定向井水平井鉆井技術(shù)概述

1、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試發(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

2、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年在英國北海的RytchFarm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

3、成的的33/9C2達(dá)到了1:3.14;叢式井口數(shù)最多，海上平臺：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)展可以分為三個階段，5060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

4、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384米，寬115米，該叢式井平臺共有鉆定向井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型：f普通定向井多目標(biāo)定向井叢式定向井救援定向井水平井多分枝井（多底井）國外定向井發(fā)展簡況（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18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

5、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)盤鉆使用效率更高的螺桿動力鉆具，專用工具的定型配套渦輪、螺桿動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)合式動力鉆具，導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)，長壽命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)照相測斜儀有線隨鉆測斜儀投入工業(yè)性使用，無線隨鉆測斜儀研制成功多種無線隨鉆測斜系統(tǒng)投入工業(yè)使用和發(fā)展

6、了電子測量系統(tǒng)和陀螺測量系統(tǒng)發(fā)展成熟帶地質(zhì)參數(shù)的無線隨鉆測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）年內(nèi)谷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

7、析計(jì)算方法，例如：平衡梁法、加權(quán)余量法等，并編制了計(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（鉆桿打鋼印）。數(shù)據(jù)測量使用電測井?dāng)?shù)據(jù)。使用精度高的磁性單多點(diǎn)測斜儀進(jìn)行定向和軌跡數(shù)據(jù)測量，發(fā)展了有線隨鉆測斜儀定向。發(fā)展了導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)初步研制出徑向水平井造斜工藝測量方式氫氟酸測斜儀，機(jī)械式羅盤的電測井方法。多種引進(jìn)的有線隨鉆測斜系統(tǒng)投入工業(yè)使用和發(fā)展了電子測量系統(tǒng)及陀螺測量系統(tǒng)發(fā)展了無線隨鉆測斜系統(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、水平井也從大半徑

8、水平并發(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、中、短半徑水平井第二節(jié)水平井鉆井技術(shù)簡介所謂水平井，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量井眼空間位置的儀器，1888年俄國也設(shè)計(jì)出了測斜儀器；1929年，美國國加利福尼亞州鉆成了幾米長的水平分支井筒；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年蘇聯(lián)鉆成第一口水平位移；1964年1965年我國鉆成兩口水平井，磨一

9、3井、巴一24井；自來80年代以來，隨著先進(jìn)的測量儀器、長壽命馬達(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高。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)缺點(diǎn)（1）.不同曲率水平井的基本特征表井型項(xiàng)目、X長半徑水平井中半徑水平井短半徑水平井造斜率<6°/30米6°

10、;20°/30米150°300°/30米曲率半徑304914米29187米126米井眼尺寸無限制121/4"-43/4”61/4"-43/4”鉆井方式轉(zhuǎn)盤鉆或?qū)蜚@井系統(tǒng)造斜段：特種馬達(dá)或?qū)蜚@井系統(tǒng)水平段：轉(zhuǎn)盤鉆井或?qū)蜚@井系統(tǒng)以使用特種工具的轉(zhuǎn)盤鉆進(jìn)為主，目前也使用特種馬達(dá)方式鉆桿常規(guī)鉆桿>15°/100米使用抗壓鉆桿較接驅(qū)動鉆桿測量工具無限制有線隨鉆測斜儀，MWD但井眼<61/8時不能使用轉(zhuǎn)盤鉆井時使用多點(diǎn)測斜儀馬達(dá)鉆井時使用有線隨鉆測斜儀地面設(shè)備常規(guī)鉆機(jī)常規(guī)鉆機(jī)需要配備頂部驅(qū)動系統(tǒng)或動力水龍頭完井方式無限制無限制裸

11、眼或割縫管（2）.長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（可以>1000米）1.井眼軌道控制段最長2.使用標(biāo)準(zhǔn)的鉆具及套管2.全井斜深增加最多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5.可使用多種完井方法5.不適合薄油層和淺油層6.可米用多種舉升米油工藝6.轉(zhuǎn)盤扭矩較大7.測井及取芯方便7.套管用量最大8.井眼及工具尺寸不受限制8.穿過油層長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)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)1.進(jìn)入油層時無效井段較短1.要求使用MWD測量系統(tǒng)2.使用的井卜.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.使用動力鉆具或?qū)?/p>

12、向鉆井系統(tǒng)4.離構(gòu)造控制點(diǎn)較近5.可使用常規(guī)的套購及完井方法6.井下扭矩及阻力較小7.較高及較穩(wěn)定的造率8.井眼軌跡控制井段較短9.穿透油層段較長（1000米）10.井眼尺寸不受限制11.可以測井及取芯12.從一nW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)點(diǎn)缺點(diǎn)1.井眼曲線段最短1.非常規(guī)的井卜，具2.側(cè)鉆容易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nW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.起下鉆次數(shù)多6.可附于淺油層6.要求使用頂部驅(qū)動系或動力水龍頭7.全井斜深最小7.井眼方

13、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)行電測第三節(jié)4?定向井的基本術(shù)語解釋1）井深：指井口（轉(zhuǎn)盤面）至測點(diǎn)的井眼實(shí)際長度，人們常稱為斜深。國外稱為測量深度（MeasureDepth）。）測深：測點(diǎn)的井深，是以測量裝置（AngleUnit）的中點(diǎn)所在井深為準(zhǔn)。3）井斜角：該測點(diǎn)處的井眼方向線與重力線之間的夾角（見圖1.2）。？井斜角常以希臘字母a表示，單位為度。）井斜方位角：是指以正比方位線為始邊，順時針旋轉(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)際應(yīng)用過程中常常簡稱為方位角。？B真北方位線東磁偏角西磁偏角圖1.1磁偏角示意圖）磁方位角：磁

14、力測斜儀測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。井口圖1.2井斜角示意圖圖1.3井斜方位角示意圖6）稱為磁偏角。稱為東偏角；下公式計(jì)算:磁偏角：磁北方位線與真北方位線并不重合，兩者之間有一個夾角，這個夾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，當(dāng)磁北方位線在正北方位線以西時稱為西偏磁偏角o?進(jìn)行磁偏角校正時按以真方位角=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K”表示，湘確的講井斜變化率是井斜角度（da）對井深（L?）的一階導(dǎo)數(shù)。Ka=dL井斜變化率的單位常以每100米度表示。?是指井斜方位角

15、隨井深變化的快慢程8）井深方位變化率：實(shí)際應(yīng)用中簡稱方位變化率,度，常用K表示。計(jì)算公式如下：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)：從井眼內(nèi)的一個點(diǎn)到另一個點(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。？兩點(diǎn)間的全角變化值丫相對與兩點(diǎn)間井眼長度AL變化的快慢及為全角變化率。用化式表達(dá)如下：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

16、公式：對于一個測點(diǎn)：K=SQR(Ka2+K2sin2a)對于一個測段：K=SQR(Aa/AL)2+(A/AL)2SIN2ac)第一套公式的圖解法(參見圖1.4):(1) .作水平射線OA(2) .作/BOA=ac(兩測點(diǎn)平均角)；(3) .以一定長度代表單位角度，量OB=A(兩測點(diǎn)方位角差)；(4) .自B點(diǎn)向OA作垂線，垂足為C點(diǎn)；(5) .按步驟中的比例，量CA=Aa;(6) .連接AB,并量AB長度，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)場使用少略)第三套公式：丫=SQR(a1+2222a1a2COSX)B0Aa2al圖1.5第三套公式的圖解法第三套

17、公式圖解法（參見圖1.5）:（1） .選取一定比例，經(jīng)一定長度代表單位角度，作線段OA使其長度代表“1;（2） .作O哦段，使/BOA=A；（3） .按步驟（1）的比例，量OB=a2;（4） .連接A、B,并量鄧AB的長度，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。11）水平投影長度：是指自井口至測點(diǎn)的井眼長度在水平面上的投影長度。以S?表示。12）水平位移：簡稱平移，是指測點(diǎn)到井口垂線的距離。在國外又稱為閉合距（ClosureDistance）。13）平移方位角：又稱為閉合方位角（ClosureAzi

18、muth）,常用。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：在斜井段用一個垂直于井眼軸線的平面于井眼（這時的井眼不能理解為一條線，而是一個具有一定直徑的圓）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方向的平面。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

19、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：在用井底動力鉆具鉆進(jìn)時，都存在一個與鉆頭轉(zhuǎn)動方向相反的扭矩，該扭矩被稱為反扭矩。21）反扭角：使用井底動力鉆具鉆進(jìn)時，都存在一個與鉆頭轉(zhuǎn)動方向相反的扭矩，由于該扭矩的作用，使得井底鉆具外殼向逆時針方向轉(zhuǎn)動一個角度，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：水平井段控制油層的底部24）設(shè)計(jì)入口角度：進(jìn)入儲層頂部的井斜角度25）著陸點(diǎn)：井眼軌跡中井斜角達(dá)到90。的點(diǎn)26）入口窗口高度：入靶點(diǎn)垂直方向上下誤差之和27）入口窗口寬度：入

20、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）單彎動力鉆具：動力鉆具殼體上具有一個彎曲角度的動力鉆具，特點(diǎn)是造斜率較彎接頭組合高，鉆頭偏移較小32）雙彎動力鉆具：同向雙彎，動力鉆具殼體上具有兩個彎曲方向相同的彎曲角度的動力鉆具，具有比單彎動力鉆具更高的造斜率33）DTU動力鉆具（異向雙彎）：動力鉆具殼體上具有兩個彎曲方向相反的彎曲角度的動力鉆具，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：常用單彎動力鉆具、雙彎動力鉆具、DTU（異向雙彎）造斜率表。第四節(jié)定向井、水平井基本施工步驟簡介）定向井井位的確定井位坐標(biāo)要求：基本數(shù)同一