定向钻井关键技术交流.doc

定向钻井技术
在阜康煤层气示范工程中应用

新疆煤田地质局一五六煤田地质勘探队
11月20日

定向钻井技术在阜康煤层气示范工程中应用
刘蒙蒙 （新疆煤田地质局一五六煤田地质勘探队）

摘要
探讨和总结定向技术在新疆阜康白杨河矿区煤层气开发运用先导性示范工程钻井工程中应用，简介定向设计，定向仪器工作原理及使用。由于地理条件、排采地面工程、节约成本、增长采收率需要，示范工程大某些井设计为丛式井，也有两口L型井和一口U型对接井，加上地层倾角大地层造斜严重，所觉得了达到设计规定必要引进定向钻井技术。本文重要从井眼轨迹设计、定向仪器、定向工艺、定向实例四方面进行简介。
核心词：定向技术、钻井工程、定向仪器
阜康煤层气示范工程项目由156队承担施工，其中定向钻井由156队工程技术科参加施工3口，独立施工1口。156队工程技术科已培养出学习和应用掌握定向钻井技术人员，具备基本定向设计、定向施工、定向验收能力。
1 定向井眼轨迹设计
定向井眼轨迹设计涉及因素诸多。为满足地质及生产规定，设计需要选取适当造斜点、造斜强度、最大井斜角、稳斜段长度；为了同井台以及相邻井台各井之间防碰，需要选取合理大门方向和做防碰设计。此外，造斜强度选取要考虑钻具及套管强度、摩阻。造斜点选取必要深于表层套管一倍仪器另长深度。依照造斜强度选取合理钻具组合、不同弯度螺杆钻具。最大井斜角过小稳斜段方位不易控制，最大井斜角过大对钻进、下套管、排采不利，同步增长造斜段工作量。
1.1 示范区井型简介
示范工程设计丛式井、L型井以及U型对接井

图1-1 示范工程三段式、五段式、U型井轨迹示意图
1.2定向钻井基本知识【1】
1.2.1直井钻井存在问题
导致井斜因素有客观地质因素，主观钻具组合和钻进参数
1）常规防斜打直技术
• 塔式钻具组合----吊打，效果差，速度慢。
• 多扶正器满眼组合---强化钻井，事故多。
• 钟摆钻具---参数控制，效果普通，普遍采用，但效益普通，由于参数限制，提速空间不大。
• 偏心接头、偏心钻具组合---伤害钻具严重，断钻具事故多，裁减。
• 直马达钟摆防斜钻具组合---钻具组合和参数配合应用技术，河东矿区施工两口井防斜效果不抱负
2）定向纠斜打直技术
常规防斜打直技术均是被动防斜，并且效果不好，采用MWD仪器+弯螺杆钻具组合可随钻测斜、积极纠斜。示范工程所有直井及定向井直井段均是采用此种纠斜打直技术。

1.2.2 定向井基本知识
1）定向井概念：指按照事先设计具备井斜或方位变化轨道钻进井。
2）定向井三要素：井深、井斜、方位。
基本演化要素：南北坐标，东西坐标，水平位移和视平移，全角变化率（井斜变化率，方位变化率）（俗名：狗腿度），闭合距，闭合方位。
2）定向井基本分类：
基本定向井：普通基本设计定向井
特殊定向井：绕障井、侧钻井、救援井、特殊地质目定向井、定向连通井、多底井、丛式井。
1.3定向设计软件
井眼轨迹可以用常规手工绘图，CAD等常规作图软件来设计，常规办法需要人工计算，分段及分点数据无法自动生成。当前普遍使用专门定向设计软件来完毕，软件种类诸多，例如大港定向设计、井眼轨迹设计系统、通用定向井程序、定向井数据解决以及LANKMARK中compass模块。示范工程定向设计重要是用是compass98、、5000。

图1-2 compass设计主菜单

图1-3轨迹界面及分段、分点数据设计

图1-4 FS-44井设计轨迹及实钻轨迹对比图
设计人员需理解简朴地磁模型、六度带。设计环节：建立公司→建立油田（区块）→建立井台→建立一口井→建立TRACK（分支）→建立靶点→进行轨迹设计→生成分段、分点数据、垂直及水平投影图。
2 定向设备
示范工程使用随钻测斜仪（MWD）重要有两种：泥浆脉冲无线随钻测斜仪和电磁波（Blackstar）无线随钻测斜仪。
2.1 泥浆脉冲随钻测斜仪工作原理
泥浆脉冲是通过变化钻具中泥浆压力来传送信号。MWD随钻测斜仪是将传感器测得井下参数按照特定方式进行编码，产生脉冲信号，该电脉冲信号控制脉冲器小控制阀上下运动，再运用循环泥浆力量使蘑菇头产生同步上下运动，这样就变化了蘑菇头与下面限流环之间泥浆流通截面积，从而在钻柱内产生了一种正泥浆压力脉冲。定向探管产生脉冲信号控制着蘑菇头提起或插下状态时间，从而控制了脉冲宽度和间隔。蘑菇头与限流环之间泥浆流通截面积决定着信号强弱，咱们可以通过选取蘑菇头外径和限流环内径尺寸来控制信号强弱，使之合用于不同井眼、不同排量、不同井深工作环境。事实上，整个过程涉及到如何在井下获得数据以及如何将这些数据输送到地面，这两个功能分别由探管和泥浆脉冲发生器完毕。
2.2 Blackstar电磁波无线随钻仪
1、Blackstar电磁传播基本理论【2】：
大某些电磁信号沿钻杆向上传播、泄漏，穿透周边地层，然后再返回到仪器间隙短节对面其目是检测在井口有限信号。
在电磁波随钻测量应用中涉及如下两个天线：井口天线和参照天线。井口天线连接到井口防喷器，参照天线连接到距井口一定距离地面上。在大多数状况下井口天线接受信号，参照天线提供了接地参照，形成一种电子回路。
2、Blackstar电磁波无线随钻仪构成。

图2-1 常规定向组合仪器布置图
从上至下MWD仪器组合为：上部连接器、电池筒、电池连接器、发射器、定向探管、加长杆、导向杆。
从上至下无磁钻铤组合是：电池无磁钻铤、绝缘短节、仪器无磁钻铤、定向压力短节。
3、发射器把测得参数以电磁波方式通过钻柱及地层传播，通过井口天线及参照天线接受传入双通道放大器，经地面设备解码通过电脑上软件显示出来。
4、定向设备使用
一方面连接导向杆、加长杆、发射器，通过调节加长杆长度使仪器绝缘处与无磁钻铤柱绝缘短节绝缘带处在相似位置。另一方面组装地面设备，把设立杆连接到发射器通过设立线与放大器连接，打开放大器电源给发射器通电，通过设立软件对发射器工作参数进行设立并校正工具面，建立新Job及Track，添加对的发射器编号。并通过震动唤醒仪器，对仪器进行测试。测试仪器工作正常后，连接电池，并进行入井前测试。测试正常后保证仪器对的坐键入井。

3定向工艺
3.1概念【3】
工具面：造斜工具弯曲方向平面，又分为磁工具面和重力高边工具面。
工具面角：反映造斜工具面所在相对位置参数，用磁工具面角及高边工具面角表达。
磁工具面角：工具面与磁北夹角。高边工具面角：工具面与井斜方位高边夹角。
角差：分为仪器角差及钻具角差，仪器角差在设立及校验仪器时已补偿，钻具角差就是仪器测量方位与螺杆工作工具面角差
磁偏角：地磁北极方向线与地理北极方向线之间夹角。
子午线收敛角：坐标纵线偏角，以真子午线为准，真子午线与坐标纵线之间夹角。坐标纵线东偏为正，西偏为负。
磁方位：井眼轨迹以磁北极为基准顺时针旋转角度
网格方位：以地图上纵坐标为基准方位。
各方位转换公式：磁方位+磁偏角=网格方位+子午线收敛角=真方位
定向人员必要理解这些基本概念，熟知她们之间关系。
3.2工作流程
定向人员拿到钻井工程设计书后，需仔细阅读设计规定，提取定向工作所需所有规定及内容。依照设计书提取设计方位角、设计位移、狗腿度、造斜点、稳斜段、靶点等内容，以及验收原则；做好井眼轨迹设计，把定向施工规定传达钻井队；组装仪器---校正仪器角差---测试仪器---选用适当弯度螺杆并标记弯度方向---保证螺杆跟定向短节丝扣打紧并测量钻具角差---监督钻具组合对的入井---按照设计进行定向工作---时时做好待钻井眼轨迹设计及预算。
3.3 定向过程
定向人员必要提前分析地层造斜规律，第一次定向实验螺杆造斜强度。依照测点推测钻头处井斜及方位。依照地层造斜规律及弯螺杆造斜能力来决定需定向米数。
在井斜过小状况下重力工具面角方位不稳，精度不高，因此在井斜不大于3°时使用磁工具面角来指引定向或纠斜，在井斜不不大于3°时使用重力工具面角指引定向。
重力工具面角
井斜方位
磁北方向
井斜方位

降
斜
降方位
增
斜
增方位
增斜降方位

增斜降方位 增斜增方位

降斜降方位 降斜增方位

降斜增方位

工具面

图3-1 井底圆指引图

4 定向实例
示范工程共施工52口井，33口定向井，15口直井，2口L型井，一口U型对接井。其中定向钻井由156队工程技术科参加施工3口，独立施工1口。
4.1角差错误所引起井斜超标
FS-40井、FS-45井均是生产直井，都浮现过由于角差错误使井斜超标。
FS-40井在一次纠斜完毕后，纠斜段尚未测届时由于设备因素起钻，起钻后重新测量钻具角差，发现钻具角差与上一次下钻前测量钻具角差相差了100°，判断井底井斜超标，没有达到纠斜效果，反而会增斜。通过重新校正钻具角差后下钻，复合钻进15米后测斜，测量数据验证了预判，井斜通过纠斜后没降反增。由于井斜超标不严重因此通过降斜保证待钻井眼井斜符合设计规定。
FS-45井通过几次纠斜，测出井斜不降反增，测深处井斜已达3°，钻头处井深预测井斜还要更大。及时起钻，并分析问题因素：1、定向人员工具面位置转错。2、仪器入井时坐键错误。3、钻具丝扣没有拧紧，钻具角差发生变化。4、仪器有故障。上钻后检查仪器发现螺杆与坐键无磁之间角差发生变化，螺杆扣损坏。找出纠斜失误是由于钻具角差变化引起。
4.2定向技术可防止个别事故
FS-40井在200多米处复合钻进进尺很慢，测得井斜增大，进行定向降斜，定向过程中预留了20°反扭角。在给钻头加上40KN钻压定向钻进后发当前钻头未接触井底与钻进两种状态下反扭角没有发生变化、并且不进尺，由于没有丰富经验技术，感觉状况不对，但未找到因素，就转为复合钻进，并把状况告知井队长，井队长现场指挥复合钻进，进尺0.1米，凭借经验及观测井队长听出机器有负荷，立马停止转动钻具，此时钻具迅速打反转，抢提无法提动，再次开动转盘，但钻具已无法回转，判断烧钻。凭借以往经验进行解决，最后事故解除。事后分析钻具不存在托压状况，定向钻进不进尺，并且没有反扭角，而复合钻进有进尺但进尺很慢，阐明定向钻头没有转动，螺杆钻具损坏。事故因素是由于螺杆旁通阀损坏，钻井循环介质没有通过马达及钻头，大某些通过旁通阀流出钻柱。由于缺少经验因此无法提前判断出问题。
4.3 侧钻
FS-44井由于前期水泥封固防塌，6月18日进行侧钻。
⑴确认井深达到65m，泥浆泵及设备工作正常，泥浆充分循环开。
⑵做承重实验，压6-7吨左右，静止1-2分钟，判断水泥与否凝固好。
⑶工具面摆好开始滑槽：55m-65m 滑30分钟，
60m-65m滑15分钟。
⑷65m开始侧钻工具面不变：第1米 2.5小时，
第2米 2小时，
第3米 1.5小时，
3米后依照捞砂样调节。
⑸侧钻过程规定司钻操作平稳，禁止上提及活动钻具。
⑹每隔半小时捞一次砂样，清洗干净，依次排放进行对比砂样中水泥比例。
4.4 托压，钻具组合。
在定向钻进中经常浮现托压状况，托压浮现因素：钻具组合不合理、狗腿度大、地层因素。钻具组合：直井为了防斜可以多加些钻铤，定向井可用加重钻杆代替钻铤或加入少量钻铤防止托压以致增斜效果差。当浮现托压不进尺时可恰当增长钻压，或者上提活动钻具。
4.5 直井定向纠斜必要性
FS-58井是一口参数井+生产实验井，取芯段从572m开始至771结束。

图4-1井身剖面投影图及水平投影图
5 总结
随着对钻井技术规定不断加强，为了达到设计规定，定向钻井技术不论在直井还是定向井中都是必备，为了提高钻井技术水平，提高本单位钻井队伍竞争力，需要在设备、工艺、办法和结识上不断改革，不断提高。随着定向钻井技术不断学习、提高，将会扩展和加深咱们对钻井技术结识。

参照文献
【1】 鱼永云.直井、定向井基本技术和关联.156队技术交流讲座,.
【2】 National Oilwell Varco. BlackStar电磁波无线随钻仪.D9A1000051-MAN-001
修订版D
【3】 《钻井手册（甲方）》编写组.钻井手册（甲方）（下册）.石油工业出版社，1990,11：1-7.