定向钻井-直井段防斜打直

1、定向钻井定向钻井直井直井( (段段) )防斜打直防斜打直第一节第一节 直井直井( (段段) )防斜技术防斜技术n井斜的危害：井斜的危害： 1 1、在地质勘探方面：、在地质勘探方面：造成地质资料失真；打乱合理的地下井网造成地质资料失真；打乱合理的地下井网和开发方案。和开发方案。 2 2、在钻井施工方面：、在钻井施工方面：恶化钻柱工作条件；易造成井壁坍塌和卡恶化钻柱工作条件；易造成井壁坍塌和卡钻；易造成固井下套管困难和注水泥窜槽；纠斜侧钻增加成本。钻；易造成固井下套管困难和注水泥窜槽；纠斜侧钻增加成本。 3 3、在开发采油方面：、在开发采油方面：影响分层开采；影响修井工作；影响采收影响分层开采；影

2、响修井工作；影响采收率（死油区）。率（死油区）。 一井斜的原因一井斜的原因 地质因素，钻具因素。地质因素，钻具因素。 ( (一一) )地质因素地质因素 地层倾斜地层倾斜和和地层可钻性不均匀性地层可钻性不均匀性两个方面。两个方面。 1.1.地层可钻性的各向异性因素地层可钻性的各向异性因素 沉积岩特性：沉积岩特性：垂直层面方向的可钻性高，平行层面方向的垂直层面方向的可钻性高，平行层面方向的可钻性低。可钻性低。 钻头总是有向着容易钻进的方向前进的趋势。钻头总是有向着容易钻进的方向前进的趋势。 地层倾角小于地层倾角小于4545时，钻头偏向垂直地层层面的方向。时，钻头偏向垂直地层层面的方向。 地层倾角超

3、过地层倾角超过6060时，钻头沿着平行地层层面方向下滑，时，钻头沿着平行地层层面方向下滑，地层倾角在地层倾角在45456060之间时，井斜方向属不稳定状态。之间时，井斜方向属不稳定状态。2.2.地层可钻性的纵向变化地层可钻性的纵向变化 地层倾斜且软硬交错，钻头偏向垂直地层层面方向。地层倾斜且软硬交错，钻头偏向垂直地层层面方向。软地层 硬地层 硬地层 软地层3.3.地层可钻性的横向变化地层可钻性的横向变化 垂直于钻头轴线方向上可钻性的变化。垂直于钻头轴线方向上可钻性的变化。 如：如：在钻头的一侧下面钻遇溶洞或较疏松的地层，而另一侧则在钻头的一侧下面钻遇溶洞或较疏松的地层，而另一侧则钻遇较致密的地

4、层。钻遇较致密的地层。 ( (二二) )钻具因素钻具因素 主要因素是主要因素是钻具的倾斜和弯曲钻具的倾斜和弯曲。 l引起钻头倾斜，在井底形成不对称切削。引起钻头倾斜，在井底形成不对称切削。 l使钻头受侧向力的作用，产生侧向切削。使钻头受侧向力的作用，产生侧向切削。 “ “底部钻具组合底部钻具组合”( Bottom Hole Assembly )( Bottom Hole Assembly )，简称，简称BHABHA。 导致钻具倾斜和弯曲的原因：导致钻具倾斜和弯曲的原因： l钻具和井眼之间有一定间隙。钻具和井眼之间有一定间隙。 l钻压的作用，钻柱受压靠近井壁或发生弯曲。钻压的作用，钻柱受压靠近井

5、壁或发生弯曲。 l钻具本身弯曲；转盘安装不平、井架安装不正等。钻具本身弯曲；转盘安装不平、井架安装不正等。 ( (三三) )井眼扩大井眼扩大 钻头在井眼内左右移动，靠向一侧，钻头轴线与井钻头在井眼内左右移动，靠向一侧，钻头轴线与井眼轴线不重合，导致井斜。眼轴线不重合，导致井斜。 二防斜打直技术二防斜打直技术 n常规防斜纠斜技术常规防斜纠斜技术p满眼钻具组合控制井斜满眼钻具组合控制井斜p满眼钻具组合控制井斜满眼钻具组合控制井斜n 偏轴组合防斜打快技术偏轴组合防斜打快技术n 导向钻具防斜打快技术导向钻具防斜打快技术-双驱复合钻井双驱复合钻井n 自动垂直钻井系统自动垂直钻井系统常规防斜纠斜技术常规防

6、斜纠斜技术 1. 满眼钻具组合控制井斜满眼钻具组合控制井斜 由钻具引起井斜的原因可归结为：由钻具引起井斜的原因可归结为： 钻头对井底的不对称切削；钻头对井底的不对称切削； 钻头轴线相对于井眼轴线发生倾斜；钻头轴线相对于井眼轴线发生倾斜； 钻头上的侧向力导致对井底的侧向切削。钻头上的侧向力导致对井底的侧向切削。 解决这些问题的方法之一是让解决这些问题的方法之一是让钻具填满井眼钻具填满井眼，即，即满眼钻具组合。满眼钻具组合。 n基本原理：基本原理： 增大下部钻具组合的尺寸和刚度，近似增大下部钻具组合的尺寸和刚度，近似“填满井眼填满井眼”，防，防止钻柱弯曲和倾斜。止钻柱弯曲和倾斜。 方法：方法：在下

7、部钻具适当位置上安装在下部钻具适当位置上安装3 34 4个扶正器。个扶正器。 扶正器尺寸：扶正器尺寸：dd=d=dh h-d-ds s=1.0 =1.0 1.6 mm1.6 mm常用的稳斜钻具组合常用的稳斜钻具组合( (满眼组合满眼组合) ) 作用：作用： 近扶正器：近扶正器：抵抗侧向力，防止侧向切削和不对称切削。抵抗侧向力，防止侧向切削和不对称切削。 中扶正器：中扶正器：保证中扶正器与钻头之间的钻柱不发生弯曲。其安保证中扶正器与钻头之间的钻柱不发生弯曲。其安 放位置需严格计算。放位置需严格计算。 上扶正器：上扶正器：保证钻具上至少有保证钻具上至少有3 3个稳定点与井壁接触，从而保个稳定点与井

8、壁接触，从而保 证井眼的直线性。证井眼的直线性。 第四扶正器：第四扶正器：增大下部钻柱的刚度，协助中扶防止钻柱弯曲。增大下部钻柱的刚度，协助中扶防止钻柱弯曲。“中扶中扶”位置的计算公式位置的计算公式 根据等截面梁纵横弯曲理论中的挠度计算公式和压杆稳定根据等截面梁纵横弯曲理论中的挠度计算公式和压杆稳定的临界载荷计算公式，并进行处理求导可得最优位置：的临界载荷计算公式，并进行处理求导可得最优位置： L Lp p - -中扶距钻头的最优长度，中扶距钻头的最优长度，m m ； C-C-扶正器与井眼的半间隙，扶正器与井眼的半间隙，C=(dC=(dh h-d-ds s)/2 )/2 ，m m ； d dh

9、 h井眼直径，井眼直径，m m ；d dm m扶正器外径，扶正器外径，m m ； E-E-钻铤钢材的杨氏模量，钻铤钢材的杨氏模量，kN/mkN/m2 2 ； J-J-钻铤截面的轴惯性矩，钻铤截面的轴惯性矩，m m4 4 ； q qm m-钻铤在钻井液中的线重，钻铤在钻井液中的线重，kN/mkN/m ； -允许的最大井斜角，允许的最大井斜角，( () ) 。 4sin16mqJECpL64)(44cicoddJ例题：例题： 已知钻头直径已知钻头直径216mm216mm ，扶正器直径，扶正器直径215mm215mm ，钻铤钢材，钻铤钢材的杨氏模量为的杨氏模量为2.05942.059410108 8

10、kN/mkN/m2 2 ，钻铤外径，钻铤外径178mm 178mm ，内径，内径71.4mm71.4mm ，钻井液密度，钻井液密度1.25 g/cm1.25 g/cm3 3 ，钻铤线重，钻铤线重1.6 kN/m1.6 kN/m ，允许，允许的最大井斜角的最大井斜角3 3，求中扶距钻头的最优长度。，求中扶距钻头的最优长度。 解：解：根据给定条件，可求得：根据给定条件，可求得： J =J = （d dcoco4 4-d-dcici4 4）/64 = 0.48/64 = 0.481010-4-4 m m4 4 , , q qm m =1.6=1.6（1-1- d d/ / s s）= 1.34 kN

11、/m= 1.34 kN/m , , c = c =（d dh h-d-ds s）/2 = 0.0005 m /2 = 0.0005 m L Lp p = (16C = (16CE EJ)/(QJ)/(Qm msin)sin)0.250.25 = 5.789 m = 5.789 m 。满眼钻具组合的使用满眼钻具组合的使用 (1)(1)只能控制井眼曲率，不能控制井斜角的大小。不能纠斜。只能控制井眼曲率，不能控制井斜角的大小。不能纠斜。 (2)“(2)“以快保满，以满保直以快保满，以满保直”。间隙对满眼钻具组合性能影响显。间隙对满眼钻具组合性能影响显著。设计间隙一般为著。设计间隙一般为dd=d=dh

12、 h-d-ds s=0.8=0.81.6mm1.6mm。当间隙当间隙dd达达到或超过两倍的设计值时，应及时更换或修复扶正器。在井到或超过两倍的设计值时，应及时更换或修复扶正器。在井径扩大井段不适用。要抢在井径扩大以前钻出新的井眼。径扩大井段不适用。要抢在井径扩大以前钻出新的井眼。 (3)(3)不宜在井眼曲率大的井段使用。防止卡钻。不宜在井眼曲率大的井段使用。防止卡钻。 (4)(4)在钻进软硬交错，或倾角较大的地层时，要注意适当减小钻在钻进软硬交错，或倾角较大的地层时，要注意适当减小钻压，勤划眼，以便消除可能出现的压，勤划眼，以便消除可能出现的“狗腿狗腿”。 (5)(5)为了发挥满眼钻具的防斜作

13、用，在钻具上至少要有为了发挥满眼钻具的防斜作用，在钻具上至少要有3 3个稳定点。个稳定点。即：至少要安放即：至少要安放3 3个稳定器。个稳定器。2.2.钟摆钻具组合控制井斜钟摆钻具组合控制井斜 钟摆钻具组合的原理钟摆钻具组合的原理 在下部钻柱的适当位置安装一个扶正器，当发生井斜时，在下部钻柱的适当位置安装一个扶正器，当发生井斜时，该扶正器支撑在井壁上形成支点，使下部钻柱悬空。则该扶正该扶正器支撑在井壁上形成支点，使下部钻柱悬空。则该扶正器以下的钻器以下的钻 柱就好象一个柱就好象一个 钟摆，产生一钟摆，产生一 个钟摆力。钻个钟摆力。钻 头在此钟摆力头在此钟摆力 的作用下切削的作用下切削 下井壁。

14、从而下井壁。从而 使新钻的井眼使新钻的井眼 不断降斜。不断降斜。 常见的几种钟摆钻具常见的几种钟摆钻具钟摆钻具组合设计钟摆钻具组合设计 钻头上的钟摆力：钻头上的钟摆力： 可产生最大钟摆力的最优扶正器安放位置计算：可产生最大钟摆力的最优扶正器安放位置计算： W-W-钻压，钻压，kNkN； d dh h-井径，井径，m m； d dc c- -钻铤直径，钻铤直径，m m。 考虑到扶正器磨损和考虑到扶正器磨损和 井径扩大，使用距离比计井径扩大，使用距离比计 算距离适当减小。算距离适当减小。 L LS S= =（0.9 0.9 0.950.95）L Lz z sin21zmdLqF 222246 .1

15、8404.82sin2chddmABACBzrrJECrWBqAL 钟摆钻具组合的使用钟摆钻具组合的使用 p多数用于井斜角较大的井纠斜。直井内无防斜作用多数用于井斜角较大的井纠斜。直井内无防斜作用. . p其性能对钻压特别敏感。钻压增大，则增斜力增大，钟摆其性能对钻压特别敏感。钻压增大，则增斜力增大，钟摆力减小。使用时必须严格控制钻压。力减小。使用时必须严格控制钻压。 p只能使用小钻压只能使用小钻压“吊打吊打”。如果使用大钻压。如果使用大钻压, ,可能形成新的可能形成新的支点。应在降斜过程开始吊打支点。应在降斜过程开始吊打20m.20m.p不能有效控制井眼曲率，易形成不能有效控制井眼曲率，易形

16、成“狗腿狗腿”。 p间隙对钟摆钻具组合性能的影响比较明显。间隙对钟摆钻具组合性能的影响比较明显。3.3.其它常规防斜斜技术其它常规防斜斜技术 塔式钻具（钟摆原理）。塔式钻具（钟摆原理）。 偏心钻铤（形成公转和钟摆力）。偏心钻铤（形成公转和钟摆力）。 方钻铤（满眼钻具原理）。方钻铤（满眼钻具原理）。 钻铤偏心短节（形成钻铤公转）。钻铤偏心短节（形成钻铤公转）。 =传统思想 减压吊打，以牺牲机械钻速来换取直井的井身质量，导致井越钻越慢研究思想=新认识 加大钻压，使下部钻具由自转变成稳定的公转回旋运动，钻头均匀切削地层，克服地层的造斜，实现既能使井打直，又能打快，达到防斜与打快的统一。弓形回旋，以稳

17、求降。 偏轴组合防斜打快技术偏轴组合防斜打快技术组合的原理图偏轴组合示意图偏轴组合示意图 组合的工作原理n组合在井底形成稳定的公转回旋，钻头均匀切削井壁四周，实现稳斜。n该组合可加大钻压和使用高转速，且在一定钻压范围内钻压越高，钻速越快，降斜效果越好。实践证明，该组合具有结构简单，使用方便，可减少井下事故等。偏轴接头钻杆钻铤偏轴接头钻铤钻头偏心距偏轴接头示意图、连接位置 偏轴钻具组合为：(1) 444.5mm钻头 + 228.6mm钻铤 x 1根 + 265mm偏轴接头(偏心距30mm) + 228.6mm钻铤 x 2根 + 203.2mm钻铤 x 3根 + 232mm悬浮器 + 203.2m

18、m钻铤 x 11根 + 203.2mm随钻震击器 + 203.2mm钻铤 x 3根 + 127mm加重钻杆 x 15根 + 127mm钻杆(2) 311.1mm钻头 + 228.6mm钻铤 x 1根 + 252mm偏轴接头(偏心距24mm) + 228.6mm钻铤 x 2根 + 203.2mm钻铤 x 3根 + 232mm悬浮器 + 203.2mm钻铤 x 11根 + 203.2mm随钻震击器 + 203.2mm钻铤 x 3根 + 127mm加重钻杆 x 15根 + 127mm钻杆在依南5井中的应用 依南5井是塔里木盆地库车坳陷克-依构造带东段依南断鼻构造上的一口预探井，实际井深5030米，海

19、拨1843米，地层倾角55-65，地质条件复杂，易产生井斜，影响钻井效率。表1为依南5井常规钟摆钻具组合与偏轴钻具组合使用对比情况。表1井眼尺寸（mm）钻具组合使用井段m 钻压kN 转速rpm 机械钻速m/h 井斜()地层倾角() 444.5钟摆 102.5-922 14085 3.92 4.72/825 55-65 -97580902.534.68/900-102660901.154.12/1000444.5偏轴1026-1098180802.404.01/1075偏轴1098-1290200802.443.5/1250偏轴073.15/1350在克孜1井中的应用井

20、眼尺寸（mm）钻具组合使用井段m 钻压kN 转速rpm 机械钻速m/h 井斜()地层倾角() 311.15 钟摆 2030-2160.5 80 70 0.75 6.64/18757.21/20005.66/215050-70 偏轴2160.5-2229.7 160 70 1.85 5.23/21755.20/2200 克孜克孜-1井是塔里木盆地库车坳陷克依构造带克孜勒努井是塔里木盆地库车坳陷克依构造带克孜勒努尔背斜高点上的一口预探井，实际井深尔背斜高点上的一口预探井，实际井深4446米，海拨米，海拨1940米，地层倾角米，地层倾角50-70，是易斜的一口复杂井。，是易斜的一口复杂井。 自动垂直

21、钻井系统自动垂直钻井系统国际上已商业化的导向钻井系统国际上已商业化的导向钻井系统1 1、VDSVDS自动垂直钻井系统自动垂直钻井系统 20世纪90年代初德国KTB项目组与Eastman Teleo公司联合开发研制2 2、SDDSDD自动直井钻井系统自动直井钻井系统 AGIP公司与Baker HughesInteq公司合作在VDS系统的基础上开发研 制。近来又研制了VertiTrak 闭环直井钻井系统 3 3、ADDADD自动定向钻井系统自动定向钻井系统 1991年美国能源部资助研制，目前已达到商业应用阶段。4 4、AGSAGS和和Geo-PilotGeo-Pilot旋转导向自动钻井系统旋转导向

22、自动钻井系统 Sperry-sun公司1993年研制了AGS；1999年又推出新一代的Geo-Pilot 旋转导向自动钻井系统。5 5、RCLSRCLS旋转闭环自动钻井系统旋转闭环自动钻井系统 AGIP公司与Baker Hughes Inteq公司合作研制，注册为AutoTrak6 6、SRDSRD全旋转导向自动钻井系统全旋转导向自动钻井系统 Camco公司研制，与Schlumberger的Anadrill公司合并后，SRD系统 注册为PowerDrivePowerDrive斯伦贝谢旋转导向系统PowerDrive家族： PowerV旋转导向垂直钻井系统旋转导向垂直钻井系统 PD Xtra定向

23、井/水平井旋转导向系统 PD Vortex与泥浆马达一体化的旋转导向系统 PD X5带有方位伽玛测井水平井旋转导向系统 PD Exceed适用于造斜比较困难地层的旋转导向系统 井眼范围井眼范围：5 7/8“18 ”u斯伦贝谢旋转导向家族斯伦贝谢旋转导向家族以以PowerV 旋转导向垂直钻井系统为例旋转导向垂直钻井系统为例uPowerV 的特点的特点 钻具旋转时进行纠斜钻具旋转时进行纠斜 (不需滑动钻进不需滑动钻进) 主动防斜！主动防斜！ 在钻进时自动感应井斜，并进行自动化纠斜，无线控在钻进时自动感应井斜，并进行自动化纠斜，无线控制制 所有部件都旋转所有部件都旋转 “Everything Rot

24、ates” 减少摩擦力和阻力减少摩擦力和阻力 (钻压和扭矩传输更有效钻压和扭矩传输更有效) 降低卡钻风险降低卡钻风险 井眼更平滑井眼更平滑 (低狗腿度低狗腿度) 减少井眼净化问题减少井眼净化问题 最大限度提高钻速最大限度提高钻速 解放钻压解放钻压, 正常钻进提高钻速正常钻进提高钻速 可以划眼和倒划眼可以划眼和倒划眼提高井身质量，降低每米成本提高井身质量，降低每米成本PowerV 整体实效图整体实效图Bias Unit机械偏置单元机械偏置单元Control Unit电子控制单元电子控制单元Bias UnitSteering Actuator Pad涡涡 轮轮 涡涡 轮轮 Control Unit

25、各种传感器及电子控制板各种传感器及电子控制板PowerV 整体组合示意图整体组合示意图 l上上/下转子、上下转子、上/下扭矩仪、下扭矩仪、l陀螺、传感器模块组、陀螺、传感器模块组、l通讯控制模块组、存储器通讯控制模块组、存储器l控制引鞋、控制引鞋、l发射天线等发射天线等u三个推力扳及活塞、三个推力扳及活塞、u控制阀、控制轴、控制阀、控制轴、u泥浆分流器、泥浆分流器、u泥浆导向器、泥浆导向器、PowerV 机械偏置单元机械偏置单元BU PowerV 入井前实际照片入井前实际照片PowerV 推力扳推力扳 伸伸/缩缩 示意图示意图Pad 开开Pad 关关PowerV 降斜原理降斜原理推力扳Pad伸

26、出， 推顶上井壁 从而使钻头产生一个指向下井壁的侧向力 扶正器支点 PowerV 的导向控制阀的导向控制阀Disk Valve控制轴控制轴PowerV 的电子控制单元的电子控制单元CUPowerV 的电子控制单元的电子控制单元CU工作原理工作原理 入井后，开泵，入井后，开泵，CU测出井底井斜角和方位角。地面测出井底井斜角和方位角。地面工程师根据需要，按照一定的时间编排方式，在不工程师根据需要，按照一定的时间编排方式，在不同的时间开不同的工作排量，就把指令传递给同的时间开不同的工作排量，就把指令传递给CU，CU接到指令后，通过控制轴控制接到指令后，通过控制轴控制BU，使，使BU的三个的三个导向推

27、块均在转动到该方位时有导向推块均在转动到该方位时有2-5%钻井液从导流钻井液从导流阀孔冲出，推动该方位的导向推块打向井壁，对钻阀孔冲出，推动该方位的导向推块打向井壁，对钻头产生侧向力，达到增斜、降斜或扭方位等目的。头产生侧向力，达到增斜、降斜或扭方位等目的。指令不同，导向推块伸出的机率不同。增加泵排量，指令不同，导向推块伸出的机率不同。增加泵排量，可提高导向推块打向井壁的力量，但不能超过最大可提高导向推块打向井壁的力量，但不能超过最大允许排量。允许排量。工作原理工作原理 POWER V的钻进周期可以设定，常规设定为的钻进周期可以设定，常规设定为3min(180s)或或5min(180s),即每

28、即每3min或或5min仪器重复仪器重复实现预定的工作过程。如实现预定的工作过程。如180/60%的设定，以钻进周期的设定，以钻进周期3min(180s)为例，在为例，在18060%=108s内，仪器以内，仪器以180的工具面工作的工具面工作(降斜降斜)，其余在，其余在18040%=72s内工具面内工具面是随钻具旋转的；如是随钻具旋转的；如180/100%的设定，仪器在的设定，仪器在180s内内工具面始终保持为工具面始终保持为180工作工作(降斜降斜)。180s后进入下一周后进入下一周期，又重复上一过程，依此类推，即在整个钻进过程中期，又重复上一过程，依此类推，即在整个钻进过程中POWER V

29、始终保持始终保持180的工具面工作。的工具面工作。PowerV 钻具组合随钻震击器钻头BUPowerV的偏置单元钻铤CUPowerV的控制单元扶正器钻井参数钻井参数钻压钻压 36吨转速转速 65-200转/分排量排量 38-76 升/秒PowerV 实例实例: 塔里木克拉塔里木克拉2气田气田井号井号井段井段 (米米)进尺进尺 (米米)纯钻时间纯钻时间 (小时小时)平均钻速平均钻速 (米米/小时小时)钻速提高钻速提高 (%)周期周期 (天天)周期提前周期提前 (%)KL-205 (邻井邻井)148 - 2596244014891.5-96-KL2-3350 - 26752325764.23.0103%6532%KL2-7302 - 291926171017.162.672%6334%KL2-8344 - 23291954258.167.6405%2475%KL2-7 井井/Well PowerV 数据数据/Data012345678910111213141516171819202122232425302424541683817959109512361594173518782067.252163.432233.972828深度深度/depth钻速钻速/钻压钻压/井斜井斜/ROP/WOB/Inc钻速钻速/ROP钻压钻压/