1、第九章定向井和水平井钻井技术第一节定向井井身参数和测斜计算一.定向井的剖面类型及其应用定向钻井就是“使井眼按预定方向偏斜，钻达地下预定目标的一门科学技术”。定向钻井的应用范围很广，可归纳如图91所示。图97 定向砧井的应用范围定向井的剖面类型共有十多种，但是，大多数常规定向井的剖面是三种基本剖面类型， 见图92,称为“ J”型、“ S”型和连续增斜型。按井斜角的大小范围定向井又可分为:图常规定向井的典型蒯而常规定向井井斜角V 55大斜度井井斜角5585 水平井井斜角 85 （有水平延伸段）二.定向井井身参数实际钻井的定向井井眼轴线是一条空间曲线。 钻进一定的井段后，要进行测斜，被测的 点叫测点
2、两个测点之间的距离称为测段长度。每个测点的基本参数有三项：井斜角、 方位 角和井深，这三项称为井身基本参数，也叫井身三要素。1 .测量井深：指井口至测点间的井眼实际长度。2 .井斜角：测点处的井眼切线与铅垂线之间的夹角。3 .方位角：以正北方向线为始边，顺时针旋转至方位线所转过的角度，该方向线是指 在水平面上，方位角可在 0360之间变化。目前，广泛使用的各种磁力测斜仪测得的方位值是以地球磁北方位线为准的，称为磁方位角。磁北方向线与正北方向线之间有一个夹角，称磁偏角，磁偏角有东、西之分，称为东 或西磁偏角，真方位的计算式如下：真方位=磁方位角十东磁偏角或 真方位=磁方位角一西磁偏角公式可概括
3、为“东加西减”四个字。方位角也有以象限表示的，以南（ S）北（N）方向向东（E）西（W）方向的偏斜表示， 如N10。E, S20。Wo在进行磁方位校正时，必须注意磁偏角在各个象限里是“加上”还 是“减去”，如图 93所示。象限值的校正西磁偏角图9-3磁偏南4 .造斜点：从垂直井段开始倾斜的起点。5 .垂直井深：通过井眼轨迹上某点的水平面到井口的距离。6 .闭合距和闭合方位（1）闭合距：指水平投影面上测点到井口的距离，通常指靶点或井底的位移，而其他 测点的闭合距离可称为水平位移。（2）闭合方位：指水平投影响图上，从正北方向顺时针转至测点与井口连线之间的夹 角。7 .井斜变化率和方位变化率：井斜变
4、化率是指单位长度内的井斜角度变化情况，方位 变化率是指单位长度内的方位角变化情况，均以度/ 100米来表示（也可使用度/ 30米或度/100英尺等）。8 .方位提前角（或导角）：预计造斜时方位线与靶点方向线之间的夹角。三.狗腿严重度狗腿严重是用来测量井眼弯曲程度或变化快慢的参数（以度/100英尺表示）。可用解析法、图解法、查表法、尺算法等来计算狗腿严重度ko1 .第一套公式k = /c a; AL) +(中 / AL) 2sinaa (9-1)(3-2)图9-4第一套公式图解法J ! + 中 3本式图解如图9-4.步骤如下；门)先作水平射平。船(21 作NAOR = 4，(3)以一定长度表示单
5、位角度，量0B 中Jf W)6B点向0A作垂线，垂足C点;(5)按31 比例，ffiCA -6)连A& 情人口长度，按31比例 换算成角度.此角为胸腿用Y 2 .第二套公式cosy = cos icos 2+ sin isin 2 cos A 99 3)本式是由鲁宾斯基推导出来的，使用非常普遍。美国人按上式计算出不同的1、 2和A值下的狗腿角丫值，并列成表格，形成了查表法。3 .第三套公式y1 + 上网点的井斜却.a阜下测点的井斜用. 口两潮点并斜角之差r为h注-】a + 一两测点的平均井斜角.为(。望+ 6“九中两测点方位角之差.为中* -中一用5第三套公式图解法两测点间的狗腿角。若将三套公
6、式作比较，第一套 公式具有普遍性，适合于多种形状 的井眼，第二套只适用于平面曲线 的井眼(即二维井型)，第三套是 近似公式，用于井斜和方位变化较 小的情况。四.测斜计算的主要方法测斜计算的方法可分为两大类 二十多种。一类是把井眼轴线视为由很多直线段组成，另一类则视其为不同曲率半径的圆弧组成。计算方法多种多样， 测段形状不可确定。主要的计算方法有正切法、 平衡正切法、平均角法、曲率半径法、最小曲率法、 弦步法和麦库立法。从计算精度来讲，最高的是曲率半径法和最小曲率法，其次是平均角法。以下各图和计算公式中下角符号 1、2分别代表上测和下测点。1 .平均角法（角平均法）此法认为两测点间的测段为一条直
7、线，该直线的方向为上下两测点处井眼方向的矢量和方向。测段计算公式：A H Lcq 冷 a *.*,*,( S = Ls i*9-6) N = La 。中 9彳7)A E A L i net ssi 0中 . . 9-3)当011=0时.中二4 Si当& =。时，中=? I2 .平衡正切法此法假定二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9 6,计算式为： H = 1 / L( cosa ) + Coss 9-9 5 1 /2AL( sina t + sina 3) +t b9-10)A N = 1 / 2 L( s i. na c
8、os? + s ind Ecos 士】 . A E = 1 / 2 A Lt s i na jin 中1 + $ (na 封1力中 9-12)当a1或。左为0*时，处理方法与平均角法相同.3 .曲率半径法（圆柱螺线法）此法假设两测点间的测段是条等变螺旋角的圆柱螺线，螺线在两端点处与上、 下二测点处的井眼方向相切。如图97,测段的计算公式有三种表达形式。图97圆柱螺线法测段计算图(1)第一种表达形式 H=R( slna2-sina S=R( cosat-cdss鼻 (fl-14) N,r sincp昧-s in,) (S-15) E=r( casc1-cos (9-16)(913)(916)式中
9、9-17)IHOALX ,n atHOAL( cola - cosa hr .)型 X - . . . 9 -1R )xAa X 中42)第二种表达形式180iLX sina* sina L)AH - X 9-19)itA a180UcOM 1 - coSa x) w x( 9-2。)H口180L( cosa - Cosa ) s i n( cosq I - cosqf U1 E / X( 9-22)*工X 年这四个公式是最常用的计算公式:(3)第三种表达形式(4)曲率半径法的特殊情况处理第一种特殊情况.口 - 0- 中/g计笄式为: H - Leo sa *.一，、9-27) S = Lg
10、 j (Id .r,，*，-+-,*( 9-2g)sinp2 -Win中工ISO N - Lsjinu a XX 9-29)中flcom中 - com中犁1fiOA E = Ls i na 2 XX (9-3)A年11第二种特殊情况，隼-0，在工。，计算式为si no a - sina x 1B0- AL XX (9-31) 口工COSa - coSa g 1 SO S - L XX cc*cosa i - casa ? N = AL XX cos中 sX acosa j - cosa z E m /L X - X 9inv mX d19-32)IflO(9-33)180第三种特殊情况，a 1
11、W a 2,且其中之一等于零。 此时，按二测点方位角相等来处理， 然后代入第二种特殊情况的计算式中。4.最小曲率法最小曲率法假设两测点间的井段是一段平面的圆弧，圆弧在两端点处与上下二测点处的井眼方向线相切。测段计算如图98。测段计算公式如下： H = AL/2)( cosa i + C0S a)X 2/y )X tgi y ).一(35) S = C L/2) ( sins+ sin* a) X t 2/r )X tg v /2) . el X( 2/y ) X tfit y ,2) . , . . ( 9-38)令 fM= (2/丫)Xtg(Y /2 ), fM是个大于1但很接近1的值。 在
12、狗腿角丫足够小的情况下，可近似认为fM=1,这时上述四个 计算公式就完全变成平衡正切 法的公式了，它是对平衡正切法 公式的校正。AS是切线1M和M2在 水平面上的投影之和，即A S = 1M + M2AS并不是测段的水平投影长度ASo要作出井身垂直剖面图，需要求出A S,而最小曲率法却求不出AS,这是最小曲率法的缺点。为了作出垂直剖面图，可用下式近似地求出AS:玉AS （9 39）2sin /2180第二节定向井剖面设计在开钻前认真进行设计， 可以大大节约定向钻井的成本。影响井眼轨迹的因素很多， 其中一些因素很难进行估算（如在某些地层中的方位漂移情况等）。 因此，在同一地区得到的 钻井经验很重
13、要，这些经验可以在其他井设计过程中起重要的参考作用。一.设计资料要进行一口定向井的轨道设计工作，作业者至少应提供靶点的垂深、水平位移和方位角， 或提供井口与靶点的座标位置，通过座标换算，计算出方位角和水平位移。此外，定向井工程师还要收集下列资料：1 .作业区域和地理位置。通过作业区域，通常可以找到该地区已完井的钻井作业资料 （野猫井除外），并对地层情况、方位漂移有一定的了解，根据地理位置，可以计算或查得 到地磁偏角。2 .地质设计书和井身结构。了解有关地层压力、地温梯度、地层倾角、走向、岩性、 断层，可能遇到的复杂情况，以及油藏工程师的特殊要求等。3 .作业者对造斜点、造斜率、增（降）斜率的要
14、求，以及安全圆柱、最大井斜等井身 质量的要求。4 . 了解钻井承包商的情况，如泥浆泵性能，井下钻具组合各组件的基本情况等。二.设计原则1 .能实现钻定向井的目的定向井设计首先要保证实现钻井目的， 这是定向井设计的基本原则。 设计人员应根据不 同的钻探目的对设计井的井身剖面类型、 井身结构、钻井液类型、完井方法等进行合理设计， 以利于安全、优质、快速钻井。如救险井的钻井目的是制服井喷和灭火，保护油、气资源。因此，救险井的设计应充分体现其目的：一是靶点的层位选择合理。二是靶区半径小（小于 10米），中靶要求高；三 是尽可能选择简单的剖面类型，以减小井眼轨迹控制和施工难度，加快钻井速度。四是井身 结
15、构、井控措施等应满足要求。2 .尽可能利用方位的自然 漂移规律在使用牙轮钻头钻进 时，方位角的变化往往有向右增 加的趋势，称为右手漂移规律。 如图9-9所示，靶点为T,设 计方位角为 。若按定向 钻进，则会钻达T点，只有按 照角方向钻进，才会钻达目标 点T。A角称为提前角，提前 角的大小，要根据地区的实钻资 料，统计出方位漂移率来确定， 我国海上开发井一般取 27度。目前流行的PDC钻头（如RC426型等），对方位右漂具有较好的抑制效果。在地层倾角小、岩性稳定时，PDC钻头具有方位左漂的趋势，这主要是由于PDC钻头的切削方 式造成的。因此，要使用 PDC钻头钻进的定向井，提前角要适当地小一点。
16、3 .根据油田的构造特征，有利于提高油气产量，提高投资效益。4 .有利于安全、优质和快速钻井，满足采油和修井的作业要求。三.剖面设计中应考虑的问题1 .选择合适的井眼曲率井眼曲率不宜过小，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，从而增大了井眼轨迹控制的工作量，影响钻井速度。井眼曲率也不宜过大，否则钻具偏磨严重、摩阻力增大和起下钻困难，也容易造成键槽 卡钻，还会给其他作业（如电测、固井以及采油和修井等）造成困难。因此，在定向井中应控制井眼曲率的最大值，我国海上定向井一般取716 / 100米，最大不超过 20 /100米。不同的井段要选用不同的井眼曲
17、率，具体如下：井下动力钻具造斜的井眼曲率取：716。/100米。转盘钻增斜的增斜率取： 712 / 100米。转盘钻降斜的降斜率取：38 / 100米。井下动力钻具扭方位的井眼曲率取：714。/ 100米。导向马达调方位或增斜的井眼曲率取：5120 / 100米。说明：随着中曲率大斜度井和水平井的迅速发展，对普通定向井的井眼曲率 （或狗腿严重度）的限制越来越少，API标准中已不再规定常规定向井的狗腿严重度。为了保证起下钻顺利和套管安全，必须对设计剖面的井眼曲率进行校核，以限制最大井眼曲率的数值。井下动力钻具造斜和扭方位井段的井眼曲率Km应满足下式：(9-40)式中；L井眼曲率，度“00米：么钻
18、头直径.亳米：Dt井下马达外径，亳米j井下马达长度米,f一间隙值.软地层取f -硬地层电 - 毫米.下井套管允许的最大井眼曲率心应漕足下式：5.564乂10一咏。.v ._ - 9 -KeHo -VHd + S5 - 2RoS0 g-H812Rd - So(2)各井段的井身参数计算：增斜段A U -1 口M Ala A. dl ft VALa =+ So - 2ROSO .，9-52】 Hw , LaXcosa (9-53) 匚 A L* X a i na a. 9-54)稳斜段降斜段稳斜段总井深L%造斜点的深度.米*-1降斜终点的井斜窗过渡参数，米S一井口到目标终点处的平措，米； 降斜终点到
19、目标点的平辩.米F心、心分别为选定的增斜率和降斜率,度400米；不，心分别为增斜段和降斜段的曲率半径，米； H,、AS. ZiLr分别为增斜段的垂增，平增和段长，米】 H*、Sg、人分别为降斜段的垂增，平地和段氏，米】 Gn 一降斜筌点到目标点的段长米iL一金井的总井深米.(3)设计计算中特殊情况的处理当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a max:Ho 口 二国 retg- f9-61)R。- SoRo - Sa a -afcos . , 9-S2)Rc* arcs in( Ho/R) 9-63)当2Ro So= 0时，可用
20、下式求最大井斜角amax:a e.x - 2arctg So/2HO) . 9-6-4)当Ho2+So2-2RoSo e一 * Carets9-65)2R - S式中：= H -%直井段长度1米FH设计垂深米.S设计水平位移，米，R造斜段曲率半径，米。把已知条件代入上式得：a ma)=24.4 (7)分段井眼计算：增斜段 M = R X s i na f = 338. 05米 Si = RX = 73.g米 L工-Rj x(a= 348. 48米稳斜段 心-H - He -= 1】61,95米ASj = Hitga 526.93米 Li Acosa m.K 】275.85米式中各符号的意义同计
21、算公式.*9-1型井身剖面计算数据表井段段长4米）井深（米）井斜角f度）垂增（米）垂深（米）平增f米】位移t米）宜井段5。0500050000增斜段34R.48848一48。24.4338.05838.0573. 0773. 07稳斜段1276.652124.33M.41161.9520005Z6.336004.三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
22、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
23、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（030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
24、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 1.52.25度，一般不大于2.5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2000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
25、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 29.478.4千牛（38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铳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：(1)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
26、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24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810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：在确定了反扭角和钻压后， 要严格控制钻压的变化范围，通常在预定钻压土 19.6千牛(2吨)内变化；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；如果调整工具面的角度较大( 90度)，调整后应活动钻具 23次(停泵状态)， 以便钻杆扭矩迅速传递。2 .地面记录陀
27、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：(1)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
28、)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井液脉冲 传至地面，信息经地面处理后，可迅速传到钻台。MWD不仅可用于定向造斜，也可用于旋转钻进中的连续测量，是一种先进的测量仪器。5 .定向
29、造斜中的注意事项：(1)如果定向作业前的裸眼段较长，应短起下钻一趟，保证井眼畅通。(2)井下马达下井前应在井口试运转，测量轴承间隙；记录各种参数，工作正常方可 下井；(3) MWD等仪器下井前，必须输入磁场强度、磁倾角等参数；(4)定向造斜钻进，要按规定加压，均匀送钻，以保持恒定的工具面。(5)造斜钻进或起下钻，用旋扣钳或动力水龙头上卸扣，不得用转盘上卸扣；(6)起钻前方位角必须在 2030米井段内保持稳定，且保证预定的提前角。目前，“一 次造斜到位法”也经常在我国海洋定向井中使用，这种方法适用于造斜点较浅，且机械钻速很快的造斜井段，常常配合使用随钻测量仪。(7)井下马达出井时，按规定程序进行
30、清洗、保养。二.转盘钻增斜井段常用增斜钻具组合为： 钻头十近钻头稳定器十非磁钻铤十钻铤(非磁钻铤和钻铤的总长度为1830米之间)十稳定器十钻铤(10米)十稳定器十钻铤十随钻震击器十加重钻杆十 钻杆(见图910,从下至上，增斜效果越来越强。图中UG是指尺寸不足的扶正器)。27. 5米批2米g, XX27.5 米g . -X441 - - X 1723米9.2米6 k X 宁1723米5. X X米9.2 米4. XXX9.2 米 UG9.2 米3, X-XX.9. 2米2XX9.2米以2米图97。转盘增斜钻具组合施工注意事项：1 .按设计钻井参数钻进，均匀送钻，使井眼曲率变化平缓。2 .每钻进2
31、550米测量一次，随时作图，掌握井斜、方位的变化趋势。如果增斜率不 能满足设计要求，应及时采取措施：(1)调整钻压改变增斜率。增加钻压可使增斜率增大，减小钻压，则使增斜率降低。(2)更换钻具组合，改变近钻头稳定器与相邻稳定器之间的距离。改变的范围为1030米，距离越短，增斜率越低，距离越长，增斜率越高；(3)改变近钻头稳定器与相邻稳定器之间的钻铤刚性，刚性越高，增斜率越低；刚性 越低，增斜度越高。(4)钻头底部距近钻头稳定器翼片中部的距离为0.71.2米。3 .如果增斜率比设计值稍低(5 / 100米以内)，可采用强行增斜法。4 1)接单根后，开泵至设计排量，慢慢加压至设计钻压的75%左右；5 2)转动转盘至设计转速，同时逐步增加钻压至允许的最大钻压；6 3)钻完一个单根时，马上停转盘，钻压不回零，上提钻具。
