定向钻井技术(幻灯片培训材料)

特殊工艺井钻井技术钻井公司研究所2004年3月主要内容第一章、前言第二章、定向井、丛式井钻井技术第三章、大斜度多目标井与水平井钻井技术第四章、大位移钻井技术第五章、分支井钻井技术第六章、套管开窗侧钻技术第七章、结束语前言1、钻井技术发展简况：（1）概念阶段（1901--1920）开始把钻井和洗井联系在一起，并使用了牙轮钻头和注水泥封固套管的工艺。（2）发展阶段（1920--1948）：钻井工艺、固井工艺、牙轮钻头、钻井液等得到进一步发展，同时出现了大功率钻井设备，特殊工艺井诞生。（3）科学化钻井阶段（1948--1968）：科学研究使钻井技术得以迅速发展：高压喷射钻井、高效牙轮钻头、优质钻井液、优选参数钻井等，使钻井速度产生大的飞跃。继而又发展了地层压力检测技术、油气井压力控制技术、钻井液固相控制技术、平衡压力钻井技术使钻井速度又一次产生了大的飞跃。同时，特殊工艺井技术也有了重大的进展。（4）自动化钻井阶段（1968至今）：主要体现电子仪表、自动测量和计算机在钻井工程中的应用（如：钻井参数的自动测量、综合录井仪、随钻测量技术、闭环钻井技术等）使得特殊工艺井钻井技术日臻完善。2、我国钻井的发展情况：钻井组建时期（1949-1957）钻井队：8个（49年）205个（57年）进尺：0.5万米52.9万米钻井发展时期（1958-1977）钻井队达570个，钻机942台，年进尺达352.3万米，成功地钻进一口位移为444.2的水平井和一口位移为537.7米的大斜度井。科学钻时期（1978-至今）喷射钻井技术、平衡压力钻井与井控技术定向井丛式井技术、油层保护技术、水平井技术目前、我国部分钻井技术达到了国际水平，主要差距在特殊工艺井与超深井钻井。钻井工程是一项投资大、风险大、技术密集、多学科交叉的系统工程，其设计和施工的合理性直接关系到钻井工程的成败或工程的质量。现代钻井所追求的目标是保护和解放油气层、加快钻井速度、提高钻井和勘探开发整体经济效益，而最终目的是追求钻井、勘探开发综合效益最大化。目前钻井技术面临着严峻的挑战，一是工作难度逐步增加：恶劣的自然环境、复杂的地下条件、复杂断块等；二是经济压力增加：国际大气候及油田开发的进一步深入成本增加，迫使石油公司压缩开发成本,通过采用特殊工艺井方式开发油气藏。总之，是勘探开发的需要促使了特殊工艺井的产生与发展。3、特殊工艺井的概念及主要类型：特殊工艺井是指除常规钻井工艺所钻直井之外其它井的总称，主要包括定向井、丛式井、水平井、大位移井、侧钻井、分支井、径向水平井、小井眼井、柔性管钻井及欠平衡压力钻井等。定向井与丛式井水平井大位移井侧钻井分支井(多底井)径向水平井此外、欠平衡压力钻井、小井眼井、柔性管钻井等也属于特殊工艺井。1、尽可能挖拙各种油气藏潜能，提高采收率；2、减少布井数量，减少开发投资；3、避免或减少开采过程中的井下复杂情况；4、少占用土地，减小环境保护的压力；实质上提高勘探开发的总体经济效益。4、发展特殊工艺井的目的第二章、定向井、丛式井钻井技术－基本概念靶区α造斜点稳斜井段水平位移垂深-井斜角实际井眼轨迹设计井筒轨迹定向井是使井筒沿特定方向钻达地下预定目标的油气井。沿着预先设计的方向钻达目的层位的钻井方法，称为定向钻井。描述定向井井身空间位置及形状的方法是对井眼进行测量，每个测点有三个数据，即测深、井斜角、井斜方位角，我们称这三项测量数据为井身的基本要素。第二章、定向井、丛式井钻井技术－基本概念测深（Measuredepth）:井身轴线上任一点到井口的井身长度，称为该点的测深，也称为该点的测量斜深。其测量单位为米。井斜角(HoleinclinationorHoleangle):井测点处的井眼方向线（切线）与通过该点的重力线之间的夹角称为该点处的井斜角。井眼方向线和重力线都是有向直线。其测量单位为度。第二章、定向井、丛式井钻井技术－基本概念井斜方位角（Holedirection）：井斜方位角是指以正北方位线为始边，顺时针旋转至井斜方位线所转过的角度。其测量单位为度。井斜方位线是指该测点处的井眼方向线在水平面上的投影线。井余斜角的值可在0－360度之间变化。其另一种表示方法是用象限值来表示，是指井斜方位线与正北和正南方位线之间的夹角。象限值在0－90度之间。N（m)第二章、定向井、丛式井钻井技术－基本概念大地坐标的的确定：大地坐标是以英国的格林威治天文台为坐标原点而构建的全球通用的大地坐标体系，地球上的任一点都可以通过卫星定位在该坐标系中找到自己的唯一位置。当定向井的井口位置测定后，该井井身的任一点的大地坐标都可以确定。磁偏角（Deinclinnation）的校正：在定义井斜方位角时，是以地球正北方位线为准，而使用磁力测斜仪测得的井斜方位角则是以地球磁北方位线为准，称为磁方位角。由于磁北极偏离地球北极，使绝大多数区域磁北方位线与正北方位线并不重合，二者间的夹角即为磁偏角。其计量是以地理北极方位线为始边，磁北方位线为终边，顺正逆负，正东负西，若磁北方位线在正北方位线以东称偏东磁偏角，若磁北方位线在正北方位线以西称偏西磁偏角。进行井斜方位角校正时，可使用如下简单公式：井斜方位角＝磁方位角－西磁偏角井斜方位角＝磁方位角＋东磁偏角第二章、定向井、丛式井钻井技术－基本概念垂深（VerticaldepthorTrueverticaldepth）:垂深即测点的垂直深度，是指井身上任一点至井口所在水平面的距离。其测量单位为米。水平位移（DisplacementorClosuredistance）：即井眼轴线某点在水平面上的投影至井口的距离，也称闭合距。其测量单位为米。靶区α水平位移垂深第二章、定向井、丛式井钻井技术－基本概念闭合方位角或总方位（closureazimuth）:是指以正北方位线为起点，顺时针转至闭合距方位线上所转过的角度。其测量单位为度。N（北）坐标和E坐标：是指测点在以井口为原点的水平坐标系里的坐标值。其测量单位为米。视平移（Verticalsection）：是井身上某点在某一垂直投影面上的水平位移，这个“水平位移”不是真实的水平位移，所以我们称之为视平移。实际工作中，对于正在钻进的井作垂直投影图时，都是将垂直投影面选在设计方位线上。其测量单位为米。第二章、定向井、丛式井钻井技术－基本概念造斜点(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，其测量单位为米。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。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。全角变化率（Doglegseverity）：“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三维空间的角度变化。它既包含了井斜角的变化，又包含着方位角的变化。其常用单位为：º/30m。第二章、定向井、丛式井钻井技术－基本概念增斜段：井斜角随井深增加的井段，称为增斜段。稳斜段：井斜角保持不变的井段称为稳斜段。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。井斜变化率：单位井段内井斜角的绝对变化值。通常以两测点之间井斜角变化量与井段长度的比值来表示。方位变化率：单位井段内井斜方位角的绝对变化值。两变化率的单位为：º/100m第二章、定向井、丛式井钻井技术－基本概念目标点（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。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。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。第二章、定向井、丛式井钻井技术－基本概念工具面（toolface)：在造斜钻具组合中由弯曲工具的两个轴线决定的那个平面称为工具面。反扭角：动力钻具反扭矩作用下启动前后工具面之间的夹角。高边（HighSide)：有斜度的井段其井眼的横断面是倾斜平面，若干个这样的圆平面上最高点的连线称高边，因而高边方位即井眼方位。工具面角（ToolFaceAngle):表示造斜工具下到井底后工具面所在的位置参数。工具面角有两种表示方法：一种是以高边为基准（HighSideMode)，一般是井斜角大于6º后可用高边工具面角；一种是以磁北极为基准(MagneticMode)，在井斜较小时使用,称为磁性工具面角。二、定向井、丛式井钻井技术－基本概念丛式井的基本概念：凡在一个井场或平台上，有计划的钻几口可几十口定向井和一口直井，这些井统称为丛式井（组）。丛式井要涉及到合理的井距及布井的先后顺序及防碰跟踪等问题。第二章、定向井、丛式井钻井技术－基本概念丛式井的基本概念：凡在一个井场或平台上，有计划的钻几口可几十口定向井和一口直井，这些井统称为丛式井（组）。丛式井要涉及到合理的井距及布井的先后顺序及防碰跟踪等问题。我国的定向井技术始于80年代，河南油田的定向井技术也从85年开始第一口定向井为双4-508井，丛式井斜直井一组13口井，浅从式井组一组8口井，深井丛式井组为一组5口。目前，我油田已施工的定向井千余口，丛式井60多组，定向井丛式井技术完全成熟。第二章定向井、丛式井钻井技术－剖面设计定向井井身剖面设计是定向井最关键的问题。组成定向井井身的所有井段形状不外乎有四种，即垂直井段、增斜井段、稳斜井段和降斜井段，由这四种井段可以组成多种剖面。常规的定向井剖面设计主要是两维定向井剖面设计，是指设计的井眼轴线只是在某一个给定的铅垂面内变化，即设计的井眼轴线只有井斜角的变化，没有方位角的变化。井身剖面的设计原则：应能实现钻定向井的目的；应尽可能利用地层的自然造斜规律；应有利于采油工艺的要求；应有利于安全、快速、优质钻井。需要考虑以下几个问题：选择合适的井眼曲率；选择易钻的井眼形状；选择恰当的造斜点；设计井身剖面形状应与井身结构同时考虑靶区α造斜点水平位移垂深第二章、定向井、丛式井钻井技术－剖面设计井身剖面设计的条件、内容和步骤设计条件：一般情况下，给定的设计条件有：地面井位坐标、地下目标点坐标、目的层垂直深度和井底位置。根据这些基本数据，通过坐标换算，可计算出设计方位和设计水平位移。井身剖面设计的内容和步骤：（1）、选择剖面类型（直－增－稳、直－增－增－稳、直－增－稳－降等）；（2）、确定增斜率和降斜率，选择造斜点；（3）、求得剖面上的未知参数，一般情况下这个未知参数是全井最大井斜角；（4）、进行井身计算，包括各井段的井斜角、垂深、水平位移、井斜方位角（三维剖面）及井深；（5）、作垂直和水平投影图。第二章、定向井、丛式井钻井技术－防碰计算1、资料准备根据每口井的测斜数据进行井身计算，算出每个测点的三维坐标H、N、E。然后，建立一个标准坐标系，其原点选在正钻井，将各计算井的测点坐标换算成标准坐标系的坐标值。2、为了找出邻井与正钻井上某点的最近距离，可逐个计算，并作对比，找出邻井上与正钻井上该点的最近距离，最近距离计算公式如下：已知空间两点的坐标Hi、Ni、Ei、Hj、Nj、Ej，则其距离为：Jij＝（Hi-Hj）²+(Ei-Ej)²+(Ni-Nj)²3、正钻井和相邻井间设定安全距离，如果算出的两点最近距离接近安全距离，则要加密测点，密切注意，有必要的话，则应下入井下动力钻具，通过调整井斜角或方位角，来达到防碰的目的。第二章、定向井、丛式井钻井技术－现场施工定向井施工准备：设计分析、查阅邻井资料、工具和仪器检查、技术交底定向井施工：直井段：采用常规钻具组合并以合理的钻进参数打直直井段。造斜段：钻头＋井下动力钻具＋弯接头＋无磁钻铤＋…增斜段：钻头＋扶正器＋钻铤双根＋扶正器＋铤钻单根＋扶正器＋…稳斜段：钻头＋扶正器＋短铤钻＋扶正器＋钻铤单根＋扶正器＋…降斜段：钻头＋钻铤单根＋扶正器＋铤钻单根＋扶正器＋…实际定向井施工并非上述钻具的单次下入井中即可，而是经过钻进－测斜计算分析－调整钻具或措施－钻进－测斜计算分析-调整－…..多次重复，钻井过程中根据具体情况合理地选择和调整不同钻具组合，达到安全有效控制