定向井技术(第一章第二章)

1、主讲人： 李玮李玮 班级： 09届届01-02班班 联系方式：定向井钻采技术 课程的基本要求课程的基本要求 了解定向井的基本类型和用途； 了解和掌握定向井井眼轨道设计的基本理论与方法； 了解和掌握实钻井眼轨道的描述方法与理论； 了解定向井轨道控制力学分析的基本方法； 熟悉掌握油气井井眼轨道预测及控制的基本方法与理论。 课程的主要参考文献课程的主要参考文献 刘修善著，井眼轨道几何学，石油工业出版社； 苏义脑著，水平井井眼轨道控制； 韩志勇，定向井设计与计算； 刘希圣主编，钻井工艺原理中册； 闫 铁，李士斌，深部井眼岩石力学理论与实践 1.1 1.1 井眼轨道井眼轨道 垂

2、直井：垂直井：设计井眼轴线为一铅垂线，其井斜角、设计井眼轴线为一铅垂线，其井斜角、 井底水平位移和全角变化率均在限定范围。井底水平位移和全角变化率均在限定范围。 定向井：定向井：沿着预先设计的井眼轨道，按既定方向沿着预先设计的井眼轨道，按既定方向 偏离井口垂线一定距离，钻达一定目标的井。偏离井口垂线一定距离，钻达一定目标的井。 按井眼轨道分类：按井眼轨道分类： 1.2 井眼轨道的发展过程 定定 向向 井井 普通定向井：普通定向井：一个井场内仅有一个井场内仅有1口最大井斜角小于口最大井斜角小于60的定向井。的定向井。 斜直井：斜直井：用斜直钻机或斜井架完成，自井口开始井眼轨道一直是一段用斜直钻机

3、或斜井架完成，自井口开始井眼轨道一直是一段 斜井段的定向井。斜井段的定向井。 大斜度井：大斜度井：最大井斜角在最大井斜角在60 80范围内的定向井范围内的定向井 水平井：水平井：最大井斜角大于或等于最大井斜角大于或等于86 ，并保持这种井斜角钻完一定长，并保持这种井斜角钻完一定长 度井段的井。度井段的井。 长曲率半径：长曲率半径：6 /30m 中曲率半径：中曲率半径：6 20 /30m 水平井水平井 中短曲率半径：中短曲率半径：1 20 /30m 短曲率半径：短曲率半径：1 10/m/m 径向水平井：径向水平井：k= 丛式井：丛式井：在一个井场内有计划地钻出两口或两口以上的定向井组，其在一个井

4、场内有计划地钻出两口或两口以上的定向井组，其 中可含中可含1口直井。口直井。 分支井：分支井：一个井口下面有两个或两个以上井底的定向井。一个井口下面有两个或两个以上井底的定向井。 1.3 定向井的发展历程 石油工业中石油工业中, ,定向井定向井起源于起源于1919世纪初期的美国世纪初期的美国, ,当当 时引入时引入旋转钻井旋转钻井代替代替顿钻钻井顿钻钻井, ,并没有考虑控制井并没有考虑控制井 眼轨道的问题。井眼测量表明早期的眼轨道的问题。井眼测量表明早期的直井实际上是直井实际上是 不垂直的。不垂直的。 中国的定向井中国的定向井技术开始于技术开始于19561956年。年。6060年代后处于年代后

5、处于 停顿状态。停顿状态。 18811881年，年，美国加利福尼亚美国加利福尼亚， 在油苗露头处凿入一口直井，在油苗露头处凿入一口直井， 然后在油层下面横向掘进一然后在油层下面横向掘进一 些坑道，再侧向朝油层内钻些坑道，再侧向朝油层内钻 井眼，最早的井眼，最早的分支井分支井雏形。雏形。 19191919年，美国申请了从直年，美国申请了从直 井筒侧钻出井筒侧钻出分支水平井眼分支水平井眼的的 第一个专利。第一个专利。 19341934年，美国用转盘打成一场两井的年，美国用转盘打成一场两井的丛式定向钻井丛式定向钻井。 1935年，苏联在马尔丹尼亚油田，年，苏联在马尔丹尼亚油田， 用用涡轮带弯钻杆涡轮

6、带弯钻杆打定向井，未成功；打定向井，未成功； 1941年，在巴库油田，年，在巴库油田，涡轮钻具涡轮钻具钻钻 成第一口定向井。成第一口定向井。 1965，1966年，我国分别钻成年，我国分别钻成磨磨3水平井水平井、巴巴 24水平井水平井，水平位移分别为，水平位移分别为444.21米和米和537.26米。米。 由于受当时的技术条件限制，由于受当时的技术条件限制，60年代末至年代末至70年代末，年代末， 水平井技术发展迟缓，经济因素受技术约束，低成本水平井技术发展迟缓，经济因素受技术约束，低成本 的压裂技术。的压裂技术。 80年代以来，加速发展：多种类型油气藏钻水平井年代以来，加速发展：多种类型油气

7、藏钻水平井 开发试验取得显著成效；现代水平井钻井技术、测试开发试验取得显著成效；现代水平井钻井技术、测试 技术，提高了成功率，降低了成本。技术，提高了成功率，降低了成本。 1988年，钻水平井近年，钻水平井近200口口。 上个世纪上个世纪20年代美国开始运用年代美国开始运用大位移井大位移井，20世纪世纪90 年代该技术得到迅速发展。年代该技术得到迅速发展。 1997年年6月在中国南海东部钻成的月在中国南海东部钻成的西江西江24-3-A14井井 水平位移是水平位移是8060.7m。 1998年年1月月BP公司在英国公司在英国Wytch Farm油田钻的油田钻的 M11井井，测深，测深10658m

8、，垂深，垂深1605m，水平位移达水平位移达 10114m，首次突破，首次突破10000m水平位移大关。水平位移大关。 1999年，年，BP公司又在英国公司又在英国Wytch Farm油田钻的油田钻的 M16井创出新的世界纪录，测深井创出新的世界纪录，测深11278m，垂深，垂深 1637m，位移位移10728m。 1.4 为什么进行定向钻井 地面限制地面限制 井场设置及搬家安装受到限制。井场设置及搬家安装受到限制。 地下地质条件要求地下地质条件要求 由于地质构造特点，直井不能有效斟探开发油气由于地质构造特点，直井不能有效斟探开发油气 藏，而定向井有利于发现油气藏和提高开发速度。藏，而定向井有

9、利于发现油气藏和提高开发速度。 钻井技术的需要钻井技术的需要 处理井下事故；地层易井斜。处理井下事故；地层易井斜。 水平井：水平井：最大井斜角大于或等于最大井斜角大于或等于86，并保持这种井，并保持这种井 斜角钻完一定长度段的井。斜角钻完一定长度段的井。 井斜角大于或等于井斜角大于或等于86以上的井段称为以上的井段称为水平段水平段。钻水平井。钻水平井 的主要目的是获得较高的的主要目的是获得较高的油气产能油气产能。 设计水平段轨道允许误差范围所限定的几何空间称为设计水平段轨道允许误差范围所限定的几何空间称为靶靶 体体，水平井靶体的前端面称为，水平井靶体的前端面称为靶窗靶窗，靶底靶底是指水平井靶体

10、的是指水平井靶体的 后端面。后端面。入靶点入靶点是指水平井设计轨道或实钻轨迹与靶窗的交是指水平井设计轨道或实钻轨迹与靶窗的交 点，水平井设计轨道或实钻轨迹与靶底的交点称为点，水平井设计轨道或实钻轨迹与靶底的交点称为终止点终止点。 2.1 水平井的定义及分类 300 m1500 m2400 m A a a a bbb c o 靶窗靶窗 靶底靶底 按造斜率的大小分为长曲率半径水平井、中曲率半按造斜率的大小分为长曲率半径水平井、中曲率半 径水平井、短曲率半径水平井径水平井、短曲率半径水平井 长曲率半径水平井（常规水平井）长曲率半径水平井（常规水平井） -曲率曲率286.5m 中曲率半径水平井中曲率半

11、径水平井 -曲率曲率6-20度度/30m；曲率半径；曲率半径(86-286.5m) 小曲率半径水平井小曲率半径水平井 -曲率曲率1-10度度/m；曲率半径；曲率半径5.73-19.1m 先钻成先钻成大斜度主井筒大斜度主井筒（有时钻成水平井），然后从适当位（有时钻成水平井），然后从适当位 置侧钻置侧钻分支井筒分支井筒。 先钻先钻垂直主井筒至生产层底部垂直主井筒至生产层底部，再从井底以上适当位置向，再从井底以上适当位置向 四周钻四周钻若干个分支井筒若干个分支井筒。 或者，钻垂直井至生产层顶部或稍高处，然后或者，钻垂直井至生产层顶部或稍高处，然后分岔分岔。亦可。亦可 利用旧井利用旧井侧钻分支水平井筒

12、侧钻分支水平井筒。 丛式水平井分支井。丛式水平井分支井。 先钻一先钻一垂直中心井垂直中心井，然后由中心向四周钻分支或从四周钻，然后由中心向四周钻分支或从四周钻 水平井与中心井水平井与中心井联接，主井筒是采油通道，各种增产措施在联接，主井筒是采油通道，各种增产措施在 四周井筒内进行。四周井筒内进行。 分支水平井：分支水平井：从主井筒侧钻的水平或近似水平的井筒。从主井筒侧钻的水平或近似水平的井筒。 先钻成先钻成大斜度主井筒大斜度主井筒（有时钻成水平井），然后从适当位（有时钻成水平井），然后从适当位 置侧钻置侧钻分支井筒，如人字形、肋骨形分支井筒，如人字形、肋骨形。 先钻先钻垂直主井筒至生产层底部垂

13、直主井筒至生产层底部，再从井底以上适当位置向，再从井底以上适当位置向 四周钻四周钻若干个分支井筒，如双向形、辐射形若干个分支井筒，如双向形、辐射形。 或者，钻垂直井至生产层顶部或稍高处，然后或者，钻垂直井至生产层顶部或稍高处，然后分岔分岔。亦可。亦可 利用旧井利用旧井侧钻分支水平井筒，如叠加形，三叉形侧钻分支水平井筒，如叠加形，三叉形。 丛式水平井分支井。丛式水平井分支井。 先钻一先钻一垂直中心井垂直中心井，然后由中心向四周钻分支或从四周钻，然后由中心向四周钻分支或从四周钻 水平井与中心井水平井与中心井联接，主井筒是采油通道，各种增产措施在联接，主井筒是采油通道，各种增产措施在 四周井筒内进行

14、。四周井筒内进行。如辐射形辐射形。 裂缝油层 叠加 海上 多层系油层辐射型 多个断层 2.2 水平钻井的用途 具有普通定向井的作用具有普通定向井的作用 开发低渗透油藏开发低渗透油藏 开发薄油层开发薄油层 垂直裂缝油藏垂直裂缝油藏 底水或气顶油藏底水或气顶油藏 详细了解目的层的性质详细了解目的层的性质(与直井相比与直井相比) 具有很好的社会效益具有很好的社会效益 2.2.1 开发低渗透油田 目前我国新探明储量中，60%以上都是低渗、特低渗（ke 1md）油气藏。 2.2.1 开发低渗透油田 油层低压低渗透性油层低压低渗透性 直井产能低直井产能低,无经济效益无经济效益 水平井可大幅度提高产能水平井

15、可大幅度提高产能 提高了经济可行性提高了经济可行性 扩大了勘探开发范围扩大了勘探开发范围 低渗透油田分布广泛低渗透油田分布广泛 渗流阻力大，生产压差高，渗流阻力大，生产压差高， 水平井近井压降比直井小。水平井近井压降比直井小。 直井直井 水平井水平井 2.2.2减轻油层损害的程度 地层损害产生表皮效应和附加压力降地层损害产生表皮效应和附加压力降 在直井中在直井中,附加压力降一定附加压力降一定 在水平井中在水平井中,附加压力降反比于水平段长附加压力降反比于水平段长L 随随L增加增加,油层损害程度降低油层损害程度降低 2.2.3减轻油气速度敏感性 油气生产时，油气流流度高于某个临界值时，油气生产时

16、，油气流流度高于某个临界值时， 会出现复杂情况会出现复杂情况 出现有害流体出现有害流体 防砂防砂 气井中尤为突出气井中尤为突出 水平井的渗流速度比直井小水平井的渗流速度比直井小 直井直井 水平井水平井 2.2.4改进水驱和注水效果 直井：产生明显的压力降直井：产生明显的压力降,破坏油水界面破坏油水界面,容易出水。容易出水。 水平井：油水界面变形较小，延缓出水时间和出水量增加速水平井：油水界面变形较小，延缓出水时间和出水量增加速 度。度。 油井油井水井水井水井水井 垂直注入井和水平采出井垂直注入井和水平采出井 2.2.4改进水驱和注水效果 水平井提高了生产能力，压力降较小。水平井提高了生产能力，

17、压力降较小。 泄油更加分散，压力降不再集中于单一点，增加了波及面积。泄油更加分散，压力降不再集中于单一点，增加了波及面积。 加大井眼至油水界面的距离。加大井眼至油水界面的距离。 开发稠油，水比油易流动，效果更明显。开发稠油，水比油易流动，效果更明显。 2.2.5水平井提高采收率 蒸汽热采时蒸汽热采时 -直井：直井： 低注入量，热平衡差，热能损耗大；低注入量，热平衡差，热能损耗大； -水平井：水平井： 提高注入量，加热更大的石油体积，改善热平提高注入量，加热更大的石油体积，改善热平 衡和采油效果衡和采油效果 水平井组 2.2.6 水平井开发非均质油层 裂缝油层裂缝油层 - -垂直裂缝垂直裂缝,

18、,水平井穿过大量裂缝水平井穿过大量裂缝 层状油层层状油层 地层倾角地层倾角 复杂轨迹复杂轨迹 正确识别油层的非均质性；由非均质性设计剖正确识别油层的非均质性；由非均质性设计剖 面；钻进时，由地质资料调整轨道。面；钻进时，由地质资料调整轨道。 2.3 水平钻井的难点 轨迹控制要求高，难度大 。 一是目标垂深的不 确定性，即地质部 门对目标层垂深的 预测有一定的误差； 二是造斜工具的造 斜率的不确定性。 两个不确定性因素 2.3 水平钻井的难点 管柱在井眼中受力复杂 。 摩阻、摩扭矩 轴向力 扭矩 弯曲应力弯曲应力 2.3 水平钻井的难点 钻井液密度选择范围变小，容易出现井漏和井塌。 岩屑携带困难 。 在井斜角4560的井 段，已形成“岩屑床”会 沿井壁下侧向下滑动，形 成严重的堆积，从而堵塞 井眼。 2.3 水平钻井的难点 保证固井质量的难度大 。