井眼軌跡設(shè)計(jì)與控制課件

1、 井眼軌跡設(shè)計(jì)與控制(Well Path Design & Control )概述一、定向鉆井1.定義定向鉆井是使井眼沿預(yù)先設(shè)計(jì)的井眼軸線（井眼軌跡）鉆達(dá)預(yù)定目標(biāo)的鉆井過程。概述2.特點(diǎn)(與直井區(qū)別):設(shè)計(jì)一條通往目的層的最佳軌跡.井斜角大、水平位移大、井眼曲率大.工藝技術(shù)特殊,需專門井下工具，鉆壓損失大、扭矩大，需經(jīng)常測斜（一般一根單根測一次）、定向（指用井底動力鉆具鉆進(jìn)），頻繁起下鉆.鉆具事故可能性大,例如:井斜角大易粘卡鉆,井眼曲率大易鍵槽卡鉆和鉆具易疲勞破壞.一、定向鉆井概述3.發(fā)展簡史18971920，頓鉆+斜向器.19201940，轉(zhuǎn)盤鉆+斜向器.19401960，井下動力鉆具.1

2、960 ，轉(zhuǎn)盤鉆+穩(wěn)定器或井下動力鉆具+穩(wěn)定器.一、定向鉆井在坑道挖掘中也常用概述二、定向井的引入2、世界上 第一口真正有記錄的定向井是 1932年美國人在加利福尼亞亨延灘油田完成，當(dāng)時(shí)淺海灘下油田的開發(fā)是在先搭的棧橋上豎井架鉆井。美國一位有創(chuàng)新精神的鉆井承包商改變了選種做法，他在陸地上豎井架，使井眼延伸到海床下，開創(chuàng)了鉆井新紀(jì)元。1、 定向井引入石油鉆井在19世紀(jì)后期,當(dāng)時(shí)的定向井是在落魚周圍側(cè)鉆。概述5、我國的第一口定向井是1955年在玉門油田鉆成，井號為C215井。1965年在四川油田鉆成了我國第一口水平井，磨三井，水平延伸160m，是繼美、蘇之后第三個(gè)鉆成水平井的國家。6、四川油田的草

3、16井，1987年鉆成，是一口過長江定向井。7、勝利油田的河50叢式井組，1988年完成，一個(gè)陸地平臺鉆成35口定向井。概述8、1997年南海東部西江項(xiàng)目打成水平位移8000米的大位移定向井，當(dāng)時(shí)世界最深。9、1998年渤海公司 QK17-2地區(qū)4口大位移井。概述三、定向井的應(yīng)用范圍1、地面條件限制油田所處地面不利于或不允許設(shè)置井場鉆井或搬家安裝受到極大障礙。如：1）英國的北海油田 2）中國的塔里木油田 3）前蘇聯(lián)西伯利亞油田的開發(fā)概述2、地下地質(zhì)條件要求:增產(chǎn)由于地質(zhì)構(gòu)造特點(diǎn)，定向井能更有利于發(fā)現(xiàn)油藏、增加開發(fā)速度。 概述1）勝利油田辛7411井,屬多目標(biāo)井,該井穿了四個(gè)油層，相當(dāng)于4口直井

4、的經(jīng)濟(jì)效益.2）磨3井（四川磨溪構(gòu)造），薄油層，總深度1685m，油層內(nèi)延伸160m，初產(chǎn)產(chǎn)量比直井高10倍.3）前蘇聯(lián)依申拜油區(qū)66 / 45井,屬水平多底井,有八個(gè)分枝井底，產(chǎn)量增加10倍.概述3、海上生產(chǎn)集輸需要概述 4、鉆井技術(shù)的需要需用定向井來處理井下復(fù)雜情況或易斜地層的鉆井1）新疆柯3井，井噴失控著火，幾年后請美國人來鉆定向救援井。2）我國自行設(shè)計(jì)、施工的數(shù)口成功的定向救援井：濮2151井（中原油田）、永59井（勝利）、南21井（青海）。均成功地制服了井噴失控事故。3）側(cè)鉆定向井已為一般鉆井公司所掌握。4）川東鉆探公司高陡構(gòu)造區(qū)塊移動地面井位的鉆井技術(shù)。5）江漢油田易斜區(qū)塊的定向井

5、開發(fā)。概述定向井的鉆井過程與涉及的內(nèi)容1、設(shè)計(jì)軌跡、鉆具組合，制定施工措施。要求進(jìn)行軌跡設(shè)計(jì)、鉆具設(shè)計(jì)（造斜、穩(wěn)斜與減斜鉆具)。2、直井眼鉆進(jìn)（保直）。3、定向造斜的工作內(nèi)容造斜工具選擇, 安置的確定,擺工具面.4、軌跡控制的工作內(nèi)容測斜、實(shí)鉆井眼位置計(jì)算、鉆具組合調(diào)整計(jì)算、校正井眼設(shè)計(jì)。5 、儀器的選擇和使用.概述計(jì)算：（計(jì)算機(jī)技術(shù)） 軌跡設(shè)計(jì)、鉆具設(shè)計(jì)、軌跡預(yù)測、定向參數(shù)。從井口到目的點(diǎn)，要有不同的井段連接，有增斜與降斜要求，而造斜能力受工具和工藝水平的限制，同時(shí)還應(yīng)考慮如何安全鉆進(jìn)。故必須設(shè)計(jì)井眼軌跡。工具：造斜（增、降、穩(wěn)斜）工具、扭方位工具。儀器：測斜儀。施工經(jīng)驗(yàn):對垂深的不確定和工

6、具能力的認(rèn)識;事故的預(yù)防.六、定向鉆井涉及的關(guān)鍵技術(shù)概述大斜度定向井水平井叢式井側(cè)鉆水平井大位移定向井多底井分支井魚骨井七、目前國內(nèi)外定向井發(fā)展趨勢常規(guī)定向井(井下工具的發(fā)展提高了工藝水平;油藏開發(fā)的需求,推動工藝的更新)第一節(jié) 定向井的基本概念第一節(jié) 定向井的基本概念一、定向井的基本要素NOO測深 井口至測點(diǎn)處的井眼實(shí)長，米。井斜角 測點(diǎn)處井眼切線 與重力線間的夾角，度。第一節(jié) 定向井的基本概念一、定向井的基本要素NOO井斜變化率 井斜角對井深的變化率，度/30米垂深測點(diǎn)的垂直深度，米第一節(jié) 定向井的基本概念一、定向井的基本要素NOO方位角 測點(diǎn)處正北方向至井眼方向線在水平面投影線間夾角，度

7、(另叫井斜方位角.用N偏W等表示其值小于90度)方位變化率 方位角對井深的變化率，度/30米第一節(jié) 定向井的基本概念水平位移測點(diǎn)至井口所在的鉛垂線的距離，米.閉 合 距井底的水平位移，米(最后一個(gè)點(diǎn)的水平位移)閉合方位角在水平投影圖上正北方向與閉合距線間的夾角，度NEABOT第一節(jié) 定向井的基本概念視 平 移測點(diǎn)水平位移在設(shè)計(jì)方位線上的投影，米NEABON坐標(biāo)、E坐標(biāo)和H坐標(biāo)(垂深)測點(diǎn)在以井口為原點(diǎn)的NEHO三維坐標(biāo)系里的北（N）、東（E）、垂深（H）三個(gè)坐標(biāo)分量，米。第一節(jié) 定向井的基本概念高邊:定向井的井底是傾斜的圓,圓的最高點(diǎn)成為高邊.高邊工具面:以高邊為始邊順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的角度.磁性工具

8、面:在井斜小于5度時(shí),等于高邊工具面+井底方位角.磁偏角:在某地磁北極方向線和地理北極方位線之間的夾角,測量方法:以地理北極方位線為始邊以磁北極方向線為終邊,順時(shí)針為正逆時(shí)針為負(fù).沒有含磁偏角的方位叫磁方位(一般儀器測的方位),含的叫真方位也叫修正方位.第一節(jié) 定向井的基本概念安置角:動力鉆具沒有啟動時(shí)所擺的工具面角.裝置角:定向所用的工具面角.第一節(jié) 定向井的基本概念二、井眼曲率及其計(jì)算方法1.定義：井眼的曲率K：井眼切線的傾角r對于井深的變化率K表示曲線偏離直線的程度。NOr1r2L第一節(jié) 定向井的基本概念二、井眼曲率及其計(jì)算方法1.定義對方位不變的情況OBAlR即只有井斜沿軸線的變化，R

9、為曲率半徑。也叫井斜變化率。AB第一節(jié) 定向井的基本概念三、狗腿(Dog-leg)度概念鉆進(jìn)一定長度（30米）的井眼角度（空間全角）變化。在前面的井眼曲率計(jì)算式中，若用代入上式可得用該式可先求出狗腿角，再用求出曲率K。注意：狗腿嚴(yán)重度、井眼曲率、全角變化率都是相同的意義第二節(jié) 定向井井身剖面設(shè)計(jì)1、定向井的目的救援：目標(biāo)層位、靶區(qū)半徑、簡單（快速、經(jīng)濟(jì)）2.繞開地面的障礙一. 定向井的作用3.落魚側(cè)鉆：避開落魚、一定水平位移4.增產(chǎn)、提高采收率：按開發(fā)井網(wǎng)布置要求5.海上輸油的需要正確選擇造斜點(diǎn)、井眼曲率、和最大井斜角原則：上述參數(shù)的選擇應(yīng)有利于采油、修井作業(yè)和鉆井施工。二.設(shè)計(jì)要注意的問題（

10、1）造斜點(diǎn)的選擇原則：選在比較穩(wěn)定、均勻的地層盡量在方位漂移不大的地層造斜應(yīng)考慮垂深、水平位移、與最大井斜的要求，造斜點(diǎn)高則水平位移大，井斜小、低則相反。設(shè)計(jì)要注意的問題（2）最大井斜角：45o測井、完井施工難度大、扭方位困難、扭矩大、井壁不穩(wěn)一般15o45o。設(shè)計(jì)要注意的問題設(shè)計(jì)要注意的問題（3）井眼曲率井眼曲率變化的影響：過?。涸煨本芜^長，增加軌跡控制工作量過大：造成鉆具偏磨、摩阻過大、鍵槽、其它井下作業(yè)（如測井、固井、射孔、采油等）的困難?？刂圃瓌t：定向井中應(yīng)控制其最大值 5o-12o/30m，最大不超過16o/30m?？紤]因素：a保證井下動力鉆具順利通過的井眼曲率（動力鉆具剛度較大不

11、允許彎曲而保持直線狀態(tài)）設(shè)計(jì)要注意的問題通過簡單的幾何分析，并作一些近似處理有曲率半徑設(shè)計(jì)時(shí)需：b、套管允許彎曲應(yīng)力對井眼曲率的限制套管尺寸較大，彎曲后最容易出現(xiàn)的破壞是絲扣滑脫或破壞，通過數(shù)學(xué)力學(xué)分析并考慮絲扣處應(yīng)力集中得到下式:設(shè)計(jì)要注意的問題1、剖面設(shè)計(jì)應(yīng)有利于安全、快速鉆進(jìn)，降低鉆井成本 在滿足鉆井目的前提下，盡量選用比較簡單的剖面類型； 盡量利用地層自然造斜規(guī)律； 盡量利用擁有的造斜工具造斜能力； 盡量使井身軌跡短，盡可能保持較長的直井段。三. 定向井設(shè)計(jì)的優(yōu)化1、常規(guī)二維剖面二維定向井剖面指設(shè)計(jì)井眼軸線僅在設(shè)計(jì)方位線所在鉛垂平面上變化的定向井剖面。四. 常見的井身剖面特點(diǎn)：造斜點(diǎn)較

12、淺（可減少最大井斜角）使用范圍：靶點(diǎn)較淺、水平位移較大時(shí)常采用。 因造斜段完成后井斜角和方位角變化不大，軌跡控制容易，一般井斜角為15o-55o。四. 常見的井身剖面OAB1.1 直、增、穩(wěn)三段制剖面最常用和最簡單的井身剖面。應(yīng)用范圍： 常用于靶點(diǎn)較深，水平位移較小的定向井、多目標(biāo)井等。特點(diǎn)： 難度較三段制剖面大，主要原因是有降斜段。降斜段會增大扭矩、摩阻四. 常見的井身剖面OABCD1.2 直、增、穩(wěn)、降、穩(wěn)五段制剖面2、特殊二維剖面為了減少摩阻,大位移井常用懸線剖面拋物線剖面四. 常見的井身剖面O主要計(jì)算方法（腳標(biāo)1表示上測點(diǎn)、角標(biāo)2表示下測點(diǎn)）1、平均角法 此法認(rèn)為：兩測點(diǎn)間的測段為一直

13、線，該直線的方向?yàn)樯?、下二測點(diǎn)處井眼方向的“平均方向”。已知：1、1、2、2、L五.實(shí)際井眼的計(jì)算12122、平衡正切法不準(zhǔn)確，目前少采用五.實(shí)際井眼的計(jì)算3、最小曲率法該法假設(shè)：兩測點(diǎn)間的井段是空間某一平面上的園弧，園弧在兩端點(diǎn)處與上、下二測點(diǎn)處的井眼方向線相切。五.實(shí)際井眼的計(jì)算ABM4、園柱螺線法（曲率半徑法）假設(shè)： 兩測點(diǎn)間的井段是一條等變螺旋角（d/dL=常數(shù)）的園柱螺線，螺線在兩端點(diǎn)處與上、下二測點(diǎn)處的井眼方向相切。園柱螺線的水平投影圖是園弧。園柱螺線的垂直剖面圖是園弧。五.實(shí)際井眼的計(jì)算 井眼軌跡控制是定向井的關(guān)鍵技術(shù),它是實(shí)鉆井眼沿著預(yù)先設(shè)計(jì)的軌跡鉆達(dá)目標(biāo)靶區(qū)的綜合技術(shù).包括:

14、優(yōu)化鉆具組合、優(yōu)選鉆井參數(shù)、隨鉆測量、軌跡預(yù)測、計(jì)算機(jī)技術(shù) 、利用地層影響的自然規(guī)律、先進(jìn)儀器和工具的使用等.貫穿直井段、造斜段 、增斜段 、穩(wěn)斜段 、降斜段 、 扭方位等井段的控制過程. 六. 軌跡控制六. 軌跡控制1、影響造斜率的因素地層鉆頭側(cè)向力的大小Pz（1）彎接頭的彎曲角1越大，造斜力越大（2）動力鉆具越短側(cè)向力越大VcVtVEJz:剛度LT渦輪鉆具長度1接頭彎角井斜角地層異向應(yīng)力的影響構(gòu)造的走向設(shè)計(jì)方位和構(gòu)造的走向之間的夾角,當(dāng)75和小于15 時(shí)基本沿構(gòu)造的走向漂移.交界面的處理.(軟到硬打轉(zhuǎn)轉(zhuǎn),硬到軟快速鉆)鉆壓和轉(zhuǎn)數(shù)的調(diào)整.六. 軌跡控制六. 軌跡控制轉(zhuǎn)盤鉆影響造斜率的因素 由

15、強(qiáng)到弱的順序a.扶正器的位置和個(gè)數(shù);b.扶正器的直徑;c.原井眼的曲率變化;d.井底井斜角;e.鉆壓;f.鉆具的剛性;g.轉(zhuǎn)速;h.扶正器的形狀.六. 軌跡控制變化對方位和井斜的影響規(guī)律=270=180=0=90增方位降井斜增方位增井斜增斜降方位降斜降方位六. 軌跡控制定向的方法1.)單點(diǎn)定向或地面定向 地面要做標(biāo)記 鉆具要做標(biāo)記 8度以上,方位合適可改用轉(zhuǎn)盤增斜2)有線隨鉆測斜儀定向3)無線隨鉆測斜儀(MWD)定向4)陀螺定向 有磁干擾時(shí)采用,如叢式井、套管開窗側(cè)鉆等六. 軌跡控制施工要求 1)馬達(dá)下井前,井眼要保證暢通; 2)馬達(dá)下井前不接鉆頭試運(yùn)轉(zhuǎn),觀察旁通閥的密封情況、螺桿壓降、驅(qū)動頭運(yùn)轉(zhuǎn)情況; 3)鉆具扣要上緊; 4)不能轉(zhuǎn)盤卸扣; 5)不能在一處長時(shí)間循環(huán),防劃出臺階. 6)測量螺桿周向和軸向的間隙,在規(guī)定的范圍內(nèi). (判斷萬向軸和軸承的磨損情況)六. 軌跡控制結(jié)論要改變方位最好在小井斜（1）時(shí)進(jìn)行、相同的在小井斜時(shí)僅需一小段，在大斜度段要鉆