水平井钻井技术概述

1、水平井钻井技术概述 第一章 定向井（水平井）钻井技术概述 第一节定向井、水平井的基本概念 1.定向井丛式井发展简史 定向井钻井被（英）T . A .英格利期定 义为：使井筒按特定方向偏斜， 钻遇地下 预定目标的一门科学和艺术。”我国学者则 定义为，定向井是按照预先设计的井斜角、 方位角和井眼轴线形状进行钻进的井。 定向 井相对与直井而言它具有井斜方位角度而 直井是井斜角为零的井，虽然实际所钻的直 井它都有一定斜度但它仍然是直井。 定向井首先是从美国发展起来的， 在十九 世纪后期，美国的旋转钻井代替了顿钻钻 井。当时没有考虑控制井身轨迹的问题，认 为钻出来的井必定是铅垂的，但通过后来的 井筒测试

2、发现，那些垂直井远非是垂直的。 并由于井斜原因造成了侵犯别人租界而造 成被起诉的案例。最早采用定向井钻井技术 是在井下落物无法处理后的侧钻。早在 1895 年美国就使用了特殊的工具和技术达到了 这一目的。 有记录定向井实例是美国在二十 世纪三十年代初在加利福尼亚享廷滩油田 钻成的。 第一口救援井是 1934 年在东德克萨斯康 罗油田钻成的。救援井是指定向井与失控井 具有一定距离，在设计和实际钻进让救援井 和失控井井眼相交，然后自救援井内注入重 泥浆压死失控井。 目前最深的定向井由 BP 勘探公司钻成， 井深达 10，654 米； 水平位移最大的定向井是 BP 勘探公司于 己于1997 年在英国

3、北海的 Rytch Farm 油 田钻成的M11 井，水平位移高达 1，0114 米。 垂深水平位移比最高的是 Statoil 公司钻 成的的 33/9 C2 达到了 1:3.14 ； 丛式井口数最多，海上平台：96 口；人工 岛：170 口； 我国定向井钻井技术发展情况 我国定向井钻井技术的发展可以分为三 个阶段，50 60 年代开始起步，首先在玉门 和四川油田钻成定向井及水平井：玉门油田 的 C2-15 井和磨三井，其中磨三井总井深 1685 米，垂直井深表遗憾 350 米，水平位移 444.2 米，最大井斜 92水平段长 160 米； 70年代扩大实验，推广定向井钻井技术；80 年代通过

4、进行集团化联合技术攻关，使得我 国从定向井软件到定向井硬件都有了一个 大的发展。 我国目前最深的水平井是胜利定向井公 司完成的 JF128 井，井深达到 7000 米，垂 深位移比最大的大位移井是胜利定向井公 司完成的郭斜井，水平位移最大的大位移 井是大港定向井公司完成的 井，水平位 移达到 2666 米，最大的丛式井组是胜利石 油管理局的河 50 丛式井组，该丛式井组长 384 米，宽 115 米，该丛式井平台共有钻定 向井 42 口。 2.定向井的分类 按定向井的用途分类可以分为以下几种类 普通定向井 多目标定向井 型: 定向井 丛式定向井 救援定向井 水平井 多分枝井（多底井） 国外定向

5、井发展简况 （表一） 年代 内容 50 年代 60 年 代 70 年代 80 年代 90 年 代 剖面设计及 迹计算方法 误差很大的正 切法， 进行定 向井设计轨迹 计算 佃种二维计算 方法，如更精 确的曲率半径 法 发展到三维设 计和大组丛式 井整体设计 计算机专家系 统进行定向井 的设计和指导 定向井施工 发展了大型集 成设计软件包 井斜控制理 论 斜直井段的二 维分析 考虑了井眼的 曲率及满眼组 合的特性 三维数据分析， 由静态发展到 动态 发展了多种分 析计算方法并 编制了计算机 程序 在原来多种分 析的基础上引 入了数学及其 它边沿学科 定向造斜工 艺 涡轮加弯接头 斜向器配合转 盘

6、钻 使用效率更高 的螺杆动力钻 具，专用工具 的定型配套 涡轮、螺杆动力 钻具向低速大 扭矩发展。各种 专用井下工具 系列化 发展了复合式 动力钻具，导 向钻井系统， 长寿命PDC 钻 头等 发展成熟多分 枝井回接工艺 地质导向钻井 系统 测量方式 氢氟酸玻璃管 刻线法和地面 定向法 机械式罗盘， 精度较高的单 多点照相测斜 仪 有线随钻测斜 仪投入工业性 使用，无线随 钻测斜仪研制 成功 多种无线随钻 测斜系统投入 工业使用和发 展了电子测量 系统和陀螺测 量系统 发展成熟带地 质参数的无线 随钻测斜仪 定向井钻井 水平 精度要求不高 中深定向井 可打准确度较 高的定向井和 小组定向井 可打

7、准确度较 高的定向救援 井和大组丛式 井 钻成大量水平 井从大半径水 平井到小半径 水平井多底泄 油井 钻成位移过万 米的大位移井 径向水平井可 在0.3 米之内完 成增斜过程 我国定向井钻井技术发展 情况 （表二） 年代 内容 60 年代 80 年代 90 年 代 剖面设计及轨 迹计算方法 设计采用查表法、 图解法等精度不 高的方法 发展了曲率半径法，最小曲率半径法等多 精确的轨迹计算和设计方法，编制了能进 预测和防碰扫描的计算机软件包。 引入人工智能和专家系统 井斜控制理论 进行了钻具的二 维静态分析主要 使用有限元法 发展了多种新的分析计算方法，例 女口：平衡梁法、加权余量法等，并编 制

8、了计算机分析程序 理论分析模型由静态态发展 到动态，由二维发展到三维 定向造斜工艺 使用地面定向法 （钻杆打钢印）。 数据测量使用电 测井数据。 使用精度高的磁性单多点测斜仪进 行定向和轨迹数据测量，发展了有线 随钻测斜仪定向。 发展了导向钻井系统初步研 制岀径向水平井造斜工艺 测量方式 氢氟酸测斜仪，机 械式罗盘的电测 井方法。 多种引进的有线随钻测斜系统投入 工业使用和发展了电子测量系统及 陀螺测量系统 发展了无线随钻测斜系统，引 进了带地质参数的 MWD 系 统 定向井钻井水 平 简单的单口定向 井、水平井位移 小,精度低 钻成大量高难度定向井、大组丛式 井、多目标井、套管定向开窗井、水

9、 平井也从大半径水平井发展到了中 半径水平井 在水平井方面取得大型突破， 钻成了长、中、短半径水平井 第二节 水平井钻井技术简介 所谓水平井，是指一种井斜角大于或等于 86。，并保持这种角度钻完一定长度水平段 的定向井。 1.水平井钻井技术发展概况 1863 年，瑞士工程师首先提出钻水平井的建 议； 1870 年，俄国工程师在勃良斯克市钻成井斜 角达60的井； 瑞典和美国研制出测量井眼 空间位置的仪器， 1888 年俄国也设 计出了测斜仪器； 1929 年，美国国加利福尼亚州钻成了几 米长的水平分支井筒； 30 年代，美国开始用挠性钻具组合在垂 直井内钻曲率半径小的水平井分支 井眼； 1954

10、 年苏联钻成第一口水平位移； 佃 64 年一 1965 年我国钻成两口水平井， 磨一 3 井、巴一 24 井； 自来 80 年代以来，随着先进的测量仪器、长 寿命马达和新型 PDC 钻头等技术的发 展，水平井钻井大规模高速度的发展起 来。 我国水平井钻井在 90 年代以来也取得了 很大发展，胜利油田已完成各种类型水 平井百余口，水平井钻井水平和速度不 断提咼。 水平井的类型及各种类型水平井的特点 1）.水平井的类型： 根据水平井曲率半径的大小分为： 长曲率半径水平井（小曲率水平井）； 中曲率半径水平井（中曲率水平井）； 短曲率半径水平井（大曲率水平井）。 2 ）.不同曲率水平井的基本特征 及优

11、缺点 （1）.不同曲率水平井的基本特征表 长半径水 中半径 短半径 平井 水平井 水平井 9 项 目 造斜 率 15 /100 米 使用抗压钻 杆 铰接驱动钻 杆 测量 工具 无限制 有线随钻测 斜仪，MW, 但井眼6 1/8时不能 转盘钻井时 使用多点测 斜仪 马达钻井时 10 使用 使用有线随 钻测斜仪 地面 设备 常规钻机 常规钻机 需要配备顶 部驱动系统 或动力水龙 头 完井 方式 无限制 无限制 裸眼或割缝 管 (2) .长曲率半径水平井的优缺点 优 点 缺 点 1.穿透油层段最长(可以1000 米) 1 井眼轨道控制段最长 11 2. 使用标准的钻具及套管 2 .全井斜深增加最多

12、3. “ 狗腿严重度” 最 小 3. 钻井费用增加 4. 使 用常规钻井 设 备 4. 各种下部钻具组合较长 5. 可 使用多种完井方 法 5. 不适合薄油层和浅油层 6. 可 采用多种举升采 油工 艺 6. 转盘扭矩较大 7. 测 井 及 取 芯 方 便 7. 套管用量最大 8- 眼及二具尺寸不 受限 制 8 穿过油层长度与总水平位移比最小 (3) 中曲率半径水平井的优缺点 占 八、 占 八、 1.进入油层时无效井段较短 1 要求使用 MW/D 测量系统 2. 使用的井下工具接近常规工具 2 .要求使用加重钻杆或抗压缩钻杆 3. 使用动力钻具或导向钻井系统 4. 离构造控制点较近 5. 可使

13、用常规的套购及完井方法 6. 井下扭矩及阻力较小 7 较咼及较稳定的造率 8. 井眼轨迹控制井段较短 9. 穿透油层段较长(1000 米) 10. 井眼尺寸不受限制 11. 可以测井及取芯 12. 从一口直井可以钻多口水平分枝井 13. 可实现有选择的完井方案 (4).短曲率半径水平井的优缺点 优 缺 占 八、 占 八、 1.井 眼 曲 线 段 最 短 1. 非常规的井下 工具 2.侧 钻 容 易 13 2 .非常规的完井方法 3. 能够准确击中油层目标 3 .穿透油层段短（120180 米） 4. 从一口直井可以钻多口水平分枝井 4井眼尺寸受到限制 5. 直井段与油层距离最小 5 .起下钻次

14、数多 6可 用 于 浅 油 层 6要求使用顶部驱动系或动力水龙头 7. 全 井 斜 深 最 小 7. 井眼方位控制受到限制 8. 不 受 地 表条 件 的 影 响 8. 目前还不能进行电测 第三节定向井的基本术语解释 1）井深：指井口（转盘面）至测点的井 眼实际长度，人们常称为斜深。国外 称为测量深度（Measure Depth ）。 2 ）测深：测点的井深，是以测量装置 （An gle Un it ）的中点所在井深为 准。 真北极 , 3）井斜角：该测点处的井眼方向线与重 14 力线之间的夹角（见图 1.2 ）。?井斜 真北方位线 角常以希腊字母 a 表示，单位为度。 4?）井斜方位角：是扌

15、指以正比方位线为 女台东磁偏角 ./ 边，顺时针旋转至井斜方位线所转过 的角度（见图 1.3 ）。？井斜方位角常 以希腊字母表示，单位为度。实际 西磁偏角 应用过程中常常 简称为方位角。？ A 地 图 1.1 磁偏角示意图 5 ）磁方位角：磁力测斜仪测得的井斜方 位角是以地球磁北方位线为准的，称 磁方位角。 北方位线 15 井斜方位线 6 ）磁偏角：磁北方位线与真北方位线 并不重合，两者之间有一个夹角，这个夹角称为 磁偏角。磁偏角又有东磁偏和西磁偏角之分，当 磁北方位线在正北方位线以东时， 称为东偏角；当磁北方位线在正北方位线以西时 称为西偏磁偏角。？进行磁偏角校正时按以下公 式计算： 真方位

16、角=磁方位角+东偏 磁偏角 真方位角=磁方位角一西偏磁 偏角 7?）井斜变化率：是指井斜角随井深变化的快慢 程度，常以 Ka 表示， ？精确的讲井斜变化率是 井斜角度 （a ）对井深（L?）的一阶导数。 重力线 a B 图 1.2 井斜角示意图 井斜方位角示意图 图 1.3 井眼方向线 16 K a = dL 井斜变化率的单位常以每 100 米度表示。 8） 井深方位变化率： 实际应用中简称方位变化 率， ?是指井斜方位角随井深变化的快慢程 度，常用 K表示。计算公式如下： d K= - dL 井斜方位变化率的单位常以每 100 米度进 行表示。 9） 全角变化率（狗腿严重或井眼曲率）：从井眼

17、 内的一个点到另一个点， 井眼前进方向变化的 角度 （两点处井眼前进方向线之间的夹角），? 该角度既反映了井斜角度的变化又反映了方 位角度的变化，通常称为全角变化值。？两点 间的全角变化值丫相对与两点间井眼长度 L 变化的快慢及为全角变化率。 用化式表达如 下： 17 实际钻井中，井眼曲率的计算方法：目前计 算井眼曲率的方法有很多。有公式法、查表法、 图解法、查图法和尺算法五种。后四种办法皆来 源于公式法。计算井眼，曲率的公式计有三套： 第一套公式：对于一个测点： K= SQR( Ka 2+ K 2 2 、 sin a) 对于一个测段：K= SQR( Aa/ Y 18 图 1.4 第一套公式的

18、图解法 第一套公式的图解法(参见图 1.4 ): (1) .作水平射线 OA (2) .作/ BOAF a c (两测点平均角)； (3) .以一定长度代表单位角度，量 0B= A(两测点方位角差)； (4) .自 B 点向 0A 乍垂线，垂足为 C 点； (5) .按步骤中的比例，量 CA=A a； (6) .连接 A、B,并量 AB 长度，按步骤(3) 比例换算成角度，此角度及狗腿角 丫。 第二套公式：(由于误差较大，现场使用少略) 第三套公式：丫 = SQ( a 1 + a 2 2 a 1 a 2C0S A) 19 a2 al 图 1.5 第三套公式的图解法 第三套公式图解法(参见图 1

19、.5 ): (1) .选取一定比例，经一定长度代表单位 角度，作线段 OA 使其长度代表 a 1； (2) .作 0B 线段，使/ BOAF ; (3) .按步骤的比例，量 0B= a 2; (4) .连接 A B,并量邓 AB 的长度，按步 骤(1)的比例换算成角度，既为丫 . 10) 垂深(垂直井深)：即某测点的垂直深度， 以 H表示。？是指井身任意一点至转盘面所 在平面的距离。 20 11） 水平投影长度：是指自井口至测点的井眼 长度在水平面上的投影长度。以 S?表示。 12） 水平位移： 简称平移， 是指测点到井口垂 线的距离。在国外又称为闭合距 （Closure Distance）。

20、 13） 平移方位角：又称为闭合方位角（Closure Azimuth ）,常用 B 表示，？是指以正北方位 线为始边顺针方向转至平移方位线上所转 过的角度。 14） 视平移： 又称为投影位移， 井身上的某点 在垂直投影面上的水平位移。在实际定向井 钻井过程中，这个投影面选在设计方位线 上。所以视不移也可以定义为水平位移在设 计线上的投影。 15） 高边：在斜井段用一个垂直于井眼轴线的 平面于井眼（这时的井眼不能理解为一条 线，而是一个具有一定直径的圆）相交，由 于井眼是倾斜的故井眼在该平面上有一个 最高点，最高点与井眼圆心所形成的直线及 为井眼的高边。 16） 工具面：工具面就是造斜工具弯曲

21、方向的 平面。 21 17） 磁性工具面角：造斜工具弯曲的平面与正 北方位所在平面的夹角。 18） 高边工具面角：造斜工具弯曲方向的平面 与井斜方位角所在平面的夹角。 19） 装置角：造斜工具弯曲方向的平面与原井 斜方向所在平面的来夹角，通常用 3 ?表 示。 20） 反扭矩： 在用井底动力钻具钻进时， 都存 在一个与钻头转动方向相反的扭矩，该扭矩 被称为反扭矩。 21） 反扭角： 使用井底动力钻具钻进时， 都存 在一个与钻头转动方向相反的扭矩，由于该 扭矩的作用，使得井底钻具外壳向逆时针方 向转动一个角度，该角度被称为反扭角。 22）贮层顶部：水平井段控制油层的顶部 23） 贮层顶部：水平井

22、段控制油层的底部 24） 设计入口角度：进入储层顶部的井斜角 度 25） 着陆点：井眼轨迹中井斜角达到 90的 占 八、 26） 入口窗口高度： 入靶点垂直方向上下误 差之和 22 27） 入口窗口宽度： 入靶点水平方向左右误 差之和 28） 出口窗口高度： 出靶点垂直方向上下误 差之和 29） 出口窗口宽度： 出靶点水平方向左右误 差之和 30） 着陆点允许水平偏差： 着陆点允许水平 方向前后的误差 31） 单弯动力钻具： 动力钻具壳体上具有一 个弯曲角度的动力钻具， 特点是造斜率 较弯接头组合高，钻头偏移较小 32） 双弯动力钻具：同向双弯，动力钻具壳 体上具有两个弯曲方向相同的弯曲角度 的动力钻具，具有比单弯动力钻具更高 的造斜率 33） DTU 动力钻具 （异向双弯） ： 动力钻具壳 体上具有两个弯曲方向相反的弯曲角度的 动力钻具，钻头偏移最小，不仅可以导向钻 进，而且可以配合转盘钻进；附：常用单弯 动力钻具、双弯动力钻具、DTU（异向双弯） 造斜率表。 23 第四节 定向井、水平