第三节--定向井轨迹控制技术

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。 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（ 0～30米）十挠性接头十震击器十加重钻杆。 这种造斜钻具组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1.5～2.25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（3～8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2～4个单根进行一次单点测斜，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8～10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：

①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；

②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；

③如果调整工具面的角度较大（＞90度），调整后应活动钻具2～3次（停泵状态），以便钻杆扭矩迅速传递。 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；

（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。 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20～30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18～30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9－10，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25～50米测量一次，随时作图，掌握井斜、方位的变

化趋势。如果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10～30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0.7～1.2米。 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9－11，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（3～6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3～5次，切勿 “压死”钻具； （2）开泵，慢慢下放2～3次。

（3）在遇阻点以上1.5米左右，中高速转动转盘（80～90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l～2次，继续下钻。 注意：在硬地层时，稳斜钻具在造斜段遇阻，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（3～8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。

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30～60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90～110转／分）和中等钻压98～147千牛（10～15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2～3°井斜，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 9－13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。根据测斜资料及测斜计算可知，d、e二点的基本参数为井深Ld、Le井斜αd、αe，方位?d、?e，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Δ?p： 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?z ：

如图9－14所示，自目前井底e，对准目标点T的方位线为eT，

eT的方位角为?z，?z按如下公式计算。

对于偏差Δ?z，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9－15）。

（6）控制方位角的方法

选择方法的依据是将Δ?p与2Δ?z进行对比，2Δ?z是需要的方位漂移角，Δ?p是用目前采用的钻具组合可能达到的方位漂移角。 若2Δ?z＝Δ?p，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。

若2Δ?z与Δ?p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Δ?可用下式计算： Δ

?

＝

Δ

?z

－

1/2

Δ

?p???????????????????????（9－71） 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1/2

Δ?p。

（8）计算预计的井底井斜方位角?r ?r

＝

Δ

?e

＋

Δ

?

＋

Δ

?p???????????????????????（9－72） 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9－16所示。

由上图可知：

0°＜TF＜90°时，装置角位于第一象限，增斜，增方位。 90° ＜TF＜180°时，装置角位于第二象限，减斜，增方位。 180° ＜TF＜270°（－90°）时，装置角位于第三象限，减斜，减方位。

270°＜TF＜360°时，装置角位于第四象限，增斜，减方位。 图9－16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α1（7°），∠MAB为扭方位时的工具面角（?），AB为扭方位工具的造斜能力（?°／ΔL）。∠ MOB是钻进ΔL米井眼方位的增值（Δω），CB是井斜角的增值（Δα），OB是扭方位钻进ΔL米时的井斜角α＝α1＋Δα。图中，OA、AB、OB分别表示原井斜角αl、工具的造斜能力 ?°／ΔL和扭方位钻进ΔL米时的井斜角α′，须用相同单位长度代表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）90～95°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80～95°（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α1，方位角?1，扭方位后方位角?2，

Δ?＝?2－?1，弯接头的造斜率K以及限定扭方位的井眼长度ΔL。 （1）根据K、ΔL计算扭方位井段的狗腿角?∶?＝K×ΔL。 （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?1作井斜方位线OQ，量得OA＝α1（长度代表角度），以A点为圆心，?（以长度代表角度）为半径画圆。

（4）以∠AOB＝Δ?作线段OB，交圆于B、B′两点。 Δ?＞ 0，表示方位增加，作图时应以 OA为始边，顺时针转动至 OB方向；Δ?＜ 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。

5.2.2 井底钻具组合的力学分析

我们在选择钻具组合时, 应先对钻具组合进行力学分析, 求出侧向力, 再结合实际经验, 综合地层因素, 预测出轨迹变化趋势, 就可以决定所选择 的钻具组合是否符合轨迹控制的要求。

5.2.3 调整钻具组合的原则与方式

如果钻头不是按照预定的井眼轨迹前进, 就需要在适当的时侯, 起钻调 整钻具组合。调整钻具的原因有三个: 一是井斜不合适; 二是方位不合适; 三是井斜、方位都不合适。

① 钻具组合调整一般在稳斜段进行, 调整钻具组合时应考虑如下几点: A: 确认调整后的钻具入井后, 具有预料的性能;

B: 一般情况下, ▓采用微调的形式, 以避免大幅度增斜/ 降斜导致稳 斜段狗腿太大;

C: 尽量争取调整后的钻具能钻较长的井段, 以避免反复起下钻调整 钻具。一是保证快速钻进, 二是避免波浪形井眼轨迹;

▓ D: 如果要进行调方位作业(纠方位), 应考虑使用较小度数的弯接头, 避免大狗腿; 如果裸眼井段太长, 还应考虑马达纠斜时的安全性, 考虑是否 可以在下完套管后进行纠方位或者提前在较浅井段进行。总之, 调整钻具组 合要准确、及时并且全面考虑井身质量和整个钻井作业。

② 从调整钻具的目的看, 调整钻具组合的方式有两种: 一是调方位, 这需要下动力钻具或组装方位变向器; 二是调整井斜。

用井下马达调方位即下入造斜钻具组合(弯接头+井下马达)。所谓变向器 调方位, 是在转盘钻组合中, 加方位变向器, 通过方位变向器的作用在钻头 处产生一个横向侧向力, 钻头横向漂移, 从而达到增减方位的目的。 井斜的调整则较简单。通过对转盘钻具的钻铤根数和位置、 扶正器的位 置与尺寸的调整来改变钻具的性能, 达到轨迹控制的目的。

目前, 一种被称为导向马达的钻具正在定向井、水

平井中广泛使用。其突 出优点是: 既能转盘稳斜钻直井段, 又能定向造斜。 即它同时兼备调整井斜、 方位的能力并且不用

起下钻调整钻具。 其结构是将普通泥浆马达上外壳做成 异向双弯形式, 同时在其本身带扶正器。

5.3 地层因素对井眼轨迹的影响

井眼轨迹是通过钻头与地层的相互作用形成的。很明显, 同一套钻具组 合在不同的地层表现出的性能是不一样的, 或者说轨迹方位和井斜的变化率 是不一样

的, 这是由于不同的地层因素的影响。 地层因素影响可以归到地层 力上。

目前, 对地层力的定量分析, 还很不理想。 对地层因素对井眼轨迹影响 的认识, 还只是定性阶段或半定量阶段。由于地下情况异常复杂, 地层力的分析目前暂局限于具有一定规律性的地层, 其目的在于确定出地层反作用在

钻头上的侧向力。在定量分析中至少应考虑以下一些影响因素:

① 地层倾角; ② 地层各向异性;

③ 井眼方位与地层上倾方位之间的夹角; ④ 钻压;

⑤ 井斜角。

此外, 转速、钻头类型等也对地层力发生影响。 结合地层力分析和钻具三维力学分析, 通过侧向切削模型和轴向钻速模 型, 确定三维分位移, 从而预测井眼轨迹。 这是理论上轨迹预测的总体思路。

勘探院的苏义脑博士在这方面做了一些研究, 但预测结果只是动力钻具造斜 部分。 而最关键的转盘钻具组合的轨迹预测以及如何利用和控制地层因素影 响等方面的工作还有待下一步进行。 下面就地层因素的几个方面说明它们对 井眼轨迹的影响。

① 通过软、硬交错的地层, 通常钻头倾向于垂直地层层面钻进;

② 如果层状地层倾角大于45°, 通常钻头倾向与地层层面钻进;

③ 如果预计钻进方向同于地层上倾方向, 方位将按钻头自然漂移趋势 漂移, 而井斜将增加很快; 如果预计钻进方向在地层上倾方向的左边, 钻头 将向右漂移; 如果预计钻进方向在地层上倾方向的右边, 钻头将向左漂移。 ④ 一般来说, 上部地层倾角不大, 比较疏松, 方位漂移不大;而下部地 层有一定倾角, 且结构致密, 方位漂移较大。钻头钻遇砾石层, 方位漂移较严重。

总而言之, 对地层因素对钻头漂移的影响的认识,

还很不充分。 一般来 说, 对某一地区地层自然漂移影响的认识有一个摸索的过程, 只有多实践、勤思考、善总结, 才能做到较好地利用地层因素为轨迹控制服务。

5.4 定向井钻井参数的优选

钻具组合选定后, 然后选择钻井参数并在钻井过程中适当调整。 基本钻 井参数包括: 钻压、转速和泥浆排量。

钻井参数优选的原则是: 满足井眼轨迹要求, 并尽量做到快速钻进。

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