定向井基本知识

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9－l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：一、专业名词1．定向井（DirectionalWell）一口井的设计目标点，按照人为的需要，在一个既定的方向上与井口垂线偏离一定的距离的井，称为定向井。2．井深（MeasureDepth）井眼轴线上任一点，到井口的井眼长度，称为该点的井深，也称为该点的测量井深，或斜深。单位为“m”。3．垂深（VerticalDepthorTrueVerticalDepth）井眼轴线上任一点，到井口所在水平面的距离，称为该点的垂深。通常以“m”为单位。4．水平位移（DisplacementorClosureDistance）井眼轨迹上任一点，与井口铅直线的距离，谓之该点的“水平位移”。也称该点的闭合距。其计量单位为“m”。5．视平移（Verticalsection）水平位移在设计方位线上的投影长度，称为视平移。如图10—1所示，OQ为设计方位线，TO曲线为实钻井眼轴线在水平面上的投影，其上任一点P的水平位移为OP，以AP表示。P点的视平移为OK，其长度以VP表示。当OK与OQ同向时VP为正值，反向时为负值。视平移是绘制垂直投影图的重要参数。单位为m。6．井斜角（HoleInclinationorHoleAngle）井眼轴线上任一点的井眼方向线，与通过该点的重力线之间的夹角，称为该点处的“井斜角”。以度为单位。7．最大的井斜角（MaxinumHoleAngle）“最大井斜角”有两种不同的意义。对已钻成的实际井眼来说，全井所有的各个测点中，井斜角的最大值称为该点的“最大井斜角”。在定向井的设计剖面中，其增斜井段的终止点处，井斜角值应该最大。这就是通常所说的“最大井斜角”。以“度”表示。综上，无论设计剖面，还是实钻剖面，全井井斜角的最大值，称为该井的最大井斜角。8．方位角（HoleDirection）在以井眼轨迹上任一点为原点的平面坐标系中，以通过该点的正北方向线为始边，按顺时针方向旋转至该点处井眼方向线在水平面上的投影线为终边，其所转过的角度称为该点的方位角。以“度”表示。见图10—2（a）。方位角还有另外一种表示方法。即：在井眼轨迹上任一点建立一个以该点为原点的水平面直角坐标系。该点处井眼方位线与正北方位线或正南方位线的夹角、称为该点的“方位角”，也称“井斜方位角”。这种表示方法，井斜方位角均不大于90℃，如图10—2（b）所示。9．磁偏角（Declination）在某一地区内，其磁北极方向线与地理北极方位线之间的夹角，称为该地区的“磁偏角”。磁偏角的计量方法是以地理北极方向线为始边，以磁北极方向线为终边，顺时针为正值，逆时针为负值，转过的角度值即为磁偏角的数值。磁偏角的正值为东磁偏角，负值为西磁偏角。10．磁方位校正用磁性测斜仪测得的方位角称为磁方位角。它是以磁北方位线为基准的。由于大地磁场随着地理位置和时间在不断变化，所以需要以地理真北方位线为基准进行校正。这种校正称为磁方位校正。校正后的磁偏角计算方法是：磁方位角值加上该地区的磁偏角。11．造斜点（KickOffPoint）在定向井中，开始定向造斜的位置叫“造斜点”。通常以开始定向造斜的井深来表示。12．井斜变化率单位井段内井斜角的改变速度称为“井斜变化率”。通常以两测点间井斜角的变化量与两测点间井段的长度的比值表示。常用单位是：°／10m，°／25m和°／100m。井斜变化率的公式如下：13．方位变化率单位井段内方位角的变化值，称为方位变化率。通常以两测点间方位角的变化量与两测点间井段长度的比值表示。常用单位有：°／10m，°／25m和°／100m。其计算公式如下：14．造斜率造斜率表示了造斜工具的造斜能力。其值等于用该造斜工具所钻出的井段的井眼曲率。不等于井眼变化率。15．增（降）斜率指的是增（降）斜井段的井斜变化率。其井斜变化为正值时为增斜率。负值为降斜率。16．全角变化率（DoglegSeventy）“全角变化率”，“狗腿严重度”，“井眼曲率”，都是相同的意义。指的是在单位井段内井眼前进的方向在三维空间内的角度变化。它即包含了井斜角的变化又包含着方位角的变化。其计量单位为：°／25m。17．增斜段井斜角随井深增加的井段，称增斜段。如图10—3所示。18．稳斜段井斜角保持不变的井段，称为稳斜段。19．降斜段井斜角随着井深的增加而逐渐减小的井段称为降斜段。20．目标点（Target）设计规定的、必须钻达的地层位置，称为目标点。通常是以地面井口为坐标原点的空间坐标系的坐标值来表示。21．靶区半径允许实钻井眼轨迹偏离设计目标点的水平距离，称为靶区半径。所谓靶区，就是在目标点所在的水平面上，以目标点为圆心，以靶区半径为半径的一个圆面积。靶区半径的大小，根据勘探开发的需要或钻井的目的而定。22．靶心距在靶区平面上，实钻井眼轴线与目标点之间的距离，称为靶心距。23．工具面（ToolFace）在造斜钻具组合中，由弯曲工具的两个轴线所决定的那个平面，称为工具面。24．反扭角使用井底马达带弯接头进行定向造斜或扭方位时，动力钻具启动前的工具面与启动后且加压钻进时的工具面之间的夹角，称为反扭角。反扭角总是使工具面逆时针转动。24．高边（HighSide）定向井的井底是个呈倾斜状态的圆平面。称为井底圆。井底圆上的最高点称为高边。从井底圆心至高边之间的连线所指的方向，称为井底的“高边方向”。高边方向上的水平投影称为高边方位。即井底的方位。26．工具面角（ToolFaceAngle）工具面角是表示造斜工具下到井底后，工具面所在的位置的参数。工具面角有两种表示方法：一种是以高边为基准（HighSideMode），一种是以磁北为基准（MagneticMode）。高边基准工具面角，简称高边工具角。是指高边方向线为始边，顺时针转到工具面与井底圆平面的交线上所转过的角度。由于高边方向线在水平面上的投影，即为井底方位线，所以，若以正北方位线为始边，顺时针转到井底方位线上所转过的角度，即为井底方位角。磁北基准工具面角（简称磁北工具面角），等于高边工具面角加上井底方位角。27．定向角定向角是定向工具面角的简称。在定向造斜或扭方位钻进时，当启动井下马达之后，工具面所处的位置，用工具面角表示，即为定向工具面角。定向角可用高边工具面角表示。也可用磁北工具面角表示。定向角与我国的现场常用的“装置角”词，意义和计算方法均相同。在定向造斜或扭方位之前，根据定向造斜或扭方位的要求，计算出所需要的定向角，这是预计的定向角。在实钻的过程中，由于各种因素的影响，实际的定向角与预计的定向角不一定完全相符。在使用随钻测斜仪器的情况下，可以调整工具面，使实钻定向角与预计定向角基本相符。28．安置角（Too1FaceSetting）安置角是安置工具面角的简称。在定向造斜和扭方位钻进时，当启动井下动力钻具之前，将工具面安置的位置，以工具面角表示，即为安置工具面角。安置角在数值上，等于定向角加反扭角。安置角、定向角、反扭角以及井底方位角之间的关系可用图10—4所示。常规定向井井斜角＜55°大斜度井井斜角55～85°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2．井斜角3．方位角目前，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真方位＝磁方位角一西磁偏角公式可概括为“东加西减”四个字。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，S20°W。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”，如图9－3所示。4．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（l）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位角变化情况，均以度／100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／100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。1．第一套公式2．第二套公式cosγ＝cos1cos2＋sin1sin2cosΔ………………………………………（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1、2和Δ值下的狗腿角γ值，并列成表格，形成了查表法。3．第三套公式γ——两测点间的狗腿角。若将三套公式作比较，第一套公式具有普遍性，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，从计算精度来讲，最高的是曲率半径法和最小曲率法。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。如图9－7，测段的计算公式有三种表达形式。（1）第一种表达形式（9－13）～（9－16）式中：这四个公式是最常用的计算公式：曲率半径法的特殊情况处理③第三种特殊情况，α1≠α2，且其中之一等于零。此时，按二测点方位角相等来处理，然后代入第二种特殊情况的计算式中。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。测段计算如图9－8。测段计算公式如下：令fM＝（2/γ）×tg（γ/2），fM是个大于1但很接近1的值。在狗腿角γ足够小的情况下，可近似认为fM＝1，这时上述四个计算公式就完全变成平衡正切法的公式了，它是对平衡正切法公式的校正。ΔS′是切线1M和M2在水平面上的投影之和，即ΔS′＝1′M′＋M′2′。ΔS′并不是测段的水平投影长度ΔS。要作出井身垂直剖面图，需要求出ΔS，而最小曲率法却求不出ΔS，这是最小曲率法的缺点。为了作出垂直剖面图，可用下式近似地求出ΔS′：180π/2Δ2sinΔSΔΔS……………………………………………………（9－39）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。影响井眼轨迹的因素很多，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