定向钻进原理与应用

定向钻进原理与应用课时：30学时教材：《受控定向钻探技术》参考书：《钻孔弯曲和定向钻探》《定向钻进工艺原理》《定向钻井》Inglis.T.A.等主讲人：蒋国盛（教授）吴翔（副教授）勘查与基础工程系2005-3-28课程简介1、该课程是安排在岩土钻掘工程学课程之后讲授的一门实用性专业新技术类的课程。课程以岩土钻掘工程学为基础，是岩土钻掘工程学相关内容的深化，涉及到设计计算、机械、电子仪器、测试技术等内容，要求学生具有专业基础和专业课知识。Deflection&Logging定向转进原理与应用2020/5/12中国地质大学勘查教研室2、课程计划课时。根据新一轮教学计划，课程为30课时，对涉及到岩土钻掘工程学等课程的基础性内容（如钻孔弯曲、测斜原理、防斜机理等）一般不作详细讲解，重点讲授以下三个方面的内容。（1）钻孔轴线空间坐标计算及定向钻孔轴线轨迹设计。（2）人工弯曲工具（造斜工具）的作用原理及受控定向钻孔施工工艺。（3）人工弯曲工具在孔内的定向原理及仪器。Deflection&Logging定向转进原理与应用2020/5/12中国地质大学勘查教研室教材及参考书1、教材：《受控定向钻探技术》，江天寿等编，地质出版社。该书侧重于技术方法的应用，理论与实际结合，收集了大量的实践性公式与数据，对该技术在实际工程中的应用具有较高的指导意义和参考价值。缺点：基本概念及有关理论讲解不透，逻辑性较差。2、参考书：《钻孔弯曲和定向钻探》、《定向钻进工艺原理》，吴光琳，成都科技大学，—理论性较强。《定向钻井》Inglis.T.A.（英）石油工业出版社，—国外石油定向钻井。学习要求1、加强课堂纪律。2、按要求完成相关内容的自习和作业（设计与计算）。3、考核方式：闭卷考试。第一章概述一、定向钻探与定向钻孔二、受控定向探技术中的主要技术经济问题Deflection&Logging定向转进原理与应用2020/5/12中国地质大学勘查教研室第一节定向钻探与定向钻孔（一）定向钻探技术发展背景。地质勘探的一般方法：区域地质调查——物探与化探——钻探普查——布置勘探网进行钻探详查和详勘——定点取样，提交矿床报告。常规钻探方法：根据地质或设计部门的要求——设计钻孔位置、深度、轨迹形式，一般是各种类型的直线孔（垂直孔居多，也最合理）——进行钻孔技术方案设计——提出弯曲度等技术要求——施工时，采取防斜、保直措施保证钻孔达到勘探要求。我国70~80年代对钻探普查的规范：孔斜＜1.5º~2.0º/100m。这也是根据当时的钻探技术水平而制定的。其精度到底如何？能否满足现代钻探与钻井的要求？Deflection&Logging定向转进原理与应用2020/5/12中国地质大学勘查教研室第一节定向钻探与定向钻孔每百米2.0º钻孔的水平偏距如下：由表中可知：钻孔精度很低，浅孔钻探尚可满足要求，中深孔则偏距过大。在一些极易造成孔斜的地层，有时每百米2.0º的要求往往也难以达到，造成孔斜超差，钻孔报废。钻孔深100米水平偏距1.75米钻孔深400米水平偏距27.8米钻孔深200米水平偏距7.00米钻孔深500米水平偏距43.5米钻孔深300米水平偏距15.7米钻孔深800米水平偏距＞110米Deflection&Logging定向转进原理与应用2020/5/12中国地质大学勘查教研室第一节定向钻探与定向钻孔随着钻探与钻井工程向深部的发展，对勘探精度要求的不断提高，1.5º~2.0º/100m已不能满足要求，设计部门提出了0.5º/100m的要求，常规钻探技术要达到这一要求是非常困难的，钻探技术中研制了种类繁多的防斜、稳斜机具，取得了一定的成效，但仍然无法从根本上解决这一技术问题。70~80年代，随着我国的改革开放政策，机械、电子、测试、材料加工等技术的发展，研究、引进和开发受控定向钻进技术取得了巨大的进展，利用地层自然弯曲规律钻孔和采用人工强制手段改变钻孔轨迹在此基础上迅速发展起来，钻探与钻井工程由过去的被动防斜转变为主动地人为控制，实现了钻探史上的一次飞跃。Deflection&Logging定向转进原理与应用2020/5/12中国地质大学勘查教研室第一节定向钻探与定向钻孔（二）国内外定向钻进技术的发展状况1、国外定向钻进技术的发展状况。国外定向钻进技术研究始于20年代，由于钻孔弯曲引起地租界争议，1924年美国A·安德森(Anderson)设计了测斜仪。1929年，他测量记录255口井的空间位置，发现深度2000m的钻井水平位移竟达177m，井斜角(顶角)超过65º。稍晚，在俄克拉荷马(Oklahoma)油田两台钻机施工的两口井井身相遇，结果钻到同一井中。这是从用顿钻打井改为用转盘钻井之后，人们首次意识到井弯的严重性，并想方设法采取对策纠正井斜。Deflection&Logging定向转进原理与应用2020/5/12中国地质大学勘查教研室第一节定向钻探与定向钻孔（二）国内外定向钻进技术的发展状况30年代前后，苏联卡彼柳什尼柯夫（Капелющииков)和美国沙彭伯格(Scharpenberg)几乎同时研究涡轮钻。由于勘探海底油田，有意识地利用或制造井弯现象，打定向井采油。才促进了定向钻进技术的发展。1930年，美国在加里福尼亚(California)亨廷顿海滩（HuntingtonBeach）施工了两口深入海底的定向井。1934年，苏联在巴库(Баку)也开始从海岸向近海底部打定向井，勘探里海海滨下方的油田。Deflection&Logging定向转进原理与应用2020/5/12中国地质大学勘查教研室第一节定向钻探与定向钻孔1941年后，二次世界大战刺激石油需求量增加，石油开发投向海底。在海滨向海底打定向井，建海上平台钻丛式井。到1957年，完成了100多万米多井底井。1956年，美国施密斯工具公司研制了螺杆钻，60年代用于定向钻井。70年代，在深井定向钻进中，西方国家广泛采用螺杆钻。80年代，为准确控制定向井井身轨迹，普遍采用随钻测量技术，即MWD(MeasurementWhileDrilling)技术。在钻井过程中可即刻了解井身的空间位置和造斜工具的面向。井底马达、随钻测量技术和计算机辅助钻进CAD(ComputerAidsDrilling)技术的应用，使石油天然气定向钻井达到成熟的阶段。Deflection&Logging定向转进原理与应用2020/5/12中国地质大学勘查教研室第一节定向钻探与定向钻孔2、我国定向钻进技术的发展我国定向钻进始于50年代。1956年，玉门油田钻成第一口定向井，1962年起，四川油田进行了多种型式的涡轮钻定向钻进试验。70年代以来，我国海洋定向钻井迅速发展，在渤海湾海面打丛式井，在一座钻井平台上施工多达12口定向井。除涡轮钻外，还用螺杆钻作为造斜工具。1977～1982年，全国共完成定向井316口，平均井深2478.9m。1982年，在新疆柯克亚地区施工了柯10-3救援井，井深3820m，最大井斜角19º45′，距靶心最小距离为4.78m，在井底进行爆炸后，压入泥浆才把火扑灭。Deflection&Logging定向转进原理与应用2020/5/12中国地质大学勘查教研室第一节定向钻探与定向钻孔2、我国定向钻进技术的发展自1986年，通过攻关及推广，各油田“七五”期间钻各类定向井4317口，掌握了定向井、丛式井优化设计技术及计算机软件包，包括丛式井开发油田平台数和平台位置的优化设计技术，三维绕障井和三维多目标井设计技术。“八五”期间，重点攻关“石油水平井钻井成套技术研究”，到1997年钻成长、中、短半径三类水平井共153口，掌握了水平井井眼轨迹优化设计方法，建立了水平井下部钻拄大挠度受力分析模型，以及水平井井眼轨迹预测模型，定向钻进技术总体上达到了90年代国际先进水平。Deflection&Logging定向转进原理与应用2020/5/12中国地质大学勘查教研室第一节定向钻探与定向钻孔通过研究与引进，我国石油勘探部门基本上拥有了国外专用于定向井的先进工具、仪器，如无线随钻测量仪、有线随钻测量仪、单点陀螺测斜仪、磁性单点和多点井下照相测斜仪、井下动力钻具等。北京石油勘探机械厂和大港石油机械厂还引进了美国斯密斯公司戴纳螺杆钻具制造技术。西安仪器厂引进单、多点测斜仪与MWD生产线，生产的MWD测量仪已用于钻井作业，可以满足国内需要。另一方面依靠国内力量，自行研制新型工具，实现机具国产化，定向钻进机具装备水平不断提高。Deflection&Logging定向转进原理与应用2020/5/12中国地质大学勘查教研室第一节定向钻探与定向钻孔二、定向钻进与定向钻井（孔）的含义1、定向钻进的含义石油钻井中对定向钻进技术的定义为沿着预先设计的井眼轴线钻达目的层位的钻井方法。地质勘探中对定向钻进技术的定义是指利用钻孔自然弯曲规律或采用人工造斜工具使钻孔按设计要求进行延伸钻到预定目标的一种钻进方法。国外有文献认为是为了钻达到一个预定的地下目标，使井眼在特定方向偏斜的工艺和科学。Deflection&Logging定向转进原理与应用2020/5/12中国地质大学勘查教研室第一节定向钻探与定向钻孔定义的内涵本质定向钻进是有预定目标的，根据设计要求，该目标可以是地下某一点，也可以井眼轴线或特定方向和角度；采用一些科学的人为可以控制的技术方法与机具有目的地将井孔轴线由弯变直或由直变弯，使之钻达到目标要求。2、定向钻井（孔）的含义。定向钻井是指用定向钻进方法控制井孔轨迹钻到预定目标的钻井。它与常规钻井的区别：定向钻井设计有特殊的轨迹，钻进中必须研究和利用地层自然弯曲规律、井眼控制理论或人工造斜工具控制井眼轨迹，最终钻达预定目标要求。Deflection&Logging定向转进原理与应用2020/5/12中国地质大学勘查教研室第一节定向钻探与定向钻孔3、关于“靶区”与“靶点”的含义为了控制定向井轴线到达预定目标时偏离不大，在定向井设计时，对预定目标事先规定了一定的范围，该范围是井孔轴线到达预定目标时的允许偏差区域，称为靶区。靶区的形状和大小可以是以靶点为圆心的一定半径的圆或圆筒，也可以是以靶点为中心，离靶心一定偏线距和沿线距的距形或正方形。目的层急倾时，靶区还可给定在垂直面或目的层倾斜面上。预定的目标为靶点，一般为靶区的中心。井孔轴线钻到预定靶区称为“中靶”，反之则称之为“脱靶”。Deflection&Logging定向转进原理与应用2020/5/12中国地质大学勘查教研室第一节定向钻探与定向钻孔三、定向钻孔的类型（一）按施工技术方法分类1、自然弯曲定向孔。利用地层在一定钻进条件下的自然弯曲规律设计钻孔轴线，通过移动孔位或改变开孔顶角、方位角，采用常规钻进技术工艺，必要时利用井斜控制理论辅以一般的增斜、减斜措施，达到基本按设计的钻孔轴线钻达目的层的钻孔。自然弯曲定向孔又称初级定向孔。2、人工弯曲定向孔。采用人工造斜工具与技术强制进行人工弯曲，并克服钻孔自然弯曲的影响，或者利用钻孔自然弯曲规律与人工造斜工具强制进行人工弯曲相结合，使钻孔按设计轨迹钻达目的层的钻孔。又称受控定向孔。Deflection&Logging定向转进原理与应用2020/5/12中国地质大学勘查教研室第一节定向钻探与定向钻孔（二）按设计井眼轴线形状分类1、两维平面定向井。是指井眼轴线轨迹只在某个铅垂平面（水平平面）上变化的定向井，井斜角（方位角）是变化的，而方位角（井斜角）是不变的。2、三维定向井。指井眼轴线轨迹在三维空间中变化的定向井。井眼轴线可以是任意三维空间内，也可以在三维空间的某个倾斜平面上。既有井斜角的变化，又有井斜方位角的变化。轨迹型式有曲线型、折线型、直线与曲线的多种组合。Deflection&Logging定向转进原理与应用2020/5/12中国地质大学勘查教研室第一节定向钻探与定向钻孔（三）按设计最大井斜角分类1、低斜度定向井。设计的最大井斜角不超过15º，这种定向井由于井斜角小，钻进时方位不易控制，钻井难度较大。2、中斜度定向井。设计最大井斜角在15º一45º之间，钻进时井斜