钻井工程第五章井眼轨道设计.ppt

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1、概 述井眼轨道：一口井开钻之前，预先设计的井眼轴线形状。直井轨道：过井口的铅垂线 定向井轨道：二维定向井：过井口和目标点的铅锤面上的曲线。三维定向井：具有不同曲率的空间曲线。轨道设计：定向井、水平井、侧钻井、大位移井等。井眼轨迹：一口井实际钻成后的井眼轴线形状。轨迹控制：直井防斜打直；特殊工艺井控制井斜和方位，使轨道和轨迹相一致。,直井用途：油田开发和勘探。有井斜限制要求。定向井用途：1、地面环境条件的限制 高山、湖泊、沼泽、河流、沟壑、海洋、农田或重要的建筑物等。2、地下地质条件的要求 断层遮挡油藏、薄油层、倾角较大的地层钻进等。3、处理井下事故的特殊手段 井下落物侧钻、打救援井等。4、提高

2、油藏采收率的手段 钻穿多套油气层、老井侧钻等。,第一节 井眼轨迹的基本概念 目的：掌握有关参数的概念及这些参数之间的关系。一、轨迹的基本参数：测量方法：非连续测量、间断测量。“测段”、“测点”。井深、井斜角和井斜方位角轨迹的三个基本参数（1）井深（或称为斜深、侧深）井口（通常以转盘面为基准）至测点的井眼长度。以字母 表示，单位为米（m）。井深增量（井段）：下测点井深与上测点井深之 差。以 表示。,（2）井斜角（）：指井眼方向线与重力线之间的夹角。单位为（）,井眼方向线：过井眼轴线上某测点作井眼轴线的切线，该切线向井眼前进方向延伸的部分称为井眼方向线。井斜角增量（）：下测点井斜角与上测点井斜角之

3、差。,（）井斜方位角（井眼方位角、方位角）：在水平投影图上，以正北方位线为始边，顺时针方向旋转到井眼方位线上所转过的角度。井眼方位线（井斜方位线）：某测点处的井眼方向线在水平面上的投影。井斜方位角增量：上下测点的井斜方位角之差。井斜方位角的变化范围：,（）井斜方位角井斜方位角的另一种表示方式：象限角：指井斜方位线与正北方位线或与正南方位线之间的夹角。象限角的变化范围：之间。磁偏角：磁北方位与正北方位之间的夹角。磁偏角校正：真方位角=磁方位角+东磁偏角 真方位角=磁方位角-西磁偏角,二、轨迹的计算参数由基本参数计算得到的参数。（1）垂直深度 D（垂深）：轨迹上某点至井口所在水平面的距离。垂深增量

4、称为垂增（）。（2）水平投影长度 Lp（水平长度、平长）：井眼轨迹上某点至井口的长度在水平面上的投影，即井深在水平面上的投影长度。水平长度的增量称为平增（）,（3）水平位移 S（平移）：轨迹上某点至井口所在的铅垂线的距离，（或：在水平投影面上，轨迹上某点至井口的距离）。平移方位线：在水平投影面上，井口至轨迹上某点的连线。国外将水平位移称作闭合距 我国将完钻时的水平位移称为闭合距（4）平移方位角：平移方位线所在的方位角。国外：将平移方位角称作闭合方位角。国内：指完钻时的平移方位角为闭合方位角。,（5）N坐标和E坐标：南北坐标轴，以正北方向为正 东西坐标轴，以东北方向为正（6）视平移 V：水平移在

5、设计方位线上的投影长度。,（7）井眼曲率K（”狗腿严重度”、“全角变化率”）指井眼轨迹曲线的曲率。平均曲率“狗腿角”或“全角变化”上下二测点的两条方向线之间的夹角（空间夹角）。狗腿角的计算：Lubinski公式：,该测段的狗腿角，（）；该测段的平均井眼曲率，（）/30m;该测段的平均井斜角，（）,钻井行业标准计算公式：,柱面图示法：垂直剖面图（柱面展开图）+水平投影图柱面：设想经过井眼轨迹上每一个点作一条铅垂线，所有 这些铅垂线构成的曲面称为柱面。将柱面展平，就形成了垂直剖面图。可以反映出真实的井深参数，如：井深、井斜角、垂深 作图简便,三、井眼轨迹的图示法 对一条空间曲线可以有不同的表示方法

6、。三维坐标法：投影图示法：垂直投影图+水平投影图 不能反映出真实的井深和井斜角。,1、水平投影图 投影面：水平面 坐标系：以井口为原点，N坐标轴、E坐标轴 表达的参数：N坐标值、E坐标值、水平位移 S 水平长度Lp、闭合距、井斜方位角 平移方位角、闭合方位角。2、垂直投影图 投影面：过设计方位线的铅垂面，即井口和目标点所在的 铅锤面。坐标系：原点（井口）、横坐标（视平移）、纵坐标（垂深）表达的参数：垂深 D，视平移 V，井斜的增减趋势,3、垂直剖面图 垂直剖面：过井眼轴线上各点垂线组成柱面展开图。坐标系：原点（井口）、横坐标（水平长度）、纵坐标（垂深）表达的参数：垂深 D,水平长度Lp,井深,

7、井斜角 a.,第二节 轨迹测量与计算 目的：掌握井眼轨迹参数的测量、计算、轨迹绘图方法。一、测斜方法及测斜仪简介 1、测斜仪分类：按工作方式分：单点式、多点式、随钻测量（有线、无线）按工作原理分：磁性测斜仪（罗盘）陀螺测斜仪（高速陀螺空间指向恒 定）2、测量内容：井深、井斜角 a、方位角,3、磁性测斜仪的工作原理 仪器内主要由井斜刻度盘、罗盘、十字摆锤、照明和照 相系统组成，罗盘的S始终指 北。（1）井斜角的测量 当测斜仪随井眼倾斜时，十字 摆锤始终指向重力线方向，重力线 与仪器轴线的夹角就是井斜角，由 摆锤在井斜刻度盘底片上的位置读 取。,1.Pendulum 2.Circular Glas

8、s 3.Compass 4.Pressure equalization 5.Cover glass,（2）井斜方位角的测量 摆锤所在铅垂线与仪器轴线(井眼方向线)构成井斜铅垂面，该井斜铅垂面与水平面的交线就是井斜方位线。摆锤在罗盘面上的投影位置所在的放射线与罗盘N极之间的夹角即为 井斜方位角。(注意：在井下，罗盘标志方位与实际地理方位相反。)（3）井深测量：根据电缆长度或钻柱长度。,4、Principles of MWD,随钻测量(Measurement While Drilling)是在钻井过程中进行井下信息的实时测量和上传的技术的简称(MWD)。通常意义的MWD仪器系统，主要限于对工程参数

9、(井斜，方位，工具面)的测量。由井下部分(脉冲发生器，驱动电路,定向测量探管，井下控制器，电源等)和地面部分(地面传感器，地面信息处理和控制系统)组成，以钻井液作为信息传输介质。脉冲发生器有正脉冲、负脉冲和连续脉冲三种，井下电源可分为电池和井下涡轮发电机两类。它是一种测量仪器，而无直接导向钻进的功能。,4、Principles of MWD,Components of MWD,Downhole equipments Electronics and batteries Pulser Surface equipments Transducer Surface processing units,MW

10、D Tools Sensors,accelerators and magnetometers along three orthogonal axes,Accelerometers measure components of the Earths gravitational filed magnetometers measure components of the Earths magnetic filedBy measuring the orientation and direction,the inclination,azimuth and toolface can be determine

11、d,二、对测斜计算数据的规定 1、测点编号：测斜自下而上，测点编号自上而下第一个井斜角不 等于零的测点作为第一测点 2、测段编号：自上而下编号，第i1个点与第i点之间所夹的测段为 第i测段 3、第0 测点：第 1 测点的井深大于25 m,第0 测点的井深比第 1 测点 的井深小于25m,且井斜角规定为零，第 1 测点井深小于 或等于25 m 时，规定第0 测点的井深和井斜角均为零。,4、若=0，则计算第 i测段时，计算第 i+1测段时，5、在一个测段内，井斜方位角变化的绝对值不得超过 180度。,三、轨迹计算方法 1、计算顺序：计算的目的是算出每个测点的坐标值；从第1 个测段开始，逐段向下进行

12、 算出每个测段的坐标增量；累加求得测点的坐标值。第0 测点的坐标值，,2、计算内容：测点：五个直角坐标值（）两个极坐标值（）测段：四个坐标增量（）井眼曲率 3、计算方法的多样性：要计算测段的四个坐标增量，就必须知道测段的几何形状。而测斜只能测上下两点的参数，测段形状未知，计算时只能假设测段形状，假设不同，计算方法不同。,4、计算方法：（1）平均角法：假设测段是一条直线；该直线的方向是 上下两测点处井眼方向的“和方向”（矢量和）。,测段计算公式：,（2）圆柱螺线法 假设测段形状为一条等变螺旋角的圆柱螺线；其两端与上下两测点处井眼方向相切。在水平投影图上是圆弧，在垂直剖面图上也是圆弧。测段计算公式

13、：,注意：公式中 和 单位，求三角函数时用度，其他情况用弧度。,（3）曲率半径法 美国人也曾提出了以圆柱螺旋线为模型的测段参数计算方法，称之为曲率半径法，其计算结果与圆柱螺旋法相同，只是计算公式的表达式不同。曲率半径法测段计算公式：,注意：圆柱螺旋线法与曲率半径法的公式，在分母位置上都有 和（单位为弧度）。这两个增量中的任意一个或同时为零，都需要另选公式计算，为解决这一问题，提出了校正平均角法。,（4）校正平均角法 我国钻井行业标准规定使用的方法（校正平均角法）。测段计算公式：,其中：,注意：以上二式中 和 的单位为弧度。测段计算公式与平均角法公式的形式相似，只是在平均角法的公式基础上乘上校正

14、系数 和，因而称之为校正平均角法。,关于校正平均角法的推导：在曲率半径的基础上，进行三角变换：,将三角函数用幂级数表示：取：,将以上几式代入曲率半径法公式，即可得到校正平均角法计算表达式：,第三节 直井防斜技术井斜的危害：1、在地质勘探方面：造成地质资料失真，打乱合理的 地下 井网和开发方案。2、在钻井施工方面：恶化钻柱工作条件，易造成井壁 坍塌和卡钻，易造成固井下套管困难和注水泥窜 槽，纠斜侧钻增加成 本。3、在开发采油方面：影响分层开采，影响修井工作，影响采收率（死油区）。,一、井斜的原因 地质因素、钻具因素、井眼扩大、钻压等。1、地质因素 地层倾斜和地层可钻性不均匀两个方面（1）地层可钻

15、性各向异性因素 沉积岩特性：垂直层面方向的可钻性高，平行层面方向的可钻性低。钻头总是有向着容易钻进的方向前进的趋势。地层倾角小于 45度时，钻头偏向垂直地层层面的方向。地层倾角超过60度时，钻头沿着平行地层层面方向下滑，地层倾角在4560度之间时，井斜方向属不稳定状态。,图 512 地层可钻性的各向异性导致井斜,（2）地层可钻性的纵向变化 地层倾斜且软硬交错，钻头偏向垂直地层层面方向,（3）地层可钻性的横向变化 垂直于钻头轴线方向上可钻性的变化 如：在钻头的一侧下面钻遇溶洞或较疏松的地层，而另一侧则钻遇较致密的地层。,2、钻具因素 主要原因是钻具的倾斜和弯曲：引起钻头倾斜，在井底形成不对称切削

16、；使钻头受侧向力作用，产生侧向切削。“底部钻具组合”（Bottom Hole Assembly）,简称 BHA 导致钻具倾斜和弯曲的原因：钻具和井眼有一定的空隙 钻压的作用，钻柱受压靠近井壁或发生弯曲 钻具本身的弯曲，转盘安装不平、井加安装不正等。3、井眼扩大 钻头在井眼内左右移动，靠向一侧，钻头轴线与井眼 轴线不重合，导致井斜。,二、满眼钻具组合控制井斜 由钻具引起井斜的原因可归结为：钻头对井底的不对称切削。钻头轴线相对于井眼轴线发生倾斜 钻头上侧力导致对井底的侧向切削。解决这些问题的方法之一是让钻具填满井眼，即：满眼钻具组合基本原理：增大下部钻具的尺寸和刚度，近似“填满井眼”，防止钻柱弯曲

17、和倾斜。方法：在下部钻具适当位置上安34个扶正器。扶正器尺寸：,1、YXY组合的结构 近钻头扶正器、中扶正器、上扶正器、第四扶正器等。作用：近扶正器：抵抗侧向力、防止侧向切削和不对称切削 中扶正器：保证中扶正器和钻头之间的钻具不发生弯曲，其 安放位置需要格计算。上扶正器：保证钻具上至少有三个稳定点与井壁接触，从而 保证井眼的直线性，距中扶 1 钻铤单根。第四扶正器：增大下部钻柱的刚度，协助中扶防止钻柱弯曲。,二、满眼钻具组合控制井斜 2、YXY组合“中扶”位置的计算 基本物理模型：一端固定，一端铰支的纵横弯曲梁。钻头方向与井眼轴线的偏移角：增大，减小，增大，减小，增大，减小 存在一个最优的 可

18、使 最小。,二、满眼钻具组合控制井斜 2、YXY组合“中扶”位置的计算 根据等截面梁纵横弯曲理论中的挠度计算公式和压杆稳定的临界载荷计算公式，并进行处理求导可得最优位置：,中扶距钻头的最优长度，m;扶正器与井眼的半间隙，m;井眼直井，m；扶正器外径，m;钻铤钢材的杨式模量，钻铤的截面的轴惯性矩，钻铤在钻井液中的线重，KN/m;允许的最大井斜角，（）,例题：已知钻头直径 216 mm,扶正器直径 215mm，钻铤钢材杨式模量，钻铤外径 178 mm,内径 71.4 mm,钻井液密度，钻铤线重 1.6 KN/m，允许的最大井斜角 3 度，求中扶距钻头的最优长度。解：根据给定条件，可求得：,二、满眼

19、钻具组合控制井斜 3、满眼钻具组合的使用（1）只能控制井眼曲率，不能控制井斜角的大小。不能纠斜。（2）“以快保满，以满保直”。间隙对满眼钻具组合性能够影响显著。设计间隙一般为 当间隙 达到或超过两倍的设计值时，应及时更换或 修复扶正器。在井径扩大井段不适用。要抢在井径扩大 以前钻出新的井眼。（3）不宜在井眼曲率大的井段使用，防止卡钻。（4）在钻进软硬交错时，或倾角较大的地层时，要注意适当减小 钻压，勤划眼，以便消除可能出现的“狗腿”。（5）为了发挥满眼钻具的防斜作用，在钻具上至少要有3 个稳定点，即：至少要按3 个稳定器。,三、钟摆组合控制井斜 1、钟摆钻具组合的原理 在下部钻柱的适当位置安装

20、一个扶正器，当发生井斜时，该扶正器支撑在井壁上形成支点，使下部钻柱悬空。则该扶 正器以下的钻柱 就好像一个钟摆，产生一个钟摆力，钻头在此钟摆力 的作用下切削井 壁。从而使新钻 的井眼不断降斜。,三、钟摆组合控制井斜 2、YXY钟摆钻具组合设计 钻头上的钟摆力：可产生最大钟摆力的最优扶正器安放位置计算：钻压，KN；井径，m;钻铤直径，m;,考虑到扶正器磨损和井径 扩大，使用距离比计算距离 适当小。,三、钟摆组合控制井斜 2、钟摆钻具组合使用（1）多数用于井斜角较大的井纠斜。直井内无防斜作用。（2）其性能对钻压特别敏感。钻压增大，则增斜力增大，钟摆力减小。使用时必须严格控制钻压。（3）只能使用小钻

21、压“吊打”。如果使用大钻压，可能 形成新的支点。（4）不能有效控制井眼曲率，易形成“狗腿”。（5）间隙对钟摆钻具组合性能的影响比较明显。,四、其它直井防斜技术 1、塔式钻具（钟摆钻具）2、偏心钻铤（形成公转和钟摆力）3、方钻铤（满眼钻具组合）4、钻铤偏心短节（形成钻铤公转）5、微机控制自动 垂直钻井系统（VDS）,垂直钻井系统简介Vertical Drilling System(VDS）,The VertiTrak system is designed to keep the top hole vertical without interaction from surface and with

22、out compromising critical drilling parameters(flow rate,WOB or bit speed)while maintaining high ROP along the entire section and avoiding timeconsuming correction runs.,An inclinometer monitors any vertical deviation and an integrated oil pump provides hydraulic energy to power steering ribs on the

23、bearinghousing to push the assembly back to vertical.,Several Advantages,The system can create smooth holes without offsets and ledges because there is no bend in the assembly to cause oversize sections and no string rotation to damage the borehole walls and trigger borehole stability problems.The r

24、esulting improvement in hole quality and the precise wellpath leads to several advantages:,Minimal torque and drag in deeper hole sections Precise well placement Reduced wellhead spacing at the surface Improved safety for layout of the casing program Lean casing drilling with cost savings in drillin

25、g mud,casingmaterial,cuttings disposal,etc.1,2 Reduced hole length as the rig can be placed directly above the target without factoring in the formations natural drift tendencies.No need for time-consuming correction runs even in highly dipped formations,fault zones,and salt formations,where it is d

26、ifficult to control the directional behavior of PDC bits.,第四节 定向井井眼轨道设计,常规定向井：大斜度井：水平井：上翘井：大位移井：水平位移与垂深之比大于 2.0一、定向井轨道分类 二维定向井：常规二维定向井-井段形状由直线和圆弧线组成。非常规二维定向井：除直线和圆弧曲线外，还有 特殊曲线，如：悬链线、二 次抛物线等。三维定向井：纠偏三维定向井，绕障三维定向井。,最大稳斜角,二、常规二维定向井轨道设计 1、设计原则（1）能实现钻定向井的目的（2）有利于安全、优质、快速钻井 轨道形状简单，尽量保证较长的直井段，容易实现钻进 尽量减小最大

27、井斜角，以便减小钻井难度，小倾角定向井；，中倾角定向井；大于，大倾角定向井；最大井斜角不得小于15度，否则井斜方位不易稳定。选择合适的造斜点位置。地层：硬度适中，无坍塌、缩径、高压、易漏。深度：根据垂深、水平位移、剖面类型等确定。垂深大、位移小、造斜点应深一些，避免长稳斜段；垂深小、位移大、造斜点应浅一些，减小定向施工工作量。,选择合适的井眼曲率：小，造斜段长，钻速低；大，摩阻大，起下钻、下套管等作业困难；保持 均匀，避免急弯，防止阻卡；保证钻具顺利通过。,起下钻允许的最大曲率，度/100m；动力钻具长度，m；钻头直径，mm；动力钻具直径，mm；安全间隙值，软地层 f=0;硬地层 f=36 m

28、m。,保证下套管顺利及考虑套管的弯曲强度：,下套管允许最大曲率，0/100m；钢材弹性模量，Pa；套管外径，mm；套管钢材屈服极限，Pa；安全系数，1.21.25；丝扣应力集中系数，1.72.5。,（3）有利于采油工艺的要求：尽量减小井眼曲率，以改善油管和抽油杆的工作条件。尽量以较小井斜角的直井段（斜直或垂直）进入油气 层，以利于安装电潜泵，坐封封隔器及其他井下作业。,2、轨道类型 常规二维定向井轨道有四种类型：,三段式多靶三段式五段式双增式,二维定向井轨道形状,3、设计条件、内容及步骤（1）设计条件 由地质、采油部门提供的要求：目标点位置：目标段位置：由钻井工程要求和设计原则确定的数据：造斜

29、点深度 井眼曲率,（2）设计内容及步骤 选择轨道形状：给定，选用三段式；给定，选用五段式或多靶三段式；给定，且 较大，用双增式。确定造斜点位置，造斜率，降斜率，第二 造斜率；计算关键参数：最大井斜角，稳斜段长度；计算各井段井身参数：绘制垂直剖面图和水平剖面图。,4、轨道的设计计算：以五段式轨道为例，已知：（1）计算关键参数：（如图）,令：,则：,由：,得：,（2）计算各井段参数,增斜段：,稳斜段：,降斜段：,目标段：,5、不同轨道类型的关键参数的计算 造斜段井眼曲率半径 计算公式：的单位为（1）三段式 给定 时，计算,（1）三段式 给定，计算 给定，计算,（2）多靶三段式 给定：计算：（倒推设

30、计法）（3）五段式 已知条件：中间参数：,（4）双增式 给定条件：中间参数：,注意：以上各轨道类型计算公式中所有符号的含义见教 材图5-20、5-21、5-22、5-23 中的标注，尤其是 应注意不同轨道时的 和 的取值。,6、井段计算及设计结果表示 对每个井段计算出段长、垂增、平增三个参数。（1）增斜段（4）双增轨道的第二增斜段（2）稳斜段（5）目标段（3）降斜段,（关键参数）已求出,（已知条件）,第五节 定向造斜工具及轨迹控制,造斜：由垂直井段开始钻出一定方位的斜井段的工艺过程。造斜点：开始造斜时的深度。垂直井段开始倾斜的起点。造斜工具：井底动力钻具造斜工具；转盘钻造斜工具。一、井底动力钻

31、具造斜工具 动力钻具（井下马达）：涡轮钻具、螺杆钻具、电动钻具。工作特点：在钻进过程中，动力钻具外壳和钻柱不旋转，有利于定向造斜。,、动力钻具造斜工具的种类三种：弯接头、弯外壳、偏心垫块。（1）弯接头造斜原理：迫使钻头倾斜，造成对井底的不对称切削；井壁迫使弯曲部分伸直，钻柱弹性力使钻头产生侧向切削弯角越大，造斜率越大；一般为0.5 2.5度；弯曲点以上的钻柱刚度越大，造斜率越大；弯点至钻头的距离越小且重量越小，造斜率越大；钻速越小，造斜率越高。（2）弯外壳马达（原理与弯接头类似）（3）偏心垫块 杠杆原理，垫块作为支点。,二、转盘钻造斜工具 变向器、射流钻头和扶正器组合。1、变向器 结构及原理如

32、图：早期造斜工具 现在仅用于套管内开 窗侧钻，或不适宜用 动力钻具的井内。,2、射流钻头钻头上安装1 个大喷嘴，2 个小喷嘴，大喷嘴射流冲击出斜井眼。,3、扶正器钻具组合 仅用于有一定斜度的井眼内进行增斜、降斜和稳斜。（1）增斜组合（杠杆原理）分为强、中、弱三种增斜组合 钻压越大，造斜能力越大；越长，增斜能力越小。近钻头扶正器直径减小，增斜能力也减小。使用时应保持低转速。,增斜钻具组合,（2）稳斜组合（刚性满眼钻具原理）：分为强、中、弱三种稳斜组合 使用中注意保持正常的钻压和较高的转速。可使用双扶正器串联代替近钻头扶正器增强稳斜效果。,稳斜钻具组合,（3）降斜组合（钟摆原理）：分为强、弱两种降

33、斜组合 使用中注意保持小钻压和较低的转速。对于强降斜组合，越长，降斜能力越强，但不能 与井壁有新的接触点。,降斜钻具组合,三、定向井轨迹控制的基本方法 垂直段、造斜段、增斜段、稳斜段、降斜段、扭方位等。1、垂直井段 利用防斜打直技术（满眼钻具、钟摆钻具）。2、定向造斜段 使用动力钻具造斜工具造斜，套管开窗侧钻用变向器，造斜段长度一般以井斜角达到 8 10度为准。3、增斜井段 一般用动力钻具定向造斜到一定角度（8 10 度）后，换用转盘钻利用增斜钻具组合继续增斜。4、稳斜井段 尽可能使用转盘钻扶正器钻具组合进行控制。5、扭方位井段 转盘钻扶正器组合不能控制井斜方位，必须利用动力钻具 造斜工具扭方

34、位。,四、扭方位的计算 装置角的计算 动力钻具反扭角的计算 定向方位角的计算。1、装置角的概念 OA线称为“高边方向线”，C点 是钻头中心，OC线称为“装置方位线”。以高边方向线为始边，顺时针旋转到装置方向线所转过的角度，称为“造斜工具装置角”。用w表示。,工具面：造斜工具作用方向线与钻柱轴线构成的平面（弯接头的两条交叉轴线所在的平面）。装置角也称工具面角。井斜铅锤面：过井斜方位线的铅锤面。高边方向线：井底平面上自井眼低边指向井眼高边的方向线。装置方位角：装置角与井斜方位角之和。以表示。是装置角的两种不同表现形式，称为高边模式工具面角，称为正北（磁北）模式工具面角。是井底平面（斜面）上的角度，

35、不易测量。是水平面上的角度，可以测量，用于定向。在 0 360度内变化，顺时针为“+”，逆时针为“-”,2、装置角与井斜角、方位角的关系（1）基本关系：,（2）w 对 的影响,全增斜,全降斜,近似稳斜90度扭方位,稳斜扭方位,增斜增方位降斜增方位降斜减方位增斜减方位,3、装置角的计算 已知条件：目前井斜角，方位角；欲达井斜角，方位角；工具造斜率。求解内容：造斜工具装置角 w,所要钻进井段的长度。（1）解析法,注意：求 w 时反余弦的定义域为0 180 度。设,上述三个公式中，共有7 个参数：显然若已知其中四个就可以求另外三个，可根据扭方位的实际情况灵活运用。,（2）图解法（1）选择比例尺，用单

36、位线段长度表示单位角度，例如：1 厘米代表 1 度。（2）选原点为 O，作斜线 OQ 作为目前井底方位线，在OQ 上量取 OA=（3）以 A 点为圆心，以 r 为半径画圆。（4）作线段 OB，使，为正时，OB 线在OA 线下方；为负时，OB 线在OA 线上方；线段OB 交圆于B，B 两点，联结AB,AB。（5）即为增斜扭方位的装置角 w，即为降斜扭方位的 装置角 w。（6）OB 长度（换算成角度），即为增斜扭方位后井斜角OB长度（换算成角度），即为降斜扭方位后的井斜角。,例题：已知 要求扭完方位以后的井斜角为18 度，试求装置角 w 和扭方位的井段长度。解：由解析公式可求得：由图解法可从图中量

37、得：,例题2：已知 要求扭完方位以后的井斜角为18 度，试求：装置角 w 和扭方位的井段长度。解：由解析公式可求得：由图解法可从图中量得：,4、图解法求装置角 w的原理 由图解法的步骤及图示可以看出：根据图示法假设：,根据解析基本关系式，且考虑：当 和 很小时：,将图解法与解析基本关系式进行比较可以看出注意：图解法只适用 和 较小时的情况。,4、动力钻具反扭角的计算（1）反扭角的概念 由于动力钻具反扭矩，使钻柱反时针扭转的角度，称为动力钻具的反扭角，用 表示。反扭角将使已确定好的装置角减小。造斜工具定向时的方位角称为定向方位角，用 表示。（2）影响反扭角的因素 反扭矩的大小；钻柱长度；钻柱断面

38、的极惯性矩；钻柱与井壁之间的摩擦力；装置角大小。,（3）反扭角的计算 由于影响因素的不确定性，只能采用资料反算法。已知条件：求解步骤：1）求试钻井段的狗腿角：2）求试钻井段的实际装置角：,注意：当 时，取“+”；当 时，取“-”。3）求实际反扭角：,五、造斜工具的定向 定向：使造斜工具作用方位指向预定方位的工艺。1、地面定向法 地面摆工具面：造斜工具下井前，地面调整好工具面下井。打印标记（“+”）：钻杆同一母线两端接头打印“+”标记。定向下钻：记录每两根钻杆角度偏差，计算总偏差，根据 总偏差扭方位。2、井下定向法 井下定向的关键是要知道原井斜方位和工具面方位。（1）定向齿刀法 氢氟酸测斜仪+铅

39、模+定向齿刀 氢氟酸液瓶的液面倾斜方向指示井斜方位 铅模上留下的齿刀印痕指示造斜工具的工具面方位。,（2）磁铁定向法（双罗盘定向法）双罗盘测斜仪+定向磁铁（安装在无磁钻铤上）上罗盘处在定向磁铁位置，指针标志工具面方位 下罗盘远离定向磁铁，指针指向正北方位。（3）定向键法（螺鞋定向法）磁性或陀螺测斜仪+螺鞋（定向鞋）+定向键 定向键安装在造斜工具上，其所在母线指示工具面方位。测斜仪螺鞋上的定向槽所在母线与罗盘上的“法线”对齐。测量时，定向槽卡在定向键上，“法线”的方位就是工具面 方位。,3、各种定向方法及其使用（1）双罗盘定向仪+定向磁铁 需使用无磁钻铤，可用于直井定向和斜井定向。（2）陀螺仪+

40、定向键 无需使用无磁钻铤，可用于直井定向和斜井定向。（3）磁罗盘测斜仪+定向键 目前使用最多的定向方法。必须使用无磁钻铤，可用于直井定向和斜井定向。（4）氢氟酸测斜仪+定向齿刀 只能在斜井内使用，方法比较落后。（5）地面定向法 可用于直井定向和斜井定向，方法比较落后。（6）随钻测斜仪+定向键 目前最先进的定向方法，可以做到随钻定向。,六、已投入商业运作的导向钻井系统（1）垂直钻井系统（VDS）：德国用于深井及超深井 防斜垂直钻井用；（2）自动定向钻井系统（ADD）：美国能源部提出的；（3）自动导向系统（AGS）：美国Steve Bell公司研制；（4）旋转导向钻井系统（SRD）：美国CAMCO

41、 公司推出；（5）IDEAL和PowerDrive系统：Schlumberger(Anadrill)公司（6）旋转闭环钻井系统（RCLS）：美国Baker Hughes 公司；,七.地质导向钻井简介 地质导向是综合钻井、随钻测井/测斜、地质录井及其他各项参数，实时判断是否钻遇泥岩以及识别泥岩位于井眼的上部还是下部，并及时调整钻头在油层中穿行，具体表现在：1)根据近钻头电阻率和自然伽玛判断钻头处的岩性；2)根据ARC衰减电阻率和相位电阻率差别判断钻头是否接近泥岩；3)根据AND提供的顶密度和底密度判断泥岩位置；4)根据AND提供的顶密度和底密度计算地层倾角；5)根据随钻测井电阻率曲线的极化角现象

42、识别地层界面；6)根据钻时和气体数据，结合岩屑判断钻头处岩性；7)结合扭矩和D指数判断钻头处岩性；8)利用地层韵律性，结合砂岩粒度变化判断井眼位于油层中的 位置。,目前国外Schlumberger和Baker Hughes公司拥有此项技术。Schlumberger公司(Anadrill)于1993年推出了IDEAL系统之后，又推出了Power Drive系统：PowerDrive Xtra(475,675,900)PowerDrive XceedPowerDrive X5(475,675,825,900,1100)PowerDrive vorteXBaker Hughes拥有RCLS(闭环旋转

43、自动导向)系统：AuotTrak RCLSAutoTrak G3 RCLS和Navigator系统。但目前只进行高价技术服务而不出售商品工具，已收到巨大经济回报。截止到，INTEQ 的AutoTrak RCLS累计进尺超过10,000,000ft，目前每天全球钻井进尺超过8,000ft。,第六节 水平井钻井技术简介一、定义：水平井是指井眼轨迹达到水平以后，井眼继续延 伸一定长度的定向井，延伸长度要大于油层厚度 的六倍。二、水平井的分类：根据从垂直井段向水平井段转弯时的 曲率半径大小进行分类。,三、水平井设计程序和框图 水平井设计程序和框图是1992年11月由美国石油工程协会和地质家协会、地球物

44、理家协会和测井分析家协会共同开会约定的。该设计内容（如图）是由地质、钻井、采油油藏、成本核算四部分人员共同合作完成的。,Highly sophisticated directional drilling systems are able to probe below the surface even horizontally and for extended distances to reach prospective oil and gas reservoirs in less time and with more reliability.美国高精度定向钻井系统可以用更少的时间更可靠地探测到

45、地下油气储集层：定向钻井、水平钻井、大位移钻井、爪型（辐射）钻井和多分支钻井。,五、发展和应用,委内瑞拉Petrozuata水平井几何形状,截止2000年为止，美国、加拿大和世界其他国家所钻的水平井数及美国钻机动用情况如图,世界水平井数量统计表,据美国HIS能源集团统计（Janury/Febuary 2000 PetroMin），截至1999年5月，全世界水平井数量共计20430口,国外水平井技术指标,水平井最大水平段达6118米；水平井最大垂深6062米；水平井最大单井进尺10172米；双侧向水平井总水平段长度达4550.1米（垂深1389.9米）；多分支水平井总水平段长度达到11342米。

46、（注：数据截至2001年）,水平井的新应用,水平井作为注入井，提高产量分支水平井开采多个产层开采老油田剩余油多目标开发产层开采气藏或疏松砂岩油藏水平井资料用于油藏描述薄层油藏、注水剖面修正、持续增产,本 章 小 结一 钻井技术发展回顾 旋转钻井发展阶段（1）初期阶段（萌芽阶段）19001920年（20年）（2）发展阶段（经验钻井阶段）19201950年（30年）（3）科学化钻井阶段：1950现在（50 年）前期阶段 19501980（30年）后期阶段 1980现在 约20 年（后期阶段又称现代钻井阶段）,挑战：深水高温高压环境安全E&D效益降低成本,水平井20430口最大水平段达6118米多底

47、井总水平段长度达到11342米大位移井最大位移10728米,先进技术：水平井大位移井多分支井欠平衡钻井地质导向钻井顶部驱动装置膨胀管技术,50s,60s,70s,80s,90s,2000+,二、科学化钻井后期阶段主要技术成果,（1）井下信息实时检测、传输、处理、分析,地层参数钻井参数 井眼参数,使用MWD、LWD、SWD、DDS、GST和FEWD等随钻测量技术,（2）开发了井下导向和井下闭环钻井系统,（3）发展了新钻井技术,水平井钻井技术多分支井钻井技术欠平衡压力钻井技术,小井眼钻井技术、连续油管钻井技术,三、现代钻井技术发展趋势,（一）向信息化、智能化方向发展 1 信息化钻井技术,（1）随钻

48、测量(MWD)（80年代初）,井斜角方位角,与近钻头测斜器（MNB）配合使用,（2）随钻测井(LWD)（80年代中）,地层电阻率体积密度中子孔隙度自然伽马,四参数组合随钻测井仪（实时获得所钻地层岩性及所含流体状况）,（3）随钻地震(SWD)（80年代末）,钻头待钻地层前方岩石类型、孔隙度、孔隙压力,其他声学敏感岩石参数。,钻头旋转破岩振 动为震源,钻杆顶部和井口埋检波器接收信号。,（4）随钻地层评价(FEWD)（90年代）,井眼方位角、井斜角、钻压、扭矩、应力、流体压力、泥浆密度、及地层孔隙度、岩石密度,与MWD、LWD结合使用，组成集成钻井信息系统（IDIS）,（5）地质导向技术(GST)（

49、90年代）,（6）随钻井下钻井动态数据实时检测和处理技术（DDS）,DDS可测钻井8种参数，12个数据。,A 井底钻压、扭矩和两个正负方向的弯矩；B 井底液柱压力和环空压力；C 钻柱纵向加速度和两个方向横向加速度；D 钻头转速和井下温度。,2 智能化钻井技术,将井下导向工具、测试工具、作业控制三者联系在一块组成闭环钻井系统，称智能化钻井技术。,1990年由数家大石油公司合作，历时5年，耗资$1000万开发出集成钻井系统（IDS）和集成钻井作业系统（IDO）。,井下闭环钻井发展阶段（四个发展阶段）（1）井下开环阶段（2）井下半闭环阶段（3）井下全闭环阶段（4）地面井下全闭环阶段井下闭环钻井导向工具和方法（1）滑动式导向工具；（2）旋转式导向工具。,已投入商业运作的导向钻井系统（1）垂直钻井系统（VDS）：德国用于深井及超深井 防斜垂直钻井用；（2）自动定向钻井系统（ADD）：美国能源部提出的；（3）自动导向系统（AGS）：美国Steve Bell公司研制；（4）旋转导向钻井系统（SRD）：美国CAMCO 公司推出；（5）IDEAL和PowerDrive系统：Schlumberger(Anadrill)公司（6）旋转闭环钻井系统（RCLS）：美国Baker Hughes 公司。,(二)向多学科紧密结合、提高油井产量和油田采收率方向发展 以水平井、分支井为代表 本章结束！,