1、定向井和水平井鉆井技術(2008-11-19 08:53:54)標簽：穩斜增斜率鉆具鉆鋌井斜角我國海洋雜談 第三節井眼軌跡控制技術井眼軌跡控制的內容包括：優化鉆具組合、優選鉆井參數、采用先進的井下工具和儀器、利用計算機進行井眼軌跡的檢測預測、利用地層的方位漂移規律、避免井下復雜情況等等。軌跡控制貫穿鉆井作業的全過程，它是使實鉆井眼沿著設計軌道鉆達靶區的綜合性技術，也是定向井施工中的關鍵技術之一。井眼軌跡控制技術按照定向井的工藝過程，可分為直井段、造斜段、增斜段、穩斜段、降斜段和扭方位井段等控制技術，其中直井段的控制技術見第七章第四節。一定向選斜井段初始造斜方法有五類，即井下馬達和彎接頭定向、噴

2、射法、造斜器法、彎曲導管定向、傾斜鉆機定向。目前，我國海洋定向井一般采用第一種方式，常用造斜鉆具組合為：鉆頭十井下馬達十彎接頭十非磁鉆鋌十普通鉆鋌（ 030米）十撓性接頭十震擊器十加重鉆桿。這種造斜鉆具組合是利用彎接頭使下部鉆具產生一個彈性力矩，迫使井下動力鉆具驅動鉆頭側向切削，使鉆出的新井眼偏離原井眼軸線，達到定向造斜或扭方位的目的。造斜鉆具的造斜能力主要與彎接頭的彎角和動力鉆具的長度有關。彎接頭的彎角越大，動力鉆具長度越短，造斜率也越高。彎接頭的彎角應根據井眼大小、井下動力鉆具的規格和要求造斜率的大小選擇。現場常用彎接頭的彎角為1.52.25度，一般不大于2.5度。彎接頭在不同條件下的造斜

3、率見第四節。造斜鉆具組合使用的井下動力鉆具型號應根據造斜井段或扭方位井段的井深選擇。使用井段在2000米以內，一般采用渦輪鉆具或普通螺桿鉆具，深層走向造斜或扭方位應使用耐高溫的多頭螺桿鉆具。造斜鉆具組合、鉆井參數和鉆頭水眼應根據廠家推薦的鉆井參數設計。由于井下動力鉆具的轉速高，要求的鉆壓小一般為29.4 78.4千牛（38噸），因此，使用的鉆頭不宜采用密封軸承鉆頭，尤其是在淺層，可鉆性好的軟地層應使用銑齒滾動軸承鉆頭或合適的PDC鉆頭。根據測斜儀器的種類不同，分為四種定向方式：1單點定向此方法只適用造斜點較淺的情況，通常井深小于1000米。因為造斜點較深時，反扭角很難控制，且定向時間較長。施工

4、過程如下：（l）下入定向造斜鉆具至造斜點位置（注意：井下馬達必須按廠家要求進行地面試驗）。（2）單點測斜，測量造斜位置的井斜角，方位角，彎接頭工具面；（3）在測斜照相的同時，對方鉆桿和鉆桿進行打印，并把井口鉆桿的印痕投到轉盤面的外緣上，作為基準點；（4）調整工具面（調整后的工具面是：設計方位角十反扭角）。鎖住轉盤、開泵鉆進；（5）定向鉆進。每鉆進24個單根進行一次單點測斜，根據測量的井斜角和方位角及時修正反扭矩的誤差，并調整工具面；（6）當井斜角達到810度和方位合適時，起鉆換增斜鉆具，用轉盤鉆進。在單點定向作業中要注意：在確定了反扭角和鉆壓后，要嚴格控制鉆壓的變化范圍，通常在預定鉆壓19.6

5、千牛（2噸）內變化；每次接單根時，鉆桿可能會轉動一點，注意轉動鉆桿的打印位置至預定位置；如果調整工具面的角度較大（90度），調整后應活動鉆具23次（停泵狀態），以便鉆桿扭矩迅速傳遞。2地面記錄陀螺（SRO）定向在有磁干擾環境的條件下（如套管開窗側鉆井）的定向造斜，需采用SRO定向。這種儀器可將井下數據通過電纜傳至地面處理系統，并顯示或用計算機打印出來，直至工具面調整到預定位置，再起出儀器，施工過程如下：（l）選擇參照物，參照物應選擇易于觀察的固定目標，距井40米左右；（2）預熱陀螺不少于15分鐘，工作正常才可下井；（3）瞄準參照物，并調整陀螺初始讀數；（4）接探管，連接陀螺外筒，再瞄準參照物，

6、對探管和計算機初始化；（5）下井測量，按規定作漂移檢查；（6）起出儀器坐在井口，再次瞄準參照物記錄陀螺讀數；（7）校正陀螺漂移，確定測量的精度；（8）定向鉆進。3有線隨鉆測斜儀（SST）定向造斜鉆具下到井底后，開泵循環半小時左右，然后接旁通頭或循環接頭。把測斜儀的井下儀器總成下入鉆桿內，使定向鞋的缺口坐在定向鍵上。定向造斜時，可從地面儀表直接讀出實鉆井眼的井斜、方位和工具面，司鉆和定向井工程師要始終跟蹤預定的工具面方向，保持井眼軌跡按預定方向鉆進。4隨鉆測量儀（MWD）定向MWD井下儀器總成安裝在下部鉆具組合的非磁鉆鋌內，其下井前要調整好工作模式和傳輸速度，并準確地測量偏移值，輸入計算機。儀器

7、在井下所測的井眼參數通過鉆井液脈沖傳至地面，信息經地面處理后，可迅速傳到鉆臺。MWD不僅可用于定向造斜，也可用于旋轉鉆進中的連續測量，是一種先進的測量儀器。5定向造斜中的注意事項：（1）如果定向作業前的裸眼段較長，應短起下鉆一趟，保證井眼暢通。（2）井下馬達下井前應在井口試運轉，測量軸承間隙；記錄各種參數，工作正常方可下井；（3）MWD等儀器下井前，必須輸入磁場強度、磁傾角等參數；（4）定向造斜鉆進，要按規定加壓，均勻送鉆，以保持恒定的工具面。（5）造斜鉆進或起下鉆，用旋扣鉗或動力水龍頭上卸扣，不得用轉盤上卸扣；（6）起鉆前方位角必須在2030米井段內保持穩定，且保證預定的提前角。目前，“一次

8、造斜到位法”也經常在我國海洋定向井中使用，這種方法適用于造斜點較淺，且機械鉆速很快的造斜井段，常常配合使用隨鉆測量儀。（7）井下馬達出井時，按規定程序進行清洗、保養。二轉盤鉆增斜井段常用增斜鉆具組合為：鉆頭十近鉆頭穩定器十非磁鉆鋌十鉆鋌（非磁鉆鋌和鉆鋌的總長度為1830米之間）十穩定器十鉆鋌（10米）十穩定器十鉆鋌十隨鉆震擊器十加重鉆桿十鉆桿（見圖910，從下至上，增斜效果越來越強。圖中UG是指尺寸不足的扶正器）。施工注意事項：1按設計鉆井參數鉆進，均勻送鉆，使井眼曲率變化平緩。2每鉆進2550米測量一次，隨時作圖，掌握井斜、方位的變化趨勢。如果增斜率不能滿足設計要求，應及時采取措施：（1）調

9、整鉆壓改變增斜率。增加鉆壓可使增斜率增大，減小鉆壓，則使增斜率降低。（2）更換鉆具組合，改變近鉆頭穩定器與相鄰穩定器之間的距離。改變的范圍為1030米，距離越短，增斜率越低，距離越長，增斜率越高；（3）改變近鉆頭穩定器與相鄰穩定器之間的鉆鋌剛性，剛性越高，增斜率越低；剛性越低，增斜度越高。（4）鉆頭底部距近鉆頭穩定器翼片中部的距離為0.71.2米。 3如果增斜率比設計值稍低（5100米以內），可采用強行增斜法。（l）接單根后，開泵至設計排量，慢慢加壓至設計鉆壓的75左右；（2）轉動轉盤至設計轉速，同時逐步增加鉆壓至允許的最大鉆壓；（3）鉆完一個單根時，馬上停轉盤，鉆壓不回零，上提鉆具。（4）劃

10、眼時，井底的最后2米左右不劃眼。采用強行增斜法要注意：一是當前鉆進的轉盤扭矩不應過大；二是啟動轉盤時，要保持鉆壓達到預定的數值；三是整個井下鉆具各組件質量應合格；四是采用這種特殊方法只能達到微增效果（增斜率可提高4100米左右經驗數據）。三穩斜井段常用的穩斜鉆具組合（見圖911，從下至上，穩斜效果越來越強。圖中UG是指尺寸不足的扶正器）。鉆頭十近鉆頭穩定器十短鉆鋌（36米）十穩定器十非磁鉆鋌十穩定器十鉆鋌十鍵槽破壞器十撓性接頭十震擊器十加重鉆桿。施工措施：l造斜或增斜結束后，下入第一趟穩斜鉆具時，從造斜點開始要慢慢下鉆。尤其是在軟地層、高造斜率的情況下，容易遇阻，并可能產生新井眼，必須注意：（

11、1）下鉆遇阻時，活動鉆具35次，切勿 “壓死”鉆具；（2）開泵，慢慢下放23次。（3）在遇阻點以上1.5米左右，中高速轉動轉盤（8090轉分），快速下放，鉆壓不超過98千牛（10噸）；（4）通過遇阻點以后，上、下活動鉆具l2次，繼續下鉆。注意：在硬地層時，穩斜鉆具在造斜段遇阻，仍可采用前述（l）、（2）步驟，只是活動鉆具的次數適當減少，仍然遇阻時，同樣要轉動轉盤，只是轉速適當地低一些，且控制鉆壓，慢慢下放，切勿“壓死”鉆具。2在方位右漂嚴重的地層中鉆進，可采用“超長翼”的穩定器（鉆具組合相同），以穩定方位角。也可采用PDC鉆頭（如R426型），以利用PDC鉆頭具有方位左漂趨勢的特性。3總結同一

12、地層的自然增斜或降斜特性，合理地選擇穩斜鉆具組合。4測斜，最大測斜間距不超過100米，特殊井的關鍵井段測斜間距應為30米左右，并及時繪制垂直剖面圖和水平投影圖，隨時掌握實鉆井眼軌跡情況。四降斜井段常用降斜鉆具組合（見圖9一12，從下至上，降斜效果越來越強）。鉆頭十短鉆鋌（38米）十穩定器十非磁鉆鋌十穩定器十鉆鋌十鍵槽破壞器十撓性接頭十震擊器十加重鉆桿十鉆桿。注意。1定向井的降斜鉆具組合不宜采用大鐘擺式，否則降斜率過高，起下鉆困難。2降斜段一般接近完井井段，井下扭矩和摩擦阻力較大，在滿足中靶的前提下，應盡量簡化鉆具組合，使用加重鉆桿加壓。五扭方位一般地說，井斜的控制要比方位控制容易一些，如何實現

13、方位的自由控制，也是定向井鉆井的一大難題。影響方位的因素很多，除地層這一不可改變的因素之外，鉆井參數和鉆具組合也對方位產生一定的影響。其影響規律如下：在鉆具組合方面，一般認為，對方位漂移產生主要的影響是前3060米的鉆具組件。穩定器能起到穩定方位漂移的作用，穩定器越多，方位漂移總趨勢的變化不會太大。也就是說，對穩斜鉆具組合，由于穩定器較多，方位的漂移趨勢變化不大，而對于增斜和降斜鉆具組合，方位的漂移趨勢可能變化。在鉆井參數方面，鉆壓和轉速也對方位產生影響。一般地認為，適當的高轉速（為90110轉分）和中等鉆壓98147千牛（1015噸），抑制方位向右漂移的效果較好。由于影響方位漂移的因素很多，

14、地層的變化也很難掌握，因此方位控制的確較困難。但是，要盡量少扭方位，一口井最多扭兩次方位，還是可以接受的。當實鉆井眼軌跡嚴重偏離靶區范圍，且根據當前的方位漂移趨勢無望進入靶區時，應下入造斜鉆具組合扭方位。1施工要點：（1）扭方位鉆具組合及其采用的鉆井參數和定向造斜施工基本上相同（建議盡量少下鉆鋌，防止壓差卡鉆）；（2）選擇可鉆性和穩定性較好的地層（尤其是大段砂層），實施扭方位作業；（3）深井扭方位，由于反扭角較大，一般采用隨鉆測斜儀扭方位；（4）井斜角較大井段（40以上）扭方位，容易降斜。扭方位前一趟鉆，可以事先增加23井斜，以彌補扭方位時的降斜效果。當然，采用先扭完方位，井斜自然降低以后，再

15、適當地增斜，也能保證較好的井眼軌跡；（5）依據實鉆的垂直剖面圖，確定采用何種扭方位的工具面角度（增、降或穩斜）。2方位扭轉角的計算方位扭轉角的計算，可按如下步驟進行：（l）進行測斜計算，算出目前的井底坐標位置。如圖 913所示， OT為設計的井斜方位線，ode為實鉆井眼軸線的水平投影，e為目前的井底。d為距井底較近的測點位置。目標點T的坐標為HT、ET、NT，井深為LT。根據測斜資料及測斜計算可知，d、e二點的基本參數為井深Ld、Le井斜d、e，方位jd、je，e點的坐標為垂深He，東位移Ee，北位移Ne。（2）計算現用鉆具組合的方位漂移率Kp。（3）計算現用鉆具組合鉆達目標點的總方位漂移量j

16、p：下式假定現用鉆具組合一直鉆到目標點。如果鉆了一段又換了鉆具組合，則應重新進行計算。（4）計算對準目標的方位線的方位角jz ：如圖914所示，自目前井底e，對準目標點T的方位線為eT，eT的方位角為jz，jz按如下公式計算。對于偏差jz，如果按照方位漂移率不變，那么從目前井底e鉆達目標T，需要的方位漂移（見圖915）。（6）控制方位角的方法選擇方法的依據是將jp與2jz進行對比，2jz是需要的方位漂移角，jp是用目前采用的鉆具組合可能達到的方位漂移角。若2jzjp，表示需要與可能正好相符，則用現用鉆具組合的自然漂移率就可以將方位扭過來，從而準確中靶。若2jz與jp相差較大，甚至符號相反（一個

17、是正號，一個是負號），則表明必須使用動力鉆具帶彎接頭強行扭方位。必須記住，在強行扭完方位之后的鉆進過程中，方位仍然會漂移。所以，在計算用動力鉆具（帶彎接頭）扭方位的方位扭轉角時，必須考慮方位漂移的影響。（7）用動力鉆具強扭方位的扭轉角j可用下式計算：jjz1/2jp（971）上式表明，用動力鉆具強扭方位時，要“少扭”一些角度，留下一些角度讓鉆具組合的自然漂移去扭。這個“少扭”的角度就是1/2jp。（8）計算預計的井底井斜方位角jrjrjejjp（972）有一個問題需要特別強調。上述的計算是根據該井正在使用的鉆具組合和正在鉆進的地層的具體條件下的井眼方位漂移率來計算的。在繼續鉆進過程中，當鉆具組

18、合和地層發生變化時，方位漂移率也發生變化，原來的計算也就無效了。這時需要根據井身水平投影圖及新的測斜資料，重新計算。定向井的方位控制是一個不斷進行的過程，不可能進行一次計算就能成功。但是每一次計算都只能是根據靠近目前井底的那個井段的方位漂移率來進行。3圖解法扭方位的工具面圖解法扭方位是一種近似計算工具面的方法，使用簡單，求解迅速，是現場常用的方法。造斜工具的工具面方向決定使用這種造斜工具鉆出的新井眼是增斜、降斜還是穩斜，是增方位還是減方位。工具面大小也決定著造斜工具的造斜能力用于井斜和方位上的分配比例。工具面對井斜和方位的影響，如圖916所示。由上圖可知：0TF90時，裝置角位于第一象限，增斜

19、，增方位。90 TF180時，裝置角位于第二象限，減斜，增方位。180 TF270（90）時，裝置角位于第三象限，減斜，減方位。270TF360時，裝置角位于第四象限，增斜，減方位。圖916是一個扭方位的示意圖。圖中，OM所示為原井眼方位（高邊方向），OA為原井斜角1（7），MAB為扭方位時的工具面角（w），AB為扭方位工具的造斜能力（gL）。 MOB是鉆進L米井眼方位的增值（），CB是井斜角的增值（），OB是扭方位鉆進L米時的井斜角1。圖中，OA、AB、OB分別表示原井斜角l、工具的造斜能力 gL和扭方位鉆進L米時的井斜角，須用相同單位長度代表1（如1厘米代表1或2厘米代表1）。在全力扭方位

20、時，理論上認為：工具面應放在右95（全力增方位）或者是左95（全力減方位），以保持井斜角不變和全力扭方位。右（或左）9095之間的角差為偏增角（取5）。實際扭方位過程中，工具面通常選擇在8095（全力扭方位）。圖解法扭方位的步驟如下。已知條件：扭方位前的井斜角1，方位角j1，扭方位后方位角j2，jj2j1，彎接頭的造斜率K以及限定扭方位的井眼長度L。（1）根據K、L計算扭方位井段的狗腿角ggKL。（2）選取一定長度單位代表井斜角度值，如以 1厘米代表1或以 2厘米代表 1.5“等。（3）選定原點O，作 N、E坐標，根據j1作井斜方位線OQ，量得OA1（長度代表角度），以A點為圓心，g（以長度代

21、表角度）為半徑畫圓。（4）以AOBj作線段OB，交圓于B、B兩點。j 0，表示方位增加，作圖時應以 OA為始邊，順時針轉動至 OB方向；j 0，表示方位減小，應以OA為始邊，逆時針方向轉到OB線。（5）用量角器量得QAB和QAB，QAB表示增斜扭方位，QAB表示減斜扭方位的裝置角。（6）用直尺量得OB和 OB的長度，按所選比例換成角度，即表示扭完方位后所能達到的井斜角。其中OB表示增斜減方位，OB表示減斜增方位。如圖 9 17所示。六長曲率大斜度井技術1常用井身剖面大斜度井的井斜為5585，大斜度井可以采用常規的定向鉆井工具來完成，但穩斜井段通常使用MWD測斜。根據水平位移大小，大斜度井常常采

22、用兩種剖面，即：三段制“J”型和五段制“J”型剖面。通常，大斜度井的剖面中沒有降斜井段。水平位移在1000米左右或最大井斜為5570的大斜度井，適合用三段制“J”型剖面。這種剖面要求連續造斜至預定的最大井斜，在大斜度的情況下穩斜鉆進，以便增加油層的裸露面積，穩斜井段一般較短，以防止摩擦阻力過大和降斜，增加施工困難。這種剖面尤其適合于地層傾角較大的油層。水平位移較大的大斜度井，適合采用五段制“J”型剖面，即第一增斜段至第一穩斜段至第二增斜段至第二穩斜段的剖面，在同等條件下，它比三段式剖面需要的垂直井深要長。這種剖面的施工方法可以這樣進行。鉆完直井段后下入表層套管，然后按24度30米的增斜率鉆完第

23、一增斜段，根據需要第一段井斜角可增至30一40度左右，穩斜鉆進部分井段后，下入技術套管，再按1320度100米的增斜率鉆至最大井斜角，如果余下的穩斜段還很長（一般超過300米），應在增斜段鉆完后再鉆部分穩斜段時下入一層技術套管，以保證下步施工順利。一般來說，進行大斜度井剖面設計，還應考慮下列問題：（1）井眼曲率過大以及重力問題，它們與摩擦阻力、鉆速、降斜趨勢、壓差卡鉆、機械卡鉆以及巖屑堵塞等有很大的關系，應采用計算機進行摩擦阻力的設計計算；（2）地層因素，油藏類型及厚度等地質資料，它們直接影響到井眼能否在正確的設計深度準確地穿過目的層。（3）設計合理的井身結構。2大斜度井的鉆具組合選擇（l）三

24、段式“J”型剖面的大斜度井鉆具組合這種大斜度井的造斜、增斜、穩斜鉆具組合與普通走向井基本上一樣，但穩斜鉆具通常只使用2柱以內的鉆鋌長度（包括非磁鉆鋌），而加重鉆桿則達到1015柱、穩定器一般用2只以降低鉆具失重，減少摩擦阻力。所用鉆具一般為微增斜組合，達到穩斜效果（因井斜大，出現自然降斜趨勢）。（2）五段制“J”型剖面的大斜度井鉆具組合：第一增斜段、穩斜段的鉆具組合與普通走向井一樣；第二增斜段的增斜率通常比第一增斜段高，是比較關鍵的井段，常用鉆具組合為三種：第一種導向鉆進鉆頭十導向馬達十穩定器十MWD十鉆鋌（24根）十鍵槽破壞器十撓性接頭十震擊器十加重鉆桿。第二種轉盤增斜鉆頭十近鉆頭穩定器十M

25、WD十鉆鋌十穩定器十鉆鋌（36根）十鍵槽破壞器十撓性接頭十震擊器十加重鉆桿。第三種吉列根（Gilligan）增斜鉆具鉆頭十近鉆頭穩定器十加重鉆桿（1根）或小尺寸鉆鋌l根十穩定器十MWD十鉆鋌（35根）十鍵槽破壞器十撓性接頭十震擊器十加重鉆桿。如在311毫米（121/4英寸）井眼，“小尺寸鉆鋌”可以是159毫米（61/4英寸）。第二穩斜段的鉆具組合與三段制剖面的穩斜井段一樣。（3）大斜度井施工注意事項：使用高標準高質量的管材，特別是加重鉆桿，以防止鉆井過程中扭矩過大而發生鉆具斷裂。因此，所有井下鉆具必須經探傷合格，方可下井；選用扶正塊表面平滑的一體式穩定器和鉆柱擴眼器等可以降低摩擦阻力，特別是井較深的大斜度井；隨鉆震擊器的質量和位置非常重要，應該選用震擊力大的機械式鉆井震擊器。如果斜井段較長，有必