2-水平井轨迹设计和控制技术(课件版)

水平井的井眼轨道的基础知识水平井的基本术语水平井的井眼轨道类型水平井设计的基本内容水平井的设计思路和基本方法水平井轨迹设计的主要内容水平井井眼轨迹设计的原则和有关因素水平井的剖面设计水平井井眼轨迹的控制技术水平井井眼轨迹控制的实现方法水平井井眼轨迹控制工具和定向方法水平井井眼轨迹的控制技术第二部分水平井轨迹设计和控制技术(一)水平井的基本术语井深：又称斜深或测深，指井口至测点的井眼长度；垂深：指轨迹上某点至井口水平面的垂直距离；井斜角：井眼轴线上某测点的井眼方向线（切线）和重力线之间的夹角，称为井斜角；方位角：某测点处井眼方向线投影到水平面上（井眼方位线）与正北方向的夹角（顺时针向），即方位角；水平位移：指轨迹上某点至井口所在铅垂线的距离。一、水平井井眼轨道的基础知识井斜变化率：单位井段内，井斜角的变化值；方位变化率:单位井段内，井斜方位角的变化值；全角变化率：单位井段内，井眼前进的方向在三维空间内的角度变化。（也称“狗腿严重度”、“井眼曲率”）磁偏角：在某一地区内，其磁北极方向线与地理北极方向线之间的夹角。靶区：根据地质和钻井工艺的要求,规定井眼轨迹穿行的区域范围。(一)水平井的基本术语一、水平井井眼轨道的基础知识入靶点：是指地质设计规定的目标起始点。终止点：是指地质设计规定的目标结束点。靶前位移：是指入靶点的水平位移。水平段长：入靶点与终止点的轨道长度。圆柱靶：即沿水平段设计井眼轴线的半径为R米的圆柱。矩形靶：即纵向为a米,横向为b的长方体。(一)水平井的基本术语一、水平井井眼轨道的基础知识（二）井眼轨道的类型二维井眼轨道井眼轨道的类型三维井眼轨道二维井眼轨道由垂直井段、增斜井段、稳斜井段和降斜井段组合而成。在设计井眼轴线上，既有井斜角变化又有方位角变化的井眼轨道。三维井眼轨道设计用于绕障井和现场待钻修正井眼轨道设计。二维井眼轨道设计的井眼轴线仅在设计方位所在的铅垂平面上变化的井眼轨道。一、水平井井眼轨道的基础知识井身剖面基本类型水平井多为长曲率半径和中曲率半径水平井根据地质目标、油层情况、地质要求、靶前位移，选择单增、双增、三增等不同的剖面类型KAFSEHO1R1R2CBIhNO2O3R3三增剖面KAFTSEHJO1O2R1R2CBIIhN双增剖面KADS2OR1BS1C单增剖面一、水平井井眼轨道的基础知识水平井设计是一个“先地下后地面，自下而上，综合考虑，反复寻优”的过程。目的层油藏地质设计产量预测完井方式和采油方式可行性论证方案设计与论证现场组织实施水平段设计储层保护对策目的层以上的剖面设计钻井方式及钻井液井眼轨迹的控制设计固完井工艺技术方案（一）水平井的设计思路和基本方法二、水平井的设计基本内容设计条件：一般要给定的有：目标点垂深、水平位移、设计方位等；给定进入目标的要求(例如：目标点或目标段的井斜角)；设计内容：根据设计条件，设计出合适的轨道。轨道设计的关键：造斜点选择，增斜率和降斜率的选择（需要经验）；轨道关键参数的求得（需要先进的计算公式）。（二）水平井轨迹设计主要内容：二、水平井的设计基本内容1)根据油气田勘探开发要求，保证实现钻井目的；2)根据油气田的构造特征、油气产状，有利于提高油气产量和采收率，改善投资效益；3)在选择造斜点、井眼曲率、最大井斜角等参数时，有利于钻井、采油和修井作业；4)在满足钻井目的的前提下，应尽可能选择比较简单的剖面类型，力求使设计的斜井深最短，以减小井眼轨道控制的难度和钻井工作量，有利于安全、快速钻井、降低钻井成本。（三）设计井眼轨道的原则二、水平井的设计基本内容（四）井眼轨道设计中有关因素的选择1)造斜点的选择在比较稳定的地层，避免在岩石破碎带、漏失地层；2）地层可钻性均匀，不应有硬夹层；3）要满足采油工艺要求；4)垂深大、水平位移小的井，造斜点应深，以简化井身结构、加快钻速；5)垂深小、水平位移大的井，造斜点应浅，以减少定向施工的工作量；6)在井眼方位漂移地区，应使斜井段避开方位漂移大的地层。二、水平井的设计基本内容造斜点的选择原则造斜曲线设计必须考虑到以下问题：①避开复杂地层造斜；②曲线末端即造斜结束时的位移最小；③造斜井段的长度最短；④有一个调节井段以应付不理想造斜率的情况；⑤利用造斜井段的构造标记调整最终目标区的深度；⑥在目标区的容限之内；⑦轨迹要能够保证完成全部水平井段的钻进；⑧必须是允许使用所有必需的钻采工具和设备可完成井眼。剖面设计要求二、水平井的设计基本内容一些特定水平井的最佳造斜率取决于钻到目标区所需要的方向控制能力，以及避开在复杂地层造斜的造斜井段高度。如果只考虑造斜井段的钻进，那么最佳井眼曲率是可以达到的最高曲率。由于井眼曲率还影响着所有的后续作业，所以需要对高曲率的优点和其对以后作业的影响做出平衡。下表为应该考虑的若干曲率极限。二、水平井的设计基本内容剖面设计要求①满足地质对轨迹控制的要求；②现有的轨迹控制技术能够实现；③现有的完井工具和技术能够实现；④有利于快速钻进。直井段KOP增斜段水平段RAB直井段第一增斜段稳斜段第二增斜段水平段R2R1ABKOP直井段kop第一增斜段第一稳斜段第二增斜段第二稳斜段第三增斜段水平段R1R2R3AB（五）三段制、五段制和七段制剖面的设计三段制井眼轨道水平井示意图五段制井眼轨道水平井示意图七段制井眼轨道水平井示意图二、水平井的设计基本内容直井段KOP增斜段水平段RAB三段制井眼轨道水平井示意图二、水平井的设计基本内容此类轨道的突出特点是使井斜角由零度钻至水平段的起始位置。这种井眼轨道适用于目的层顶界、工具造斜能力与所钻地层增斜能力都十分确定的情况。侧钻短半径水平井常用这种轨道类型五段制井眼轨道水平井示意图二、水平井的设计基本内容其突出的特点是在两段增斜段之间设计了一段较短的稳斜调整段，调整由于工具造斜率的误差造成的井眼轨迹偏离。这种轨道适用于目的层顶界确定而工具造斜率尚不十分确定的情况。中、长半径水平井常采用这种类型。直井段第一增斜段稳斜段第二增斜段水平段R2R1ABKOP七段制井眼轨道水平井示意图二、水平井的设计基本内容其突出的特点是在三个增斜段之间相继设计了两个稳斜段，第一个稳斜段用于调整由于工具造斜率的误差，第二个稳斜段用于探油顶，即调整钻至目的层顶界的误差。这种轨道适用于目的层顶界和工具造斜率都易出现误差的情况。薄油藏水平井常采用这种井眼轨道类型。直井段kop第一增斜段第一稳斜段第二增斜段第二稳斜段第三增斜段水平段R1R2R3AB•水平井井眼轨道的设计方法：固定参数法和调整参数法。•水平井井眼轨道的设计前提是已知水平段的起始位置，井斜角αD，水平段长度L，井斜方位角，目标点的垂深DT等情况下进行的。直井段KOP增斜段水平段RAB直井段第一增斜段稳斜段第二增斜段水平段R2R1ABKOP直井段kop第一增斜段第一稳斜段第二增斜段第二稳斜段第三增斜段水平段R1R2R3AB（五）三段制、五段制和七段制剖面的设计三段制井眼轨道水平井示意图五段制井眼轨道水平井示意图七段制井眼轨道水平井示意图二、水平井的设计基本内容直井段KOP增斜段水平段RAB三段制井眼轨道水平井示意图二、水平井的设计基本内容若水平造斜点的位置DT和井眼曲率半径是确定的。可确定靶前位移SA、造斜点DKOP；或水平段设计井深αD和曲率半径R。固定参数法设计的自由度为1个。三、井眼轨迹的控制技术井眼轨迹控制的实质，就是不断地控制井眼前进的方向，设法使实钻的井眼轨迹尽可能符合设计的井眼轨道。井眼方向的控制可通过调整造斜工具的造斜率和装置角来实现。造斜率的调整目前主要通过更换钻具组合来实现，较先进的方法是可变径稳定器和可调弯角的动力钻具，最先进的旋转导向钻井系统。（一）井眼轨迹控制的实现方法30'40'50'70'60'90'80'2000'年代斜向器井下马达弯外壳马达旋转导向WLMWDMWDLWD滑动导向革命性进步三、井眼轨迹的控制技术（一）井眼轨迹控制的实现方法（二）井眼轨迹控制工具和定向方法造斜点以下定向井段使用MWD+导向钻具进行井眼轨迹监测与控制探油顶段以下井段使用LWD+导向钻具进行井眼轨迹监测控制和地质导向三、井眼轨迹的控制技术井下工具组合随钻测量随钻测量井底信息地质参数钻井工程参数轨迹空间位置钻井参数钻压扭矩压力自然伽玛电阻率密度声波倾角井斜方位工具面LWD/FEWDMWDPWD孔隙度三、井眼轨迹的控制技术随钻地质评价测量系统Halliburton公司的LWD产品-FEWD系统功能1、随钻地质参数：双向自然咖玛、电阻率（4种探测深度）、补偿中子孔隙度、岩石密度2、定向工程参数：井斜角、方位角、磁性工具面、高边工具面角3、井下仪器工况诊断：震动传感器、温度传感器4、磁参数：地磁场强度，地磁倾角三、井眼轨迹的控制技术LWD仪器系统组成地面系统井下仪器上位机系统软件++泵冲传感器司钻阅读器压力传感器地面接口箱计算机井下仪器串电源系统短节电子控制短节脉冲发生器MWD电子测量短节打印机伽玛接口箱伽玛测量短节电阻率短接电阻率、三、井眼轨迹的控制技术钻杆钻铤等钻具带弯外壳的井下马达钻头定向基本原理在常规钻进过程中，上部钻具和井下马达一起旋转钻进。当需要定向时，调整弯外壳或弯接头到一定的角度（通过调整工具面来实现），锁定转盘使井下马达及钻头始终保持一定的角度，通过井下马达驱动钻头旋转钻进，从而保持钻头沿特定的方向钻进。三、井眼轨迹的控制技术30'40'50'70'60'90'80'2000'年代斜向器弯接头井下马达弯外壳马达旋转导向滑动导向革命性进步造斜工具从最初的斜向器发展到现在的最先进的旋转导向，大大减少了定向的工作量。目前，被广泛采用的是弯外壳马达造斜工具。造斜工具三、井眼轨迹的控制技术造斜工具造斜钻具用于从直井段沿一定方位钻出斜井段。常用的造斜钻具组合：弯接头+井下动力钻具、各种弯外壳井下动力钻具（包括导向钻井系统）。所有的造斜钻具都可作为增斜钻具使用。目前，由于弯接头+井下动力钻具定向效率不高，大多数定向井采用带弯外壳井下动力钻具定向。三、井眼轨迹的控制技术井下马达单弯、双弯、铰链马达、加长马达、非磁性马达等。其中单弯螺杆钻具应用最多。单弯螺杆钻具的设计是根据弯接头配接普通直马达钻具组合用于造斜的基本原理，按照动力钻具在水平井中的工作要求，在现有直螺杆钻具结构基础上改制而成的。它可以获得较高的造斜率，为达到更好的稳定效果，使用中通常配以上下两个稳定器。常用造斜工具三、井眼轨迹的控制技术常规单弯螺杆图常用造斜工具三、井眼轨迹的控制技术带柔性连接的弯外壳马达带垫块的弯外壳马达柔性连接旁通阀螺杆马达弯外壳轴承部分旁通阀螺杆马达弯外壳轴承部分垫块常用造斜工具三、井眼轨迹的控制技术带弯接头的短马达旁通阀同向双弯马达旁通阀螺杆马达螺杆马达弯外壳轴承部分轴承部分弯接头弯接头常用造斜工具三、井眼轨迹的控制技术弯外壳马达带稳定器的双弯马达旁通阀旁通阀弯接头扶正器螺杆马达螺杆马达弯外壳弯外壳扶正器轴承部分轴承部分三、井眼轨迹的控制技术带弯接头的标准马达弯外壳马达(导向马达系统)轴承部分轴承部分和扶正器旁通阀旁通阀弯接头螺杆马达螺杆马达弯外壳万向连接扶正器三、井眼轨迹的控制技术带垫块的双弯马达反向双弯马达弯接头弯接头轴承部分轴承部分旁通阀旁通阀螺杆马达螺杆马达弯外壳弯外壳垫块三、井眼轨迹的控制技术测斜仪器的主要测斜参数有井斜角、方位角、造斜工具的工具面。磁性单点照相测斜仪：磁性单点测斜仪由电池筒、计时器、照像机和罗盘四部分组成，通过拍摄，在胶片上能同时记录井眼某一深度的井斜、方位和工具面角。磁性多点照相测斜仪：在设定的时间间隔内，在井下定时照相，记录不同时间和井深的井斜、方位数值。常用的测斜工具三、井眼轨迹的控制技术电子单多点测斜仪：探管安装有三个相互垂直的重力加速度计分别测Gx、Gy、Gz三个矢量，而三个相互垂直的磁通门则是分别测量Bx、By、Bz三个矢量，通过矢量合成及有关的计算，从而得到每一个测点的所需参数。随钻测量仪：有线随钻测斜仪、无线随钻测斜仪可实时地监