第二章定向井的设计

1、第二章 定向井的设计2.1 定向井设计的准备 2.1.1 定向井基本技术术语钻井工程师首先必须熟练定向井中的一些术语。(1) 造斜点，Kick-Off Point 或 K.P， 即井眼开始从垂直井段倾斜的起点。(2) 井斜角，Inclination或INC，即井眼某一点的轴线的切线与铅直线之间的夹角。(3) 方位角是表示井眼偏斜的方向，它是指井眼轴线在水平面的投影的方向与正北方向之间的夹角。(4) 井斜变化率，指单位长度（100英尺或30米）内井斜角的变化值，而单位长度内方位角变化值则称为方位变化率。(5) 垂深(True Vertical Depth)，TVD，深度零点到测点水平面的距离。(

2、6) 闭合距和闭合方位，闭合距指水平面上测点到井口的距离；闭合方位即在水平投影图上，测点与井口联线与正北方向的夹角(7) Lead Angle，导角或方位提前角，预计造斜时的方向线与靶点方向线(目标方向)的夹角。2.1.2 作业者应提供的设计资料(1) 井名、数量、地区；(2) 井的垂深；(3) 水平位移与方位；(4) 靶区描述与限制；(5) 井眼尺寸与套管程序；(6) 泥浆程序；(7) 邻井位置及可能的测斜数据；(8) 邻井的钻井资料；(9) 钻井承包商的名称及钻机号；(10) 钻杆描述(11) 钻铤及加重钻杆的资料；(12) 泵型号、马力、缸套尺寸、冲程及额定泵压等；(13) 工具运输和人

3、员计划；(14) 能提供的通讯；(15) 承包商及作业者代表的名字与电话；(16) 钻井工具的最小井径；(17) 定向钻井人员的食宿；(18) 狗腿严重度限制；(19) 轨迹测量方式；(20) 任何其他有关情况。2.1.3 服务公司应提供的设计资料(1) 一份(或几份)定向井设计图；(2) 服务公司计划提供的工具及设备清单；(3) 非磁钻铤的要求；(4) 磁偏角；(5) 推荐的测量方式；(6) 总体定向钻井方案；(7) 责任定向井工程师的名字、地址及电话；(8) 准备使用的测量计算方法；(9) 人员、设备的运输计划。2.1.4 井眼尺寸(1) 目前的常规定向工具能满足6”17-1/2”井眼的定

4、向钻井；(2) 大尺寸井眼比较容易控制井眼轨迹，而小井眼则相对较难，因为小井眼需使用更小、更柔的钻铤、钻杆；(3) 小尺寸井眼中，地层因素对轨迹的影响较大。2.1.5 套管程序(1) 定向井中使用的套管有13-3/8”、10-3/4”、9-5/8”、7-5/8”、7”，甚至更小的套管；(2) 如果井眼轨迹很光滑，没有很大的狗腿，那么即使在大井斜井段，也能顺利进行下套管作业；(3) 井眼倾斜井段，应在套管上加扶正器以支撑套管，避免在下套管过程中，发生压差粘卡；(4) 在大井斜井段，可使用较厚的套管以避免磨损；(5) 大多数定向井可采用直井中的套管程序；(6) 对于深井或大斜度井，应该考虑在钻杆上

5、加橡胶保护箍以避免损坏套管或钻杆。2.1.6 泥浆程序(1) 定向钻井泥浆程序十分重要，合理的泥浆应有足够的携砂能力和润滑性，以减少卡钻的机会；(2) 泥浆性能控制对减少定向井钻柱拉伸与扭矩也很重要；(3) 泥浆中应加润滑剂，泥浆比重与粘度必须随时控制；(4) 如果以泥浆作为钻井液，那么在正常压力井段，应使用高般土，低规固相含量的泥浆，这样将有利于清洁井眼；(5) 水泥基浆中加68%的柴油，将保证良好的润滑性能以减少钻具磨阻和压差卡钻；然而在水域钻井，一定要避免污染水域；(6) 如果有异常高压井段,要求泥浆比重达到12.oppg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

6、常压力井段；(7) 能用清水钻直井的地区,同样也用清水钻定向井。2.1.7 造斜点选择(1) 造斜点通常是越浅越好；(2) 一般来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；(3) 造斜点至少应在前一层套管鞋以下50米，以避免损坏套管鞋；(4) 尽量在大段砂层中造斜，因为砂层的井径稳定，而页岩段较易受到冲蚀；(5) 对一口定向井来说，初始造斜的井斜、方位非常重要；(6) 造斜后的井斜角大小也要考虑，通常井斜在25以上井眼方位较稳定，而井斜较小时(520)，井斜、方位都比较难控制。2.1.8 靶的形状与尺寸(1) 定向井设计的第一步就是确定靶区；(2) 靶区开头与尺寸通常由地质构造、

7、产层位置决定，并考虑油区油井分布情况；(3) 然而，靶区应经过广泛讨论后再确定，以避免靶区定得太小，不现实，从而导致作业费用大大增加。2.1.9 平台最佳位置选择(1) 选择最优井位，利用地层的自然漂移趋势,是非常必要的；(2) 地层走势对井斜有很大的影响；(3) 通过软、硬交错的地层，通常钻头倾向于垂直地层层面钻进；(4) 如果层状地层倾角大于45，通常钻头倾向于平行地层层面钻进；(5) 同样，地层走势对方位漂移有影响。如果预计钻进方向同于地层上倾方向，方位将按钻头自然漂移趋势漂移，而井斜将增加很快；(6) 如果预计钻进方向在地层上倾方向的左边，钻头将向右漂移；如果预计钻进方向在地层上倾方向

8、的右边，钻头将向左漂移；(7) 因此在地面条件允许的情况下，应尽量利用地层走势，最大限层地减少井眼的漂移。2.1.10 造斜率选择(1) 大多数定向井造斜率为23/30m；如果需要在浅层造斜段获得较大位移，造斜率可提高到3.55/30m；(2) 造斜时，井斜应稳步增加，直到最大井斜。2.1.11 最大井斜角(1) 常规定向井,一般最大井斜在2060之间；(2) 如果井斜大小(低于20)，则井眼的井斜、方位都较难控制；(3) 井斜大于60将使钻具摩阻大大增加，并且难于进行用常规测井工具的测井。渤海定向井1993年所钻SZ36-1-B10井，最大井斜65，测井时工具所通过井段的最大井斜为62，而在

9、65井段，反复通井，测井仪器均不能通过。2.1.12 降斜率(1) 对于“S”型井眼，通常降斜段降斜率选择12/30m；(2) 如果降斜后仍然要钻较长的井段，必须采用较小的降斜率，平缓降斜，以避免键槽卡钻。2.1.13 导角(方位提前角)(1) 导角就是指实际造斜时的方位与设计方位的差值。(2) 通常对于转盘钻进时，钻头有右漂趋势，但有些定向井方位左漂。(3) 为利用这一自然漂移趋势，通常是造斜时的方位在设计方位的左边，即比设计方位小某一角度，即导角。(4) Southern Louisiana Offshore 定向井作业中，最大导角达1530并且定向控制很成功。2.1.14 狗腿严重度(1

10、) 狗腿严重度是描述井眼轨迹全角变化的尺度。通常以每30米井段的全角变化表示。(2) 通常狗腿较大的井段应反复划眼，以减小严重程度和形成键槽的可能，同时也能减小钻柱旋转时挠曲，避免损坏钻具。(3) 狗腿严重度计算公式： a: Cos Dog-Leg=Cos(Inc1)Cos(Inc2)+Sin(Inc1) Sin(Inc2)Cos(Direction Change) b: Dog Leg=Cos-1 2.1.15 允许的方位偏移与极限(1) 定向钻进时，初始造斜方向或在设计方位的左边或右边，(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

11、密集的井网中，要求定向井轨迹保持在以设计井眼轴线为中心的圆柱内，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。2.1.16 邻井和钻柱的磁场对测量仪器的影响(1) 用过的钻柱通常已被磁化，因此测量时需用非磁钻铤。(2) 同时，邻井的套管产生的磁场对测量有影响，因此也要加以考虑。2.2 定向井轨迹设计与计算2.2.1 定向井剖面类型选择在进行定向设计的时候,首先应根据井身剖面设计的原则确定一种井身剖面。井身的剖面类型很多。选择合适的井身剖面不是一位容易的事。它必须考虑到地质条件、套管程序、目的层的位置以及钻井技术水平等因素。根据目前国内外的资料和经验，最

12、常用的井身剖面有三种。如图2-1 所示：类形1，如图2-1A所示，这种剖面造斜深度较低，通常在表层套管内即达到所需的井斜角，以后一直稳斜钻至目的层位。该剖面最常用于不下中间套管和单一油层的中深井，也可用于要求水平位移很大，井深较深的井。类型2，如图2-1B所示，这种剖面造斜井深较浅。造斜完后，下表层套管然后稳斜钻进。在达到预定的水平位移后降斜钻进，直到井眼垂直，然后下中间套管。最后使井眼垂直进入油层。该剖面适用于地层情况复杂需要下中间套管，而且油层较多的井。采用这种剖面，井距易于保持均匀。在斜井段处于较软的上部地层便于造斜。类型3，如图2-1C所示。这种剖面具有大段的垂直井段，与其它类型的剖面

13、相比井斜角可能大一些，且位移小一些。由于造斜点较深，地层胶结较好，因此造斜费时较长，且造斜段没有用套管封固。图2-1A 图2-1B 图2-1C上述几种剖面类型，并不是一成不变的。在生产实践中，常常根据实际情况灵活应用，设计出许多剖面。例如悬链线，二次抛物线等井身剖面，选用这类井身剖面，钻具摩阻小。2.2.2 井身剖面的设计方法(1) 定向井井身剖面的设计方法有三种：作图法、查图法、解析法。由于计算机技术的迅速普及且精度高，因此解析法成为最广泛使用的一种方法。(2) 解析法的计算方法2.2.1中所述的第二类型井身剖面，即五段制剖面“直-增-稳-降-稳”，可以作为所有常规井剖面的代表，故下面以这种

14、剖面为例说明其设计计算方法。例1：已知条件：全井总垂井H，靶点垂深Ht，设计方位0，进入油层角度”，试设计该定向井。设计步骤： 初步确定井身剖面类型采用五段制，即“直-增-稳-降-稳”。图2-1为剖面示意图图2-2：剖面示意图 选定造斜点，即确定垂直井段Hv 选定增斜率和降斜率增斜率1，降斜率2，则增斜、降斜井段的曲率半径分别为： 1 1 R1=- R1=- 1 2 计算最大井斜角max 通过几何关系，求得方程得： max-1（HO-（HO2+AO2-2RO*AO）1/2）/(2RO-AO) 式中:HO=Ht-Hv+R2*sin* AO=At+R1-R2*cos* RO=R1+R2井身剖面的计

15、算，按照曲率半径法原理通过计算机实现。 2.2.3 实际井眼轴线的计算方法(1) 井眼轨迹的测量方法分类，共分为三类七种方法：第一类：直线法，包括正切法和平均角法。第二类：折线法，即平衡正切法。第三类：曲线法，包括圆柱螺线法(曲率半径法)、校正平均角法、弦步法。(2）现场常用的测量计算方法在上述七种计算方法中，从计算假设中的合理性上看，直线法不如曲线法，但直线和折线法较为简单，而曲线较为复杂。由于计算机得到普遍应用，因此曲线也就成了最普遍的方法，尤其是圆柱螺线法(曲率半径法)和最小曲率法。下面介绍现场常用的两种方法：(一) 平均角法(角-平均法) (Angle-averaging ethod)此法认为两相邻测点之间的井眼为一直线，该直线的井斜角和方位角等于上下两测点相应角度的算术平均值。即 A+B V= - 2 A+B V= - 2其余计算公式如下:H=L