定向井技術(shù)(第一章第二章)

1、主講人： 李瑋李瑋班級： 09屆屆01-02班班聯(lián)系方式：向井鉆采技術(shù)課程的基本要求課程的基本要求了解定向井的基本類型和用途； 了解和掌握定向井井眼軌道設(shè)計的基本理論與方法；了解和掌握實鉆井眼軌道的描述方法與理論；了解定向井軌道控制力學(xué)分析的基本方法；熟悉掌握油氣井井眼軌道預(yù)測及控制的基本方法與理論。 課程的主要參考文獻課程的主要參考文獻劉修善著，井眼軌道幾何學(xué)，石油工業(yè)出版社； 蘇義腦著，水平井井眼軌道控制；韓志勇，定向井設(shè)計與計算；劉希圣主編，鉆井工藝原理中冊；閆 鐵，李士斌，深部井眼巖石力學(xué)理論與實踐 1.1 1.1 井眼軌道井眼軌道垂直井：垂直井：設(shè)計井眼軸線

2、為一鉛垂線，其井斜角、設(shè)計井眼軸線為一鉛垂線，其井斜角、井底水平位移和全角變化率均在限定范圍。井底水平位移和全角變化率均在限定范圍。定向井：定向井：沿著預(yù)先設(shè)計的井眼軌道，按既定方向沿著預(yù)先設(shè)計的井眼軌道，按既定方向偏離井口垂線一定距離，鉆達一定目標的井。偏離井口垂線一定距離，鉆達一定目標的井。按井眼軌道分類：按井眼軌道分類： 1.2 井眼軌道的發(fā)展過程定定向向井井普通定向井：普通定向井：一個井場內(nèi)僅有一個井場內(nèi)僅有1口最大井斜角小于口最大井斜角小于60的定向井。的定向井。斜直井：斜直井：用斜直鉆機或斜井架完成，自井口開始井眼軌道一直是一段用斜直鉆機或斜井架完成，自井口開始井眼軌道一直是一段斜

3、井段的定向井。斜井段的定向井。大斜度井：大斜度井：最大井斜角在最大井斜角在60 80范圍內(nèi)的定向井范圍內(nèi)的定向井水平井：水平井：最大井斜角大于或等于最大井斜角大于或等于86 ，并保持這種井斜角鉆完一定長，并保持這種井斜角鉆完一定長度井段的井。度井段的井。 長曲率半徑：長曲率半徑：6 /30m 中曲率半徑：中曲率半徑：6 20 /30m水平井水平井 中短曲率半徑：中短曲率半徑：1 20 /30m 短曲率半徑：短曲率半徑：1 10/m/m 徑向水平井：徑向水平井：k= 叢式井：叢式井：在一個井場內(nèi)有計劃地鉆出兩口或兩口以上的定向井組，其在一個井場內(nèi)有計劃地鉆出兩口或兩口以上的定向井組，其中可含中可

4、含1口直井?？谥本７种Ь悍种Ь阂粋€井口下面有兩個或兩個以上井底的定向井。一個井口下面有兩個或兩個以上井底的定向井。 1.3 定向井的發(fā)展歷程石油工業(yè)中石油工業(yè)中, ,定向井定向井起源于起源于1919世紀初期的美國世紀初期的美國, ,當(dāng)當(dāng)時引入時引入旋轉(zhuǎn)鉆井旋轉(zhuǎn)鉆井代替代替頓鉆鉆井頓鉆鉆井, ,并沒有考慮控制井并沒有考慮控制井眼軌道的問題。井眼測量表明早期的眼軌道的問題。井眼測量表明早期的直井實際上是直井實際上是不垂直的。不垂直的。中國的定向井中國的定向井技術(shù)開始于技術(shù)開始于19561956年。年。6060年代后處于年代后處于停頓狀態(tài)。停頓狀態(tài)。 18811881年，年，美國加利福尼亞美國

5、加利福尼亞，在油苗露頭處鑿入一口直井，在油苗露頭處鑿入一口直井，然后在油層下面橫向掘進一然后在油層下面橫向掘進一些坑道，再側(cè)向朝油層內(nèi)鉆些坑道，再側(cè)向朝油層內(nèi)鉆井眼，最早的井眼，最早的分支井分支井雛形。雛形。19191919年，美國申請了從直年，美國申請了從直井筒側(cè)鉆出井筒側(cè)鉆出分支水平井眼分支水平井眼的的第一個專利。第一個專利。 19341934年，美國用轉(zhuǎn)盤打成一場兩井的年，美國用轉(zhuǎn)盤打成一場兩井的叢式定向鉆井叢式定向鉆井。 1935年，蘇聯(lián)在馬爾丹尼亞油田，年，蘇聯(lián)在馬爾丹尼亞油田，用用渦輪帶彎鉆桿渦輪帶彎鉆桿打定向井，未成功；打定向井，未成功；1941年，在巴庫油田，年，在巴庫油田，渦

6、輪鉆具渦輪鉆具鉆鉆成第一口定向井。成第一口定向井。 1965，1966年，我國分別鉆成年，我國分別鉆成磨磨3水平井水平井、巴巴24水平井水平井，水平位移分別為，水平位移分別為444.21米和米和537.26米。米。由于受當(dāng)時的技術(shù)條件限制，由于受當(dāng)時的技術(shù)條件限制，60年代末至年代末至70年代末，年代末，水平井技術(shù)發(fā)展遲緩，經(jīng)濟因素受技術(shù)約束，低成本水平井技術(shù)發(fā)展遲緩，經(jīng)濟因素受技術(shù)約束，低成本的壓裂技術(shù)。的壓裂技術(shù)。80年代以來，加速發(fā)展：多種類型油氣藏鉆水平井年代以來，加速發(fā)展：多種類型油氣藏鉆水平井開發(fā)試驗取得顯著成效；現(xiàn)代水平井鉆井技術(shù)、測試開發(fā)試驗取得顯著成效；現(xiàn)代水平井鉆井技術(shù)、測

7、試技術(shù)，提高了成功率，降低了成本。技術(shù)，提高了成功率，降低了成本。1988年，鉆水平井近年，鉆水平井近200口口。 上個世紀上個世紀20年代美國開始運用年代美國開始運用大位移井大位移井，20世紀世紀90年代該技術(shù)得到迅速發(fā)展。年代該技術(shù)得到迅速發(fā)展。1997年年6月在中國南海東部鉆成的月在中國南海東部鉆成的西江西江24-3-A14井井水平位移是水平位移是8060.7m。1998年年1月月BP公司在英國公司在英國Wytch Farm油田鉆的油田鉆的M11井井，測深，測深10658m，垂深，垂深1605m，水平位移達水平位移達10114m，首次突破，首次突破10000m水平位移大關(guān)。水平位移大關(guān)。

8、1999年，年，BP公司又在英國公司又在英國Wytch Farm油田鉆的油田鉆的M16井創(chuàng)出新的世界紀錄，測深井創(chuàng)出新的世界紀錄，測深11278m，垂深，垂深1637m，位移位移10728m。 1.4 為什么進行定向鉆井地面限制地面限制 井場設(shè)置及搬家安裝受到限制。井場設(shè)置及搬家安裝受到限制。地下地質(zhì)條件要求地下地質(zhì)條件要求 由于地質(zhì)構(gòu)造特點，直井不能有效斟探開發(fā)油氣由于地質(zhì)構(gòu)造特點，直井不能有效斟探開發(fā)油氣藏，而定向井有利于發(fā)現(xiàn)油氣藏和提高開發(fā)速度。藏，而定向井有利于發(fā)現(xiàn)油氣藏和提高開發(fā)速度。鉆井技術(shù)的需要鉆井技術(shù)的需要 處理井下事故；地層易井斜。處理井下事故；地層易井斜。水平井：水平井：最

9、大井斜角大于或等于最大井斜角大于或等于86，并保持這種井，并保持這種井斜角鉆完一定長度段的井。斜角鉆完一定長度段的井。 井斜角大于或等于井斜角大于或等于86以上的井段稱為以上的井段稱為水平段水平段。鉆水平井。鉆水平井的主要目的是獲得較高的的主要目的是獲得較高的油氣產(chǎn)能油氣產(chǎn)能。 設(shè)計水平段軌道允許誤差范圍所限定的幾何空間稱為設(shè)計水平段軌道允許誤差范圍所限定的幾何空間稱為靶靶體體，水平井靶體的前端面稱為，水平井靶體的前端面稱為靶窗靶窗，靶底靶底是指水平井靶體的是指水平井靶體的后端面。后端面。入靶點入靶點是指水平井設(shè)計軌道或?qū)嶃@軌跡與靶窗的交是指水平井設(shè)計軌道或?qū)嶃@軌跡與靶窗的交點，水平井設(shè)計軌道

10、或?qū)嶃@軌跡與靶底的交點稱為點，水平井設(shè)計軌道或?qū)嶃@軌跡與靶底的交點稱為終止點終止點。 2.1 水平井的定義及分類300 m1500 m2400 mAaaabbbco靶窗靶窗靶底靶底按造斜率的大小分為長曲率半徑水平井、中曲率半按造斜率的大小分為長曲率半徑水平井、中曲率半徑水平井、短曲率半徑水平井徑水平井、短曲率半徑水平井長曲率半徑水平井（常規(guī)水平井）長曲率半徑水平井（常規(guī)水平井） -曲率曲率286.5m中曲率半徑水平井中曲率半徑水平井 -曲率曲率6-20度度/30m；曲率半徑；曲率半徑(86-286.5m)小曲率半徑水平井小曲率半徑水平井 -曲率曲率1-10度度/m；曲率半徑；曲率半徑5.73-

11、19.1m 先鉆成先鉆成大斜度主井筒大斜度主井筒（有時鉆成水平井），然后從適當(dāng)位（有時鉆成水平井），然后從適當(dāng)位置側(cè)鉆置側(cè)鉆分支井筒分支井筒。 先鉆先鉆垂直主井筒至生產(chǎn)層底部垂直主井筒至生產(chǎn)層底部，再從井底以上適當(dāng)位置向，再從井底以上適當(dāng)位置向四周鉆四周鉆若干個分支井筒若干個分支井筒。 或者，鉆垂直井至生產(chǎn)層頂部或稍高處，然后或者，鉆垂直井至生產(chǎn)層頂部或稍高處，然后分岔分岔。亦可。亦可利用舊井利用舊井側(cè)鉆分支水平井筒側(cè)鉆分支水平井筒。 叢式水平井分支井。叢式水平井分支井。 先鉆一先鉆一垂直中心井垂直中心井，然后由中心向四周鉆分支或從四周鉆，然后由中心向四周鉆分支或從四周鉆水平井與中心井水平井與

12、中心井聯(lián)接，主井筒是采油通道，各種增產(chǎn)措施在聯(lián)接，主井筒是采油通道，各種增產(chǎn)措施在四周井筒內(nèi)進行。四周井筒內(nèi)進行。 分支水平井：分支水平井：從主井筒側(cè)鉆的水平或近似水平的井筒。從主井筒側(cè)鉆的水平或近似水平的井筒。 先鉆成先鉆成大斜度主井筒大斜度主井筒（有時鉆成水平井），然后從適當(dāng)位（有時鉆成水平井），然后從適當(dāng)位置側(cè)鉆置側(cè)鉆分支井筒，如人字形、肋骨形分支井筒，如人字形、肋骨形。 先鉆先鉆垂直主井筒至生產(chǎn)層底部垂直主井筒至生產(chǎn)層底部，再從井底以上適當(dāng)位置向，再從井底以上適當(dāng)位置向四周鉆四周鉆若干個分支井筒，如雙向形、輻射形若干個分支井筒，如雙向形、輻射形。 或者，鉆垂直井至生產(chǎn)層頂部或稍高處，然

13、后或者，鉆垂直井至生產(chǎn)層頂部或稍高處，然后分岔分岔。亦可。亦可利用舊井利用舊井側(cè)鉆分支水平井筒，如疊加形，三叉形側(cè)鉆分支水平井筒，如疊加形，三叉形。 叢式水平井分支井。叢式水平井分支井。 先鉆一先鉆一垂直中心井垂直中心井，然后由中心向四周鉆分支或從四周鉆，然后由中心向四周鉆分支或從四周鉆水平井與中心井水平井與中心井聯(lián)接，主井筒是采油通道，各種增產(chǎn)措施在聯(lián)接，主井筒是采油通道，各種增產(chǎn)措施在四周井筒內(nèi)進行。四周井筒內(nèi)進行。如輻射形輻射形。裂縫油層疊加 海上多層系油層輻射型多個斷層2.2 水平鉆井的用途具有普通定向井的作用具有普通定向井的作用開發(fā)低滲透油藏開發(fā)低滲透油藏開發(fā)薄油層開發(fā)薄油層垂直裂縫

14、油藏垂直裂縫油藏底水或氣頂油藏底水或氣頂油藏詳細了解目的層的性質(zhì)詳細了解目的層的性質(zhì)(與直井相比與直井相比)具有很好的社會效益具有很好的社會效益2.2.1 開發(fā)低滲透油田目前我國新探明儲量中，60%以上都是低滲、特低滲（ke1md）油氣藏。2.2.1 開發(fā)低滲透油田油層低壓低滲透性油層低壓低滲透性直井產(chǎn)能低直井產(chǎn)能低,無經(jīng)濟效益無經(jīng)濟效益水平井可大幅度提高產(chǎn)能水平井可大幅度提高產(chǎn)能提高了經(jīng)濟可行性提高了經(jīng)濟可行性擴大了勘探開發(fā)范圍擴大了勘探開發(fā)范圍低滲透油田分布廣泛低滲透油田分布廣泛滲流阻力大，生產(chǎn)壓差高，滲流阻力大，生產(chǎn)壓差高，水平井近井壓降比直井小。水平井近井壓降比直井小。直井直井水平井水

15、平井2.2.2減輕油層損害的程度地層損害產(chǎn)生表皮效應(yīng)和附加壓力降地層損害產(chǎn)生表皮效應(yīng)和附加壓力降在直井中在直井中,附加壓力降一定附加壓力降一定在水平井中在水平井中,附加壓力降反比于水平段長附加壓力降反比于水平段長L隨隨L增加增加,油層損害程度降低油層損害程度降低2.2.3減輕油氣速度敏感性油氣生產(chǎn)時，油氣流流度高于某個臨界值時，油氣生產(chǎn)時，油氣流流度高于某個臨界值時，會出現(xiàn)復(fù)雜情況會出現(xiàn)復(fù)雜情況出現(xiàn)有害流體出現(xiàn)有害流體防砂防砂氣井中尤為突出氣井中尤為突出水平井的滲流速度比直井小水平井的滲流速度比直井小直井直井水平井水平井2.2.4改進水驅(qū)和注水效果直井：產(chǎn)生明顯的壓力降直井：產(chǎn)生明顯的壓力降,

16、破壞油水界面破壞油水界面,容易出水。容易出水。水平井：油水界面變形較小，延緩出水時間和出水量增加速水平井：油水界面變形較小，延緩出水時間和出水量增加速度。度。油井油井水井水井水井水井垂直注入井和水平采出井垂直注入井和水平采出井2.2.4改進水驅(qū)和注水效果水平井提高了生產(chǎn)能力，壓力降較小。水平井提高了生產(chǎn)能力，壓力降較小。泄油更加分散，壓力降不再集中于單一點，增加了波及面積。泄油更加分散，壓力降不再集中于單一點，增加了波及面積。加大井眼至油水界面的距離。加大井眼至油水界面的距離。開發(fā)稠油，水比油易流動，效果更明顯。開發(fā)稠油，水比油易流動，效果更明顯。2.2.5水平井提高采收率蒸汽熱采時蒸汽熱采時

17、 -直井：直井： 低注入量，熱平衡差，熱能損耗大；低注入量，熱平衡差，熱能損耗大； -水平井：水平井： 提高注入量，加熱更大的石油體積，改善熱平提高注入量，加熱更大的石油體積，改善熱平衡和采油效果衡和采油效果水平井組2.2.6 水平井開發(fā)非均質(zhì)油層裂縫油層裂縫油層 - -垂直裂縫垂直裂縫, ,水平井穿過大量裂縫水平井穿過大量裂縫層狀油層層狀油層地層傾角地層傾角復(fù)雜軌跡復(fù)雜軌跡正確識別油層的非均質(zhì)性；由非均質(zhì)性設(shè)計剖正確識別油層的非均質(zhì)性；由非均質(zhì)性設(shè)計剖面；鉆進時，由地質(zhì)資料調(diào)整軌道。面；鉆進時，由地質(zhì)資料調(diào)整軌道。2.3 水平鉆井的難點 軌跡控制要求高，難度大 。一是目標垂深的不確定性，即地質(zhì)部門對目標層垂深的預(yù)測有一定的誤差；二是造斜工具的造斜率的不確定性。 兩個不確定性因素2.3 水平鉆井的難點 管柱在井眼中受力復(fù)雜 。摩阻、摩扭矩軸向力扭矩彎曲應(yīng)力彎曲應(yīng)力2.3 水平鉆井的難點 鉆井液密度選擇范圍變小，容易出現(xiàn)井漏和井塌。巖屑攜帶困難 。在井斜角4560的井段，已形成“巖屑床”會沿井壁下側(cè)向下滑動，形成嚴重的堆積，從而堵塞井眼。2.3 水平鉆井的難點 保證固井質(zhì)量的難