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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9l所示。 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：一、专业名词 1定向井（Directional Well） 一口井的设计目标点，按照人为的需要，在一个既定的方向上与井口垂线偏离一定的距离的井，称为定向井。 2井深（Measure Depth） 井眼轴线上任一点，到井口的井眼长度，称为该点的井深，也称为该点的测量井深，或斜深。单位为“m”。 3垂深（Vertical Depth or True Vertical Depth） 井眼轴线上任一点，到井口所在水平面的距离，称为该点的垂深。通常以“m”为单位。 4水平位移（Displacement or Closure Distance） 井眼轨迹上任一点，与井口铅直线的距离，谓之该点的“水平位移”。也称该点的闭合距。其计量单位为“m”。 5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。如图101所示，为设计方位线，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，以 AP表示。P点的视平移为，其长度以VP表示。当与同向时VP为正值，反向时为负值。视平移是绘制垂直投影图的重要参数。单位为m。 6井斜角（Hole Inclination or Hole Angle） 井眼轴线上任一点的井眼方向线，与通过该点的重力线之间的夹角，称为该点处的“井斜角”。以度为单位。 7最大的井斜角（Maxinum HoleAngle） “最大井斜角”有两种不同的意义。 对已钻成的实际井眼来说，全井所有的各个测点中，井斜角的最大值称为该点的“最大井斜角”。 在定向井的设计剖面中，其增斜井段的终止点处，井斜角值应该最大。这就是通常所说的“最大井斜角”。以“度”表示。综上，无论设计剖面，还是实钻剖面，全井井斜角的最大值，称为该井的最大井斜角。 8方位角（Hole Direction） 在以井眼轨迹上任一点为原点的平面坐标系中，以通过该点的正北方向线为始边，按顺时针方向旋转至该点处井眼方向线在水平面上的投影线为终边，其所转过的角度称为该点的方位角。以“度”表示。见图102（a）。 方位角还有另外一种表示方法。即：在井眼轨迹上任一点建立一个以该点为原点的水平面直角坐标系。该点处井眼方位线与正北方位线或正南方位线的夹角、称为该点的“方位角”，也称“井斜方位角”。这种表示方法，井斜方位角均不大于90，如图102（b）所示。 9磁偏角（Declination） 在某一地区内，其磁北极方向线与地理北极方位线之间的夹角，称为该地区的“磁偏角”。磁偏角的计量方法是以地理北极方向线为始边，以磁北极方向线为终边，顺时针为正值，逆时针为负值，转过的角度值即为磁偏角的数值。磁偏角的正值为东磁偏角，负值为西磁偏角。 10磁方位校正 用磁性测斜仪测得的方位角称为磁方位角。它是以磁北方位线为基准的。由于大地磁场随着地理位置和时间在不断变化，所以需要以地理真北方位线为基准进行校正。这种校正称为磁方位校正。校正后的磁偏角计算方法是：磁方位角值加上该地区的磁偏角。 11造斜点（Kick Off Point） 在定向井中，开始定向造斜的位置叫“造斜点”。通常以开始定向造斜的井深来表示。 12井斜变化率 单位井段内井斜角的改变速度称为“井斜变化率”。通常以两测点间井斜角的变化量与两测点间井段的长度的比值表示。常用单位是：10m，25m和100 m。 井斜变化率的公式如下： 13方位变化率 单位井段内方位角的变化值，称为方位变化率。通常以两测点间方位角的变化量与两测点间井段长度的比值表示。常用单位有：10m，25m和100m。 其计算公式如下： 14造斜率 造斜率表示了造斜工具的造斜能力。其值等于用该造斜工具所钻出的井段的井眼曲率。不等于井眼变化率。 15增（降）斜率 指的是增（降）斜井段的井斜变化率。其井斜变化为正值时为增斜率。负值为降斜率。 16全角变化率（Dogleg Seventy） “全角变化率”，“狗腿严重度”，“井眼曲率”，都是相同的意义。指的是在单位井段内井眼前进的方向在三维空间内的角度变化。它即包含了井斜角的变化又包含着方位角的变化。其 计量单位为：25m。 17增斜段 井斜角随井深增加的井段，称增斜段。如图103所示。 18稳斜段 井斜角保持不变的井段，称为稳斜段。 19降斜段 井斜角随着井深的增加而逐渐减小的井段称为降斜段。 20目标点（Target） 设计规定的、必须钻达的地层位置，称为目标点。通常是以地面井口为坐标原点的空间坐标系的坐标值来表示。 21靶区半径 允许实钻井眼轨迹偏离设计目标点的水平距离，称为靶区半径。 所谓靶区，就是在目标点所在的水平面上，以目标点为圆心，以靶区半径为半径的一个圆面积。靶区半径的大小，根据勘探开发的需要或钻井的目的而定。 22靶心距 在靶区平面上，实钻井眼轴线与目标点之间的距离，称为靶心距。 23工具面（Tool Face）在造斜钻具组合中，由弯曲工具的两个轴线所决定的那个平面，称为工具面。 24反扭角 使用井底马达带弯接头进行定向造斜或扭方位时，动力钻具启动前的工具面与启动后且加压钻进时的工具面之间的夹角，称为反扭角。反扭角总是使工具面逆时针转动。 24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。从井底圆心至高边之间的连线所指的方向，称为井底的“高边方向”。高边方向上的水平投影称为高边方位。即井底的方位。 26工具面角（Tool Face Angle） 工具面角是表示造斜工具下到井底后，工具面所在的位置的参数。工具面角有两种表示方法：一种是以高边为基准（High Side Mode），一种是以磁北为基准（Magnetic Mode）。 高边基准工具面角，简称高边工具角。是指高边方向线为始边，顺时针转到工具面与井底圆平面的交线上所转过的角度。 由于高边方向线在水平面上的投影，即为井底方位线，所以，若以正北方位线为始边，顺时针转到井底方位线上所转过的角度，即为井底方位角。 磁北基准工具面角（简称磁北工具面角），等于高边工具面角加上井底方位角。 27定向角 定向角是定向工具面角的简称。在定向造斜或扭方位钻进时，当启动井下马达之后，工具面所处的位置，用工具面角表示，即为定向工具面角。 定向角可用高边工具面角表示。也可用磁北工具面角表示。 定向角与我国的现场常用的“装置角”词，意义和计算方法均相同。 在定向造斜或扭方位之前，根据定向造斜或扭方位的要求，计算出所需要的定向角，这是预计的定向角。在实钻的过程中，由于各种因素的影响，实际的定向角与预计的定向角不一定完全相符。在使用随钻测斜仪器的情况下，可以调整工具面，使实钻定向角与预计定向角基本相符。 28安置角（Too1 Face Setting） 安置角是安置工具面角的简称。在定向造斜和扭方位钻进时，当启动井下动力钻具之前，将工具面安置的位置，以工具面角表示，即为安置工具面角。 安置角在数值上，等于定向角加反扭角。 安置角、定向角、反扭角以及井底方位角之间的关系可用图104所示。 常规定向井井斜角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。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 2井斜角 3方位角 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N10E，S20W。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。 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（l）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k。1 第一套公式2 第二套公式coscosa1cosa2sina1sina2 cosj（93）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a1、a2和j值下的狗腿角值，并列成表格，形成了查表法。3第三套公式两测点间的狗腿角。若将三套公式作比较，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，从计算精度来讲，最高的是曲率半径法和最小曲率法。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。 （1）第一种表达形式 （913）（916）式中：这四个公式是最常用的计算公式：曲率半径法的特殊情况处理 第三种特殊情况，12，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： 令fM（2/）tg（/2），fM是个大于1但很接近1的值。在狗腿角足够小的情况下，可近似认为fM1，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。 S是切线1M和M2在水平面上的投影之和，即S1M M2。S并不是测段的水平投影长度S。要作出井身垂直剖面图，需要求出S，而最小曲率法却求不出S，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S： （939）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99所示，靶点为T，设计方位角为j。若按j定向钻进，则会钻达T点，只有按照j角方向钻进，才会钻达目标点T。j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。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716100米，最大不超过20100米。不同的井段要选用不同的井眼曲率，具体如下：井下动力钻具造斜的井眼曲率取：716100米。转盘钻增斜的增斜率取：712100米。 转盘钻降斜的降斜率取：38100米。 井下动力钻具扭方位的井眼曲率取：714100米。 导向马达调方位或增斜的井眼曲率取：512100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： Dc套管外径，厘米。 2井眼尺寸 目前常规的定向井工具能满足152445毫米（6171/2英寸）井眼的定向钻井要求，一般地说，大尺寸井眼比较容易控制轨迹，但由于钻铤的尺寸也较大，形成弯曲所需的钻压较大，小井眼要使用更小、更柔的钻具，而且地层因素对轨迹的影响也较大。因此小井眼的轨迹控制更困难一些。 在常规的井眼尺寸中，大多数定向井可采用直井的套管程序。如果实钻井眼轨迹较光滑，没有较大的狗腿，那么即使在大井斜井段，也能较顺利地进行下套管作业。当然，在斜井段，应在套管上加扶正器以支撑套管，避免在下套管过程中发生压差卡钻，同时提高固井质量。另外，在大斜度井段，可根据井段长度和作业时间，决定是否使用厚壁套管。 3钻井液设计： （1）定向井钻井液设计十分重要，钻井液应有足够的携砂能力和润滑性，以减少卡钻的机会； （2）钻井液性能控制对减少定向井钻柱拉伸与扭矩也很重要； （3）钻井液中应加润滑剂，钻井液密度与粘度必须随时控制。 （4）如果用水基钻井液，那么在正常压力井段，应使用高排量和低固相含量的钻井液，这样有利于清洁井眼； （5）水基钻井液应具有良好的润滑性能，以减少钻具摩阻和压差卡钻；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1.45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3050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3050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5070米。 6造斜率和降斜率选择 常规定向井的造斜率为714100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1416100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2000米）可选择较高的造斜率。 对于“S”型井眼，通常把降斜率选在38100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1545，如果井斜太小，则井眼的井斜和方位都较难控制。井斜大于60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3050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max。 （2）各井段的井身参数计算： 增斜段 稳斜段 降斜段 稳斜段 总井深L（3）设计计算中特殊情况的处理当Ho2So22RoSo0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max: 当2RoSo0时，可用下式求最大井斜角max:当Ho2So22RoSo0，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。3 设计方法举例 例 某定向井设计全井垂深H=2-000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 X1：3 246 535.0 Y1：2 054 875.0井底座标 X2：3 245 972.95 Y2：2 054 665.0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7100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max R造斜段曲率半径，米。把已知条件代入上式得： max=24.4（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（ 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29.4 78.4千牛（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）。 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2550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（5100米以内），可采用强行增斜法。 （l）接单根后，开泵至设计排量，慢慢加压至设计钻压的75左右； （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； （3）钻完一个单根时，马上停转盘，钻压不回零，上提钻具。 （4）划眼时，井底的最后2米左右不划眼。 采用强行增斜法要注意：一是当前钻进的转盘扭矩不应过大；二是启动转盘时，要保持钻压达到预定的数值；三是整个井下钻具各组件质量应合格；四是采用这种特殊方法只能达到微增效果（增斜率可提高4100米左右经验数据）。 三稳斜井段 常用的稳斜钻具组合（见图911，从下至上，稳斜效果越来越强。图中UG是指尺寸不足的扶正器）。 钻头十近钻头稳定器十短钻铤（36米）十稳定器十非磁钻铤十稳定器十钻铤十键槽破坏器十挠性接头十震击器十加重钻杆。 施工措施： l造斜或增斜结束后，下入第一趟稳斜钻具时，从造斜点开始要慢慢下钻。尤其是在软地层、高造斜率的情况下，容易遇阻，并可能产生新井眼，必须注意： （1）下钻遇阻时，活动钻具35次，切勿 “压死”钻具； （2）开泵，慢慢下放23次。 （3）在遇阻点以上1.5米左右，中高速转动转盘（8090转分），快速下放，钻压不超过98千牛（10吨）； （4）通过遇阻点以后，上、下活动钻具l2次，继续下钻。 注意：在硬地层时，稳斜钻具在造斜段遇阻，仍可采用前述（l）、（2）步骤，只是活动钻具的次数适当减少，仍然遇阻时，同样要转动转盘，只是转速适当地低一些，且控制钻压，慢慢下放，切勿“压死”钻具。 2在方位右漂严重的地层中钻进，可采用“超长翼”的稳定器（钻具组合相同），以稳定方位角。也可采用PDC钻头（如R426型），以利用PDC钻头具有方位左漂趋势的特性。 3总结同一地层的自然增斜或降斜特性，合理地选择稳斜钻具组合。 4测斜，最大测斜间距不超过100米，特殊井的关键井段测斜间距应为30米左右，并及时绘制垂直剖面图和水平投影图，随时掌握实钻井眼轨迹情况。 四降斜井段 常用降斜钻具组合（见图9一12，从下至上，降斜效果越来越强）。钻头十短钻铤（38米）十稳定器十非磁钻铤十稳定器十钻铤十键槽破坏器十挠性接头十震击器十加重钻杆十钻杆。 注意。 1定向井的降斜钻具组合不宜采用大钟摆式，否则降斜率过高，起下钻困难。 2降斜段一般接近完井井段，井下扭矩和摩擦阻力较大，在满足中靶的前提下，应尽量简化钻具组合，使用加重钻杆加压。 五扭方位 一般地说，井斜的控制要比方位控制容易一些，如何实现方位的自由控制，也是定向井钻井的一大难题。影响方位的因素很多，除地层这一不可改变的因素之外，钻井参数和钻具组合也对方位产生一定的影响。其影响规律如下： 在钻具组合方面，一般认为，对方位漂移产生主要的影响是前3060米的钻具组件。稳定器能起到稳定方位漂移的作用，稳定器越多，方位漂移总趋势的变化不会太大。也就是说，对稳斜钻具组合，由于稳定器较多，方位的漂移趋势变化不大，而对于增斜和降斜钻具组合，方位的漂移趋势可能变化。 在钻井参数方面，钻压和转速也对方位产生影响。一般地认为，适当的高转速（为90110转分）和中等钻压98147千牛（1015吨），抑制方位向右漂移的效果较好。由于影响方位漂移的因素很多，地层的变化也很难掌握，因此方位控制的确较困难。但是，要尽量少扭方位，一口井最多扭两次方位，还是可以接受的。 当实钻井眼轨迹严重偏离靶区范围，且根据当前的方位漂移趋势无望进入靶区时，应下入造斜钻具组合扭方位。 1施工要点： （1）扭方位钻具组合及其采用的钻井参数和定向造斜施工基本上相同（建议尽量少下钻铤，防止压差卡钻）； （2）选择可钻性和稳定性较好的地层（尤其是大段砂层），实施扭方位作业； （3）深井扭方位，由于反扭角较大，一般采用随钻测斜仪扭方位； （4）井斜角较大井段（40以上）扭方位，容易降斜。扭方位前一趟钻，可以事先增加23井斜，以弥补扭方位时的降斜效果。当然，采用先扭完方位，井斜自然降低以后，再适当地增斜，也能保证较好的井眼轨迹； （5）依据实钻的垂直剖面图，确定采用何种扭方位的工具面角度（增、降或稳斜）。 2方位扭转角的计算方位扭转角的计算，可按如下步骤进行： （l）进行测斜计算，算出目前的井底坐标位置。如图 913所示， OT为设计的井斜方位线，ode为实钻井眼轴线的水平投影，e为目前的井底。d为距井底较近的测点位置。目标点T的坐标为HT、ET、NT，井深为LT。根据测斜资料及测斜计算可知，d、e二点的基本参数为井深Ld、Le井斜d、e，方位jd、je，e点的坐标为垂深He，东位移Ee，北位移Ne。 （2）计算现用钻具组合的方位漂移率Kp。 （3）计算现用钻具组合钻达目标点的总方位漂移量jp： 下式假定现用钻具组合一直钻到目标点。如果钻了一段又换了钻具组合，则应重新进行计算。 （4）计算对准目标的方位线的方位角jz ： 如图914所示，自目前井底e，对准目标点T的方位线为eT，eT的方位角为jz，jz按如下公式计算。 对于偏差jz，如果按照方位漂移率不变，那么从目前井底e钻达目标T，需要的方位漂移（见图915）。 （6）控制方位角的方法 选择方法的依据是将jp与2jz进行对比，2jz是需要的方位漂移角，jp是用目前采用的钻具组合可能达到的方位漂移角。 若2jzjp，表示需要与可能正好相符，则用现用钻具组合的自然漂移率就可以将方位扭过来，从而准确中靶。 若2jz与jp相差较大，甚至符号相反（一个是正号，一个是负号），则表明必须使用动力钻具带弯接头强行扭方位。必须记住，在强行扭完方位之后的钻进过程中，方位仍然会漂移。所以，在计算用动力钻具（带弯接头）扭方位的方位扭转角时，必须考虑方位漂移的影响。 （7）用动力钻具强扭方位的扭转角j可用下式计算：jjz1/2jp（971）上式表明，用动力钻具强扭方位时，要“少扭”一些角度，留下一些角度让钻具组合的自然漂移去扭。这个“少扭”的角度就是1/2jp。（8）计算预计的井底井斜方位角jrjrjejjp（972） 有一个问题需要特别强调。上述的计算是根据该井正在使用的钻具组合和正在钻进的地层的具体条件下的井眼方位漂移率来计算的。在继续钻进过程中，当钻具组合和地层发生变化时，方位漂移率也发生变化，原来的计算也就无效了。这时需要根据井身水平投影图及新的测斜资料，重新计算。定向井的方位控制是一个不断进行的过程，不可能进行一次计算就能成功。但是每一次计算都只能是根据靠近目前井底的那个井段的方位漂移率来进行。 3图解法扭方位的工具面 图解法扭方位是一种近似计算工具面的方法，使用简单，求解迅速，是现场常用的方法。造斜工具的工具面方向决定使用这种造斜工具钻出的新井眼是增斜、降斜还是稳斜，是增方位还是减方位。工具面大小也决定着造斜工具的造斜能力用于井斜和方位上的分配比例。工具面对井斜和方位的影响，如图916所示。 由上图可知： 0TF90时，装置角位于第一象限，增斜，增方位。 90 TF180时，装置角位于第二象限，减斜，增方位。180 TF270（90）时，装置角位于第三象限，减斜，减方位。270TF360时，装置角位于第四象限，增斜，减方位。 图916是一个扭方位的示意图。图中，OM所示为原井眼方位（高边方向），OA为原井斜角1（7），MAB为扭方位时的工具面角（w），AB为扭方位工具的造斜能力（gL）。 MOB是钻进L米井眼方位的增值（），CB是井斜角的增值（），OB是扭方位钻进L米时的井斜角1。图中，OA、AB、OB分别表示原井斜角l、工具的造斜能力 gL和扭方位钻进L米时的井斜角，须用相同单位长度代表1（如1厘米代表1或2厘米代表1）。 在全力扭方位时，理论上认为：工具面应放在右95（全力增方位）或者是左95（全力减方位），以保持井斜角不变和全力扭方位。右（或左）9095之间的角差为偏增角（取5）。实际扭方位过程中，工具面通常选择在8095（全力扭方位）。图解法扭方位的步骤如下。已知条件：扭方位前的井斜角1，方位角j1，扭方位后方位角j2，jj2j1，弯接头的造斜率K以及限定扭方位的井眼长度L。 （1）根据K、L计算扭方位井段的狗腿角ggKL。 （2）选取一定长度单位代表井斜角度值，如以 1厘米代表1或以 2厘米代表 1.5“等。 （3）选定原点O，作 N、E坐标，根据j1作井斜方位线OQ，量得OA1（长度代表角度），以A点为圆心，g（以长度代表角度）为半径画圆。 （4）以AOBj作线段OB，交圆于B、B两点。 j 0，表示方位增加，作图时应以 OA为始边，顺时针转动至 OB方向；j 0，表示方位减小，应以OA为始边，逆时针方向转到OB线。（5）用量角器量得QAB和QAB，QAB表示增斜扭方位，QAB表示减斜扭方位的装置角。（6）用直尺量得OB和 OB的长度，按所选比例换成角度，即表示扭完方位后所能达到的井斜角。其中