1定向井(水平井)钻井技术概述

1第一章定向井（水平井）钻井技术概述第一节定向井、水平井的基本概念1．定向井丛式井发展简史定向井钻井被（英）T．A．英格利期定义为：“使井筒按特定方向偏斜，钻遇地下预定目标的一门科学和艺术。”我国学者则定义为，定向井是按照预先设计的井斜角、方位角和井眼轴线形状进行钻进的井。定向井相对与直井而言它具有井斜方位角度而直井是井斜角为零的井，虽然实际所钻的直井它都有一定斜度但它仍然是直井。定向井首先是从美国发展起来的，在十九世纪后期，美国的旋转钻井代替了顿钻钻井。当时没有考虑控制井身轨迹的问题，认为钻出来的井必定是铅垂的，但通过后来的井筒测试发现，那些垂直井远非是垂直的。并由于井斜原因造成了侵犯别人租界而造成被起诉的案例。最早采用定向井钻井技术是在井下落物无法处理后的侧钻。早在1895年美国就使用了特殊的工具和技术达到了这一目的。有记录定向井实例是美国在二十世纪三十年代初在加利福尼亚享廷滩油田钻成的。第一口救援井是1934年在东德克萨斯康罗油田钻成的。救援井是指定向井与失控井具有一定距离，在设计和实际钻进让救援井和失控井井眼相交，然后自救援井内注入重泥浆压死失控井。目前最深的定向井由BP勘探公司钻成，井深达10，654米；水平位移最大的定向井是BP勘探公司于己于1997年在英国北海的RytchFarm油田钻成的M11井，水平位移高达1，0114米。垂深水平位移比最高的是Statoil公司钻成的的33/9—C2达到了1:3.14；丛式井口数最多，海上平台：96口；人工岛：170口；我国定向井钻井技术发展情况我国定向井钻井技术的发展可以分为三个阶段，50—60年代开始起步，首先在玉门和四川油田钻成定向井及水平井:玉门油田的C2—15井和磨三井，其中磨三井总井深1685米，垂直井深表遗憾350米，水平位移444.2米，最大井斜92°，水平段长160米；70年代扩大实验，推广定向井钻井技术；80年代通过进行集团化联合技术攻关，使得我国从定向井软件到定向井硬件都有了一个大的发展。我国目前最深的水平井是胜利定向井公司完成的JF128井，井深达到7000米，垂深位移比最大的大位移井是胜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，水平位移达到2666米，最大的丛式井组是胜利石油管理局的河50丛式井组，该丛式井组长384米，宽115米，该丛式井平台共有钻定向井42口。2．定向井的分类按定向井的用途分类可以分为以下几种类型：普通定向井多目标定向井定向井丛式定向井救援定向井水平井多分枝井（多底井）2国外定向井发展简况（表一）年代内容50年代60年代70年代80年代90年代剖面设计及迹计算方法误差很大的正切法，进行定向井设计轨迹计算18种二维计算方法，如更精确的曲率半径法发展到三维设计和大组丛式井整体设计计算机专家系统进行定向井的设计和指导定向井施工发展了大型集成设计软件包井斜控制理论斜直井段的二维分析考虑了井眼的曲率及满眼组合的特性三维数据分析，由静态发展到动态发展了多种分析计算方法并编制了计算机程序在原来多种分析的基础上引入了数学及其它边沿学科定向造斜工艺涡轮加弯接头斜向器配合转盘钻使用效率更高的螺杆动力钻具，专用工具的定型配套涡轮、螺杆动力钻具向低速大扭矩发展。各种专用井下工具系列化发展了复合式动力钻具，导向钻井系统，长寿命PDC钻头等发展成熟多分枝井回接工艺地质导向钻井系统测量方式氢氟酸玻璃管刻线法和地面定向法机械式罗盘，精度较高的单多点照相测斜仪有线随钻测斜仪投入工业性使用，无线随钻测斜仪研制成功多种无线随钻测斜系统投入工业使用和发展了电子测量系统和陀螺测量系统发展成熟带地质参数的无线随钻测斜仪定向井钻井水平精度要求不高中深定向井可打准确度较高的定向井和小组定向井可打准确度较高的定向救援井和大组丛式井钻成大量水平井从大半径水平井到小半径水平井多底泄油井钻成位移过万米的大位移井径向水平井可在0.3米之内完成增斜过程3我国定向井钻井技术发展情况（表二）年代内容60年代80年代90年代剖面设计及轨迹计算方法设计采用查表法、图解法等精度不高的方法发展了曲率半径法，最小曲率半径法等多种更为精确的轨迹计算和设计方法，编制了能进行轨迹预测和防碰扫描的计算机软件包。引入人工智能和专家系统井斜控制理论进行了钻具的二维静态分析主要使用有限元法发展了多种新的分析计算方法，例如：平衡梁法、加权余量法等，并编制了计算机分析程序理论分析模型由静态发展到动态，由二维发展到三维定向造斜工艺使用地面定向法（钻杆打钢印）。数据测量使用电测井数据。使用精度高的磁性单多点测斜仪进行定向和轨迹数据测量，发展了有线随钻测斜仪定向。发展了导向钻井系统初步研制出径向水平井造斜工艺测量方式氢氟酸测斜仪，机械式罗盘的电测井方法。多种引进的有线随钻测斜系统投入工业使用和发展了电子测量系统及陀螺测量系统发展了无线随钻测斜系统，引进了带地质参数的MWD系统定向井钻井水平简单的单口定向井、水平井位移小，精度低钻成大量高难度定向井、大组丛式井、多目标井、套管定向开窗井、水平井也从大半径水平井发展到了中半径水平井在水平井方面取得大型突破，钻成了长、中、短半径水平井第二节水平井钻井技术简介所谓水平井，是指一种井斜角大于或等于86°，并保持这种角度钻完一定长度水平段的定向井。1．水平井钻井技术发展概况1863年，瑞士工程师首先提出钻水平井的建议；1870年，俄国工程师在勃良斯克市钻成井斜角达60°的井；瑞典和美国研制出测量井眼空间位置的仪器，1888年俄国也设计出了测斜仪器；1929年，美国国加利福尼亚州钻成了几米长的水平分支井筒；30年代，美国开始用挠性钻具组合在垂直井内钻曲率半径小的水平井分支井眼；1954年苏联钻成第一口水平位移；1964年—1965年我国钻成两口水平井，磨—3井、巴—24井；自来80年代以来，随着先进的测量仪器、长寿命马达和新型PDC钻头等技术的发展，水平井钻井大规模高速度的发展起来。4我国水平井钻井在90年代以来也取得了很大发展，胜利油田已完成各种类型水平井百余口，水平井钻井水平和速度不断提高。水平井的类型及各种类型水平井的特点1）．水平井的类型：根据水平井曲率半径的大小分为：长曲率半径水平井（小曲率水平井）；中曲率半径水平井（中曲率水平井）；短曲率半径水平井（大曲率水平井）。2）．不同曲率水平井的基本特征及优缺点（1）．不同曲率水平井的基本特征表井型项目长半径水平井中半径水平井短半径水平井造斜率6°/30米6°—20°/30米150°—300°/30米曲率半径304—914米291—87米12—6米井眼尺寸无限制121/4″—43/4″61/4″—43/4″钻井方式转盘钻或导向钻井系统造斜段：特种马达或导向钻井系统水平段：转盘钻井或导向钻井系统以使用特种工具的转盘钻进为主，目前也使用特种马达方式钻杆常规钻杆15°/100米使用抗压钻杆铰接驱动钻杆测量工具无限制有线随钻测斜仪，MWD，但井眼61/8″时不能使用转盘钻井时使用多点测斜仪马达钻井时使用有线随钻测斜仪地面设备常规钻机常规钻机需要配备顶部驱动系统或动力水龙头完井方式无限制无限制裸眼或割缝管5（2）．长曲率半径水平井的优缺点优点缺点1．穿透油层段最长（可以1000米）1．井眼轨道控制段最长2．使用标准的钻具及套管２．全井斜深增加最多3．“狗腿严重度”最小３．钻井费用增加4．使用常规钻井设备４．各种下部钻具组合较长5．可使用多种完井方法５．不适合薄油层和浅油层6．可采用多种举升采油工艺６．转盘扭矩较大7．测井及取芯方便７．套管用量最大8．井眼及工具尺寸不受限制８．穿过油层长度与总水平位移比最小（３）．中曲率半径水平井的优缺点优点缺点1．进入油层时无效井段较短1．要求使用MWD测量系统2．使用的井下工具接近常规工具２．要求使用加重钻杆或抗压缩钻杆3．使用动力钻具或导向钻井系统4．离构造控制点较近5．可使用常规的套购及完井方法6．井下扭矩及阻力较小7．较高及较稳定的造率8．井眼轨迹控制井段较短9．穿透油层段较长（1000米）10．井眼尺寸不受限制11．可以测井及取芯12．从一口直井可以钻多口水平分枝井13．可实现有选择的完井方案（4）．短曲率半径水平井的优缺点优点缺点1．井眼曲线段最短1．非常规的井下工具2．侧钻容易２．非常规的完井方法3．能够准确击中油层目标３．穿透油层段短（120—180米）4．从一口直井可以钻多口水平分枝井４．井眼尺寸受到限制5．直井段与油层距离最小５．起下钻次数多6．可用于浅油层６．要求使用顶部驱动系或动力水龙头7．全井斜深最小７．井眼方位控制受到限制8．不受地表条件的影响８．目前还不能进行电测6第三节定向井的基本术语解释1）井深：指井口（转盘面）至测点的井眼实际长度，人们常称为斜深。国外称为测量深度（MeasureDepth）。2）测深：测点的井深，是以测量装置（AngleUnit）的中点所在井深为准。真北极3)井斜角：该测点处的井眼方向线与重力线之间的夹角（见图1.2）。井斜真北方位线角常以希腊字母α表示，单位为度。4）井斜方位角：是指以正北方位线为始东磁偏角边，顺时针旋转至井斜方位线所转过的角度（见图1.3）。井斜方位角常以希腊字母Φ表示，单位为度。实际西磁偏角应用过程中常常简称为方位角。A地B地图1.1磁偏角示意图5）磁方位角：磁力测斜仪测得的井斜方位角是以地球磁北方位线为准的，称磁方位角。井口AB正北方位线αA井斜方向线井底B井斜方位角ΦB重力线αB井斜方位线图1.2井斜角示意图图1.3井斜方位角示意图6）磁偏角：磁北方位线与真北方位线并不重合，两者之间有一个夹角，这个夹角称为磁偏角。磁偏角又有东磁偏和西磁偏角之分，当磁北方位线在正北方位线以东时，称为东偏角；当磁北方位线在正北方位线以西时称为西偏磁偏角。进行磁偏角校正时按以下公式计算：真方位角＝磁方位角＋东偏磁偏角真方位角=磁方位角－西偏磁偏角7）井斜变化率：是指井斜角随井深变化的快慢程度，常以Kα表示，精确的讲井斜变化率是井斜角度（α）对井深（L）的一阶导数。dαKα＝───dL井斜变化率的单位常以每100米度表示。8）井深方位变化率：实际应用中简称方位变化率，是指井斜方位角随井深变化的快慢程度，常用KΦ表示。计算公式如下：7dΦＫΦ＝───dL井斜方位变化率的单位常以每100米度进行表示。9）全角变化率（狗腿严重或井眼曲率）：从井眼内的一个点到另一个点，井眼前进方向变化的角度（两点处井眼前进方向线之间的夹角），该角度既反映了井斜角度的变化又反映了方位角度的变化，通常称为全角变化值。两点间的全角变化值γ相对与两点间井眼长度ΔL变化的快慢及为全角变化率。用化式表达如下：γＫ＝───ΔL实际钻井中，井眼曲率的计算方法：目前计算井眼曲率的方法有很多。有公式法、查表法、图解法、查图法和尺算法五种。后四种办法皆来源于公式法。计算井眼，曲率的公式计有三套：第一套公式：对于一个测点：K＝SQR（Kα2＋KΦ2sin2α）对于一个测段：K＝SQR（(Δα／ΔL)2＋(ΔΦ／ΔL)2SIN2αc）BΔΦγαcA0CΔa图1.4第一套公式的图解法第一套公式的图解法（参见图1.4）：（1）．作水平射线OA；（2）．作∠BOA＝αc（两测点平均角）；（3）.以一定长度代表单位角度，量OB＝ΔΦ（两测点方位角差）；（4）．自B点向OA作垂线，垂足为C点；（5）．按步骤(3)中的比例，量CA＝Δα；（6）．连接A、B，并量AB长度，按步骤(3)比例换算成角度，此角度及狗腿角γ。第二套公式：（由于误差较大，现场使用少略）第三套公式：γ＝SQR（α12＋α22－2α1α2COSΔΦ）8Ba2γ0Aa1图1.5第三套公式的图解法第三套公式图解法（参见图1.5）：（1）．选取一定比例，经一定长度代表单位角度，作线段OA，使其长度代表α1；（2）．作OB线段，使∠BOA＝ΔΦ；（3）．按步骤(1)的比例，量OB＝α2；（4）．连接A、B，并量邓AB的长度，按步骤(1)的比例换算成角度，既为γ．10）垂深（垂直井深