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1、定向井和水平井钻井技术98598定向井和水平井钻井技术第一节定向井井身参数和测斜计算一.定向井的剖面类型及其应用定向钻井就是“使井眼按预定方向偏斜，钻达地下预定目标的一 门科学技术”。定向钻井的应用范围很广，可归纳如图91所示。定向井的剖面类型共有十多种，但是，大多数常规定向井的剖面 是三种基本剖面类型，见图9-2,称为“J”型、“S”型和连续增 斜型。按井斜角的大小范围定向井又可分为：常规定向井井斜角V55大斜度井井斜角5585o水平井井斜角85 （有水平延伸段）二.定向井井身参数实际钻井的定向井井眼轴线是一条空间曲线。钻进一定的井段 后，要进行测斜，被测的点叫测点。两个测点之间的距离称为测
2、段 长度。每个测点的基本参数有三项：井斜角、方位角和井深，这三 项称为井身基本参数，也叫井身三要素。1 .测量井深：指井口至测点间的井眼实际长度。2 .井斜角：测点处的井眼方向线与重力线之间的夹角。3 .方位角：以正北方向线为始边，顺时针旋转至方位线所转过的 角度，该方向线是指在水平面上，方位角可在0360之间变化。目前，广泛使用的各种磁力测斜仪测得的方位值是以地球磁北方 位线为准的，称为磁方位角。磁北方向线与正北方向线之间有一个 夹角，称磁偏角，磁偏角有东、西之分，称为东或西磁偏角，真方 位的计算式如下：真方位=磁方位角十东磁偏角 或 其方位=磁方位角一西磁偏角公式可概括为“东加西减”四个字
3、。方位角也有以象限表示的，以南（S）北（N）方向向东（E） 西（W）方向的偏斜表示，如N10 E, S20o Wo在进行磁方位校 正时，必须注意磁偏角在各个象限里是“加上”还是“减去” O4 .造斜点：从垂直井段开始倾斜的起点。5 .垂直井深：通过井眼轨迹上某点的水平面到井口的距离。6 .闭合距和闭合方位（I）闭合距：指水平投影面上测点到井口的距离，通常指靶点或井 底的位移，而其他测点的闭合距离可称为水平位移。（2）闭合方位：指水平投影响图上，从正北方向顺时针转至测点与 井口连线之间的夹角。7 .井斜变化率和方位变化率：井斜变化率是指单位长度内的井 斜角度变化情况，方位变化率是指单位长度内的方
4、位角变化情况， 均以度/ IOO米来表示（也可使用度/30米或度/ 100英尺等）。8 .方位提前角（或导角）：预计造斜时方位线与靶点方向线之 间的夹角。三.狗腿严重度狗腿严重是用来测量井眼弯曲程度或变化快慢的参数（以度/ IOO英尺表示）。可用解析法、图解法、查表法、尺算法等来计算 狗腿严重度k。L第一套公式2 .第二套公式cos = cosa 1 cosa2+sina 1 sina2 cosj（9-3）本式是由鲁宾斯基推导出来的，使用非常普遍。美国人按上式计算 出不同的al、a2和Aj值下的狗腿角Y值，并列成表格，形成了查 表法。3 .第三套公式Y两测点间的狗腿角。若将三套公式作比较，第一
5、套公式具有普遍性，适合于多种形状的 井眼，第二套只适用于平面曲线的井眼（即二维井型），第三套是 近似公式，用于井斜和方位变化较小的情况。四.测斜计算的主要方法测斜计算的方法可分为两大类二十多种。一类是把井眼轴线视 为由很多直线段组成，另一类则视其为不同曲率半径的圆弧组成。 计算方法多种多样，测段形状不可确定。主要的计算方法有正切 法、平衡正切法、平均角法、曲率半径法、最小曲率法、弦步法和 麦库立法。从计算精度来讲，最高的是曲率半径法和最小曲率法， 其次是平均角法。以下各图和计算公式中下角符号1、2分别代表上 测和下测点。1 .平均角法(角平均法)此法认为两测点间的测段为一条直线，该直线的方向为
6、上下两测 点处井眼方向的矢量和方向。测段计算公式：2 .平衡正切法此法假定二测点间的井段为两段各等于测段长度一半的直线构成 的折线，它们的方向分别与上、下两测点处的井眼方向一致。3,曲率半径法(圆柱螺线法)此法假设两测点间的测段是条等变螺旋角的圆柱螺线，螺线在两 端点处与上、下二测点处的井眼方向相切。4 .最小曲率法最小曲率法假设两测点间的井段是一段平面的圆弧，圆弧在两 端点处与上下二测点处的井眼方向线相切。测段计算公式如下：令fM= (2) tg ( 2) , fM是个大于1但很接近1的值。在狗腿角Y足够小的情况下，可近似认为fM = l,这时上述四个计 算公式就完全变成平衡正切法的公式了，
7、它是对平衡正切法公式的 校正。S,是切线IM和M2在水平面上的投影之和，即AS =IzM, +M, 2, o S,并不是测段的水平投影长度AS。要作出井 身垂直剖面图，需要求出AS,而最小曲率法却求不出AS,这是最 小曲率法的缺点。为了作出垂直剖面图，第二节定向井剖面设计在开钻前认真进行设计，可以大大节约定向钻井的成本。影响并 眼轨迹的因素很多，其中一些因素很难进行估算（如在某些地层中 的方位漂移情况等）。因此，在同一地区得到的钻井经验很重要， 这些经验可以在其他井设计过程中起重要的参考作用。一.设计资料要进行一口定向井的轨道设计工作，作业者至少应提供靶点的垂 深、水平位移和方位角，或提供井口
8、与靶点的座标位置，通过座标 换算，计算出方位角和水平位移。此外，定向井工程师还要收集下 列资料：1 .作业区域和地理位置。通过作业区域，通常可以找到该地区已 完井的钻井作业资料（野猫井除外），并对地层情况、方位漂移有 一定的了解，根据地理位置，可以计算或查得到地磁偏角。2 .地质设计书和井身结构。了解有关地层压力、地温梯度、地 层倾角、走向、岩性、断层，可能遇到的复杂情况，以及油藏工程 师的特殊要求等。3 .作业者对造斜点、造斜率、增（降）斜率的要求，以及安全圆 柱、最大井斜等井身质量的要求。4 . 了解钻井承包商的情况，如泥浆泵性能，井下钻具组合各组 件的基本情况等。二.设计原则1 .能实现
9、钻定向井的目的定向井设计首先要保证实现钻井目的，这是定向井设计的基本原 则。设计人员应根据不同的钻探目的对设计井的井身剖面类型、井 身结构、钻井液类型、完井方法等进行合理设计，以利于安全、优 质、快速钻井。如救险井的钻井目的是制服井喷和灭火，保护油、气资源。因 此，救险井的设计应充分体现其目的：一是靶点的层位选择合理。 二是靶区半径小（小于10米），中靶要求高；三是尽可能选择简单 的剖面类型，以减小井眼轨迹控制和施工难度，加快钻井速度。四 是井身结构、井控措施等应满足要求。2 .尽可能利用方位的自然漂移规律在使用牙轮钻头钻进时，方位 角的变化往往有向右增加的趋势，称为右手漂移规律。如图99所
10、示，靶点为T,设计方位角为。若按j定向钻进，则会钻达 T点，只有按照j角方向钻进，才会钻达目标点T。Aj角称为提 前角，提前角的大小，要根据地区的实钻资料，统计出方位漂移率 来确定，我国海上开发井一般取27度。目前流行的PDC钻头（如RC426型等），对方位右漂具有较好的 抑制效果。在地层倾角小、岩性稳定时，PDC钻头具有方位左漂的 趋势，这主要是由于PDC钻头的切削方式造成的。因此，要使用 PDC钻头钻进的定向井，提前角要适当地小一点。3 .根据油田的构造特征，有利于提高油气产量，提高投资效 益。4 .有利于安全、优质和快速钻井，满足采油和修井的作业要 求。三.剖面设计中应考虑的问题1 .选
11、择合适的井眼曲率井眼曲率不宜过小，这是因为井眼曲率限制太小会增加动力钻具 造斜井段、扭方位井段和增（降）斜井段的井眼长度，从而增大了 井眼轨迹控制的工作量，影响钻井速度。井眼曲率也不宜过大，否则钻具偏磨严重、摩阻力增大和起下钻 困难，也容易造成键槽卡钻，还会给其他作业（如电测、固井以及 采油和修井等）造成困难。因此，在定向井中应控制井眼曲率的最 大值，我国海上定向井一般取716 /100米，最大不超过20 /100米。不同的井段要选用不同的井眼曲率，具体如下：井下动力钻具造斜的井眼曲率取：716 /100米。转盘钻增斜的增斜率取：712 /100米。转盘钻降斜的降斜率取：38 /100米。井下
12、动力钻具扭方位的井眼曲率取：714 /100米。导向马达调方位或增斜的井眼曲率取：5-12o /100米。说明：随着中曲率大斜度井和水平井的迅速发展，对普通定向井 的井眼曲率（或狗腿严重度）的限制越来越少，APl标准中已不再 规定常规定向井的狗腿严重度。为了保证起下钻顺利和套管安全，必须对设计剖面的井眼曲率进 行校核，以限制最大井眼曲率的数值。井下动力钻具造斜和扭方位 井段的井眼曲率Km应满足下式：Dc套管外径，厘米。2 .井眼尺寸目前常规的定向井工具能满足152445毫米（6171/2英寸）井 眼的定向钻井要求，一般地说，大尺寸井眼比较容易控制轨迹，但 由于钻铤的尺寸也较大，形成弯曲所需的钻
13、压较大，小井眼要使用 更小、更柔的钻具，而且地层因素对轨迹的影响也较大。因此小井 眼的轨迹控制更困难一些。在常规的井眼尺寸中，大多数定向井可采用直井的套管程序。如 果实钻井眼轨迹较光滑，没有较大的狗腿，那么即使在大井斜井 段，也能较顺利地进行下套管作业。当然，在斜井段，应在套管上 加扶正器以支撑套管，避免在下套管过程中发生压差卡钻，同时提 高固井质量。另外，在大斜度井段，可根据井段长度和作业时间， 决定是否使用厚壁套管。3 .钻井液设计：（1）定向井钻井液设计十分重要，钻井液应有足够的携砂能力和 润滑性，以减少卡钻的机会；（2）钻井液性能控制对减少定向井钻柱拉伸与扭矩也很重要；（3）钻井液中应
14、加润滑剂，钻井液密度与粘度必须随时控制。（4）如果用水基钻井液，那么在正常压力井段，应使用高排量和 低固相含量的钻井液，这样有利于清洁井眼；（5）水基钻井液应具有良好的润滑性能，以减少钻具摩阻和压差 卡钻；然而在海上钻井，一定要避免污染问题。（6）如果有异常高压井段要求钻井液密度达到L45克/厘米3或 更高，那么应考虑在钻开该高压地层前下一层保护套管，以封固所 有正常压力井段。4 .造斜点的选择造斜点的选择要适当浅些，但是在极浅的地层中造斜时，容易形 成大井眼。同时，由于地层很软，造斜完成后下入稳斜钻具时，要 特别小心，以免出现新井眼，尤其是在稳斜钻具刚度大或造斜率较 高时。通常地说，浅层造斜
15、比深层造斜容易一些，因为深层地层往 往胶结良好，机械钻速低，需花费较长的造斜时间。另外，造斜点通常选在前一层套管鞋以下3050米处，以免损坏 套管鞋，同时减少水泥掉块产生卡钻的可能性。在深层地层造斜时，应尽量在大段砂层中造斜，因为砂层的井眼 稳定，钻速较快，而页岩段较易受到冲蚀，钻速较低，而且在以后 长时间钻井作业，容易在造斜段形成键槽而可能导致卡钻。5 .靶区形状和范围靶区形状与范围通常由地质构造、产层位置决定，并考虑油田油 井的分布情况，靶区大小是由作业者确定的。通常认为，鞍区范围 不能定得太小，很小的靶区范围不仅会增加作业成本，同时也会增 加调整方位的次数，造成井眼轨迹不平滑，增加转盘扭矩，同时也 增加产生健槽卡钻的可能性。通常，靶区形状为圆形（严格地讲，应该是球形）。浅井和水平 位移小的定向井，其靶区范围小一些，一般靶区半径3050米，而 深井和水平位移大的井，靶区范围可以适当地大一些，一般靶区半 径为5070米。6 .造斜率和降斜率选择常规定向井的造斜率为714 /100米，如果需要在浅层造斜并 获得较大的水平位移，造斜率可提高到1416 /100米。但是， 浅层的高造斜率容易出现新井眼，也容易对套管产生较大的磨损。 因此，浅层造斜通常选择较低的造斜率，而深层造斜（IOOO米 20
