定向井水平井钻井技术

定向井水平井钻井技术内容摘要：

76。 ／ 30 米。 （三）选择合适的造斜井段长度 造斜井段长度的选择，影响着整个工程的工期进度，也影响着动力钻具的有效使用。 若造斜井段过长，一方面由于动力钻具的机械钻 速偏低，使施工周期加长，另一方面由于长井段使用动力钻具，必然造成钻井成本的上升。 所以，过长的造斜井段是不可取的。 定向井水平井钻井技术 第 21 页 共 76 页 若造斜井段过短，则可能要求很高的造斜率。 了方面造斜工具的能力限制，不易实现，另一方面过高的造斜率给井下安全带来了不利因素。 所以，过短的造斜井段也是不可取的。 因此，应结合钻头、动力马达的使用寿命限制，选择出合适的造斜段长，一方面能达到要求的井斜角，另一方面能充分利用单只钻头和动力马达的有效寿命。 （四）选择合适的造斜点 造斜点的选择，应充分考虑地层稳定性、可钻的限制。 尽可能把造斜点选择在比较 稳定、均匀的硬地层，避开软硬夹层、岩石破碎带、漏失地层、流沙层、易膨胀或易坍塌的地段，以免出现井下复杂情况，影响定向施工。 造斜点的深度应根据设计井的垂深、水平位移和选用的轨道类型来决定。 并要考虑满足采油工艺的需求。 应充分考虑井身结构的要求，以及设计垂深和位移的限制，选择合理的造斜点位置。 （五）选择合适的稳斜段井斜角和入靶井斜角 井斜角的大小，直接影响了轨迹的控制。 井斜角太小时，方位不好控制。 而井斜角太大时，施工难度却又增加。 因此，稳斜段井斜角和入靶井斜角的选择，应充分满足轨迹控制的需要。 另外，它对方 位控制、电测、钻速都有明显的影响。 一般来讲，井斜角的大小与轨迹控制的难度有下面的关系： 1．井斜角小于 15176。 时，方位难以控制； 定向井水平井钻井技术 第 22 页 共 76 页 2．井斜角在 15176。 一 40176。 时，既能有效地调整井斜角和方位，也能顺利地钻井、固井和电测。 是较理想的井斜角控制范围； 3．井斜角在 40176。 一 50176。 时，钻进速度慢，方位调整困难； 4．井斜角大于 60176。 ，电测、完井作业施工的难度很大，易发生井壁垮塌。 举例：双增轨道计算 与单增类似，两个矢量的连接需要两个圆弧和一条直线段。 图 2— 2— 13 双增轨道设计几何图 由图 2— 2— 13 看出： 当α AB为 A 点的井斜 定向井水平井钻井技术 第 23 页 共 76 页 则得： （ 2— 53） 当α AB＝ 90176。 R2＝ C21/A21 （ 2— 54） 三段增斜 图 2— 2— 14 三增轨道设计几何图 由图 2— 2— 14 看出 定向井水平井钻井技术 第 24 页 共 76 页 定义： 得： α AB＝ 90176。 定义： 得： R3=A21/B21 （ 2— 57） SZ=（ A11— B11） R3 （ 2— 58） 第三节 定向井测斜数据处理 实际钻出的定向井的井眼轨迹是一条空间曲线，为了了解这条空间曲线的形状，需要进行井斜角和方位角的测量。 由于测斜不能连续进行，只能按一定的间距一个点一个点地进行测量。 因此需要采用一定向井水平井钻井技术 第 25 页 共 76 页 种计算方法进行数学拟合，来求得一条连续的空间曲线。 到目前为止，由于两测点之间轨迹形状的多变性，我们还无法知道测段真实的形状。 因此只好依靠假设，如：直线、折线或各种曲线来拟合。 现有的定向井轨迹计算方法有二十余种，如：正切法、平均角法、平衡正切法、圆柱 螺线法、最小曲率法和校正平均角法等等。 平均角法 平均角法又称平均法。 此法认为两测点间的测段为一直线，该直线的方向为上下两测点处井眼方向的“和方向”。 图 2— 3— 2 平均角法几何图 计算公式如下： 平衡正切法 定向井水平井钻井技术 第 26 页 共 76 页 平衡正切法假定两测点间的井段为两段各等于测段长度一半的直线构成的折线。 它们的方向分别与上下两测点处的井眼方向一致。 如图所示 图 2— 3— 3 平衡正切法网几何图 计算公式如下： 圆柱螺线法（曲率半径法） 圆柱螺线法假设两测点间的测段是一条等变螺旋角的圆柱螺线。 螺线在两端点处与上下两测点处的井眼方向相切。 圆柱螺线的水平投影是圆弧，垂直投影也是圆弧。 它是以曲线法为基本假设的一种。 其计算精度较直线法或折线法高。 圆柱螺线法与国外的“曲率半径法”假设条件基本一致，因此在定向井水平井钻井技术 第 27 页 共 76 页 国外也叫做“曲率半径法”。 图 2— 3— 4 圆柱螺线法几何图 计算公式如下： 最小曲率法 最小曲率法假设两测点之间的井段是一段空间平面上的圆弧，圆弧在两端点处与上下两测点处的井眼方向线相切。 定向井水平井钻井技术 第 28 页 共 76 页 图 2— 3— 5 最小曲率法几何图 计算公式如下： 由于圆柱螺线法和最小曲率法是以曲线假设为依据的 ，其精度相对来说较准确。 在计算机以普及的今天，这是两种使用最广泛的方法。 几种计算方法的精度比较如下： 定向井水平井钻井技术 第 29 页 共 76 页 第四节 丛式井的防碰计算 对于丛式井，特别是密集的丛式井，由于设计轨道与设计轨道、设计轨道与实钻轨迹，实钻轨迹与实钻轨迹之间的距离很近，因此，不论是在设计时的防碰考虑不周，还是在实钻时的防碰控制不及时，都有可能导致最后的正钻井与邻井的轨迹相碰，从而造成严重的工程事故。 因此，丛式井防碰是一个非常关键的技术问题。 图 2— 4— 1 防碰井眼示意图 如图 2— 4— 1 所示，要想防止正钻井与邻井轨迹相碰，就需要找到一种有效的分析计算方法，计算出两井在不同井深时的相对距离。 并对其相对的发展趋势作出准确的预测，方能防碰于未然。 一、计算方法 目前常用的丛式井防碰分析计算方法有三种。 即水平面扫描法、法面扫描法和最小距离扫描法。 （一）水平面扫描法 定向井水平井钻井技术 第 30 页 共 76 页 水平面扫描法计算的是扫描井与相关邻井之间在同一垂深截面上的相互位置关系。 图 2— 4— 2 水平面扫描法示意图 如图 2— 3— 2 所示，在扫描井轨迹上任一井段按需要的精度间距，截取许多水平截面，求相关邻井与此水平面的截点座标。 然后在各个水平截面上以扫描点为圆心，作极座标图，在图上对扫描点与邻井同一垂深点的相互距离和方位进行分析的方法称水平面扫描法。 （二）法面扫描法 如图 2— 4— 3 所示，法面扫描是以扫描井轨迹上任一扫描点，作一垂直子井眼轨迹轴线的平面（即法面），然后计算该平面与周围相关邻井井眼轨迹在三维空间中的截点座标，截点到扫描点的相对距离和相对方向，即是扫描井在这一扫描点上与周围相关邻井在法面上的相互关系。 以扫描点为圆 心所绘制出的即是法面扫描图。 定向井水平井钻井技术 第 31 页 共 76 页 法面扫描从另一个角度反映了扫描井与周围相关邻井的相互关系。 法面扫描得到的距离，是周围相关邻井到扫描井的径向距离，而方向却是反映了相对扫描井来说：上、下、左、右的关系。 （三）最小距离扫描原理及公式 如图 2— 4— 4 所示，用法面扫描方法和平面扫描方法，计算出的与周围相关邻井的距离，不一定是最小距离。 图 2— 4— 4 最小井距扫描示意图 最小距离法计算出的是邻井轨迹的空 间最近距离。 二、具体应用 这三种方法以不同的方式求解井与井之间的距离。 它们各有定向井水平井钻井技术 第 32 页 共 76 页 所长。 l、直井防碰用水平面扫描法 在直井段或井斜较小的情况下，水平扫描可很清楚地看出各井眼轨迹之间的距离，若是对一口井直进行扫描，则用扫描结果所作的扫描．图，与丛式井水平投影图一样。 斜井的防碰用法面法和最小距离法 在井斜角较大时，对于同方向井，用法面扫描法，对于异方向的井，用水平面扫描法。 这是因为，在对同方向井扫描时，法面法计算出钓井距，通常比平面法计算出的井距小，而在对异方向井扫描时，平面法计算出的井距，通常比法面法计 算出的井距小。 如图 2 一 4— 5 所示。 图 2— 4— 5 法面法和最小井距法 法面法的进一步应用： 法面扫描在计算井距的同时。 还有一个功能。 就是能计算出扫描井与邻井的相对方向。 这个相对方向也可以得到一张扫描图。 这张图揭示了两口井的相对发展趋势。 如图所示，在方向图中，垂直中线代表邻井轨迹相对与正钻井左右变化的分界线。 水平中线代表邻井轨迹相对与正钻井上下变化的分界线。 当在某个扫描点时，方向图上的扫定向井水平井钻井技术 第 33 页 共 76 页 描点落在第一象限，则在井距扫描图中， 下一点的发展趋势，必然会向右上方发展。 法面扫描的这两个特点，可用在两个方面： ①应用在丛式井的防碰预测方面 丛式井的防碰扫描，是在正钻井与邻井之间进行的。 因此，在法面扫描的方向图上，显示出了两个井眼轨迹是逐渐靠拢，还是逐渐分开。 这就提示了施工人员，看是否有井眼轨迹相碰的潜在危险，以便及时作出相应的防范措施。 ②应用在单口井的轨迹控制方面 在定向井的实施过程中，总是希望实钻轨迹尽量贴近设计线走。 应用法面扫描原理，把实钻井眼作为正钻井，把设计轨道作为邻井来进行扫描，就能及时发现正钻井轨迹是否有偏离设计线的趋势。 由此，就可作出是否采取措施进行调整。 定向井水平井钻井技术 第 34 页 共 76 页 第三章 定向井、水平井井身轨迹控制技术 第一节 定向井、水平井井眼轨迹控制理论 无论是定向井，还是水平井，控制井眼轨迹的最终目的都是要按设计要求中靶。 但因水平井的井身剖面特点、目的层靶区的要求等与普通定向井和多目标井不同，在井眼轨迹控制方面具有许多与定向井、多目标井不同的新概念，需要建立一套新的概念和理论体系来作为水平井井眼轨迹控制的理论依据和指导思想。 我们在长、中半径水平井的井眼轨迹控制模式的形成和验证过程中，针对不断出现的轨迹控制问题，建立了适 应于水平井轨迹控制特点的几个新概念。 一、中靶概念 地质给出的水平井靶区通常是一个在目的层内以设计的水平井眼轨道为轴线的柱状靶，其横截面多为矩形或圆。 我们可以定向井水平井钻井技术 第 35 页 共 76 页 把这个柱状靶看成是由无数个相互平行的法面平面组成，因此，控制水平井井眼轨迹中靶，与普通定向井、多目标井是个截然不同的新概念，主要体现是： 井眼轨迹中靶时进人的平面是一个法平面（也称目标窗口），但中靶的靶区不是一个平面，而是一个柱状体，因此，不仅要求实钻轨迹点在窗口平面的设计范围内，而且要求点的 矢量方向符合设计，使实钻轨迹点在进入目标窗口平面后的每一个点都处干靶柱所限制的范围内。 也就是说，控制水平井井眼轨迹中靶的要素是实钻轨迹在靶柱内的每一点的位置要到位（即入靶点的井斜角、方位角、垂深和位移在设计要求的范围内），也就是我们所讲的矢量中靶。 定向井水平井钻井技术 第 36 页 共 76 页 定向井水平井钻井技术 第 38 页 共 76 页 第二节定向井、水平井直井段井身轨迹控制技术 随着钻井技术的发展和钻井工具的日益完备，常规定向井轨迹控制所使用的钻具组合已经成熟，形成如图 14 所示的基本定式钻具组合： 组合一 钟摆钻具 Φ 159DC 18m Φ 159DC 9m 组合二 双扶刚 Φ 178DC 18m Φ 197 接头 Φ 178DC 9m Φ 178DC+Φ 159DC 钟摆防斜 组合三 定向造斜 Φ 165 螺杆 +定向接头 +Φ 159DC 组合四 增斜 Φ 215 双母 Φ 159DC 18m Φ 159DC 9m Φ 159DC 组合五 增斜 Φ 214 Φ 159DC 27m Φ。