定向井和水平井钻井技术

定向井和水平井钻井技术内容摘要：

摩阻和压差卡钻；然而在海上钻井，一定要避免污染问题。 （ 6）如果有异常高压井段要求钻井液密度达到 克／厘米 3 或更高，那么应考虑在钻开该高压地层前下一层保护套管，以封固所有正常压力井段。 4．造斜点的选择 造斜点的选择要适当浅些，但是在极浅的地层中造斜时，容易形成大井眼。 同时，由于地层很软，造斜完成后下入稳斜钻具时，要特别小心，以免出现新井眼，尤其是在稳斜钻具刚度大或造斜率较高时。 通常地说，浅层造斜比深层造斜容易一些，因为深层地层往往胶结良好，机械钻速低，需花费较长的造斜时间。 另外，造斜点通常选在前一层套管鞋以下 30～ 50 米处，以免损坏套管鞋，同时减少水泥掉块产生卡钻的可能性。 在深层地层造斜时，应尽量在大段砂层中造斜，因为砂层的井眼稳定，钻速较快，而页岩段较易受到冲蚀，钻速较低，而且在以后长时间钻井作业，容易在造斜段形成键槽而可能导致卡钻。 5．靶区形状和范围 靶区形状与范围通常由地质构造、产层位置决定，并考虑油田油井的分布情况，靶区大小是由作业者确定的。 通常认为，鞍区范围不能定得太小，很小的靶区范围不仅会增加作业成本，同时也会增加调整方位的次数，造成井眼轨迹不平滑，增加转盘扭矩，同时也增加产生健槽卡钻的可能性。 通常，靶区形状为圆形（严格地讲，应 该是球形）。 浅井和水平位移小的定向井，其靶区范围小一些，一般靶区半径 30～ 50 米，而深井和水平位移大的井，靶区范围可以适当地大一些，一般靶区半径为 50～ 70 米。 6．造斜率和降斜率选择 常规定向井的造斜率为 7～ 14176。 ／ 100 米，如果需要在浅层造斜并获得较大的水平位移，造斜率可提高到 14～ 16176。 ／ 100 米。 但是，浅层的高造斜率容易出现新井眼，也容易对套管产生较大的磨损。 因此，浅层造斜通常选择较低的造斜率，而深层造斜（ 1000 米～ 2020 米）可选择较高的造斜率。 对于“ S”型井眼，通常把 降斜率选在 3～ 8176。 ／ 100 米，如果降斜后仍然要钻较长的井段，则必须采用较小的降斜率平缓降斜，以避免键槽卡钻，同时，可降低钻进时的摩阻力。 7．最大井斜角 常规定向井的最大井斜角，一般在 15～ 45176。 ，如果井斜太小，则井眼的井斜和方位都较难控制。 井斜大于 60176。 时，钻具的摩阻力将大大增加。 8．允许的方位偏移与极限 （ 1）定向钻进时，初始造斜方向通常在设计方位的左边（即选定导角），然后通过自然漂移钻达靶区，井眼轨迹是一条空间曲线。 （ 2）但是对导角也有一个限制，在井眼密集的 井网中，要求定向井轨迹保持在安全圆柱内，以避免与邻井相碰。 （ 3）同样，由于油藏特性和地质地层条件，也对导角的大小有一定的限制。 9．井身剖面类型 在满足设计和工艺要求的前提下，尽可能缩短井段长度，因为井段短则钻井时间短。 在设计井身剖面形状时，要考虑井身结构，造斜点一般选在套管鞋以下 30～ 50 米处。 目前，我国海上定向井的井身剖面通常由作业者决定，往往选择“ J”型剖面。 四．剖面设计 1．设计步骤： （ l）选择剖面类型； （ 2）确定增斜率和降斜率，选择造斜点； （ 3）计算剖面上的未知参数，主要是最大井斜角； （ 4）进行井身计算，包括各井段的井斜角、水平位移、垂深和斜深； （ 5）绘制垂直剖面图和水平投影图。 井身剖面的设计方法有试算法、作图法、查图法和解析法四种。 我国海洋定向井通常采用解析法，并使用计算机完成。 剖面设计完成以后，应向作业者提供下列资料： （ 1）总体定向钻井方案和技术措施。 （ 2）剖面设计结果，包括设计条件、计算结果、垂直剖面图和水平投影图。 （ 3）测斜仪器类型和该地区的磁偏角，以及测斜计算方法； （ 4）设备和工具计划。 2．二维定向井设计（解析法） 解析法是根据给出的设计条件，应用解析公式计算出剖面上各井段的所有井身参数的井身设计方法。 在使用计算机的条件下，还可同时给出设计井身的垂直投影图和水平投影图。 解析法进行井身剖面设计所用公式如下（用于三段制 J 型、五段制 S 型和连续增斜型剖面）。 （ 1）求最大井斜角 α max。 （ 2）各井段的井身参数计算： ①增斜段 ②稳斜段 ③降斜段 ④稳斜段 ⑤总井深 L （ 3）设计计算中特殊情况的处理 ① 当 Ho2＋ So2－ 2RoSo＝ 0 时，表示该井段设有稳斜段，此时可由下面三个公式中任一个公式来求最大斜角 α max: ②当 2Ro－ So＝ 0 时，可用下式求最大井斜角α max: ③ 当 Ho2＋ So2－ 2RoSo＜ 0，说明此种剖面不存在，此时应该改变设计条件，改变造斜点深度、增斜率和降斜率或改变目标点坐标。 井身剖面设计计算结果应整理列表，并校核井身长度和各井段井身参数是否符合设计要求，还应该校核井上曲率，井身剖面最大曲率应小于动力钻具和下井套管抗弯曲强度允许的最大曲率。 目前，应用计算机程序进行井身剖面设计时，设计结果列表 和均可由打印机和绘图仪自动完成。 4． 设计方法举例 例 某定向井设计全井垂深 H=2000 米（靶点），上部地层 300 米至 350 米是流砂层，1000 米至 1050 米有一高压水层，作出井身剖面设计。 井口座标 X1： 3 246 Y1： 2 054 井底座标 X2： 3 245 Y2： 2 054 先根据井口与井底座标，计算出水平位移和目标方位。 （ 1）根据提供的地质资料，在进行剖面设计时，应设法使动力钻具造斜 的井段和增斜的井段避开流砂层和高压水层。 （ 2）对于钻井工艺及其它限制条件，在满足（ l）项条件的前提下，应选择较简单的剖面类型。 （ 3）剖面类型选用“直一增一稳”三段制井身剖面。 此种剖面简单，地面井口至目标点的井身长度短，有利于加快钻井速度。 （ 4）选择造斜点。 根据垂直井深和水平位移的关系，造斜点应选在 350 米至 600 米间。 如选在 1050 米以下，会使井斜角太大，是不合理的。 因 300 米至 350 米是流砂层，在井深结构设计时应用套管封固，以利于定向造斜，防止流砂层漏失、垮塌等复杂情况出现。 造斜点 应选在套管鞋以下不少于 50 米的地方为宜。 因此，造斜点与井口之间井眼长度不应小于 450 米。 又因 1000 米至 1050 米是高压水层，为了下部井段能顺利钻进，也应考虑下入一层中间套管封住高压水层。 为了减少井下复杂情况和有利于定向井井眼轨迹控制，在进行套管设计时，应避免套管鞋下在井眼曲率较大的井段中，中间套管的下入深度应进入稳斜井段 150米左右为宜。 在考虑上述因素后，造斜点的位置应在高压水层以上不少于 400 米处，也就是造斜点与井口之间的井眼长度不应大于 600 米。 经过上述的分析，如果造斜点应在 450 米至 600 米之间选择，那么，把造斜点确定在500 米处是比较合理的。 （ 5）选择造斜率 K 为 7176。 ／ 100 米。 根据造斜率计算造斜井段的曲率半径 R。 （ 6）计算最大井斜角 α max R—— 造斜段曲率半径，米。 把已知条件代入上式得： α max=176。 （ 7）分段井眼计算： 增斜段 稳斜段 4．三维定向井 设计的井眼轴线，既有井斜角的变化，又有方位角的变化，这类井段为三维定向井，实际作业中，有时会碰到三维定向井的问题，大体上分为三种情况。 第一种情况 原设计为两维定向井，在实钻中偏离了目标方位，如果偏得不多，只要调整钻具组合或扭一次方位就可以了。 严格地说，实钻的定向井轨迹，都有井斜角的变化和方位角的变化，这种三维定向井可以简化为二维的。 第二种情况 在地面井位和目标点确定的情况下，在这两点的铅垂平面内，存在着不允许通过或难以穿过的障碍物，不能在铅垂平面上设计轨道，需要绕过障碍，设计绕障三维定向井。 在海上丛式井经常碰到这类井。 第三种情况在地面井位确定的情况下，要钻多目标井。 地面井位和多目标点不在同一铅垂平面内，只有井斜 角和方位角都变化，才能钻达设计的多个目标点。 三维定向井的轨迹设计和测斜计算很复杂，通常使用计算机软件完成这些工作。 第三节 井眼轨迹控制技术 井眼轨迹控制的内容包括：优化钻具组合、优选钻井参数、采用先进的井下工具和仪器、利用计算机进行井眼轨迹的检测预测、利用地层的方位漂移规律、避免井下复杂情况等等。 轨迹控制贯穿钻井作业的全过程，它是使实钻井眼沿着设计轨道钻达靶区的综合性技术，也是定向井施工中的关键技术之一。 井眼轨迹控制技术按照定向井的工艺过程，可分为直井段、造斜段、增斜段、稳 斜段、降斜段和扭方位井段等控制技术，其中直井段的控制技术见第七章第四节。 一．定向选斜井段 初始造斜方法有五类，即井下马达和弯接头定向、喷射法、造斜器法、弯曲导管定向、倾斜钻机定向。 目前，我国海洋定向井一般采用第一种方式，常用造斜钻具组合为：钻头十井下马达十弯接头十非磁钻铤十普通钻铤（ 0～ 30 米）十挠性接头十震击器十加重钻杆。 这种造斜钻具组合是利用弯接头使下部钻具产生一个弹性力矩，迫使井下动力钻具驱动钻头侧向切削，使钻出的新井眼偏离原井眼轴线，达到定向造斜或扭方位的目的。 造斜钻具的造斜能力主要与弯接头的弯角和动力钻具的长度有关。 弯接头的弯角越大，动力钻具长度越短，造斜率也越高。 弯接头的弯角应根据井眼大小、井下动力钻具的规格和要求造斜率的大小选择。 现场常用弯接头的弯角为 ～ 度，一般不大于 度。 弯接头在不同条件下的造斜率见第四节。 造斜钻具组合使用的井下动力钻具型号应根据造斜井段或扭方位井段的井深选择。 使用井段在 2020 米以内，一般采用涡轮钻具或普通螺杆钻具，深层走向造斜或扭方位应使用耐高温的多头螺杆钻具。 造斜钻具组合、钻井参数和钻 头水眼应根据厂家推荐的钻井参数设计。 由于井下动力钻具的转速高，要求的钻压小［一般为 ～ 千牛（ 3～ 8 吨）］，因此，使用的钻头不宜采用密封轴承钻头，尤其是在浅层，可钻性好的软地层应使用铣齿滚动轴承钻头或合适的 PDC 钻头。 根据测斜仪器的种类不同，分为四种定向方式： 1．单点定向 此方法只适用造斜点较浅的情况，通常井深小于 1000 米。 因为造斜点较深时，反扭角很难控制，且定向时间较长。 施工过程如下： （ l）下入定向造斜钻具至造斜点位置（注意：井下马达必须按厂家要求进行地面试验）。 （ 2）单点测斜，测量造斜位置的井斜角，方位角，弯接头工具面； （ 3）在测斜照相的同时，对方钻杆和钻杆进行打印，并把井口钻杆的印痕投到转盘面的外缘上，作为基准点； （ 4）调整工具面（调整后的工具面是：设计方位角十反扭角）。 锁住转盘、开泵钻进； （ 5）定向钻进。 每钻进 2～ 4 个单根进行一次单点测斜，根据测量的井斜角和方位角及时修正反扭矩的误差，并调整工具面； （ 6）当井斜角达到 8～ 10 度和方位合适时，起钻换增斜钻具，用转盘钻进。 在单点定向作业中要注意： ①在确定了反扭角和钻 压后，要严格控制钻压的变化范围，通常在预定钻压 177。 千牛（ 2 吨）内变化； ②每次接单根时，钻杆可能会转动一点，注意转动钻杆的打印位置至预定位置； ③如果调整工具面的角度较大（＞ 90 度），调整后应活动钻具 2～ 3 次（停泵状态），以便钻杆扭矩迅速传递。 2．地面记录陀螺（ SRO）定向 在有磁干扰环境的条件下（如套管开窗侧钻井）的定向造斜，需采用 SRO 定向。 这种仪器可将井下数据通过电缆传至地面处理系统，并显示或用计算机打印出来，直至工具面调整到预定位置，再起出仪器，施工过程如下： （ l）选择参照物，参照物应选择易于观察的固定目标，距井 40 米左右； （ 2）预热陀螺不少于 15 分钟，工作正常才可下井； （ 3）瞄准参照物，并调整陀螺初始读数； （ 4）接探管，连接陀螺外筒，再瞄准参照物，对探管和计算机初始化； （ 5）下井测量，按规定作漂移检查； （ 6）起出仪器坐在井口，再次瞄准参照物记录陀螺读数； （ 7）校正陀螺漂移，确定测量的精度； （ 8）定向钻进。 3．有线随钻测斜仪（ SST）定向 造斜钻具下到井底后，开泵循环半小时左右，然后接旁通头或循环接头。 把测斜仪的 井下仪器总成下入钻杆内，使定向鞋的缺口坐在定向键上。 定向造斜时，可从地面仪表直接读出实钻井眼的井斜、方位和工具面，司钻和定向井工程师要始终跟踪预定的工具面方向，保持井眼轨迹按预定方向钻进。 4．随钻测量仪（ MWD）定向 MWD 井下仪器总成安装在下部钻具组合的非磁钻铤内，其下井前要调整好工作模式和传输速度，并准确地测量偏移值，输入计算机。 仪器在井下所测的井眼参数通过钻。