水平井基本术语教材Word文件下载.docx

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即纵向为土a米,横向土b米的夹角内。

●圆柱靶：

即沿水平段设计井眼轴线的半径为R米的圆柱。

●矩形靶：

即纵向为士a米,横向为±

b的长方体。

●调整井段：

用于施工中调整井眼轨迹的井段。

1.2水平井的基本类型

水平井的分类通常按造斜率（或曲率半径）分为三种类型：

●长半径水平井：

造斜率K<

6°

/30m，曲率半径R>

300m。

●中半径水平井：

造斜率K=6°

-20°

/30m，曲率半径R=100-300m。

●短半径水平井：

造斜率K=5°

-l0°

/30m，曲率半径R=6-l2m。

1.3水平井常用剖面的基本类型

水平井常用的剖面主要有下列四种：

●双增稳剖面，即直井段一增斜段一稳斜段一增斜段一水平段。

●双增剖面，即直井段-增斜段-增斜段一水平段。

●三段制剖面，即直井段一增斜段一水平段。

●三增剖面，即直井段一增斜段一增斜段一增斜段一水平段。

2、水平井剖面设计

2.1水平井的剖面设计要求与类型

水平钻井技术与常规定向钻井技术最为为不同的两个特点是使用的造斜钻具及其特别的剖面设计。

造斜井段的剖面设计几乎与选择最好的定向钻井承包公司一样重要。

单位井身长度的成本最低时，水平井的长度为最佳长度。

水平井在机械方面的限制主要是钻井设备和钻柱的抗扭和抗拉力的能力。

为了研究员到可能达到的最大长度，必须使扭矩和上提拉力为最小，但是由于钻具在井眼内的弯同和重力决定着水平井的扭矩和上提拉力，因此最佳设计要求选择使用在钻井作业时不会弯曲的尽可能轻的钻具。

可行的最简单造斜曲线是从造斜点井斜接近零度时开始，以单一连续的弧钻进到90°

井斜的单一均匀曲线。

如果马达造斜钻具增斜特性的变化小于水平目标区的容许误差，那么这一设计便是最佳设计。

但是，大多数马达造斜钻具增斜特性的变化性和误差都大大地超过水平目标区的允许误码差。

为了补偿这些变化性和误差，就有必要在造斜井段设计冲加一段调节用的斜直井段。

2.2水平剖面设计类型

剖面设计基本上是简单的几何计算。

造斜曲率可以分为以下三咱基本剖面类型：

●单曲率—斜直剖面的设计

单曲率—斜直剖面是最老、应用最为广泛的造斜曲线，这类剖面的特点是，整个曲线由三段组成，造斜由上、下两个造斜率相同的造斜井段完成，中间为斜直的稳斜井段。

这一造斜曲线的设计基础是：

以工程计划中计划使用之造斜钻具的最小预计造斜率和最短斜直井段来选择造斜点和计划的造斜曲线末端的位置。

在设计中使用造斜钻具可能的最小造斜率是关键。

这样就要求造斜钻具先前已在类似地层使用过，如果是在邻近地区使用过则更理想。

●变曲率一斜直剖面

变曲率一斜直造斜曲线的设计是为了进一步控制目标的垂直深度。

变曲率一斜直造斜曲线的设计方法是用上部造斜井段确定的马达造斜钻具组合的实际造斜能力，但是并不根据这一造斜率，而是利用比实际造斜率要低的预计造斜率来选择下部造斜井段的造斜点。

这种设计最适用于以构造位置为目标的水平井。

尤其是终的构造位置是靠地层的顶层来确定，而这个顶层在是下部造斜曲率井段内，这类水平井采用这种方法设计是最有用。

●理想造斜曲率剖面设计

理想造斜曲率剖面就是没有斜直井段的弯曲率造斜剖面。

钻这种剖面的水平井，可以使用单斜式的造斜马达，除非由于钻头寿命的限制。

这种设计虽然费用最低，但它要求单斜式造斜马达的的性能变化范围要小于下部造斜曲率井段所固有的变化。

这种方法也许是将来采用的或者可以作为在该地区的第三口水平井所使用的设计。

3、水平井环空携砂效果分析

在水平井钻井过程中，因钻具靠近下井壁，形成了偏心环空，随着钻头破碎岩石的不断进行，岩屑逐渐积聚起来形成岩屑床。

岩屑床的形成就可能导致钻井中的高扭矩高摩阻以及粘卡，泥包钻头等一系列不利因素，这一些都与井眼的清洁状况有关。

因此，水平井环空携岩效果的好坏对水平井钻井起着关键的作用。

影响环空携岩的因素很多，如环空返速、钻井液类型、钻井液流变性、钻井液密度、环空尺寸、偏心度、钻具尺寸、钻速、转速、岩屑尺寸、井眼倾角等。

这些影响因素可分为可控因素与不可控因素，在机泵条件下给定的条件下，实际地面上可控因素只有钻井液的流变性和环空返速。

因此，在水平井钻井过程中对钻井液的流变性能和环空返速进行探讨，对于减少复杂情况的发生，有效地提高水平井钻井速度，降低钻井成本都有非常重要的意义。

水平井技术是国家“八五”期间重点科技攻关项目，从现场施工情况来看，在钻井过程中，因井眼不清洁而发生复杂情况也普遍存在，归纳起来主要有两条主要原因：

●实际环空返速小，满足不了携岩要求；

●钻井液流变参数携岩能力差。

从直井段到斜井段至水平井段，岩屑在环空中运移规律表现出明显的不同，基本上可用井斜角表示：

即0°

-30°

，30°

-60°

，60°

-90°

。

本文依次称为第一洗井区，第二洗井区，第三洗井区。

理论分析认为在三个冼井区中，第一洗井区用层流携岩最佳。

第三洗井区用紊流携岩最佳，第二洗井区层紊流和均可。

但对于现场实际情况，由于大斜度井段和水平井段钻进时使用动力钻具，而动力钻具又受到大排量的限制，所以环空很难达到紊流流态。

大量文献资料表明：

环空返速是影响环空携岩的主要因素。

因此，对一口水平井来讲关键是合理设计返速，也就是说要合理地根据地质，钻具结构，钻井流变性等一些特定条件控制好排量，更好地解决携岩问题。

对于第二洗井区，岩屑会下滑至井底，这一现象国外称为“Boycott”效应，此效应的后果是十分严重的，轻则会起下钻遇阻，钻进扭矩大，重则会发生卡死，扭断钻具等重大事故。

国外学者一致的观点使用大排量洗井，诚然大排量洗井是清洗该洗井区的有效方法，但不是最佳的方法，因为大排量有可能会造成冲垮井壁，形成大肚子，给以后钻进形成更大的隐患，再者，地面设备或者钻具条件限制也可能实现不了这一措施，因此这就需要根据具体条件来实行最好的水力方案。

从现场来看，水平井水力参数的设计缺乏充实的理论依据，基本还是套用直井水力参数的设计方法。

4、水平井井眼轨迹控制工艺模式与技术

水平井钻井的技术关键是确立一个既能经济、安全钻成水平井，又能高精度控制井眼轨迹的水平井钻井模式，形成适应不同钻井方式的水平井钻井工艺技术。

不同类型的水平井，其井身结构和设计轨道不同，所选择的钻井方式不同。

而水平井钻井方式的确立又要受到钻井设备、钻井工具、钻井工艺技术水平，测量仪器装备等诸多因素的制约。

目前国际上最先进的水平井轨迹控制方法和钻井方式是采用导向钻井技术，用一套钻具组合一趟钻钻完整个增斜井段，这也是各个油田水平井井眼轨迹控制技术需要努力的方向，但是，这一技术的实施必须具备组成导向钻井系统的先进而且昂贵的钻井工具、仪器装备以及与之配套的钻井工艺技术。

充分利用现有的技术和装备，在实践中不断探索、完善和提高装备条件和技术水平，使水平井的轨迹控制技术向高层次发展。

水平井钻井基本上为两种方式：

一是与常规定向井比较接近的以转盘钻为主的水平井井眼轨迹控制方式和钻井模式；

二是与导向钻井系统比较接近的以动力钻具为主的水平井井眼轨迹控制方式和钻井模式。

4.1.以转盘钻为主的水平井井眼轨迹控制模式

采用与常规定向井比较接近的以转盘钻为主的水平井钻井模式，在长半径水平井中通过调整钻具组合和钻井参数，可以有效地实现对强增斜、微增斜、水平段稳平钻进的井眼轨迹进行控制，但在大斜度井段和水平段必须利用水平井的摩阻计算程序进行钻具组合的倒装设计；

通过使用高聚物水包油泥浆体系和正电胶泥浆体系，配合强化的四级泥浆净化系统，采用大排量循环、交叉接力式短起下钻等技术措施，可以满足水平井安全钻井的需要。

对中半径水平井，在增斜率大手6°

/30m之后，尤其在由444.5mm大尺寸井眼中，用柔性的转盘钻钻具组合来实现比较稳定的增斜率是比较困难的，而且不利于井下安全。

因此，这种模式在中半径水平井中的应用是有条件的，一般适用于中半径水平井的造斜率低限，并采用动力钻具组合进行造斜能力和井段的调整。

采用两层技术套管的井身结构，虽然有利于井下安全,但是不经济。

实践表明，我们认识到采用这种井眼轨迹控制模式，应当简化井身结构，整个增斜井段采用单一的31lmm井眼尺寸。

在此基础上，将这种模式定型为：

①充分利用成功的高压喷射和防斜打直技术，严格的将造斜点前的直井段井眼轨迹控制在允许范围之内，快速优质地钻完该井段。

②定向造斜段的施工用常规动力钻具、弯接头或单弯动力钻具的方式进行。

应选择合适的弯接头或弯壳体度数，使实际造斜率尽可能地接近设计造斜率。

井斜角应达到10一l5°

换转盘钻进，以利于待钻井段增斜和方位的稳定。

③根据设计增斜率选择合适的转盘增斜钻具组合增斜钻进，并根据实际增斜率及时调整钻井参数或更换钻具组合，必要时用动力钻具进行井斜角和方位角的修正，使之满足轨迹点的位置和矢量方向的综合控制。

④在转盘钻钻具组合的钻进过程中，要经常短起下钻和交叉接力循环，以铲除岩屑床和修理井壁，长半径水平井更应如此。

⑤长半径水平井的水平段相对较短，可以转盘钻具组合为主要钻进方式，但必须利用水平井的摩阻计算程序进行钻具组合的倒装设计，并采用大排量来提高携岩能力。

备用一套DTU导向钻具或者1°

左右的单弯动力钻具，以弥补转盘钻钻具组合的意外失控。

用这种方式钻中半径水平井的水平段，由于摩阻和扭矩都比长半径水平井小,可以更为安全地钻出更长的水平段。

4.2以转盘钻为主钻增斜井段的井眼轨迹控制工艺技术

以转盘钻为主进行增斜井段的井眼轨迹控制，其方法与普通定向井相似。

对于长半径水平井而言，其造斜率是可以用常规定向井的工具和工艺来实现的，但井斜较大于70°

井段的井眼轨迹控制是普通定向井尚未涉及的新领域。

对于中半径水平井而言，研究以转盘钻具组合实现高造斜率的技术手段和途径是钻增斜井段的技术关键。

因此，以转盘钻为主钻增斜井段的井眼轨迹控制的主要技术难点是在大井斜或高造斜率条件下，如何通过调整钻具组合与钻井参数，在保证井下安全的情况下实现井眼轨迹的有效控制。

4.3以转盘钻为主钻水平井段的井眼轨迹控制工艺技术

水平井采用采用何种钻井方式来进行有效的井眼轨迹控制，并能达到经济安全的目的，这对不同长度和不同靶区类型及精度要求的水平井段有不同的选择,也是水平井井眼轨迹控制的技术关键之。

4.4以动力钻具为主的水平井井眼轨迹控制模式

实践证明，中半径水平井在钻进过程中的摩阻、扭矩远比长半径水平井小，更有利于安全钻井和钻成更长的水平井段。

而且通过提高造斜率、缩短靶前位移、缩短斜井段长度，有利于进一步缩短水平井的钻井周期，降低钻井成本，提高经济效益。

使用各种弯壳体的动力钻具组合可以实现高造斜率的稳定控制。

以动力钻具组合钻进为主，以转盘钻具组合进行通井、调整造斜率为铺，既可以克服动力钻具循环排量小的不足，通过通井和大排量循环铲除岩屑床，调整动力钻具造斜率的偏差和调整井眼垂深，又可以加大钻压钻掉可钻性差的地层，是水平井安全钻井的有效措施。

这一钻井模式的主要内容是：

①直井段与转盘钻模式相同，充分利用成功的高压喷射和防斜打直技术，严格将造斜点前的直井段井眼轨迹控制在允许范围之内，快速优质地钻完该井段。

②对入靶前地层较稳定的水平井，造斜段的施工以弯壳体动力钻具为主要钻进方式，以转盘钻具组合通井铲除岩屑床和修整井眼，并完成稳斜段或造斜率较低的调整段，以二至三套钻具组合在至而至三趟钻内钻完0-90°

造斜段。

③对入靶前地层稳定性较差的水平井，造斜段的施工以单弯动力钻具与转盘钻具组合相结合的钻进方式，用动力钻具在易造斜井段按设计先打出高造斜率，再用转盘钻具组合钻掉可钻性差的井段（即后打出低造斜率）。

对设计造斜率较低的疏松地层,在采用动力钻具或转盘钻具组合时，都应当使用比正常井段造斜率高一级的钻具组合来完成。

④对地质设计靶区垂深误差要求在5一10m、而平面误差大于5m的水平探井和水平开发井，以转盘钻钻具组合为主要钻进方式，可采用大排量来提高携岩能力，以两套转盘钻钻具组合用二至三趟钻钻完500m左右的水平井段。

应备用一套DTU导向钻具或1°

⑤对地质设计靶区垂深误差要求在5m之内、而平面误差也小于5m的水平穿巷道井，采用DTU导向钻具或1°

左右的单弯动力钻具与转盘钻钻具组合相结合的方式钻水平段。

4.5以动力钻具为主钻增斜井段的井眼轨迹控制工艺技术

采用动力钻具为主钻增斜井段能获得高造斜率，并采用有线随钻测斜仪或MWD无线随钻测斜仪严格监控井眼轨迹，通过调整和控制动力钻具的工具面，可以获得较稳定的井眼全角变化率，几乎不存在出现方位漂移的问题。

因此,造斜井段井眼轨迹控制工艺技术研究的重点是在不同的井眼条件下，如何选择不同角度的单弯动力钻具来获得需要的造斜率，并研究与之相关因素的影响规律。

井眼轨迹控制的对象是控制稳定的井眼全角变化率，使之得到与设计轨道相符合的连续的轨迹点位置和矢量方向。

从提高水平井钻井速度和效益的角度来讲，针对水平井的井眼轨道设计，合理选择动力钻具的角度及与之配合的钻头、测量工具及合理的钻进参数和技术措施，使每套钻具组合达到设计的目，是水平井井眼轨迹控制工艺技术所攻关和研究的方向之一。

5、轨道控制方案设计

从海上平台上所钻的世界第一口水平井，预计目的层上下边界地层深度为2552米及2562米。

但在实钻中，这两个层面分别在2541.5米及2552.5米深度下提前钻到。

还有，国内南海东部油田的流花11-1-6井，华北油田任平1井在进潜山时的层位深度变化，胜利油田的几口水平井亦遇到类似情况。

综观上述事实及实际钻井实践过程，深度的误差是难免的，它是影响轨道施工方案设计的重要因素之一，油中深度的不确定性将直接影响着轨道控制方案的选择问题。

目前常用的减少油中深度的不确定性的方法是通过标准层的对比来实现的。

另从施工本身而言，还存在着工具本身的实际造斜率与设计造斜率之间的偏差，这种偏差也是难免的，每种工具在不同地层，不同的钻井条件下，其造斜率总会表现出一定的差异，显然，偏差范围越小，控制精度越高，对轨道的控制越有利。

这种偏差也是影响轨道控制方案设计的重要因素之一。

考虑施工中影响轨道控制方案的因素，设计出适当的轨道控制方案，以适应这些因素在实钻中对轨道控制的影响，争取主动，是水平井尤其是薄油层水平井井眼轨道控制工艺的重要内容之一。

本文总结出三种目前普遍采用的控制方案的设计方法。

大庆树平1井的轨道控制实践充分说明了该方法在薄油层中半径水平井着陆控制方案设计上具有普遍意义。

5.1单元弧法

该法是一单元弧造斜段从着陆控制过程的起始点直接钻至靶区着陆点的方法。

适用于油层厚度大，靶窗高度大，且油中的深度相对确定的情况。

这样，仅需考虑工具的造斜的误差，以选择合适的造斜率和井斜角。

为保证工具的造斜率存在误差的情况下亦能顺利中靶着陆，则必须要求以所选工具造斜率的上限造斜时不高出靶窗上方，而以其造斜率的下限造斜时不低于靶窗下方。

如图6所示。

设C点为着陆控制段始点，即当前井底位置，L为着陆点，T为设计靶点，IL为着陆点井斜，C点与T点的垂直深度差为△H，水平位移差为△S，设计的靶窗高度2h。

单元弧法就是从C点设计一圆弧段，与靶中心线相切，设切点为L。

这样便能保证单圆弧着陆。

但由于C点的位置及井斜IC与T点位置及井斜IL等条件的限制，实际着陆点L与T点不一定重合，这样就必会出现一段距离，即着陆平差。

平差的大小在某种程度上也反映了轨道控制的准确程度。

上图中设圆弧段造斜率为B°

/30m。

靶区上限及下限着陆的造斜

率分别为Bmax°

/30m和Bmin°

则有：

（b）

（c）

（d）

（e）

当设计靶区水平段井斜IL=90°

时，H=△H，此时式（c）、（d）、（e）变为：

（f）

（g）

（h）

通过上述计算可知，应选择造斜率为B°

/30m的工具从C点开始造斜着陆进靶，且该工具的最大造斜率不应超出Bmax°

/30m，也不应低于Bmin°

/30m，设实钻中工具的造斜率B。

则最终着陆点与设计着陆靶点T的平差

为：

（i）

当

〈0，表示实际着陆点的水平位移小于设计着陆点的位移，即提前着陆，当

〉0时表示实际着陆点的水平位移大于设计着陆点的水平位移，即延迟着陆。

单元弧法设计中的另一种情况是已知着陆段所用的工具的造斜率为B°

/30m，其上下限造斜率分别为Bmax°

/30m及Bmin°

/30m，选择合适的着陆段初始井斜角IC的问题，如上图所示，为使该工具能顺利陆着进靶，则必须满足：

故着陆始点理想的井斜角应不小于：

（j）

否则用该工具造斜将可能出靶。

5.2应变法

该法指在着陆控制中，为适应实钻过程中可能出现的各种误差而在两段增斜段中设置一稳斜调整段的方法。

设置调整段的目的，一方面是为了适应在实验中油中浓度发生变化时，随着调整方案而不致于使轨道控处于被动地位，另一方面可通过调整段补偿前段造斜时工具造斜率的误差所造成的轨道偏差，以使在最终着陆时进靶能够更加准确、顺利。

这是一种“以不变应万变”的设计方法，见图7。

应变段井斜

的设计满足当以

稳斜时，在钻遇并探测到真正的油顶之后，有足够余地留待在轨道着陆控制段控制时，先以造斜率B1°

/30m从当前井底位置C点开始增斜到E点，即从井斜

增至

，进入应变段，之后一直稳斜，配合地质及油层随钻参数显示，直至探到油顶位置，确定出确切油中深度之后，最后以设计的造斜率B2°

/30m增斜着陆进靶窗。

该设计方法中，有三个参数需要确定：

①应变段的井斜

；

②应变段的长度

③第一增斜段增斜率B1°

应变井斜

的计算

的设计应满足当以

稳斜时在钻遇并探测到真正的油顶之后，有足够的余地留待造斜率为B2°

/30m的工具着陆进靶而不致于错过靶窗，设油层靶中深度离油顶以下距离d米，

为钻具组合中地质参数仪器（如随钻γ参数探测仪）离钻头的最大距离，如图8所示，则

应满足：

解上方程可得：

上式求出的

角还应根据B2造斜率在实际应用时变化值的上、下限以及靶窗高度依式（j）进行校核，取二者中的大者做为应变段井斜角

二、应变段长度及造斜率B1的确定。

如图所示，由于

已求出，F点的相对位置便可确定。

式中：

△HF－F点相对于C点的垂差。

－F点相对于C点的水平距离。

为计算方便，在图中过F点作靶中心线的平行线KF交过C点的垂线于K点，CK的距离为H。

从而可得稳斜段长Ly与B1的关系：

解上式得：

（k）

此时平增大小为：

（l）

从式（k）及（l）可知，

减少时，

也随之减少，此时造斜段和水平段的位移减少，当

减为0时，即为单圆弧，此时水平位移最短。

如图9所示：

（应变段末端必须落在KF线上）。

显然，

越长，

越大，水平位移越远，可能造成的平差越大，为此，在设计时应选择合适的

，不但要吸收误差，而且具有足够的长度使轨道穿过油顶，帮应根据油顶实际可能存在的大小△E来设计稳斜段长

，不但要吸收误差，而且具有足够的长度使轨道穿过油顶，故应根据油顶实际可能存在的误差大小△E来设计稳斜段长

，从而最终确定

由图知稳斜段长度

至少应为：

（m）

可将式（m）代入式（k）求得第一造斜段造斜率B1°

从上面的设计可以看出，当用（m）式求得的

及式（k）求得的

进行计算水平位移时，如果此时的水平位移比原设计的水平位移小时，可以适当增加

的长度，增加第一段造斜率，缩短平差，从而达到调整的目的。

5.3导眼法

所谓导眼法即在水平井着陆控制之前，先以一定的井斜直接稳斜钻入油层，探得油顶及油中深度之后，回填到一定深度后以单元弧方式直接进行着陆。

采用这种方法，主要地对油层的确切深度把握不准，且在油层上部无合适的标准层可做参考，这样为确保水平井钻井目的，该法不失为行之有效的最直接的方法。

当决定要用导眼法且工程上可行时，在轨道控制方面，需要解决的问题是：

●导眼段的井斜

●回填的井段长度

由于该法与单圆弧法基本类似，在确定了造斜工具的造斜率B及其上、下限变化范围

之后,根据所设计的靶区高度，可按式（j）直接求得，如图所示。

式中，

：

水平段设计井斜；

h:

靶窗单边高度（靶窗总高为2h）。

如图10所示，设C点为回填到的井底那一点，作靶中心线的延长线交过C点的垂线于K点。

即在导眼段钻遇油中后，回填米

，便能保证在回填后，以单圆弧造斜，顺利着陆进靶。

6、水平井复杂情况及事故预防处理

6.1由垂直井眼变成倾斜（水平）井眼带来的特性

6.1.l、钻具贴井壁，受力状况发生变化

从造斜段开始，钻具受力状况相对直井发生了根本的变化。

①造斜段：

由于斜井段钻具的斜向拉力造成此处钻具被“拉向”上井壁。

造斜点较高的井可明显在井口出现钻具向定向方向的“偏移”。

随着井深增加，造斜点以下钻具重量随着造斜率的增大，在造斜段出现的侧向力F则随之增大、起下的摩阻增大，随着时间的延长，起下钻和转动在此处形成键槽。

②斜井段：

由于钻具自重，钻具“躺在”下井壁，对井壁侧压力的增大，带来磨阻（起下）和扭矩的增大〈旋转〉。

③钻头的受力变化出现侧向分力，当使用增斜钻具结构时，由于近钻头扶正器的“支点”作用而产生向高边的侧向力；

使用降斜组合时，由于“钟摆力”作用而向低边产生侧向力，由于下部钻具结构和钻头重力作用，始终产生降斜趋势，需用刚性组合来保持井斜的稳定或大于此趋势产生增斜力。

6.1.2偏心环空和岩屑床

国外专家和“七五”攻关项目中刘希圣教授等专家研究表明，由于斜井钻具偏向下井壁而形成了“偏心环空”，岩屑的沉降，运移与直井相比发生了根本的变化，岩屑出现向井壁径向沉降的趋势，由于偏心环空流速的不均匀，在下井壁形成岩屑床，在一定条件下还会发生岩屑床的滑移、堆积，给大斜度、水平井施工带来威胁，如何正确认识此特点拼采取相应的措施是定向井，尤其是大斜度井、水平井成功与否的关键。

研究的主要结论有：

①偏心环空场中，大环隙处流速大，小环隙处流速小，促使岩屑床的产生。

②岩屑床厚度随流速的减少和井眼斜