6）要算准井深。(7)投测多点时，探管底部要放置弹簧，防止悬挂胶棒震断损坏仪器。（8）测完后，取出电磁筒中的电磁，清洁仪器各部分。•有线随钻测量仪SST(SteeringSurveyTool)•有线随钻测量仪用加速度计和磁通门磁力计测量井斜和方位。•井下的井斜、方位测量数据经电缆传至地面计算机处理后进行记录和显示。多数有线随钻测量仪可在钻井过程中不断地检测井斜，方位和工具面角。这些数据能由装在司钻旁的显示器实时显示。因此，有线随钻测量仪能为定向钻井者提供更多、更及时的信息，以帮助操作者调整工具面角、控制泥浆马达。由于有连续稳定的工具面角读数，使操作人员无需再对预定的反扭矩修正工具面角。•有线随钻测量仪的探管由电缆下入井内并坐入斜口管鞋定向套内。电缆密封机构有循环头、侧入接头二种。•使用循环头时，则每钻30m井眼要起下电缆一次，有线随钻测斜仪收回放入最上面的立柱，然后接上另一柱。，再接上这个带有有线随钻测斜仪的立柱后，将有线随钻测斜仪的仪器下入到定向接头并复位。•使用侧入接头时，在接头的侧面装有防止泥浆泄漏的密封套结构。•有线随钻测量仪按常规下入，座放到定向套内。电线在侧入接头内被卡紧，从侧边出来。随着连续钻进，按常规操作，新的钻杆立根不断地用方钻秆接上。随着越来越多的钻杆被加到钻柱上，电缆被钳紧在钻杆侧面，注意，用这种方法可钻进上百米而无需把仪器提到地面。使用侧入接头时有线随钻示意图使用循环头时有线随钻示意图•有线随钻使用要求：•1、无磁钻铤长度应根据地区、井斜角和方位角的不同，按要求选配。•2、最小钻具内径必须大于仪器外径。•3、斜口管鞋与定向键相配。•4、使用循环头时，吊环长度要长。•5、井眼畅通，泥浆性能好，含砂量低。•6、使用前检查。•7、注意不要超过最高温度使用。•8、井斜角大于6度，用高边工作方式，小于6度，用磁性工具面。•（四）无线随钻测量仪MWD(MeasurementWhileDrilling):井下测量部分、信号传输部分、地面接收部分等组成。•无线随钻测量系统：它的井下部分包括加速度计和磁通门磁力计传感部件，由传感器转换到信号的部件，脉冲发生器部件和动力部件。在地面由压力传惑器接收信号并传输到计算机进行处理。把这些信息转换成井斜角，方位角和工具面角的数据。这些信息被传输到终端打印，并传输到钻台显示，类似于有线随钻测斜工具那样显示井斜角，方位角和工具面角。•无线的优点是：对井眼轨迹实时