定向鉆進原理與應

定向鉆進原理與應用

煤炭科學研究總院西安研究院鉆探技術與裝備研發(fā)中心2023/10/14井下千米定向鉆進裝備與工藝培訓第一章

概述

一、定向鉆進技術二、受控定向鉆進應用三、受控定向鉆進關鍵技術第一節(jié)

定向鉆進技術一、定向鉆進與定向鉆井（孔）的含義

1、定向鉆進的含義

石油鉆井中對定向鉆進技術的定義為沿著預先設計的井眼軸線鉆達目的層位的鉆井方法。地質勘探中對定向鉆進技術的定義是指利用鉆孔自然彎曲規(guī)律或采用人工造斜工具使鉆孔按設計要求進行延伸鉆到預定目標的一種鉆進方法。國外有文獻認為是為了鉆達到一個預定的地下目標，使井眼在特定方向偏斜的工藝和科學。

煤礦井下對定向鉆進技術的定義：是指利用鉆孔自然彎曲規(guī)律或采用專用工具使近水平鉆孔軌跡按設計要求延伸鉆進至預定目標的一種鉆探方法，即有目的地將鉆孔軸線由彎變直或由直變彎。2023/10/14編輯課件第一節(jié)

定向鉆進技術

2、定向鉆井（孔）的含義。

定向鉆孔是指用定向鉆進方法控制鉆孔軌跡鉆到預定目標的鉆孔。

與常規(guī)鉆孔的區(qū)別：定向鉆孔設計有特殊的軌跡，鉆進中必須研究和利用地層自然彎曲規(guī)律、鉆孔控制理論或人工造斜工具控制鉆孔軌跡，最終鉆達預定目標要求。

2023/10/14編輯課件第一節(jié)

定向鉆進技術

3、關于“靶區(qū)”與“靶點”的含義

為了控制定向井軸線到達預定目標時偏離不大，在定向井設計時，對預定目標事先規(guī)定了一定的范圍，該范圍是井孔軸線到達預定目標時的允許偏差區(qū)域，稱為靶區(qū)。靶區(qū)的形狀和大小可以是以靶點為圓心的一定半徑的圓或圓筒，也可以是以靶點為中心，離靶心一定偏線距和沿線距的距形或正方形。目的層急傾時，靶區(qū)還可給定在垂直面或目的層傾斜面上。預定的目標為靶點，一般為靶區(qū)的中心。井孔軸線鉆到預定靶區(qū)稱為“中靶”，反之則稱之為“脫靶”。2023/10/14編輯課件第一節(jié)

定向鉆進技術二、定向鉆孔的類型

1、按施工技術方法分類

1）自然彎曲定向孔。利用地層在一定鉆進條件下的自然彎曲規(guī)律設計鉆孔軸線，通過移動孔位或改變開孔頂角、方位角，采用常規(guī)鉆進技術工藝，必要時利用井斜控制理論輔以一般的增斜、減斜措施，達到基本按設計的鉆孔軸線鉆達目的層的鉆孔。自然彎曲定向孔又稱初級定向孔。

2）人工彎曲定向孔。采用人工造斜工具與技術強制進行人工彎曲，并克服鉆孔自然彎曲的影響，或者利用鉆孔自然彎曲規(guī)律與人工造斜工具強制進行人工彎曲相結合，使鉆孔按設計軌跡鉆達目的層的鉆孔。又稱受控定向孔。2023/10/14編輯課件第一節(jié)

定向鉆進技術

2、按鉆井井底結構分類

1）單底定向井（孔）。只有一個主干井眼的定向井。

2）多底定向井（孔）。主干井(首先完成的鉆井)鉆進后，再從主干井內開出其他分支井的定向井。它又分一級和多級分支定向井。

2023/10/14編輯課件第二節(jié)

受控定向鉆進應用一、在石油、天然氣鉆井工程中應用

1、海洋鉆井平臺上鉆叢式定向井?？刂戚^大面積的油氣構造。生產設施集中在平臺上，節(jié)省建造平臺費用。

2、勘探和開發(fā)近海岸油氣田。使鉆井定向彎曲，鉆達海底油氣層，節(jié)約海上鉆井平臺的建設費用(b)。

3、用定向井控制斷層。查明油水界面或斷層面位置(c)。2023/10/14編輯課件

4、避開地表障礙物?？碧胶烷_發(fā)障礙物下方的油氣田。

5、糾正已斜的井眼或繞過井內墮落物而進行側鉆。（g）

6、打定向井探采鹽丘突起下部的油氣層。含油構造有時與鹽丘構造共生，部分鹽丘可能直接覆蓋在油藏上面，直井鉆遇鹽層可能導至沖蝕、鉆井液漏失和腐蝕等問題(d)。第二節(jié)受控定向鉆進應用2023/10/14編輯課件第二節(jié)受控定向鉆進應用

二、在煤層、煤層氣鉆井工程中應用

1、在煤層中施工定向鉆孔抽瓦斯

1）煤層硬度系數大于1，煤層條件好，煤層中易成孔，主要在煤層中施工鉆孔進行瓦斯抽放，抽放方式主要分：

a單孔抽放；

b主孔與分支孔聯(lián)合抽放。

2023/10/14編輯課件第二節(jié)受控定向鉆進應用

2）煤層硬度系數小于1，煤質松軟，在煤層中難以成孔，采用梳狀鉆孔進行瓦斯抽放。

梳狀鉆孔技術是通過在目標煤層上（下）較穩(wěn)定巖層施工水平長鉆孔，并進行分支穿入煤層實現(xiàn)難成孔軟煤層的瓦斯有效長期抽采。

2023/10/14編輯課件

2、探測煤層構造，煤層頂板、底板等地質信息。3、用于煤礦井下探放水鉆孔施工。第二節(jié)受控定向鉆進應用2023/10/14編輯課件第三節(jié)

受控定向鉆進關鍵技術

一、根據已知地質條件，合理設計定向鉆孔軸線軌跡。二、能可靠地控制人工彎曲工具改變鉆孔軌跡，且造斜強度穩(wěn)定、可調。三、能準確、可靠地對造斜工具定向和測量鉆孔的傾角和方位角。2023/10/14編輯課件第二章

定向鉆進的受控機理

一、定向鉆孔的彎曲機理二、定向鉆孔的彎曲條件三、定向鉆孔的受控方法第一節(jié)定向鉆孔的彎曲機理

鉆孔彎曲影響因素

工藝技術因素

地質因素

結構構造

孔底鉆具組合

鉆進工藝參數

其他因素客觀因素主觀因素

硬度2023/10/14編輯課件第一節(jié)定向鉆孔的彎曲機理一、地質因素：主要是鉆進地層的硬度及結構構造。

1、用相同直徑的鉆頭、鉆具組合以及鉆探工藝鉆進不同硬度地層時，一般在硬巖中成孔直徑較小，而軟巖層更有利于鉆孔彎曲。

2、地層的層理、片理、裂隙、斷層、軟硬互層、溶洞、卵礫石等結構構造使巖層具有不均質性，在這種地層中鉆進時，鉆頭在孔底受力不平衡，容易引起鉆孔彎曲。其中層理、片理和軟硬互層對鉆孔軌跡彎曲影響最大。（1）層理的影響平行層理與層理斜交垂直層理2023/10/14編輯課件第一節(jié)定向鉆孔的彎曲機理A.鉆頭垂直于層面，鉆孔為圓形，不發(fā)生彎曲；B.鉆頭與地層面斜交，鉆頭軸線力圖向垂直于地層層面方向偏斜，鉆孔呈橢圓形；C.鉆頭平行于層面硬度較小，孔壁易巖石易破碎，形成的鉆孔較大，孔壁間隙大，鉆頭穩(wěn)定性差，鉆孔容易彎曲。2023/10/14編輯課件第一節(jié)定向鉆孔的彎曲機理

a.垂直于層理方向，硬度最小，破碎阻力小，破碎速度快，孔壁間隙最小，不易發(fā)生彎曲；

b.平行于層理方向的硬度最大，破碎阻力最大，破碎速度最慢，孔壁間隙最大，使鉆頭穩(wěn)定量差，鉆孔容易彎曲；

c.與層理斜交方向巖層的硬度、破碎阻力、破碎速度以及鉆孔彎曲程度介于兩者之間。2023/10/14編輯課件第一節(jié)定向鉆孔的彎曲機理

（2）軟硬互層構造的影響

遇層角指鉆孔軸線與巖層層面法線的夾角的余角，鉆孔軸線的遇層點的切線與其在層面上的射影所夾的銳角。

鉆具沿層面下滑的臨界遇層角主要與巖石對鉆頭的摩擦系數有關，這取決于巖石的性質，一般臨界遇層角的值δ≤20°。2023/10/14編輯課件第一節(jié)定向鉆孔的彎曲機理

遇層角大于臨界角,鉆頭由軟巖層進入硬巖層時，靠層面上硬巖一端孔底反力的合力大，靠軟巖一端孔底反力的合力小，不僅鉆頭兩端存在鉆速差和孔底不對稱不均勻破碎，而且將產生一傾倒力矩M使鉆頭扭轉，并沿著地層上傾方向，即垂自于層面方向彎曲(稱為“頂層進”)；遇層角大于臨界角時鉆頭由硬巖層進入軟巖層時，鉆頭靠層面上軟巖一側的鉆速快，靠硬巖一側的鉆速慢，加之產生的傾倒力矩，使鉆孔有向地層下傾方向彎曲的趨勢（稱為“順層跑”）。2023/10/14編輯課件第一節(jié)定向鉆孔的彎曲機理二、工藝技術因素

1、鉆進工藝參數是指鉆壓（P）、轉速（n）和沖洗液量（Q）。

2、一般情況下，大推力、高轉速可實現(xiàn)鉆孔向上彎曲；反之，小推力、低轉速則使鉆孔向下彎曲。另外沖洗液量的大小也會影響鉆孔的彎曲，在孔內巖粉能返出孔外的前提下，沖洗液量過大鉆孔會有下斜趨勢，過小則會使鉆孔相對上仰。

3、鉆進工藝因素將改變孔底鉆具產生的側向力和受到的地層自然定向力，通過調節(jié)鉆進工藝參數來控制鉆孔軌跡，這也是受控定向鉆進的一個重要手段。

2023/10/14編輯課件第二節(jié)定向鉆孔的彎曲條件

鉆孔彎曲，實現(xiàn)定向鉆進，必須滿足三個條件：力學條件、空間條件和位置條件。力學條件和空間條件是實現(xiàn)定向鉆進的必要條件；位置條件是實現(xiàn)定向鉆進的充分條件。1、力學條件

⑴鉆頭與孔底接觸時，鉆頭唇面的軸向受力不均衡，孔底平面軸向破碎速度有快有慢，即孔底平面產生不均勻、不對稱破碎，存在速度差，使鉆頭中心線可能偏離鉆孔軸線。⑵孔底鉆具組合歪倒，鉆頭中心線偏離原鉆孔軸線一定角度，鉆壓P不再沿鉆孔軸線方向，而是偏離一個角度施加給鉆頭，使鉆頭破碎方向不垂直于原孔底平面，而是同時破碎孔底(軸向分力作用)和孔壁(徑向分力作用)的一部分，使孔底破碎不對稱，從而有可能導致孔斜。2023/10/14編輯課件第二節(jié)定向鉆孔的彎曲條件

鉆頭作用力方向偏離鉆孔軸線示意圖

⑶鉆頭軸向和徑向同時受力，軸向壓力沿鉆頭軸向垂直作用到孔底，側向力FA沿鉆頭徑向作用到孔壁。鉆頭在軸向破碎孔底的同時，又進行側向切削孔壁，鉆頭軸線的實際切削方向為軸向破碎速度VP與側向破碎速度VA、的矢量合成方向VC，因此鉆頭軸線的實際破碎方向偏離原鉆孔軸線。鉆頭軸向和徑向同時受力示意圖2023/10/14編輯課件第二節(jié)定向鉆孔的彎曲條件2、空間條件

空間條件是指孔底鉆具組合與孔壁之間存在的間隙。它是上述力學條件下使鉆頭中心線偏離原鉆孔軸線的前提條件。3、位置條件

位置條件是指鉆頭作用力的方向固定、相對大小固定以及鉆頭歪倒方向固定。鉆孔過程中，只有同時具備力學條件、空間條件和位置條件，才會最終發(fā)生鉆頭中心線與原鉆孔軸線的偏離。2023/10/14編輯課件第三節(jié)定向鉆孔的受控方法

掌握了定向鉆孔的彎曲機理和彎曲條件，為實現(xiàn)定向鉆進提供必要的理論支持，使定向鉆孔的控制方法有針對性、科學性和可行性。一、初級定向鉆孔的控制方法

1.根據施鉆區(qū)域地層賦存變化情況，結合常規(guī)鉆具和一定工藝技術，摸索鉆孔由地質因素引起的變化規(guī)律，實現(xiàn)鉆孔定向。該方法簡單易行，但必須做好前期準備：準確掌握區(qū)域地質資料；對區(qū)域已完成的鉆孔進行分析歸納，找出其變化規(guī)律。2023/10/14編輯課件第三節(jié)定向鉆孔的受控方法

2.鉆頭2023/10/14編輯課件第三節(jié)定向鉆孔的受控方法

3.穩(wěn)定組合鉆具2023/10/14編輯課件第三節(jié)定向鉆孔的受控方法二、受控定向鉆進的控制方法----孔底動力機

孔底動力機是一種新型鉆探設備，它以鉆井液為動力傳遞介質，通過將水泵泵送的高壓液體的能量轉化為回轉機械能，直接驅動鉆頭破碎巖石。使用孔底動力機進行鉆進有以下優(yōu)點：a、鉆桿不轉動，充分利用功率，既有利于發(fā)揮鉆頭切削性能，又減少鉆桿的疲勞和磨損，防止孔徑擴大、坍塌掉塊及卡埋鉆等孔內事故；b、結構簡單，工作可靠；與高精度定向儀配合，可精確控制鉆孔軸線方向，進行隨鉆測量定向鉆進，實現(xiàn)遙控鉆進；c、對地層的適應性廣，既可在硬、堅硬的完整地層造斜，又可在破碎地層、第四系地層、松軟以及中硬、軟硬不均的地層中造斜。2023/10/14編輯課件第三節(jié)定向鉆孔的受控方法1.螺桿鉆具總成2023/10/14編輯課件第三節(jié)定向鉆孔的受控方法2.螺桿馬達工作曲線圖a螺桿馬達理論曲線圖圖b 螺桿馬達實際曲線2023/10/14編輯課件第三節(jié)定向鉆孔的受控方法3.螺桿馬達的“工具面向角”螺桿馬達的“工具面向角”就是我們通常所說的馬達“彎頭”朝向。鉆進過程中通過改變彎頭的朝向，使鉆孔實現(xiàn)定向彎曲變化。

工具面向角0o（360o）彎頭向上工具面向角270o彎頭向左工具面向角90o彎頭向右工具面向角180o彎頭向下2023/10/14編輯課件第三章

定向鉆進配套裝備

一、鉆機二、測斜系統(tǒng)三、孔底馬達四、鉆頭五、其它部件第一節(jié)

鉆機

由于定向鉆進是以孔底馬達的局部回轉切削煤層和巖層的，所以對鉆機的回轉能力要求不高，只要滿足給進和起拔力即可滿足要求。目前應用于定向鉆進用鉆機主要有：

ZDY6000LD(A)---滿足1000m的定向鉆孔施工要求

ZDY6000LD------滿足800m的定向鉆孔施工要求

ZDY4000LD------滿足600m的定向鉆孔施工要求2023/10/14編輯課件第二節(jié)測斜系統(tǒng)通訊電纜孔底馬達和鉆頭下無磁鉆桿送水器上無磁鉆桿通纜鉆桿測量探管監(jiān)視器信號線泥漿泵2023/10/14編輯課件第二節(jié)

測斜系統(tǒng)1.通纜鉆桿

中心通纜鉆桿為外平鉆桿，長度為3m，外徑73mm?？梢赃M行定向鉆進和回轉鉆進。由通纜母接頭，絕緣支撐擋環(huán)，絕緣聯(lián)接體，中間導線，通纜公接頭，變徑彈簧等構成；中間導線的外部設置絕緣聯(lián)接體，其兩端分別為通纜母接頭、通纜公接頭，在公接頭上設置變徑彈簧，與內圓錐面的母接頭連接。2023/10/14編輯課件第二節(jié)

測斜系統(tǒng)

試驗鉆桿已進行了以下試驗：

1.抗拉試驗：拉力達到700kN以上；

2.靜扭試驗：屈服扭矩6000Nm以上，破壞扭矩10000Nm以上；

3.螺紋密封試驗：5MPa不泄壓，7~10MPa有泄漏；

4.導電及絕緣試驗：9個接頭的接觸電阻為0.5Ω左右，5m鉆桿芯線和鉆桿體的電阻為4MΩ以上。

2023/10/14編輯課件第二節(jié)

測斜系統(tǒng)2.無磁鉆桿

由于地磁場的作用，鉆進過程中，鉆具被磁化，對磁性羅盤產生磁干擾。并且隨球緯度的不同，產生的地磁場強度也不同，羅盤受干擾的強弱就不同。另外，井眼傾斜角、鉆孔方位角也與磁源干擾有關。如果不采取相應有效措施，會直接影響儀器的測量精度。無磁鉆桿分為上無磁和下無磁鉆桿。目前設備中由于螺桿馬達鈹銅材料，所以下無磁可以相應變短或不要。無磁鉆桿通過無磁接手連接。

2023/10/14編輯課件第二節(jié)

測斜系統(tǒng)

3.測量儀器

2023/10/14編輯課件第三節(jié)

孔底馬達

2023/10/14編輯課件第四節(jié)

鉆頭

2023/10/14編輯課件第五節(jié)

其它部件

通纜水便通信纜線轉換接手

2023/10/14編輯課件第四章

定向鉆進工藝

一、鉆進方法二、鉆進過程三、鉆進規(guī)程參數的確定第一節(jié)鉆進方法1.螺桿鉆具造斜

目前螺桿馬達有0.93°、1.25°、1.5°、0.62°帶扶正器的幾種彎角的螺桿進行軌跡調整。使用結果表明：不帶扶正器的0.93°的螺桿向上糾斜的效果不是很理想；1.25°螺桿造斜效果好，尤其是鉆進分支孔時，不用提鉆直接可以在分支點造斜；1.5°的螺桿造斜強度較大，在強行糾偏時使用；帶扶正器的0.62彎角螺桿馬達在煤層中糾偏較緩，鉆孔傾角和方位變化較小，鉆孔軌跡較為平緩，鉆孔方向控制效果較好，鉆孔實際軌跡與設計軌跡的平均偏差小于1m。2023/10/14編輯課件第二節(jié)

鉆進過程

加固鉆機。開孔。先利用通纜鉆桿連接φ96mm鉆頭鉆進12m左右，提鉆更換φ153mm擴孔鉆頭鉆進6m，提鉆后下入φ133mm的孔口管，利用封孔劑封孔。c.安裝測斜儀器，連接螺桿馬達和無磁鉆桿，下鉆前連接泥漿泵檢查螺桿鉆具。d.調整彎外管彎角，將螺桿馬達彎外管方向調整為正十二點方向，測出此時的工具面向角值，作為工具面修正值。2023/10/14編輯課件第二節(jié)

鉆進過程e.下鉆到孔底，根據設計軌跡相應調整工具面值，啟動泥漿泵開始鉆進。f.鉆進施工鉆進過程中根據泥漿泵壓力了解孔底狀況，合理調節(jié)鉆進的給進壓力。g.終孔起鉆。

2023/10/14編輯課件第三節(jié)

鉆進規(guī)程參數的確定

螺桿鉆具鉆進工藝參數主要是指鉆壓P和轉速n。由螺桿鉆具的工作特性可知，由于鉆壓決定于螺桿鉆具的壓力降，轉速決定于通過螺桿的流量，因此控制鉆進工藝參數實質上就是控制螺桿鉆具在合理的工作規(guī)范內進行。鉆頭的扭矩力與馬達進出口的壓力降成正比，螺桿鉆具的壓力降與鉆壓成正比?？芍刂茐毫稻涂煽刂沏@壓，這可通過鉆機鉆進系統(tǒng)控制進行調節(jié)，而通過泥漿泵壓力表直觀顯示。鉆頭的轉速基本就是螺桿馬達的轉速，螺桿馬達的轉速與通過螺桿的流量成正比。泵量減去孔口泥漿泵回水和流經鉆具損失的流量，當回水關閉、鉆具絲扣密封較好時，泵量基本就是通過螺桿的流量，因此控制泵量就可以實現(xiàn)對鉆頭轉速的控制。由此不難得知，只要控制泥漿泵的流量與泵壓，就基本上控制了馬達的輸出扭矩和轉速。在使用螺桿鉆具進行鉆進時，泥漿泵壓力表可作為孔底工況的監(jiān)視器，通過調節(jié)流量來進行轉速調節(jié)，由壓力變化來判斷和顯示孔內工況。2023/10/14編輯課件第五章

鉆進實例

一、大佛寺煤礦定向鉆進二、亭南煤礦定向鉆進三、汝箕溝煤礦定向鉆進四、神東保德礦定向鉆進第一節(jié)大佛寺煤礦定向鉆進1.工作面概況

40104工作面為4號煤層，黑色，半亮型，硬度相對較大，系數3.0左右；該煤層賦存穩(wěn)定，有自燃發(fā)火性，煤塵具有爆炸危險，且發(fā)火期短，僅為3～5個月。煤層厚度為16.4～19.75米,平均厚度18.0米。煤層結構簡單，層狀構造，條帶狀結構，含一層夾矸，厚度0.05～0.10米，其距煤層底板2.3～2.8米不等。2023/10/14編輯課件第一節(jié)大佛寺煤礦定向鉆進2.鉆孔布置2023/10/14編輯課件第一節(jié)大佛寺煤礦定向鉆進

鉆場布置在運順聯(lián)巷中，寬4米，高5米。設計1#鉆孔垂直于401采區(qū)輔運大巷，方位角90°，鉆孔傾角1.5°；2#鉆孔方位角90°，鉆孔傾角3°；3#鉆孔方位角84°，鉆孔傾角3.5°；4#鉆孔方位角90°，鉆孔傾角3.5°。此次試驗鉆孔5個，其中包含一個分支孔。

2023/10/14編輯課件第一節(jié)大佛寺煤礦定向鉆進3.鉆具組合

3＃鉆孔開孔角度為3.5°，在鉆具上增加了兩個穩(wěn)定器并將螺桿馬達彎度調節(jié)為0°進行復合鉆進。由于0.31°彎度的復合鉆進將鉆孔擴大，穩(wěn)定器失去作用，導致鉆孔傾角下降14°，每10m下降2°左右，此時系統(tǒng)壓力上升到5～6MPa；根據均角全距法計算鉆孔軌跡下偏嚴重，提鉆采用1.25°螺桿鉆具工具面向角朝上使鉆具上仰，下降趨勢減弱，但最終進入底板鋁質泥巖而終孔。

鉆桿上無磁鉆桿測斜儀下無磁鉆桿扶正器螺桿馬達扶正器鉆頭2023/10/14編輯課件第二節(jié)亭南煤礦定向鉆進1.113工作面定向鉆進

巷道寬4米，高3米。設計1#鉆孔平行于113工作面運輸巷道，設計方位147.5°，鉆孔傾角2.3°；2#鉆孔設計方位147.5°，鉆孔傾角3.8°；此次試驗鉆孔6個，包含四個分支孔，其中有3個分支鉆孔從巷道穿出。2023/10/14編輯課件第二節(jié)亭南煤礦定向鉆進2023/10/14編輯課件第二節(jié)亭南煤礦定向鉆進1）1#鉆孔

9～102m采用彎角0.93°的螺桿馬達進行鉆進；——102～117m采用彎角1.5°螺桿——117～201m保值穩(wěn)定組合