第一章定向井鉆井技術(shù)概述

1、第 一 章 定向井（水平井 ）鉆井技術(shù)概述定向井、水平井的基本概念定向井叢式井發(fā)展簡(jiǎn)史定向井鉆井被（英）T . A 英格利期定義為：“使井筒按特定方向偏斜， 鉆遇地下預(yù)定目標(biāo)的一門科學(xué)和藝術(shù) ."我國(guó)學(xué)者則定義為 ,定向井是按照預(yù)先設(shè) 計(jì)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(duì)與直井而言它 具有井斜方位角度而直井是井斜角為零的井，雖然實(shí)際所鉆的直井它都有一定 斜度但它仍然是直井。定向井首先是從美國(guó)發(fā)展起來的，在十九世紀(jì)后期，美國(guó)的旋轉(zhuǎn)鉆井代替 了頓鉆鉆井。 當(dāng)時(shí)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(cè)試發(fā)現(xiàn)，那些垂直井遠(yuǎn)非是垂直的

2、 .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(guó)就使用了特殊的工具和技術(shù)達(dá)到了這一目的。 有記錄定向井實(shí)例是美國(guó)在二十世紀(jì)三十年代初在加利福尼亞享廷灘油田鉆成 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(jì)和實(shí)際鉆進(jìn)讓救援井和失控井井眼相交，然后 自救援井內(nèi)注入重泥漿壓死失控井。目前最深的定向井由 BP 勘探公司鉆成 ,井深達(dá) 10， 654米；水平位移最大的定向井是 BP勘探公司于己于1997年在英國(guó)北海的Rytch Farm 油田鉆成的 M11

3、井，水平位移高達(dá) 1,0114米。垂深水平位移比最高的是 Statoil公司鉆成的的33/9-C2達(dá)到了 1:3.14; 叢式井口數(shù)最多 ,海上平臺(tái)： 96口；人工島： 170口；我國(guó)定向井鉆井技術(shù)發(fā)展情況我國(guó)定向井鉆井技術(shù)的發(fā)展可以分為三個(gè)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C2-15井和磨三井，其中磨三井總井深 1685 米，垂直井深表遺憾 350 米，水平位移 444。2 米，最大 井斜 92°，水平段長(zhǎng) 160米；70年代擴(kuò)大實(shí)驗(yàn) ,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(guó)從定向井軟件到定向井硬件都有了一

4、個(gè) 大的發(fā)展 .我國(guó)目前最深的水平井是勝利定向井公司完成的 JF128井，井深達(dá)到7000 米，垂深位移比最大的大位移井是勝利定向井公司完成的郭斜井，水平位移最大的大位移井是大港定向井公司完成的 井，水平位移達(dá)到 2666米, 最大的叢式井組是勝利石油管理局的河 50叢式井組，該叢式井組長(zhǎng)384米，寬115米, 該叢式井平臺(tái)共有鉆定向井42 口。定向井的分類按定向井的用途分類可以分為以下幾種類型:定向普通定向井 多目標(biāo)定向井叢式定向井救援定向井 水平井多分枝井（多底井）國(guó)外定向井發(fā)展簡(jiǎn)況俵一）代內(nèi)容50年代60年代70年代80年代90年代剖面設(shè)計(jì)及跡計(jì)算方法誤差很大的正 切法，進(jìn)行定 向井設(shè)計(jì)

5、軌跡 計(jì)算18種二維計(jì)算 方法，如更精 確的曲率半徑 法發(fā)展到三維設(shè) 計(jì)和大組叢式 井整體設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)專家系 統(tǒng)進(jìn)行定向井 的設(shè)計(jì)和指導(dǎo) 定向井施工發(fā)展了大型集 成設(shè)計(jì)軟件包井斜控制理 論斜直井段的二 維分析考慮了井眼的 曲率及滿眼組 合的特性三維數(shù)據(jù)分析， 由靜態(tài)發(fā)展到 動(dòng)態(tài)發(fā)展了多種分 析計(jì)算方法并 編制了計(jì)算機(jī) 程序在原來多種分 析的基礎(chǔ)上引 入了數(shù)學(xué)及其 它邊沿學(xué)科定向造斜工 藝渦輪加彎接頭 斜向器配合轉(zhuǎn) 盤鉆使用效率更高 的螺桿動(dòng)力鉆 具，專用工具 的定型配套渦輪、螺桿動(dòng)力 鉆具向低速大 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(dòng)力鉆具，導(dǎo) 向鉆井系統(tǒng)， 長(zhǎng)壽命PDC鉆 頭等

6、發(fā)展成熟多分 枝井回接工藝 地質(zhì)導(dǎo)向鉆井 系統(tǒng)測(cè)量方式氫氟酸玻璃管 刻線法和地面 定向法機(jī)械式羅盤， 精度較高的單 多點(diǎn)照相測(cè)斜 儀有線隨鉆測(cè)斜 儀投入工業(yè)性 使用，無線隨 鉆測(cè)斜儀研制 成功多種無線隨鉆 測(cè)斜系統(tǒng)投入 工業(yè)使用和發(fā) 展了電子測(cè)量 系統(tǒng)和陀螺測(cè) 量系統(tǒng)發(fā)展成熟帶地 質(zhì)參數(shù)的無線 隨鉆測(cè)斜儀定向井鉆井 水平精度要求不高中深定向井可打準(zhǔn)確度較 高的定向井和 小組定向井可打準(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 油井鉆成位移過萬 米的大位移井 徑向水平井可 在0.3米之內(nèi)完 成增斜過程我國(guó)定向井鉆井技術(shù)發(fā)展情況（表二）年代、 內(nèi)

7、容、60年代80 年 代90 年代剖面設(shè)計(jì)及軌 跡計(jì)算方法設(shè)計(jì)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，最小曲率半徑法等多 確的軌跡計(jì)算和設(shè)計(jì)方法，編制了能進(jìn)行 測(cè)和防碰掃描的計(jì)算機(jī)軟件包。引入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(jì)算方法，例 女口：平衡梁法、加權(quán)余量法等，并編 制了計(jì)算機(jī)分析程序理論分析模型由靜態(tài)態(tài)發(fā)展 到動(dòng)態(tài)，由二維發(fā)展到三維定向造斜工藝使用地面定向法 （鉆桿打鋼印）。 數(shù)據(jù)測(cè)量使用電 測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)。使用精度高的磁性單多點(diǎn)測(cè)斜儀進(jìn) 行定向和軌跡數(shù)據(jù)測(cè)量，發(fā)展了有線 隨鉆測(cè)斜儀定向。發(fā)展了導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)初步研 制

8、岀徑向水平井造斜工藝測(cè)量方式氫氟酸測(cè)斜儀，機(jī) 械式羅盤的電測(cè) 井方法。多種引進(jìn)的有線隨鉆測(cè)斜系統(tǒng)投入 工業(yè)使用和發(fā)展了電子測(cè)量系統(tǒng)及 陀螺測(cè)量系統(tǒng)發(fā)展了無線隨鉆測(cè)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(jiǎn)單的單口定向 井、水平井位移小， 精度低鉆成大量高難度定向井、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(zhǎng)、中、短半徑水平井第二節(jié) 水平井鉆井技術(shù)簡(jiǎn)介所謂水平井，是指一種井斜角大于或等于86° ,并保持這種角度鉆完一定長(zhǎng)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

9、提出鉆水平井的建議；1870年，俄國(guó)工程師在勃良斯克市鉆成井斜角達(dá)60°的井；瑞典和美國(guó)研制出測(cè)量井眼空間位置的儀器，1888年俄國(guó)也設(shè)計(jì)出了測(cè)斜儀器；1929年，美國(guó)國(guó)加利福尼亞州鉆成了幾米長(zhǎng)的水平分支井筒；30年代,美國(guó)開始用撓性鉆具組合在垂直井內(nèi)鉆曲率半徑小的水平井分支井眼；1954年蘇聯(lián)鉆成第一口水平位移；1964年-1965年我國(guó)鉆成兩口水平井，磨 -3井、巴一24井； 自來80年代以來，隨著先進(jìn)的測(cè)量?jī)x器、長(zhǎng)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)模高速度的發(fā)展起來。我國(guó)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 類型水平井百余口，水平井

10、鉆井水平和速度不斷提高水平井的類型及各種類型水平井的特點(diǎn)1）水平井的類型：根據(jù)水平井曲率半徑的大小分為： 長(zhǎng)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(diǎn)（1）不同曲率水平井的基本特征表、井型項(xiàng)目、.長(zhǎng)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150° 300° /30 米曲率半徑304914 米29187米12-6 米井眼尺寸無限制12 1/4 一 4 3/4 6 1/4 4 3/4 鉆井方式轉(zhuǎn)盤

11、鉆或?qū)蜚@井系 統(tǒng)造斜段：特種馬達(dá)或?qū)?鉆井系統(tǒng)水平段：轉(zhuǎn)盤鉆井或?qū)?鉆井系統(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(dòng)鉆桿測(cè)量工具無限制有線隨鉆測(cè)斜儀，MWD但 井眼6 1/8 時(shí)不能使 用轉(zhuǎn)盤鉆井時(shí)使用多點(diǎn)測(cè) 斜儀馬達(dá)鉆井時(shí)使用有線隨 鉆測(cè)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(dòng)系統(tǒng) 或動(dòng)力水龍頭元井方式無限制無限制裸眼或割縫管(2) .長(zhǎng)曲率半徑水平井的優(yōu)缺點(diǎn)1 穿透油層段最長(zhǎng)(可以 >1000米)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

12、法6 可采用多種舉升采油工藝7 測(cè)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)度與總水平位移比最小(3 ).中曲率半徑水平井的優(yōu)缺點(diǎn)1 .進(jìn)入油層時(shí)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(dòng)力鉆具或?qū)蜚@井系統(tǒng)4. 離構(gòu)造控制點(diǎn)較近1. 要求使用 MWD測(cè)量系統(tǒng)2 .要求使用加重鉆桿或抗壓縮鉆桿5.可使用常規(guī)的套購(gòu)及完井方法6.井下扭矩及阻力較小7.較咼及較穩(wěn)定的造率8.井眼軌跡控制井段較短9.穿透油層段較長(zhǎng)（1000米）10.井眼

13、尺寸不受限制11 .可以測(cè)井及取芯12.從一口直井可以鉆多口水平分枝井13.可頭現(xiàn)有選擇的完井方案（4）.短曲率半徑水平井的優(yōu)缺點(diǎn)1 .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?xiàng)l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（120 180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(dòng)系或動(dòng)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(cè)第三節(jié) 定向井的基本術(shù)語解釋1）井深：指井口（轉(zhuǎn)盤面）至測(cè)點(diǎn)的井眼實(shí)際長(zhǎng)度，人們

14、常稱為斜深。國(guó)外稱為測(cè)量深度（Measure Depth）。2）測(cè)深：測(cè)點(diǎn)的井深，是以測(cè)量裝置（An gle Unit）的中點(diǎn)所在井深為準(zhǔn)。真北極3）井斜角：該測(cè)點(diǎn)處的井眼方向線與重'力線之間的夾角（見圖 1。2） .?井斜真北方位線角常以希臘字母a表示，單位為度。/*、4?）井斜方位角：是指以正比方位線為始東磁偏角r”.邊，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)至井斜方位線所轉(zhuǎn)過，/'的角度（見圖1。3）。？井斜方位角常以希臘字母表示，單位為度。實(shí)際八西磁偏角應(yīng)用過程中常常簡(jiǎn)稱為方位角。？ A 地B心圖1.1磁偏角示意圖5 ）磁方位角：磁力測(cè)斜儀測(cè)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。井口

15、B圖1.2井斜角示意圖圖1。3井斜方位角示意圖6 ）磁偏角：磁北方位線與真北方位線并不重合，兩者之間有一個(gè)夾角，這個(gè)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(shí)，稱為東偏角；當(dāng)磁北方位線在正北方位線以西時(shí)稱為西偏磁偏角.?進(jìn)行磁偏角校正時(shí)按以下公式計(jì)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（a ）對(duì)井深（L?）的一階導(dǎo)數(shù)daK a=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(shí)際應(yīng)用中簡(jiǎn)稱方位變化率,?是指井斜方位角隨井深

16、變化的快慢程 度，常用K表示。計(jì)算公式如下：dKQ=dL井斜方位變化率的單位常以每 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(gè)點(diǎn)到另一個(gè)點(diǎn) ，井眼前進(jìn)方向變化的角度（兩點(diǎn)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。？?jī)牲c(diǎn)間的全角變化值丫相對(duì)與兩點(diǎn)間井眼長(zhǎng)度 L變化的快慢及為全角變化率。用化式表達(dá)如下：YK= L實(shí)際鉆井中，井眼曲率的計(jì)算方法：目前計(jì)算井眼曲率的方法有很多。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(jì)算井眼，曲率的公式計(jì)有三套：2 2 2對(duì)于一個(gè)測(cè)段：K =

17、 SQR（Aa/A L） + （ / L） SIN a c）第一套公式：對(duì)于一個(gè)測(cè)點(diǎn)：K= SQR（Kx 2+ K2sin 2 a）Y a圖1。4第一套公式的圖解法第一套公式的圖解法(參見圖1.4)：(1) .作水平射線OA(2) .作/ BOA=a c(兩測(cè)點(diǎn)平均角)；(3) .以一定長(zhǎng)度代表單位角度，量0B=(兩測(cè)點(diǎn)方位角差)；(4) .自B點(diǎn)向0A作垂線，垂足為 C點(diǎn)；(5) .按步驟(3)中的比例，量 CA=a；(6) .連接A B,并量AB長(zhǎng)度，按步驟比例換算成角度，此角度及狗腿角丫。 第二套公式：(由于誤差較大，現(xiàn)場(chǎng)使用少略),. 2 2第二套公式：丫= SQR(a 1 + a 2

18、 2 a 1 a 2C0SX )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(zhǎng)度代表單位角度，作線段0A使其長(zhǎng)度代表a 1 ;(2) .作0B線段，使/ BOA=；(3) .按步驟(1 )的比例，量0B=a 2；(4) .連接A B,并量鄧AB的長(zhǎng)度，按步驟(1)的比例換算成角度，既為丫.10) 垂深(垂直井深)：即某測(cè)點(diǎn)的垂直深度，以H表示。？是指井身任意一點(diǎn)至轉(zhuǎn)盤面 所在平面的距離。11) 水平投影長(zhǎng)度：是指自井口至測(cè)點(diǎn)的井眼長(zhǎng)度在水平面上的投影長(zhǎng)度。以S?表示。12) 水平位移：簡(jiǎn)稱平移，是指測(cè)點(diǎn)到井口垂線的距離.在國(guó)外又稱為閉合距( Cl

19、osure Dista nee)。13）平移方位角：又稱為閉合方位角（ Closure Azimuth ）,常用B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(diǎn)在垂直投影面上的水平位移。 在實(shí)際定向井 鉆井過程中，這個(gè)投影面選在設(shè)計(jì)方位線上。所以視不移也可以定義為水平位移在 設(shè)計(jì)線上的投影。15）高邊 : 在斜井段用一個(gè)垂直于井眼軸線的平面于井眼（這時(shí)的井眼不能理解為一條 線，而是一個(gè)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(gè)最高點(diǎn) , 最高點(diǎn)與井眼圓心所形成的直線及為井眼的高邊 .16）工具面：工

20、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來夾角，通常用3?表 示.20）反扭矩：在用井底動(dòng)力鉆具鉆進(jìn)時(shí)，都存在一個(gè)與鉆頭轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反的扭矩，該扭 矩被稱為反扭矩 .21）反扭角：使用井底動(dòng)力鉆具鉆進(jìn)時(shí)，都存在一個(gè)與鉆頭轉(zhuǎn)動(dòng)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(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)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）貯層頂部：水平井段控制油層的底部24）設(shè)計(jì)入

21、口角度：進(jìn)入儲(chǔ)層頂部的井斜角度25）著陸點(diǎn)：井眼軌跡中井斜角達(dá)到 90°的點(diǎn)26）入口窗口高度：入靶點(diǎn)垂直方向上下誤差之和27）入口窗口寬度 :入靶點(diǎn)水平方向左右誤差之和28）出口窗口高度：出靶點(diǎn)垂直方向上下誤差之和29）出口窗口寬度：出靶點(diǎn)水平方向左右誤差之和30）著陸點(diǎn)允許水平偏差：著陸點(diǎn)允許水平方向前后的誤差31）單彎動(dòng)力鉆具： 動(dòng)力鉆具殼體上具有一個(gè)彎曲角度的動(dòng)力鉆具， 特點(diǎn)是造斜率較彎 接頭組合高，鉆頭偏移較小32）雙彎動(dòng)力鉆具： 同向雙彎， 動(dòng)力鉆具殼體上具有兩個(gè)彎曲方向相同的彎曲角度的動(dòng) 力鉆具，具有比單彎動(dòng)力鉆具更高的造斜率33）DTU動(dòng)力鉆具（異向雙彎）：動(dòng)力鉆具殼體上具有兩個(gè)彎曲方向相反的彎曲角度的動(dòng)力鉆具，鉆頭偏移最小，不僅可以導(dǎo)向鉆進(jìn)，而且可以配合轉(zhuǎn)盤鉆進(jìn)；附：常用 單彎動(dòng)力鉆具、雙彎動(dòng)力鉆具、DTU（異向雙彎）造斜率表.第四節(jié) 定向井、水平井基本施工步驟簡(jiǎn)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