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1、第一章 定向井（水平井）钻井技术概述第一节定向井、水平井的基本概念1定向井丛式井发展简史定向井钻井被（英） T A 英格利期定义为：“使井筒按特定方向偏斜，钻遇地下预定目标的一门科学和艺术。”我国学者则定义为，定向井是按照预先设计的井斜角、方位角和井眼轴线形状进行钻进的井。定向井相对与直井而言它具有井斜方位角度而直井是井斜角为零的井，虽然实际所钻的直井它都有一定斜度但它仍然是直井。定向井首先是从美国发展起来的，在十九世纪后期，美国的旋转钻井代替了顿钻钻井。当时没有考虑控制井身轨迹的问题，认为钻出来的井必定是铅垂的，但通过后来的井筒测试发现，那些垂直井远非是垂直的。并由于井斜原因造成了侵犯别人租
2、界而造成被起诉的案例。最早采用定向井钻井技术是在井下落物无法处理后的侧钻。早在 1895 年美国就使用了特殊的工具和技术达到了这一目的。有记录定向井实例是美国在二十世纪三十年代初在加利福尼亚享廷滩油田钻成的。第一口救援井是 1934 年在东德克萨斯康罗油田钻成的。救援井是指定向井与失控井具有一定距离，在设计和实际钻进让救援井和失控井井眼相交，然后自救援井内注入重泥浆压死失控井。目前最深的定向井由BP 勘探公司钻成，井深达10， 654M ；水平位移最大的定向井是BP 勘探公司于己于1997 年在英国北海的RytchFarm 油田钻成的M11 井，水平位移高达1， 0114M 。垂深水平位移比最
3、高的是Statoil 公司钻成的的33/9 C2 达到了 1:3.14 ；丛式井口数最多，海上平台：96 口；人工岛：170 口；我国定向井钻井技术发展情况我国定向井钻井技术的发展可以分为三个阶段，50 60 年代开始起步，首先在玉门和四川油田钻成定向井及水平井: 玉门油田的C215 井和磨三井，其中磨三井总井深1685M，垂直井深表遗憾350M，水平位移444.2M，最大井斜92°，水平段长 160M； 70 年代扩大实验，推广定向井钻井技术；80 年代通过进行集团化联合技术攻关，使得我国从定向井软件到定向井硬件都有了一个大的发展。我国目前最深的水平井是胜利定向井公司完成的JF12
4、8 井，井深达到7000M，垂深位移比最大的大位移井是胜利定向井公司完成的郭斜井，水平位移最大的大位移井是大港定向井公司完成的井，水平位移达到2666M，最大的丛式井组是胜利石油管理局的河50 丛式井组，该丛式井组长384M，宽115M，该丛式井平台共有钻定向井42 口。2定向井的分类按定向井的用途分类可以分为以下几种类型：普通定向井多目标定向井定向井丛式定向井救援定向井水平井多分枝井（多底井）国外定向井发展简况（表 一）年代50年代60年代70年代80年代90年代内容剖面设计及迹计算方法误差很大的正18 种二维计算切法，进行定方法，如更精向井设计轨迹确的曲率半径计算法发展到三维设计和大组丛式
5、井整体设计计算机专家系发展了大型集统进行定向井成设计软件包的设计和指导定向井施工井斜控制理斜直井段的二考虑了井眼的三维数据分发展了多种分在原来多种分论维分析曲率及满眼组析，由静态发析计算方法并析的基础上引合的特性展到动态编制了计算机入了数学及其程序它边沿学科定向造斜工涡轮加弯接头使用效率更高涡轮、螺杆动发展了复合式发展成熟多分艺斜向器配合转的螺杆动力钻力钻具向低速动力钻具，导枝井回接工艺盘钻具，专用工具大扭矩发展。向钻井系统，地质导向钻井的定型配套各种专用井下长寿命 PDC 钻系统工具系列化头等测量方式氢氟酸玻璃管刻线法和地面定向法机械式罗盘，有线随钻测斜精度较高的单仪投入工业性多点照相测斜使
6、用，无线随仪钻测斜仪研制成功多种无线随钻发展成熟带地测斜系统投入质参数的无线工业使用和发随钻测斜仪展了电子测量系统和陀螺测量系统定 向 井 钻 井精度要求不高可打准确度较水平中深定向井高的定向井和小组定向井可打准确度较高的定向救援井和大组丛式井钻成大量水平钻成位移过万井从大半径水M 的大位移井平井到小半径径向水平井可水平井多底泄在 0.3M 之内完油井成增斜过程我国定向井钻井技术发展情况（表二）年代60 年代80年代90年代内容剖面设计及轨设计采用查表发展了曲率半径法，最小曲率半径法等多 引入人工智能和专家系统迹计算方法法、图解法等精精确的轨迹计算和设计方法，编制了能进度不高的方法预测和防碰扫
7、描的计算机软件包。井斜控制理论进行了钻具的二发展了多种新的分析计算方法，例维静态分析主要如：平衡梁法、加权余量法等，并使用有限元法编制了计算机分析程序定向造斜工艺使用地面定向法使用精度高的磁性单多点测斜仪进（钻杆打钢行定向和轨迹数据测量，发展了有印）。线随钻测斜仪定向。数据测量使用电测井数据。理论分析模型由静态态发展到动态，由二维发展到三维发展了导向钻井系统初步研制出径向水平井造斜工艺测量方式氢氟 酸测斜仪 ，多种引进的有线随钻测斜系统投入机械 式罗盘的 电工业使用和发展了电子测量系统及测井方法。陀螺测量系统定向井钻井水简单的单口定向钻成大量高难度定向井、大组丛式平井、水平井位移井、多目标井、
8、套管定向开窗井、小，精度低水平井也从大半径水平井发展到了中半径水平井发展了无线随钻测斜系统，引进了带地质参数的 MWD 系统在水平井方面取得大型突破，钻成了长、中、短半径水平井第二节水平井钻井技术简介所谓水平井，是指一种井斜角大于或等于86°，并保持这种角度钻完一定长度水平段的定向井。1水平井钻井技术发展简况1863 年，瑞士工程师首先提出钻水平井的建议；1870 年，俄国工程师在勃良斯克市钻成井斜角达60°的井；瑞典和美国研制出测量井眼空间位置的仪器，1888 年俄国也设计出了测斜仪器；1929 年，美国国加利福尼亚州钻成了几M 长的水平分支井筒；30 年代，美国开始用挠
9、性钻具组合在垂直井内钻曲率半径小的水平井分支井眼；1954年苏联钻成第一口水平位移；1964年 1965 年我国钻成两口水平井，磨3 井、巴 24 井；自来80 年代以来，随着先进的测量仪器、长寿命马达和新型PDC 钻头等技术的发展，水平井钻井大规模高速度的发展起来。我国水平井钻井在 90 年代以来也取得了很大发展，胜利油田已完成各种类型水平井百余口，水平井钻井水平和速度不断提高。水平井的类型及各种类型水平井的特点1）水平井的类型：根据水平井曲率半径的大小分为：长曲率半径水平井（小曲率水平井）；中曲率半径水平井（中曲率水平井）；短曲率半径水平井（大曲率水平井）。2 ）不同曲率水平井的基本特征及
10、优缺点（ 1）不同曲率水平井的基本特征表井型长半径水平井中半径水平井短半径水平井工程造斜率< 6 °/30M6° 20° /30M150° 300° /30M曲率半径304 914M291 87M12 6M井眼尺寸无限制12 1/4 4 3/461/4 43/4 转盘钻或导向钻井系造斜段：特种马达或导以使用特种工具的转盘钻井方式统向钻井系统钻进为主，目前也使用水平段：转盘钻井或导特种马达方式向钻井系统钻杆常规钻杆>15° /100M 使用抗压钻铰接驱动钻杆杆无限制有线随钻测斜仪，MWD，转盘钻井时使用多点测测量工具但井眼
11、<6 1/8 时不能斜仪使用马达钻井时使用有线随钻测斜仪需要配备顶部驱动系统地面设备常规钻机常规钻机或动力水龙头完井方式无限制无限制裸眼或割缝管（ 2）长曲率半径水平井的优缺点优点缺点1穿透油层段最长（可以>1000M ）1井眼轨道控制段最长2使用标准的钻具及套管全井斜深增加最多3“狗腿严重度”最小钻井费用增加4使用常规钻井设备各种下部钻具组合较长5可使用多种完井方法不适合薄油层和浅油层6可采用多种举升采油工艺转盘扭矩较大7测井及取芯方便套管用量最大8井眼及工具尺寸不受限制穿过油层长度与总水平位移比最小（）中曲率半径水平井的优缺点优点缺点1 进入油层时无效井段较短1要求使用 MWD
12、 测量系统2 使用的井下工具接近常规工具要求使用加重钻杆或抗压缩钻杆3 使用动力钻具或导向钻井系统4 离构造控制点较近5 可使用常规的套购及完井方法6 井下扭矩及阻力较小7 较高及较稳定的造率8 井眼轨迹控制井段较短9 穿透油层段较长（1000M ）10井眼尺寸不受限制11可以测井及取芯12从一口直井可以钻多口水平分枝井13可实现有选择的完井方案（ 4）短曲率半径水平井的优缺点优点缺点1 井眼曲线段最短1 非常规的井下工具2 侧钻容易非常规的完井方法3 能够准确击中油层目标穿透油层段短（ 120 180M）4 从一口直井可以钻多口水平分枝井井眼尺寸受到限制5 直井段与油层距离最小起下钻次数多6
13、 可用于浅油层要求使用顶部驱动系或动力水龙头7 全井斜深最小井眼方位控制受到限制8 不受地表条件的影响目前还不能进行电测第三节定向井的基本术语解释1）井深：指井口（转盘面）至测点的井眼实际长度，人们常称为斜深。国外称为测量深度（Measure Depth ）。2 ）测深：测点的井深，是以测量装置（ Angle Unit）的中点所在井深为准。真北极3) 井斜角：该测点处的井眼方向线与重4?力线之间的夹角（见图1.2 ）。 ?井斜角常以希腊字母 表示，单位为度。）井斜方位角：是指以正比方位线为始边，顺时针旋转至井斜方位线所转过的角度（见图1.3 ）。 ?井斜方位角常以希腊字母 表示，单位为度。实际
14、应用过程中常常简称为方位角。?A东磁偏角地真北方位线西磁偏角B地图 1.1 磁偏角示意图5 ）磁方位角：磁力测斜仪测得的井斜方位角是以地球磁北方位线为准的，称磁方位角。井口AB正北方位线 A井斜方向线井底B井斜方位角 B重力线 B井斜方位线图 1.2井斜角示意图图 1.3井斜方位角示意图6 ）磁偏角：磁北方位线与真北方位线并不重合，两者之间有一个夹角，这个夹角称为磁偏角。磁偏角又有东磁偏和西磁偏角之分，当磁北方位线在正北方位线以东时，称为东偏角；当磁北方位线在正北方位线以西时称为西偏磁偏角。 ?进行磁偏角校正时按以下公式计算：真方位角磁方位角东偏磁偏角真方位角 =磁方位角西偏磁偏角7?）井斜变
15、化率：是指井斜角随井深变化的快慢程度，常以率是井斜角度（ ）对井深（ L?）的一阶导数。dK表示，?精确的讲井斜变化K dL井斜变化率的单位常以每100M度表示。8）井深方位变化率：实际应用中简称方位变化率， ?是指井斜方位角随井深变化的快慢程度，常用 K 表示。计算公式如下：d dL井斜方位变化率的单位常以每100M度进行表示。9）全角变化率（狗腿严重或井眼曲率）：从井眼内的一个点到另一个点，井眼前进方向变化的角度（两点处井眼前进方向线之间的夹角），?该角度既反映了井斜角度的变化又反映了方位角度的变化，通常称为全角变化值。?两点间的全角变化值 相对与两点间井眼长度L 变化的快慢及为全角变化率
16、。用化式表达如下：L实际钻井中，井眼曲率的计算方法：目前计算井眼曲率的方法有很多。有公式法、查表法、图解法、查图法和尺算法五种。后四种办法皆来源于公式法。计算井眼，曲率的公式计有三套：第一套公式：对于一个测点：对于一个测段：B cA0Ca图 1.4 第一套公式的图解法K SQR（ K 2K 2sin 2 ）K SQR（ (L) 2 ( L) 2SIN2 c）第一套公式的图解法（参见图1.4 ）：（ 1）作水平射线 OA；（ 2）作 BOA c（两测点平均角）；（ 3） . 以一定长度代表单位角度，量OB （两测点方位角差）；（ 4）自 B 点向 OA作垂线，垂足为 C点；（ 5）按步骤 (3)
17、 中的比例，量 CA ；（6）连接 A、 B，并量 AB 长度，按步骤 (3) 比例换算成角度，此角度及狗腿角 。第二套公式：（由于误差较大，现场使用少略）第三套公式： SQR（ 12 22 2 1 2COS ）Ba20Aa1图 1.5 第三套公式的图解法第三套公式图解法（参见图1.5 ）：（1）选取一定比例，经一定长度代表单位角度，作线段OA，使其长度代表 1；（ 2）作 OB线段，使 BOA ；（ 3）按步骤 (1) 的比例，量 OB 2；（ 4）连接 A、 B，并量邓 AB的长度，按步骤 (1) 的比例换算成角度，既为 10）垂深（垂直井深）：即某测点的垂直深度，以H 表示。 ?是指井身
18、任意一点至转盘面所在平面的距离。11）水平投影长度：是指自井口至测点的井眼长度在水平面上的投影长度。以S?表示。12 ）水平位移：简称平移，是指测点到井口垂线的距离。在国外又称为闭合距( Closure Distance）。13）平移方位角：又称为闭合方位角（Closure Azimuth ），常用 表示， ?是指以正北方位线为始边顺针方向转至平移方位线上所转过的角度。14）视平移：又称为投影位移，井身上的某点在垂直投影面上的水平位移。在实际定向井钻井过程中，这个投影面选在设计方位线上。所以视不移也可以定义为水平位移在设计线上的投影。15）高边：在斜井段用一个垂直于井眼轴线的平面于井眼（这时的
19、井眼不能理解为一条线，而是一个具有一定直径的圆）相交，由于井眼是倾斜的故井眼在该平面上有一个最高点，最高点与井眼圆心所形成的直线及为井眼的高边。16）工具面：工具面就是造斜工具弯曲方向的平面。17）磁性工具面角：造斜工具弯曲的平面与正北方位所在平面的夹角。18）高边工具面角：造斜工具弯曲方向的平面与井斜方位角所在平面的夹角。19）装置角：造斜工具弯曲方向的平面与原井斜方向所在平面的来夹角，通常用 ?表示。20）反扭矩：在用井底动力钻具钻进时，都存在一个与钻头转动方向相反的扭矩，该扭矩被称为反扭矩。21）反扭角：使用井底动力钻具钻进时，都存在一个与钻头转动方向相反的扭矩，由于该扭矩的作用，使得井
20、底钻具外壳向逆时针方向转动一个角度，该角度被称为反扭角。22) 贮层顶部：水平井段控制油层的顶部23) 贮层顶部：水平井段控制油层的底部24) 设计入口角度：进入储层顶部的井斜角度25) 着陆点：井眼轨迹中井斜角达到90°的点26) 入口窗口高度：入靶点垂直方向上下误差之和27) 入口窗口宽度：入靶点水平方向左右误差之和28) 出口窗口高度：出靶点垂直方向上下误差之和29) 出口窗口宽度：出靶点水平方向左右误差之和30) 着陆点允许水平偏差：着陆点允许水平方向前后的误差31) 单弯动力钻具：动力钻具壳体上具有一个弯曲角度的动力钻具，特点是造斜率较弯接头组合高，钻头偏移较小32) 双弯
21、动力钻具：同向双弯，动力钻具壳体上具有两个弯曲方向相同的弯曲角度的动力钻具，具有比单弯动力钻具更高的造斜率33) DTU 动力钻具（异向双弯）：动力钻具壳体上具有两个弯曲方向相反的弯曲角度的动力钻具，钻头偏移最小，不仅可以导向钻进，而且可以配合转盘钻进；附：常用单弯动力钻具、双弯动力钻具、DTU（异向双弯）造斜率表。第四节 定向井、水平井基本施工步骤简介1 ）定向井井位的确定井位坐标要求：基本数同一般直井。丛式井坐标需一同下发，以便作出丛式井整体设计。注明各中靶点的坐标及垂直深度，提供最新井位构造图。2 ）地面井口位置的选择工程、地质设计及测量人员根据井位坐标和地面实际条件确定井口位置和井架整
22、托方向（丛式井）。井口位置选择尽量利用地层自然造斜规律。多目标井井口位置在第一靶点和最后一个靶点联线的延长线上。井架立好后需要进行井口坐标的复测。3 ）定向井设计地质设计在坐标初测后提出初步设计，在坐标复测后提出正式设计。地质设计除包括一般井内容外，在工程施工中要求必须说明靶点相对与井口的位移和方位，多目标井说明靶点之间的稳斜角度。附最新井位构造图、油藏剖面图、设计轨迹水平投影图和垂直投影图。工程设计必须符合地质设计要求。井身轨迹设计数据表，特殊工艺技术措施。井身结构及分段钻具组合和钻井参数等。4 ）设备要求（钻机）根据定向井垂直井深、水平位移、井身结构和井眼曲率选择设备类型。推荐设备标准（使用于 位移垂深 0.4 的定向井）：垂深 2800M、水平位移 600M，选用 3200M钻机；垂深 3500M、水平位移 1200M，选用 4500M钻机；垂深 4500M、水平位移 2000M，选用 6000M钻机；垂深 4500M、水平位移 1500M，选用 7000M钻机。5）定向井靶区半径标准不同井深靶区半径要求（总公司标准）：靶区垂深（ M）靶区半径（ M）靶区垂深（ M）靶区半径（ M）1000 303000801500 4035001002000 5040001202500 654500140