定向井水平井培訓(xùn)

1、第一章 定向井（水平井）鉆井技術(shù)概述第一節(jié) 定向井、水平井基本概念 1、定向井、叢式井、水平井發(fā)展介紹定向井是按照預(yù)先設(shè)計的井斜角、方位角和井眼軸線形狀進(jìn)行鉆進(jìn)的井。定向井相對直井而言它具有一定的井斜角和方位角，而直井是井斜角為零的井，雖然實鉆井眼都存在一定井斜度，但它仍然是直井。定向井首先是從美國發(fā)展起來的，在十九世紀(jì)后期，美國的旋轉(zhuǎn)鉆井代替了頓鉆鉆井。當(dāng)時沒有考慮控制井身軌跡的問題，認(rèn)為鉆出來的井必定是鉛垂的，但通過后來的井筒測試發(fā)現(xiàn)，那些垂直井遠(yuǎn)非是垂直的。并由于井斜原因造成了侵犯別人租界而造成被起訴的案例。最早采用定向井鉆井技術(shù)是在井下落物無法處理后的側(cè)鉆。早在1895年美國就使用了特

2、殊的工具和技術(shù)達(dá)到了這一目的。有記錄定向井實例是美國在二十世紀(jì)三十年代初在加利福尼亞油田鉆成的。 第一口救援井是1934年在東德克薩斯康羅油田鉆成的。救援井是指定向井與失控井具有一定距離，在設(shè)計和實際鉆井讓救援井和失控井眼相交，然后自救援井內(nèi)注入重泥漿壓住失控井。目前最深的定向井由BP勘探公司鉆成，井深達(dá)10654米； 水平位移最大的定問井是BP勘探公司于己于1997年在英國北海的 Rych Farn油田鉆成的M11井，水平位移高達(dá)10114米。 我國定向鉆井技術(shù)的發(fā)展可以分為三個階段，5060年代開始起步，首先在玉門和四川油田鉆成定向井及水平井：玉門油田的C215井和四川磨三井，其中磨三井總

3、井深168米，垂直井深350米，水平位移4442米，最大井斜92°，水平段長160米；70年代擴(kuò)大試驗，推廣定向井鉆井技術(shù)；80年代通過進(jìn)行集團(tuán)化聯(lián)合技術(shù)攻關(guān)，使得我國定向鉆井軟件到硬件都有了一個大的發(fā)展。 我國目前最深的水平井是勝利油田完成的DH1-H1井，完鉆井深達(dá)到645200米。水平位移最大的大位移井是海洋石油總公司南海東部公司完成的西江24-3-A14井，水平位移超過8000米。最大的叢式井組是勝利油田完成的河50叢式井組，該叢式井組長384米，寬115米，共完成定向井42口。2定向鉆井的分類 按定向鉆井的用途分類可分為以下幾種類型：普通定向井多目標(biāo)定向井 叢式井定向井 救

4、援定向井水平井空間三維多目標(biāo)水平井分枝井、多底井國外定向鉆井發(fā)展簡況內(nèi)容 年代50年代60年代70年代80年代90年代剖面設(shè)計及軌跡計算方法誤差很大的正切法進(jìn)行軌跡計算發(fā)展到三維設(shè)計和大組叢式井整體設(shè)計計算機(jī)專家系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計和指導(dǎo)施工井斜控制理論斜井段二維分析三維數(shù)據(jù)分析，由靜態(tài)發(fā)展到動態(tài)發(fā)展了多種分析計算方法并編制了計算機(jī)程序定向造斜工藝渦輪加彎接頭斜向器配合轉(zhuǎn)盤鉆渦輪、螺桿動力田具向低速大扭矩發(fā)展。各種專用井下工具系列化發(fā)展了復(fù)合式動力鉆具，導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)，長壽命PDC鉆頭等測量方式氫氟酸玻璃法和地面定向法有線隨鉆測斜儀投入工業(yè)性使用，無線隨鉆測斜儀研制成功多種無線隨鉆測斜系統(tǒng)投入工業(yè)使用和

5、發(fā)展了電子測量系統(tǒng)和陀螺測量系統(tǒng)定向井鉆井水平精度要求不高中深定向井可打準(zhǔn)確度較高的定向救援井和大組叢式井鉆成大量水平井，從大半徑水平井到小半徑水平井、多底泄油井我國定向鉆井技術(shù)發(fā)展情況內(nèi)容 年代60年代80年代90年代剖面設(shè)計及軌跡計算方法設(shè)計采用查表法、圖解法等精度不高的方法發(fā)展了曲率半徑法，最小曲率半徑法精確的軌跡計算和設(shè)計方法，編制了預(yù)測和防碰掃描的計算機(jī)軟件包。引入了人工智能和專家系統(tǒng)井斜控制理論進(jìn)行了鉆具的二維靜態(tài)分析主要使用有限元法發(fā)展了多種新的分析計算方法，例如：平衡梁法、加權(quán)余量法等，并編制了計算機(jī)分析程序理論分析模型由靜態(tài)發(fā)展到動態(tài)，由二維發(fā)展到三維定向造斜工藝使用地面定向

6、法（鉆桿打鋼?。?shù)據(jù)測量石油電測井?dāng)?shù)據(jù)。使用精度高的磁性單多點測斜儀進(jìn)行定向和軌跡數(shù)據(jù)測量，發(fā)展了有線隨鉆測斜儀定向。發(fā)展了導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)，初步研制出徑向水平井造斜工藝測量方式氫氟酸測斜儀，機(jī)械式羅盤的電測井方法。多種引進(jìn)的有線隨鉆測斜儀系統(tǒng)投入工業(yè)使用和發(fā)展了電子測量系統(tǒng)及陀螺測量系統(tǒng)發(fā)展了無線隨鉆測斜系統(tǒng)引進(jìn)了帶地質(zhì)參數(shù)的MWD系統(tǒng)定向井鉆井水平簡單的單口定向井、水平井位移小，精度低鉆成了大量高難度定向井、大組叢式井、多目標(biāo)井、套管定向開窗井、水平井也從大半徑水平井發(fā)展到了中半徑水平井在水平井方面取得大型突破，鉆成了長、中、短半徑水平井第二節(jié) 水平井鉆井技術(shù)簡介所謂水平井，是指一種井斜角大

7、于或等于86°，并保持這種角度鉆完一定長度水平段的定向井。1、水平井鉆井技術(shù)發(fā)展概況1863年，瑞士工程師首先提出鉆水平井的建議；1870年，俄國工程師在勃良斯克市鉆成井斜角達(dá)60°的井； 瑞典和美國研制出測量井眼空間位置的儀器，1888年俄國也設(shè)計出了測斜儀器；1929年，美國加利福尼亞州鉆成了幾米長的水平分支井筒；30年代，美國開始用撓性鉆具組合在垂直井內(nèi)鉆曲率半徑小的水平分支井眼；1954年蘇聯(lián)鉆成第一口水平井；1964年一1965年我國鉆成兩口水平井，磨-3井、巴-24井；自從80年代以來，隨著先進(jìn)的測量儀器、長壽命馬達(dá)和新型PDC鉆頭等技術(shù)的發(fā)展，水平井鉆井大規(guī)模

8、高速度的發(fā)展起來。我國水平井鉆井在90年代以來也取得了很大發(fā)展，勝利油田已完成各種類型水平井近400口，水乎井鉆井水平和速度不斷提高。中原油田中原油田在1991年施工了一口長半徑水平井衛(wèi)225井，當(dāng)時鉆井施工非常成功，各項技術(shù)指標(biāo)屬國內(nèi)領(lǐng)先水平，但是由于后續(xù)技術(shù)手段不足，造成該井未獲得預(yù)期的開采效果（到2001年，該井才獲得較好的工業(yè)投產(chǎn)）。經(jīng)過10年的反復(fù)論證，2001年中原油田部署了云2-平1井、胡5-平1井、文92-平1井，鉆井過程中由于油層與地質(zhì)設(shè)計的偏差，出現(xiàn)了井眼軌跡上翹下扣的現(xiàn)象，對施工安全造成了很大隱患。2004年，油田部署了第一口天然氣水平井和第一批中短半徑小井眼開窗側(cè)鉆水平

9、井，水平井技術(shù)邁入國內(nèi)先進(jìn)水平行列。具體見下表(近期完成的部分水平井技術(shù)服務(wù))序號井 號類型井深(m)垂深(m)最大井斜(°)開窗或側(cè)鉆井深位移(m)最大造斜率（°/m）水平段長(m)完成年份施工地點1TK318CH-1短半徑側(cè)鉆水平井5705.085451.8497.053962731.42132004塔河油田2TK318CH-2短半徑側(cè)鉆水平井5793.865444.9895.25399.99337.811.4276.72004塔河油田3豐收3-平18 1/2井眼常規(guī)水平井2448.282120.796.21690669.10.38333.482004江蘇油田4周9-5

10、-3CH5 1/2套管開窗側(cè)鉆水平井2685240088.22320.593000.401502004江漢油田5濮側(cè)平1309 5/8套管開窗側(cè)鉆水平井30682859.59217602850.45702004中原油田6濮側(cè)平165 1/2套管開窗側(cè)鉆水平井2549.67239387.321072420.6078.112004中原油田7橋69-平18 1/2常規(guī)天然氣水平井42483692.4192.13280721.420.42461.732004中原油田8濮1-側(cè)平2395 1/2套管開窗側(cè)鉆水平井26622430.6893.72156254.220.55612004中原油田9濮6-側(cè)平6

11、55 1/2套管開窗側(cè)鉆水平井2856.672751.16762503196.680.46802004中原油田附表1：近期完成的部分水平井技術(shù)服務(wù)序號井 號類型井深(m)垂深(m)最大井斜(°)開窗或側(cè)鉆井深位移(m)最大造斜率（°/m）水平段長(m)施工日期施工地點10濮2-平18 1/2井眼常規(guī)水平井28802371.5592.72086.02629.220.45389.512004中原油田11文92-平18 1/2井眼常規(guī)水平井36803177.794.92844606.20.44376.52003中原油田12云2-平18 1/2井眼常規(guī)水平井32002234.129

12、41890.871099.660.41757.612003中原油田13胡5-平18 1/2井眼常規(guī)水平井26102096.5993.11755.69646.830.532842003中原油田14濮1-側(cè)平2315 1/2套管開窗側(cè)鉆水平井2600240896.52042265.90.601092005中原油田15濮1-側(cè)平1935 1/2套管開窗側(cè)鉆水平井2788240191.321375000.60158.112005中原油田2、水平井的類型及各種類型水平井的特點（1）水平井的類型：根據(jù)水平井曲率半徑的大小分為：長曲率半徑水平井（小曲率水平井）；中曲率半徑水平井（中曲率水平井）；短曲率半徑水

13、平井（大曲率水平井）。（2）不同曲率水平井的基本特征及優(yōu)缺點 不同曲率水平井的基本特征表井型 項目 長半徑水平井中半徑水平井短半徑水平井造斜率6°30米6°-20°30米15°-30°30米曲率半徑304914米29187米126米井眼尺寸無限制1214-434614-434鉆井方式轉(zhuǎn)盤鉆或?qū)蜚@井系統(tǒng)造斜段：特種馬達(dá)或?qū)蜚@井系統(tǒng)水平段：轉(zhuǎn)盤鉆或?qū)蜚@井系統(tǒng)以使用特種工具的轉(zhuǎn)盤鉆進(jìn)為主，目前也使用特種馬達(dá)方式鉆 桿常規(guī)鉆桿15°100米使用抗壓鉆桿鉸接驅(qū)動鉆桿測量工具無限制有線隨鉆測斜儀，MWD，但井眼6 18時不能使用轉(zhuǎn)盤鉆井時使

14、用多點測斜儀馬達(dá)鉆井時使用有線隨鉆測斜儀地面設(shè)備常規(guī)鉆機(jī)常規(guī)鉆機(jī)需要配備頂部驅(qū)動系統(tǒng)或動力水龍頭完井方式無限制無限制裸眼或割縫管表1 水平井分類造斜率分類造斜率半徑國際長2°8°/25.4 m2865716 m中8°30°/25.4m716191 m中短30°60°/25.4m19195 m短60°200°/25.4m9528 m國內(nèi)長8°/30m286.5m中8°20°/30m286.586m中短20°70°/30m8524m短70°300°/

15、30m245.77m 不同曲率水平井的優(yōu)缺點優(yōu)點缺點長半徑水平井1.穿透油層段最長 2.使用標(biāo)準(zhǔn)的鉆具及套管3.“狗腿嚴(yán)重度”最小4.使用常規(guī)鉆井設(shè)備5.可使用多種完井方法6.可采用多種舉升采油工藝7.測井及取芯方便8.井眼及工具尺寸不受限制1.井眼軌道控制段最長2.全井斜深增加最多3.鉆井費(fèi)用增加4.各種下部鉆具組合較長5.不適合薄油層和淺油層6.轉(zhuǎn)盤扭矩較大 7.套管用量最大8.穿過油層長度與總水平位移比最小中半徑水平井1.進(jìn)入油層時無效井段較短2.使用的井下工具接近常規(guī)工具3.使用動力鉆具成導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)4.離構(gòu)造控制點較近5.可使用常規(guī)的套購及完井方法6.并下扭矩及阻力較小7.較高及較穩(wěn)

16、定的造斜率8.井眼軌跡控制井段較短9.穿透油層段較長（1000米）10.井眼尺寸不受限制11.可以測井及取芯12.從一口直井可以鉆多口水平分枝井13.可實現(xiàn)有選擇的完井方案1. 要求使用MWD測量系統(tǒng)2. 要求使用加重鉆桿或抗壓縮鉆桿短半徑水平井l.井眼曲線段最短2.側(cè)鉆容易3.能夠準(zhǔn)確擊中油層目標(biāo)4.從一口直井可以鉆多口水平分枝井5.直井段與油層距離最小6.可用于淺油層7.全井斜深最小 8.不受地表條件的影響1非常規(guī)的井下工具2非常規(guī)的完井方法3穿透油層段短（120180米）4井眼尺寸受到限制5起下鉆次數(shù)多6要求使用頂部驅(qū)動系或動力水龍頭7井眼方位控制受到限制8目前還不能進(jìn)行電測第三節(jié) 定向

17、井、水平井基本術(shù)語1）井深：指井口（轉(zhuǎn)盤面）至測點的井眼實際長度，人們常稱為斜深。國外稱為測量深度（Measure Depth）。2）測深：測點的井深，是以測量裝置（Angle Unit）的中點所在井深為準(zhǔn)。3）井斜角：該測點處的井眼方向線與重力線之間的夾角（見圖11）。井斜角常以希臘字母表示，單位為度。4）井斜方位角：是指以正北方位線為始邊，順時針旋轉(zhuǎn)至井斜方位線所轉(zhuǎn)過的角度（見圖12）。井斜方位角常以希臘字母表示，單位為度。實際應(yīng)用過程中常常簡稱為方位角。 5）磁方位角：磁力測斜儀測得的井斜方位角是以地球磁北方位線為準(zhǔn)的，稱磁方位角。 圖11井斜角示意圖 圖12井斜方位角示意圖6）磁偏角：

18、磁北方位線與正北方位線并不重合，兩者之間有一個夾角，這個夾角稱為磁偏角。磁偏角又有東磁偏和西磁偏角之分，當(dāng)磁北方位線在正北方位線以東時，稱為東偏角；當(dāng)磁北方位線在正北方位線以西時稱為西偏磁偏角。進(jìn)行磁偏角校正時按以下公式計算：真方位角磁方位角東偏磁偏角真方位角磁方位角一西偏磁偏角圖13磁偏角示意圖7）井斜變化率：是指井斜角隨井深變化的快慢程度，常以Ka表示，精確的講井斜變化率是井斜角度（）對井深（L）的一階導(dǎo)數(shù)。d K dL 井斜變化率的單位常以每100米度表示。8）井深方位變化率：實際應(yīng)用中簡稱方位變化率，是指井斜方位角隨井深變化的快慢程度，常用K表示。計算公式如下：d K dL井斜方位變化

19、率的單位常以每100米度進(jìn)行表示。9）全角變化率（狗腿嚴(yán)重或井眼曲率）：從井眼內(nèi)的一個點到另一個點，井眼前進(jìn)方向變化的角度（兩點處井眼前進(jìn)方向線之間的夾角），該角度既反映了井斜角度的變化又反映了方位角度的變化，通常稱為全角變化值。兩點間的全角變化值相對與兩點間井 眼長度L變化的快慢及為全角變化率。用公式表達(dá)如下： K L 實際鉆井中，井眼曲率的計算方法：目前計算井眼曲率的方法很多，有公式法、查表法、圖解法、查圖法和尺算法五種。后四種辦法皆來源于公式法。計算井眼曲率的公式有三套：第一套公式：對于一個測點：KSQR（K2+K2sin2）對于一個測段：KSQR（/L）2+（/L）2 sin2C）第一

20、套公式的圖解法（參見圖14）：圖14第一套公式的圖解法（1）作水平射線 OA； （2）作BOAC（兩測點平均角）；（3）以一定長度代表單位角度，量OB（兩測點方位角差）；（4）自B點向OA作垂線，垂足為C點；（5）按步驟（3）中的比例， CA（6）連接A、B，并量 AB長度， 按步驟（3）比例換算成角度，此角度及狗腿角。第二套公式：（由于誤差較大，現(xiàn)場使用略少）第三套公式：SQR（1+2212COS） 圖1.5第三套公式的圖解法第三套公式圖解法（參見圖1.5）： （1）選取一定比例，經(jīng)一定長度代表單位角度，作線段 OA，使其長度代表l；（2）作OB線段，使 BOA；（3）按步驟的比例，量OB2

21、；（4）連接A、B，并量取AB的長度，按步驟（1）的比例換算成角度，即為。10）垂深（垂直井深）：即某測點的垂直深度，以H表示。是指井身任意一點至轉(zhuǎn)盤面所在平面的距離。11）水平投影長度：是指自井口至測點的井眼長度在水平面上的投影長度。以S表示。12）水平位移：簡稱平移，是指測點到井口垂線的距離。在國外又稱為閉合距（Closure Distance）。13）平移方位角：又稱為閉合方位角（Closure Azimuth），常用表示，是指以正北方位線為始邊順針方向轉(zhuǎn)至平移方位線上所轉(zhuǎn)過的角度。14）視平移：又稱為投影位移，井身上的某點在垂直投影面上的水平位移。在實際定向井鉆井過程中，這個投影面選在

22、設(shè)計方位線上。所以視平移也可以定義為水平位移在設(shè)計線上的投影。15）高邊：在斜井段用一個垂直于井眼軸線的平面于井眼（這時的井眼不能理解為一條線，而是一個具有一定直徑的圓）相交，由于井眼是傾斜的，故井眼在該平面上有一個最高點，最高點與井眼圓心所形成的直線即為井眼的高邊。16）工具面：工具面就是造斜工具彎曲方向的平面。17）磁性工具面角：造斜工具彎曲的平面與正北方位所在平面的夾角。18）高邊工具面角：造斜工具彎曲方向的平面與井斜方位角所在平面的夾角。19）裝置角：造斜工具彎曲方向的平面與原井斜方向所在平面的夾角，通常用表示。20）反扭矩：在用井底動力鉆具鉆進(jìn)時，都存在一個與鉆頭轉(zhuǎn)動方向相反的扭矩，

23、該扭矩被稱為反扭矩。21）反扭角：使用井底動力鉆具鉆進(jìn)時，都存在一個與鉆頭轉(zhuǎn)動方向相反的扭矩，由于該扭矩的作用，使得井底鉆具外殼向逆時針方向轉(zhuǎn)動一個角度，該角度被稱為反扭角。22）貯層頂部：水平井段控制油層的頂部23）貯層底部：水平井段控制油層的底部24）設(shè)計入口角度：進(jìn)入儲層頂部的井斜角度25）著陸點：井眼軌跡中井斜角達(dá)到90°的點26）入口窗口高度：入靶點垂直方向上下誤差之和27）入口窗口寬度：入靶點水平方向左右誤差之和28）出口窗口高度：出靶點垂直方向上下誤差之和29）出口窗口寬度：出靶點水平方向左右誤差之和30）著陸點允許水平偏差：著陸點允許水平方向前后的誤差31）單彎動力鉆

24、具：動力鉆具殼體上具有一個彎曲角度的動力鉆具，特點是造斜率較彎接頭組合高，鉆頭偏移較小 第四節(jié) 定向井、水平井基本施工步驟簡介1）定向井井位的確定 井位坐標(biāo)要求：基本數(shù)同一般直井。叢式井坐標(biāo)需一同下發(fā)，以便作出叢式井整體設(shè)計。注明各中靶點的坐標(biāo)及垂直深度，提供最新井位構(gòu)造圖。2）地面井口位置的選擇工程、地質(zhì)設(shè)計及測量人員根據(jù)井位坐標(biāo)和地面實際條件確定井口位置和井架整托方向（叢式井）。井口位置選擇盡量利用地層自然造斜規(guī)律。多目標(biāo)井井口位置在第一靶點和最后一個靶點聯(lián)線的延長線上。井架立好后需要進(jìn)行井口坐標(biāo)的復(fù)測。2003年鉆井四公司施工文新99-1井時，項目組對該區(qū)塊進(jìn)行調(diào)研，摸清該區(qū)塊的自然造斜

25、（280°）情況，建議甲方對井口進(jìn)行適當(dāng)移動（原井口東移40米），利用地層自然造斜規(guī)律進(jìn)行造斜，全井沒用隨鉆測斜儀定向而順利中靶；這樣既加快了鉆井速度，又保證了施工質(zhì)量。3）定向井設(shè)計 地質(zhì)設(shè)計在坐標(biāo)初測后提出初步設(shè)計，在坐標(biāo)復(fù)測后提出正式設(shè)計。地質(zhì)設(shè)計除包括一般井內(nèi)容外，在工程施工中要求必須說明靶點相對與井口的位移和方位，多目標(biāo)井說明靶點之間的穩(wěn)斜角度。附最新井位構(gòu)造圖、油藏剖面圖、設(shè)計軌跡水平投影圖和垂直投影圖。 工程設(shè)計必須符合地質(zhì)設(shè)計要求。井身軌跡設(shè)計數(shù)據(jù)表，特殊工藝技術(shù)措施。井身結(jié)構(gòu)及分段鉆具組合和鉆井參數(shù)等。4）設(shè)備要求（鉆機(jī)） 根據(jù)定向井垂直井深、水平位移、井身結(jié)構(gòu)和井

26、眼曲率選擇設(shè)備類型。推薦設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)（使用于位移垂深0.4的定向井）： 垂深2800米、水平位移600米，選用3200米鉆機(jī)； 垂深500米、水平位移 200米，選用4500米鉆機(jī)； 垂深4500米、水平位移2000米，選用6000米鉆機(jī)； 垂深4500米、水平位移1500米，選用7000米鉆機(jī)。5）定向井靶區(qū)半徑標(biāo)準(zhǔn) 不同井深靶區(qū)半徑要求（總公司標(biāo)準(zhǔn)）：靶區(qū)垂深（米） 靶區(qū)半徑（米） 靶區(qū)垂深（米） 靶區(qū)半徑（米）1000 30 3000 801500 40 3500 1002000 50 4000 1202500 65 4500 140第二章 定向井、叢式井、水平井設(shè)計與計算分析第一節(jié) 定向井

27、、水平井二維軌道設(shè)計 一口定向井的實施，首先要有一個軌道設(shè)計，才能以此設(shè)計為依據(jù)進(jìn)行具體的定向井鉆井施工。對于不同的勘探、開發(fā)目的和不同的設(shè)計限制條件，定向井的設(shè)計方法有多種多樣。而每種設(shè)計方法，都有一定的設(shè)計原則。 定向井設(shè)計是一個非常重要的環(huán)節(jié)?！昂玫脑O(shè)計是成功的一半”。因此，合理地設(shè)計好井身軌道，是定向井成功的保證。 一、設(shè)計原則： 一口定向井的總設(shè)計原則，應(yīng)該是能保證實現(xiàn)鉆井目的，滿足采油工藝及修井作業(yè)的要求，有利于安全、優(yōu)質(zhì)、快速鉆井。在對各個設(shè)計參數(shù)的選擇上，在自身合理的前提下，還要考慮相互的制約。要綜合地進(jìn)行考慮。（一） 選擇合適的井眼形狀復(fù)雜的井眼形狀，勢必帶來施工難度的增加，

28、因此井眼形狀的選擇，力求越簡單越好。 從鉆具受力的角度來看：目前普遍認(rèn)為，降斜井段會增加井眼的摩阻，引起更多的復(fù)雜情況。如圖所示（2-1-1），增斜井段的鉆具軸向拉力的徑向的分力，與重力在軸向的分力方向相反，有助子減小鉆具與井壁的摩擦阻力。而降斜井段的鉆具軸向分力，與重力在軸向的分力方向相同，會增加鉆具與井壁的摩擦阻力。因此，應(yīng)盡可能不采用降斜井段的軌道設(shè)計。 圖2-1-1 （二）選擇合適的井眼曲率 井眼曲率的選擇，要考慮工具造斜能力的限制和鉆具剛性的限制，結(jié)合地層的影響，留出充分的余地，保證設(shè)計軌道能夠?qū)崿F(xiàn)。 在能滿足設(shè)計和施工要求的前提下，應(yīng)盡可能選擇比較低的造斜率。這樣，鉆具、儀器和套管

29、都容易通過。當(dāng)然，此處所說的選擇低造斜率，沒有與增斜井段的長度聯(lián)系在一起進(jìn)行考慮。另外，造斜率過低，會增加造斜段的工作量。因此，要綜合考慮。常用的造斜率范圍是4°10°30米,中原油田造斜率要求不超過5°30米。（三）選擇合適的造斜井段長度造斜井段長度的選擇，影響著整個工程的工期進(jìn)度，也影響著動力鉆具的有效使用。若造斜井段過長，一方面由于動力鉆具的機(jī)械鉆速偏低，使施工周期加長，另一方面由于長井段使用動力鉆具，必然造成鉆井成本的上升。所以，過長的造斜井段是不可取的。若造斜井段過短，則可能要求很高的造斜率，。了方面造斜工具的能力限制，不易實現(xiàn)，另一方面過高的造斜率給井

30、下安全帶來了不利因素。所以，過短的造斜井段也是不可取的。 因此，應(yīng)結(jié)合鉆頭、動力馬達(dá)的使用壽命限制，選擇出合適的造斜段長，一方面能達(dá)到要求的井斜角，另一方面能充分利用單只鉆頭和動力馬達(dá)的有效壽命。（四）選擇合適的造斜點造斜點的選擇，應(yīng)充分考慮地層穩(wěn)定性、可鉆的限制。盡可能把造斜點選擇在比較穩(wěn)定、均勻的硬地層，避開軟硬夾層、巖石破碎帶、漏失地層、流沙層、易膨脹或易坍塌的地段，以免出現(xiàn)井下復(fù)雜情況，影響定向施工。造斜點的深度應(yīng)根據(jù)設(shè)計井的垂深、水平位移和選用的軌道類型來決定。并要考慮滿足采油工藝的需求。應(yīng)充分考慮井身結(jié)構(gòu)的要求，以及設(shè)計垂深和位移的限制，選擇合理的造斜點位置。（五）選擇合適的穩(wěn)斜段

31、井斜角和入靶井斜角井斜角的大小，直接影響了軌跡的控制。井斜角太小時，方位不好控制。而井斜角太大時，施工難度卻又增加。因此，穩(wěn)斜段井斜角和入靶井斜角的選擇，應(yīng)充分滿足軌跡控制的需要。另外，它對方位控制、電測、鉆速都有明顯的影響。一般來講，井斜角的大小與軌跡控制的難度有下面的關(guān)系：1井斜角小于15°時，方位難以控制；2井斜角在15°一40°時，既能有效地調(diào)整井斜角和方位，也能順利地鉆井、固井和電測。是較理想的井斜角控制范圍；3井斜角在40°一50°時，鉆進(jìn)速度慢，方位調(diào)整困難；4井斜角大于60°，電測、完井作業(yè)施工的難度很大，易發(fā)生井壁垮

32、塌。舉例：雙增軌道計算與單增類似，兩個矢量的連接需要兩個圓弧和一條直線段。圖2213雙增軌道設(shè)計幾何圖由圖2213看出：當(dāng)AB為A點的井斜 則得： （253） 當(dāng)AB90° R2C21/A21 （254）3、 三段增斜圖2214三增軌道設(shè)計幾何圖由圖2214看出定義： 得： AB90° 定義： 得： R3=A21/B21 （257）SZ=（A11B11）×R3 （258） 第三節(jié) 定向井測斜數(shù)據(jù)處理實際鉆出的定向井的井眼軌跡是一條空間曲線，為了了解這條空間曲線的形狀，需要進(jìn)行井斜角和方位角的測量。由于測斜不能連續(xù)進(jìn)行，只能按一定的間距一個點一個點地進(jìn)行測量。因此需

33、要采用一種計算方法進(jìn)行數(shù)學(xué)擬合，來求得一條連續(xù)的空間曲線。到目前為止，由于兩測點之間軌跡形狀的多變性，我們還無法知道測段真實的形狀。因此只好依靠假設(shè)，如：直線、折線或各種曲線來擬合。現(xiàn)有的定向井軌跡計算方法有二十余種，如：正切法、平均角法、平衡正切法、圓柱螺線法、最小曲率法和校正平均角法等等。1、平均角法平均角法又稱平均法。此法認(rèn)為兩測點間的測段為一直線，該直線的方向為上下兩測點處井眼方向的“和方向”。 圖232平均角法幾何圖計算公式如下： 3、平衡正切法 平衡正切法假定兩測點間的井段為兩段各等于測段長度一半的直線構(gòu)成的折線。它們的方向分別與上下兩測點處的井眼方向一致。如圖所示圖233平衡正切

34、法網(wǎng)幾何圖 計算公式如下： 2、圓柱螺線法（曲率半徑法）圓柱螺線法假設(shè)兩測點間的測段是一條等變螺旋角的圓柱螺線。螺線在兩端點處與上下兩測點處的井眼方向相切。圓柱螺線的水平投影是圓弧，垂直投影也是圓弧。它是以曲線法為基本假設(shè)的一種。其計算精度較直線法或折線法高。圓柱螺線法與國外的“曲率半徑法”假設(shè)條件基本一致，因此在國外也叫做“曲率半徑法”。 圖234圓柱螺線法幾何圖 計算公式如下： 3、最小曲率法最小曲率法假設(shè)兩測點之間的井段是一段空間平面上的圓弧，圓弧在兩端點處與上下兩測點處的井眼方向線相切。 圖235最小曲率法幾何圖計算公式如下： 由于圓柱螺線法和最小曲率法是以曲線假設(shè)為依據(jù)的，其精度相對

35、來說較準(zhǔn)確。在計算機(jī)以普及的今天，這是兩種使用最廣泛的方法。幾種計算方法的精度比較如下：第四節(jié) 叢式井的防碰計算 對于叢式井，特別是密集的叢式井，由于設(shè)計軌道與設(shè)計軌道、設(shè)計軌道與實鉆軌跡，實鉆軌跡與實鉆軌跡之間的距離很近，因此，不論是在設(shè)計時的防碰考慮不周，還是在實鉆時的防碰控制不及時，都有可能導(dǎo)致最后的正鉆井與鄰井的軌跡相碰，從而造成嚴(yán)重的工程事故。因此，叢式井防碰是一個非常關(guān)鍵的技術(shù)問題。圖241防碰井眼示意圖 如圖241所示，要想防止正鉆井與鄰井軌跡相碰，就需要找到一種肯效的分析計算方法，計算出兩井在不同井深時的相對距離。并對其相對的發(fā)展趨勢作出準(zhǔn)確的預(yù)測，方能防碰于未然。 一、計算方

36、法 目前常用的叢式井防碰分析計算方法有三種。即水平面掃描法、法面掃描法和最小距離掃描法。（一）水平面掃描法水平面掃描法計算的是掃描井與相關(guān)鄰井之間在同一垂深截面上的相互位置關(guān)系。圖242水平面掃描法示意圖如圖232所示，在掃描井軌跡上任一井段按需要的精度間距，截取許多水平截面，求相關(guān)鄰井與此水平面的截點座標(biāo)。然后在各個水平截面上以掃描點為圓心，作極座標(biāo)圖，在圖上對掃描點與鄰井同一垂深點的相互距離和方位進(jìn)行分析的方法稱水平面掃描法。（二）法面掃描法 如圖243所示，法面掃描是以掃描井軌跡上任一掃描點，作一垂直子井眼軌跡軸線的平面（即法面），然后計算該平面與周圍相關(guān)鄰井井眼軌跡在三維空間中的截點座

37、標(biāo)，截點到掃描點的相對距離和相對方向，即是掃描井在這一掃描點上與周圍相關(guān)鄰井在法面上的相互關(guān)系。以掃描點為圓心所繪制出的即是法面掃描圖。法面掃描從另一個角度反映了掃描井與周圍相關(guān)鄰井的相互關(guān)系。法面掃描得到的距離，是周圍相關(guān)鄰井到掃描井的徑向距離，而方向卻是反映了相對掃描井來說：上、下、左、右的關(guān)系。（三）最小距離掃描原理及公式如圖244所示，用法面掃描方法和平面掃描方法，計算出的與周圍相關(guān)鄰井的距離，不一定是最小距離。圖244最小井距掃描示意圖最小距離法計算出的是鄰井軌跡的空間最近距離。二、具體應(yīng)用這三種方法以不同的方式求解井與井之間的距離。它們各有所長。l、直井防碰用水平面掃描法在直井段或

38、井斜較小的情況下，水平掃描可很清楚地看出各井眼軌跡之間的距離，若是對一口井直進(jìn)行掃描，則用掃描結(jié)果所作的掃描圖，與叢式井水平投影圖一樣。2、斜井的防碰用法面法和最小距離法在井斜角較大時，對于同方向井，用法面掃描法，對于異方向的井，用水平面掃描法。這是因為，在對同方向井掃描時，法面法計算出釣井距，通常比平面法計算出的井距小，而在對異方向井掃描時，平面法計算出的井距，通常比法面法計算出的井距小。如圖2一45所示。 圖245法面法和最小井距法3、法面法的進(jìn)一步應(yīng)用：法面掃描在計算井距的同時。還有一個功能。就是能計算出掃描井與鄰井的相對方向。這個相對方向也可以得到一張掃描圖。這張圖揭示了兩口井的相對發(fā)

39、展趨勢。如圖所示，在方向圖中，垂直中線代表鄰井軌跡相對與正鉆井左右變化的分界線。水平中線代表鄰井軌跡相對與正鉆井上下變化的分界線。當(dāng)在某個掃描點時，方向圖上的掃描點落在第一象限，則在井距掃描圖中，下一點的發(fā)展趨勢，必然會向右上方發(fā)展。法面掃描的這兩個特點，可用在兩個方面：應(yīng)用在叢式井的防碰預(yù)測方面叢式井的防碰掃描，是在正鉆井與鄰井之間進(jìn)行的。因此，在法面掃描的方向圖上，顯示出了兩個井眼軌跡是逐漸靠攏，還是逐漸分開。這就提示了施工人員，看是否有井眼軌跡相碰的潛在危險，以便及時作出相應(yīng)的防范措施。應(yīng)用在單口井的軌跡控制方面在定向井的實施過程中，總是希望實鉆軌跡盡量貼近設(shè)計線走。應(yīng)用法面掃描原理，把

40、實鉆井眼作為正鉆井，把設(shè)計軌道作為鄰井來進(jìn)行掃描，就能及時發(fā)現(xiàn)正鉆井軌跡是否有偏離設(shè)計線的趨勢。由此，就可作出是否采取措施進(jìn)行調(diào)整。第三章 定向井、水平井井身軌跡控制技術(shù)第一節(jié) 定向井、水平井井眼軌跡控制理論無論是定向井，還是水平井，控制井眼軌跡的最終目的都是要按設(shè)計要求中靶。但因水平井的井身剖面特點、目的層靶區(qū)的要求等與普通定向井和多目標(biāo)井不同，在井眼軌跡控制方面具有許多與定向井、多目標(biāo)井不同的新概念，需要建立一套新的概念和理論體系來作為水平井井眼軌跡控制的理論依據(jù)和指導(dǎo)思想。我們在長、中半徑水平井的井眼軌跡控制模式的形成和驗證過程中，針對不斷出現(xiàn)的軌跡控制問題，建立了適應(yīng)于水平井軌跡控制特

41、點的幾個新概念。一、中靶概念地質(zhì)給出的水平井靶區(qū)通常是一個在目的層內(nèi)以設(shè)計的水平井眼軌道為軸線的柱狀靶，其橫截面多為矩形或圓。我們可以把這個柱狀靶看成是由無數(shù)個相互平行的法面平面組成，因此，控制水平井井眼軌跡中靶，與普通定向井、多目標(biāo)井是個截然不同的新概念，主要體現(xiàn)是：井眼軌跡中靶時進(jìn)人的平面是一個法平面（也稱目標(biāo)窗口），但中靶的靶區(qū)不是一個平面，而是一個柱狀體，因此，不僅要求實鉆軌跡點在窗口平面的設(shè)計范圍內(nèi)，而且要求點的矢量方向符合設(shè)計，使實鉆軌跡點在進(jìn)入目標(biāo)窗口平面后的每一個點都處干靶柱所限制的范圍內(nèi)。也就是說，控制水平井井眼軌跡中靶的要素是實鉆軌跡在靶柱內(nèi)的每一點的位置要到位（即入靶點的

42、井斜角、方位角、垂深和位移在設(shè)計要求的范圍內(nèi)），也就是我們所講的矢量中靶。第二節(jié)定向井、水平井直井段井身軌跡控制技術(shù)隨著鉆井技術(shù)的發(fā)展和鉆井工具的日益完備，常規(guī)定向井軌跡控制所使用的鉆具組合已經(jīng)成熟，形成如圖14所示的基本定式鉆具組合：組合一 鐘擺鉆具 159DC×18m 159DC×9m 組合二 雙扶剛 178DC×18m 197接頭 178DC×9m 178DC+159DC 鐘擺防斜組合三 定向造斜 165螺桿+定向接頭+159DC 組合四 增斜 215雙母 159DC×18m 159DC×9m 159DC組合五 增斜 214 1

43、59DC×27m 159DC×9m 159DC組合六 穩(wěn)斜 215雙母 159DC×9m 159DC×18m 159DC組合七 穩(wěn)斜 213-214 159DC×2m 159DC×9m 159DC×18m組合八 鐘擺降斜 159DC×9m 159DC×9m 159DC組合九 定向、穩(wěn)斜 165單彎螺桿+159DC（&DP）近年來，螺桿鉆具的制造工藝日趨成熟：早期，國內(nèi)生產(chǎn)的多為直螺桿鉆具，在單一定向的情況下使用壽命僅為30小時60小時。目前，螺桿鉆具品種多樣，單、雙彎螺桿，直螺桿等。單、雙彎螺桿既

44、能夠使用轉(zhuǎn)盤進(jìn)行雙驅(qū)復(fù)合鉆進(jìn)，又能滑動鉆進(jìn)，在完成定向施工的動力鉆具中，單、雙彎螺桿鉆具具有優(yōu)勢。它不但能夠提供給鉆頭足夠的扭矩，而且具有很靈活的可調(diào)性：首先，它可以進(jìn)行角度的選擇，一般，螺桿廠家都能按鉆井的需求生產(chǎn)系列不同角度的螺桿鉆具（0.50°、0.75°、1.00°、1.25°、1.50°、1.75°、2.00°、2.5°、3.0°、3.5°），在特殊需要時，可以同向或反向配接普通定向彎接頭來進(jìn)行角度調(diào)節(jié)。其次，還可以根據(jù)扶正器位置不同，鉆具受力狀態(tài)不同這一重要特點，進(jìn)行合理的扶正器數(shù)量

45、及位置的調(diào)整，來達(dá)到井眼的增斜、穩(wěn)斜、降斜及調(diào)整井眼方位的要求。有無扶正器、單扶正器和雙扶正器，完全可以根據(jù)實際需要配合普通扶正器進(jìn)行合理的鉆具組合。在轉(zhuǎn)盤鉆進(jìn)、滑動鉆進(jìn)的結(jié)合情況下使用壽命可以突破150小時以上。螺桿技術(shù)的成熟為動力鉆具復(fù)合鉆進(jìn)技術(shù)提供了基礎(chǔ)保障。PDC鉆頭配合螺桿鉆具鉆井，其鉆屑破碎成小的顆粒，減小了舉升和輸送鉆屑所需要的力，從而提高井眼的凈化和降低井下摩阻。螺桿鉆具配合PDC鉆頭復(fù)合鉆進(jìn)，一趟鉆可以完成定向、穩(wěn)斜、降斜等各種軌跡控制技術(shù)，為此我們對螺桿鉆具優(yōu)選、鉆具組合優(yōu)化進(jìn)行研究。螺桿鉆具的優(yōu)選螺桿鉆具的彎角使鉆頭產(chǎn)生偏距，雙驅(qū)復(fù)合鉆進(jìn)時鉆具所受的約束力更大，交變的動應(yīng)

46、力使鉆具易發(fā)生疲勞斷裂，也易使螺桿鉆具的薄弱環(huán)節(jié)產(chǎn)生先期損壞。彎角越大，鉆頭偏距也越大，所受的交變應(yīng)力和扭矩越高。但是，彎角太小，則其造斜率就小，不能滿足井眼軌跡控制的需要。同樣彎度的螺桿鉆具對不同的地層，實鉆中造斜率有所差別。因此，我們依據(jù)理論的指導(dǎo)，并通過現(xiàn)場試驗，進(jìn)行了螺桿鉆具彎角 的優(yōu)選，以適應(yīng)在中原油田地層鉆井的需要。（1）0.5°單彎單扶或雙扶螺桿 0.5°雙扶、0.5°單扶單彎在文33152井、新衛(wèi)222井使用，由于增、降斜率太低，鉆進(jìn)5080m沒有增斜效果。0.5°的單彎螺桿不適應(yīng)中原油田的定向井雙驅(qū)復(fù)合鉆井的需要。（2）0.75

47、6;單扶單彎和雙扶單彎螺桿0.75°雙扶單彎在胡5200井、衛(wèi)360井、胡7一282井、文33152井、胡5197井用，其增、降斜率每單根能達(dá)到0.75°左右，與設(shè)計增斜率4°/30m相差太大，在定向增斜時少用或不用。 0.75°單扶單彎加 PDC鉆頭組合，在濮714 7井等6口井試驗中，定向造斜率適中，一般為 12°14°/100m。雙驅(qū)復(fù)合鉆進(jìn)時增斜率2°8°/100m。因此，0.75°單彎單扶螺桿比較適合中原油田鉆井的需要。下表是0.75°單彎螺桿在各井段的應(yīng)用情況。 0.75°

48、單扶單彎螺桿試驗情況序號井號使用井段（m）造斜率(°/100m)使用目的1濮7-1472550-278012.6定向2橋66-232516-26344.66自然造斜3文2792960-3150-2.00微降斜4馬682361-28372.50自然造斜（3）1°單彎單扶螺桿在新文728井、文2735井、新文1088井、新文104井、文21315井、新濮3180井等井試驗使用上使用1°單扶單彎螺桿，采用1°單扶單彎螺桿加 PDC鉆頭鉆進(jìn)，定向造斜至井斜 15°后，啟動轉(zhuǎn)盤進(jìn)行復(fù)合鉆進(jìn)，每100m增斜率38°，完全滿足了中原油田鉆井的需要。

49、1°單彎單扶螺桿雙驅(qū)鉆井的增斜效果見表3。1.00°單扶單彎螺桿復(fù)合鉆進(jìn)試驗情況序號井號定向井段（m）最大井斜（°）增斜率(°/100m)使用目的1文2792080-2900533-7自然造斜2文23-212440-2960515-8自然造斜3文88-232910-3555488自然造斜4文72-1252828-3150385自然造斜（4）1.25°或 1.5°單彎螺桿在大井斜定向井中，使用1.25°單彎雙扶螺桿，穩(wěn)斜效果較好。但是，由于1.25°或1.5°單彎螺桿彎度大，鉆頭偏移量大，雙驅(qū)復(fù)合鉆進(jìn)時螺桿

50、芯子受交變應(yīng)力大，可能斷芯子。一般情況下，使用1.25°、1.5°螺桿時盡量避免啟動轉(zhuǎn)盤。（5）1.75°以上單彎螺桿在中短半徑水平井中，使用1.75°以上度數(shù)彎螺桿，可以達(dá)到設(shè)計要求，目前3.5°彎螺桿定向造斜率可以達(dá)到（100150）°/100m。但是，由于1.75°以上彎角的彎螺桿彎度大，很易斷芯子。1.75°以上的單彎螺桿嚴(yán)禁雙驅(qū)復(fù)合鉆進(jìn)。穩(wěn)斜段單彎螺桿彎角的優(yōu)選下表是1°雙扶單彎螺桿帶PDC鉆頭鉆進(jìn)的情況。當(dāng)井斜達(dá)到10°以上后，其穩(wěn)方位，微降斜效果相當(dāng)明顯，正常情況下降斜0.5°2.5°/100m，方位變化很小。1°雙扶單彎螺桿在穩(wěn)斜段的應(yīng)用序號井號鉆頭類型施工井段(m)井斜變化（°）方位變化（°）1新文38-33F1924C1678-21302721.5991022新濮3-102GP5452732-296040392853濮6-122GP5453643-38603