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1、定向井水平井井身轨迹控制技术#第三章定向井、水平井井身轨迹控制技术第一节 定向井、水平井井眼轨迹控制理论无论是定向井，还是水平井，控制井眼轨迹的最终目的都是要按设计要求中靶。但因水平井的井身剖面特点、目的层靶区的要求等与普通定向井和多目标井不同，在井眼轨迹控制方面具有许多与定向井、多目标井不同的新概念，需要建立一套新的概念和理论体系来作为水平井井眼轨迹控制的理论依据和指导思想。我们在长、中半径水平井的井眼轨迹控制模式的形成和验证过程中，针对不断出现的轨迹控制问题，建立了适应于水平井轨迹控制特点的几个新概念。一、水平井的中靶概念地质给出的水平井靶区通常是一个在目的层内以设计的水平井眼轨道为轴线的

2、柱状靶，其横截面多为矩形或圆。我们可以把这个柱状靶看成是由无数个相互平行的法面平面组成，因此，控制水平井井眼轨迹中靶，与普通定向井、多目标井是个截然不同的新概念，主要体现是:井眼轨迹中靶时进入的平面是一个法平面（也称目标窗口），但中靶的靶区不是一个平面，而是一个柱状体，因此，不仅要求实钻轨迹点在窗口平面的设计范围内，而且要求点的矢量方向符合设计，使实钻轨迹点在进入目标窗口平面后的每一个点都处于靶柱所限制的范围内。也就是说，控制水平井井眼轨迹中靶的要素是实钻轨迹在靶柱内的每一点的位置要到位（即入靶点的井斜角、方位角、垂深和位移在设计要求的范围内），也就是我们所讲的矢量中靶。二、水平井增斜井段井眼

3、轨迹控制的特点及影响因素对一口实钻水平井，从造斜点到目的层入靶点的设计垂深增量和水平位移增量是一定的，如果实钻轨迹点的位置和矢量方向偏离设计轨道，势必改变待钻井眼的垂深增量和位移增量的关系，也直接影响到待钻井眼轨迹的中靶精度。水平井钻井项目设计中所给定的钻具组合是在一定的理论计算和实践经验的基础上得出的，随着理性认识的深化和实践经验总结，设计的钻具组合钻出实际井眼轨迹与设计轨道曲线的符合程度会不断提高。但是，因为井下条件的复杂性和多变性，这个符合程度总是相对的。实钻井眼轨迹点的位置相对于设计轨道曲线总是会提前、或适中、或滞后，点的井斜角大小也可能是超前、适中、或滞后。实钻轨迹点的位置和点的井斜

4、角大小对待钻井眼轨迹中靶的影响规律是：实钻轨迹点的位置超前，相当于缩短了靶前位移。此时若井斜角偏大，会使稳斜钻至目的层所产生的位移接近甚至超过目标窗口平面的位置，必将延迟入靶，且往往在窗口处脱靶。轨迹点位置适中，若此时井斜角大小也适中，是实钻轨迹与设计轨道符合的理想状态。但若井斜角大小超前过多，往往需要加长稳斜段，可能造成延迟入靶，或在窗口处脱靶。轨迹点的位置滞后，相当于加长靶前位移。此时若井斜角偏低，就需要提高造斜率以改变待钻井眼垂深和位移增量之间的关系，往往要采用较高的造斜率而提前入靶。实践表明，控制轨迹点的位置接近或少量滞后于设计轨道，并保持合适的井斜角，有利于井眼轨迹的控制。点的井斜角

5、偏大可能导致脱靶或入靶前所需要的造斜率偏高。实际上，水平井造斜段井眼轨迹控制也是轨迹点的位置和矢量方向的综合控制，这对于没有设计稳斜调整段的井身剖面更是如此。在实际井眼轨迹控制过程中，我们根据造斜段井眼轨迹控制的新概念和实钻轨迹点的位置、点的井斜角大小对待钻井眼轨迹中靶的影响规律，将造斜井段井眼轨迹的控制程度限定在有利于入靶点矢量中靶的范围内。也就是说，在轨迹预测计算结果表明有余地、并有后备工具条件时，应当充分发挥动力钻具的一次造斜能力，以提高工作效率，减少起下钻次数。三、井身剖面的特点及广义调整井段的概念根据长、中半径水平井常用井身剖面曲线的特点，剖面类型大致可分为单圆弧增斜剖面、具有稳斜调

6、整段的剖面和多段增斜剖面（或分段造斜剖面）几种类型，不同的剖面类型在轨迹控制上有不同的特点，待钻井眼轨迹的预测和现场设计方法也有所不同。1、水平井常用井身剖面曲线的特点单圆弧增斜剖面单圆弧增斜剖面是最简单的剖面，它从造斜点开始，以不变的造斜率钻达目标,胜利油田的樊 13- 平 1 井采用了这种剖面。这种剖面要求靶区范围足够宽，以满足钻具造斜率偏差的要求，除非能够准确地控制钻具的造斜性能，否则需要花较大的工作量随时调整和控制造斜率，因而一般很少采用这种剖面。具有切线调整段的剖面具有切线调整段的剖面，它又可分为：（a）单曲率切线剖面：具有造斜率相等的两个造斜段，中间以稳斜段调整。（b）变曲率切线剖

7、面：由两个（或两个以上）造斜率不相等的造斜段组成，中间用一个（或一个以上）稳斜段来调整。如永35平 1 井、草 20平 1 井、草 20平 2 井等就属于这种剖面。这是最常用的剖面类型，因为多数造斜钻具的造斜特性不可能保持非常稳定，常常产生一定程度的偏差，这就需要在造斜井段之间增加一斜直井段来调节补偿这种偏差。单曲率切线剖面后一段的造斜率可以在钻第一造斜段的过程中比较精确地预测出来，然后及时计算修改稳斜段的长度，以补偿第一段造斜率与设计的偏差，使井眼轨迹准确地钻达目标点的垂深。多造斜率剖面多造斜率剖面（或分段造斜剖面），造斜曲线由两个以上不同造斜率的造斜段组成，是一种比较复杂的井身剖面。在水平

8、 4 井攻关和试验过程中，我们根据胜利油田地质地层特点，采用了三段增斜方法设计水平井井眼轨道，在实钻过程中可以充分发挥动力钻具和转盘钻具各自的优势，提高钻井速度。将常规设计的稳斜井段改为第二增斜段，通过调整该段的造斜率和段长，同样可以弥补钻具造斜能力的偏差，而且还可以实现用一套钻具组合完成第一造斜段的通井和第二造斜段的钻进，并减少了起下钻次数。转盘增斜钻具组合与稳斜的刚性钻具组合比较，其刚性小，摩阻力小，不易出新井眼，有利于井下安全。采用转盘钻具钻进可以使用较大的钻压以提高机械钻速，缩短钻井周期。 2、广义的调整井段概念据国外水平井资料介绍，在多数水平井设计中习惯采用具有稳斜调整段的剖面，用稳

9、斜段作为轨迹控制的调整井段。通过实践我们认识到，水平井的调整井段还有更为广泛的含义。首先，我们知道，目的层入靶点位置的准确性和目的层厚度是影响水平井中靶的重要因素之一。如何利用稳斜调整井段来提高中靶精度，对目的层是薄产层的水平井尤为重要。因为在井斜角较大时，增斜率的偏差主要影响水平位移，而对垂深的影响很小，可以在大井斜角度下提高垂深的精度。因此，在入靶前的大井斜角井段增加一稳斜调整段，既可调整垂深精度，又有助于及时辨别地质标准层，以便及时准确地确定目的层入靶点的相对位置。其次，因为目前的硬件条件不十分完善，在钻中半径水平井的两趟动力钻具组合井段之间选择一调整井段，采用柔性的转盘增斜钻具组合来钻

10、进，不仅可以钻出较小的造斜率井段以缓解第一和第三段造斜率，满足对井眼轨迹控制的需要，而且对改变井眼的清洁状况、防止出新眼都具有十分重要的作用。因此，调整井段的广义概念不仅是调整井眼轨迹，同时可以调整钻井过程中井眼的清洁净化状况；不仅调整井眼轨迹的中靶精度，还可根据地质要求及时调整目的层入靶点的相对位置；不仅可以是稳斜井段，还可以是适当造斜率的增斜井段。四、水平井待钻井眼轨迹的现场设计预测模式在水平井井眼轨迹的控制过程中，因为地质因素、钻具的造斜能力、钻井参数等发生变化，往往使实际的造斜率与设计或理论造斜率不同，或者因为地质设计目的层发生变化等，这都需要根据实钻情况在现场随时预测待钻井眼的钻进趋

11、势，及时调整和修改设计方案，采取相应措施。现场待钻井眼的设计和预测，在不同的条件和具有不同的中靶要求下具有不同的计算模式，但水平井待钻井眼轨迹设计和预测的目的都是要计算在一定前提条件下钻至入靶窗口时的垂深、投影位移、井斜角和井斜方位角是否合符要求（也即控制实钻轨迹点的位置和矢量方向在设计精度范围内中靶）。对设计的二维剖面水平井，控制井眼轨迹的中心任务是控制其造斜率K（也即控制剖面曲率半径 Rv），中半径水平井更是如此。在这类水平井中虽然控制方位变化率也是非常重要的，但通过我们的现场实践和分析比较后认为有下列几方面的原因，在待钻井眼轨迹现场设计预测时可以先不考虑方位变化率 K，待造斜率 K设计完

12、成后（由 K=5730/Rv 求得），再根据所需方位变化量求出待钻井眼的方位变化率K，或求出单位水平投影位移的方位变化量 Kv。造斜率 K远比方位漂移率 K高，K非常接近井眼曲率 K（即狗腿严重度），因而在作待钻井眼轨迹设计时可以先忽略K。一般在大井斜角情况下的井斜方位角变化很小，趋于稳定。在以动力钻具为主控制井眼轨迹时，随时可以修正调整方位角。入靶窗口和靶区往往对横距d 的要求范围较大，因而对方位角的允许误差范围也较大。因此，我们所建立的待钻井眼设计模式主要以设计 Rv 为主，对待钻井眼的三维设计和预测，我们也建立了相应的设计预测模式。1 按位置和矢量方向准确中靶的现场设计模式如图 3-1

13、所示的曲线 abcd 在 d 点按设计的目的层垂深 Hm、靶前位移 Am 和井斜角m 准确中靶，即中靶时满足的条件H=Hm，V=Am，=m，我们根据图示的几何关系可以导出下式:L（n H m V）（1 cos） .（3-1） Rv（H tg bV）（m tgbcosm）.（3-2）其中: HHmHbVAmVbmb msinmsinb ncosbcosm式中:L - 切线稳斜段段长 Rv - 第二增斜段的垂直曲率半径b - 设计的始点（b点）井斜角 Hb - 设计的始点（b点）垂深 Vb - 设计的始点（b点）投影位移m - 目的层（水平段）的稳斜角若求出L0 表示稳斜段长为 0，即不存在稳斜段

14、若求出L0 表示按 Hm、Am、m 三要素准确中靶的剖面不存在，应更换计算模式按中靶精度范围进行设计。若计算出的 Rv 不合理（即现场条件不可能实现），也应更换计算模式按设计精度范围进行设计。 a bm Rv b Hb Vb L c Hm d e Am图 3-1 按位置和矢量方向中靶设计模式示意图 2 在入靶窗口上下允许范围内按矢量方向中靶的设计模式如图 4-2 所示，靶区允许纵向误差范围Hm（Hm2h），也就是允许在垂深 H1 和 H2 之间入靶并使造斜终点的井斜角等于水平段井斜角m，即中靶时满足的条件是：HHmh 并在 VAaAb 之间使m。根据图示关系我们可以导出: Rvmin（H1Hb

15、）m .（3-3） Rvmax（H2Hb）m .（3-4）然后根据 Rvmin 和 Hvmax 求: V1 n Rvmin .（3-5） V2 n Rvmax .（3-6）式中: Rvmin 是按允许最小垂深求出的最小曲率半径 Rvmax 是按允许最大垂深求出的最大曲率半径 H1 是中靶允许的最小垂深 H2 是中靶允许的最大垂深 V1、V2是井斜角达到m 时的投影位移若求出 V2Am 这时井眼轨迹在入靶窗口平面的垂深 HHmh（h0），我们要校核是否满足hh，否则要调整 Rv 重新设计。（3-3）和（3-4）表明，只要待钻井眼所采用的 Rv 在 Rvmin 和Rvmax 之间，即可以满足在 H

16、1 和 H2 之间中靶的条件（即在Hm范围内中靶）。此模式的不足是在入靶窗口轨迹点的矢量方向往往都不合适。 a b m b Hb Rmin Rmax Vn Rv m H1 1 Hm 4 3 H2 2 Am H图 3-2 按靶区精度范围中靶设计模式示意图 3 在入靶窗口前后一定范围内按矢量方向中靶的现场设计模式如图 3-2 所示，我们可以在入靶窗口平面的前后位置点 3 或点4达到设计目的层垂深 Hm 和井斜角m，即满足条件为：在 HHm 时=m，此时入靶窗口平面内 H=Hm+h（h0），根据图示条件我们可以简单地求出： Rv（HmHb）m .（3-7）但此种方法只能求出唯一的 Rv 值，而且往往

17、与现场条件不相符，因此我们在待钻井眼中增设一稳斜段作调整，这在现场应用非常方便，这样我们可以导出：L（HmHbm Rv）cosb .（3-8）然后再求出: VVbL sinbn Rv .（3-9）式中的 Rv 可以用第一增斜段的平均造斜率求得，也可以根据待钻井眼准备使用钻具组合的造斜特性来假设。若计算出L0 表明剖面不存在，应调整 Rv 另行设计。若计算出L0 从（3-8）式中我们可以看出此时 Rv（HmHb）m，与（3-7）式完全相同，即没有稳斜段。若计算出 VAm 表明在入靶窗口之后达到 HHm、=m，我们称之为延迟入靶，这时在窗口平面的 HHmh（h0），需要校核是否满足hh，否则要重新

18、调整 Rv 值再设计。若 VAm 表明在入靶窗口平面按矢量方向准确中靶（即HHm、V=Am、=m），相当于（3-1）式和（3-2）式求出的情况。若 VAm 表明在目标窗口平面之前达到 HHm、m，我们称为提前入靶，这种情况在钻达平面时也可以达到 H=Hm、=m、V=Am，但所需的 Rv 往往小于设计的 Rs，甚至小于第一造斜段 Rvb。五、水平井钻具的受力分析水平井钻具的受力分析是一个比较复杂的力学问题，在水平井摩阻与扭矩分析和计算的基础上，我们可以定性的分析在一定井眼条件和一定钻井参数情况下，不同钻具组合对井眼轨迹控制的能力。钻柱与井壁产生的摩阻和扭矩, 用滑动摩擦理论计算如下:r式中:一摩

19、擦力一摩擦系数一钻柱和井壁间的正压力一钻柱的半径r一摩擦扭矩从上式可以看出，和 N 是未知数，通过大量现场数据的回归计算求出：0.21（钻柱与套管）0.280.3（钻柱与裸眼）同时我们对正压力也进行了分析和计算。1、正压力大小的计算 (1) 弯曲井眼内钻具重量和井眼曲率引起的正压力1现有的摩阻和扭矩计算模式是根据软绳假设建立起来的，即钻具的刚度相对于井眼曲率可忽略不计设一弯曲井眼上钻柱单位长度的重量为，两端的平均井斜角为，两端的平均方位角为 A。如果假定轴在垂直平面内,轴在侧向平面内,把1沿和轴分解,则:1y=sin +sin1x=sinsin (2) 钻柱弯曲产生的弯曲正压力2钻柱通过弯曲井

20、段时,因为钻柱的刚性和钻柱的弯曲,便产生了一种附加的正压力2。如图所示: 18000/pi (m)2 2/1 2sin (m)根据力学原理:m/18000*pi2(1/2)-1sin则有:2 2sin +2m/17191这里:井眼曲率 (/100米)井段长度 (米)1 的直线长度 (米)2 附加正压力 (KN)弹性模量 (KN/m)m 截面惯性矩 (m4)2、摩擦系数的确定在设计一口水平井时,我们可以利用邻井摩擦系数来预算摩阻和扭矩。在实钻过程也可以实求摩擦系数的大小,其方法如下: (1)用转盘钻至某一井深时,均匀反复上提下放活动钻具,记录上提悬重上和下放悬重下。 (2) 在同一井深，转动钻具

21、，记录此时的悬重Q转。 (3) 上提摩擦力上=上-转,下放摩擦力下=下-转。 (4) 计算出相应井深的上提正压力上和下放正压力下。 (5) 求上提.下放摩阻系数上和下:上上/上(上-转)/ 上下下/下(下-转)/ 下水平井摩阻和扭矩的计算:在确定了正压力的大小和摩擦系数的大小以后,就可对水平井的摩阻和扭矩进行计算。拉力增量 TWcosI N扭矩增量 TrNR起钻时: T2T1+WcosI + N下钻时: T2T1+WcosI - N钻具只转动时: T2T1+WcosI Tr2Tr1+ NR使用上面的计算模式，我们编制了摩阻扭矩的计算机程序。该程序主要有两种工作方式，即摩阻扭矩计算方式和确定摩阻

22、系数计算方式。在确知摩擦系数的前提下，可对摩阻扭矩进行钻前预测和实钻校正，在这一过程中，可对各种水平井不同井段工作情况的钻具组合进行受力分析，由此可进行钻柱设计。在实钻过程中，也可根据实测的摩阻值反推摩擦系数。力学分析模式建立起来后，我们对其正确性进行了验证。在现场施工过程中，我们将理论悬重等计算值与现场实测值进行比较，其结果比较接近，误差仅为 12 % 左右，说明这一模式能够较准确地反映出长、中半径水平井的钻具受力的情况。3、水平井钻具的力学分析使用该计算模式和计算机程序可对长、中半径水平井的各种钻具组合及各种工作状态进行力学分析。这一工作可以作为组合下井钻具的理论依据，也可以在实际井眼轨迹

23、控制过程中进行现场分析，具体讲来，可分为下面几种情况。 A、起下钻工作状态：可以对给定井深、给定钻具结构在起下钻过程进行力学分析，包括起下钻过程中钻柱在各处所受的轴向载荷、正压力、摩阻。这些分析可以用绘图或列表的形式表示出来。 B、转盘钻进工作状态：在转盘旋转钻进时，可以对给定井深、钻具结构、钻井参数条件下的钻柱进行力学分析，其中包括钻柱在各处所受的张力、正压力、扭矩。分析结果可以用绘图或列表的形式表示出来。 C、动力钻具钻进工作状态：在动力钻具滑动定向钻进时，可以对给定井深、钻具结构、钻井参数条件下的钻柱进行力学分析，其中包括钻柱在各处所受的张力、正压力、扭矩。分析结果可用绘图或列表的形式表

24、示出来。利用这些分析方法，对水平井的钻具组合进行钻前设计、钻进过程及钻后分析，总结出一套适应水平井井眼轨迹控制的钻具结构。它一般有六部分组成。其中第一部分为井底钻具组合，主要由钻头、稳定器、动力钻具及无磁钻铤等组成，其主要作用是控制井眼轨迹，使之满足轨道设计的要求。该部分钻具单位重量相对较大，且一般处于大斜度井段或水平段，对产生钻压所起的作用很小甚至不起作用，因此在满足井眼轨迹控制要求的前提下，应尽可能地缩短该部分的长度，这对于我们减小摩阻和扭矩来说是非常必要的。第二部分是钻压传递段，其作用是将钻压和旋转运动传递给井底钻具组合，对它的要求是在负荷传递过程中不受破坏，加钻压后不产生弯曲，且能使产

25、生的摩阻和扭矩最小。第三部分为增斜段下部，通常井斜角在6090度的井段，该部分钻柱主要承受剪切负荷、轴向负荷及因为井眼曲率而产生的弯曲负荷，因为该井段井斜大，钻柱的重量不仅不能产生多大的钻压，反而会产生较大的正压力，为减小摩阻和扭矩，在满足剪切负荷、轴向负荷及弯曲负荷的前提下，在该井段井使用较轻的钻具。第四部分为增斜段上部，井斜角一般小于 60 度，对该段要求主要是在加压时不发生失稳弯曲。第五部分是重量累积段，要求该井段钻具能产生第四部分以外的钻压。通常在增斜段上方下入钻铤或加重钻杆来产生要求的钻压。第六部分为直井段，该段钻具通常处于受拉状态，所承受的拉伸负荷及剪切负荷相对较大，要能够满足其强

26、度要求。概括地讲就是抗拉、抗剪、抗弯与钻具重量间的平衡。对于长半径水平井来说，在井斜角 ATN（1/）时，其钻柱设计与普通定向井一样，只在井斜角 ATN（1/）或水平段时，主要要简化井底钻具组合使之满足井眼轨迹控制的要求即可，这在减小摩阻扭矩的同时，还减小了粘附卡钻的可能性。通常我们在井斜角大于 60 度以后采用 G105 斜台肩钻杆，其强度高、重量轻，能满足传递负荷减小摩阻的要求。在此上面的钻具为钻压产生段，经理论分析得知，继续使用 G105 钻杆就能满足加压的要求，钻具不需要倒置（即不需要在上部井段下入钻铤或加重钻杆以推动井底钻具组合）。但在钻进过程中，有时使用倒置钻具，不是为了产生钻压，

27、而是在中和点附近使用强度较高的钻铤，使钻杆免遭交变载荷的作用，这对保护钻杆来说是有益的。具体作法是在中和点附近加约80 m的钻铤，上下两端用加重钻杆进行过渡，在整个钻进过程中确保中和点不落在钻杆上，这样倒置的另一个作用就是增加了钻柱的储备重量。对于中半径水平井来说，因为其造斜率高，增斜井段短，并且通常利用动力钻具进行滑动定向钻进状态，所受摩阻较大，通常采用该分析方法并且进行倒置是非常必要的，具体钻柱结构如前所述，各段具体长度随井身剖面不同而异，通过该分析是不难确定的。第二节定向井、水平井直井段井身轨迹控制技术 1、定向井、水平井直井段井身轨迹控制技术 1)定向井、水平井直井段井斜对定向井施工的

28、危害定向井、水平井直井段的井身轨迹控制原则是防斜打直。有人认为普通定向井(是指单口定向井)如果直井段钻不直影响不大，这种想法是不对的，因为当钻至造斜点KOP时，如果直井段不直，不仅造斜点KOP处有一定井斜角而影响定向造斜的顺利完成，还会因为上部井段的井斜造成的位移影响下一步的井身轨迹控制。假如KOP处的位移是负位移，为了达到设计要求，会造成在实际施工中需要比设计更大的造斜率和更大的最大井斜角度，如果是正位移情况恰好相反。如果KOP处的位移是向设计方向两侧偏离的，这是就将一口两维定向井变成了一口三维定向井了，同时也造成下一步井身轨迹控制的困难。因为水平井的井身轨迹控制精度要求高，所以水平井直井段

29、的井斜及所形成的位移相对与普通定向井来讲更加严重。如果丛式井的直井段发生井斜，不仅会造成普通定向井中所存在的危害，还会造成丛式井中两口定向井的直井段井眼相碰的施工事故，造成新老井眼同时报废。 2)定向井、水平井直井段井身轨迹控制及防碰绕障技术措施、丛式井设计是应根据本地区情况选择好井口地面距离根据一次开钻井眼大小及下步生产时所选用采油设备，井口地面距离一般不小于2米。、选择好钻具组合及钻进参数普通定向井直井段施工中，应采用本地区认为最不易发生井斜的钻具组合，胜利油田一般在12-1/4井眼采用塔式钻具组合，结构是：12-1/4钻头+9钻铤*3根+8钻铤*6根+6-1/4钻铤*9根+5钻杆。8-1/2井眼通常采用光钻铤结构或钟摆钻具组合，结构是：光钻铤组合：8-1/2钻头+6-1/4钻铤*9根+5钻杆；钟摆组合：8-1/2钻头+6-1/4钻铤*2根+215.9mm钻柱稳定器+6-1/4钻铤*9根+5钻杆。钻进参数：钻水泥塞是宜采用轻压吊打方式穿过，以防止出水泥塞就发生井斜；钻进参数：12-