石油定向钻井专业知识详解

定向井钻井设计和井眼轨迹控制技术定向井钻井设计技术基本概念⑴定向井的定义沿着预先设计的井斜和方位（井眼轴线）钻达目的层位的钻井方法，成为定向钻井。⑵定向钻井的应用①地面限制油田埋藏在高山、城镇、森林、沼泽海洋、湖泊、河流等地貌复杂的地下，或井场设置和搬家安装碰到障碍时，通常在他们附近钻定向井。②地下地质条件要求用直井难以穿过的复杂层、盐丘和断层等，常采用定向井。如：安718段块的井漏、二连地区巴音区块的井，自然方位120-150度。③钻井技术需要遇到井下事故无法处理或不易处理时，常采用定向井技术。如：掉钻头、断钻具、卡钻等。④经济有效的勘探开发油气藏的需要ⅰ原井钻探落空，或钻通油水边界和气顶时，可在原井眼内侧钻定向井。ⅱ遇多层系或断层断开的油气藏，可用一口定向井钻穿多组油气层。ⅲ对于裂缝性油气藏可钻水平井穿遇更多裂缝、低渗透性地层、薄油层都可钻水平井，提高单井产量和采收率。ⅳ在高寒、沙漠、海洋等地区，可用丛式井开采油气。⑶定向井分类随着定向钻井技术的发展，定向井的种类越来越多。①按设计井眼轴线形状分ⅰ两维定向井：井眼轴线在某个铅垂平面上变化的定向井，井斜变化，方位不变化。ⅱ三维定向井：井眼轴线在三维空间变化的定向井，井斜变化，方位变化。可分为：三维纠偏井和三维绕障井。②按设计最大井斜角分ⅰ低斜度定向井：井斜小于15度，钻井时井斜、方位不易控制，钻井难度大。ⅱ中斜度定向井：井斜在15-45度之间，钻井时井斜、方位易控制，钻井难度相对较小，是使用最多的一种。ⅲ大斜度定向井：井斜在46-85度之间，其斜度大，水平位移大，增加了钻井难度和成本。ⅳ水平井：井斜在86-120度之间，其钻井相对较难，需要特殊设备、钻具、工具、仪器。③按钻井的目的分救援井、多目标井、绕障井、多底井等。④按一个井场或平台的钻井数分ⅰ单一定向井ⅱ双筒井：一台钻机，钻出井口相距很近的两口定向井。ⅲ丛式井（组）：在一个井场或平台上，钻出几口或几十口定向井和一口直井。⑷定向井的基本概念井深、垂深、测深、井斜角、井斜方位角、井斜变化率、方位变化率、水平位移、靶半径、靶心距、磁偏角、井眼曲率（全角变化率活狗腿严重度简称狗腿角）等。井眼曲率：在单位井段内井眼前进的方向在三维空间内的角度变化。既包含井斜角变化又包含方位角变化。单位：/25m在钻井施工中，控制井眼曲率是十分重要的。实践表明，在井眼曲率过大的狗腿井段，易出现一系列问题（卡钻、断钻具等），给钻井带来不利影响。因此，定向井在进行钻井设计时都要根据不同的钻井条件，分别提出允许的最大全角变化率，以保证钻井、完井、采油、和修井等作业的顺利进行。在实际施工中，要保证全角变化率在允许的范围内，否则，会出现一系列的事故或复杂。例如：霸105xx井，设计垂深1990米（A1780/B1880），直井段1174米，井斜6.1度，方位270度与设计方位相反。水平位移70.16米。定向造斜后，全角变化率达到6.08度/25米。造成完钻通井时卡钻。京22-32xx，设计垂深2650米（A2430/B2600），直井段1954米，井斜7.55度，方位200度，2153m（造斜点）水平位移达47m，闭合方位190.250，与设计方位（113.820）相差76.430。由于上直段没有打直，定向时边造斜边扭方位，至2387m时井斜达到400，方位1100，钻至井深2460m期间，因井眼曲率变化大发生断钻铤事故三起。全角变化率达到8.17度/25米。原因：单点测斜三次：井深885m,井斜0.10,方位200；井深1313m，井斜00，方位00；井深1720m吊测未成，继续钻进至定向。安56-17x1井，设计垂深3180米（A2980米），侧钻点1920米。当钻至2420米(27度、192度)，甩掉单弯（1度），稳斜。井深2668米（25度、203度），起钻，下如单弯（1.25度）增斜扭方位，2790米（32度、187度），造成全角变化率超标达到4.17度/25米。完钻电测5次通井。定向井轨道设计⑴常规两维定向井轨道设计轨道设计的内容步骤：①根据地质要求，选择轨道类型。②确定增斜率和降斜率，选择造斜点。③求得全井最大井斜角。④计算各井段的井斜角、垂深、水平位移、井斜方位角和井深。⑤作垂直轨道图和水平投影图，必要时绘出控制安全圆柱。轨道设计的方法：常规定向井轨道有三段制剖面和五段制剖面，由地质条件、要求，可演化为多靶三段制剖面（务38井5靶）、双增型剖面等。选择造斜点：①地层比较稳定，避免在破碎带、漏失层、流砂层、易坍塌等复杂地层造斜。如：州16断块，在900-1100米之间有火沉岩。安718断块，在1560米以上下技术套管（漏失层）。②可钻性较均匀的地层，避免在硬夹层造斜。③垂深大位移小的定向井，应下压造斜点，以发挥直井段钻井优势；垂深小位移大的定向井，应提高造斜点，可减少定向施工的工作量。④在井眼方位漂移严重的地层钻定向井，造斜点位置尽可能使斜井段避开方位漂移大的地层或利用方位自然漂移规律钻达目标点。如：岔33断块、岔74断块，在2200-2500米方位自然漂移无规律。霸断块，在1500-1800米方位漂移严重。别古庄地区的井，自然方位在180度左右。⑵三维（绕障、纠偏）定向井轨道设计⑶丛式井设计要考虑的因素：①井口位置确定后，要注意井架大门的朝向，避免井眼轨迹交叉。②相邻两井的造斜点应错开一定距离，一般不小于30米。③轨道的防碰校核。如在平台的控制面积范围内有已钻井，且与设计轨道相距不远，则应用防碰技术进行设计和校核。④在满足地质和甲方要求的前提下，第一口井设计位移小的井，第二口井设计位移大的井。第二口井尽量上移造斜点，降低施工难度。⑤在满足地质和地面条件要求的前提下，井架大门的朝向，要考虑当地气候和风向，降低劳动强度。水平井轨道设计华北：1996年四公司，任平2井，水平段150米。2003年10月22日开钻高36平4井（三公司）--钻探薄油层（5米）。大位移井设计大位移井的技术特性：随着定向井、水平井钻井技术的发展，出现了大位移井（ERD）钻井技术。ERD定义为水平位移与垂深之比大于2，且水平位移大于3000米的定向井。稳斜角大于60度。由于位移延伸，导致大位移井比水平井更具有特殊性：①磨阻、扭矩大。②井眼曲率低。③循环压耗大，钻井液当量密度高。④井眼长、井斜大、携砂困难。⑤轨迹控制难度大。⑥井下安全程度降低。（1998年学习时，位移6000米，美国公司在加拿大打的）二、定向井井眼轨迹控制技术随着技术的迅速发展，各种先进的仪器（有线和无线测斜仪）在现场使用越来越广泛，大大提高了轨迹控制精度和质量。因此，采油厂对井身质量和靶区半径的要求也越来越严格。定向井井眼轨迹控制技术，必须不断的完善和进步。定向前的准备工作⑴地质和工程设计分析：准备施工前，必须对地质和工程设计进行认真地阅读和分析，并查阅已钻邻井资料和本区块的地质特性，制定好每一口井的具体施工方案。然后，准备好施工的仪器和工具，在地面进行试运转和校核。⑵计算出方位角的允许偏差：Φ=arcsinR/SR-靶区半径S-设计水平位移例如：某定向井设计垂深3000米，靶心垂深2850米，靶心方位301度，靶心位移358米，靶心半径25米，造斜点1670米。试计算靶心方位角的允许偏差值？解：因为Φ=arcsinR/S所以Φ=arcsin25/358=arcsin0.0698=4（度）答：靶心方位角的允许偏差值为±4度。⑶定向前直井段的施工方法：直井段施工的最基本要求是严格控制井斜角，将井眼钻直，以便为定向造斜做好准备。①钻直井段常用的钻具组合：略②根据直井段长短和地层是否易斜，考虑作业者的施工经验和控制轨迹的水平，制定合理的测斜计划，建议直井段不超过200米测斜一次。③对定向前直井段较长（超过1000米）或直井段井斜角较大等情况，必须进行多电测斜，并进行测斜数据处理，计算出结果后方可定向施工。定向造斜施工目前，定向施工方法大体分为两种：单点测斜仪定向方法和随钻测斜仪定向方法。⑴单点测斜仪定向方法：略⑵随钻测斜仪定向方法：略定向井轨迹计算和绘图各井段钻具组合及特性。略定向井井身质量要求⑴定向井井身质量评定项目所采用的数据以磁性单、多点测斜仪测量的数据为准。⑵井斜角以0.25度为基本测读单元；方位角以1度为基本测读单元。三、举例说明州23xx井是一口双靶预探井，位于河北省固安县旧州乡西庄字村南偏西550米处，在冀中坳陷廊固凹陷柳泉-曹家务构造带虎珀营构造泉66断块上。设计完钻垂深2650米。设计A靶垂深1650米，设计方位153.95度，设计位移105.20米；设计B靶垂深2300米，设计方位153.88度，设计位移686.60米，井眼轨迹为三段双靶制定向井。本井实际井深3345米，钻井周期40.82天，建井周期50.71天，井身质量、固井质量、一次中靶率均达到100﹪。因取心、地质观察、掉钻头测钻、钻时较慢（2000米以下不许使用PDC钻头）等因素，钻机月速仅2039.63米/台月，平均机械钻速只有8.71米/小时。现将整个施工过程介绍如下：1.直井段（167米）钻具组合：Φ216mmHAT127+Φ159mmNDC+Φ159mmLDC+Ф214mm螺扶+Φ159mmLDC+Ф214mm螺扶+Φ159mmLDC×5柱+Φ127mm钻杆钻井叁数：钻压80KN转速203N/MIN、排量38L/S泵压12MPA单点测斜数据：井深400米井斜0.2度方位70度井深597米井斜0.6度方位145度井深807米井斜0.2度方位170度井深1005米井斜0.5度方位250度井深1155米井斜0.2度方位210度井深1160米，起钻，换钻头。原钻具、原参数钻进直造斜点。井深1260米井斜0.2度方位160度2.定向造斜井段（1374.28米）钻具组合：Φ216mmJD437+Φ172mm(1度)单+Φ159mmNDC+159mmLDC×11根+Φ127mm钻杆下钻到底，开泵，泵压9MPa，无进尺。起钻，钻头落井。综合考虑后，决定：打水泥填井侧钻。侧钻井段（1260米）钻具组合：Φ216mmJD437+Φ172mm螺杆×2度弯接头+Φ159mmNDC+159mmLDC×11根+Φ127mm钻杆钻井叁数：钻压50-80KN排量38L/S泵压12MPA随钻测斜数据：井深1294米井斜4度方位159度井深1314米井斜9度方位160度井深1325米时，通过返出的砂样和计算可知：侧钻成功，方位与设计方位相同，故起钻。下入稳斜钻具，钻至造斜点处定向。3.稳斜井段（1325米）钻具组合：Φ216mmPDC（5翼）+Φ159mmNDC+Φ159mmLDC+Ф214mm螺扶+Φ159mmLDC+Ф214mm螺扶+Φ159mmLDC×5柱+Φ127mm钻杆钻井叁数：钻压80KN转速203N/MIN、排量38L/S泵压12MPA井深1375.71米时，测斜，绞车钢丝绳断裂，仪器落井。起钻。下入单弯螺杆，先复合钻进，到1540米时，再定向。4.定向造斜井段（1375.71米）钻具组合：Φ216mmH517+Φ172mm(1度)单+Φ159mmNDC+159mmLDC×11根+Φ127mm钻杆钻井叁数：钻压100-120KN转速73+180N/MIN、排量38L/S泵压12MPA单点测斜数据：井深1374米井斜11.5度方位168度井深1475米井斜12.0度方位169度随钻测斜数据：井深1544米井斜12.0度方位169度井深1559米井斜15.5度方位166度井深1587米井斜22.5度方位161度井深1616米井斜27.7度方位157度井深1635米井斜32.0度方位155度井深1646米井斜33.9度方位157度井深1656米井斜35.7度方