定向井的轨迹控制

定向井的轨迹控制石油大学（华东）韩志勇1.定向井轨迹控制的基本概念；2.定向井轨迹控制的主要做法；3.造斜工具简介；4.造斜工具的定向；5.定向井轨迹控制计算；定向井轨迹控制基本概念1.要求：在实钻过程中，设法使实钻的井眼轨迹尽可能符合设计的井眼轨道。2.实质：井眼轨迹控制，的实质，就是不断地控制井眼的前进方向。井眼方向由井眼的井斜角和井斜方位角来表示的。3.井眼方向控制内容：–井斜角的控制：增斜、降斜、稳斜；–井斜方位角控制：增方位、降方位、稳方位；增斜增方位稳方位降方位稳斜降斜(九种组合)定向井轨迹控制基本概念4.井眼方向变化的基本原理：–钻头对井底的不对称切削•近钻头钻柱的弯曲和倾斜。–在某个时刻，钻头轴线与井眼轴线是重合的。但当钻头前进时，钻头轴线总是与原井眼轴线不重合。钻头前进方向总在变化。–这就使钻头对井底的切削，一边钻速快，一边钻速慢。钻出的井眼发生弯曲了。定向井轨迹控制基本概念4.井眼方向变化的基本原理：–钻头对井底的不对称切削•偏喷嘴的作用–最典型的是射流钻头，三个喷嘴中，有一个特别大，另两个是比较小的。在定向喷射钻进时，大喷嘴一边井底冲蚀快，形成偏窝。在旋转钻进，即可钻出弯曲井眼。定向井轨迹控制基本概念4.井眼方向变化的基本原理：–钻头对井底的不对称切削•地层因素–最地层倾斜及可钻性的各向异性；–地层可钻性的纵向变化；–地层可钻性的横向变化：»岩性变化；»溶洞的存在；»破碎带；定向井轨迹控制基本概念4.井眼方向变化的基本原理：–钻头对井壁的侧向切削•侧向切削的根本原因，是在钻头上存在一个侧向力。钻头上的侧向力与很多因素有关：–钻压；–钻柱重力：»钟摆力；»杠杆力；–钻柱弹性力；–井眼约束条件；–特殊结构力：»水力喷射横向力；»定向支撑横向力；定向井轨迹控制的主要做法第一阶段:打好垂直井段–垂直井段打不好，将给造斜带来很大的困难。–要求实钻轨迹尽可能接近铅垂线，也就是要求井斜角尽可能小。定向井的垂直井段可以按照打直井的方法进行轨迹控制，而且比打直井要求更高，因为定向井垂直井段的施工质量是以后轨迹控制的基础。定向井轨迹控制的主要做法第二阶段：把好定向造斜关这是增斜井段的一部分，但它是从垂直井段开始增斜的。由于垂直井段井斜角等于零，所以称为“造斜”；由于垂直井段没有井斜方位角，所以开始造斜时需要“定向”。如果定向造斜段的方位有偏差，则会给以后的轨迹控制造成巨大困难。所以，定向造斜是关键，一定要把好这一关。现代的定向造斜，除套管开窗侧钻还使用变向器外，几乎全是使用动力钻具造斜工具。造斜井段的长度，一般是以井斜角达到可以使用转盘钻的扶正器钻具组合继续增斜为准。这个井斜角大约为8°至10°。定向井轨迹控制的主要做法第三阶段：跟踪控制到靶点从造斜段结束，至钻完全井，都属于跟踪控制阶段。人们常说的轨迹控制实际多指这一阶段。一.跟踪控制的主要工作内容：–1.适时进行轨迹测量和轨迹计算：•测量仪器的选择；测量密度和测点密度的选择；•根据轨迹计算结果，提出下步轨迹控制要求；–2.做好造斜工具的装置方位计算：•装置角的计算；•动力钻具反扭角的计算；–3.精心选择、使用造斜工具和下部钻具组合：•工具或组合的结构选择；•造斜工具或下部组合的性能预测：–凭经验预测；–使用软件预测；•造斜工具的井下定向；定向井轨迹控制的主要做法第三阶段：跟踪控制到靶点从造斜段结束，至钻完全井，都属于跟踪控制阶段。人们常说的轨迹控制实际多指这一阶段。二.跟踪控制需遵循的几条原则：1.既要保证中靶，又要加快钻速。–这一阶段的任务是在实钻过程中，不断了解轨迹的变化发展情况，不断地使用各种造斜工具或钻具组合，使实钻轨迹离开设计轨迹“不要太远。“不要太远”一词的意义在于，一方面如果“太远”就可能造成脱靶，成为不合格井；另一方面如果始终要求实钻轨迹与设计轨迹误差很小，势必要求非常频繁地测斜，频繁地更换造斜工具，必将大大地拖延时间，增加成本，而且还有可能造成井下复杂情况，得不偿失。定向井轨迹控制的主要做法第三阶段：跟踪控制到靶点二.跟踪控制需遵循的几条原则：2.尽可能多的使用转盘钻的扶正器钻具组合来进行控制。–这是因为转盘钻的钻速比动力钻具要高。所以在造斜段结束之后，一般都换用转盘钻继续增斜，并在需要稳斜和降斜的时候，仍然使用转盘钻来完成。只有在下列两种情况下，才使用动力钻具进行控制：–(1)．使用转盘钻扶正器组合已难以完成增斜或降斜要求时，改用动力钻具造斜工具进行强力增斜或降斜；–(2)．转盘钻扶正器组合不能控制方位，而且在钻进中常常出现方位偏差。当井眼方位有较大偏差，有可能造成脱靶时，必须使用动力钻具造斜工具来完成扭方位。定向井轨迹控制的主要做法第三阶段：跟踪控制到靶点二.跟踪控制需遵循的几条原则：3.尽可能利用地层的自然规律。–种种地层因素导致钻头的不对称切削，或引起井斜变化，或引起方位漂移：•地层可钻性的各向异性：平行层面方向与垂直层面方向，地层可钻性不同。•沿垂直地层层面方向，可钻性发生变化；•沿平行地层层面方向，可钻性发生变化；–在轨道设计和轨迹控制过程中，尽可能利用这些自然规律，减少利用工具进行控制的时间。造斜工具简介动力钻具造斜工具动力钻具又称井下马达，包括涡轮钻具、螺杆钻具、电动钻具三种。常用前两种。位置：在钻铤和钻头之间。钻井液循环驱动。动力钻具以上整个钻柱都不旋转，对定向造斜非常有利。结构由三种:–动力钻具带弯接头；–弯外壳动力钻具；–动力钻具带偏心垫块；造斜工具简介动力钻具造斜工具影响造斜工具造斜率的因素分析：–1.造斜钻具结构性能的影响：•PX与工具的弯曲角γ1成正变关系；•PX与弯曲点以上钻柱的刚度EJ成正比关系；•PX与动力钻具长度LT成反比关系；sin2161TTXPLLEJP造斜工具简介动力钻具造斜工具影响造斜工具造斜率的因素分析：–2.钻进速度的影响：•K与侧向钻速VC成正比；•K与机械钻速Vt成反比；•K与动力钻具直径和井径之差(DW-DT)成正比；•动力钻具长度影响很大，采用短动力钻具可显著增大造斜率；tcTWVlVlDDK22造斜工具简介转盘钻造斜工具射流钻头：–工作三部曲：•定向喷射，大水眼冲出“斜窝”；适当加压使钻头进入“窝”内，继续喷射；•边喷射，上下活动钻柱，扩大“斜窝”，并对井底造成冲击；•旋转钻进，钻出弯曲井眼；–适用地层：软地层；–需要给大水眼喷嘴定向。造斜工具简介转盘钻造斜工具槽式变向器：–造斜过程：•定向安置槽式变向器；•加压剪断销钉，旋转钻进钻出导眼；•起钻并起出槽式变向器；•更换扩眼钻头，扩大导眼；–每安置一次，只能使井斜增加一个导斜角大小的角度。造斜工具简介转盘钻造斜工具对抗器：–作用：可在小范围内改变井斜方位–结构：•体部为一根短钻铤；形状如图；•上下两个瓦片，用小轴相连，并被固定在体部的纵向沟槽内。–改变瓦片宽度，可以实现增方位或减方位；造斜工具简介转盘钻造斜工具套筒形变向器：–只能在小范围内改变井眼方位。–结构：•心轴与钻头、钻铤连接；•心轴外有套筒；套筒与心轴用小轴连接；•套筒外有上下两个“瓦片”；–改变上下瓦片的位置，可以实现增方位或减方位；造斜工具简介转盘钻扶正器组合此类工具不能用于改变井眼方位，仅能在已有一定斜度的井眼内改变井斜，即进行增斜、降斜或稳斜。此类工具是在转盘钻的基础上，利用靠近钻头的钻铤部分，巧妙地使用扶正器，得到各种性能的组合。20世纪80年代以来，国内外对扶正器钻具组合的研究逐步深入。运用数学、力学和计算机工具，出现了微分方程法、有限元法、纵横连续梁法、加权余量法等等方法，且都需要使用较复杂的计算机程序。在没有计算机软件计算在情况下，可使用现场常用的经验数据。转盘钻扶正器组合有三种：–增斜组合；–稳斜组合；–降斜组合；造斜工具简介转盘钻造斜工具增斜钻具组合：类型L1L2L3强增斜组合1.0～1.8--------------中增斜组合1.0～1.818.0～27.0-------弱增斜组合1.0～1.89.0～18.09.0按增斜能力分为强、中、弱三种。使用中要注意：1.钻压越大，增斜能力越大；2.L1越长，增斜能力越小；3.近钻头扶正器直径减小，增斜能力也减小。4.注意保持低转速。造斜工具简介转盘钻造斜工具稳斜钻具组合类型L1L2L3L4L5强稳斜组合0.8～1.24.5～6.09.09.09.0中稳斜组合1.0～1.83.0～6.09.0～18.09.0～27.0-----弱稳斜组合1.0～1.84.59.0----------按稳斜能力分为强、中、弱三种。在使用中要注意保持正常钻压和较高转速。若需要更强的稳斜组合，可使用双扶正器串联起来作为近钻头扶正器。造斜工具简介转盘钻造斜工具降斜钻具组合类型L1L2强降斜组合9.0～27.0-------弱降斜组合0.818.0～27.0按降斜能力分为强、弱两种。使用中要注意：1.保持小钻压和较低转速2.对于强降斜组合来说，L1越长则降斜能力越强，但不得与井壁有新的接触点。造斜工具的定向定向就是把造斜工具的工具面摆在预定的定向方位线上。定向是定向井的关键技术。定向方法可分为两大类：地面定向法和井下定向法。地面定向法：–在地面井口将造斜工具的工具面摆到预定的方位线上；–通过定向下钻，始终保持工具面预定方位不变，或者始终知道工具面在井下的实际方位；–下钻完后，如果工具面实际方位与预定方位不附，可在地面上通过转盘将工具面扭到预定的定向方位上。–这种方法由于工序复杂，准确性差，目前已经很少应用了。井下定向法：–下钻前给工具面做好标记，正常下钻，将造斜工具下到井底；–然后从钻柱内下入仪器，根据工具面的标记，测量工具面在井下的实际方位；–如果工具面实际方位与预定方位不附，可用转盘调整；–工序简单，准确性高，但需要先进的定向测量仪器。–关键技术：工具面的标记方法。造斜工具的定向工具面的标记方法定向齿刀标记法：–适用于用氟氢酸测斜仪进行测量；–齿刀上的齿尖所指方位，标志着造斜工具的工具面方位。–测量时仪器最下面的铅模压在定向齿刀上，留下齿刀的印痕，于是可知道造斜工具的工具面方位；–同时，氟氢酸液瓶的液面倾斜方位代表着井斜方位。于是知道了工具面方位与井斜方位的关系。–需在下钻前在裸眼内测得井斜方位；造斜工具的定向工具面的标记方法定向磁铁标记法：–适用于磁性测斜仪进行测量；–紧在造斜工具上面接着一根专用的无磁钻铤，在该无磁钻铤的体部装着三对小磁铁，其N极方向与工具面方向的关系是已知的。–测量仪器中有两个磁性罗盘。上罗盘处在三个定向磁铁位置，可测得工具面方位；下罗盘远离定向磁铁，指向正北方位。两罗盘面同时照在一张底片上，于是可知工具面在井下的实际方位。造斜工具的定向工具面的标记方法定向键标记法：–既可用于用磁性测斜仪测量，也可用于陀螺测斜仪测量；–定向接头内有一个定向键。定向键所在的母线就标志着工具面的方位。–测量仪器的罗盘面上有一个“发线”，在测量仪器的最下面有一个“定向鞋”，定向鞋上有一个“定向槽”，在仪器安装时使“发线”与“定向槽”在同一个母线上对齐。–仪器下到井底时，定向鞋的特殊曲线使定向槽自动卡在定向键上，使罗盘面上的发线方位就标志了工具面的方位。–在照相底片上罗盘的指针标志着井斜方位，发线标志了工具面的方位。所以可求得工具面在井下的实际方位。定向井轨迹控制计算装置角的概念造斜工具得造斜率，既可用于改变井斜方位角，同时可用于改变井斜角。如何按照轨迹发展的需要去改变井斜角和井斜方位角呢？关键在于分配造斜率，其关键有在于装置角的计算和安置。定向井轨迹控制计算装置角的概念装置角的定义–井斜铅垂面：•井眼方向线所在的钱垂平面；•井眼方位线所在的钱垂平面；•井底圆上高边方向线所在的钱垂平面；–造斜工具面：•造斜工具作用方向线与井眼轴线构成的平面；定向井轨迹控制计算装置角的概念装置角的定义–井斜铅垂面与造斜工具面的夹角(还不够准确！)；–以井斜铅垂面为基准，顺时针旋转到造斜工具面上所转过的角度；–在井底平面上，以高