水平井鉆井技術(shù)概述

1、水平井鉆井技術(shù)概述 第一章 定向井（水平井）鉆井技術(shù)概述 第一節(jié)定向井、水平井的基本概念 1.定向井叢式井發(fā)展簡(jiǎn)史 定向井鉆井被（英）T . A .英格利期定 義為：使井筒按特定方向偏斜， 鉆遇地下 預(yù)定目標(biāo)的一門科學(xué)和藝術(shù)?！蔽覈鴮W(xué)者則 定義為，定向井是按照預(yù)先設(shè)計(jì)的井斜角、 方位角和井眼軸線形狀進(jìn)行鉆進(jìn)的井。 定向 井相對(duì)與直井而言它具有井斜方位角度而 直井是井斜角為零的井，雖然實(shí)際所鉆的直 井它都有一定斜度但它仍然是直井。 定向井首先是從美國發(fā)展起來的， 在十九 世紀(jì)后期，美國的旋轉(zhuǎn)鉆井代替了頓鉆鉆 井。當(dāng)時(shí)沒有考慮控制井身軌跡的問題，認(rèn) 為鉆出來的井必定是鉛垂的，但通過后來的 井筒測(cè)試

2、發(fā)現(xiàn)，那些垂直井遠(yuǎn)非是垂直的。 并由于井斜原因造成了侵犯別人租界而造 成被起訴的案例。最早采用定向井鉆井技術(shù) 是在井下落物無法處理后的側(cè)鉆。早在 1895 年美國就使用了特殊的工具和技術(shù)達(dá)到了 這一目的。 有記錄定向井實(shí)例是美國在二十 世紀(jì)三十年代初在加利福尼亞享廷灘油田 鉆成的。 第一口救援井是 1934 年在東德克薩斯康 羅油田鉆成的。救援井是指定向井與失控井 具有一定距離，在設(shè)計(jì)和實(shí)際鉆進(jìn)讓救援井 和失控井井眼相交，然后自救援井內(nèi)注入重 泥漿壓死失控井。 目前最深的定向井由 BP 勘探公司鉆成， 井深達(dá) 10，654 米； 水平位移最大的定向井是 BP 勘探公司于 己于1997 年在英國

3、北海的 Rytch Farm 油 田鉆成的M11 井，水平位移高達(dá) 1，0114 米。 垂深水平位移比最高的是 Statoil 公司鉆 成的的 33/9 C2 達(dá)到了 1:3.14 ； 叢式井口數(shù)最多，海上平臺(tái)：96 口；人工 島：170 口； 我國定向井鉆井技術(shù)發(fā)展情況 我國定向井鉆井技術(shù)的發(fā)展可以分為三 個(gè)階段，50 60 年代開始起步，首先在玉門 和四川油田鉆成定向井及水平井：玉門油田 的 C2-15 井和磨三井，其中磨三井總井深 1685 米，垂直井深表遺憾 350 米，水平位移 444.2 米，最大井斜 92水平段長(zhǎng) 160 米； 70年代擴(kuò)大實(shí)驗(yàn)，推廣定向井鉆井技術(shù)；80 年代通過

4、進(jìn)行集團(tuán)化聯(lián)合技術(shù)攻關(guān)，使得我 國從定向井軟件到定向井硬件都有了一個(gè) 大的發(fā)展。 我國目前最深的水平井是勝利定向井公 司完成的 JF128 井，井深達(dá)到 7000 米，垂 深位移比最大的大位移井是勝利定向井公 司完成的郭斜井，水平位移最大的大位移 井是大港定向井公司完成的 井，水平位 移達(dá)到 2666 米，最大的叢式井組是勝利石 油管理局的河 50 叢式井組，該叢式井組長(zhǎng) 384 米，寬 115 米，該叢式井平臺(tái)共有鉆定 向井 42 口。 2.定向井的分類 按定向井的用途分類可以分為以下幾種類 普通定向井 多目標(biāo)定向井 型: 定向井 叢式定向井 救援定向井 水平井 多分枝井（多底井） 國外定向

5、井發(fā)展簡(jiǎn)況 （表一） 年代 內(nèi)容 50 年代 60 年 代 70 年代 80 年代 90 年 代 剖面設(shè)計(jì)及 跡計(jì)算方法 誤差很大的正 切法， 進(jìn)行定 向井設(shè)計(jì)軌跡 計(jì)算 佃種二維計(jì)算 方法，如更精 確的曲率半徑 法 發(fā)展到三維設(shè) 計(jì)和大組叢式 井整體設(shè)計(jì) 計(jì)算機(jī)專家系 統(tǒng)進(jìn)行定向井 的設(shè)計(jì)和指導(dǎo) 定向井施工 發(fā)展了大型集 成設(shè)計(jì)軟件包 井斜控制理 論 斜直井段的二 維分析 考慮了井眼的 曲率及滿眼組 合的特性 三維數(shù)據(jù)分析， 由靜態(tài)發(fā)展到 動(dòng)態(tài) 發(fā)展了多種分 析計(jì)算方法并 編制了計(jì)算機(jī) 程序 在原來多種分 析的基礎(chǔ)上引 入了數(shù)學(xué)及其 它邊沿學(xué)科 定向造斜工 藝 渦輪加彎接頭 斜向器配合轉(zhuǎn) 盤

6、鉆 使用效率更高 的螺桿動(dòng)力鉆 具，專用工具 的定型配套 渦輪、螺桿動(dòng)力 鉆具向低速大 扭矩發(fā)展。各種 專用井下工具 系列化 發(fā)展了復(fù)合式 動(dòng)力鉆具，導(dǎo) 向鉆井系統(tǒng)， 長(zhǎng)壽命PDC 鉆 頭等 發(fā)展成熟多分 枝井回接工藝 地質(zhì)導(dǎo)向鉆井 系統(tǒng) 測(cè)量方式 氫氟酸玻璃管 刻線法和地面 定向法 機(jī)械式羅盤， 精度較高的單 多點(diǎn)照相測(cè)斜 儀 有線隨鉆測(cè)斜 儀投入工業(yè)性 使用，無線隨 鉆測(cè)斜儀研制 成功 多種無線隨鉆 測(cè)斜系統(tǒng)投入 工業(yè)使用和發(fā) 展了電子測(cè)量 系統(tǒng)和陀螺測(cè) 量系統(tǒng) 發(fā)展成熟帶地 質(zhì)參數(shù)的無線 隨鉆測(cè)斜儀 定向井鉆井 水平 精度要求不高 中深定向井 可打準(zhǔn)確度較 高的定向井和 小組定向井 可打

7、準(zhǔn)確度較 高的定向救援 井和大組叢式 井 鉆成大量水平 井從大半徑水 平井到小半徑 水平井多底泄 油井 鉆成位移過萬 米的大位移井 徑向水平井可 在0.3 米之內(nèi)完 成增斜過程 我國定向井鉆井技術(shù)發(fā)展 情況 （表二） 年代 內(nèi)容 60 年代 80 年代 90 年 代 剖面設(shè)計(jì)及軌 跡計(jì)算方法 設(shè)計(jì)采用查表法、 圖解法等精度不 高的方法 發(fā)展了曲率半徑法，最小曲率半徑法等多 精確的軌跡計(jì)算和設(shè)計(jì)方法，編制了能進(jìn) 預(yù)測(cè)和防碰掃描的計(jì)算機(jī)軟件包。 引入人工智能和專家系統(tǒng) 井斜控制理論 進(jìn)行了鉆具的二 維靜態(tài)分析主要 使用有限元法 發(fā)展了多種新的分析計(jì)算方法，例 女口：平衡梁法、加權(quán)余量法等，并編 制

8、了計(jì)算機(jī)分析程序 理論分析模型由靜態(tài)態(tài)發(fā)展 到動(dòng)態(tài)，由二維發(fā)展到三維 定向造斜工藝 使用地面定向法 （鉆桿打鋼?。?。 數(shù)據(jù)測(cè)量使用電 測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)。 使用精度高的磁性單多點(diǎn)測(cè)斜儀進(jìn) 行定向和軌跡數(shù)據(jù)測(cè)量，發(fā)展了有線 隨鉆測(cè)斜儀定向。 發(fā)展了導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)初步研 制岀徑向水平井造斜工藝 測(cè)量方式 氫氟酸測(cè)斜儀，機(jī) 械式羅盤的電測(cè) 井方法。 多種引進(jìn)的有線隨鉆測(cè)斜系統(tǒng)投入 工業(yè)使用和發(fā)展了電子測(cè)量系統(tǒng)及 陀螺測(cè)量系統(tǒng) 發(fā)展了無線隨鉆測(cè)斜系統(tǒng)，引 進(jìn)了帶地質(zhì)參數(shù)的 MWD 系 統(tǒng) 定向井鉆井水 平 簡(jiǎn)單的單口定向 井、水平井位移 小,精度低 鉆成大量高難度定向井、大組叢式 井、多目標(biāo)井、套管定向開窗井、水

9、 平井也從大半徑水平井發(fā)展到了中 半徑水平井 在水平井方面取得大型突破， 鉆成了長(zhǎng)、中、短半徑水平井 第二節(jié) 水平井鉆井技術(shù)簡(jiǎn)介 所謂水平井，是指一種井斜角大于或等于 86。，并保持這種角度鉆完一定長(zhǎng)度水平段 的定向井。 1.水平井鉆井技術(shù)發(fā)展概況 1863 年，瑞士工程師首先提出鉆水平井的建 議； 1870 年，俄國工程師在勃良斯克市鉆成井斜 角達(dá)60的井； 瑞典和美國研制出測(cè)量井眼 空間位置的儀器， 1888 年俄國也設(shè) 計(jì)出了測(cè)斜儀器； 1929 年，美國國加利福尼亞州鉆成了幾 米長(zhǎng)的水平分支井筒； 30 年代，美國開始用撓性鉆具組合在垂 直井內(nèi)鉆曲率半徑小的水平井分支 井眼； 1954

10、 年蘇聯(lián)鉆成第一口水平位移； 佃 64 年一 1965 年我國鉆成兩口水平井， 磨一 3 井、巴一 24 井； 自來 80 年代以來，隨著先進(jìn)的測(cè)量?jī)x器、長(zhǎng) 壽命馬達(dá)和新型 PDC 鉆頭等技術(shù)的發(fā) 展，水平井鉆井大規(guī)模高速度的發(fā)展起 來。 我國水平井鉆井在 90 年代以來也取得了 很大發(fā)展，勝利油田已完成各種類型水 平井百余口，水平井鉆井水平和速度不 斷提咼。 水平井的類型及各種類型水平井的特點(diǎn) 1）.水平井的類型： 根據(jù)水平井曲率半徑的大小分為： 長(zhǎng)曲率半徑水平井（小曲率水平井）； 中曲率半徑水平井（中曲率水平井）； 短曲率半徑水平井（大曲率水平井）。 2 ）.不同曲率水平井的基本特征 及優(yōu)

11、缺點(diǎn) （1）.不同曲率水平井的基本特征表 長(zhǎng)半徑水 中半徑 短半徑 平井 水平井 水平井 9 項(xiàng) 目 造斜 率 15 /100 米 使用抗壓鉆 桿 鉸接驅(qū)動(dòng)鉆 桿 測(cè)量 工具 無限制 有線隨鉆測(cè) 斜儀，MW, 但井眼6 1/8時(shí)不能 轉(zhuǎn)盤鉆井時(shí) 使用多點(diǎn)測(cè) 斜儀 馬達(dá)鉆井時(shí) 10 使用 使用有線隨 鉆測(cè)斜儀 地面 設(shè)備 常規(guī)鉆機(jī) 常規(guī)鉆機(jī) 需要配備頂 部驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 或動(dòng)力水龍 頭 完井 方式 無限制 無限制 裸眼或割縫 管 (2) .長(zhǎng)曲率半徑水平井的優(yōu)缺點(diǎn) 優(yōu) 點(diǎn) 缺 點(diǎn) 1.穿透油層段最長(zhǎng)(可以1000 米) 1 井眼軌道控制段最長(zhǎng) 11 2. 使用標(biāo)準(zhǔn)的鉆具及套管 2 .全井斜深增加最多

12、3. “ 狗腿嚴(yán)重度” 最 小 3. 鉆井費(fèi)用增加 4. 使 用常規(guī)鉆井 設(shè) 備 4. 各種下部鉆具組合較長(zhǎng) 5. 可 使用多種完井方 法 5. 不適合薄油層和淺油層 6. 可 采用多種舉升采 油工 藝 6. 轉(zhuǎn)盤扭矩較大 7. 測(cè) 井 及 取 芯 方 便 7. 套管用量最大 8- 眼及二具尺寸不 受限 制 8 穿過油層長(zhǎng)度與總水平位移比最小 (3) 中曲率半徑水平井的優(yōu)缺點(diǎn) 占 八、 占 八、 1.進(jìn)入油層時(shí)無效井段較短 1 要求使用 MW/D 測(cè)量系統(tǒng) 2. 使用的井下工具接近常規(guī)工具 2 .要求使用加重鉆桿或抗壓縮鉆桿 3. 使用動(dòng)力鉆具或?qū)蜚@井系統(tǒng) 4. 離構(gòu)造控制點(diǎn)較近 5. 可使

13、用常規(guī)的套購及完井方法 6. 井下扭矩及阻力較小 7 較咼及較穩(wěn)定的造率 8. 井眼軌跡控制井段較短 9. 穿透油層段較長(zhǎng)(1000 米) 10. 井眼尺寸不受限制 11. 可以測(cè)井及取芯 12. 從一口直井可以鉆多口水平分枝井 13. 可實(shí)現(xiàn)有選擇的完井方案 (4).短曲率半徑水平井的優(yōu)缺點(diǎn) 優(yōu) 缺 占 八、 占 八、 1.井 眼 曲 線 段 最 短 1. 非常規(guī)的井下 工具 2.側(cè) 鉆 容 易 13 2 .非常規(guī)的完井方法 3. 能夠準(zhǔn)確擊中油層目標(biāo) 3 .穿透油層段短（120180 米） 4. 從一口直井可以鉆多口水平分枝井 4井眼尺寸受到限制 5. 直井段與油層距離最小 5 .起下鉆次

14、數(shù)多 6可 用 于 淺 油 層 6要求使用頂部驅(qū)動(dòng)系或動(dòng)力水龍頭 7. 全 井 斜 深 最 小 7. 井眼方位控制受到限制 8. 不 受 地 表?xiàng)l 件 的 影 響 8. 目前還不能進(jìn)行電測(cè) 第三節(jié)定向井的基本術(shù)語解釋 1）井深：指井口（轉(zhuǎn)盤面）至測(cè)點(diǎn)的井 眼實(shí)際長(zhǎng)度，人們常稱為斜深。國外 稱為測(cè)量深度（Measure Depth ）。 2 ）測(cè)深：測(cè)點(diǎn)的井深，是以測(cè)量裝置 （An gle Un it ）的中點(diǎn)所在井深為 準(zhǔn)。 真北極 , 3）井斜角：該測(cè)點(diǎn)處的井眼方向線與重 14 力線之間的夾角（見圖 1.2 ）。?井斜 真北方位線 角常以希臘字母 a 表示，單位為度。 4?）井斜方位角：是扌

15、指以正比方位線為 女臺(tái)東磁偏角 ./ 邊，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)至井斜方位線所轉(zhuǎn)過 的角度（見圖 1.3 ）。？井斜方位角常 以希臘字母表示，單位為度。實(shí)際 西磁偏角 應(yīng)用過程中常常 簡(jiǎn)稱為方位角。？ A 地 圖 1.1 磁偏角示意圖 5 ）磁方位角：磁力測(cè)斜儀測(cè)得的井斜方 位角是以地球磁北方位線為準(zhǔn)的，稱 磁方位角。 北方位線 15 井斜方位線 6 ）磁偏角：磁北方位線與真北方位線 并不重合，兩者之間有一個(gè)夾角，這個(gè)夾角稱為 磁偏角。磁偏角又有東磁偏和西磁偏角之分，當(dāng) 磁北方位線在正北方位線以東時(shí)， 稱為東偏角；當(dāng)磁北方位線在正北方位線以西時(shí) 稱為西偏磁偏角。？進(jìn)行磁偏角校正時(shí)按以下公 式計(jì)算： 真方位

16、角=磁方位角+東偏 磁偏角 真方位角=磁方位角一西偏磁 偏角 7?）井斜變化率：是指井斜角隨井深變化的快慢 程度，常以 Ka 表示， ？精確的講井斜變化率是 井斜角度 （a ）對(duì)井深（L?）的一階導(dǎo)數(shù)。 重力線 a B 圖 1.2 井斜角示意圖 井斜方位角示意圖 圖 1.3 井眼方向線 16 K a = dL 井斜變化率的單位常以每 100 米度表示。 8） 井深方位變化率： 實(shí)際應(yīng)用中簡(jiǎn)稱方位變化 率， ?是指井斜方位角隨井深變化的快慢程 度，常用 K表示。計(jì)算公式如下： d K= - dL 井斜方位變化率的單位常以每 100 米度進(jìn) 行表示。 9） 全角變化率（狗腿嚴(yán)重或井眼曲率）：從井眼

17、 內(nèi)的一個(gè)點(diǎn)到另一個(gè)點(diǎn)， 井眼前進(jìn)方向變化的 角度 （兩點(diǎn)處井眼前進(jìn)方向線之間的夾角），? 該角度既反映了井斜角度的變化又反映了方 位角度的變化，通常稱為全角變化值。？?jī)牲c(diǎn) 間的全角變化值丫相對(duì)與兩點(diǎn)間井眼長(zhǎng)度 L 變化的快慢及為全角變化率。 用化式表達(dá)如 下： 17 實(shí)際鉆井中，井眼曲率的計(jì)算方法：目前計(jì) 算井眼曲率的方法有很多。有公式法、查表法、 圖解法、查圖法和尺算法五種。后四種辦法皆來 源于公式法。計(jì)算井眼，曲率的公式計(jì)有三套： 第一套公式：對(duì)于一個(gè)測(cè)點(diǎn)： K= SQR( Ka 2+ K 2 2 、 sin a) 對(duì)于一個(gè)測(cè)段：K= SQR( Aa/ Y 18 圖 1.4 第一套公式的

18、圖解法 第一套公式的圖解法(參見圖 1.4 ): (1) .作水平射線 OA (2) .作/ BOAF a c (兩測(cè)點(diǎn)平均角)； (3) .以一定長(zhǎng)度代表單位角度，量 0B= A(兩測(cè)點(diǎn)方位角差)； (4) .自 B 點(diǎn)向 0A 乍垂線，垂足為 C 點(diǎn)； (5) .按步驟中的比例，量 CA=A a； (6) .連接 A、B,并量 AB 長(zhǎng)度，按步驟(3) 比例換算成角度，此角度及狗腿角 丫。 第二套公式：(由于誤差較大，現(xiàn)場(chǎng)使用少略) 第三套公式：丫 = SQ( a 1 + a 2 2 a 1 a 2C0S A) 19 a2 al 圖 1.5 第三套公式的圖解法 第三套公式圖解法(參見圖 1

19、.5 ): (1) .選取一定比例，經(jīng)一定長(zhǎng)度代表單位 角度，作線段 OA 使其長(zhǎng)度代表 a 1； (2) .作 0B 線段，使/ BOAF ; (3) .按步驟的比例，量 0B= a 2; (4) .連接 A B,并量鄧 AB 的長(zhǎng)度，按步 驟(1)的比例換算成角度，既為丫 . 10) 垂深(垂直井深)：即某測(cè)點(diǎn)的垂直深度， 以 H表示。？是指井身任意一點(diǎn)至轉(zhuǎn)盤面所 在平面的距離。 20 11） 水平投影長(zhǎng)度：是指自井口至測(cè)點(diǎn)的井眼 長(zhǎng)度在水平面上的投影長(zhǎng)度。以 S?表示。 12） 水平位移： 簡(jiǎn)稱平移， 是指測(cè)點(diǎn)到井口垂 線的距離。在國外又稱為閉合距 （Closure Distance）。

20、 13） 平移方位角：又稱為閉合方位角（Closure Azimuth ）,常用 B 表示，？是指以正北方位 線為始邊順針方向轉(zhuǎn)至平移方位線上所轉(zhuǎn) 過的角度。 14） 視平移： 又稱為投影位移， 井身上的某點(diǎn) 在垂直投影面上的水平位移。在實(shí)際定向井 鉆井過程中，這個(gè)投影面選在設(shè)計(jì)方位線 上。所以視不移也可以定義為水平位移在設(shè) 計(jì)線上的投影。 15） 高邊：在斜井段用一個(gè)垂直于井眼軸線的 平面于井眼（這時(shí)的井眼不能理解為一條 線，而是一個(gè)具有一定直徑的圓）相交，由 于井眼是傾斜的故井眼在該平面上有一個(gè) 最高點(diǎn)，最高點(diǎn)與井眼圓心所形成的直線及 為井眼的高邊。 16） 工具面：工具面就是造斜工具彎曲

21、方向的 平面。 21 17） 磁性工具面角：造斜工具彎曲的平面與正 北方位所在平面的夾角。 18） 高邊工具面角：造斜工具彎曲方向的平面 與井斜方位角所在平面的夾角。 19） 裝置角：造斜工具彎曲方向的平面與原井 斜方向所在平面的來夾角，通常用 3 ?表 示。 20） 反扭矩： 在用井底動(dòng)力鉆具鉆進(jìn)時(shí)， 都存 在一個(gè)與鉆頭轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反的扭矩，該扭矩 被稱為反扭矩。 21） 反扭角： 使用井底動(dòng)力鉆具鉆進(jìn)時(shí)， 都存 在一個(gè)與鉆頭轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反的扭矩，由于該 扭矩的作用，使得井底鉆具外殼向逆時(shí)針方 向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，該角度被稱為反扭角。 22）貯層頂部：水平井段控制油層的頂部 23） 貯層頂部：水平井

22、段控制油層的底部 24） 設(shè)計(jì)入口角度：進(jìn)入儲(chǔ)層頂部的井斜角 度 25） 著陸點(diǎn)：井眼軌跡中井斜角達(dá)到 90的 占 八、 26） 入口窗口高度： 入靶點(diǎn)垂直方向上下誤 差之和 22 27） 入口窗口寬度： 入靶點(diǎn)水平方向左右誤 差之和 28） 出口窗口高度： 出靶點(diǎn)垂直方向上下誤 差之和 29） 出口窗口寬度： 出靶點(diǎn)水平方向左右誤 差之和 30） 著陸點(diǎn)允許水平偏差： 著陸點(diǎn)允許水平 方向前后的誤差 31） 單彎動(dòng)力鉆具： 動(dòng)力鉆具殼體上具有一 個(gè)彎曲角度的動(dòng)力鉆具， 特點(diǎn)是造斜率 較彎接頭組合高，鉆頭偏移較小 32） 雙彎動(dòng)力鉆具：同向雙彎，動(dòng)力鉆具殼 體上具有兩個(gè)彎曲方向相同的彎曲角度 的動(dòng)力鉆具，具有比單彎動(dòng)力鉆具更高 的造斜率 33） DTU 動(dòng)力鉆具 （異向雙彎） ： 動(dòng)力鉆具殼 體上具有兩個(gè)彎曲方向相反的彎曲角度的 動(dòng)力鉆具，鉆頭偏移最小，不僅可以導(dǎo)向鉆 進(jìn)，而且可以配合轉(zhuǎn)盤鉆進(jìn)；附：常用單彎 動(dòng)力鉆具、雙彎動(dòng)力鉆具、DTU（異向雙彎） 造斜率表。 23 第四節(jié) 定向井、水平