1、1第一章 定向井（水平井）钻井技术概述第 一 节 定 向 井 、 水 平 井 的 基 本 概 念1定向井丛式井发展简史定向井钻井被（英）T A英格利期定义为：“使井筒按特定方向偏斜，钻遇地下预定目标的一门科学和艺术。 ”我国学者则定义为，定向井是按照预先设计的井斜角、方位角和井眼轴线形状进行钻进的井。定向井相对与直井而言它具有井斜方位角度而直井是井斜角为零的井，虽然实际所钻的直井它都有一定斜度但它仍然是直井。定向井首先是从美国发展起来的，在十九世纪后期，美国的旋转钻井代替了顿钻钻井。当时没有考虑控制井身轨迹的问题，认为钻出来的井必定是铅垂的，但通过后来的井筒测试发现，那些垂直井远非是垂直的。并
2、由于井斜原因造成了侵犯别人租界而造成被起诉的案例。最早采用定向井钻井技术是在井下落物无法处理后的侧钻。早在 1895 年美国就使用了特殊的工具和技术达到了这一目的。有记录定向井实例是美国在二十世纪三十年代初在加利福尼亚享廷滩油田钻成的。第一口救援井是 1934 年在东德克萨斯康罗油田钻成的。救援井是指定向井与失控井具有一定距离，在设计和实际钻进让救援井和失控井井眼相交，然后自救援井内注入重泥浆压死失控井。目前最深的定向井由 BP 勘探公司钻成，井深达 10，654 米；水平位移最大的定向井是 BP 勘探公司于己于 1997 年在英国北海的 Rytch Farm 油田钻成的 M11 井，水平位移
3、高达 1，0114 米。垂深水平位移比最高的是 Statoil 公司钻成的的 33/9C2 达到了 1:3.14；丛式井口数最多，海上平台：96 口；人工岛：170 口；我国定向井钻井技术发展情况我国定向井钻井技术的发展可以分为三个阶段，5060 年代开始起步，首先在玉门和四川油田钻成定向井及水平井:玉门油田的 C215 井和磨三井，其中磨三井总井深 1685 米，垂直井深表遗憾 350 米，水平位移 444.2 米，最大井斜 92，水平段长 160 米；70 年代扩大实验，推广定向井钻井技术；80 年代通过进行集团化联合技术攻关，使得我国从定向井软件到定向井硬件都有了一个大的发展。我国目前最
4、深的水平井是胜利定向井公司完成的 JF128 井，井深达到 7000 米，垂深位移比最大的大位移井是胜利定向井公司完成的郭斜 井，水平位移最大的大位移井是大港定向井公司完成的 井，水平位移达到 2666 米，最大的丛式井组是胜利石油管理局的河 50 丛式井组，该丛式井组长 384 米，宽 115 米，该丛式井平台共有钻定向井 42 口。2定向井的分类按定向井的用途分类可以分为以下几种类型：普通定向井多目标定向井定向井 丛式定向井救援定向井水平井多分枝井（多底井）2国外定向井发展简况（表 一）年代内容50 年 代 60 年 代 70 年 代 80 年 代 90 年 代剖面设计及迹计算方法误差很大
5、的正切法，进行定向井设计轨迹计算18 种二维计算方法，如更精确的曲率半径法发展到三维设计和大组丛式井整体设计计算机专家系统进行定向井的设计和指导定向井施工发展了大型集成设计软件包井斜控制理论斜直井段的二维分析考虑了井眼的曲率及满眼组合的特性三维数据分析，由静态发展到动态发展了多种分析计算方法并编制了计算机程序在原来多种分析的基础上引入了数学及其它边沿学科定向造斜工艺涡轮加弯接头斜向器配合转盘钻使用效率更高的螺杆动力钻具，专用工具的定型配套涡轮、螺杆动力钻具向低速大扭矩发展。各种专用井下工具系列化发展了复合式动力钻具，导向钻井系统，长寿命 PDC 钻头等发展成熟多分枝井回接工艺地质导向钻井系统测
6、量方式 氢氟酸玻璃管刻线法和地面定向法机械式罗盘，精度较高的单多点照相测斜仪有线随钻测斜仪投入工业性使用，无线随钻测斜仪研制成功多种无线随钻测斜系统投入工业使用和发展了电子测量系统和陀螺测量系统发展成熟带地质参数的无线随钻测斜仪定向井钻井水平精度要求不高中深定向井可打准确度较高的定向井和小组定向井可打准确度较高的定向救援井和大组丛式井钻成大量水平井从大半径水平井到小半径水平井多底泄油井钻成位移过万米的大位移井径向水平井可在 0.3 米之内完成增斜过程3我国定向井钻井技术发展情况 （表二）年代内容60 年代 80 年 代 90 年 代剖面设计及轨迹计算方法设计采用查表法、图解法等精度不高的方法发
7、展了曲率半径法，最小曲率半径法等多种更为精确的轨迹计算和设计方法，编制了能进行轨迹预测和防碰扫描的计算机软件包。引入人工智能和专家系统井斜控制理论 进行了钻具的二维静态分析主要使用有限元法发展了多种新的分析计算方法，例如：平衡梁法、加权余量法等，并编制了计算机分析程序理论分析模型由静态态发展到动态，由二维发展到三维定向造斜工艺 使用地面定向法（钻杆打钢印） 。数据测量使用电测井数据。使用精度高的磁性单多点测斜仪进行定向和轨迹数据测量，发展了有线随钻测斜仪定向。发展了导向钻井系统初步研制出径向水平井造斜工艺测量方式 氢氟酸测斜仪，机械式罗盘的电测井方法。多种引进的有线随钻测斜系统投入工业使用和发
8、展了电子测量系统及陀螺测量系统发展了无线随钻测斜系统，引进了带地质参数的 MWD系统定向井钻井水平简单的单口定向井、水平井位移小，精度低钻成大量高难度定向井、大组丛式井、多目标井、套管定向开窗井、水平井也从大半径水平井发展到了中半径水平井在水平井方面取得大型突破，钻成了长、中、短半径水平井第 二 节 水 平 井 钻 井 技 术 简 介所谓水平井，是指一种井斜角大于或等于 86，并保持这种角度钻完一定长度水平段的定向井。1水平井钻井技术发展概况1863 年，瑞士工程师首先提出钻水平井的建议；1870 年，俄国工程师在勃良斯克市钻成井斜角达 60的井；瑞典和美国研制出测量井眼空间位置的仪器，188
9、8 年俄国也设计出了测斜仪器；1929 年，美国国加利福尼亚州钻成了几米长的水平分支井筒；30 年代，美国开始用挠性钻具组合在垂直井内钻曲率半径小的水平井分支井眼；1954 年苏联钻成第一口水平位移；1964 年1965 年我国钻成两口水平井，磨3 井、巴24 井；自来 80 年代以来，随着先进的测量仪器、长寿命马达和新型 PDC 钻头等技术的发展，水平井钻井大规模高速度的发展起来。4我国水平井钻井在 90 年代以来也取得了很大发展，胜利油田已完成各种类型水平井百余口，水平井钻井水平和速度不断提高。水平井的类型及各种类型水平井的特点1） 水平井的类型：根据水平井曲率半径的大小分为：长曲率半径水
10、平井（小曲率水平井） ；中曲率半径水平井（中曲率水平井） ；短曲率半径水平井（大曲率水平井） 。2） 不同曲率水平井的基本特征及优缺点（1） 不同曲率水平井的基本特征表井型项目长半径水平井中半径水平井短半径水平井造斜率 15/100 米使用抗压钻杆铰接驱动钻杆测量工具无限制 有线随钻测斜仪，MWD，但井眼1000 米） 1井眼轨道控制段最长2使用标准的钻具及套管 全井斜深增加最多3“狗腿严重度”最小 钻井费用增加4使用常规钻井设备 各种下部钻具组合较长5可使用多种完井方法 不适合薄油层和浅油层6可采用多种举升采油工艺 转盘扭矩较大7测井及取芯方便 套管用量最大8井眼及工具尺寸不受限制 穿过油层
11、长度与总水平位移比最小（） 中曲率半径水平井的优缺点优 点 缺 点1 进入油层时无效井段较短 1要求使用 MWD 测量系统2 使用的井下工具接近常规工具 要求使用加重钻杆或抗压缩钻杆3 使用动力钻具或导向钻井系统 4 离构造控制点较近5 可使用常规的套购及完井方法6 井下扭矩及阻力较小7 较高及较稳定的造率8 井眼轨迹控制井段较短9 穿透油层段较长（1000 米）10 井眼尺寸不受限制11 可以测井及取芯12 从一口直井可以钻多口水平分枝井13 可实现有选择的完井方案（4） 短曲率半径水平井的优缺点优 点 缺 点1 井眼曲线段最短 1非常规的井下工具2 侧钻容易 非常规的完井方法3 能够准确击
12、中油层目标 穿透油层段短（120180 米）4 从一口直井可以钻多口水平分枝井 井眼尺寸受到限制5 直井段与油层距离最小 起下钻次数多6 可用于浅油层 要求使用顶部驱动系或动力水龙头7 全井斜深最小 井眼方位控制受到限制8 不受地表条件的影响 目前还不能进行电测6第三节 定向井的基本术语解释1）井深：指井口（转盘面）至测点的井眼实际长度，人们常称为斜深。国外称为测量深度（Measure Depth） 。2）测深：测点的井深，是以测量装置（Angle Unit）的中点所在井深为准。 真北极3)井斜角：该测点处的井眼方向线与重 力线之间的夹角（见图 1.2） 。井斜 真北方位线角常以希腊字母 表示
13、，单位为度。4）井斜方位角：是指以正比方位线为始 东磁偏角边，顺时针旋转至井斜方位线所转过 的角度（见图 1.3） 。井斜方位角常以希腊字母 表示，单位为度。实际 西磁偏角 应用过程中常常简称为方位角。 A 地B 地图 1.1 磁偏角示意图5）磁方位角：磁力测斜仪测得的井斜方位角是以地球磁北方位线为准的，称磁方位角。井口A B 正北方位线 A 井斜方向线 井底 B井斜方位角 B重力线 B 井斜方位线图 1.2 井斜角示意图 图 1.3 井斜方位角示意图6）磁偏角：磁北方位线与真北方位线并不重合，两者之间有一个夹角，这个夹角称为磁偏角。磁偏角又有东磁偏和西磁偏角之分，当磁北方位线在正北方位线以东
14、时， 称为东偏角；当磁北方位线在正北方位线以西时称为西偏磁偏角。进行磁偏角校正时按以下公式计算：真方位角磁方位角东偏磁偏角真方位角=磁方位角西偏磁偏角7）井斜变化率：是指井斜角随井深变化的快慢程度，常以 K 表示，精确的讲井斜变化率是井斜角度（）对井深（L）的一阶导数。dK dL井斜变化率的单位常以每 100 米度表示。8）井深方位变化率：实际应用中简称方位变化率，是指井斜方位角随井深变化的快慢程 7度，常用 K 表示。计算公式如下：ddL井斜方位变化率的单位常以每 100 米度进行表示。9）全角变化率（狗腿严重或井眼曲率）：从井眼内的一个点到另一个点，井眼前进方向变化的角度（两点处井眼前进方
15、向线之间的夹角） ，该角度既反映了井斜角度的变化又反映了方位角度的变化，通常称为全角变化值。两点间的全角变化值 相对与两点间井眼长度 L 变化的快慢及为全角变化率。用化式表达如下：L实际钻井中，井眼曲率的计算方法：目前计算井眼曲率的方法有很多。有公式法、查表法、图解法、查图法和尺算法五种。后四种办法皆来源于公式法。计算井眼，曲率的公式计有三套：第一套公式：对于一个测点：KSQR（K 2K 2sin2）对于一个测段：KSQR（(L) 2(L) 2SIN2c）Bc A0 Ca图 1.4 第一套公式的图解法第一套公式的图解法（参见图 1.4）：（1） 作水平射线 OA；（2） 作BOAc（两测点平均
16、角） ；（3）. 以一定长度代表单位角度，量 OB（两测点方位角差） ；（4） 自 B 点向 OA 作垂线，垂足为 C 点；（5） 按步骤(3)中的比例，量 CA；（6） 连接 A、B，并量 AB 长度，按步骤(3)比例换算成角度，此角度及狗腿角 。第二套公式：（由于误差较大，现场使用少略）第三套公式：SQR（1 22 2212COS）8Ba2 0 Aa1图 1.5 第三套公式的图解法第三套公式图解法（参见图 1.5）：（1） 选取一定比例，经一定长度代表单位角度，作线段 OA，使其长度代表 1；（2） 作 OB 线段，使BOA；（3） 按步骤(1)的比例，量 OB2；（4） 连接 A、B，并
17、量邓 AB 的长度，按步骤(1)的比例换算成角度，既为 10）垂深（垂直井深）：即某测点的垂直深度，以 H 表示。是指井身任意一点至转盘面所在平面的距离。11）水平投影长度：是指自井口至测点的井眼长度在水平面上的投影长度。以 S表示。12）水平位移：简称平移，是指测点到井口垂线的距离。在国外又称为闭合距( Closure Distance） 。13）平移方位角：又称为闭合方位角（Closure Azimuth） ，常用 表示，是指以正北方位线为始边顺针方向转至平移方位线上所转过的角度。14）视平移：又称为投影位移，井身上的某点在垂直投影面上的水平位移。在实际定向井钻井过程中，这个投影面选在设计
18、方位线上。所以视不移也可以定义为水平位移在设计线上的投影。15）高边：在斜井段用一个垂直于井眼轴线的平面于井眼（这时的井眼不能理解为一条线，而是一个具有一定直径的圆）相交，由于井眼是倾斜的故井眼在该平面上有一个最高点，最高点与井眼圆心所形成的直线及为井眼的高边。16）工具面：工具面就是造斜工具弯曲方向的平面。17）磁性工具面角：造斜工具弯曲的平面与正北方位所在平面的夹角。18）高边工具面角：造斜工具弯曲方向的平面与井斜方位角所在平面的夹角。19）装置角：造斜工具弯曲方向的平面与原井斜方向所在平面的来夹角，通常用 表 示。20）反扭矩：在用井底动力钻具钻进时，都存在一个与钻头转动方向相反的扭矩，
19、该扭矩被称为反扭矩。21）反扭角：使用井底动力钻具钻进时，都存在一个与钻头转动方向相反的扭矩，由于该扭矩的作用，使得井底钻具外壳向逆时针方向转动一个角度，该角度被称为反扭角。22) 贮层顶部：水平井段控制油层的顶部23) 贮层顶部：水平井段控制油层的底部24) 设计入口角度：进入储层顶部的井斜角度925) 着陆点：井眼轨迹中井斜角达到 90的点26) 入口窗口高度：入靶点垂直方向上下误差之和27) 入口窗口宽度：入靶点水平方向左右误差之和28) 出口窗口高度：出靶点垂直方向上下误差之和29) 出口窗口宽度：出靶点水平方向左右误差之和30) 着陆点允许水平偏差：着陆点允许水平方向前后的误差31)
20、 单弯动力钻具：动力钻具壳体上具有一个弯曲角度的动力钻具，特点是造斜率较弯接头组合高，钻头偏移较小32) 双弯动力钻具：同向双弯，动力钻具壳体上具有两个弯曲方向相同的弯曲角度的动力钻具，具有比单弯动力钻具更高的造斜率33) DTU 动力钻具（异向双弯）：动力钻具壳体上具有两个弯曲方向相反的弯曲角度的动力钻具，钻头偏移最小，不仅可以导向钻进，而且可以配合转盘钻进；附：常用单弯动力钻具、双弯动力钻具、DTU（异向双弯）造斜率表。第四节 定向井、水平井基本施工步骤简介1）定向井井位的确定井位坐标要求：基本数同一般直井。丛式井坐标需一同下发，以便作出丛式井整体设计。注明各中靶点的坐标及垂直深度，提供最
21、新井位构造图。2）地面井口位置的选择工程、地质设计及测量人员根据井位坐标和地面实际条件确定井口位置和井架整托方向（丛式井） 。井口位置选择尽量利用地层自然造斜规律。多目标井井口位置在第一靶点和最后一个靶点联线的延长线上。井架立好后需要进行井口坐标的复测。3）定向井设计地质设计在坐标初测后提出初步设计，在坐标复测后提出正式设计。地质 设计除包括一般井内容外，在工程施工中要求必须说明靶点相对与井口的位移和方位，多目标井说明靶点之间的稳斜角度。附最新井位构造图、油藏剖面图、设计轨迹水平投影图和垂直投影图。工程设计必须符合地质设计要求。井身轨迹设计数据表，特殊工艺技术措施。井身结构及分段钻具组合和钻井
22、参数等。4）设备要求（钻机）根据定向井垂直井深、水平位移、井身结构和井眼曲率选择设备类型。推荐设备标准（使用于 位移垂深0.4 的定向井）：垂深2800 米、水平位移600 米，选用 3200 米钻机；垂深3500 米、水平位移1200 米，选用 4500 米钻机；垂深4500 米、水平位移2000 米，选用 6000 米钻机；垂深4500 米、水平位移1500 米，选用 7000 米钻机。5）定向井靶区半径标准不同井深靶区半径要求（总公司标准）：靶区垂深（米） 靶区半径（米） 靶区垂深（米） 靶区半径（米）1000 30 3000 80150 40 3500 100102000 50 4000 1202500 65 4500 140
