定向井和水平井钻井技术

1、定向井和水平井钻井技术(2008-11-19 08:53:54)标签：稳斜 增斜率 钻具 钻铤 井斜角 我国海洋 杂谈  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

2、。    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

3、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

4、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

5、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

6、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

7、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；（

8、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。  &#

9、160; 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

10、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

11、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

12、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。 

13、;  3如果增斜率比设计值稍低（5°100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

14、法只能达到微增效果（增斜率可提高4°100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

15、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

16、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

17、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。    

18、;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

19、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

20、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

21、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

22、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，

23、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。 

24、60;  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）  

25、;  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

26、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：    0°TF90°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&

27、#176;（90°）时，装置角位于第三象限，减斜，减方位。270°TF360°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（g°L）。 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 g°L和扭方位钻进L米时的井斜角，须用相同单位长度代表

28、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

29、据K、L计算扭方位井段的狗腿角ggK×L。    （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

30、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OB表示增斜减方位，OB表示减斜增方位。如图 9 17所示。    六长曲率大斜度井技术    1常用井身剖面    大斜度井的井斜为5585°，大斜度井可以采用常规的定向钻井工具来完成，但稳斜井段通常使用MWD测斜。根据水平

31、位移大小，大斜度井常常采用两种剖面，即：三段制“J”型和五段制“J”型剖面。通常，大斜度井的剖面中没有降斜井段。    水平位移在1000米左右或最大井斜为5570°的大斜度井，适合用三段制“J”型剖面。这种剖面要求连续造斜至预定的最大井斜，在大斜度的情况下稳斜钻进，以便增加油层的裸露面积，稳斜井段一般较短，以防止摩擦阻力过大和降斜，增加施工困难。这种剖面尤其适合于地层倾角较大的油层。    水平位移较大的大斜度井，适合采用五段制“J”型剖面，即第一增斜段至第一稳斜段至第二增斜段至第二稳斜段的剖面，在同等

32、条件下，它比三段式剖面需要的垂直井深要长。这种剖面的施工方法可以这样进行。钻完直井段后下入表层套管，然后按24度30米的增斜率钻完第一增斜段，根据需要第一段井斜角可增至30一40度左右，稳斜钻进部分井段后，下入技术套管，再按1320度100米的增斜率钻至最大井斜角，如果余下的稳斜段还很长（一般超过300米），应在增斜段钻完后再钻部分稳斜段时下入一层技术套管，以保证下步施工顺利。    一般来说，进行大斜度井剖面设计，还应考虑下列问题：（1）井眼曲率过大以及重力问题，它们与摩擦阻力、钻速、降斜趋势、压差卡钻、机械卡钻以及岩屑堵塞等有很大的关系，应采用计算机

33、进行摩擦阻力的设计计算；（2）地层因素，油藏类型及厚度等地质资料，它们直接影响到井眼能否在正确的设计深度准确地穿过目的层。（3）设计合理的井身结构。    2大斜度井的钻具组合选择    （l）三段式“J”型剖面的大斜度井钻具组合    这种大斜度井的造斜、增斜、稳斜钻具组合与普通走向井基本上一样，但稳斜钻具通常只使用2柱以内的钻铤长度（包括非磁钻铤），而加重钻杆则达到1015柱、稳定器一般用2只以降低钻具失重，减少摩擦阻力。所用钻具一般为微增斜组合，达到稳斜效果（因井斜大，

34、出现自然降斜趋势）。（2）五段制“J”型剖面的大斜度井钻具组合：    第一增斜段、稳斜段的钻具组合与普通走向井一样；第二增斜段的增斜率通常比第一增斜段高，是比较关键的井段，常用钻具组合为三种：第一种  导向钻进    钻头十导向马达十稳定器十MWD十钻铤（24根）十键槽破坏器十挠性接头十震击器十加重钻杆。    第二种  转盘增斜    钻头十近钻头稳定器十MWD十钻铤十稳定器十钻铤（36根）十

35、键槽破坏器十挠性接头十震击器十加重钻杆。    第三种  吉列根（Gilligan）增斜钻具    钻头十近钻头稳定器十加重钻杆（1根）或小尺寸钻铤l根十稳定器十MWD十钻铤（35根）十键槽破坏器十挠性接头十震击器十加重钻杆。如在311毫米（121/4英寸）井眼，“小尺寸钻铤”可以是159毫米（61/4英寸）。第二稳斜段的钻具组合与三段制剖面的稳斜井段一样。    （3）大斜度井施工注意事项：    使用高标准高质量的管材，特别是加重钻杆，以防止钻井过程中扭矩过大而发生钻具断裂。因此，所有井下钻具必须经探伤合格，方可下井；    选用扶正块表面平滑的一体式稳定器和钻柱扩眼器等可以降低摩擦阻力，特别是井较深的大斜度井；