第10章定向钻井.doc

第十章　定向钻井

定向井：地面井口位置与井底目标点的位置不在同一铅垂线上的井称为定向井。井眼轴线按照预定的斜度和方向弯曲钻达目的层位的井。
打定向井的目的：
1．地面限制
穿越地面障碍（河流、高山、建筑、沼泽）；
减小地面井场占用面积，节省投资（丛式井、多底井）；
2．地质条件
增加油层穿越面积，提高产量和采收率（水平井）；
适应井下地质条件（断层，多底井），节省钻井时间；
3．钻井技术
处理井下事故（侧钻、救援井）。

第一节　定向井的基本概念
一、定向井基本要素
1、井深（斜深）MD——井口至井身轨迹某点间的井眼实际长度；
2、井斜角α——井身轨迹某点切线与垂线的夹角；
3、方位角φ——井身轨迹某点在井底水平面投影的切线与正北方向的夹角；
4、垂深TVD——井口至井身轨迹某点间的垂直长度；
5、井斜变化率dα／dL——单位井深的井斜角变化；
6、方位变化率dφ／dL——单位井深的方位角变化；
7、水平位移S——井身轨迹某点与井口位置在井底水平面投影的距离；井底水平位移SE又称闭合距。
8、闭合方位角φs——闭合距与正北方向的夹角。

二、井眼曲率（全角变化率）
1．平面井眼曲率的计算

2．全角变化率（井眼曲率、“ 狗腿”严重度 ）
（1） 方法1：
（2） 方法2：

第二节　井身剖面设计
一、设计原则
1、尽量利用地层自然造斜规律（方位漂移），减少人工造斜工作量；
2、有利于钻井、采油和修井工作；
3、在满足钻井目的的前提下，使剖面尽量简单，斜井段最短；
4、避免在复杂层段（易塌、易膨胀、易漏失）造斜；
5、斜井段全角变化率要保持均匀，避免急弯。

二、剖面类型
1、普通定向井剖面类型
常规井身轨迹是由简单的直、增、降、稳井段的组合。增斜和降斜井段可以看成是圆弧井段。三段式是较常用的剖面类型，其特点是简单和易于实现。基本类型：

类型1：造斜点浅，施工简单，水平位移大；适用于井深较小，而水平位移相对要求较大的井，也可用于不下技术套管和单一油层的中深井。
类型2：“S”型，有造斜段和降斜段，垂直进入油层；常用在多油气层的定向井内，可使每一油层的井网布置较为规则。
类型3：直井段长，便于快速钻进；常用在渗透性低、地层倾角大、多油层深井。

2、特殊曲线井身轨迹
特殊曲线井身轨迹从钻柱在井下的受力考虑，要求钻柱在井下起下钻摩阻小、转动扭矩小，因而提出了悬链线、圆弧线、抛物线、幂律线井身轨迹。
3．水平井井身剖面
大曲率半径水平井、中曲率半径水平井、小曲率半径水平井、径向井

三设计步骤
1、收集原始资料：地表限制、地下条件要求、自然造斜规律
2、选择井身剖面类型：
3、选择造斜点位置
（1）地层应稳定，不应是破碎带、漏失、易塌地层；
（2）地层可钻性均匀，不应有硬夹层；
（3）满足采油工艺的要求；
（4）垂深大，水平位移小的井，造斜点应深；
（5）垂深小，水平位移大的井，造斜点应浅；
（6）定造斜点时应使斜井段避开方位漂移大的地层或利用方位漂移。
4、确定造斜率和降斜率大小
造斜率：井下动力钻具，取5°～16°/100m
转盘钻造斜，取4°～8°/100m
降斜率：用钟摆钻具或光钻铤降斜，取6°～2°/100m
最大井斜角：15°～45°
井眼曲率：控制在5°～12°/100m，最大不超过16°/100m
水平井：大曲率半径水平井，造斜率5°～16°/100m
中曲率半径水平井，造斜率6°～25°/10m
小曲率半径水平井，造斜率4°～10°/m
5、计算剖面上各井段的a、f、L、H
6、绘出设计的井眼轴线
7、核算井眼曲率
8、给出误差范围（控制圆柱Control cylinder）

第三节 实际井眼轴线的计算和绘制方法

表示定向井轨迹的两个剖面：垂直平面和水平投影。

一、意义
监测定向井钻井、及时调整工艺参数及工具、为下一步工作提供基础数据。

二、计算方法
1、正切法（方法简便、误差大）
假定两相邻测点间为一直线，该直线的井斜角α和方位角φ等于下测点的井斜角和方位角。如果计算井段，则有：
　　　垂直位移　　
水平位移
北位移
东位移
　　　井底垂深　　
　　　井底水平位移（闭合距） 　
　　　闭合方位角
2、平衡正切法（计算结果较准确，但较繁琐）
假设井眼轴线为两相邻测点切线组成的折线，并且折线的长度近视为，则可得段的计算公式：
　　　垂直位移 　
　　　水平位移
　　　北位移
东位移
　　　井底垂深　
　 井底水平位移（闭合距）
　　　闭合方位角
3、平均角法（计算方法简单、较准确）
　　此法认为两相邻测点间的井眼为一直线，该直线的井斜角α和方位角φ等于上下两测点相应角度的算术平均值，即：
　　　平均井斜角　
　　　平均方位角　
　　　垂直位移　　
水平位移
北位移
东位移
井底垂深　　
井底水平位移（闭合距）
　　　闭合方位角
4、曲率半径法（结果准确、计算复杂，适宜计算机）
此法认为两相邻测点间的井眼是一段圆弧曲线，整个井眼就是由许多段曲率半径不等的圆弧组成。
井斜曲率半径 α为弧度
方位曲率半径 φ为弧度
垂直位移
水平位移
北位移
东位移
井底垂深
井底水平位移（闭合距）　
闭合方位角

三、实际井身轴线的绘制方法
　　通常用一垂直平面和一水平投影面来表示井身轴线，具体步骤如下：
1．将测井获得的井身资料整理列表；
2．选定一种计算方法，将计算结果填入表中；
3．根据计算结果绘图。
例：绘制井眼轴线图所需数据表（平均角法）：
井段长ΔL，米

ΔLi

井斜角α，度

αi

方位角φ，度

φi

平均井斜角αv，度

αvi

平均方位角φv，度

φvi

垂深增量ΔH，米

ΔHi

累积垂深Ｈ，米

Hi

水平位移增量ΔS，米

ΔSi

累积水平位移Ｓ，米

Si

北座标增量ΔN，米

ΔNi

累积北座标Ｎ，米

Ni

东座标增量ΔE，米

ΔEi

累积东座标Ｅ，米

Ei

第四节　井斜控制
一、转盘钻井用造斜工具
1、槽式变向器：导斜角g，a≤a0＋g
2、水力冲、锚式钻头
3、利用钻具组合造斜

二、井底动力钻井用造斜工具
1、弯接头
2、可调变向接头
3、偏心短节
4、单弯、双弯螺杆

第五节　井眼方位控制
一、装置角的概念
概念：装置角ω就是造斜工具弯曲方向的平面与原井斜方向所在平面的夹角。
① 造斜工具弯曲方向的平面，是造斜工具的几何对称平面。
② 原井斜方向所在平面，是一个包含最后一个测点井斜向量的铅垂面。在垂直井眼内则规定为平行于南北方向的铅垂面。
③ 规定：当两个平面重合，且造斜工具起增斜作用时，装置角ω为０度；从该方向顺时针旋转为正。在垂直井眼内，造斜工具弯曲方向指向正北为０度，从该方向顺时针旋转为正。

二、井底装置角对井斜角和方位角的影响
槽式变向器是一种非连续造斜工具，当它被安放在井底后，钻头将沿着固定的井斜和方位钻进。

三、装置角的图解法
　　图解法简单、容易掌握、满足精度要求、便于记忆，多做练习、要求熟练掌握。
　　作图方法及原理：建立三角形与辅助圆的作图概念，用长度表示井斜角和导斜角γ，三角形的两条边分别是造斜前后的井斜角aA和aB，夹角表示方位角增量Δφ，对边是导斜角γ。
　　表示原井斜角aA的那条边与表示导斜角γ那条边的外角就是要求的装置角。
在aA、aB、Δφ和γ等四个参数中，当已知其中三个参数时，便可确定该三角形从而求得第四个参数和ω。

四、井底动力钻具反扭矩对造斜工具方位的影响
使用井底动力钻具，都会产生一个与钻头转动方向相反的扭矩（反扭矩MT）。在MT的作用下，钻柱会发生扭转变形，从而产生一个反扭角fn，fn是从原钻头下钻方向反时针旋转的。
　　fn能够计算出来，但影响因素很多，如：涡轮尺寸、地层特性、钻头类型、水力参数、钻进参数、泥浆性能、井深、井眼尺寸、钻具结构等。较常用的求fn的方法是利用已钻资料反推。消除fn的方法是在已知fn后给钻头一个反方向的提前角fn＇，然后锁定转盘钻进。

　　求fn的图解法类似于求装置角的图解法。

第六节 测斜和定向工艺

1、磁力测斜仪
2、陀螺测斜仪（gyroscopic instrument)
3、随钻测斜仪（measurement while drilling）

有线、无线、地下存储式
4、斜口管定向
无磁钻铤中镶装斜口键块，键块方向即为造斜工具弯曲方向
5、磁性定向
无磁钻铤中镶装定向磁铁块，磁性定向仪记录磁铁块所指方向即为造斜工具弯曲方向。

第十章作业：
1、为什么要大定向井？定向井、丛式井设计要考虑哪些因素？
2、定向井常用造斜和测斜方法有哪些？
3、已知aA＝8°、aB＝12°、γ＝3°，用作图法求：Δφ和ω。

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