定向井基础知识

定向井基础知识2023/1/130a前言随着先进的定向井工具、测量仪器的应用和发展，我国的定向井、丛式井的钻井工艺技术达到了较高的水平。完成了一批大斜度井、大水平位移定向井。国内多数油田已掌握常规定向井、丛式井的钻井技术；高难度定向井及救援井技术。从总体上说已达到或接近世界先进水平。目前，世界上定向井最大水平位移已超过5000m，水平井最大水平位移已超过10000m。定向井技术正向着大位移井、水平井方向发展。水平井钻井主要是以提高油气产量或提高油气采收率为根本目标，从已经投产的水平井来看，绝大多数水平井确实带来了十分巨大的经济效益。目前，水平井钻井技术已日臻成熟和完善，随着不同的地面条件、地下油层状况与勘探开发要求，已钻成了多种多样的水平井。2023/1/131a定向井的使用范围增加油层穿越面积，提高产量和采收率（水平井）绕开地面障碍（河流、高山、建筑、沼泽）适应井下地质条件，节省钻井时间减小地面井场占用面积,节省投资（丛式井、多底井）处理井下事故（救援井、侧钻井）2023/1/132a定向、水平井的主要用途在地面上难以建立或不允许建立井场的地区，要勘探开发地下的石油等资源，唯一的办法是从该地区附近打定向井；在海洋或湖泊等水域上勘探开发石油时，最好是建立固定平台或从岸边打定向井和丛式定向井；可使用定向井饶过所钻遇的地下复杂地层或障碍物等；打定向水平井和复杂结构井，可扩大勘探效果及提高开发效益和采收率；在发生卡钻、断钻及井喷着火等恶性钻井事故的情况下，用侧钻井、救援井来处理这类事故最有效。2023/1/133a

水平井：应用于油气田开发的目标是增产、提高采收率。尤其适应于裂缝性储层、低渗油气层、薄油层。2023/1/134a水平井2023/1/135a多底井2023/1/136a侧钻2023/1/137a救援井2023/1/138a定向井的定义一、定向井

定向钻井是使井眼沿预先设计的井眼轴线（井眼轨迹）钻达预定目标的钻井过程。

（井斜控制是使井眼按规定的井斜、狗腿严重度、水平位移等限制条件的钻井过程）。二、水平井2023/1/139a井眼轨迹的基本参数所谓井眼轨迹，实指井眼轴线。一口实钻井的井眼轴线乃是一条空间曲线。为了进行轨迹控制，就要了解这条空间曲线的形状，就要进行轨迹测量，这就是“测斜”。目前常用的测斜方法并不是连续测斜，而是每隔一定长度的井段测一个点。这些井段被称为“测段”，这些点被称为“测点”。测斜仪器在每个点上测得的参数有三个，即测深、井斜角和井斜方位角。这三个参数就是轨迹的基本参数。2023/1/1310a井眼轨迹的基本参数测深(MD)：指井口(通常以转盘面为基准)至测点的井眼长度。国外称为测量井深(MeasureDepth)。井深是以钻柱或电缆的长度来量测。测深既是测点的基本参数之一，又是表明测点位置的标志。井深：指井口(通常以转盘面为基准)至钻头的井眼长度，也有人称之为斜深。滞后距：指测点至钻头的距离。2023/1/1311a井眼轨迹的基本参数井斜角（Inc）：过井眼轴线上某测点作井眼轴线的切线，该切线向井眼前进方向延伸的部分称为井眼方向线。井眼方向线与重力线之间的夹角就是井斜角。显然，井眼方向线与重力线都是有向线段。井斜角表示了井眼轨迹在该测点处倾斜的大小。井斜角常以希腊字母α表示，单位为度(°)。一个测段内井斜角的增量总是下测点井斜角减去上测点井斜角，以Δα表示。

2023/1/1312a井眼轨迹的基本参数井斜方位角(Az)：某测点处的井眼方向线投影到水平面上，称为井眼方位线，或井斜方位线。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过的角度，即井眼方位角。注意，正北方位线是指地理子午线沿正北方向延伸的线段。所以正北方位线和井眼方位线也都是有向线段，都可以用矢量表示。2023/1/1313a井眼轨迹的基本参数井斜方位角常以字母φ表示，单位为度(°)。井斜方位角的增量是下测点的井斜方位角减去上测点的井斜方位角，以Δφ表示。井斜方位角的值可以在0～360°范围内变化。注意“方向”与“方位”的区别。方位线则是水平面上的矢量，而方向线乃是空间的矢量。只要讲到方位，方位线，方位角，都是在某个水平面上；而方向和方向线则是在三维空间内(当然也可能在水平面上)。井眼方向线是指井眼轴线上某一点处井眼前进的方向线。该点的井眼方位线则指该点井眼方向线在水平面上的投影。在学习扭方位计算时，也要特别注意这个区别。2023/1/1314a井眼轨迹的基本参数磁偏角目前广泛使用的磁性测斜仪是以地球磁北方位为基准的。磁北方位与正北方位并不重合而是有个夹角，称为磁偏角。磁偏角又分为东磁偏角和西磁偏角。东磁偏角指磁北方位线在正北分位线的东面，西磁偏角指磁北方位线在正北分位线的西面。用磁性测斜仪测得的井斜方位角称为磁方位角，并不是真方位角，需要经过换算求得真方位角。这种换算称为磁偏角校正。换算的方法如下：

真方位角＝磁方位角＋东磁偏角真方位角＝磁方位角－西磁偏角

2023/1/1315a井眼轨迹的基本参数象限角

井斜方位角还有另一种表示方式，称“象限角”它是指井斜方位线与正北方位线或与正南方位线之间的夹角。象限角在0～90度之间变化。书写时需注明所在的象限，如N67.5°W。

2023/1/1316a井眼轨迹的基本参数象限方位角的校正，稍微麻烦点。区别东西磁偏角；区别在那个象限里；2023/1/1317a磁偏角校正(讨论)1.我国某油田的磁偏角大约是西偏0。某测点测得井斜方位角为0，求真方位角=？2.我国新疆克拉玛依油田的磁偏角大约是东偏0。某测点测得井斜方位角为3580，求真方位角=？3.西磁偏角0，测得方位角0，求真方位角=？如果用象限角表示，象限角=？4.东磁偏角50，测得方位角1200，求真方位角=？如果用象限角表示，象限角=？2023/1/1318a井斜变化率和井斜方位变化率井斜角和井斜方位角是在随着井深而不断变化的。既然在变化，就有变化快慢之分。变化率就是变化的快慢。井斜变化率：是指井斜角随井深变化的程度，以Ｋα表示。严格地讲，井斜变化率是井斜角α对井深Ｌ的一阶导数，可写为：以增量代替微分，以相邻二测点间的井斜角变化值（Δα）与二测点间井段长度（ΔL）的比值来表示井斜变化率的。求得的乃是该测段的平均井斜变化率：

2023/1/1319a井斜变化率和井斜方位变化率井斜方位变化率：是指井斜方位角随井深变化的程度，以Ｋφ表示。严格地讲，井斜方位变化率是井斜方位角φ对井深Ｌ的一阶导数，可写为：以增量代替微分，以相邻二测点间的井斜方位角变化值（Δφ）与二测点间井段长度（ΔL）的比值来表示井斜方位变化率的。求得的乃是该测段的平均井斜方位变化率：2023/1/1320a井眼轴线形状的图示法投影图表示法相当于机械制图中的视图表示法，在国外使用广泛。这种图示法包括两张图：一张是水平投影图，相当于俯视图。一张是垂直投影图，相当于侧视图，其投影面选在原设计方位线所在的铅垂平面上(横坐标V，纵坐标D)。投影图主要用于指导施工。优点：从图上可直接看出，需要增斜还是需要降斜，需要增方位还是需要减方位。也可根据这张图，可以想象出井眼轴线的空间形状。缺点：这种垂直投影图不能反映出井身参数的真实值。2023/1/1321a其他井身参数垂直深度：简称垂深，是指轨迹上某点至井口所在水平面的距离。垂深的增量称为垂增。垂深常以字母Ｄ表示，垂增以ΔＤ表示。水平投影长度：简称水平长度或平长，是指井眼轨迹上某点至井口的长度在水平面上的投影，即井深在水平面上的投影长度。水平长度的增量称为平增。平长以字母Ｐ表示，平增以ΔＰ表示。Ｎ坐标和Ｅ坐标：是指轨迹上某点在以井口为原点的水平面坐标系里的坐标值。2023/1/1322a其他井身参数水平位移：简称平移，指轨迹上某点至井口所在铅垂线的距离，或指轨迹上某点至井口的距离在水平面上的投影。此投影线称为平移方位线。水平位移常以字母Ｓ表示。平移方位角：指平移方位线所在的方位角，即以正北方位为始边顺时针转至平移线上所转过的角度，常以字母θ表示。闭合距与闭合方位：国外将水平位移称作闭合距(ClosureDistance)，将平移方位角称作闭合方位角(ClosureAzimuth)。我国现场常特指完钻时的水平位移为闭合距，平移方位角为闭合方位角。水平位移和水平长度是完全不同的概念。视平移：有人称为投影位移，英文称VerticalSection，是水平位移在设计方位线上的投影长度。视平移以字母Ｖ表示。视平移也可以定义为水平位移在设计方位线上的投影。

2023/1/1323a造斜点：开始定向造斜的位置。以该点井深表示。

造斜率：表示造斜工具的造斜能力。其值等于该造斜工具所钻出的井段的井眼曲率。

增（降）斜率：是指增（降）段的井斜变化率。正为增，负为降。

工具面：在造斜钻具组合中，有弯曲工具的两个轴线所确定的那个面，与磁北方向的夹角为工具面角。

反扭角：定向或扭方位时，井下动力钻具启动前的工具面与启动后加压钻进时的工具面之间的夹角。2023/1/1324a㈠、定向井设计1、井深剖面设计定向钻井一般为常规定向井，剖面要求基本为两段制（直—增）或三段制（直—增—稳）。直—增剖面直—增—稳剖面2023/1/1325a

2、定向井设计必须有a.地质设计应提供井口和目标点纵、横坐标，目标点垂直深度；

b.给出目标点靶区半径，有特殊要求应作出说明；

c.提供本地的磁偏角；

d.丛式井场有老井的，必须提供已钻的井测斜数据，并复测井口坐标；

e.根据地质设计和井场组合，是丛式井井场要进行施工顺序排序，尽量避免绕障，减少施工位移；2023/1/1326a

f.设计依据必须与安装好井架的井口测量坐标相符；

g.井架和设备基础都应摆放在实方处，丛式井组还应考虑钻机移动方式和井口间距，为了减少两井相碰风险井口间距大于5米为宜；直井段造斜点增斜段最大井斜角ᵅmaxs水平位移降斜段直井段H,m2023/1/1327a3、设计内容还包括：ａ、丛式井应提供井组排序方案及井组图；ｂ、提出定向井分段施工技术，并附造斜点至井底间距为30米的设计井身轨道二维剖面数据和设计井身投影图；ｄ、提出各设计井段的钻具组合及施工参数要求，以及使用井下工具的规格、型号及数量；ｅ、提出井身轨迹测量方案；ｇ、提出井身质量要求；ｈ、对于需要绕障的井，应提出绕障施工原则及方案；ｉ、列出定向井钻井安全技术措施；2023/1/1328a4、若是丛式井组，应首先做出井组整体设计；ａ、井组安排应考虑道路的优化井眼轨迹的需要，多靶井应考虑靶前位置对施工的要求。在此前提下，按井组钻井进尺最少和地形的可能来确定井组地理位置；ｂ、应尽量避免井组中各井眼轨迹在空间交叉；ｃ、井组中各井的水平位移应综合考虑，长短结合，以便于错开造斜点；ｄ、井口可根据地形条件及钻机的移动性能等情况布置成直线型、矩形，急于投产的油井，可布置成L形；ｅ、井组中各井的表层套管下深应错开20米以上；2023/1/1329a

㈢定向井工艺

1、井眼轨迹的控制1）直井段钻进过程中按设计要求认真作好测斜工作，监测井眼轨迹，严格作好防碰工作，并控制直井段最大井斜符合设计要求。特别要作好1：100的防碰图，做好随钻分析，异常情况分析记录判断，搞好全员防碰工作。2）造斜段：造斜点的选择应考虑以下因素：ａ、设计造斜点，

ｂ、直井段以发生的轨迹偏移ｃ、有利于防碰，

ｄ、下步计划实施的增斜方式及增斜率，

ｅ、其它井施工安全性，

ｆ、尽量充分利用钻头寿命2023/1/1330a

3）注意事项：a.使用单点测斜仪器造斜时，应注意井口的印迹，测量夹角要注意判明方向；

b.使用单弯螺杆一类工具造斜时，应注意入井前螺杆弯曲方向与定向直接头间的夹角，并在每次测斜后校正；

c.造斜施工要根据设计，要考虑直井段轨迹的影响、下部地层可能的漂移规律等因素确定初始井斜角和定向方位角，并预算下部轨迹控制方案；

d.由于测量仪器与井底总是有一段距离，尤其在使用单点测斜仪器定向时，要根据当前井斜方位和施工工具面，准确估计井底的井斜方位，以保证造斜施工达到预期效果。2023/1/1331a㈣斜井段ａ、根据定向造斜结果和设计要求组配好钻具结构确保斜井段控制达到要求；ｂ、测斜点的间距按设计要求执行；ｃ、井眼轨迹采用平均角法、校正平均角法、圆柱螺线法、最小曲率法四种规定算法之一来计算；ｄ、每测量一个点后及时输入计算机，根据测斜数据和轨迹图，分析井斜和方位的变化，参照以钻井资料，预测并设计待钻井眼轨迹，及时改变钻井参数或钻具组合；2023/1/1332aｅ、扭方位施工，前三根尽可能逐根进行测斜，测斜间距一般不超过30米，情况复杂时必须钻进一根测斜一根；ｆ、在防碰绕障施工井段加密测斜，随时记录钻进情况，观察转盘扭矩变化，钻具是否有憋跳现象，岩屑中是否出现水泥和铁屑；2023/1/1333a定向井轨迹控制基本概念1.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。2.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。3.井眼方向控制内容：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；增斜增方位稳方位降方位稳斜降斜(九种组合)2023/1/1334a定向井轨迹控制基本术语造斜工具得造斜率，既可用于改变井斜方位角，同时可用于改变井斜角。如何按照轨迹发展的需要去改变井斜角和井斜方位角呢？关键在于分配造斜率，其关键在于装置角的计算和安置。2023/1/1335a2023/1/1336a2023/1/1337a2023/1/1338a2023/1/1339a2023/1/1340a2023/1/1341