定向、水平井轨迹控制.ppt
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1、定向、水平井眼轨迹控制技术,钻井欠平衡井控技术服务公司,目 录,特殊工艺钻井概念 井眼轨迹控制原理 底部钻具组合及其特性 井下动力钻具造斜率的预测方法 转盘钻具组合的力学分析方法 参数研究影响因素分析 高效防斜理论 测量与计算方法,特殊工艺钻井概念,预置轨道,是指按勘探或开发目标要求设计出的井眼轨道,其基本类型包括直井,定向井或水平井,等等。 沿预定轨道偏离垂直方向而钻达地下目标层位的井,称为定向井;将定向井的井斜增大到86度以上(90度左右)并在油藏内部钻进一定长度的井,称为水平井。 定向井和水平井可通称为斜井,其井眼形状不同于传统的直井,最明显的特点是斜井从井口到井底有一个“大斜度水平位移
2、”。在一个井场或海洋平台上钻出多口井,这些井组合起来称为丛式井。 在石油勘探开发过程中,由于经常遇到种种客观条件的限制,或出于经济和社会效益等方面的考虑,打直井难以实现预期目标,而打斜井及丛式井则可扬长避短、兴利除弊,获得理想的效果。,特殊工艺钻井概念,水平位移(displacement or closere distance) 井眼轨迹上的任意一点与井口铅锤的距离称为该点的“水平位移”。也称该点的闭合距 视平移(vertical section),水平位移在设计方位线上的投影长度,称为视平移。如下图所示。OQ为设计方位线,OT曲线为实钻井眼轴线在水平面上的投影,其上任一点P的水平位移为OP,
3、以Ap来表示。P点的 视平移为OK。当OK与OQ同向时为正值,反向时为负值。视平移是绘制垂直投影图时重要的参数,单位为m。,特殊工艺钻井概念,高边(High side) 定向井的井底是个呈倾斜状态的圆平面,称为井底圆。井底圆上的最高点称为高边。从井底圆心指向高边连线的方向称为高边方向。高边连线在水平面的投影线所指的方向线为井底方位线。 工具面角(Tool face angle) 它是表示造斜工具下到井底后,工具面角所在位置的参数。工具面角有两种表示方法:1.重力工具面角(高边工具面角) 2.磁性工具面角,井眼曲率,在定向钻井中,井眼曲率是一个很重要的参数。井眼曲率过大会给钻井、采油和修井作业造
4、成困难。因此,在定向钻井过程中,应控制最大井眼曲率的最大值,一般取512/100m,最大不超过16/100m。,当然,井眼曲率也不宜过小,这是因为井眼曲率限制太小,会增加动力钻具造斜井段、扭方位井段和增(降)斜井段的井眼长度,从而增加了井眼轨迹控制的工作量,影响钻井速度。,为了保证造斜钻具和套管安全、顺利下井,必须对设计剖面的井眼曲率进行校核,应该使井身剖面的最大井眼曲率小于井下马达组合和下井套管抗弯曲强度允许的最大井眼曲率值。 井下马达定向造斜及扭方位的井段井眼曲率Km应满足下式:,式中: Km井眼曲率,/100m; Db钻头直径,mm; DT井下马达外径,mm; LT井下马达长度,m。,下
5、套管允许的 最大井眼曲率Km应满足下式:,式中: Km井眼曲率,/100m; c套管屈服极限,Pa C1安全系数,一般取1.21.25 C2丝扣应力集中系数,一般取1.72.5 Dc套管外径,cm,特殊工艺钻井概念,1.高边工具面角:指以高边的方向线为始边,顺 时针转到工具面与井底圆平面交线上,所转过的角度。 2.磁北工具面角:高边工具面角加井底方位角。 磁偏角(Declination) 在某一地区内,其磁北极方向线与地理北极方向线的夹角。计算方法是以地理北极方向线为始边,磁北极方向线为终边。顺时针为正,逆为负。,定向、水平井的主要用途,在地面上难以建立或不允许建立井场的地区,要勘探开发地下的
6、石油等资源,唯一的办法是从该地区附近打定向井; 在海洋或湖泊等水域上勘探开发石油时,最好是建立固定平台或从岸边打定向井和丛式定向井; 可使用定向井饶过所钻遇的地下复杂地层或障碍物等; 打定向水平井和复杂结构井,可扩大勘探效果及提高开发效益和采收率; 在发生卡钻、断钻及井喷着火等恶性钻井事故的情况下,用侧钻井、救援井来处理这类事故最有效。,Selection of Well Profiles,复杂结构井示意图,1、井眼轨迹控制原理,1、钻头与地层相互作用因素: 钻头:特殊结构,侧切特性,各向异性 地层:岩性,可钻性,各向异性,几何产状 钻头作用力:钻压,侧向力,钻头转角,扭矩 高压射流作用:清洗
7、碎屑,辅助轴向破岩 2、钻柱及其底部钻具组合(BHA)分析 确定钻头对地层的机械作用力:井斜力和方位力 确定钻头指向:转角 确定钻压及钻头扭矩 确定钻柱或BHA任一点内力和挠度 3、钻头与地层相互作用模型三维钻速方程,石油钻井中使用的牙轮 钻头,改进后的171/2FS2663在迪那2井1325-3129m井段共计4次入井,累计进尺1723.48m,累计纯钻711.9h,平均钻速2.42m/h,171/2PDC钻头在塔里木油田首次取得突破,针对山前构造地层变化频繁,夹层研磨性强的特点,选用了DS66GJNSW钻头,在柯深101井81/2井段应用,累计进尺1098.27m,平均钻速1.15m/h,
8、与柯深1井同井段相比节约周期165天,节约成本1160万,塔里木钻井使用的钻头,钻头的各向异性钻井特性,地层的各向异性钻井特性,实钻地层的各向异性划分,Formation A: Ir11 (Ddip=DstrDn) Formation D: Ir1Ir21 (DdipDstrDn) Formation E: Ir2Ir11 (DstrDdipDn) Formation I: Ir2Ir2=1 (DdipDstr=Dn) Formation K: Ir1=1Ir2 (Ddip=DnDstr) Formation L: Ir1=1Ir2 (Ddip=DnDstr),钻头与地层相互作用矢量,钻头与地
9、层相互作用模型,井眼轨迹预测与定向控制方法,井眼轨迹的主要影响因素分析: 钻头、BHA结构及操作参数的影响(可控制因素) 地层因素的影响(不可改变的客观因素) 井眼几何参数的影响,以及动态因素的影响 井眼轨迹预测方法: 有效钻力与“平衡曲率法”结合,进行定量预测 定向控制方法: 底部钻具组合(BHA)和钻头的优选方法 随钻井眼轨迹监视与操作参数控制方法 利用地层自然造斜规律进行控制,2、底部钻具组合及其特性,1. 底部钻具组合(BHA)系统: 钻头,钢钻铤,无磁钻铤,螺旋钻铤,加重钻杆等 稳定器,减振器,震击器,扩大器等 井下动力马达,弯接头,弯外壳,可变径稳定器等 测量系统 2. BHA荷载
10、及约束: 地层对钻头的反作用力,动力载荷 横向和轴向分布载荷,扭矩,摩擦阻力,液力 井眼约束:井径,井斜,曲率和挠率,井壁支撑 荷载及井眼约束条件随钻变化,井下动力钻具组合,转盘钻具组合(BHA),BHA参数: 稳定器的安放位置; 稳定器与井眼的间隙; 钻铤的抗弯刚度; 钻铤的每米有效重量; 钻铤的刚柔组合; 钻头的各向异性特性; 特殊接头等。,转盘旋转钻进与滑动钻进特性,旋转钻进方式:主要有如下两种 转盘旋转钻进方式(如:ERD偏爱此种) 井下动力滑动钻进方式(如:CTD最典型) 转盘旋转钻进方式的优缺点 转盘旋转钻进的优点: 轴向阻力小,便于施加钻压及大位移延伸 排量大,钻柱涡动,洗井效果
11、较好 便于修整井壁,井眼光滑,质量较好 一般情况下机械钻速较大,转盘旋转钻进方式,转盘旋转钻进的缺点: 钻柱旋转与振动,损失大量机械能量 扭矩损失巨大,要求钻柱抗扭强度高 井下工具(包括钻头等)的使用寿命降低 管柱摩擦磨损严重,特别是套管磨损 定向控制精度较低,特别不利于方位控制 钻柱刮拉和撞击井壁,不利于井壁稳定控制 要求钻机旋转驱动功率较大 要求无线随钻测量 钻进间断较多,等等,井下动力滑动钻进方式,井下动力滑动钻进方式的优缺点 井下动力滑动钻进的优点: 定向控制精度高,可有效地控制方位漂移 钻柱振动很小,机械能量损失少 管柱摩擦磨损少,钻具非正常失效少 扭矩很小,一般不需要钻机旋转驱动
12、钻柱不旋转,有利于井壁稳定 可以进行有线随钻测量或测井,井下动力滑动钻进方式,井下动力滑动钻进目前存在的缺点: 钻柱滑动,受到较大的轴向阻力,不利于施加钻压及大位移延伸 受井下马达排量限制,洗井效果不佳 没有钻柱旋转,不利于修整井壁 在有些情况下,机械钻速较慢 井下马达性能的不断改进 井下动力滑动钻进系统的改进,智能钻井系统的概念 (英国)Inglis T A. :定向钻井,石油工业出版社,1995,智能钻井系统未来钻井的核心,智能钻井系统的组成: 执行机构(好象人的手,硬件) 测量系统(好象人的眼睛,硬件) 控制决策系统(好象人的脑,软件) 两大类导向工具: 角度可调的弯曲结构:弯接头等;
13、径向尺寸可调的非弯曲结构:可变径稳定器等。,角度可调的弯曲结构及其特点,角度可调的弯曲结构包括:弯接头弯外壳等。其中,目前实现了井下角度可调的弯曲结构,只有弯接头一种。角度可调的弯曲结构的主要优点: 与径向尺寸可调的非弯曲结构相比,弯曲结构的定向控制性能可调范围大,适应性强; 便于同其它井下工具进行组合,灵活,可靠; 既可用于定向控制,也可用于高效防斜及稳斜控制;既可用于井下动力滑动钻进,也可用于转盘旋转钻进。,3、井下动力钻具造斜率的预测方法,井下动力钻具造斜率预测,S1=DH-DS1: distance clearance of first stabilizer , in S2= DH-D
14、S2: diametrical clearance of second stabilizer, in B1=angle adjustment for under-gauge of 1st stabilizer, deg B2=angle adjust adjustment for under-gauge of 2nd stabilizer, deg B=Equivalent angle for single bend, deg =effective motor angle, deg,35,Principle for directional drilling 3- point geometry,
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