定向井水平井培训.docx
《定向井水平井培训.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《定向井水平井培训.docx（68页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
定向井水平井培训
第一章定向井（水平井）钻井技术概述
第一节定向井、水平井基本概念
1、定向井、丛式井、水平井发展介绍
定向井是按照预先设计的井斜角、方位角和井眼轴线形状进行钻进的井。
定向井相对直井而言它具有一定的井斜角和方位角，而直井是井斜角为零的井，虽然实钻井眼都存在一定井斜度，但它仍然是直井。
定向井首先是从美国发展起来的，在十九世纪后期，美国的旋转钻井代替了顿钻钻井。
当时没有考虑控制井身轨迹的问题，认为钻出来的井必定是铅垂的，但通过后来的井筒测试发现，那些垂直井远非是垂直的。
并由于井斜原因造成了侵犯别人租界而造成被起诉的案例。
最早采用定向井钻井技术是在井下落物无法处理后的侧钻。
早在1895年美国就使用了特殊的工具和技术达到了这一目的。
有记录定向井实例是美国在二十世纪三十年代初在加利福尼亚油田钻成的。
第一口救援井是1934年在东德克萨斯康罗油田钻成的。
救援井是指定向井与失控井具有一定距离，在设计和实际钻井让救援井和失控井眼相交，然后自救援井内注入重泥浆压住失控井。
目前最深的定向井由BP勘探公司钻成，井深达10654米；
水平位移最大的定问井是BP勘探公司于己于1997年在英国北海的RychFarn油田钻成的M11井，水平位移高达10114米。
我国定向钻井技术的发展可以分为三个阶段，50—60年代开始起步，首先在玉门和四川油田钻成定向井及水平井：
玉门油田的C2—15井和四川磨三井，其中磨三井总井深168米，垂直井深350米，水平位移444．2米，最大井斜92°，水平段长160米；70年代扩大试验，推广定向井钻井技术；80年代通过进行集团化联合技术攻关，使得我国定向钻井软件到硬件都有了一个大的发展。
我国目前最深的水平井是胜利油田完成的DH1-H1井，完钻井深达到6452．00米。
水平位移最大的大位移井是海洋石油总公司南海东部公司完成的西江24-3-A14井，水平位移超过8000米。
最大的丛式井组是胜利油田完成的河50丛式井组，该丛式井组长384米，宽115米，共完成定向井42口。
2．定向钻井的分类
按定向钻井的用途分类可分为以下几种类型：
普通定向井
多目标定向井
丛式井
定向井救援定向井
水平井
空间三维多目标水平井
分枝井、多底井
国外定向钻井发展简况
内容年代
50年代
60年代
70年代
80年代
90年代
剖面设计及轨迹计算方法
误差很大的正切法进行轨迹计算
发展到三维设计和大组丛式井整体设计
计算机专家系统进行设计和指导施工
井斜控制理论
斜井段二维分析
三维数据分析，由静态发展到动态
发展了多种分析计算方法并编制了计算机程序
定向造斜工艺
涡轮加弯接头
斜向器配合转盘钻
涡轮、螺杆动力田具向低速大扭矩发展。
各种专用井下工具系列化
发展了复合式动力钻具，导向钻井系统，长寿命PDC钻
头等
测量方式
氢氟酸玻璃法和地面定向法
有线随钻测斜仪投入工业性使用，无线随钻测斜仪研制成功
多种无线随钻测斜系统投入工业使用和发展了电子测量系统和陀螺测量系统
定向井钻井水平
精度要求不高
中深定向井
可打准确度较高的定向救援井和大组丛式井
钻成大量水平井，从大半径水平井到小半径水平井、多底泄油井
我国定向钻井技术发展情况
内容年代
60年代
80年代
90年代
剖面设计及轨迹计算方法
设计采用查表法、图解法等精度不高的方法
发展了曲率半径法，最小曲率半径法精确的轨迹计算和设计方法，编制了预测和防碰扫描的计算机软件包。
引入了人工智能和专家系统
井斜控制理论
进行了钻具的二维静态分析主要使用有限元法
发展了多种新的分析计算方法，例如：
平衡梁法、加权余量法等，并编制了计算机分析程序
理论分析模型由静态发展到动态，由二维发展到三维
定向造斜工艺
使用地面定向法（钻杆打钢印）。
数据测量石油电测井数据。
使用精度高的磁性单多点测斜仪进行定向和轨迹数据测量，发展了有线随钻测斜仪定向。
发展了导向钻井系统，初步研制出径向水平井造斜工艺
测量方式
氢氟酸测斜仪，机械式罗盘的电测井方法。
多种引进的有线随钻测斜仪系统投入工业使用和发展了电子测量系统及陀螺测量系统
发展了无线随钻测斜系统引进了带地质参数的MWD系统
定向井钻井水平
简单的单口定向井、水平井位移小，精度低
钻成了大量高难度定向井、大组丛式井、多目标井、套管定向开窗井、水平井也从大半径水平井发展到了中半径水平井
在水平井方面取得大型突破，钻成了长、中、短半径水平井
第二节水平井钻井技术简介
所谓水平井，是指一种井斜角大于或等于86°，并保持这种角度钻完一定长度水平段的定向井。
1、水平井钻井技术发展概况
1863年，瑞士工程师首先提出钻水平井的建议；
1870年，俄国工程师在勃良斯克市钻成井斜角达60°的井；瑞典和美国研制出测量井眼空间位置的仪器，1888年俄国也设计出了测斜仪器；
1929年，美国加利福尼亚州钻成了几米长的水平分支井筒；
30年代，美国开始用挠性钻具组合在垂直井内钻曲率半径小的水平分支井眼；
1954年苏联钻成第一口水平井；
1964年一1965年我国钻成两口水平井，磨-3井、巴-24井；
自从80年代以来，随着先进的测量仪器、长寿命马达和新型PDC钻头等技术的发展，水平井钻井大规模高速度的发展起来。
我国水平井钻井在90年代以来也取得了很大发展，胜利油田已完成各种类型水平井近400口，水乎井钻井水平和速度不断提高。
中原油田中原油田在1991年施工了一口长半径水平井卫2—25井，当时钻井施工非常成功，各项技术指标属国内领先水平，但是由于后续技术手段不足，造成该井未获得预期的开采效果（到2001年，该井才获得较好的工业投产）。
经过10年的反复论证，2001年中原油田部署了云2-平1井、胡5-平1井、文92-平1井，钻井过程中由于油层与地质设计的偏差，出现了井眼轨迹上翘下扣的现象，对施工安全造成了很大隐患。
2004年，油田部署了第一口天然气水平井和第一批中短半径小井眼开窗侧钻水平井，水平井技术迈入国内先进水平行列。
具体见下表（近期完成的部分水平井技术服务）
序号
井号
类型
井深
（m）
垂深
（m）
最大井斜（°）
开窗或侧钻井深
位移
（m）
最大造斜率
（°/m）
水平段长（m）
完成年份
施工地点
1
TK318CH-1
短半径侧钻水平井
5705.08
5451.84
97.0
5396
273
1.4
213
2004
塔河油田
2
TK318CH-2
短半径侧钻水平井
5793.86
5444.98
95.2
5399.99
337.81
1.4
276.7
2004
塔河油田
3
丰收3-平1
81/2″井眼常规水平井
2448.28
2120.7
96.2
1690
669.1
0.38
333.48
2004
江苏油田
4
周9-5-3CH
51/2″套管开窗侧钻水平井
2685
2400
88.2
2320.59
300
0.40
150
2004
江汉油田
5
濮侧平130
95/8″套管开窗侧钻水平井
3068
2859.5
92
1760
285
0.45
70
2004
中原油田
6
濮侧平16
51/2″套管开窗侧钻水平井
2549.67
2393
87.3
2107
242
0.60
78.11
2004
中原油田
7
桥69-平1
81/2″常规天然气水平井
4248
3692.41
92.1
3280
721.42
0.42
461.73
2004
中原油田
8
濮1-侧平239
51/2″套管开窗侧钻水平井
2662
2430.68
93.7
2156
254.22
0.55
61
2004
中原油田
9
濮6-侧平65
51/2″套管开窗侧钻水平井
2856.67
2751.16
76
2503
196.68
0.46
80
2004
中原油田
附表1：
近期完成的部分水平井技术服务
序号
井号
类型
井深
（m）
垂深
（m）
最大井斜（°）
开窗或侧钻井深
位移
（m）
最大造斜率
（°/m）
水平段长（m）
施工日期
施工地点
10
濮2-平1
81/2″井眼常规水平井
2880
2371.55
92.7
2086.02
629.22
0.45
389.51
2004
中原油田
11
文92-平1
81/2″井眼常规水平井
3680
3177.7
94.9
2844
606.2
0.44
376.5
2003
中原油田
12
云2-平1
81/2″井眼常规水平井
3200
2234.12
94
1890.87
1099.66
0.41
757.61
2003
中原油田
13
胡5-平1
81/2″井眼常规水平井
2610
2096.59
93.1
1755.69
646.83
0.53
284
2003
中原油田
14
濮1-侧平231
51/2″套管开窗侧钻水平井
2600
2408
96.5
2042
265.9
0.60
109
2005
中原油田
15
濮1-侧平193
51/2″套管开窗侧钻水平井
2788
2401
91.3
2137
500
0.60
158.11
2005
中原油田
2、水平井的类型及各种类型水平井的特点
（1）水平井的类型：
根据水平井曲率半径的大小分为：
长曲率半径水平井（小曲率水平井）；
中曲率半径水平井（中曲率水平井）；
短曲率半径水平井（大曲率水平井）。
（2）不同曲率水平井的基本特征及优缺点
①不同曲率水平井的基本特征表
井型项目
长半径水平井
中半径水平井
短半径水平井
造斜率
＜6°／30米
6°-20°／30米
150°-300°／30米
曲率半径
304—914米
291—87米
12—6米
井眼尺寸
无限制
121／4″--43／4″
61／4″--43／4″
钻井方式
转盘钻或导向钻井系统
造斜段：
特种马达或导向钻井系统
水平段：
转盘钻或导向钻井系统
以使用特种工具的转盘钻进为主，目前也使用特种马达方式
钻杆
常规钻杆
＞15°／100米使用抗压钻杆
铰接驱动钻杆
测量工具
无限制
有线随钻测斜仪，MWD，但井眼＜61／8″时不能使用
转盘钻井时使用多点测斜仪
马达钻井时使用有线随钻测斜仪
地面设备
常规钻机
常规钻机
需要配备顶部驱动系统或动力水龙头
完井方式
无限制
无限制
裸眼或割缝管
表1水平井分类
造斜率分类
造斜率
半径
国际
长
2°－8°/25.4m
2865－716m
中
8°－30°/25.4m
716－191m
中短
30°－60°/25.4m
191－95m
短
60°－200°/25.4m
95－28m
国内
长
＜8°/30m
286.5m
中
8°－20°/30m
286.5－86m
中短
20°－70°/30m
85－24m
短
70°－300°/30m
24－5.77m
②不同曲率水平井的优缺点
优点
缺点
长
半
径
水
平
井
1.穿透油层段最长
2.使用标准的钻具及套管
3.“狗腿严重度”最小
4.使用常规钻井设备
5.可使用多种完井方法
6.可采用多种举升采油工艺
7.测井及取芯方便
8.井眼及工具尺寸不受限制
1.井眼轨道控制段最长
2.全井斜深增加最多
3.钻井费用增加
4.各种下部钻具组合较长
5.不适合薄油层和浅油层
6.转盘扭矩较大
7.套管用量最大
8.穿过油层长度与总水平位移比最小
中
半
径
水
平
井
1.进入油层时无效井段较短
2.使用的井下工具接近常规工具
3.使用动力钻具成导向钻井系统
4.离构造控制点较近
5.可使用常规的套购及完井方法
6.并下扭矩及阻力较小
7.较高及较稳定的造斜率
8.井眼轨迹控制井段较短
9.穿透油层段较长（1000米）
10.井眼尺寸不受限制
11.可以测井及取芯
12.从一口直井可以钻多口水平分枝井
13.可实现有选择的完井方案
1.要求使用MWD测量系统
2.要求使用加重钻杆或抗压缩钻杆
短
半
径
水
平
井
l.井眼曲线段最短
2.侧钻容易
3.能够准确击中油层目标
4.从一口直井可以钻多口水平分枝井
5.直井段与油层距离最小
6.可用于浅油层
7.全井斜深最小
8.不受地表条件的影响
1．非常规的井下工具
2．非常规的完井方法
3．穿透油层段短（120—180米）
4．井眼尺寸受到限制
5．起下钻次数多
6．要求使用顶部驱动系或动力水龙头
7．井眼方位控制受到限制
8．目前还不能进行电测
第三节定向井、水平井基本术语
1）井深：
指井口（转盘面）至测点的井眼实际长度，人们常称为斜深。
国外称为测量深度（MeasureDepth）。
2）测深：
测点的井深，是以测量装置（AngleUnit）的中点所在井深为准。
3）井斜角：
该测点处的井眼方向线与重力线之间的夹角（见图1．1）。
井斜角常以希腊字母α表示，单位为度。
4）井斜方位角：
是指以正北方位线为始边，顺时针旋转至井斜方位线所转过的角度（见图1．2）。
井斜方位角常以希腊字母Φ表示，单位为度。
实际应用过程中常常简称为方位角。
5）磁方位角：
磁力测斜仪测得的井斜方位角是以地球磁北方位线为准的，称磁方位角。
图1．1井斜角示意图图1．2井斜方位角示意图
6）磁偏角：
磁北方位线与真北方位线并不重合，两者之间有一个夹角，这个夹角称为磁偏角。
磁偏角又有东磁偏和西磁偏角之分，当磁北方位线在正北方位线以东时，称为东偏角；当磁北方位线在正北方位线以西时称为西偏磁偏角。
进行磁偏角校正时按以下公式计算：
真方位角＝磁方位角＋东偏磁偏角
真方位角＝磁方位角一西偏磁偏角
图1．3磁偏角示意图
7）井斜变化率：
是指井斜角随井深变化的快慢程度，常以Ka表示，精确的讲井斜变化率是井斜角度（α）对井深（L）的一阶导数。
dα
Kα＝
dL
井斜变化率的单位常以每100米度表示。
8）井深方位变化率：
实际应用中简称方位变化率，是指井斜方位角随井深变化的快慢程度，常用KΦ表示。
计算公式如下：
dΦ
KΦ＝
dL
井斜方位变化率的单位常以每100米度进行表示。
9）全角变化率（狗腿严重或井眼曲率）：
从井眼内的一个点到另一个点，井眼前进方向变化的角度（两点处井眼前进方向线之间的夹角），该角度既反映了井斜角度的变化又反映了方位角度的变化，通常称为全角变化值。
两点间的全角变化值γ相对与两点间井眼长度△L变化的快慢及为全角变化率。
用公式表达如下：
γ
K＝
△L
实际钻井中，井眼曲率的计算方法：
目前计算井眼曲率的方法很多，有公式法、查表法、图解法、查图法和尺算法五种。
后四种办法皆来源于公式法。
计算井眼曲率的公式有三套：
第一套公式：
对于一个测点：
K＝SQR（Kα2+KΦ2sin2α）
对于一个测段：
K＝SQR（（Δα/ΔL）2+（ΔΦ/ΔL）2sin2αC）
第一套公式的图解法（参见图1．4）：
图1．4第一套公式的图解法
（1）．作水平射线OA；
（2）．作∠BOA＝αC（两测点平均角）；
（3）．以一定长度代表单位角度，量OB＝△Φ（两测点方位角差）；（4）．自B点向OA作垂线，垂足为C点；
（5）．按步骤（3）中的比例，CA＝△α
（6）．连接A、B，并量AB长度，按步骤（3）比例换算成角度，此角度及狗腿角γ。
第二套公式：
（由于误差较大，现场使用略少）
第三套公式：
γ＝SQR（α1+α2－2α1α2COSΔΦ）
图1.5第三套公式的图解法
第三套公式图解法（参见图1.5）：
（1）．选取一定比例，经一定长度代表单位角度，作线段OA，使其长度代表αl；
（2）．作OB线段，使∠BOA＝△Φ；
（3）．按步骤①的比例，量OB＝α2；
（4）．连接A、B，并量取AB的长度，按步骤
（1）的比例换算成角度，即为γ。
10）垂深（垂直井深）：
即某测点的垂直深度，以H表示。
是指井身任意一点至转盘面所在平面的距离。
11）水平投影长度：
是指自井口至测点的井眼长度在水平面上的投影长度。
以S表示。
12）水平位移：
简称平移，是指测点到井口垂线的距离。
在国外又称为闭合距（ClosureDistance）。
13）平移方位角：
又称为闭合方位角（ClosureAzimuth），常用θ表示，是指以正北方位线为始边顺针方向转至平移方位线上所转过的角度。
14）视平移：
又称为投影位移，井身上的某点在垂直投影面上的水平位移。
在实际定向井钻井过程中，这个投影面选在设计方位线上。
所以视平移也可以定义为水平位移在设计线上的投影。
15）高边：
在斜井段用一个垂直于井眼轴线的平面于井眼（这时的井眼不能理解为一条线，而是一个具有一定直径的圆）相交，由于井眼是倾斜的，故井眼在该平面上有一个最高点，最高点与井眼圆心所形成的直线即为井眼的高边。
16）工具面：
工具面就是造斜工具弯曲方向的平面。
17）磁性工具面角：
造斜工具弯曲的平面与正北方位所在平面的夹角。
18）高边工具面角：
造斜工具弯曲方向的平面与井斜方位角所在平面的夹角。
19）装置角：
造斜工具弯曲方向的平面与原井斜方向所在平面的夹角，通常用ω表示。
20）反扭矩：
在用井底动力钻具钻进时，都存在一个与钻头转动方向相反的扭矩，该扭矩被称为反扭矩。
21）反扭角：
使用井底动力钻具钻进时，都存在一个与钻头转动方向相反的扭矩，由于该扭矩的作用，使得井底钻具外壳向逆时针方向转动一个角度，该角度被称为反扭角。
22）贮层顶部：
水平井段控制油层的顶部
23）贮层底部：
水平井段控制油层的底部
24）设计入口角度：
进入储层顶部的井斜角度
25）着陆点：
井眼轨迹中井斜角达到90°的点
26）入口窗口高度：
入靶点垂直方向上下误差之和
27）入口窗口宽度：
入靶点水平方向左右误差之和
28）出口窗口高度：
出靶点垂直方向上下误差之和
29）出口窗口宽度：
出靶点水平方向左右误差之和
30）着陆点允许水平偏差：
着陆点允许水平方向前后的误差
31）单弯动力钻具：
动力钻具壳体上具有一个弯曲角度的动力钻具，特点是造斜率较弯接头组合高，钻头偏移较小
第四节定向井、水平井基本施工步骤简介
1）定向井井位的确定
井位坐标要求：
基本数同一般直井。
丛式井坐标需一同下发，以便作出丛式井整体设计。
注明各中靶点的坐标及垂直深度，提供最新井位构造图。
2）地面井口位置的选择
工程、地质设计及测量人员根据井位坐标和地面实际条件确定井口位置和井架整托方向（丛式井）。
井口位置选择尽量利用地层自然造斜规律。
多目标井井口位置在第一靶点和最后一个靶点联线的延长线上。
井架立好后需要进行井口坐标的复测。
2003年钻井四公司施工文新99-1井时，项目组对该区块进行调研，摸清该区块的自然造斜（280°）情况，建议甲方对井口进行适当移动（原井口东移40米），利用地层自然造斜规律进行造斜，全井没用随钻测斜仪定向而顺利中靶；这样既加快了钻井速度，又保证了施工质量。
3）定向井设计
地质设计在坐标初测后提出初步设计，在坐标复测后提出正式设计。
地质设计除包括一般井内容外，在工程施工中要求必须说明靶点相对与井口的位移和方位，多目标井说明靶点之间的稳斜角度。
附最新井位构造图、油藏剖面图、设计轨迹水平投影图和垂直投影图。
工程设计必须符合地质设计要求。
井身轨迹设计数据表，特殊工艺技术措施。
井身结构及分段钻具组合和钻井参数等。
4）设备要求（钻机）
根据定向井垂直井深、水平位移、井身结构和井眼曲率选择设备类型。
推荐设备标准（使用于位移／垂深＜0.4的定向井）：
垂深＜2800米、水平位移＜600米，选用3200米钻机；
垂深＜5000米、水平位移＜200米，选用4500米钻机；
垂深＜4500米、水平位移＜2000米，选用6000米钻机；
垂深＜4500米、水平位移＞1500米，选用7000米钻机。
5）定向井靶区半径标准
不同井深靶区半径要求（总公司标准）：
靶区垂深（米）靶区半径（米）靶区垂深（米）靶区半径（米）
≤1000≤30≤3000≤80
≤1500≤40≤3500≤100
≤2000≤50≤4000≤120
≤2500≤65≤4500≤140
第二章定向井、丛式井、水平井设计与计算分析
第一节定向井、水平井二维轨道设计
一口定向井的实施，首先要有一个轨道设计，才能以此设计为依据进行具体的定向井钻井施工。
对于不同的勘探、开发目的和不同的设计限制条件，定向井的设计方法有多种多样。
而每种设计方法，都有一定的设计原则。
定向井设计是一个非常重要的环节。
“好的设计是成功的一半”。
因此，合理地设计好井身轨道，是定向井成功的保证。
一、设计原则：
一口定向井的总设计原则，应该是能保证实现钻井目的，满足采油工艺及修井作业的要求，有利于安全、优质、快速钻井。
在对各个设计参数的选择上，在自身合理的前提下，还要考虑相互的制约。
要综合地进行考虑。
（一）选择合适的井眼形状
复杂的井眼形状，势必带来施工难度的增加，因此井眼形状的选择，力求越简单越好。
从钻具受力的角度来看：
目前普遍认为，降斜井段会增加井眼的摩阻，引起更多的复杂情况。
如图所示（2-1-1），增斜井段的钻具轴向拉力的径向的分力，与重力在轴向的分力方向相反，有助子减小钻具与井壁的摩擦阻力。
而降斜井段的钻具轴向分力，与重力在轴向的分力方向相同，会增加钻具与井壁的摩擦阻力。
因此，应尽可能不采用降斜井段的轨道设计。
图2-1-1
（二）选择合适的井眼曲率
井眼曲率的选择，要考虑工具造斜能力的限制和钻具刚性的限制，结合地层的影响，留出充分的余地，保证设计轨道能够实现。
在能满足设计和施工要求的前提下，应尽可能选择比较低的造斜率。
这样，钻具、仪器和套管都容易通过。
当然，此处所说的选择低造斜率，没有与增斜井段的长度联系在一起进行考虑。
另外，造斜率过低，会增加造斜段的工作量。
因此，要综合考虑。
常用的造斜率范围是4°－10°／30米,中原油田造斜率要求不超过5°／30米。
（三）选择合适的造斜井段长度
造斜井段长度的选择，影响着整个工程的工期进度，也影响着动力钻具的有效使用。
若造斜井段过长，一方面由于动力钻具的机械钻速偏低，使施工周期加长，另一方面由于长井段使用动力钻具，必然造成钻井成本的上升。
所以，过长的造斜井段是不可取的。
若造斜井段过短，则可能要求很高的造斜率，。
了方面造斜工具的能力限制，不易实现，
升级会员 