第五章---定向井軌跡控制技術(shù)

1、第五章定向井軌跡控制技術(shù)5.1 定向井軌跡控制根本原那么 通過選擇鉆具組合，優(yōu)選和調(diào)整鉆進參數(shù)，使井眼沿預(yù)計的軌跡前進，最終 鉆達目的層， 中靶。這是定向井軌跡控制的內(nèi)容。一個優(yōu)秀的定向井工程師的追求目標，除了中靶外，還 要鉆出良好的井眼軌跡并保證優(yōu)質(zhì)、快速鉆進。5.2 井底鉆具組合的選擇和調(diào)整 井底鉆具組合是軌跡控制的工具。 如何優(yōu)選井底鉆具組合是軌跡控制最 重要的內(nèi)容。 因為井底鉆具組合作用的結(jié)果就是井眼軌跡。5.2.1 井底鉆具組合的類型 根據(jù)井底鉆具組合的設(shè)計目的或作用效果的不同， 可分為以下三類： 即增斜、 降斜和穩(wěn)斜。而增斜鉆具又可分為馬達增斜 (或造斜 )和轉(zhuǎn)盤增斜。所以，實際上

2、常規(guī)定向井的最根本鉆具組合有四個，即馬達造斜鉆具、轉(zhuǎn)盤增斜、轉(zhuǎn)盤降斜和穩(wěn)斜。下面是 12-1/4 井眼中，四套根本鉆具組合： 造斜， 12-1/4 Bit+9-1/2馬達 +1.5 ° 彎接頭 +8NI2 DC(1)+5 HWDP(14 預(yù)計 B0R=3°/30m 轉(zhuǎn)盤增斜 12-1/4 Bit+12-1/4 STB+8 NMDC(1)+8 DC(2)+12-1/4 STB+8 DC(1)+12-1/4 STB+8 DC(5)+5 HWDP(20)預(yù)計 B0R=2 ? 4° /30m 降斜，12-1/4 Bit+8 NMDC(1)+12-1/4 STB+8 DC(

3、1)+12-1/4 STB+8 DC(5)+5 HWDP(20) 預(yù)計 B0R=-(2 ? 3)° /30m 穩(wěn)斜，12-1/4 Bit+12-1/4 STB+8 S2DC(2)+12-1/4 STB+8 DC(1)+12-1/4 STB+8 DC(5)+5 HWDP(20) 在上述組合中，如需要可 加一些配合接頭，擾性接頭、震擊器、鍵槽破壞器等。前面已說過，從鉆具組合的效果上看，可分為四種根本類型。但是實際井眼軌跡控制時， 對鉆具組合 性能的要求遠非如此簡單。它還要求鉆具組合產(chǎn)生的效果，在幅度上能夠控制，這 就是所謂的微增、微降 鉆具組合，這也是較難掌握的一點。比方說， BOR&#

4、177; 0.3 ° /30m 的增斜 率或降斜率。拿某一套穩(wěn)斜鉆具 ( 如上述號 ) 來說，通過調(diào)整鉆鋌、短鉆鋌的根數(shù)和位置、扶正器的位 置和尺 寸、或者調(diào)整鉆進參數(shù)，號鉆具能變成具有任何性能的鉆具，即增斜、穩(wěn)斜、降斜、微增、微降。下面是兩套微增、微降鉆具組合。 微降，12-1/4 Bit+S 2 DC(1)(3m)+12-1/4 STB+8 DC(1)+12-1/4 STB+8 DC(5)+5 HWDP(20) 通過鉆壓和轉(zhuǎn)速的調(diào)整，降斜率范圍可達：0.3? 0.6° /30m。 微增，12-1/4 Bit+12-1/4 STB+8 DC(1)(9m)+12-1/4 S

5、TB+8 DC(1)12-1/4 STB+8 DC(5) 通過鉆壓的調(diào)整，增斜范圍可達：0.3? 0.8° /30m。另外，通過調(diào)整扶正器尺寸，也可得到多種微增、微降鉆具組合。5.2.2 井底鉆具組合的力學(xué)分析 井底鉆具組合表現(xiàn)出不同的效果(如增斜、降斜、穩(wěn)斜)是由于不同的鉆具組合具有各自的 力學(xué)特性。這主要是鉆頭處產(chǎn)生的側(cè)向力的方向和大小的不同。 目前，對鉆具組合的力學(xué)分析還不完善。 一是許多力學(xué)分析停留在二維階段， 即只是針對 井斜的變化， 或垂直方向的鉆頭側(cè)向力。而三維的力學(xué)分析還做得不夠，即對鉆頭變方位力或 方位變化的研究不夠或研 究結(jié)果不能令人滿意。 二是鉆具組合的力學(xué)分析

6、結(jié)果還不能跟井眼軌 跡直接聯(lián)系起來，也就是說還不能 做到完全準確地預(yù)測井眼軌跡。有的學(xué)者正試圖通過以下工作來做到準確的軌跡預(yù)測： 通過下部鉆具組合的受力變形分析，正確計算鉆具的造斜力和變方位力； 通過地層力分析合理確定地層造斜力和變方位力； 確定鉆頭結(jié)構(gòu)變方位力，考慮鉆壓，通過迭加計算，即確定鉆頭上的三維分力； 通過側(cè)向切削模型和軸向鉆速模型， 確定側(cè)向切削量和縱向進尺， 即確定三維分位移； 按三維分位移的大小和方向，即可確定合位移 即鉆進方向 ，從而可預(yù)測井斜角和方 位角的數(shù)值。但是這項工作還只是處于初級階段。目前，對鉆頭組合的純力學(xué)分析已比擬令人滿意，特 別是二維的 分析。目前，國內(nèi)外已有

7、許多軟件可用于鉆具組合的力學(xué)分析。 它們的力學(xué)模型或 者力學(xué)方法主要有 K2 K2 Millheim 的有限元法；白家祉的縱橫彎曲連續(xù)梁法； B2 H2 Walker 的能量法， W2 B2 Bradley 和 F2 J2 Fischer 的差分法。其中，白家祉的連續(xù)梁法對鉆頭側(cè)向 力的計算已相當令人滿意。我們在選擇鉆具組合時，應(yīng)先對鉆具組合進行力學(xué)分析，求出側(cè)向力，再結(jié)合實際經(jīng)驗， 綜合地層因 素， 預(yù)測出軌跡變化趨勢， 就可以決定所選擇的鉆具組合是否符合軌跡控制的要求。5.2.3 調(diào)整鉆具組合的原那么與方式 如果鉆頭不是按照預(yù)定的井眼軌跡前進，就需要在適當?shù)臅r候，起鉆 調(diào)整鉆具組合。調(diào)整

8、鉆具的原因有三個：一是井斜不適宜；二是方位不適宜；三是井斜、方位都不適宜。 鉆具組合調(diào)整一般在穩(wěn)斜段進行，調(diào)整鉆具組合時應(yīng)考慮如下幾點：A: 確認調(diào)整后的鉆具入井后，具有預(yù)料的性能；B: 般情況下，采用微調(diào)的形式，以防止大幅度增斜/降斜導(dǎo)致穩(wěn)斜段狗腿太大；C:盡量爭取調(diào)整后的鉆具能鉆較長的井段，以防止反復(fù)起下鉆調(diào)整鉆具。一是保證快速鉆進，二是防止波浪形井眼軌跡；D：如果要進行調(diào)方位作業(yè) 糾方位，應(yīng)考慮使用較小度數(shù)的彎接頭，防止大狗腿；如果裸眼井段太長， 還應(yīng)考慮馬達糾斜時的平安性， 考慮是否可以在下完套管后進行糾方位或者 提前在較 淺井段進行。總之，調(diào)整鉆具組合要準確、及時并且全面考慮井身質(zhì)量

9、和整個鉆井作業(yè)。 從調(diào)整鉆具的目的看，調(diào)整鉆具組合的方式有兩種 : 一是調(diào)方位，這需要下動力鉆具 或組裝方位 變向器；二是調(diào)整井斜。用井下馬達調(diào)方位即下入造斜鉆具組合彎接頭 +井下馬達 。所謂變向器調(diào)方位， 是在轉(zhuǎn)盤鉆組合中，加方位變向器，通過方位變向器的作用在鉆頭處產(chǎn)生一個橫向側(cè)向力，鉆頭橫向漂移，從而到達增減方位的目的。井斜的調(diào)整那么較簡單。通過對轉(zhuǎn)盤鉆具的鉆鋌根數(shù)和位置、扶正器的位置與尺寸的調(diào)整來改變鉆具的性能，到達軌跡控制目的。目前，一種被稱為導(dǎo)向馬達的鉆具正在定向井、水平井中廣泛使用。其突出優(yōu)點是: 既能轉(zhuǎn)盤穩(wěn)斜鉆直井段，又能定向造斜。即它同時兼?zhèn)湔{(diào)整井斜、方位的能力并且不用起下鉆調(diào)

10、 整鉆具。其結(jié)構(gòu)是將普通泥漿馬達上外殼做成異向雙彎形式，同時在其本身帶扶正器。5.3 地層因素對井眼軌跡的影響 井眼軌跡是通過鉆頭與地層的相互作用形成的。很明顯，同一套鉆具組合在不同的地層表現(xiàn)出的性能是不一樣的， 或者說軌跡方位和井斜的變化率是不一樣的， 這是由于不同的地層 因素的影響。地層因 素影響可以歸到地層力上。 目前，對地層力的定量分析，還很不理想。對地層因素對井眼軌跡影響的認識，還只是 定性階段或 半定量階段。 由于地下情況異常復(fù)雜， 地層力的分析目前暫局限于具有一定規(guī)律性 的地層， 其目的在 于確定出地層反作用在鉆頭上的側(cè)向力。 在定量分析中至少應(yīng)考慮以下一些 影響因素： 地層傾角

11、； 地層各向異性； 井眼方位與地層上傾方位之間的夾角； 鉆壓； 井斜角。 此外，轉(zhuǎn)速、鉆頭類型等也對地層力發(fā)生影響。 結(jié)合地層力分析和鉆具三維力學(xué)分析， 通過側(cè)向切削模型和軸向鉆速模型， 確定三維分位 移，從而 預(yù)測井眼軌跡。這是理論上軌跡預(yù)測的總體思路?？碧皆旱奶K義腦博士在這方面做了 一些研究， 但預(yù)測 結(jié)果只是動力鉆具造斜局部。 而最關(guān)鍵的轉(zhuǎn)盤鉆具組合的軌跡預(yù)測以及如何 利用和控制地層因素影響等 方面的工作還有待下一步進行。 下面就地層因素的幾個方面說明它 們對井眼軌跡的影響。 通過軟、硬交錯的地層，通常鉆頭傾向于垂直地層層面鉆進； 如果層狀地層傾角大于 45 °，通常鉆頭傾向與地層層面鉆進； 如果預(yù)計鉆進方向同于地層上傾方向，方位將按鉆頭自然漂移趨勢漂移，而井斜將增 加很快；如 果預(yù)計鉆進方向在地層上傾方向的左邊，鉆頭將向右漂移；如果預(yù)計鉆進方向在地 層上傾方向的右邊，鉆 頭將向左漂移。 一般來說， 上部地層傾角不大， 比擬疏松， 方位漂移不大； 而下部地層有一定傾角， 且結(jié)構(gòu)致密， 方位漂移較大。鉆頭鉆遇礫石層，方位漂移較嚴重。總而言之，對地層因素對