定向井和水平井钻井技术

一.设计资料 要进行一口定向井的轨道设计工作,作业者至少应提供靶点的垂深、水平位移和方位角,或提供井口与靶点的座标位置,通过座标换算,计算出方位角和水平位移。此外,定向井工程师还要收集下列资料: 1.作...

第一节 定向井井身参数和测斜计算 一．定向井的剖面类型及其应用

定向钻井就是“使井眼按预定方向偏斜，钻达地下预定目标的一门科学技术”。定向钻井的应用范围很广，可归纳如图9－l所示。

定向井的剖面类型共有十多种，但是，大多数常规定向井的剖面是三种基本剖面类型，见图9－2，称为“J”型、“S”型和连续增斜型。按井斜角的大小范围定向井又可分为：

常规定向井井斜角＜55° 大斜度井井斜角55～85°

水平井井斜角＞85°（有水平延伸段） 二．定向井井身参数

实际钻井的定向井井眼轴线是一条空间曲线。钻进一定的井段后，要进行测斜，被测的点叫测点。两个测点之间的距离称为测段长度。每个测点的基本参数有三项：井斜角、方位角和井深，这三项称为井身基本参数，也叫井身三要素。

1．测量井深：指井口至测点间的井眼实际长度。

2．井斜角：测点处的井眼方向线与重力线之间的夹角。

3．方位角：以正北方向线为始边，顺时针旋转至方位线所转过的角度，该方向线是指在水平面上，方位角可在0—360°之间变化。 目前，广泛使用的各种磁力测斜仪测得的方位值是以地球磁北方位线为准的，称为磁方位角。磁北方向线与正北方向线之间有一个夹角，称磁偏角，磁偏角有东、西之分，称为东或西磁偏角，真方位的计算式如下：

真方位＝磁方位角十东磁偏角 或 真方位＝磁方位角一西磁偏角 公式可概括为“东加西减”四个字。

方位角也有以象限表示的，以南（S）北（N）方向向东（E）西（W）方向的偏斜表示，如N10°E，S20°W。在进行磁方位校正时，必须注意磁偏角在各个象限里是“加上”还是“减去”，如图 9－3所示。

4．造斜点：从垂直井段开始倾斜的起点。

5．垂直井深：通过井眼轨迹上某点的水平面到井口的距离。 6．闭合距和闭合方位

（l）闭合距：指水平投影面上测点到井口的距离，通常指靶点或井底的位移，而其他测点的闭合距离可称为水平位移。

（2）闭合方位：指水平投影响图上，从正北方向顺时针转至测点与

井口连线之间的夹角。

7．井斜变化率和方位变化率：井斜变化率是指单位长度内的井斜角度变化情况，方位变化率是指单位长度内的方位角变化情况，均以度／100米来表示（也可使用度／30米或度／100英尺等）。 8．方位提前角（或导角）：预计造斜时方位线与靶点方向线之间的夹角。

三．狗腿严重度

狗腿严重是用来测量井眼弯曲程度或变化快慢的参数（以度／100英尺表示）。可用解析法、图解法、查表法、尺算法等来计算狗腿严重度k。 1．第一套公式

2．第二套公式

cosγ＝cosa1cosa2＋sina1sina2

cosΔj???????????????（9－3）

本式是由鲁宾斯基推导出来的，使用非常普遍。美国人按上式计算出不同的a1、a2和Δj值下的狗腿角γ值，并列成表格，形成了查表法。

3．第三套公式

γ——两测点间的狗腿角。

若将三套公式作比较，第一套公式具有普遍性，适合于多种形状的井

眼，第二套只适用于平面曲线的井眼（即二维井型），第三套是近似公式，用于井斜和方位变化较小的情况。 四．测斜计算的主要方法

测斜计算的方法可分为两大类二十多种。一类是把井眼轴线视为由很多直线段组成，另一类则视其为不同曲率半径的圆弧组成。计算方法多种多样，测段形状不可确定。主要的计算方法有正切法、平衡正切法、平均角法、曲率半径法、最小曲率法、弦步法和麦库立法。从计算精度来讲，最高的是曲率半径法和最小曲率法，其次是平均角法。以下各图和计算公式中下角符号1、2分别代表上测和下测点。 1．平均角法（角平均法）

此法认为两测点间的测段为一条直线，该直线的方向为上下两测点处井眼方向的矢量和方向。 测段计算公式： 2．平衡正切法

此法假定二测点间的井段为两段各等于测段长度一半的直线构成的折线，它们的方向分别与上、下两测点处的井眼方向一致。 如图9－6，计算式为：

3．曲率半径法（圆柱螺线法）

此法假设两测点间的测段是条等变螺旋角的圆柱螺线，螺线在两端点处与上、下二测点处的井眼方向相切。 如图9－7，测段的计算公式有三种表达形式。

（1）第一种表达形式 （9－13）～（9－16）式中： 这四个公式是最常用的计算公式： （3）第三种表达形式

（4）曲率半径法的特殊情况处理

③第三种特殊情况，α1≠α2，且其中之一等于零。此时，按二测点方位角相等来处理，然后代入第二种特殊情况的计算式中。 4．最小曲率法

最小曲率法假设两测点间的井段是一段平面的圆弧，圆弧在两端点处与上下二测点处的井眼方向线相切。测段计算如图9－8。 测段计算公式如下：

令fM＝（2/γ）×tg（γ/2），fM是个大于1但很接近1的值。在狗腿角γ足够小的情况下，可近似认为fM＝1，这时上述四个计算公式就完全变成平衡正切法的公式了，它是对平衡正切法公式的校正。

ΔS′是切线1M和M2在水平面上的投影之和，即ΔS′＝1′M′＋ M′2′。ΔS′并不是测段的水平投影长度ΔS。要作出井身垂直剖面图，需要求出ΔS，而最小曲率法却求不出ΔS，这是最小曲率法的缺点。为了作出垂直剖面图，可用下式近似地求出ΔS′：

????????????????????（9－39） 第二节 定向井剖面设计

在开钻前认真进行设计，可以大大节约定向钻井的成本。影响井眼轨迹的因素很多，其中一些因素很难进行估算（如在某些地层中的方位漂移情况等）。因此，在同一地区得到的钻井经验很重要，这些经验可以在其他井设计过程中起重要的参考作用。 一．设计资料

要进行一口定向井的轨道设计工作，作业者至少应提供靶点的垂深、水平位移和方位角，或提供井口与靶点的座标位置，通过座标换算，计算出方位角和水平位移。此外，定向井工程师还要收集下列资料： 1．作业区域和地理位置。通过作业区域，通常可以找到该地区已完井的钻井作业资料（野猫井除外），并对地层情况、方位漂移有一定的了解，根据地理位置，可以计算或查得到地磁偏角。

2．地质设计书和井身结构。了解有关地层压力、地温梯度、地层倾角、走向、岩性、断层，可能遇到的复杂情况，以及油藏工程师的特殊要求等。

3．作业者对造斜点、造斜率、增（降）斜率的要求，以及安全圆柱、最大井斜等井身质量的要求。

4．了解钻井承包商的情况，如泥浆泵性能，井下钻具组合各组件的基本情况等。 二．设计原则

1．能实现钻定向井的目的

定向井设计首先要保证实现钻井目的，这是定向井设计的基本原则。设计人员应根据不同的钻探目的对设计井的井身剖面类型、井身结构、钻井液类型、完井方法等进行合理设计，以利于安全、优质、快速钻井。

如救险井的钻井目的是制服井喷和灭火，保护油、气资源。因此，救险井的设计应充分体现其目的：一是靶点的层位选择合理。二是靶区半径小（小于10米），中靶要求高；三是尽可能选择简单的剖面类型，以减小井眼轨迹控制和施工难度，加快钻井速度。四是井身结构、井控措施等应满足要求。

2．尽可能利用方位的自然漂移规律在使用牙轮钻头钻进时，方位角的变化往往有向右增加的趋势，称为右手漂移规律。如图9－9所示，靶点为T，设计方位角为j′。若按j′定向钻进，则会钻达T′点，只有按照j角方向钻进，才会钻达目标点T。Δj角称为提前角，提前角的大小，要根据地区的实钻资料，统计出方位漂移率来确定，我国海上开发井一般取2～7度。

目前流行的PDC钻头（如RC426型等），对方位右漂具有较好的抑制效果。在地

层倾角小、岩性稳定时，PDC钻头具有方位左漂的趋势，这主要是由于PDC钻头的切削方式造成的。因此，要使用PDC钻头钻进的定向井，提前角要适当地小一点。

3．根据油田的构造特征，有利于提高油气产量，提高投资效益。 4．有利于安全、优质和快速钻井，满足采油和修井的作业要求。

三．剖面设计中应考虑的问题 1．选择合适的井眼曲率

井眼曲率不宜过小，这是因为井眼曲率限制太小会增加动力钻具造斜井段、扭方位井段和增（降）斜井段的井眼长度，从而增大了井眼轨迹控制的工作量，影响钻井速度。

井眼曲率也不宜过大，否则钻具偏磨严重、摩阻力增大和起下钻困难，也容易造成键槽卡钻，还会给其他作业（如电测、固井以及采油和修井等）造成困难。因此，在定向井中应控制井眼曲率的最大值，我国海上定向井一般取7～16°／100米，最大不超过20°／100米。不同的井段要选用不同的井眼曲率，具体如下： 井下动力钻具造斜的井眼曲率取：7～16°／100米。 转盘钻增斜的增斜率取：7～12°／100米。 转盘钻降斜的降斜率取：3～8°／100米。

井下动力钻具扭方位的井眼曲率取：7～14°／100米。 导向马达调方位或增斜的井眼曲率取：5～12°／100米。 说明：随着中曲率大斜度井和水平井的迅速发展，对普通定向井的井眼曲率（或狗腿严重度）的限制越来越少，API标准中已不再规定常规定向井的狗腿严重度。

为了保证起下钻顺利和套管安全，必须对设计剖面的井眼曲率进行校核，以限制最大井眼曲率的数值。井下动力钻具造斜和扭方位井段的井眼曲率Km应满足下式：

Dc――套管外径，厘米。 2．井眼尺寸

目前常规的定向井工具能满足152～445毫米（6～171/2英寸）井眼的定向钻井要求，一般地说，大尺寸井眼比较容易控制轨迹，但由于钻铤的尺寸也较大，形成弯曲所需的钻压较大，小井眼要使用更小、更柔的钻具，而且地层因素对轨迹的影响也较大。因此小井眼的轨迹控制更困难一些。

在常规的井眼尺寸中，大多数定向井可采用直井的套管程序。如果实钻井眼轨迹较光滑，没有较大的狗腿，那么即使在大井斜井段，也能较顺利地进行下套管作业。当然，在斜井段，应在套管上加扶正器以支撑套管，避免在下套管过程中发生压差卡钻，同时提高固井质量。另外，在大斜度井段，可根据井段长度和作业时间，决定是否使用厚壁套管。 3．钻井液设计：

（1）定向井钻井液设计十分重要，钻井液应有足够的携砂能力和润滑性，以减少卡钻的机会；

（2）钻井液性能控制对减少定向井钻柱拉伸与扭矩也很重要； （3）钻井液中应加润滑剂，钻井液密度与粘度必须随时控制。 （4）如果用水基钻井液，那么在正常压力井段，应使用高排量和低固相含量的钻井液，这样有利于清洁井眼；

（5）水基钻井液应具有良好的润滑性能，以减少钻具摩阻和压差卡钻；然而在海上钻井，一定要避免污染问题。

（6）如果有异常高压井段要求钻井液密度达到1.45克／厘米3或更高，那么应考虑在钻开该高压地层前下一层保护套管，以封固所有正常压力井段。 4．造斜点的选择

造斜点的选择要适当浅些，但是在极浅的地层中造斜时，容易形成大井眼。同时，由于地层很软，造斜完成后下入稳斜钻具时，要特别小心，以免出现新井眼，尤其是在稳斜钻具刚度大或造斜率较高时。通常地说，浅层造斜比深层造斜容易一些，因为深层地层往往胶结良好，机械钻速低，需花费较长的造斜时间。

另外，造斜点通常选在前一层套管鞋以下30～50米处，以免损坏套管鞋，同时减少水泥掉块产生卡钻的可能性。

在深层地层造斜时，应尽量在大段砂层中造斜，因为砂层的井眼稳定，钻速较快，而页岩段较易受到冲蚀，钻速较低，而且在以后长时间钻井作业，容易在造斜段形成键槽而可能导致卡钻。 5．靶区形状和范围

靶区形状与范围通常由地质构造、产层位置决定，并考虑油田油井的分布情况，靶区大小是由作业者确定的。通常认为，鞍区范围不能定得太小，很小的靶区范围不仅会增加作业成本，同时也会增加调整方位的次数，造成井眼轨迹不平滑，增加转盘扭矩，同时也增加产生健槽卡钻的可能性。

通常，靶区形状为圆形（严格地讲，应该是球形）。浅井和水平位移小的定向井，其靶区范围小一些，一般靶区半径30～50米，而深井

和水平位移大的井，靶区范围可以适当地大一些，一般靶区半径为50～70米。

6．造斜率和降斜率选择

常规定向井的造斜率为7～14°／100米，如果需要在浅层造斜并获得较大的水平位移，造斜率可提高到14～16°／100米。但是，浅层的高造斜率容易出现新井眼，也容易对套管产生较大的磨损。因此，浅层造斜通常选择较低的造斜率，而深层造斜（1000米～2000米）可选择较高的造斜率。

对于“S”型井眼，通常把降斜率选在3～8°／100米，如果降斜后仍然要钻较长的井段，则必须采用较小的降斜率平缓降斜，以避免键槽卡钻，同时，可降低钻进时的摩阻力。 7．最大井斜角

常规定向井的最大井斜角，一般在15～45°，如果井斜太小，则井眼的井斜和方位都较难控制。井斜大于60°时，钻具的摩阻力将大大增加。

8．允许的方位偏移与极限

（1）定向钻进时，初始造斜方向通常在设计方位的左边（即选定导角），然后通过自然漂移钻达靶区，井眼轨迹是一条空间曲线。 （2）但是对导角也有一个限制，在井眼密集的井网中，要求定向井轨迹保持在安全圆柱内，以避免与邻井相碰。

（3）同样，由于油藏特性和地质地层条件，也对导角的大小有一定的限制。

9．井身剖面类型

在满足设计和工艺要求的前提下，尽可能缩短井段长度，因为井段短则钻井时间短。在设计井身剖面形状时，要考虑井身结构，造斜点一般选在套管鞋以下30～50米处。目前，我国海上定向井的井身剖面通常由作业者决定，往往选择“J”型剖面。 四．剖面设计 1．设计步骤： （l）选择剖面类型；

（2）确定增斜率和降斜率，选择造斜点；

（3）计算剖面上的未知参数，主要是最大井斜角；

（4）进行井身计算，包括各井段的井斜角、水平位移、垂深和斜深； （5）绘制垂直剖面图和水平投影图。

井身剖面的设计方法有试算法、作图法、查图法和解析法四种。我国海洋定向井通常采用解析法，并使用计算机完成。剖面设计完成以后，应向作业者提供下列资料：

（1）总体定向钻井方案和技术措施。

（2）剖面设计结果，包括设计条件、计算结果、垂直剖面图和水平投影图。

（3）测斜仪器类型和该地区的磁偏角，以及测斜计算方法； （4）设备和工具计划。 2．二维定向井设计（解析法）

解析法是根据给出的设计条件，应用解析公式计算出剖面上各井段的

所有井身参数的井身设计方法。在使用计算机的条件下，还可同时给出设计井身的垂直投影图和水平投影图。

解析法进行井身剖面设计所用公式如下（用于三段制J型、五段制S型和连续增斜型剖面）。 （1）求最大井斜角αmax。

（2）各井段的井身参数计算： ①增斜段 ②稳斜段 ③降斜段 ④稳斜段 ⑤总井深L

（3）设计计算中特殊情况的处理

①当Ho2＋So2－2RoSo＝0时，表示该井段设有稳斜段，此时可由下面三个公式中任一个公式来求最大斜角αmax: ②当2Ro－So＝0时，可用下式求最大井斜角αmax:

③当Ho2＋So2－2RoSo＜0，说明此种剖面不存在，此时应该改变设计条件，改变造斜点深度、增斜率和降斜率或改变目标点坐标。 井身剖面设计计算结果应整理列表，并校核井身长度和各井段井身参数是否符合设计要求，还应该校核井上曲率，井身剖面最大曲率应小于动力钻具和下井套管抗弯曲强度允许的最大曲率。

目前，应用计算机程序进行井身剖面设计时，设计结果列表和均可由打印机和绘图仪自动完成。 4．设计方法举例

例 某定向井设计全井垂深H=2-000米（靶点），上部地层300米至350米是流砂层，1000米至1050米有一高压水层，作出井身剖面设计。

井口座标 X1：3 246 535.0 Y1：2 054 875.0 井底座标 X2：3 245 972.95 Y2：2 054 665.0 先根据井口与井底座标，计算出水平位移和目标方位。

（1）根据提供的地质资料，在进行剖面设计时，应设法使动力钻具造斜的井段和增斜的井段避开流砂层和高压水层。

（2）对于钻井工艺及其它限制条件，在满足（l）项条件的前提下，应选择较简单的剖面类型。

（3）剖面类型选用“直一增一稳”三段制井身剖面。此种剖面简单，地面井口至目标点的井身长度短，有利于加快钻井速度。

（4）选择造斜点。根据垂直井深和水平位移的关系，造斜点应选在350米至600米间。如选在1050米以下，会使井斜角太大，是不合理的。

因300米至350米是流砂层，在井深结构设计时应用套管封固，以利于定向造斜，防止流砂层漏失、垮塌等复杂情况出现。造斜点应选在套管鞋以下不少于50米的地方为宜。因此，造斜点与井口之间井眼长度不应小于450米。

又因1000米至1050米是高压水层，为了下部井段能顺利钻进，也应考虑下入一层中间套管封住高压水层。为了减少井下复杂情况和有利于定向井井眼轨迹控制，在进行套管设计时，应避免套管鞋下在井眼曲率较大的井段中，中间套管的下入深度应进入稳斜井段150米左右为宜。在考虑上述因素后，造斜点的位置应在高压水层以上不少于400米处，也就是造斜点与井口之间的井眼长度不应大于600米。 经过上述的分析，如果造斜点应在450米至600米之间选择，那么，把造斜点确定在500米处是比较合理的。

（5）选择造斜率K为7°／100米。根据造斜率计算造斜井段的曲率半径R。

（6）计算最大井斜角αmax R——造斜段曲率半径，米。 把已知条件代入上式得： αmax=24.4° （7）分段井眼计算： 增斜段 稳斜段

4．三维定向井

设计的井眼轴线，既有井斜角的变化，又有方位角的变化，这类井段

为三维定向井，实际作业中，有时会碰到三维定向井的问题，大体上分为三种情况。

第一种情况 原设计为两维定向井，在实钻中偏离了目标方位，如果偏得不多，只要调整钻具组合或扭一次方位就可以了。严格地说，实钻的定向井轨迹，都有井斜角的变化和方位角的变化，这种三维定向井可以简化为二维的。

第二种情况 在地面井位和目标点确定的情况下，在这两点的铅垂平面内，存在着不允许通过或难以穿过的障碍物，不能在铅垂平面上设计轨道，需要绕过障碍，设计绕障三维定向井。在海上丛式井经常碰到这类井。

第三种情况在地面井位确定的情况下，要钻多目标井。地面井位和多目标点不在同一铅垂平面内，只有井斜角和方位角都变化，才能钻达设计的多个目标点。

三维定向井的轨迹设计和测斜计算很复杂，通常使用计算机软件完成这些工作。

为三维定向井，实际作业中，有时会碰到三维定向井的问题，大体上分为三种情况。

第一种情况 原设计为两维定向井，在实钻中偏离了目标方位，如果偏得不多，只要调整钻具组合或扭一次方位就可以了。严格地说，实钻的定向井轨迹，都有井斜角的变化和方位角的变化，这种三维定向井可以简化为二维的。

第二种情况 在地面井位和目标点确定的情况下，在这两点的铅垂平面内，存在着不允许通过或难以穿过的障碍物，不能在铅垂平面上设计轨道，需要绕过障碍，设计绕障三维定向井。在海上丛式井经常碰到这类井。

第三种情况在地面井位确定的情况下，要钻多目标井。地面井位和多目标点不在同一铅垂平面内，只有井斜角和方位角都变化，才能钻达设计的多个目标点。

三维定向井的轨迹设计和测斜计算很复杂，通常使用计算机软件完成这些工作。

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