第二章定向井的設計

1、第二章 定向井的設計2.1 定向井設計的準備 2.1.1 定向井基本技術術語鉆井工程師首先必須熟練定向井中的一些術語。(1) 造斜點，Kick-Off Point 或 K.P， 即井眼開始從垂直井段傾斜的起點。(2) 井斜角，Inclination或INC，即井眼某一點的軸線的切線與鉛直線之間的夾角。(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，指單位長度（100英尺或30米）內(nèi)井斜角的變化值，而單位長度內(nèi)方位角變化值則稱為方位變化率。(5) 垂深(True Vertical Depth)，TVD，深度零點到測點水平面的距離。(

2、6) 閉合距和閉合方位，閉合距指水平面上測點到井口的距離；閉合方位即在水平投影圖上，測點與井口聯(lián)線與正北方向的夾角(7) Lead Angle，導角或方位提前角，預計造斜時的方向線與靶點方向線(目標方向)的夾角。2.1.2 作業(yè)者應提供的設計資料(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斜數(shù)據(jù)；(8) 鄰井的鉆井資料；(9) 鉆井承包商的名稱及鉆機號；(10) 鉆桿描述(11) 鉆鋌及加重鉆桿的資料；(12) 泵型號、馬力、缸套尺寸、沖程及額定泵壓等；(13) 工具運輸和人

3、員計劃；(14) 能提供的通訊；(15) 承包商及作業(yè)者代表的名字與電話；(16) 鉆井工具的最小井徑；(17) 定向鉆井人員的食宿；(18) 狗腿嚴重度限制；(19) 軌跡測量方式；(20) 任何其他有關情況。2.1.3 服務公司應提供的設計資料(1) 一份(或幾份)定向井設計圖；(2) 服務公司計劃提供的工具及設備清單；(3) 非磁鉆鋌的要求；(4) 磁偏角；(5) 推薦的測量方式；(6) 總體定向鉆井方案；(7) 責任定向井工程師的名字、地址及電話；(8) 準備使用的測量計算方法；(9) 人員、設備的運輸計劃。2.1.4 井眼尺寸(1) 目前的常規(guī)定向工具能滿足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，而小井眼則相對較難，因為小井眼需使用更小、更柔的鉆鋌、鉆桿；(3) 小尺寸井眼中，地層因素對軌跡的影響較大。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，沒有很大的狗腿，那么即使在大井斜井段，也能順利進行下套管作業(yè)；(3) 井眼傾斜井段，應在套管上加扶正器以支撐套管，避免在下套管過程中，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) 對于深井或大斜度井，應該考慮在鉆桿上

5、加橡膠保護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，合理的泥漿應有足夠的攜砂能力和潤滑性，以減少卡鉆的機會；(2) 泥漿性能控制對減少定向井鉆柱拉伸與扭矩也很重要；(3) 泥漿中應加潤滑劑，泥漿比重與粘度必須隨時控制；(4) 如果以泥漿作為鉆井液，那么在正常壓力井段，應使用高般土，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,要求泥漿比重達到12.oppg或更高，那么應考慮在鉆開該高壓地層前，下一層保護套管，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 造斜點選擇(1) 造斜點通常是越淺越好；(2) 一般來說淺層造斜比深層造斜容易一些，因為深層地層往往膠結良好；(3) 造斜點至少應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，因為砂層的井徑穩(wěn)定，而頁巖段較易受到?jīng)_蝕；(5) 對一口定向井來說，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(5°20°)，井斜、方位都比較難控制。2.1.8 靶的形狀與尺寸(1) 定向井設計的第一步就是確定靶區(qū)；(

7、2) 靶區(qū)開頭與尺寸通常由地質構造、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)應經(jīng)過廣泛討論后再確定，以避免靶區(qū)定得太小，不現(xiàn)實，從而導致作業(yè)費用大大增加。2.1.9 平臺最佳位置選擇(1) 選擇最優(yōu)井位，利用地層的自然漂移趨勢,是非常必要的；(2) 地層走勢對井斜有很大的影響；(3) 通過軟、硬交錯的地層，通常鉆頭傾向于垂直地層層面鉆進；(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；(5) 同樣，地層走勢對方位漂移有影響。如果預計鉆進方向同于地層上傾方向，方位將按鉆頭自然漂移趨勢漂移，而井斜將增加很快；(6) 如果預計鉆進方向在地層上傾方向的左邊

8、，鉆頭將向右漂移；如果預計鉆進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，應盡量利用地層走勢，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，井斜應穩(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、于進行用常規(guī)測井工具的測井。渤海定向井1993年所鉆SZ36-1-B10井，最大井斜65°，測井時工具所通過井段的最大井斜為62°，而在65°井段，反復通井，測井儀器均不能通過。2.1.12 降斜率(1) 對于“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 導角(方位提前角)(1) 導角就是指實際造斜時的方位與設計方位的差值。(2) 通常對于轉盤鉆進時，鉆頭有右漂趨勢，但有些定向井方位左漂。(3) 為利用這一自然漂移趨勢，通常是造斜時的方位在

10、設計方位的左邊，即比設計方位小某一角度，即導角。(4) Southern Louisiana Offshore 定向井作業(yè)中，最大導角達15°30°并且定向控制很成功。2.1.14 狗腿嚴重度(1) 狗腿嚴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反復劃眼，以減小嚴重程度和形成鍵槽的可能，同時也能減小鉆柱旋轉時撓曲，避免損壞鉆具。(3) 狗腿嚴重度計算公式： 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) 定向鉆進時，初始造斜方向或在設計方位的左邊或右邊，(即選定導角)，然后通過自然漂移鉆達靶區(qū)，井眼軌跡是一條空間曲線。(2) 但是對導角也有一個限制，在井眼密集的井網(wǎng)中，要求定向井軌跡保持在以設計井眼軸線為中心的圓柱內(nèi)，以避免與鄰井相碰。(3) 同樣，由于油藏特性和地質地層條件，也對導角的大小有一定的限制。2.1.16 鄰井和鉆柱的磁場對測量儀器的影響(1) 用過的鉆柱通常已被磁化，因此測量時需用非磁鉆鋌。(2) 同時，鄰井的套管產(chǎn)生的磁場對測量有影響，因此也要加以考慮。2.2 定向井軌跡設計與計算

12、2.2.1 定向井剖面類型選擇在進行定向設計的時候,首先應根據(jù)井身剖面設計的原則確定一種井身剖面。井身的剖面類型很多。選擇合適的井身剖面不是一位容易的事。它必須考慮到地質條件、套管程序、目的層的位置以及鉆井技術水平等因素。根據(jù)目前國內(nèi)外的資料和經(jīng)驗，最常用的井身剖面有三種。如圖2-1 所示：類形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。在達到預定的水平位移后降斜鉆進

13、，直到井眼垂直，然后下中間套管。最后使井眼垂直進入油層。該剖面適用于地層情況復雜需要下中間套管，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。由于造斜點較深，地層膠結較好，因此造斜費時較長，且造斜段沒有用套管封固。圖2-1A 圖2-1B 圖2-1C上述幾種剖面類型，并不是一成不變的。在生產(chǎn)實踐中，常常根據(jù)實際情況靈活應用，設計出許多剖面。例如懸鏈線，二次拋物線等井身剖面，選用這類井身剖面，鉆具摩阻小。2.2.2 井身剖面的設計方法(1) 定向井井身剖

14、面的設計方法有三種：作圖法、查圖法、解析法。由于計算機技術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) 解析法的計算方法2.2.1中所述的第二類型井身剖面，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明其設計計算方法。例1：已知條件：全井總垂井H，靶點垂深Ht，設計方位0，進入油層角度”，試設計該定向井。設計步驟： 初步確定井身剖面類型采用五段制，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，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 計算最大井斜角max 通過幾何關系，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井身剖面的計算，按照曲率半徑法原理通過計算機實現(xiàn)。 2.2.3 實際井眼軸線的計算方法(1) 井眼軌跡的測量方法分類，共分為三類七種方法：第一類：直線法，包括正切法和平均角法。第二類：折線法，即平衡正切法。第三類：曲線法，包括圓柱螺線法(曲率半徑法)、校正平均角法、弦步法。(2）現(xiàn)場常用的測量計算方法在上述七種計算方法中，從計算假設中的合理性上看，直線法不如曲線法，但直線和折線法較為簡單，而曲線較為復雜。由于計算機得到普遍應用，因此曲線也就成了最普遍的方法，尤其是圓柱螺線法(曲率半徑法)和最小曲率法。下面介紹現(xiàn)場常用的兩種方法：(一) 平均角法(角-平均法) (Angle-averaging ethod)此法認為兩相鄰測點之間的井眼為一直線，該直線的井斜角和方位角等于上下兩測點相應角度的算術平均值。即 A+B V= - 2 A+B V= - 2其余計算公式