侧钻井井眼轨迹优化设计及控制(讲稿)ppt课件.ppt

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1、侧钻轨迹优化设计及控制,西 南 石 油 学 院 石晓兵 2002年10月,主要内容,侧钻轨迹二维设计侧钻轨迹三维设计侧钻轨迹影响因素分析侧钻钻柱摩阻分析及应用侧钻轨迹控制,问题的提出,侧钻井：根据油藏工程、地质及开发的需要，在油气水井油层套管内一个预定的方向和深度，采用一定的工具和工艺开窗钻进后，使部分井眼与原井口垂线偏离一定的距离的井身剖面称为侧钻井，最终入靶的井斜角接近90度，则为侧钻水平井。其作用主要表现在：油气水井侧钻在开发区利用原井眼，完善并保证了部分井网，可减少打部分调整井；在开发区利用原井眼，可利用油气井侧钻加深层位，获取新的油气流；通过油气水井侧钻，使部分停产井恢复生产，提高油

2、气水井利用率和开发效果；侧钻作为井下作业大修的主要工艺手段，有利于老区改造挖潜，有利于提高井下作业工艺技术,与普通水平井相比侧钻井的特点：受原井油层套管的限制需进行断铣或磨铣对原井套管开窗裸眼井小。钻具、井下工具小、环空尺寸小，易出现钻具断、卡事故及钻具失稳屈曲现象。,侧钻井井身剖面类型,1,2,1,3,4,1直井段（原井眼）；2斜井段；3圆弧段；4水平段,侧钻的井身剖面，根据其形状可分为两类。,侧钻方式,侧钻方式根据侧钻目的、侧钻油藏工程需要与井况分为两类。（1）定向侧钻 为了使新钻井眼符合一定的方位、井斜角及水平位移的要求，需进行定向侧钻。定向侧钻即将定斜器装置下到预计的深度，在测定定斜器

3、斜面的准确方位固定后再开窗，使其在开窗过程中，沿设计的方位井眼轨迹钻达目的层。（2）一般侧钻 对侧钻的整个过程中，没有明确的方位、井斜角和水平位移要求，定斜器在开窗过程中只起导斜和造斜的作用，使开窗、钻进沿着定斜器斜面轴线进行，钻达设计目的层。,侧钻井适应井别和井径,侧钻作为油田开发中井下作业的主要工艺技术，不但适用于油井，同样也适用于气井和注水井，不受井别的限制。 由于侧钻利用了部分原井眼，且侧钻后还要有利于分层开采和措施，使得侧钻井径受到限制。因为小井眼要求使用直径较小的更加柔性的钻铤和钻杆，直径较小的钻柱还限制了可用钻压的范围。大直径井眼比小直径井眼易于控制方向。小直径井眼裸眼钻进时地层

4、特性对井眼偏离设计剖面的影响大，且侧钻所下尾管尺寸受到原井眼限制，不利于分层开采和措施。所以进行侧钻的井的井径应选择直径120mm以上的套管为宜。,侧钻井适用范围,对于开发低渗透、低压油层和垂直裂缝发育的油层或开发受地面工程限制的油气水井，利用在原井眼用套管内开窗侧钻水平井技术，有利于提高油气井产量，提高采油速度和采收率。,侧钻井设计原则（1）,l设计基本数据 根据侧钻要求，设计基本数据包括开窗位置、方位、井斜、裸眼长度、井底位移、尾管规范及长度。l地质条件 侧钻水平井设计时，应详细了解该地区的地质条件，作好油藏调查，如地质分层、岩性、地层压力、地层倾角、走向、断层、采出程度、含油气水情况，为

5、设计提供依据，对本区内开发生产井的资料进行分析，是获取该资料的重要方法。,侧钻井设计原则（2）,l设计中关键因素的选择 对在套管内侧钻水平井，开窗位置要根据水平井的曲率半径来确定。同时要选择套管完好、管外地层胶结好的部位。侧钻水平井多选在低渗透性油藏和裂缝性油藏，特别适用于垂直裂缝发育较好的油层。侧钻水平井应采用中、短半径侧钻水平井的工艺方法。l 设计要点 根据侧钻的目的，设计要点贯穿于整个侧钻过程中，如下和固定斜向器、开窗阶段施工要求、修窗要求、裸眼钻进参数及要求等。其目在于指导施工，实现侧钻目的。,设计原则（小结）,1）根据开发要求，保证实现侧钻目的和提高油气井利用率；2）根据油气田构造、

6、地质特征、油层产状选择不同的侧钻方式，有利于提高油气产量和采收率，改善投资效益；3）在选择井斜、方位等参数时，应有利于钻井、采油和井下作业；4）在选择完井方式时，应满足注采需要； 在满足侧钻目的前提下，力求使设计的井斜井深即裸眼钻进井段最短，以减少井眼轨迹、井身控制难度和工作量，有利于安全快速钻井，提高效益。,侧钻井轨迹优化设计,国内外的钻井实践已充分证实了水平井在提高原油采收率，增加单井原油产量，开发薄油藏等方面的巨大效益。但了有不少的实例说明不成功的设计造成的高投入低产出，因此侧钻井轨迹的优化设计是非常重要的。 在吸收国内外水平井设计经验基础上，通过实践，充分认识到侧钻轨迹设计是一个系统工

7、程，以下诸多因素在设计中必须加以考虑：,以下诸多因素在设计中必须加以考虑,地质、油藏工程对水平井靶区的要求；采油工艺、增产措施以及测试对完井的要求；测井、地质资料采集对设计的要求；设计对地质预测不确定性的适应性；地层分层、岩性、破裂压力、孔隙压力、坍塌压力；对工具造斜能力不确定性的适应性；可能发生的钻井事故、复杂情况的预防与处理；现有工具设备的能力；试验项目实施的要求。 侧钻井的钻井设计中的轨迹设计即要满足地质、油藏及采油的需要，又要满足钻井工艺水平的要求。,轨迹设计的基本原则,按侧钻井设计井身剖面在空间坐标系中的几何形状，又可分为两维侧钻井（侧钻水平井）和三维侧钻井（侧钻水平井）剖面两大类。

8、 两维侧钻井剖面是指设计井眼轴线仅在设计方位线所在的铅垂平面上变化的井。 三维侧钻井剖面是指在设计的井身剖面上，既有井斜角的变化又有方位角的变化。三维侧钻水平井常用于侧钻的新井眼与已钻井眼并不在一个平面内，或存在着井眼难于直接通过的障碍物（如：已钻的井眼，盐丘、气顶等），设计井需要绕过障碍钻达目标点。另外，设计的二维侧钻井轨迹在施工中偏离了设计方位，中途修改设计时也要用到三维设计方法，这种情况在施工中经常遇到。,在设计轨迹时，在满足钻井目的的前提下，应尽可能选择比较简单的剖面类型，力求使设计的斜井深最短，以减少井眼轨迹控制的难度和钻井工作量，有利于安全、快速钻井，降低钻井成本。,侧钻点及其选择

9、,l侧钻点 在侧钻井中，开始定向造斜，即定斜器的位置叫造斜点。确定了定斜器的位置；窗口的位置相对就确定了。1）造斜点即窗口位置应选择在比较稳定的地层，避免在岩石破碎带、漏失地层、流砂层或容易坍塌等复杂地层，以避免出现井下复杂民政部，影响侧钻施工。2）应选在可钻性较均匀的地层，应避免在硬夹层定向造斜。,3）造斜点的深度应根据设计井的垂直井深、水平位移决定，并要考虑满足采油工艺的需要。设计垂深长应既充分利用原老进眼，又减少了裸眼钻进井段；若垂深短则会增加裸眼钻进长度及下固尾管技术难度。因此要综合考虑造斜点的深度，满足侧钻需要，实现少投入的侧钻目的。4）选择造斜点位置应尽可能避开方位自然大的地层，以

10、免影响侧钻设计方位。,侧钻点的选择由以下因素综合考虑决定,为减少造斜井段的长度，减轻地质不确定性的危险，缩短建井周期，窗口位置应在保证有足够造斜井段的条件下，尽量接近目的深度。侧钻点应选在比较稳定的地层，保证窗口稳定，避免在岩石破碎带，漏失地层，流砂层或容易坍塌等复杂地层定向造斜，以免出现井下复杂情况，影响施工。应选在可钻性较均匀的地层。避免在硬夹层造斜。,侧钻点的深度应根据设计井的垂直井深，水平位移和选用的剖面类型决定，并要考虑满足采油工艺的需要。如：设计垂深大、位移小的水平井时，应采用深层造斜，以简化井身结构和强化直井段钻井措施，加快钻井速度。在设计垂深小，位移大的水平井时，则应提高侧钻点

11、的位置，在浅层侧钻造斜，即可减少施工的工作量，又可满足大水平位移的要求。在井眼方位漂移严重的地层侧钻水平井，选择侧钻点位置时应尽可能使斜井段避开方位自然漂移大的地层或利用井眼方位漂移的规律钻达目标点。,侧钻点选择的注意事项,在选择造斜点（窗口位置）、井眼曲率等参数时，应有利于钻井、采油和井下作业。造斜点应选择在远离事故井段或套损井段以上30m左右，以利于有一定水平位移而避开原井眼。造斜点以上上部套管应完好，无变形、漏失、破裂现象以利于侧钻施工和完井工作顺利进行、确保侧钻成功。造斜点应选择在固井质量好、井斜小的井段，尽是避开易塌、易漏、地层倾角大的地层，并避开套管接箍。,5）对于出砂严重、窜漏和

12、套管破裂在射孔井段或射孔井段底部的需侧钻的油水井，在造斜点的位置选定时，要综合考虑侧钻效果，一般为保证侧钻质量，开窗位置均选在射孔井段以上。 造斜点选择在上述原则初定的基础上，必须进行严格的通井和上部套管试压。 通过井史与测井资料的对比，在满足方位、水平位移、造斜点、井眼曲率等综合参数的同时，最大限度地实现侧钻目的，及时修正窗口位置，使侧钻工作建立在良好的基础上。,井眼曲率,在侧钻裸眼钻进中，井眼曲率是一个很重要的参数。井眼曲率过大会给钻井、采油和修井作业造成困难。当然井眼曲率也不宜过小，井眼曲率太小会增加斜井段的井眼长度，从而增大了井眼轨迹控制的工作量，影响钻井速度。因此，在侧钻中井眼曲率应

13、控制在（1130）/10m。,二维侧钻水平井设计,剖面类型 侧钻水平井的井身剖面有多种多样，最常用的有三种：增平、增增平、增稳增平，如下图所示：,增平 井身剖面,增-增-平 剖面,增-稳-增-平 剖面,二维侧钻水平井设计（1）增平轨道设计方法,对增平的剖面设计，如入靶点位置已给定时，则计算时需由井底反推搜索侧钻点位置，具体计算如下：,如图所示，由测点M作井眼方向线的垂线与入靶点T的方向线的垂线交于O点，直线MO的方程：HHitg(i)(SSi)直线TO的方程：HHStg(S)(SSS),如R2R1，则表示侧钻点需选在侧钻点需下移；如R2R1，则表示侧钻点需选在侧钻点需上移；如R2R1，则表示M

14、点即为侧钻点，此时造斜率K=1R11R2如上所述的增平剖面的设计方法的优点是，设计出的剖面类型简单，造斜段为单一的造斜率，易于控制。缺点是造斜点、造斜率均由计算唯一给出，不一定符合实际要求。,（2）斜直连续造斜水平的轨道设计方法,对于一个具有连续增斜段的水平井轨道，已知条件为：,（2）斜直连续造斜水平的轨道设计方法,第一步：求出各造斜段末端井斜角aiaiai-1LiKi30anaS第二步：求出第n造斜段的造斜率Kn和段长Ln Kn5400(Rn),（2）斜直连续造斜水平的轨道设计方法,第三步：求出各造斜段的垂深Hvi和段长StiHviHvi-1Ri(sinaisinai-1)StiSti-1R

15、i(cosai-1cosai),（3）增稳增平的轨道设计方法,对于一个具有稳斜段的水平井轨道，已知条件为：,侧钻井起始段施工参数的优化设计,老井窗口以上原井斜、方位对侧钻水平井的开窗段铣、扭方位侧钻水平井井身剖面设计等都有影响。为了准确地反映原井、方位的影响，在输入老井侧斜数据和地质靶区要求，计算机软件可以在确定井身剖面类型的前提下，经过搜索，优化出侧钻点，由于受老井的井斜和方位的影响，在地质靶区给定的情况下，侧钻点是唯一确定的。并能够计算出侧钻点的井深、垂深、北坐标、东坐标以及钻井方位等参数。,对侧钻井起始段有重要影响的主要初始井眼条件主要包括,侧钻点井深 侧钻点垂深 侧钻点北东坐标 侧钻点

16、初始井斜角 侧钻点初始方位角 侧钻水平井的老井初始井斜角和初始方位角完全取决于侧钻点的位置。即不同的侧钻点位置在老井中对应不同的初始井斜角和初始方位角。为了分析初始条件对起始段的影响，首先得确定侧钻点的位置。,二维侧钻井（侧钻水平井）轨迹的起始段的主要因素,在二维侧钻水平井轨迹设计中，假设所确定侧钻点的初始方位角与设计方位角一致且侧钻点在设计平面之内。此时影响起始段的主要因素为侧钻点垂深和初始井斜角,1）. 初始井斜角为0,如果初始井斜角为0，入靶点距侧钻点的水平位移不等于侧钻点到入靶点的垂深的话，将不可能设计出单一曲率的增平井眼轨迹。此时可供选择的井眼轨迹设计方案可有变曲率井眼轨迹或双增型井

17、眼轨迹。,2）初始井斜角不为0,初始井斜角不为0点,仅当在设计平面上侧钻点井斜方向的垂线与水平段入靶点井斜方向的垂线的交线相等的话，才有可能设计出单一曲率的增平井眼轨迹。否则可供选择的井眼轨迹设计方案可有变曲率井眼轨迹或双增型井眼轨迹。,三维侧钻水平井轨迹的起始段的主要因素,为了考虑老井的初始井斜、方位对侧钻水平井起始段的影响，需要对侧钻水平井进行三维轨迹设计考虑。侧钻点的初始北、东坐标是影响扭方位三维设计的重要因素。在一般的侧钻井设计中目标仅是一个点，而在侧钻水平井设计中目标是一个水平段，如果侧钻点的北东坐标偏移设计面过远，将导致过长的扭方位井段，增加施工难度。以下将讨论的老井初始井眼条件对

18、侧钻井起始段的影响因素有： 初始方位角对侧钻水平井轨迹的影响 初始井斜角对侧钻水平井轨迹的影响 地层造斜能力对侧钻水平井轨迹的影响,初始方位角对起始段的影响,侧钻点初始方位与设计方位之间的差值对扭方位设计和施工影响很大。当初始方位与设计方位一致时，若侧钻点在设计方位面上，不需要扭方位作业。否则扭方位作业不可避免,方位差决定了扭方位井段的长度,侧钻点初始方位角与设计方位角的差值对扭方位设计和施工影响很大。当初始方位与设计方位之间存在差异时，由图可以看出，方位差越大，扭方位所需的井段长度就越大，从钻井施工的角度来看，这就会增大施工的难度和延长施工时间，增加施工费用。从图可明显看出，随着方位差的增大

19、，扭方位井段的长度增加，这就增加了施工的难度。侧钻点初始方位与设计方位的方位差随选择不同的侧钻点而改变，因此，可以采用优选侧钻点的方法来减少这一方位差值。,方位差影响扭方位段的水平位移,由图可以看出，方位差对扭方位段的位移也会产生明显的影响。开始时随着方位差的增加，扭方位段的位移增加，但是这种增加的趋势到一定的情况下就会达到一个最大值，之后随着方位差的增大，扭方位段的位移将会出现下降的趋势。扭方位井段的水平位移即是扭方位结束点距侧钻点的水平距离。,地层因素对起始段的影响,地层因素对扭方位作业的影响是通过对工具的造斜能力的影响而表现出来的。在易造斜地层，工具的造斜能力高，扭方位所需要的井段就短；

20、而对于不易造斜地层，工具的造斜能力低，扭方位所需要的井段就长。这些关系可从图看出。,初始井斜角是影响扭方位段长的最重要因素,初始井斜角是影响扭方位段长的最重要的因素。由图可知，随着初始井斜角的增大，扭方位井段长度直线增加。从井眼轨迹控制的角度来看，老井的初始井斜角较大时，扭方位所需的工作量就大。这告诉我们，扭方位作业最好是在小井斜井段进行，对侧钻水平井的施工来说，当侧钻 出老井眼后，若需扭方位应尽早进行，这样可大大节约扭方位施工时间。老井初始井斜角对侧钻水平井轨迹起始段的影响还表现在扭方位段的水平位移大小上。由图可以看出，随着初始井斜角的增加，扭方位段的水平位移将增大。,侧钻水平井井眼调整,侧

21、钻水平井曲率类型可分为四种，如图所示：,1,3,2,4,R1,R2,R,“增增”型式,曲率1为“增增”型式，适用于目的层上翘的侧钻水平井；,1,“增降”型式,曲率2为“增降”型式，适用于目的层下倾的侧钻水平井；,2,曲率3和曲率4,曲率3为“增稳增”型式，曲率4为“单增”型式，是常用的侧钻水平井方式。曲率3中的稳斜段即为初始切线段，目的在于补偿造斜率的不确定性。但是对于岩性一致和地层倾角易预测的正在开发的地区就无须在在设计中考虑，而采用曲率4的单增型式。这是因为插入初始切线段它需要两次额外的起下钻和一个非常短的工作井段，已失去原有的效益，而且还会使螺杆钻具或其他井下钻具产生不必要的应力。,3,

22、4,R1,R2,R,在侧钻水平井曲率类型确定后，特别是选用曲率3和4时，由于从垂直段到水平段（甚至从45到水平）定向控制的必要性，所以下切线段一般应在钻井设计中加以考虑。即钻水平段之前，应在曲率半径的下部先钻一平稳的造斜段，使井下钻具组合在旋转前退出狗腿度比较严重的井段，以减小交变应力和冲击力的作用。造斜段底部切线长度的增加也为操作者在钻进中提供了“安全余量”。,曲率的确定,在造斜点确定的基础上，为了使曲率与造斜点相适应，以准确地到达靶区位置，因此对造斜率就有一个限制，这是设计时必须注意的问题，造斜率一般应在（1020 ）/30m范围内。根据国外有关资料介绍，推荐的最理想的造斜率为17 /30

23、m，这时摩擦最小，钻杆应力不大，钻柱不易疲劳。,曲率（井眼）轨迹的修正,为了保证侧钻水平井井眼轨迹，同时考虑侧钻水平井曲率半径范围，受造斜率（625 ）/30m的局限，在作水平井侧钻时考虑半径R70m的“增-稳-增”曲率类型和“单增”的形式。应用“增-稳-增”应使R1=R2，这样设计虽然难一点，但是钻进时比较方便，在钻曲线井段R1和R2时可使用同一井下动力钻具，钻直线段即“稳”斜井段时使用另一井下动力钻具组合。,如果设计时考虑地层为灰岩R70m，则将与动力钻具组合的弯接头调整到3，这时曲率半径可钻成R=60m，但是砂岩、页岩半径最小应为70m。地层软、半径必须大一些，才能保证曲率半径不受影响，

24、不超出设计范围，即半径70mR172m。,在侧钻水平井过程中易出现的问题,井段或造斜器低，半径比设计的短；存在的金属损坏钻头，使侧钻出去的井眼增斜角度不够；在造斜点有角度，由此改变整个增斜角度或增大、或减小；造斜点选错方向，造成在水平方向需要过大的角度才能回到目标方向。因此，设计规定在20m每隔5m测量一次，如果井眼偏离方向，修正较容易。,调整曲率半径的方法,当储层角度不水平，修正曲率可以正确进入储层。如果储层和井眼向下倾斜，没有必要在储层顶部达到90，所以曲率将是大曲率。如果储层和井眼向上倾斜，井斜角就必要超过90 ，所以达到的较大角度可能会达到110 之大，这个曲率会较大，就需要对半径进行

25、调整。调整半径方法见图所示。,减小,增加,R,R,1,2,3,4,1)为了正确到达目标点，钻井过程中应保证井眼轨迹靠切线段长度，增加或减小切线1长，曲率半径R会随之增大或减小，因此，增加或减小半径R是保证井眼轨迹达到目标的重要途径，同时也是设计过程中调整窗口位置的方法。2）进入目标点后，当轨迹2上倾时，靠调整工具面角钻12m，使其轨迹回到水平段上；3）当发现井眼偏离方向在3左右时，依靠调整方位来修正。,减小,增加,R,1,2,3,4,R,当然调整曲率半径或井眼轨迹是在设计及测量的基础上进行的。因此，设计及调整时必须注意以下问题：1）造斜点（窗口）和储层之间的真实垂直深度4大于半径；2）两段弯曲

26、部分应是同样的增斜角度，即半径R相同；3）切线（直线部分）必须与两个弯曲段相切；4）切线必须在距老井眼足够远处开始，以便能够取得好的测量记录。,减小,增加,R,1,2,3,4,R,井下动力钻具,侧钻水平井多采用带可调弯外壳的螺杆钻具，为了在121235mm的井眼内达到（625）/30m的造斜率，螺杆钻具的选择至关重要，这是因为采用的井下动力钻具既要满足原生产井在老井眼内工具顺利下入，又要能满足造斜率的要求。一般在139.7mm的套管内多选用89mm可调螺杆钻具，角度在（0 2.25 )范围内能满足上述要求。可调弯壳距钻头的距离是满足造斜率的关键，其距离应保持在11.3m范围内。,井眼轨迹的调整

27、,一般情况下，中半径都设计成垂深与水平位移的改变量相等。但是在特定的情况下，可以通过改变直线井段的倾角，在钻进过程中对井眼轨迹进行调整，见图。,1,2,3,4,1，第一造斜井段；2，直线井段；3，第二造斜井段；4，水平井段；5，垂直井段,5,第一个造斜段从造斜点开始，然后增斜使井斜角达到45。由于实际造斜率可能与 设计的或理论上的不同，所以钻进这一段对了解钻具性能 和地层的可钻性十分重要。 为了补偿第一个造斜段中实际与设计造斜率之间的偏差，下一步就采用稳斜钻具完成直线井段。如果初始造斜率比预计的低，那么所设计的直线段就要缩短；如果比设计的高，直线段则较长。,1,2,3,4,1，第一造斜井段；2

28、，直线井段；3，第二造斜井段；4，水平井段；5，垂直井段,5,钻完直线段后，中半径井通常井斜角已达到4560，这时开始下一个造斜段。当井眼接近水平时，钻进一定井段垂深变化较小，水平位移变大。因此，当井眼接近水平时，第二个造斜段为获得最终的井斜角所需垂深比第一个造斜段要小。如果造斜率继续改变，则变化主要出现在水平面里，在垂直平面变化很小，结果井斜角变大，垂深精确度增加。,1,2,3,4,1，第一造斜井段；2，直线井段；3，第二造斜井段；4，水平井段；5，垂直井段,5,侧钻井三维井眼轨迹设计,空间的侧钻轨迹设计比平面的轨迹设计适应性更大，更具有实际意义，因为侧钻时已钻井身与侧钻井身并不一定在一个平

29、面，变化方位是常见的。 一般侧钻时，侧钻点以前的井身均已取得了测量数据。利用空间斜平面法可以完成空间的侧钻轨迹设计。,N(Y),H(Z),o,s,s,E(X),T(XT, YT, ZT),x,Y,o,N(Y),E(X),S(XS, YS, ZS),s,斜平面法基本思路,斜平面法的基本思路,斜平面法就是在空间某个平面上设计井身。该平面仍是一个斜平面。这个设计三维侧钻井的斜平面，不是空间任意一个斜平面，而是由给定的设计参数和设计要求所决定的某个斜平面。 如图所示，点划线为原设计井眼轴线，实线为实钻井眼轴线，虚线为纠偏的井眼轴线。当该井钻至S点时，井眼轴线严重偏离设计井眼轴线，此时需要设计纠偏井眼，

30、以便准确钻达目标点T。设计点S到T点间的纠偏井眼就是三维侧钻井的设计。此时，已知条件是S点的坐标（Xs、Ys 、Zs）和井身参数s 和s以及目标点坐标（XT、YT 、ZT）。,斜平面法的基本思路,S点的位置由坐标（Xs、Ys 、Zs）决定，S点的井眼方向由井身参数（s ，s）决定。为了设计ST间的待钻轨迹，可以过S点的井眼方向线和T点作一平面，此平面即为一个斜平面，也就是新设计的井眼轴线所在的平面。在此斜平面上设计井身，就可以从S点出发，直钻至T点。这就将本属于三维设计的问题变为二维设计的问题。,斜平面法的特点,空间斜平面法的显著特点就是，钻进这段井身所用的造斜工具的装置方位角是一个常数，而且

31、在设计井身时就可以求出装置角。求出装置角，既是实际施工的需要，又是设计过程进行井身计算的需要。,斜面法的基本思路和步骤,OENH坐标系里。新设计的待钻井眼是在某个空间斜平面上。所以，必须找到这个斜平面与原坐标系OENH之间的关系。这样才能将新设计的待钻井眼转换到OENH坐标系里。斜面法的基本思路和步骤是：（1）将坐标系OENH用OXYZ代替，X、Y、Z轴分别与E、N、H轴对应。因为在OENH坐标系中，只有原点O可以变化，它的三根坐标轴的方向是不能改变的。（2）根据已知条件（S点和T点在OXYZ坐标系中的坐标以及S点的井斜角s和方位角s），找到要设计的井眼所在的斜平面。,斜面法的基本思路和步骤,

32、（3）在该斜平面上建立一个新的坐标系SXYZ 。该坐标系的原点为S点，并以S点的井眼方向线为Y 轴。Z 轴垂直于该斜平面，并且向下为正。X 轴可以根据Y 和Z 的方向，按照左手坐标系决定其方向。（4）求目标点T在SXYZ坐标系中的坐标值。显然，T点的Z坐标ZT =0。只要求XT 和YT 即可。（5）根据XT 和YT ，按照二维设计方法，将在SXYZ坐标系中设计的井身参数转换到OXYZ坐标系中。,求T点在SXYZ坐标系中的坐标值,利用解析几何法，将OXYZ坐标系经过转换（平移和旋转），转换为SXYZ坐标系。经过转换，可以导出XT 和YT 的计算公式。平移,x1y1z1 绕z1 至x2y2z2 ，

33、转角为s, x2y2z2 绕y2转s 角至x3y3z3 （x3代表井眼的高边，z3 指向S点的井眼切线方向）,作相应的代换,井身形状计算,计算的内容包括：弯曲井段的弯曲角（狗腿角）、设计井身长度、以及井身上各点在SXYZ坐标系中的坐标值。,井身计算,井身计算的内容包括：井眼轨迹上各点在O-XYZ坐标系里的坐标、各点的井深、各点的井斜角和井斜方位角，以及该井身所用造斜工具的装置角。,（3） 各点在OXYZ坐标系里的坐标可直接套用最小曲率法或正切法的公式,例：已知侧钻点的位置坐标、侧钻点的井斜角与方位角、给定的空间曲率。,作三维侧钻轨迹设计,侧钻井井眼轨迹控制技术,侧钻井（侧钻水平井）钻柱摩阻侧钻

34、井（侧钻水平井）钻柱组合侧钻井（侧钻水平井）钻柱力学与轨迹控制侧钻井（侧钻水平井）井眼轨迹控制实例分析,侧钻水平井摩阻分析基本模型,基本假设：井壁为刚性； 钻柱单元体所受重力、正压力、摩阻力均匀分布； 计算单元体为空间斜平面上的一段圆弧。,全刚度模型,柔索模型,钻井液粘滞力对摩阻的影响,计算的结果表明，粘滞力对钻柱产生的附加摩阻力不大，一般不会超过5%，但是当300读值较大时，则应该引起注意，这是因为300与钻井液稠度系数成正比关系，它的增大，直接导致钻井液稠度的增大，从而使得钻井液对钻柱的附加摩阻增大。 侧钻水平井属于小井眼钻井，对钻井液的流变性能具有一定的影响，从而影响到钻柱的摩阻。因为钻

35、柱与井眼的间隙直接影响到钻井液的流变性，随着井径的减小，钻井液流速加快，粘滞力逐渐增大。对于小井眼钻井，充分考虑粘滞力的影响，有利于正确估计钻柱的摩阻，提高摩阻分析与预测准确度。 尽管钻井液粘滞阻力对摩阻的影响并不大，但是由于在侧钻水平井小井眼钻井中，施加的钻压一般在2040kN之间，因此摩阻的精确程度直接影响到对井底钻压施加的正确估计，以及井下事故的预防和处理。,钻井液压差对摩阻的影响,压差阻力对钻柱摩阻有一定的影响，由压差阻力产生的附加摩阻在总的摩阻中所占的比例一般为5%10%左右。 压差阻力主要与钻井液密度、钻井液泥饼厚度有关系，随着密度的增大，压差阻力增大。 对于侧钻水平井钻井，在小井

36、眼中，随着井径的减小，泥饼的厚度对钻柱摩阻的影响显得较明显，充分考虑压差阻力的影响，有利于正确估计钻柱的摩阻。,侧钻水平井钻柱强度分析及应用研究,由于侧钻水平井钻井属于小井眼钻井，使用的钻柱都属于小尺寸的钻具，包括钻杆、钻铤等。小尺寸的钻杆在井下容易造成屈曲失稳而产生疲劳破坏，同时小尺寸的钻具的机械性能明显降低，对小尺寸的钻具强度进行正确的校核和评价是非常重要的一个方面，小井眼的钻柱强度分析与评价是侧钻水平井钻井技术的一项重要内容,钻柱所受基本应力,扭矩应力,轴向应力,钻井液液柱引起的钻柱端面径向应力和周向应力,钻柱稳定性分析,基本假设井眼为等直径的圆筒；钻杆为等直径的圆柱体，其变形前在自重的

37、作用下躺在下井壁上并与井壁连续接触；忽略摩阻、扭矩、转动和振动的影响,力学模型,将侧钻水平井的水平段钻柱简化为两端铰支等刚度的弹性地基梁 受压钻杆从直线平衡状态过渡到弯曲平衡状态时，钻杆应变能的增量与外力所做的功应相等，即从稳定平衡转变为不稳定平衡的临界条件是：,上式表明，在弹性系统对其平衡位置的微小偏离中，体系的变形能增量与外力所作的功相等。根据这一临界条件，即可求出临界载荷。,钻柱强度分析与校核,针对新疆侧钻水平井的井眼的具体情况，选择的井眼较浅，对抗挤、抗内压没有过高的要求，侧钻水平井小井眼钻井的钻柱强度分析和校核的核心内容为抗拉强度校核、抗扭强度校核、螺纹连接强度校核等。,抗拉强度校核

38、,Pw=0.9Py 式中：Pw钻杆的最大工作负荷，N；Py最小屈服强度下的抗拉强度，N。,抗拉强度校核（钻杆允许圈数计算）,式中，T轴向拉力 NL卡点深度 mD钻杆外径 mmG剪切弹性模量Ym抗拉屈服强度 PaSf安全系数A钻柱截面积，m2,钻柱力学与井眼轨迹控制,带弯接头（弯外壳）的井下动力钻具组合带钻柱稳定器的下部钻柱组合,(a)定向造斜组合；(b)转盘钻增斜组合；(c)微增斜组合；(d)稳斜组合；(e)降斜组合,带弯接头的直螺杆下部钻具组合力学性能分析,在侧钻井钻井中，弯接头 + 螺杆主要用于井眼的造斜段。在使用弯接头螺杆钻进时，钻具共顶于某一指定方向，从而使钻头沿预定方向增斜，其作用相

39、当于定向弯接头。 采用静力学的方法，采用连续梁力学分析方法，对下部钻柱组合的力学性能进行分析,弯接头的处理,把连续梁柱OBT从弯接头肘点B点处断开，附加内弯矩M1，该计算方法的特点是在计算时考虑了弯角的影响并加以补偿,边界条件的确定,当钻具与井壁接触时，即在上切点处，此时边界条件为：,三维井身中弯矩方程建立,将受力变形问题分解为两个平面内的双二维问题，即井斜平面P和方位平面Q。根据以上所给定的边界条件和连续条件，注意到钻头处为绞点，可以得到弯矩方程,P平面内钻头侧向力和钻头倾角,Q平面内钻头侧向力和钻头倾角,井斜的影响分析,井斜的大小对于单弯螺杆的造斜特性具有一定的影响，如图4.2所示，图4.

40、2的条件为：钻压20kN，装置角45。随着井斜的增大，在其它条件相同的情况下，井斜变化率是增大的，也即单弯螺杆的造斜能力增大，增大的趋势是非线性的，井斜越大，造斜率趋于平缓。,钻压的影响分析,钻压的大小对于单弯螺杆的造斜特性的影响较大，图4.3的分析条件为：井斜60，装置角45。如图4.3所示，随着钻压的逐步增大，在其它条件相同的情况下，井斜变化率和方位变化率都是增大的，也即单弯螺杆的造斜能力增大，但是由于新疆侧钻水平井钻井中使用的钻压是相对稳定的，一般在2030kN之间，使得钻压对单弯螺杆的造斜能力影响有限。,装置角的影响分析,装置角对于单弯螺杆的造斜特性而言，是一个非常敏感的因素，确定不同

41、的装置角，单弯螺杆的造斜特性是大不相同的，如图4.4所示，井斜60，钻压20kN时，随着装置角度数的逐步增大，在其它条件相同的情况下，井斜变化率和方位变化率都发生明显的变化，也即单弯螺杆的变井斜能力减小，而变方位能力增大，这是装置角在第一象限内的情况，通过程序计算，也可得到装置角在另外三个象限的变化情况，如果将四个象限内的变化趋势曲线连接起来，井斜变化率曲线是一条类似余弦曲线，而方位变化率曲线是一条类似正弦曲线。,肘点距离的影响分析,肘点距离指的是单弯螺杆的肘点到钻头的距离，肘点距离对于单弯螺杆的造斜特性而言，也是一个非常敏感的因素，肘点距离不同，单弯螺杆的造斜特性亦不一样，图4.5给出了89

42、mm的单弯螺杆的肘点距离对井斜变化率的影响，对于方位变化率的影响也可得到相似的结论，如图5所示，井斜60，钻压20kN，装置角0时，随着肘点距离的逐步增大，在其它条件相同的情况下，井斜变化率的变化是首先增大的，当达到某一极限后，井斜变化率减小，对于克拉玛依使用的单弯螺杆的肘点距离为1.03m，从图可以看出其造斜特性是比较好的，基本上接近极限值。,转盘钻下部钻具组合力学特性分析,采用纵横弯曲法，主要分析其力学模型（纵横弯曲连续梁）和数学模型（三弯距方程组）的建立和寻求数学模型求解方法，重点分析不同井底钻具组合在各种不同的井身条件下的受力和变形，揭示钻具组合的结构参数、工艺参数和井身几何条件等对钻

43、头侧向力的定量关系。,力学模型的基本假设,A.井壁呈刚性。B.钻头中心在井眼中线上，且井眼轨道为等截面圆柱体。C.钻压为常量，其方向，沿钻头处井身中心线的切线。D.不考虑钻头动载，转动和钻具震动等动态因素的影响。,纵横弯曲问题中的新叠加原理,由不同载荷作用下的纵横弯曲问题可知,由于梁柱的绕度和转角与轴向载荷呈非线性关系,所以,梁柱的总变形不等于横向载荷产生的变形与轴向载荷产生的变形之和,即线性弹性力学中的线性叠加原理对此不再成立。但是，在轴向载荷不变的前提下，梁柱的变形（扰度与转角）与横向载荷（集中力，均布载荷，力偶等）呈线性关系。当有多个横向载荷同时作用于轴向受压的梁柱时，梁柱的总变形（扰度

44、，转角）可由每个横向载荷分别与轴向载荷共同作用所产生的变形（扰度，转角）线性叠加得到。,轴向载荷,由于每跨钻柱的自重分量影响，梁柱的上下两端轴向压力并不相等，为简化分析，在应用纵横弯曲法时，以梁柱中点的轴向载荷亦即上下两端轴力的平均值作为该梁柱的轴向载荷,连续条件和上边界条,稳定器与井壁之间的接触为刚性点接触，因此可处理为简单支座。把BHA这一受纵横弯曲载荷的连续梁处理成从稳定器和上切点断开，并附加内弯矩和轴力 上边界条件:钻柱的弯曲曲率与井眼的弯曲曲率相等,钻头侧向力和钻头倾角,井眼曲率的影响,下稳定器的位置对钻具组合造斜特性的影响,钻压对造斜特性的影响,套管定向开窗侧钻小眼井轨迹控制实例,

45、胡5-27井是中原油田胡状构造胡5断块上的的一口生产井，因139.7套管错断，被迫停产。为了恢复生产，完善注采井网，决定在139.7套管内开窗侧钻。 该井设计井深2200m（垂深），靶心垂深2150m，水平位移73.82m，方位1343339 ，靶心半径小于30m。该井在1930m开窗，完钻井深2240.7m，裸眼段长310.7m，井底水平位移113.05m，靶点位移75.34m，靶心距1.69m，最大井斜角33，固井质量优。,脱离老井眼,为了防止侧钻井眼回到老井眼（沿老井沿水泥环钻进），达到尽快离开老井眼的目的，胡侧5-27井首先采用动力钻具（不用弯接头），以利于造斜作业。采用的钻具组合为：

46、 116PDC钻头+100螺杆+ 105无磁钻铤（1根）+ 105钻铤（1根）+ 73钻杆。 钻进长度根据井斜的大小确定，一般30m40m即可形成新井眼。胡侧5-27井钻进至井深1959.6m时，因螺杆损坏加之新井眼已形成，起钻换造斜钻具组合。,造斜段轨迹控制技术,一般情况下，侧钻井眼方位与老井眼方位不一致，有时甚至相反，而老井眼通常是沿地层自然漂移方向，因此侧钻井的施工难度大。胡侧5-27井老井眼在1930m处，井斜4.7，方位312 ，与侧钻方位恰好相反，增加了造斜作业的难度。为此，在施工中首次采用弯外壳动力钻具，并首次使用45随钻DOT（方位定向工具）监控井眼轨迹。钻具组合为： 116P

47、DC钻头+95弯外壳螺杆（1 .5 或1.3 ）+定向直接头+ 105无磁钻铤（1根）+ 105钻铤（1根）+ 73钻杆。钻进参数：钻压20kN40kN ，泵压15MPa16MPa，排量6L/s 9L/s 。 造斜钻进至2017.2m时，井斜角24 ，方位142 ，均达到设计要求。1.3 弯外壳动力钻具的造斜率达12 /30m， 1.5 弯外壳动力钻具的造斜率达17 /30m。,稳斜段（扩眼钻进段）轨迹控制技术,稳斜扩眼钻进井段自2017.2m2240.7m，使用114偏心钻头。根据偏心钻头的特性，采用了如下的钻具组合： 114偏心PDC钻头+ 114稳定器+ 105无磁钻铤（1根）+ 105

48、钻铤（8根）+ 73钻杆。钻进参数：钻压kN40kN，转速60r/min80r/min，泵压5MPa18MPa，排量6L/s 8L/s。 该钻具组合从力学的角度分析是一种强增斜钻具，但在胡5-27井施工中，由于钻压小，钻头偏心，使用结果表现为稳斜或微增斜趋势。由于采用了适当的下部钻具组合，且钻进施工参数合理，有效地控制了井眼轨迹，顺利中靶，靶心距仅为1.69m。但是由于地面设备的限制，排量较小，不能有效地携带岩屑，致使机械钻速太慢。全井机械钻速仅为0.5m/h。,侧钻井轨迹方位设计与控制,槽式变向器扭方位井下动力钻具扭方位扭方位计算,槽式变向器扭方位计算,井下动力钻具扭方位计算,90扭方位,已

49、知参数：当前井底的井斜角1 和方位角1 ，造斜工具的造斜能力K（/Ck(m)），设计点的方位角1 ，装置角=90。需求：设计点的井斜角2 ，扭方位段长L。,稳斜扭方位,已知参数：当前井底得井斜角1 和方位角1 ，设计点得井斜角2 =1 ，造斜工具得造斜能力K，设计点的方位角2 ，需求：装置角，扭方位段长L。,全力扭方位,已知参数：当前井底井斜角1 和方位角1 ，造斜工具得造斜能力K，设计点的方位角2 。需求：装置角，扭方位段长L，设计点的井斜角2,两种扭方位设计方法的比较,两种扭方位设计方法的计算公式基本相似。实际上，它们是相同的。这是因为井下动力钻具扭方位形成的井眼轨迹是空间一斜平面上的一段

50、圆弧，该圆弧的弯曲角在某种意义上等价于槽式变向器的导斜角。,两种扭方位设计方法的比较,两种扭方位设计方法在理论上是有区别的。使用槽式变向器扭方位时，在钻完一定距离（称为有效井段）后，如果不改变槽式变向器的位置和定向方位（装置角）而继续钻进，所形成的井眼轨迹将趋于稳斜稳方位。而对于井下动力钻具扭方位来说，整个井段的弯曲角在不断地发生变化。也就是说，井下动力钻具扭方位可以连续扭上百米甚至更长的井段。从现场实际操作来看，这种理论分析是有道理的。采用槽式变向器扭方位时，其有效井段是较短的，它与井眼曲率、井眼尺寸、钻柱的刚度、钻柱结构和井眼环境有关，一般30m左右。而随着井深的增加，井下动力钻具始终与井