1、五、井眼轨道设计及轨迹控制,1.主要概念：井眼轨迹： 是指一口井钻进之前人们预想的该井井眼轴线形状。井眼轨迹： 是指一口已钻成的井的实际井眼轴线形状。根据设计轨道的不同，井可以分为两大类：直井和定向井。直井： 井眼轴线是一条铅垂线，不需要进行专门设计。（但也需要采取措施控制井眼轨迹）。19世纪初旋转钻井诞生以来，初期都是打直井。定向井： 按照预先设计的井斜方位和井眼的轴线形状进行钻进的井。偏离井口所在铅垂线的井都属于定向井。20世纪20年代，人们意外的发现。首创于1932年美国，在加州海岸上的陆上油田扩展到海里，在陆地上开采到了海上的油田。 定向井技术是石油勘探开发中最重要的技术手段。,2.定
2、向井的应用：地面条件限制，地下地质要求和钻井技术需要,3.直井井眼轨迹控制：（1）井斜的原因： 地质因素，下部钻柱弯曲和设备安装及操作技术等因素。 a.地质因素 倾斜的层状地层对井斜的影响 当钻头在倾斜的层状地层中钻进时，钻至每个层面的交界处，地层上倾的一侧的岩石因不能长时间支撑所加的钻压而趋向沿垂直层面发生破碎。在井眼上倾一侧的小斜台很容易被钻掉。相反，在井眼下倾一侧却残留一个小斜台，这一岩块其变向器作用，给钻头一个横向力，将其推向井眼上倾一侧，从而造成井斜。当钻头钻至每个层的交界面时都会出现上述现象。地层倾角越大，成层性越强，钻压越大，井斜也越大。此外，这种作用除造成井斜歪，还会减小井眼的
3、有效尺寸，引起其他事故发生。,地层的各向异性对井斜的影响 大量的钻井资料证明，在一些具有明显层理的岩石中钻进时，在平行于层理的方向上岩石破碎比较困难，在垂直于层理的方向上岩石破碎比较容易。这种在不同方向上地层强度上的相对差异，称为地层的各向异性。钻进时钻头将沿着破碎容易的方向前进，因而发生井斜。,岩石软硬交错对井斜的影响 钻头从软地层进入硬地层，或从硬地层进入软地层时，由于两侧钻井速度的不同，而造成井斜。,b.下部钻柱弯曲对井斜的影响 钻进时靠下放部分钻柱重量给钻头是加钻压，在直井中，钻压较小时下部钻柱保持直线稳定状态。当钻压增值某一临界值时，下部钻柱发生失稳弯曲并与井壁产生切点，钻头及其相邻
4、连接部分钻柱的中心线偏离井眼轴线而使钻头偏转一个角度发生倾斜。钻头倾斜后对井底产生不对称切削。这是产生井斜的重要因素。随着钻压的进一步增大，切点下移，钻头偏转角度增大，对井斜影响更大。 c.其他因素对井斜的影响 实践证明，影响井斜的因素除地址因素和下部钻柱弯曲之外，还有工程施工质量和操作技术水平等因素。如天车，转盘和进口不在同一铅垂线上，放钻杆弯曲，接头四口歪斜，送钻不均匀等。这些人为造成的因素，应充分注意。,（2）钟摆钻具组合控制井斜 工作原理：在斜井中，切点一下钻铤的重量将产生一个横向锋利，该横向分力像钟摆一样，会将钻头推向下井壁，使钻头横向切削井壁，从而逐渐减小井斜。这个横向分力我们称之
5、为钟摆力，运用这个原理组合的钻具称为钟摆钻具。 显然横向分力（钟摆力）的大小取决于切点一下钻铤的重量和井斜角的大小。对于一定亵渎的井眼来说，井斜角一定。因此增大钟摆力的主要办法是增大切点一下的钻铤重量。办法有二：一是使用大尺寸钻铤或加重钻铤。在同一钻压下，大尺寸钻铤不易被压弯，并且切点位置高，因而切点以下钻铤长度L大，有利于增大钟摆力。而使在比切点略高的位置上，安装一个扶正器，以提高切点位置，增大其下部钻铤重量，使钟摆力增大。,（3）满眼钻具组合控制井斜 工作原理：由几个外径与钻头相同的扶正器与一定长度，外径较大的钻铤组成，它的防斜原理是在钻头以上的下部钻柱上安装一定数量的扶正器，以扶正钻头和
6、钻铤，提高下部钻柱的刚度，减小其弯曲程度，以消除钻头的严重倾斜，使其能减小和限制由于钻柱弯曲而产生的増斜力，同时扶正器能支承在井壁上，抗衡地层自然造斜力，已达到控制井斜在最小范围内变化的目的。 增斜时钻具的防斜作用：在钻井使井斜增大的底层时，满眼钻具能有力的抵抗底层横向力，减小井斜的变化减斜时钻具的作用：如果井眼已发生了偏斜，而地层横向力又使其趋向恢复垂直状态，满眼钻具的作用是防止井斜角过快地减小。,4.定向井井眼轨道设计 凡设计轨道不是沿铅垂线的井，都属于定向井。(而设计轨道是一条铅垂线的井，不管实钻的直井井眼轨迹如何在空间变化，我们仍称之为直井。)根据轨道的不同，分为二维定向井和三维定向井
7、。(1)轨道设计的原则：1.应能实现定向钻井的目的 或为了钻穿多套含油层系，扩大钻台成果；或为了延长目标段的长度，增大油层的裸露面积；或为使老井死井复活；或处理井下事故进行侧钻；或受限于地面条件而移动井位；或为节约土地而钻丛式；或为扑灭邻井大伙而钻救援井等。轨道设计首先要考虑实现本井的目的。2.应有利于采油和修井。 在可能的情况下，减小井眼的曲率以改善油管和抽油杆的工作条件。进入目的层的井段，井斜角应尽量小些，最好是垂直井段，以利于安装电潜泵，坐封封隔器及其他井下作业。3.应尽可能利用地层造斜规律4.应有利于安全，优质，快速钻井。,(2) 定向井井眼轨迹控制： 是用一定的造斜工具，根据设计轨道
8、的要求，不断地控制钻头前进方向，形成实钻井眼轨迹，最终钻达设计预定目标。,钻头对井底的不对称切削,地层原因：井底地层的可钻性不均匀,钻头原因：钻头破碎井底岩石 的能力一侧强，一侧弱,钻柱原因：靠近钻头的钻柱发生弯曲或倾斜,钻头对井壁的侧向切削：根本原因在于作用在钻头上有一个侧向力。,井眼变化的基本原理,斜向器（Whipstock）第一代，20世纪30年代,斜向器（Whipstock）第四代，20世纪90年代末期,弯外壳螺杆钻具第三代，20世纪70年代,弯接头+井底动力钻具第二代，20世纪40年代,造斜工具及其发展历程,第一代造斜工具（20世纪30年代）：斜向器 用于旋转钻井方式，在圆柱体的一侧
9、加工出一个倒斜面。步骤：1.下入并安置斜向器；2.加钻压剪断销钉；沿倒斜面钻出一个行程长度的小井眼3.取出斜向器，更换扩眼钻头扩眼。若要继续造斜，则重复以上三步。特点：只能钻小斜度定向井，钻出来的井眼轴线大体上是折线，不利于钻柱运动和下套管作业。,第二代造斜工具（20世纪40年代）：弯接头+井底动力钻具,特点：可连续造斜钻井，所钻出的井眼轴线是连续曲线，造斜能力和造斜率都大大提高，因而可以钻出小，中，大斜度定向井，甚至可以钻出水平井。极大地促进了定向钻井技术的发展，特别是丛式井的广泛应用。,第三代（20世纪70年代）：弯外壳螺杆钻具 核心技术是把弯曲点从弯接头移动螺杆钻具上。 特点：使弯曲点到
10、钻头的距离大大缩短，从而使造斜能力大大提高。造斜率由5/30m 提高到30/30m。对于水平井来说，弯曲井段可以大大缩短，钻柱摩擦阻力大大减小。 更重要的是，弯曲点距离钻头近了，在弯曲角相等情况下，钻头偏离井眼中心的距离会大大减小。从而使弯外壳螺杆钻具受井眼的约束叫嚣，在结构和弯曲角适合的情况下，弯外壳螺杆钻具有可能旋转起来。这种可以旋转的弯外壳螺杆钻具被称为导向螺杆钻具，俗称导向马达。 导向马达有两种钻进方式：滑动钻进方式和旋转钻进方式。在滑动钻进方式下，可以改变井眼方向，钻出增斜井段，降斜井段，可以扭方位。在旋转钻井方式下，可以不改变井眼方向，钻出稳斜井段。 具有这样特点的导向马达，配合以
11、MWD随钻随测井眼轨迹参数，再配合以高效能的钻头，在一次起下钻后，就可以完成增斜，降斜，稳斜，扭方位等各种轨迹控制任务。 这种方式改变井斜需要靠滑动钻进方式，所以称为滑动导向钻井系统,第四代造斜工具（20世纪末）：旋转导向钻井系统 在靠近钻头处有一个旋转套筒，内有两个偏心环，外偏心环和内偏心环。在钻进过程中，偏心环和非旋转套筒都不旋转。驱动钻头旋转的旋转轴在内，外偏心环的不同组合下，可以偏向井壁的任何方向，它像传播的舵一样，为钻头指引方向。 钻头偏斜方向和偏转角度依靠井下控制总成改变内外偏心换的不同转动角度调整，造斜率的大小则依靠钻头曲线偏离角度的大小调整。（3）造斜工具的定向 是定向井轨迹控制的一项关键技术。定向是指在井口将造斜工具的工具面安置到井下，使其装置角等于预定的装置角。 定向技术经历了3个阶段：地面定向，井底定向，随钻定向。 地面定向：通过转盘将工具面扭到预定的定向方位上。 井底定向：将造斜工具下到井底，再在钻柱内下入一起测量工具面在井下的实际方位。 随钻定向：利用随钻测量工具，将测量参数直接传送到地面并显示在司钻显示屏上。,
