定向井轨迹控制-刘志强

1、定向井井眼轨迹控制技术定向井井眼轨迹控制技术刘志强刘志强中国地质科学院勘探技术研究所中国地质科学院勘探技术研究所 目目 录录一、概述一、概述二、定向井设计与计算二、定向井设计与计算三、定向井专用工具三、定向井专用工具四、定向井测量仪器四、定向井测量仪器五、定向井井眼轨迹控制五、定向井井眼轨迹控制一、概述一、概述1、定向井的概念、定向井的概念 定向井：是指按照预先设计的轨迹钻进，具有井斜和方位定向井：是指按照预先设计的轨迹钻进，具有井斜和方位变化的井。变化的井。 它是由它是由特殊井下工具、特殊井下工具、测量仪器测量仪器和和工艺技术工艺技术有效控有效控制井眼轨迹，使钻头沿着特制井眼轨迹，使钻头沿着

2、特定方向钻达地下预定目标的定方向钻达地下预定目标的钻井工艺技术。钻井工艺技术。 2、定向井的基本应用定向井的基本应用 （1 1）地面限制）地面限制： 高山、森林、城镇、重要高山、森林、城镇、重要建筑、沼泽；建筑、沼泽； 良田、草场；良田、草场； 海洋、湖泊、河流、盐田。海洋、湖泊、河流、盐田。 （2）地下地质条件要求。）地下地质条件要求。 用直井难以穿过的复杂层、盐丘和断层等用直井难以穿过的复杂层、盐丘和断层等 。 （3）处理井下事故的特殊要求。）处理井下事故的特殊要求。 遇到井下事故无遇到井下事故无法处理或不易处理时法处理或不易处理时，常采用定向井技术，常采用定向井技术。如：掉钻头、断钻。如

3、：掉钻头、断钻具、卡钻等。具、卡钻等。 （4）提高经济效益的）提高经济效益的特殊需要。特殊需要。土耳其天然碱矿对接井施土耳其天然碱矿对接井施工工 （5）增产措施、煤矿）增产措施、煤矿安全、工程救险等。安全、工程救险等。3、定向井的类型、定向井的类型 按施工技术方法：按施工技术方法： 自然弯曲定向井自然弯曲定向井 人工弯曲定向井人工弯曲定向井 按设计井眼轴线形状：按设计井眼轴线形状： 二维平面定向井二维平面定向井 三维平面定向井三维平面定向井 按设计最大井斜角：按设计最大井斜角： 低斜度定向井（最大井斜低斜度定向井（最大井斜15） 中斜度定向井中斜度定向井 （最大井斜（最大井斜 15 45） 大

4、斜度定向井（最大井斜大斜度定向井（最大井斜 45 85） 水平井（最大井斜水平井（最大井斜85） 按井底结构分类：按井底结构分类： 单底定向井单底定向井 多底定向井多底定向井 二、定向井设计与计算二、定向井设计与计算 1 、井眼轨迹的基本参数、井眼轨迹的基本参数 （1）监测参数）监测参数: 井深：井深：是指井口至测点的井眼长度。是指井口至测点的井眼长度。 井斜角：井斜角：井眼方向线与铅垂线之间井眼方向线与铅垂线之间的夹角。的夹角。 以正北方位线为始边，顺时以正北方位线为始边，顺时针方向旋转到井眼方位线上所转针方向旋转到井眼方位线上所转过的角度。过的角度。方位角：方位角： （2）计算参数）计算参

5、数: 垂深：垂深：是指井眼轨迹上的点至井口水平面的距离。是指井眼轨迹上的点至井口水平面的距离。 N坐标和坐标和E坐标坐标 ：井眼轨迹上的点在以井口为原点的水平面井眼轨迹上的点在以井口为原点的水平面 坐标系里的坐标值。坐标系里的坐标值。 水平位移：水平位移：是指井眼轨迹上的点至井口所在铅垂线的距离。是指井眼轨迹上的点至井口所在铅垂线的距离。 井斜变化率：井斜变化率：单位长度井段内井斜角的变化值。单位长度井段内井斜角的变化值。 方位角变化率：方位角变化率：单位长度井段内方位角的变化值。单位长度井段内方位角的变化值。 全角变化值：全角变化值：沿井眼前进方向上，两测点之间的空间角度变沿井眼前进方向上，

6、两测点之间的空间角度变化。也称为化。也称为“狗腿角狗腿角” 。 全角变化率：全角变化率：单位长度井段内的全角变化值单位长度井段内的全角变化值。 222sincaaKL2、 钻孔轴线空间位置的计算钻孔轴线空间位置的计算（1）切线法）切线法（2）平衡切线法）平衡切线法（3）平均角法）平均角法（4）曲率半径法）曲率半径法（5）最小曲率法）最小曲率法（6）Mercury 参考书目：参考书目： 1、 受控定向钻探技术受控定向钻探技术 江天寿江天寿 周铁芳周铁芳 2、 水平井井眼轨迹控制水平井井眼轨迹控制 苏义脑苏义脑 3、 定向钻井技术定向钻井技术 王清江王清江 3、方位角基准变换、方位角基准变换 由于

7、采用了不同正北方向的基准，所以定义了三种方位角：由于采用了不同正北方向的基准，所以定义了三种方位角：真方位角、磁方位角和坐标方位角。真方位角、磁方位角和坐标方位角。 真方位角真方位角：井眼轴线上某测点的方向线（切线）在水平面上：井眼轴线上某测点的方向线（切线）在水平面上的投影与真北方向线之间的夹角。的投影与真北方向线之间的夹角。 磁方位角磁方位角：井眼轴线上某测点的方向线（切线）在水平面上：井眼轴线上某测点的方向线（切线）在水平面上的投影与磁北方向线之间的夹角。的投影与磁北方向线之间的夹角。 坐标方位角：坐标方位角：井眼轴线上某测点的方向线（切线）在水平面井眼轴线上某测点的方向线（切线）在水平

8、面上的投影与坐标北之间的夹角。上的投影与坐标北之间的夹角。真方位角真方位角= =磁方位角磁方位角+ +磁偏角磁偏角坐标方位角坐标方位角= =真方位角真方位角- -子午线收敛角子午线收敛角坐标方位角坐标方位角= =磁方位角磁方位角+ +磁偏角磁偏角- -子午线收敛角子午线收敛角磁偏角示意图磁偏角示意图各方位角之间的关系各方位角之间的关系最小曲率法计算钻孔轴线空间位置最小曲率法计算钻孔轴线空间位置 4、定向井的井眼轨迹设计、定向井的井眼轨迹设计 （1）定向井相关术语）定向井相关术语 造斜点：造斜点：开始定向造斜的位置。开始定向造斜的位置。 造斜率：造斜率：表示造斜工具的造斜能力，其值等于所钻井段的

9、表示造斜工具的造斜能力，其值等于所钻井段的 井眼曲率。井眼曲率。 靶点：靶点：钻井工程设计中规定的必须钻达的地层位置钻井工程设计中规定的必须钻达的地层位置,亦称亦称 之为目标点。之为目标点。 靶区半径：靶区半径：允许井眼轨迹偏离靶点的距离。允许井眼轨迹偏离靶点的距离。 靶区：靶区：以靶区半径为半径的圆面。以靶区半径为半径的圆面。（2）定向井的井眼轨迹类型）定向井的井眼轨迹类型 二维定向井二维定向井 三维定向井三维定向井 （1）三段式）三段式 （2）多靶三段式）多靶三段式 （3）五段式）五段式 （4）双增式）双增式（3）井眼轨迹设计步骤）井眼轨迹设计步骤选择井眼轨迹形状；选择井眼轨迹形状；确定造

10、斜点（侧钻点、分支点）；确定造斜点（侧钻点、分支点）；选定造斜率、确定最大井眼曲率；选定造斜率、确定最大井眼曲率；求得井眼轨迹的待定参数；求得井眼轨迹的待定参数；井身计算及井眼轨迹绘图。井身计算及井眼轨迹绘图。三、定向井专用工具三、定向井专用工具1 1、造斜钻头、造斜钻头2 2、井下动力钻具、井下动力钻具3 3、定向接头、定向接头4 4、无磁钻杆（或无磁钻铤）、无磁钻杆（或无磁钻铤）5 5、扶正器（稳定器）、扶正器（稳定器）6 6、震击器、震击器7 7、键槽破坏器、键槽破坏器8 8、悬挂短节、悬挂短节9 9、浮阀、浮阀1010、挠性接头、挠性接头造斜钻头造斜钻头螺杆钻具螺杆钻具无磁承压钻杆、无

11、磁钻铤无磁承压钻杆、无磁钻铤上图：斜口引鞋上图：斜口引鞋右图：定向接头右图：定向接头四、定向井测量仪器四、定向井测量仪器1 1、磁罗盘单、多点照相测斜仪、磁罗盘单、多点照相测斜仪2 2、有线随钻测斜仪、有线随钻测斜仪3 3、无线随钻测斜仪（压力脉冲、声波、电磁波等）、无线随钻测斜仪（压力脉冲、声波、电磁波等）4 4、电子多点测斜仪、电子多点测斜仪5 5、照相单、多点陀螺测斜仪、照相单、多点陀螺测斜仪6 6、电子陀螺测斜仪、电子陀螺测斜仪7 7、引导中靶系统、引导中靶系统五、定向井井眼轨迹控制五、定向井井眼轨迹控制 1、基本概念、基本概念 （1 1）实质：井眼轨迹控制的实质，就是不断地控制井眼）

12、实质：井眼轨迹控制的实质，就是不断地控制井眼的前进方向。井眼方向由井眼的井斜角和井斜方位角来表示的前进方向。井眼方向由井眼的井斜角和井斜方位角来表示的。的。 （2 2）要求：在实钻过程中，设法使实钻的井眼轨迹尽可）要求：在实钻过程中，设法使实钻的井眼轨迹尽可能符合设计的井眼轨道。能符合设计的井眼轨道。 （3 3）井眼方向控制内容：）井眼方向控制内容： -井斜角的控制：增斜、降斜、稳斜井斜角的控制：增斜、降斜、稳斜 -井斜方位角控制：增方位、降方位、稳方位井斜方位角控制：增方位、降方位、稳方位 2、轨迹控制的主要内容、轨迹控制的主要内容 （1）造斜工具或钻具组合的选择）造斜工具或钻具组合的选择

13、（2）造斜工具的装置方位计算）造斜工具的装置方位计算 装置角的计算；装置角的计算； 动力钻具反扭角的计算；动力钻具反扭角的计算； （3）实时进行轨迹测量和轨迹计算。）实时进行轨迹测量和轨迹计算。 测量仪器的选择，测量密度和测点密度的选择测量仪器的选择，测量密度和测点密度的选择； 根据轨迹计算结果，提出下步轨迹控制要求；根据轨迹计算结果，提出下步轨迹控制要求； 井眼前进方向的预测。井眼前进方向的预测。 （4）井下定向工艺和钻进工艺）井下定向工艺和钻进工艺 3、轨迹控制的几条原则、轨迹控制的几条原则 （1）既要保证中靶，又要加快钻进。）既要保证中靶，又要加快钻进。 “太远太远”可能造成脱靶。频繁地

14、更换钻具和测斜将增加钻井成本和可能造成脱靶。频繁地更换钻具和测斜将增加钻井成本和导致井下复杂情况。导致井下复杂情况。 （2）尽可能多地使用转盘钻的扶正器钻具组合来进行控制。）尽可能多地使用转盘钻的扶正器钻具组合来进行控制。 转盘钻的钻速比动力钻具高。当方位偏差太大或转盘钻不能完成增转盘钻的钻速比动力钻具高。当方位偏差太大或转盘钻不能完成增斜要求。斜要求。 （3）尽可能利用地层的自然规律。）尽可能利用地层的自然规律。 地层因素导致钻头的不对称切削，或引起井斜方位的变化。尽可能地层因素导致钻头的不对称切削，或引起井斜方位的变化。尽可能利用自然规律，减少利用工具进行控制的时间。利用自然规律，减少利用

15、工具进行控制的时间。 （4）条件允许尽可能使用导向钻具）条件允许尽可能使用导向钻具+MWD 同时实现滑动钻进和复合钻进。同时实现滑动钻进和复合钻进。 4、造斜工具的装置角、造斜工具的装置角 （安装角、工具面角）（安装角、工具面角）井斜铅垂面与造斜工具面的夹角井斜铅垂面与造斜工具面的夹角( (还不够准确！还不够准确！) )；以井斜铅垂面为基准，顺时针旋转以井斜铅垂面为基准，顺时针旋转到造斜工具面上所转过的角度；到造斜工具面上所转过的角度；在井底平面上，以高边方向线为基在井底平面上，以高边方向线为基准，顺时针旋转到工具面与井底圆准，顺时针旋转到工具面与井底圆的交线上所转过的角度；的交线上所转过的角

16、度； 5、工具面角与井斜角、方位角、工具面角与井斜角、方位角之间的变化关系：之间的变化关系： 工具面角在工具面角在、象限，方位均象限，方位均增加；工具面角在增加；工具面角在、象限，方象限，方位均减小；位均减小； 工具面角在工具面角在 、象限，井斜象限，井斜角都是增加的；但工具面角在角都是增加的；但工具面角在 、 象限，井斜角并非都是减小的。象限，井斜角并非都是减小的。只在绿色区域是减小，在粉红色区只在绿色区域是减小，在粉红色区域内仍然是增大的。域内仍然是增大的。 6、直井段施工技术、直井段施工技术 总原则：防斜打直总原则：防斜打直 （1 1）按照地层条件布置和设计钻孔。）按照地层条件布置和设计

17、钻孔。 （2 2）确保设备安装和开孔质量。）确保设备安装和开孔质量。 （3 3）采用合理的钻进方法和规程参数。）采用合理的钻进方法和规程参数。 （4 4）正确选用钻具）正确选用钻具 钟摆钻具钟摆钻具 偏重钻具偏重钻具 满眼钻具或简易钢性钻具：满眼钻具或简易钢性钻具： 特殊结构的防斜钻具特殊结构的防斜钻具 主动垂钻系统主动垂钻系统 7、定向井造斜段施工技术、定向井造斜段施工技术 （1）造斜工具的定向方法）造斜工具的定向方法 （2）定向造斜工具（井下动力）定向造斜工具（井下动力钻具）钻具） a、定向弯接头、定向弯接头+螺杆钻具螺杆钻具 优点：结构简单。缺点：造斜率低，钻优点：结构简单。缺点：造斜率

18、低，钻头偏移大。头偏移大。 b、单弯螺杆定向造斜钻具、单弯螺杆定向造斜钻具 优点：造斜率高。缺点：万向轴受力复优点：造斜率高。缺点：万向轴受力复杂。杂。 c、双弯螺杆定向造斜钻具、双弯螺杆定向造斜钻具 利用弯外壳利用弯外壳+弯接头组合，通过改变两弯接头组合，通过改变两个结构弯角的大小来实现造斜率的调整。个结构弯角的大小来实现造斜率的调整。 d、动力钻具带偏心垫块、动力钻具带偏心垫块 （3）造斜井段施工要求）造斜井段施工要求 a、采用随钻跟踪测斜，计算和作图结合预测井眼轨、采用随钻跟踪测斜，计算和作图结合预测井眼轨迹变化趋势，如造斜率达不到要求，及时采取相应措施迹变化趋势，如造斜率达不到要求，及

19、时采取相应措施进行调整进行调整。 b、按照设计的钻进参数钻进，要求司钻送钻均匀，、按照设计的钻进参数钻进，要求司钻送钻均匀，使井眼曲率变化平缓，井眼轨迹圆滑使井眼曲率变化平缓，井眼轨迹圆滑。 （调整钻进参数改变造斜率；改变近钻头钻具组合）（调整钻进参数改变造斜率；改变近钻头钻具组合） c、控制好井斜方位的变化，因地层等因素造成方位、控制好井斜方位的变化，因地层等因素造成方位严重漂移，影响中靶或邻井安全限定区域时，使用造斜严重漂移，影响中靶或邻井安全限定区域时，使用造斜钻具及时对方位角进行调整。钻具及时对方位角进行调整。 （4）井斜角变化率的控制）井斜角变化率的控制 a、普遍使用、普遍使用“弯外

20、壳螺杆钻具组合弯外壳螺杆钻具组合”造斜；造斜； b、井下动力钻具的长度影响造斜率，螺杆钻具比涡轮钻具更易造斜；、井下动力钻具的长度影响造斜率，螺杆钻具比涡轮钻具更易造斜； c、弯壳体螺杆结构弯角度数一般在、弯壳体螺杆结构弯角度数一般在02 范围按范围按0.25级差进行级差进行分级，若弯角太大，钻具不易下井，大弯角钻具多用于强行扭方位；分级，若弯角太大，钻具不易下井，大弯角钻具多用于强行扭方位； d、改变钻压和调整工具面角均能改变造斜率；、改变钻压和调整工具面角均能改变造斜率； e、地层特性（各向异性、硬度）影响造斜率；、地层特性（各向异性、硬度）影响造斜率； f、由于加工精度原因，相同弯角的钻

21、具可能造斜率不同；、由于加工精度原因，相同弯角的钻具可能造斜率不同； g、较深的硬地层造斜井段，、较深的硬地层造斜井段，PDC钻头优于牙轮钻头，钻头优于牙轮钻头，PDC钻头的寿钻头的寿命长、进尺多，而牙轮钻头产生金属碎屑的危险性相对较大。命长、进尺多，而牙轮钻头产生金属碎屑的危险性相对较大。（5）扭方位施工扭方位施工 如果井眼轨迹的方位漂移量过大，通过预测有脱靶的危如果井眼轨迹的方位漂移量过大，通过预测有脱靶的危险，这时要强行改变井眼轨迹的前进方向，即扭方位，使之险，这时要强行改变井眼轨迹的前进方向，即扭方位，使之恢复到能中靶的方位上来。恢复到能中靶的方位上来。 a、扭方位钻具组合的结构及钻进

22、参数与常规定向造斜、扭方位钻具组合的结构及钻进参数与常规定向造斜钻具的基本相同；钻具的基本相同； b、尽可能选择可钻性和稳定性较好的地层实施扭方位、尽可能选择可钻性和稳定性较好的地层实施扭方位作业；作业； c、由于深井形成的反扭角较大，因此扭方位施工一般、由于深井形成的反扭角较大，因此扭方位施工一般采用随钻测斜仪配合作业；采用随钻测斜仪配合作业； d、全力扭方位时会伴随井斜角减小效应，因此扭完方、全力扭方位时会伴随井斜角减小效应，因此扭完方位后，再通过增斜手段调整井斜角，保证得到较好的井眼轨位后，再通过增斜手段调整井斜角，保证得到较好的井眼轨迹；迹； （6）造斜段施工技术措施及注意事项）造斜段

23、施工技术措施及注意事项 a、下井的增斜钻具结构要符合设计要求；、下井的增斜钻具结构要符合设计要求； b、发现下井的增斜钻具不合理，要及时调整或更换；、发现下井的增斜钻具不合理，要及时调整或更换； c、必须严格按照设计或定向技术人员制定的钻井参数、必须严格按照设计或定向技术人员制定的钻井参数施工；施工； d、增斜钻进时，泵压适中并满足增斜要求；、增斜钻进时，泵压适中并满足增斜要求； e、如果钻具刚性变大，下钻时注意遇阻情况，地层较、如果钻具刚性变大，下钻时注意遇阻情况，地层较软时防止钻出新井眼；软时防止钻出新井眼； f、根据测井数据及时作图，分析出井眼轨迹的实际情、根据测井数据及时作图，分析出井

24、眼轨迹的实际情况；况； g、钻完一个单根后，测量井底数据并分析钻具是否满、钻完一个单根后，测量井底数据并分析钻具是否满足设计要求，如不符合及时调整钻进参数或更换钻具组合。足设计要求，如不符合及时调整钻进参数或更换钻具组合。（7 7）复杂情况及处理）复杂情况及处理 造斜不成功造斜不成功 原因原因 相应措施相应措施 钻出新井眼（钻出新井眼（“裤裆裤裆”井）井） 新井眼往往在以下情况中可能出现：新井眼往往在以下情况中可能出现： 较浅、较疏松的地层；较浅、较疏松的地层； 狗腿较大的井段，如造斜段、扭方位井段；狗腿较大的井段，如造斜段、扭方位井段； 钻具钢性改变以后。钻具钢性改变以后。 预防措施：预防措

25、施： 如造斜是在较浅、较疏松的地层进行，尽可能使井斜角、方位角如造斜是在较浅、较疏松的地层进行，尽可能使井斜角、方位角平缓变化，避免形成大的狗腿；平缓变化，避免形成大的狗腿； 下钻遇阻时，一般均采取划眼、开泵冲下等办法，但一定要注意钻下钻遇阻时，一般均采取划眼、开泵冲下等办法，但一定要注意钻压、泵压的变化。压、泵压的变化。 每钻完一个单根，都要反复划眼，修正孔壁，使井眼光滑。每钻完一个单根，都要反复划眼，修正孔壁，使井眼光滑。 8、 水平段施工技术水平段施工技术 （1）水平井井眼轨迹控制的特点）水平井井眼轨迹控制的特点 中靶要求高中靶要求高 水平井的目标（靶体）是三维立体的，而常规定向井的目标

26、通常是二水平井的目标（靶体）是三维立体的，而常规定向井的目标通常是二维的。维的。 控制难度大控制难度大 工具造斜率、仪器误差、工具面角等不确定因素。工具造斜率、仪器误差、工具面角等不确定因素。 特殊工具多特殊工具多 使用带伽马参数的使用带伽马参数的MWD进行矿层顶底板的识别；为克服摩阻使用水进行矿层顶底板的识别；为克服摩阻使用水力加压器等力加压器等。 井下管柱受力复杂井下管柱受力复杂 摩阻变大，起下钻、钻压困难；钻具轴向压力大，引起钻具变形，摩阻变大，起下钻、钻压困难；钻具轴向压力大，引起钻具变形，无法正常施加钻压。无法正常施加钻压。 钻井液密度选择范围变小，容易出现井漏或井塌钻井液密度选择范

27、围变小，容易出现井漏或井塌 随着井斜角的增大，地层破裂压力将减小，而坍塌压力将随着井斜角的增大，地层破裂压力将减小，而坍塌压力将增大，另外，随着水平段的延长，井内钻井液的激动压力和抽增大，另外，随着水平段的延长，井内钻井液的激动压力和抽吸压力将增大，容易造成井漏或井塌。吸压力将增大，容易造成井漏或井塌。 携带岩屑困难，井眼中容易形成岩屑床携带岩屑困难，井眼中容易形成岩屑床 当井斜在当井斜在45 60时会成时会成“岩屑床岩屑床”。严重时会堵塞井眼环空。严重时会堵塞井眼环空。 电缆下入困难电缆下入困难 采用泵送的方式。采用泵送的方式。 固井难度大固井难度大 套管由于自重贴在下井壁，居中困难；水泥浆

28、在凝固过程中析出的自套管由于自重贴在下井壁，居中困难；水泥浆在凝固过程中析出的自由水集中在井眼的上侧，形成一条由水集中在井眼的上侧，形成一条“水槽水槽”。 完井工艺难度大完井工艺难度大 井眼曲率较大时，套管难以下入。射孔、电测作业困难。井眼曲率较大时，套管难以下入。射孔、电测作业困难。 （2）水平井井眼轨迹控制的技术措施）水平井井眼轨迹控制的技术措施 造斜率略高勿低造斜率略高勿低 造斜钻具和实际造斜率要高出设计值造斜钻具和实际造斜率要高出设计值10% 20%左右左右。 造斜率先高后低造斜率先高后低 降斜容易增斜难。降斜容易增斜难。 （造斜段）合理控制轨迹垂深（造斜段）合理控制轨迹垂深 垂深误差的累计对造斜