第二章定向井的設(shè)計(jì)

1、第二章 定向井的設(shè)計(jì)2.1 定向井設(shè)計(jì)的準(zhǔn)備 2.1.1 定向井基本技術(shù)術(shù)語(yǔ)鉆井工程師首先必須熟練定向井中的一些術(shù)語(yǔ)。(1) 造斜點(diǎn)，Kick-Off Point 或 K.P， 即井眼開(kāi)始從垂直井段傾斜的起點(diǎn)。(2) 井斜角，Inclination或INC，即井眼某一點(diǎn)的軸線(xiàn)的切線(xiàn)與鉛直線(xiàn)之間的夾角。(3) 方位角是表示井眼偏斜的方向，它是指井眼軸線(xiàn)在水平面的投影的方向與正北方向之間的夾角。(4) 井斜變化率，指單位長(zhǎng)度（100英尺或30米）內(nèi)井斜角的變化值，而單位長(zhǎng)度內(nèi)方位角變化值則稱(chēng)為方位變化率。(5) 垂深(True Vertical Depth)，TVD，深度零點(diǎn)到測(cè)點(diǎn)水平面的距離。(

2、6) 閉合距和閉合方位，閉合距指水平面上測(cè)點(diǎn)到井口的距離；閉合方位即在水平投影圖上，測(cè)點(diǎn)與井口聯(lián)線(xiàn)與正北方向的夾角(7) Lead Angle，導(dǎo)角或方位提前角，預(yù)計(jì)造斜時(shí)的方向線(xiàn)與靶點(diǎn)方向線(xiàn)(目標(biāo)方向)的夾角。2.1.2 作業(yè)者應(yīng)提供的設(shè)計(jì)資料(1) 井名、數(shù)量、地區(qū)；(2) 井的垂深；(3) 水平位移與方位；(4) 靶區(qū)描述與限制；(5) 井眼尺寸與套管程序；(6) 泥漿程序；(7) 鄰井位置及可能的測(cè)斜數(shù)據(jù)；(8) 鄰井的鉆井資料；(9) 鉆井承包商的名稱(chēng)及鉆機(jī)號(hào)；(10) 鉆桿描述(11) 鉆鋌及加重鉆桿的資料；(12) 泵型號(hào)、馬力、缸套尺寸、沖程及額定泵壓等；(13) 工具運(yùn)輸和人

3、員計(jì)劃；(14) 能提供的通訊；(15) 承包商及作業(yè)者代表的名字與電話(huà)；(16) 鉆井工具的最小井徑；(17) 定向鉆井人員的食宿；(18) 狗腿嚴(yán)重度限制；(19) 軌跡測(cè)量方式；(20) 任何其他有關(guān)情況。2.1.3 服務(wù)公司應(yīng)提供的設(shè)計(jì)資料(1) 一份(或幾份)定向井設(shè)計(jì)圖；(2) 服務(wù)公司計(jì)劃提供的工具及設(shè)備清單；(3) 非磁鉆鋌的要求；(4) 磁偏角；(5) 推薦的測(cè)量方式；(6) 總體定向鉆井方案；(7) 責(zé)任定向井工程師的名字、地址及電話(huà)；(8) 準(zhǔn)備使用的測(cè)量計(jì)算方法；(9) 人員、設(shè)備的運(yùn)輸計(jì)劃。2.1.4 井眼尺寸(1) 目前的常規(guī)定向工具能滿(mǎn)足6”17-1/2”井眼的定

4、向鉆井；(2) 大尺寸井眼比較容易控制井眼軌跡，而小井眼則相對(duì)較難，因?yàn)樾【坌枋褂酶?、更柔的鉆鋌、鉆桿；(3) 小尺寸井眼中，地層因素對(duì)軌跡的影響較大。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) 如果井眼軌跡很光滑，沒(méi)有很大的狗腿，那么即使在大井斜井段，也能順利進(jìn)行下套管作業(yè)；(3) 井眼傾斜井段，應(yīng)在套管上加扶正器以支撐套管，避免在下套管過(guò)程中，發(fā)生壓差粘卡；(4) 在大井斜井段，可使用較厚的套管以避免磨損；(5) 大多數(shù)定向井可采用直井中的套管程序；(6) 對(duì)于深井或大斜度井，應(yīng)該考慮在鉆桿上

5、加橡膠保護(hù)箍以避免損壞套管或鉆桿。2.1.6 泥漿程序(1) 定向鉆井泥漿程序十分重要，合理的泥漿應(yīng)有足夠的攜砂能力和潤(rùn)滑性，以減少卡鉆的機(jī)會(huì)；(2) 泥漿性能控制對(duì)減少定向井鉆柱拉伸與扭矩也很重要；(3) 泥漿中應(yīng)加潤(rùn)滑劑，泥漿比重與粘度必須隨時(shí)控制；(4) 如果以泥漿作為鉆井液，那么在正常壓力井段，應(yīng)使用高般土，低規(guī)固相含量的泥漿，這樣將有利于清潔井眼；(5) 水泥基漿中加68%的柴油，將保證良好的潤(rùn)滑性能以減少鉆具磨阻和壓差卡鉆；然而在水域鉆井，一定要避免污染水域；(6) 如果有異常高壓井段,要求泥漿比重達(dá)到12.oppg或更高，那么應(yīng)考慮在鉆開(kāi)該高壓地層前，下一層保護(hù)套管，以封固所有正

6、常壓力井段；(7) 能用清水鉆直井的地區(qū),同樣也用清水鉆定向井。2.1.7 造斜點(diǎn)選擇(1) 造斜點(diǎn)通常是越淺越好；(2) 一般來(lái)說(shuō)淺層造斜比深層造斜容易一些，因?yàn)樯顚拥貙油z結(jié)良好；(3) 造斜點(diǎn)至少應(yīng)在前一層套管鞋以下50米，以避免損壞套管鞋；(4) 盡量在大段砂層中造斜，因?yàn)樯皩拥木畯椒€(wěn)定，而頁(yè)巖段較易受到?jīng)_蝕；(5) 對(duì)一口定向井來(lái)說(shuō)，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慮，通常井斜在25°以上井眼方位較穩(wěn)定，而井斜較小時(shí)(5°20°)，井斜、方位都比較難控制。2.1.8 靶的形狀與尺寸(1) 定向井設(shè)計(jì)的第一步就是確定靶區(qū)；(

7、2) 靶區(qū)開(kāi)頭與尺寸通常由地質(zhì)構(gòu)造、產(chǎn)層位置決定，并考慮油區(qū)油井分布情況；(3) 然而，靶區(qū)應(yīng)經(jīng)過(guò)廣泛討論后再確定，以避免靶區(qū)定得太小，不現(xiàn)實(shí)，從而導(dǎo)致作業(yè)費(fèi)用大大增加。2.1.9 平臺(tái)最佳位置選擇(1) 選擇最優(yōu)井位，利用地層的自然漂移趨勢(shì),是非常必要的；(2) 地層走勢(shì)對(duì)井斜有很大的影響；(3) 通過(guò)軟、硬交錯(cuò)的地層，通常鉆頭傾向于垂直地層層面鉆進(jìn)；(4) 如果層狀地層傾角大于45°，通常鉆頭傾向于平行地層層面鉆進(jìn)；(5) 同樣，地層走勢(shì)對(duì)方位漂移有影響。如果預(yù)計(jì)鉆進(jìn)方向同于地層上傾方向，方位將按鉆頭自然漂移趨勢(shì)漂移，而井斜將增加很快；(6) 如果預(yù)計(jì)鉆進(jìn)方向在地層上傾方向的左邊

8、，鉆頭將向右漂移；如果預(yù)計(jì)鉆進(jìn)方向在地層上傾方向的右邊，鉆頭將向左漂移；(7) 因此在地面條件允許的情況下，應(yīng)盡量利用地層走勢(shì)，最大限層地減少井眼的漂移。2.1.10 造斜率選擇(1) 大多數(shù)定向井造斜率為2°3°/30m；如果需要在淺層造斜段獲得較大位移，造斜率可提高到3.55°/30m；(2) 造斜時(shí)，井斜應(yīng)穩(wěn)步增加，直到最大井斜。2.1.11 最大井斜角(1) 常規(guī)定向井,一般最大井斜在20°60°之間；(2) 如果井斜大小(低于20°)，則井眼的井斜、方位都較難控制；(3) 井斜大于60°將使鉆具摩阻大大增加，并且難

9、于進(jìn)行用常規(guī)測(cè)井工具的測(cè)井。渤海定向井1993年所鉆SZ36-1-B10井，最大井斜65°，測(cè)井時(shí)工具所通過(guò)井段的最大井斜為62°，而在65°井段，反復(fù)通井，測(cè)井儀器均不能通過(guò)。2.1.12 降斜率(1) 對(duì)于“S”型井眼，通常降斜段降斜率選擇1°2°/30m；(2) 如果降斜后仍然要鉆較長(zhǎng)的井段，必須采用較小的降斜率，平緩降斜，以避免鍵槽卡鉆。2.1.13 導(dǎo)角(方位提前角)(1) 導(dǎo)角就是指實(shí)際造斜時(shí)的方位與設(shè)計(jì)方位的差值。(2) 通常對(duì)于轉(zhuǎn)盤(pán)鉆進(jìn)時(shí)，鉆頭有右漂趨勢(shì)，但有些定向井方位左漂。(3) 為利用這一自然漂移趨勢(shì)，通常是造斜時(shí)的方位在

10、設(shè)計(jì)方位的左邊，即比設(shè)計(jì)方位小某一角度，即導(dǎo)角。(4) Southern Louisiana Offshore 定向井作業(yè)中，最大導(dǎo)角達(dá)15°30°并且定向控制很成功。2.1.14 狗腿嚴(yán)重度(1) 狗腿嚴(yán)重度是描述井眼軌跡全角變化的尺度。通常以每30米井段的全角變化表示。(2) 通常狗腿較大的井段應(yīng)反復(fù)劃眼，以減小嚴(yán)重程度和形成鍵槽的可能，同時(shí)也能減小鉆柱旋轉(zhuǎn)時(shí)撓曲，避免損壞鉆具。(3) 狗腿嚴(yán)重度計(jì)算公式： a: Cos Dog-Leg=Cos(Inc1)×Cos(Inc2)+Sin(Inc1) ×Sin(Inc2)×Cos(Directi

11、on Change) b: Dog Leg=Cos-1 2.1.15 允許的方位偏移與極限(1) 定向鉆進(jìn)時(shí)，初始造斜方向或在設(shè)計(jì)方位的左邊或右邊，(即選定導(dǎo)角)，然后通過(guò)自然漂移鉆達(dá)靶區(qū)，井眼軌跡是一條空間曲線(xiàn)。(2) 但是對(duì)導(dǎo)角也有一個(gè)限制，在井眼密集的井網(wǎng)中，要求定向井軌跡保持在以設(shè)計(jì)井眼軸線(xiàn)為中心的圓柱內(nèi)，以避免與鄰井相碰。(3) 同樣，由于油藏特性和地質(zhì)地層條件，也對(duì)導(dǎo)角的大小有一定的限制。2.1.16 鄰井和鉆柱的磁場(chǎng)對(duì)測(cè)量?jī)x器的影響(1) 用過(guò)的鉆柱通常已被磁化，因此測(cè)量時(shí)需用非磁鉆鋌。(2) 同時(shí)，鄰井的套管產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)測(cè)量有影響，因此也要加以考慮。2.2 定向井軌跡設(shè)計(jì)與計(jì)算

12、2.2.1 定向井剖面類(lèi)型選擇在進(jìn)行定向設(shè)計(jì)的時(shí)候,首先應(yīng)根據(jù)井身剖面設(shè)計(jì)的原則確定一種井身剖面。井身的剖面類(lèi)型很多。選擇合適的井身剖面不是一位容易的事。它必須考慮到地質(zhì)條件、套管程序、目的層的位置以及鉆井技術(shù)水平等因素。根據(jù)目前國(guó)內(nèi)外的資料和經(jīng)驗(yàn)，最常用的井身剖面有三種。如圖2-1 所示：類(lèi)形1，如圖2-1A所示，這種剖面造斜深度較低，通常在表層套管內(nèi)即達(dá)到所需的井斜角，以后一直穩(wěn)斜鉆至目的層位。該剖面最常用于不下中間套管和單一油層的中深井，也可用于要求水平位移很大，井深較深的井。類(lèi)型2，如圖2-1B所示，這種剖面造斜井深較淺。造斜完后，下表層套管然后穩(wěn)斜鉆進(jìn)。在達(dá)到預(yù)定的水平位移后降斜鉆進(jìn)

13、，直到井眼垂直，然后下中間套管。最后使井眼垂直進(jìn)入油層。該剖面適用于地層情況復(fù)雜需要下中間套管，而且油層較多的井。采用這種剖面，井距易于保持均勻。在斜井段處于較軟的上部地層便于造斜。類(lèi)型3，如圖2-1C所示。這種剖面具有大段的垂直井段，與其它類(lèi)型的剖面相比井斜角可能大一些，且位移小一些。由于造斜點(diǎn)較深，地層膠結(jié)較好，因此造斜費(fèi)時(shí)較長(zhǎng)，且造斜段沒(méi)有用套管封固。圖2-1A 圖2-1B 圖2-1C上述幾種剖面類(lèi)型，并不是一成不變的。在生產(chǎn)實(shí)踐中，常常根據(jù)實(shí)際情況靈活應(yīng)用，設(shè)計(jì)出許多剖面。例如懸鏈線(xiàn)，二次拋物線(xiàn)等井身剖面，選用這類(lèi)井身剖面，鉆具摩阻小。2.2.2 井身剖面的設(shè)計(jì)方法(1) 定向井井身剖

14、面的設(shè)計(jì)方法有三種：作圖法、查圖法、解析法。由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速普及且精度高，因此解析法成為最廣泛使用的一種方法。(2) 解析法的計(jì)算方法2.2.1中所述的第二類(lèi)型井身剖面，即五段制剖面“直-增-穩(wěn)-降-穩(wěn)”，可以作為所有常規(guī)井剖面的代表，故下面以這種剖面為例說(shuō)明其設(shè)計(jì)計(jì)算方法。例1：已知條件：全井總垂井H，靶點(diǎn)垂深Ht，設(shè)計(jì)方位0，進(jìn)入油層角度”，試設(shè)計(jì)該定向井。設(shè)計(jì)步驟： 初步確定井身剖面類(lèi)型采用五段制，即“直-增-穩(wěn)-降-穩(wěn)”。圖2-1為剖面示意圖圖2-2：剖面示意圖 選定造斜點(diǎn)，即確定垂直井段Hv 選定增斜率和降斜率增斜率1，降斜率2，則增斜、降斜井段的曲率半徑分別為： 1 1 R1=

15、- R1=- 1 2 計(jì)算最大井斜角max 通過(guò)幾何關(guān)系，求得方程得： max-1（HO-（HO2+AO2-2RO*AO）1/2）/(2RO-AO) 式中:HO=Ht-Hv+R2*sin* AO=At+R1-R2*cos* RO=R1+R2井身剖面的計(jì)算，按照曲率半徑法原理通過(guò)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)。 2.2.3 實(shí)際井眼軸線(xiàn)的計(jì)算方法(1) 井眼軌跡的測(cè)量方法分類(lèi)，共分為三類(lèi)七種方法：第一類(lèi)：直線(xiàn)法，包括正切法和平均角法。第二類(lèi)：折線(xiàn)法，即平衡正切法。第三類(lèi)：曲線(xiàn)法，包括圓柱螺線(xiàn)法(曲率半徑法)、校正平均角法、弦步法。(2）現(xiàn)場(chǎng)常用的測(cè)量計(jì)算方法在上述七種計(jì)算方法中，從計(jì)算假設(shè)中的合理性上看，直線(xiàn)法不如曲線(xiàn)法，但直線(xiàn)和折線(xiàn)法較為簡(jiǎn)單，而曲線(xiàn)較為復(fù)雜。由于計(jì)算機(jī)得到普遍應(yīng)用，因此曲線(xiàn)也就成了最普遍的方法，尤其是圓柱螺線(xiàn)法(曲率半徑法)和最小曲率法。下面介紹現(xiàn)場(chǎng)常用的兩種方法：(一) 平均角法(角-平均法) (Angle-averaging ethod)此法認(rèn)為兩相鄰測(cè)點(diǎn)之間的井眼為一直線(xiàn)，該直線(xiàn)的井斜角和方位角等于上下兩測(cè)點(diǎn)相應(yīng)角度的算術(shù)平均值。即 A+B V= - 2 A+B V= - 2其余計(jì)算公式