定向钻进原理与应

定向钻进原理与应用

煤炭科学研究总院西安研究院钻探技术与装备研发中心2023/10/14井下千米定向钻进装备与工艺培训第一章

概述

一、定向钻进技术二、受控定向钻进应用三、受控定向钻进关键技术第一节

定向钻进技术一、定向钻进与定向钻井（孔）的含义

1、定向钻进的含义

石油钻井中对定向钻进技术的定义为沿着预先设计的井眼轴线钻达目的层位的钻井方法。地质勘探中对定向钻进技术的定义是指利用钻孔自然弯曲规律或采用人工造斜工具使钻孔按设计要求进行延伸钻到预定目标的一种钻进方法。国外有文献认为是为了钻达到一个预定的地下目标，使井眼在特定方向偏斜的工艺和科学。

煤矿井下对定向钻进技术的定义：是指利用钻孔自然弯曲规律或采用专用工具使近水平钻孔轨迹按设计要求延伸钻进至预定目标的一种钻探方法，即有目的地将钻孔轴线由弯变直或由直变弯。2023/10/14编辑课件第一节

定向钻进技术

2、定向钻井（孔）的含义。

定向钻孔是指用定向钻进方法控制钻孔轨迹钻到预定目标的钻孔。

与常规钻孔的区别：定向钻孔设计有特殊的轨迹，钻进中必须研究和利用地层自然弯曲规律、钻孔控制理论或人工造斜工具控制钻孔轨迹，最终钻达预定目标要求。

2023/10/14编辑课件第一节

定向钻进技术

3、关于“靶区”与“靶点”的含义

为了控制定向井轴线到达预定目标时偏离不大，在定向井设计时，对预定目标事先规定了一定的范围，该范围是井孔轴线到达预定目标时的允许偏差区域，称为靶区。靶区的形状和大小可以是以靶点为圆心的一定半径的圆或圆筒，也可以是以靶点为中心，离靶心一定偏线距和沿线距的距形或正方形。目的层急倾时，靶区还可给定在垂直面或目的层倾斜面上。预定的目标为靶点，一般为靶区的中心。井孔轴线钻到预定靶区称为“中靶”，反之则称之为“脱靶”。2023/10/14编辑课件第一节

定向钻进技术二、定向钻孔的类型

1、按施工技术方法分类

1）自然弯曲定向孔。利用地层在一定钻进条件下的自然弯曲规律设计钻孔轴线，通过移动孔位或改变开孔顶角、方位角，采用常规钻进技术工艺，必要时利用井斜控制理论辅以一般的增斜、减斜措施，达到基本按设计的钻孔轴线钻达目的层的钻孔。自然弯曲定向孔又称初级定向孔。

2）人工弯曲定向孔。采用人工造斜工具与技术强制进行人工弯曲，并克服钻孔自然弯曲的影响，或者利用钻孔自然弯曲规律与人工造斜工具强制进行人工弯曲相结合，使钻孔按设计轨迹钻达目的层的钻孔。又称受控定向孔。2023/10/14编辑课件第一节

定向钻进技术

2、按钻井井底结构分类

1）单底定向井（孔）。只有一个主干井眼的定向井。

2）多底定向井（孔）。主干井(首先完成的钻井)钻进后，再从主干井内开出其他分支井的定向井。它又分一级和多级分支定向井。

2023/10/14编辑课件第二节

受控定向钻进应用一、在石油、天然气钻井工程中应用

1、海洋钻井平台上钻丛式定向井。控制较大面积的油气构造。生产设施集中在平台上，节省建造平台费用。

2、勘探和开发近海岸油气田。使钻井定向弯曲，钻达海底油气层，节约海上钻井平台的建设费用(b)。

3、用定向井控制断层。查明油水界面或断层面位置(c)。2023/10/14编辑课件

4、避开地表障碍物。勘探和开发障碍物下方的油气田。

5、纠正已斜的井眼或绕过井内堕落物而进行侧钻。（g）

6、打定向井探采盐丘突起下部的油气层。含油构造有时与盐丘构造共生，部分盐丘可能直接覆盖在油藏上面，直井钻遇盐层可能导至冲蚀、钻井液漏失和腐蚀等问题(d)。第二节受控定向钻进应用2023/10/14编辑课件第二节受控定向钻进应用

二、在煤层、煤层气钻井工程中应用

1、在煤层中施工定向钻孔抽瓦斯

1）煤层硬度系数大于1，煤层条件好，煤层中易成孔，主要在煤层中施工钻孔进行瓦斯抽放，抽放方式主要分：

a单孔抽放；

b主孔与分支孔联合抽放。

2023/10/14编辑课件第二节受控定向钻进应用

2）煤层硬度系数小于1，煤质松软，在煤层中难以成孔，采用梳状钻孔进行瓦斯抽放。

梳状钻孔技术是通过在目标煤层上（下）较稳定岩层施工水平长钻孔，并进行分支穿入煤层实现难成孔软煤层的瓦斯有效长期抽采。

2023/10/14编辑课件

2、探测煤层构造，煤层顶板、底板等地质信息。3、用于煤矿井下探放水钻孔施工。第二节受控定向钻进应用2023/10/14编辑课件第三节

受控定向钻进关键技术

一、根据已知地质条件，合理设计定向钻孔轴线轨迹。二、能可靠地控制人工弯曲工具改变钻孔轨迹，且造斜强度稳定、可调。三、能准确、可靠地对造斜工具定向和测量钻孔的倾角和方位角。2023/10/14编辑课件第二章

定向钻进的受控机理

一、定向钻孔的弯曲机理二、定向钻孔的弯曲条件三、定向钻孔的受控方法第一节定向钻孔的弯曲机理

钻孔弯曲影响因素

工艺技术因素

地质因素

结构构造

孔底钻具组合

钻进工艺参数

其他因素客观因素主观因素

硬度2023/10/14编辑课件第一节定向钻孔的弯曲机理一、地质因素：主要是钻进地层的硬度及结构构造。

1、用相同直径的钻头、钻具组合以及钻探工艺钻进不同硬度地层时，一般在硬岩中成孔直径较小，而软岩层更有利于钻孔弯曲。

2、地层的层理、片理、裂隙、断层、软硬互层、溶洞、卵砾石等结构构造使岩层具有不均质性，在这种地层中钻进时，钻头在孔底受力不平衡，容易引起钻孔弯曲。其中层理、片理和软硬互层对钻孔轨迹弯曲影响最大。（1）层理的影响平行层理与层理斜交垂直层理2023/10/14编辑课件第一节定向钻孔的弯曲机理A.钻头垂直于层面，钻孔为圆形，不发生弯曲；B.钻头与地层面斜交，钻头轴线力图向垂直于地层层面方向偏斜，钻孔呈椭圆形；C.钻头平行于层面硬度较小，孔壁易岩石易破碎，形成的钻孔较大，孔壁间隙大，钻头稳定性差，钻孔容易弯曲。2023/10/14编辑课件第一节定向钻孔的弯曲机理

a.垂直于层理方向，硬度最小，破碎阻力小，破碎速度快，孔壁间隙最小，不易发生弯曲；

b.平行于层理方向的硬度最大，破碎阻力最大，破碎速度最慢，孔壁间隙最大，使钻头稳定量差，钻孔容易弯曲；

c.与层理斜交方向岩层的硬度、破碎阻力、破碎速度以及钻孔弯曲程度介于两者之间。2023/10/14编辑课件第一节定向钻孔的弯曲机理

（2）软硬互层构造的影响

遇层角指钻孔轴线与岩层层面法线的夹角的余角，钻孔轴线的遇层点的切线与其在层面上的射影所夹的锐角。

钻具沿层面下滑的临界遇层角主要与岩石对钻头的摩擦系数有关，这取决于岩石的性质，一般临界遇层角的值δ≤20°。2023/10/14编辑课件第一节定向钻孔的弯曲机理

遇层角大于临界角,钻头由软岩层进入硬岩层时，靠层面上硬岩一端孔底反力的合力大，靠软岩一端孔底反力的合力小，不仅钻头两端存在钻速差和孔底不对称不均匀破碎，而且将产生一倾倒力矩M使钻头扭转，并沿着地层上倾方向，即垂自于层面方向弯曲(称为“顶层进”)；遇层角大于临界角时钻头由硬岩层进入软岩层时，钻头靠层面上软岩一侧的钻速快，靠硬岩一侧的钻速慢，加之产生的倾倒力矩，使钻孔有向地层下倾方向弯曲的趋势（称为“顺层跑”）。2023/10/14编辑课件第一节定向钻孔的弯曲机理二、工艺技术因素

1、钻进工艺参数是指钻压（P）、转速（n）和冲洗液量（Q）。

2、一般情况下，大推力、高转速可实现钻孔向上弯曲；反之，小推力、低转速则使钻孔向下弯曲。另外冲洗液量的大小也会影响钻孔的弯曲，在孔内岩粉能返出孔外的前提下，冲洗液量过大钻孔会有下斜趋势，过小则会使钻孔相对上仰。

3、钻进工艺因素将改变孔底钻具产生的侧向力和受到的地层自然定向力，通过调节钻进工艺参数来控制钻孔轨迹，这也是受控定向钻进的一个重要手段。

2023/10/14编辑课件第二节定向钻孔的弯曲条件

钻孔弯曲，实现定向钻进，必须满足三个条件：力学条件、空间条件和位置条件。力学条件和空间条件是实现定向钻进的必要条件；位置条件是实现定向钻进的充分条件。1、力学条件

⑴钻头与孔底接触时，钻头唇面的轴向受力不均衡，孔底平面轴向破碎速度有快有慢，即孔底平面产生不均匀、不对称破碎，存在速度差，使钻头中心线可能偏离钻孔轴线。⑵孔底钻具组合歪倒，钻头中心线偏离原钻孔轴线一定角度，钻压P不再沿钻孔轴线方向，而是偏离一个角度施加给钻头，使钻头破碎方向不垂直于原孔底平面，而是同时破碎孔底(轴向分力作用)和孔壁(径向分力作用)的一部分，使孔底破碎不对称，从而有可能导致孔斜。2023/10/14编辑课件第二节定向钻孔的弯曲条件

钻头作用力方向偏离钻孔轴线示意图

⑶钻头轴向和径向同时受力，轴向压力沿钻头轴向垂直作用到孔底，侧向力FA沿钻头径向作用到孔壁。钻头在轴向破碎孔底的同时，又进行侧向切削孔壁，钻头轴线的实际切削方向为轴向破碎速度VP与侧向破碎速度VA、的矢量合成方向VC，因此钻头轴线的实际破碎方向偏离原钻孔轴线。钻头轴向和径向同时受力示意图2023/10/14编辑课件第二节定向钻孔的弯曲条件2、空间条件

空间条件是指孔底钻具组合与孔壁之间存在的间隙。它是上述力学条件下使钻头中心线偏离原钻孔轴线的前提条件。3、位置条件

位置条件是指钻头作用力的方向固定、相对大小固定以及钻头歪倒方向固定。钻孔过程中，只有同时具备力学条件、空间条件和位置条件，才会最终发生钻头中心线与原钻孔轴线的偏离。2023/10/14编辑课件第三节定向钻孔的受控方法

掌握了定向钻孔的弯曲机理和弯曲条件，为实现定向钻进提供必要的理论支持，使定向钻孔的控制方法有针对性、科学性和可行性。一、初级定向钻孔的控制方法

1.根据施钻区域地层赋存变化情况，结合常规钻具和一定工艺技术，摸索钻孔由地质因素引起的变化规律，实现钻孔定向。该方法简单易行，但必须做好前期准备：准确掌握区域地质资料；对区域已完成的钻孔进行分析归纳，找出其变化规律。2023/10/14编辑课件第三节定向钻孔的受控方法

2.钻头2023/10/14编辑课件第三节定向钻孔的受控方法

3.稳定组合钻具2023/10/14编辑课件第三节定向钻孔的受控方法二、受控定向钻进的控制方法----孔底动力机

孔底动力机是一种新型钻探设备，它以钻井液为动力传递介质，通过将水泵泵送的高压液体的能量转化为回转机械能，直接驱动钻头破碎岩石。使用孔底动力机进行钻进有以下优点：a、钻杆不转动，充分利用功率，既有利于发挥钻头切削性能，又减少钻杆的疲劳和磨损，防止孔径扩大、坍塌掉块及卡埋钻等孔内事故；b、结构简单，工作可靠；与高精度定向仪配合，可精确控制钻孔轴线方向，进行随钻测量定向钻进，实现遥控钻进；c、对地层的适应性广，既可在硬、坚硬的完整地层造斜，又可在破碎地层、第四系地层、松软以及中硬、软硬不均的地层中造斜。2023/10/14编辑课件第三节定向钻孔的受控方法1.螺杆钻具总成2023/10/14编辑课件第三节定向钻孔的受控方法2.螺杆马达工作曲线图a螺杆马达理论曲线图图b 螺杆马达实际曲线2023/10/14编辑课件第三节定向钻孔的受控方法3.螺杆马达的“工具面向角”螺杆马达的“工具面向角”就是我们通常所说的马达“弯头”朝向。钻进过程中通过改变弯头的朝向，使钻孔实现定向弯曲变化。

工具面向角0º（360º）弯头向上工具面向角270º弯头向左工具面向角90º弯头向右工具面向角180º弯头向下2023/10/14编辑课件第三章

定向钻进配套装备

一、钻机二、测斜系统三、孔底马达四、钻头五、其它部件第一节

钻机

由于定向钻进是以孔底马达的局部回转切削煤层和岩层的，所以对钻机的回转能力要求不高，只要满足给进和起拔力即可满足要求。目前应用于定向钻进用钻机主要有：

ZDY6000LD(A)---满足1000m的定向钻孔施工要求

ZDY6000LD------满足800m的定向钻孔施工要求

ZDY4000LD------满足600m的定向钻孔施工要求2023/10/14编辑课件第二节测斜系统通讯电缆孔底马达和钻头下无磁钻杆送水器上无磁钻杆通缆钻杆测量探管监视器信号线泥浆泵2023/10/14编辑课件第二节

测斜系统1.通缆钻杆

中心通缆钻杆为外平钻杆，长度为3m，外径73mm。可以进行定向钻进和回转钻进。由通缆母接头，绝缘支撑挡环，绝缘联接体，中间导线，通缆公接头，变径弹簧等构成；中间导线的外部设置绝缘联接体，其两端分别为通缆母接头、通缆公接头，在公接头上设置变径弹簧，与内圆锥面的母接头连接。2023/10/14编辑课件第二节

测斜系统

试验钻杆已进行了以下试验：

1.抗拉试验：拉力达到700kN以上；

2.静扭试验：屈服扭矩6000Nm以上，破坏扭矩10000Nm以上；

3.螺纹密封试验：5MPa不泄压，7~10MPa有泄漏；

4.导电及绝缘试验：9个接头的接触电阻为0.5Ω左右，5m钻杆芯线和钻杆体的电阻为4MΩ以上。

2023/10/14编辑课件第二节

测斜系统2.无磁钻杆

由于地磁场的作用，钻进过程中，钻具被磁化，对磁性罗盘产生磁干扰。并且随球纬度的不同，产生的地磁场强度也不同，罗盘受干扰的强弱就不同。另外，井眼倾斜角、钻孔方位角也与磁源干扰有关。如果不采取相应有效措施，会直接影响仪器的测量精度。无磁钻杆分为上无磁和下无磁钻杆。目前设备中由于螺杆马达铍铜材料，所以下无磁可以相应变短或不要。无磁钻杆通过无磁接手连接。

2023/10/14编辑课件第二节

测斜系统

3.测量仪器

2023/10/14编辑课件第三节

孔底马达

2023/10/14编辑课件第四节

钻头

2023/10/14编辑课件第五节

其它部件

通缆水便通信缆线转换接手

2023/10/14编辑课件第四章

定向钻进工艺

一、钻进方法二、钻进过程三、钻进规程参数的确定第一节钻进方法1.螺杆钻具造斜

目前螺杆马达有0.93°、1.25°、1.5°、0.62°带扶正器的几种弯角的螺杆进行轨迹调整。使用结果表明：不带扶正器的0.93°的螺杆向上纠斜的效果不是很理想；1.25°螺杆造斜效果好，尤其是钻进分支孔时，不用提钻直接可以在分支点造斜；1.5°的螺杆造斜强度较大，在强行纠偏时使用；带扶正器的0.62弯角螺杆马达在煤层中纠偏较缓，钻孔倾角和方位变化较小，钻孔轨迹较为平缓，钻孔方向控制效果较好，钻孔实际轨迹与设计轨迹的平均偏差小于1m。2023/10/14编辑课件第二节

钻进过程

加固钻机。开孔。先利用通缆钻杆连接φ96mm钻头钻进12m左右，提钻更换φ153mm扩孔钻头钻进6m，提钻后下入φ133mm的孔口管，利用封孔剂封孔。c.安装测斜仪器，连接螺杆马达和无磁钻杆，下钻前连接泥浆泵检查螺杆钻具。d.调整弯外管弯角，将螺杆马达弯外管方向调整为正十二点方向，测出此时的工具面向角值，作为工具面修正值。2023/10/14编辑课件第二节

钻进过程e.下钻到孔底，根据设计轨迹相应调整工具面值，启动泥浆泵开始钻进。f.钻进施工钻进过程中根据泥浆泵压力了解孔底状况，合理调节钻进的给进压力。g.终孔起钻。

2023/10/14编辑课件第三节

钻进规程参数的确定

螺杆钻具钻进工艺参数主要是指钻压P和转速n。由螺杆钻具的工作特性可知，由于钻压决定于螺杆钻具的压力降，转速决定于通过螺杆的流量，因此控制钻进工艺参数实质上就是控制螺杆钻具在合理的工作规范内进行。钻头的扭矩力与马达进出口的压力降成正比，螺杆钻具的压力降与钻压成正比。可知控制压力降就可控制钻压，这可通过钻机钻进系统控制进行调节，而通过泥浆泵压力表直观显示。钻头的转速基本就是螺杆马达的转速，螺杆马达的转速与通过螺杆的流量成正比。泵量减去孔口泥浆泵回水和流经钻具损失的流量，当回水关闭、钻具丝扣密封较好时，泵量基本就是通过螺杆的流量，因此控制泵量就可以实现对钻头转速的控制。由此不难得知，只要控制泥浆泵的流量与泵压，就基本上控制了马达的输出扭矩和转速。在使用螺杆钻具进行钻进时，泥浆泵压力表可作为孔底工况的监视器，通过调节流量来进行转速调节，由压力变化来判断和显示孔内工况。2023/10/14编辑课件第五章

钻进实例

一、大佛寺煤矿定向钻进二、亭南煤矿定向钻进三、汝箕沟煤矿定向钻进四、神东保德矿定向钻进第一节大佛寺煤矿定向钻进1.工作面概况

40104工作面为4号煤层，黑色，半亮型，硬度相对较大，系数3.0左右；该煤层赋存稳定，有自燃发火性，煤尘具有爆炸危险，且发火期短，仅为3～5个月。煤层厚度为16.4～19.75米,平均厚度18.0米。煤层结构简单，层状构造，条带状结构，含一层夹矸，厚度0.05～0.10米，其距煤层底板2.3～2.8米不等。2023/10/14编辑课件第一节大佛寺煤矿定向钻进2.钻孔布置2023/10/14编辑课件第一节大佛寺煤矿定向钻进

钻场布置在运顺联巷中，宽4米，高5米。设计1#钻孔垂直于401采区辅运大巷，方位角90°，钻孔倾角1.5°；2#钻孔方位角90°，钻孔倾角3°；3#钻孔方位角84°，钻孔倾角3.5°；4#钻孔方位角90°，钻孔倾角3.5°。此次试验钻孔5个，其中包含一个分支孔。

2023/10/14编辑课件第一节大佛寺煤矿定向钻进3.钻具组合

3＃钻孔开孔角度为3.5°，在钻具上增加了两个稳定器并将螺杆马达弯度调节为0°进行复合钻进。由于0.31°弯度的复合钻进将钻孔扩大，稳定器失去作用，导致钻孔倾角下降14°，每10m下降2°左右，此时系统压力上升到5～6MPa；根据均角全距法计算钻孔轨迹下偏严重，提钻采用1.25°螺杆钻具工具面向角朝上使钻具上仰，下降趋势减弱，但最终进入底板铝质泥岩而终孔。

钻杆上无磁钻杆测斜仪下无磁钻杆扶正器螺杆马达扶正器钻头2023/10/14编辑课件第二节亭南煤矿定向钻进1.113工作面定向钻进

巷道宽4米，高3米。设计1#钻孔平行于113工作面运输巷道，设计方位147.5°，钻孔倾角2.3°；2#钻孔设计方位147.5°，钻孔倾角3.8°；此次试验钻孔6个，包含四个分支孔，其中有3个分支钻孔从巷道穿出。2023/10/14编辑课件第二节亭南煤矿定向钻进2023/10/14编辑课件第二节亭南煤矿定向钻进1）1#钻孔

9～102m采用弯角0.93°的螺杆马达进行钻进；——102～117m采用弯角1.5°螺杆——117～201m保值稳定组合