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定向井知识培训教材钻井工程技术研究院二〇〇六年五月第二节定向井钻井技术学习目标：了解负压钻井技术，熟悉平衡钻井及近平衡钻井技术，掌握定向钻井技术，能够进行定向操作。准备工作：（1）井眼畅通，钻井泵及固控设备运转正常。（2）根据井底井斜角、方位角及地层岩性，选择相应的定向接头和弯接头。（3）检查动力钻具是否符合要求。（4）检查是否无磁钻铤内的磁铁块嵌装是否牢固；（5）装好测斜仪，检查测斜绞车固定是否牢固、刹车是否可靠，钢丝是否完好不打扭。一、定向井的基本概念定向井是按照一定的目的和要求，沿预先设计的井斜角、方位角和井眼轴线形状进行钻进的井。定向井相对直井而言它具有一定的井斜角和方位角，而直井是井斜角为零的井，虽然实钻井眼都存在一定井斜度，但它仍然是直井。1．定向井的发展史定向井首先是从美国发展起来的，在十九世纪后期，美国的旋转钻井代替了顿钻钻井。当时没有考虑控制井身轨迹的问题，认为钻出来的井必定是铅垂的，但通过后来的井筒测试发现，那些垂直井远非是垂直的。并由于井斜原因造成了侵犯别人租界而造成被起诉的案例。最早采用定向井钻井技术是在井下落物无法处理后的侧钻。早在1895年美国就使用了特殊的工具和技术达到了这一目的。有记录定向井实例是美国在二十世纪三十年代初在加利福尼亚油田钻成的。第一口救援井是1934年在东德克萨斯康罗油田钻成的。救援井是指定向井与失控井具有一定距离，在设计和实际钻井让救援井和失控井眼相交，然后自救援井内注入重泥浆压住失控井。目前最深的定向井由BP勘探公司钻成，井深达10654米；水平位移最大的定问井是BP勘探公司于己于1997年在英国北海的RychFarn油田钻成的M11井，水平位移高达10114米。我国定向钻井技术的发展可以分为三个阶段，50—60年代开始起步，首先在玉门和四川油田钻成定向井及水平井：玉门油田的C2—15井和四川磨三井，其中磨三井总井深168米，垂直井深350米，水平位移444．2米，最大井斜92°，水平段长160米；70年代扩大试验，推广定向井钻井技术；80年代通过进行集团化联合技术攻关，使得我国定向钻井软件到硬件都有了一个大的发展。2．定向钻井的分类按定向钻井的用途分类可分为以下几种类型：普通定向井多目标定向井丛式井定向井救援定向井水平井空间三维多目标水平井分枝井、多底井3．定向井基本术语1）井深：指井口（转盘面）至测点的井眼实际长度，人们常称为斜深。国外称为测量深度（MeasureDepth）。2）测深：测点的井深，是以测量装置（AngleUnit）的中点所在井深为准。3）井斜角：该测点处的井眼方向线与重力线之间的夹角（见图1．1）。井斜角常以希腊字母α表示，单位为度。4）井斜方位角：是指以正北方位线为始边，顺时针旋转至井斜方位线所转过的角度（见图1．2）。井斜方位角常以希腊字母Φ表示，单位为度。实际应用过程中常常简称为方位角。5）磁方位角：磁力测斜仪测得的井斜方位角是以地球磁北方位线为准的，称磁方位角。图1．1井斜角示意图图1．2井斜方位角示意图6）磁偏角：磁北方位线与真北方位线并不重合，两者之间有一个夹角，这个夹角称为磁偏角。磁偏角又有东磁偏和西磁偏角之分，当磁北方位线在正北方位线以东时，称为东偏角；当磁北方位线在正北方位线以西时称为西偏磁偏角。进行磁偏角校正时按以下公式计算：真方位角＝磁方位角＋东偏磁偏角真方位角＝磁方位角一西偏磁偏角图1．3磁偏角示意图7）井斜变化率：是指井斜角随井深变化的快慢程度，常以Ka表示，井斜变化率的单位常以每100米度表示。8）井深方位变化率：实际应用中简称方位变化率，是指井斜方位角随井深变化的快慢程度，常用KΦ表示。井斜方位变化率的单位常以每100米度进行表示。9）全角变化率（狗腿严重或井眼曲率）：从井眼内的一个点到另一个点，井眼前进方向变化的角度（两点处井眼前进方向线之间的夹角），该角度既反映了井斜角度的变化又反映了方位角度的变化，通常称为全角变化值。两点间的全角变化值γ相对与两点间井眼长度△L变化的快慢及为全角变化率。10）垂深（垂直井深）：即某测点的垂直深度，以H表示。是指井身任意一点至转盘面所在平面的距离。11）水平投影长度：是指自井口至测点的井眼长度在水平面上的投影长度。以S表示。12）水平位移：简称平移，是指测点到井口垂线的距离。在国外又称为闭合距（ClosureDistance）。13）平移方位角：又称为闭合方位角（ClosureAzimuth），常用θ表示，是指以正北方位线为始边顺针方向转至平移方位线上所转过的角度。14）视平移：又称为投影位移，井身上的某点在垂直投影面上的水平位移。在实际定向井钻井过程中，这个投影面选在设计方位线上。所以视平移也可以定义为水平位移在设计线上的投影。15）高边：在斜井段用一个垂直于井眼轴线的平面于井眼（这时的井眼不能理解为一条线，而是一个具有一定直径的圆）相交，由于井眼是倾斜的，故井眼在该平面上有一个最高点，最高点与井眼圆心所形成的直线即为井眼的高边。16）工具面：工具面就是造斜工具弯曲方向的平面。17）磁性工具面角：造斜工具弯曲的平面与正北方位所在平面的夹角。18）高边工具面角：造斜工具弯曲方向的平面与井斜方位角所在平面的夹角。19）装置角：造斜工具弯曲方向的平面与原井斜方向所在平面的夹角，通常用ω表示。20）反扭矩：在用井底动力钻具钻进时，都存在一个与钻头转动方向相反的扭矩，该扭矩被称为反扭矩。21）反扭角：使用井底动力钻具钻进时，都存在一个与钻头转动方向相反的扭矩，由于该扭矩的作用，使得井底钻具外壳向逆时针方向转动一个角度，该角度被称为反扭角。22）贮层顶部：水平井段控制油层的顶部23）贮层底部：水平井段控制油层的底部24）设计入口角度：进入储层顶部的井斜角度25）着陆点：井眼轨迹中井斜角达到90°的点26）入口窗口高度：入靶点垂直方向上下误差之和27）入口窗口宽度：入靶点水平方向左右误差之和28）出口窗口高度：出靶点垂直方向上下误差之和29）出口窗口宽度：出靶点水平方向左右误差之和30）着陆点允许水平偏差：着陆点允许水平方向前后的误差31）单弯动力钻具：动力钻具壳体上具有一个弯曲角度的动力钻具，特点是造斜率较弯接头组合高，钻头偏移较小第二节水平井钻井技术简介所谓水平井，是指一种井斜角大于或等于86°，并保持这种角度钻完一定长度水平段的定向井。1、水平井的类型及各种类型水平井的特点（1）水平井的类型：根据水平井曲率半径的大小分为：长曲率半径水平井（小曲率水平井）；中曲率半径水平井（中曲率水平井）；短曲率半径水平井（大曲率水平井）。（2）不同曲率水平井的基本特征及优缺点①不同曲率水平井的基本特征表井型项目长半径水平井中半径水平井短半径水平井造斜率＜6°／30米6°-20°／30米150°-300°／30米曲率半径304—914米291—87米12—6米井眼尺寸无限制121／4″--43／4″61／4″--43／4″钻井方式转盘钻或导向钻井系统造斜段：特种马达或导向钻井系统水平段：转盘钻或导向钻井系统以使用特种工具的转盘钻进为主，目前也使用特种马达方式钻杆常规钻杆＞15°／100米使用抗压钻杆铰接驱动钻杆测量工具无限制有线随钻测斜仪，MWD，但井眼＜61／8″时不能使用转盘钻井时使用多点测斜仪马达钻井时使用有线随钻测斜仪地面设备常规钻机常规钻机需要配备顶部驱动系统或动力水龙头完井方式无限制无限制裸眼或割缝管②不同曲率水平井的优缺点优点缺点长半径水平井1.穿透油层段最长2.使用标准的钻具及套管3.“狗腿严重度”最小4.使用常规钻井设备5.可使用多种完井方法6.可采用多种举升采油工艺7.测井及取芯方便8.井眼及工具尺寸不受限制1.井眼轨道控制段最长2.全井斜深增加最多3.钻井费用增加4.各种下部钻具组合较长5.不适合薄油层和浅油层6.转盘扭矩较大7.套管用量最大8.穿过油层长度与总水平位移比最小中半径水平井1.进入油层时无效井段较短2.使用的井下工具接近常规工具3.使用动力钻具成导向钻井系统4.离构造控制点较近5.可使用常规的套购及完井方法6.并下扭矩及阻力较小7.较高及较稳定的造斜率8.井眼轨迹控制井段较短9.穿透油层段较长（1000米）10.井眼尺寸不受限制11.可以测井及取芯12.从一口直井可以钻多口水平分枝井13.可实现有选择的完井方案1.要求使用MWD测量系统2.要求使用加重钻杆或抗压缩钻杆短半径水平井l.井眼曲线段最短2.侧钻容易3.能够准确击中油层目标4.从一口直井可以钻多口水平分枝井5.直井段与油层距离最小6.可用于浅油层7.全井斜深最小8.不受地表条件的影响1．非常规的井下工具2．非常规的完井方法3．穿透油层段短（120—180米）4．井眼尺寸受到限制5．起下钻次数多6．要求使用顶部驱动系或动力水龙头7．井眼方位控制受到限制8．目前还不能进行电测表1水平井分类造斜率分类造斜率半径国际长2°－8°/25.4m2865－716m中8°－30°/25.4m716－191m中短30°－60°/25.4m191－95m短60°－200°/25.4m95－28m国内长＜8°/30m286.5m中8°－20°/30m286.5－86m中短20°－70°/30m85－24m短70°－300°/30m24－5.77m2、定向井、水平井基本施工步骤简介1）定向井井位的确定井位坐标要求：基本数同一般直井。丛式井坐标需一同下发，以便作出丛式井整体设计。注明各中靶点的坐标及垂直深度，提供最新井位构造图。2）地面井口位置的选择工程、地质设计及测量人员根据井位坐标和地面实际条件确定井口位置和井架整托方向（丛式井）。井口位置选择尽量利用地层自然造斜规律。多目标井井口位置在第一靶点和最后一个靶点联线的延长线上。井架立好后需要进行井口坐标的复测。2003年钻井四公司施工文新99-1井时，项目组对该区块进行调研，摸清该区块的自然造斜（280°）情况，建议甲方对井口进行适当移动（原井口东移40米），利用地层自然造斜规律进行造斜，全井没用随钻测斜仪定向而顺利中靶；这样既加快了钻井速度，又保证了施工质量。3）定向井设计地质设计在坐标初测后提出初步设计，在坐标复测后提出正式设计。地质设计除包括一般井内容外，在工程施工中要求必须说明靶点相对与井口的位移和方位，多目标井说明靶点之间的稳斜角度。附最新井位构造图、油藏剖面图、设计轨迹水平投影图和垂直投影图。工程设计必须符合地质设计要求。井身轨迹设计数据表，特殊工艺技术措施。井身结构及分段钻具组合和钻井参数等。4）设备要求（钻机）根据定向井垂直井深、水平位移、井身结构和井眼曲率选择设备类型。推荐设备标准（使用于位移／垂深＜0.4的定向井）：垂深＜2800米、水平位移＜600米，选用3200米钻机；垂深＜3500米、水平位移＜1200米，选用4500米钻机；垂深＜4500米、水平位移＜2000米，选用6000米钻机；垂深＜4500米、水平位移＞1500米，选用7000米钻机。5）定向井靶区半径标准不同井深靶区半径要求（总公司标准）：靶区垂深（米）靶区半径（米）靶区垂深（米）靶区半径（米）≤1000≤30≤3000≤80≤1500≤40≤3500≤100≤2000≤50≤4000≤120≤2500≤65≤4500≤1403、定向井、水平井井身轨迹控制技术无论是定向井，还是水平井，控制井眼轨迹的最终目的都是要按设计要求中靶。但因水平井的井身剖面特点、目的层靶区的要求等与普通定向井和多目标井不同，在井眼轨迹控制方面具有许多与定向井、多目标井不同的新概念，需要建立一套新的概念和理论体系来作为水平井井眼轨迹控制的理论依据和指导思想。我们在长、中半径水平井的井眼轨迹控制模式的形成和验证过程中，针对不断出现的轨迹控制问题，建立了适应于水平井轨迹控制特点的几个新概念。一、中靶概念地质给出的水平井靶区通常是一个在目的层内以设计的水平井眼轨道为轴线的柱状靶，其横截面多为矩形或圆。我们可以把这个柱状靶看成是由无数个相互平行的法面平面组成，因此，控制水平井井眼轨迹中靶，与普通定向井、多目标井是个截然不同