水平井钻井技术介绍

水平井钻井技术介绍水平井钻井技术第一章 绪 论水平井钻井技术是20世纪80年代国际石油界迅速发展并日臻 完善的一项综合性配套技术，它包括水平井油藏工程和优化设计技术，水平井井眼轨道控制 技术，水平井钻井液与油层保护技术，水平井测井技术和水平井完井技术等一系列重要技术 环节，综合了多种学科的一些先进技术成果。由于水平钻井主要是以提高油气产量或提高油 气采收率为根本目标，已经投产的水平井绝大多数带来了十分巨大的经济效益，因此水平井 技术被誉为石油工业发展过程中的一项重大突破。第一节水平井的分类及特点水平井是最大 井斜角保持在90左右，并在目的层中维持一定长度的水平井段的特殊井。水平钻井技术是 常规定向井钻井技术的延伸和发展。目前，水平井已形成3种基本类型，如图11所示。 （1） 长半径水平井（又称小曲率水平井）：其造斜井段的设计造斜率KV6/30m，相应的曲率半 径R286.5m。（2）中半径水平井（又称中曲率水平井）;其造斜井段的设计造斜率K=（620） /30，相应的曲率半径R=286.586m。水平井剖平面示意图（3）短半径水平井（又称大曲率 水平井）：其造斜井段的设计造斜率K=（310） /m,相应的曲率半径R=19.15.73m。 上述3种基本类型水平井的丁艺特点和各自的主要优缺点分别列于表11和表12。大斜度 井、水平井和多井底井技术的应用都有一个共同的目的这就是降低综合成本和提高油层的 开采量。对于同一尺寸的井眼，直井由于出油（气）面积比较小、其几何条件所提供的效率就 比较低而水平井几何条件所提供的效率达到最高，如图12和图13 所示。大斜度井（井 斜角大于60的井）主要适用于层状油藏。多井底井（在一个井眼内钻几口井）主要用于很厚的 垂直渗透油层（具有低孔隙率和垂直裂缝的块状石灰岩）或者短半径横向引流类的井。 1天 然垂直裂缝在垂直裂缝油藏中，油气完全处在裂缝中，裂缝之间的非生产底层一般为660m 厚，所以垂直井可能只钻到一个产层也可能一个产层也钻不到，而水平井可以与产层垂直 相交，横向钻穿若干个产层裂缝这样就比垂直井的开采量要高得多。 2水锥和气锥 1） 水锥水平井可以在油层的中上部造斜，然后在生产层中钻一定长度的水平井段。水平井不仅 减少水锥的可能性如图14 所示。 2）气锥水平井的井眼全部在油砂中有助于避免气锥问 题。并可以控制采收率，不致于使气锥的压力梯度过高。水平井成功地减少了水锥、气锥等 有害影响。 3低渗透性地层由于固井的影响，石灰岩油藏的孔隙度和渗透率即使在短距离 内也可能有相当大的变化。与此相似砂岩油藏中内部岩层构造倾角的变化也能造成孔隙度 和渗透率的变化，这些油藏水平相交可以提高产量。 4薄油层对于薄油层通过在油层的 上下边界之间钻个水平井段可以大大地增加井与油层的接触表面积。对于厚的油层则可以优 先选择成本较低的直井完井方法，或者考虑应用多底井的可能性（见图15）。 5不规则地 层平钻井已经成功地应用产开发不规则油藏。这种含油地层互不关联，孤立存在，地震测量 也难以指定其准确位置所以钻直井或常规定向井很难钻到这类油藏。然而短半径水平井可 以从现有直井中接近油藏的位置进行造斜并且可以避免可能的水锥和气锥问题。 6溶解 采矿很多矿藏当今采用溶解采矿法进行开采，水平井可以提高这些矿藏开采的经济效益。7边际构造、丛式井和加密井水平井可能适用于边际构造，为了在短期内增加总的开采量 可以钻从式水平井组（见图 16）。8层状油层水平井采油获得的产量增量取决于油层垂直渗透率的值。在垂直与水平渗透率之比值较低的情况下，如水平纹理的油层，大斜度井的 效率要远高于水平井的效率。如图17。 9重油产层在重油产层中、水平钻井技术具有提 高产量的能力。横穿油藏的水平井既可以作为生产井也可以作为注水井。水平井具有如下的 优点和应用： （1） 开发薄油藏油田，提高单井产量。水平井可较直井和常规定向井大大增 加泄油面积，从而提高薄油层中的油产量，使薄油层具有开采价值。 （2） 开发低渗透油藏， 提高采收率。 （3） 开发重油稠油油藏。水平井除扩大泄油面积外，如进行热采，还有利于 热线的均匀推进。 （4） 开发以垂直裂缝为主的油藏。水平井钻遇垂直裂缝的机遇较直井大 得多。 （5） 开发底水和气顶活跃的油藏。水平井可以减缓水锥、气锥的推进速度，延长油 井寿命。 (6) 利用老井采出残余油。在停产老井中侧钻水平井较钻调整井(加密井)要节约费 用。 (7) 用丛式水平井扩大控制面积，减少丛式井的平台数量。 (8) 用水平井注水注汽有 利于水线汽线的均匀推进。 (9) 用水平探井可钻穿多层陡峭的产层，往往相当于多口直井 的勘探效果。 (10) 有利于更好地了解目的层的性质。水平井在目的层中的井段较直井长得 多，可以更多、更好地收集目的层的各种持性资料。 (11)有利于环境保护；一口水平井可 以替代一口到几口直井大量减少钻井过程中的排污量。钻过水平井并取得显著经济效益的 油气藏如： (1)薄砂岩油藏。 (2)有底水、气顶的砂岩油层。 (3)裂缝性或喀斯特洞穴型碳酸 盐岩油气藏。(4)有垂直裂缝带的页岩油藏。(5)浅层未胶结砂岩沥青型稠油油藏o (6)浅层 岩礁型稠油油藏。 (7)储量很少的海上油藏。第三节 国外水平井的发展概况和技术现状随 着被誉为国际钻井3大新技术的MWD(随钻测量仪)、技术的进步，使每年新钻成的水平井 数量成倍增加， 1989年这一年钻成的中长半径水平井的总数为257口(参见图18)。第二章 水平井设计第一节 水平井设计中的几个问题水平井的设计思路和基本方法是：目的层油藏 地质设计产量预测一完井方法选择一水平段设计一目的层以上的剖面设计一套管程序设 计一井下工具、测量方法选择一水力参数设计与地面设备选择一经济评价。水平井设计是一 个“先地下后地面，自下而上综合考虑，反复寻优”的过程。图21是国外某公司给出的水 平井设计流程示意图，大体反映了水平井设计过程的基本特征。一、油藏描述和精细地质设 计 1对油藏进行综合的精细描述，建立水平井目的层地质模型。 (1)目的层砂体预测。通 过地震资料建立砂体判别模式，预测砂体分布；开展理论分析，定量确定目的层砂岩分布和 孔隙度分布；划分沉积微相，预测砂体的平面分布，通过精细小层对比，分析砂岩的结构和 平面变化；应用地层倾角的测井资料，预测砂体的增厚方向和延伸方向等。 (2)油层顶部预 测。油层顶界误差将给水平井的轨道控制带来困难，大的油顶误差会造成控制方案的改变甚 至可能造成失控。有关工作主要是：利用油田的开发资料，研究目的层砂体沉积时的顶面形 态，校正和确认目的层及其以上的不同油层顶面构造，确定目的层厚度和油层顶面的深度数 据。(3)描述裂缝的发育特征。(4)描述储层内部物性夹层的分布特征。2.以地质模型 为依据，应用油藏数值模拟技术，优化设计水平井井位参数1)确定水平井井位布置原则 2) 确定水平段长度和井眼直径的设计原则从理论上讲，水平段越长，井眼直径越大，水平井的 采油指数(PI)就越大，产量就越高。仅对井眼直径的选值，还要综合考虑水平段的完井设计、 全井的套管程序以及钻机能力等多种因素才能确定。对水平段长度，应根据砂体模型，泄油 半径大小，具体的油藏开发设计要求和钻井成本，钻井和完井的工艺约束等因素综合考虑确 定 3)确定水平段方向确定水平段方向的基本原则就是如何获得最大的产能。对于靠天然能 量开采的油藏，水平段方向最好与天然裂缝方向垂直，尽量多地穿透裂缝；而对注水开发的 低渗透砂岩油藏，应综合考虑砂岩形态、天然裂缝方向、人工裂缝方向等因素，并结合油藏 工程研究来确定水平段方向，二、水平井完井方法的选择目前的水平井完井可分为如下4种 基本方法： (1) 裸眼完井。 (2)筛孔/割缝衬管完井。 (3)筛孔/割缝衬管带管外封隔器完井。 (4)衬(套)管注水泥固井射孔完井。此外还有砾石预充填完井、砾石充填完井和其他可进行选 择性洗井及增产措施的选择性完井方法。14种完井方法的比较1)裸眼完井法(1)费用低。 (2)没有产量损失。 (3)使用裸眼封隔器可以进行增产作业。其缺点是： (1)可能造成井眼堵 塞甚至造成部分乃至全部井段报废。 (2)生产控制性差。 (3)修井作业困难。 (4)废弃部分 生产段困难。 2)筛孔/割缝衬管完井法其优点是： (1)割缝或筛孔可保持油层与井眼间的可 靠通道。 (2)若割缝或筛孔尺寸适当可部分控制出砂。 (3)在松软地层常用绕丝筛管控制出 砂。 (4)砾石充填筛管可以有效进行砂控。其缺点是： (1)不能控制生产。 (2)废弃部分生产 段困难。 (3)不能进行生产测井。 3)筛管/割缝衬管带管外封隔器完井法其优点是： (1)可在 石灰岩裂缝地层中实现层段的隔离。 (2)可隔绝水层和气层。 (3)可达到部分准确的生产测 井。 (4)可完成部分选择性的增产作业。其缺点是由于管外封隔器同割缝衬管一道在裸眼井中使用，很难预测和保证密封效果。4）衬（套）管注水泥固井射孔完井法其优点是：（1）在任 何油层都可以有效地达到封隔作用。（2）在整个生产期间.任何时候都可以达到对原生水和 气的封隔。（3）可以进行准确的生产测井。（4）能够完成选择性的增产作业或选择性生产。 其缺点是水平井衬（套）管固井和射孔费用高，固井质量也较难保证。2水平井完井方法的选 择原则选择水平井的完井方法时必须考虑以下几点：（1）生产（包括产量、生产模式）。（2） 生产测井。（3）生产控制。（4）预期的修井要求。（5）生产井注水、注气量的控制。（6）生产 层段的废弃。（7）曲率半径对完井方法的限制。从曲率半径方面而言，短半径水平井一般只 能用裸眼或筛孔剧缝衬管的完井方法，而中、长半径水平井则对4种完井方法并无限制。三、 水平井靶区参数设计水平井的靶区一般是一个包含水平段井眼轨道的长方体或拟柱体。靶区 参数主要包括水平段的井径、方位、长度、水平段井斜角、水平段在油层中的垂向位置以及 水平井的靶区形状和尺寸即水平段的允许偏差范围。1.水平段长度设计设计方法是：根据 油井产量要求，按照所期望的产量比值（即水平井日产量是邻近直井日产是的几倍），来求解 满足钻井工艺方面的约束条件的最佳水平段长度值。这些约束主要是指包括钻柱摩阻、钻机 能力、井眼稳定周期及油层污染状况等因素的限制。2.水平段井斜角确定确定水平段井斜 角的设计值一般应综合考虑地层倾角、地层走向、油层厚度以及具体的勘探或开发要求。我 国对石油水平井的水平段井斜角设计值的要求一般是不小于86。在通常情况下，水平段与 油层面平行，其井斜角为式中水平段设计井斜角，（）；卩油层地层倾角，（）；依井眼方 向与地层倾向的关系而定：若沿地层上倾方向，取“+”；若沿地层下倾方向，取“一”。3.水 平段的垂向位置的确定油藏性质决定了水平段的设计位置。对于无底水、无气顶的泊藏，水 平段宜置于油层中部；对于有底水或气顶存在的油藏，设计原则是水平段应尽量远离油水或 气水界面；对于同时存在底水和气顶的油藏，应以尽量减小水锥和气锥速度为原则来确定水 平段位置；对于重油油藏，为提高采收率，水平段应在油层下部，以便使密度较大的稠油借 助重力流入水平井眼。4.水平井靶体设计水平井的靶体设计实质上就是要确定水平段位置 的允许偏差范围，它将受两方面的限制：其一.严格控制允许偏差有利于把井眼轨道控制在 最有利的地质储层内； 90 aH aH aH其二，对允许偏差限制过严会加大实际钻井中井眼控制的难度，加大钻井成本。因此，在进行靶体设计时应综合考虑所钻油层的地质特 性，钻井技术水平和经济成本等因素，在满足钻井目的的前提下，尽量放宽允许偏差，以降 低控制难度和钻井成本。靶体的垂向允许偏差即靶体的高度，它与油层厚度及油藏形态有关, 必须等于或小于油层厚度。靶体的上下边界应避开气顶和底水的影响，保证把水平段的井眼 轨道限定在有利的范围内。一般来说，靶体上下边界对称于水平段的设计位置，但在有特殊 要求的情况下并不必须对称.即上、下偏差可以是不等值的。靶体的宽度:即横向允许偏差） 一般是其高度（即垂向允许偏差）的几倍（多为5倍）靶体的端面称为靶窗，后端面称为靶底，常 见的靶体是以矩形靶窗为端面的长方体，或拟长方体，如图22所示。加大靶窗的宽度， 有利于降低着陆控制即中靶的难度。有时在地质设计允许的前提下，加大长方靶体两侧的方 位允差，以减少在水平钻进时纠方位的麻烦，因而得到的是靶底大于靶窗的棱台形靶体。第 二节水平井的剖面设计1剖面设计要求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。设计造斜曲线首先要确定水平目标区。水 平目标区有两种基本类型：确定垂直深度的目标区；确定在油藏中所在构造位置的目 标区。按照水平井段靶区设计的不同要求，水平井井段的形状可分为以下几类（见图23）： 倾斜靶区剖面；垂直靶区剖面；蛇形剖面；造位置靶区剖面。造斜曲线设计必 须考虑到以下问题：避开复杂地层造斜；曲线末端即造斜结束时的位移最小；造 斜井段的长度最短； 有一个调节井段以应付不理想造斜率的情况； 利用造斜井段的构 造标记调整最终目标区的深度； 在目标区的容限之内； 轨迹要能够保证完成全部水平 井段的钻进；必须是允许使用所有必需的采油工具和设备的可完成井眼。某一些特定水 平井的最佳造斜率取决于钻到目标区所需要的方向控制能力，以及避开在复杂地层造斜的造 斜井段高度。如果只考虑造斜井段的钻进那么最佳井眼曲率是可以达到的最高曲率。由于 井眼曲率还影响着所有的后续作业，所以需要对高曲率的优点和其对以后作业的影响做出平 衡。表21为应该考虑的若干曲率极限。剖面设计基本上是简单的几何计算。造斜曲率可以 分为以下三种基本刘面类型： 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 三种基本刘面类型： 单曲率 单曲率斜直剖面； 斜直剖面； 变曲率 变曲率 斜直剖面； 斜直剖面； 理想剖面。 理想剖面。 2.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见图24。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。在设汁中使用造斜钻具可能的最小造斜率是 个关键。如果上部造斜井段的实际造斜率超过了预计的（最小）造斜率，可以调整斜直井段的 长度来使下部造斜井段钻到目标区。这样就把钻到目标区的误差限制在下部造斜井段的实际 与预计曲率的误差上选择适当的斜直井段长度是非常重要的因为几乎没有能够实际保持井 斜角不变的稳斜钻具组合。对高曲率井眼，更为复杂的做法是在钻斜直井段的头一到两个单 根时不采用转盘钻，以防止底部钻具组合由于在高曲率的上部造斜井段内旋转而损坏。单曲 率斜直造斜曲线设计的最后一项选择是斜直井段的井斜角，最为普遍的选择之一是取 45 图25表示了斜直线井斜角对曲率终点总位移的影响。 3变曲率斜直剖面的设计变曲率 斜直造斜曲线的设计是为了进一步控制目标的垂直深度。典型的变曲率斜直造斜曲线见 图2 6。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。变曲率一斜直剖面设计在垂直目标区的精度和目标区位置及方位之 间提供了一个调整的范围。这个调整包括：靶区垂直深度跟造斜曲率终点位置的方位和位置 对比。造斜曲率终点位置与终点方位的对比。靶区垂直深度，曲率终点位置和方位精度与费 用的对比。 4理想造斜曲率剖面设计理想造斜曲率剖面就是没有斜立井段的弯曲率造斜剖 面。图2 7为理想造斜曲率剖面设计方法简图。5.水平井剖面设计举例1）造斜及方位 变化计算基本公式图2 8为造斜及方位变化轨迹计算图。单曲率一斜直剖面设计计算 举例题意：选用其造斜率为100ft,设计最小斜直段的长度为12 0ft,倾角为，靶区倾角， 靶区总垂深为9000ft。使用最小的工具造斜率设计单曲率一斜直水平井剖面。2 9为设 计简图。第三章长半径水平井井眼轨道控制技术第一节 水平井各种常用动力钻具的分类与 结构特征图3-1表示了长、中半径水平井和井眼轨道控制作业的几种井下动力钻具的结构型 式。在常规的定向井中， 般采用直动力钻具（螺杆钻具或涡轮钻具）加配小角度弯接头（弯角 多在2度以下）进行定向造斜，这种钻具组合称为弯接头井下动力钻具组合。与此不同的 是，图3 1所给出的长、中半径水平井常用的动力钻具组合的结构特征是带有特殊的导向 结构，如稳定器、垫块、弯壳体以及大角度弯接头等。这些水平井常用动力钻具可作如下分 类。1按功能分类根据使用场合和主要作业功能，可分为造斜动力钻具组合和稳斜动力钻 具组合，分别用于造斜井段钻进（着陆控制）和水平段钻进（水平控制）。对于长半径水平井， 因其造斜率较低（KV6度/30m），这两种功能的钻具可采用同样的结构型式，或一台钻具组 合只有两种功能：当定向钻进时，可钻出小曲率井段；当开动转盘导向钻进时，又可钻出稳 斜井段和水平井段。相应的钻具结构如图31的D，F和B（当单弯壳休弯角较小时）；对于 中半径水平井，因其造斜率较高K=（6。20） / 30m.这两种功能的钻具一般不再具有相同的结构型式：用于造斜的钻具组合都采用定向钻进状态，其弯角值较大（弯壳体弯角值一 般在1度以上），如图31的B, C, E, G等。稳斜动力钻具已如上所述。2.按主机种类 分类根据主机是螺杆钻具还是涡轮钻具又可把水平井常用井下动力钻具分为两类，但使用最 广的是螺杆钻具。这两种钻具在导向结构方面往往差异较大：涡轮钻具因自身结构特点一般 不易形成本体上的结构弯角,而且轴向结构尺寸长、故其导向部件常为偏心稳定器加同心稳 定器（如图31中F）或垫块（图31中G）,也有经特殊设计的带有结构弯角短节的涡轮， 但应用较少；螺杆钻具因自身的万向轴总成很容易产生弯角,故弯壳体、稳定器是其最常见 的导向结构（如图31中B,C, D, E）,在特殊情况下也采用垫块作为导向结构（如图3 1 中G）。3.按导向结构型式分类根据导向结构型式不同，水平井常用动力钻具可分为弯壳体动力钻具、弯接头加短直动力钻具（如图31中A）及偏心稳定器加直动力钻具（一般是涡轮 钻具）多种。这种导向结构旨在造成钻具在井眼中的弹性变形,产生工具面和钻头侧向力, 以满足定向相中、小曲率造斜的需要。图31 中 A所示的弯接头加短直钻具结构，其弯接 头度数较大（一般在2以上），但其下的直动力钻具则要求很短（一般5m以下），否则会因钻头 偏移量（offset）过大而难于入井，同时也会降低造斜率。据资料介绍，国外某公司曾用2.5 弯接头加配3m长的短螺杆，钻出曲率为14/30m的中半径井眼。第一节螺杆钻具的工作特 性一、螺杆钻具的构成和工作原理如图3 -3所示，螺杆钻具由4个部件组成，从上至下依次 是：旁通阀总成；马达总成；万向轴总成；传动轴总成；其作用是把钻井液的水力能转化为 机械能供给钻头，螺杆钻具是一台容积式井下动力机械1旁通阀旁通阀是螺杆钻具的辅助 部件，它的作用是在停泵时使钻柱内空间与环空沟通，以避免起下钻和接换单根时钻柱内钻 井液溢出，污染钻台，影响正常工作。旁通阀由阀体、阀芯、弹簧、筛板和阀座组成如图 3 4所示。 2.马达总成马达是螺杆钻具的动力部件，马达总成实际上是由转子和定子两个 基本部分组成的单螺杆容积式动力机，如图35所示 3万向轴总成万向轴总成由两个元件 组成：壳体和万向轴，万向袖的作用是把马达转子的平面行星运动转化为传动轴的定轴转动， 同时把马达的工作转矩传递给传动轴和钻头。4.传动轴总成传动铀总成的结构如图37所 示。它由壳体、传动轴、上部推力轴承、下部推力轴承、径向轴承组及其他辅助零件总装组 成。第三节 着陆控制着陆控制是指从直井段末端的造斜点（K0P）开始钻至油层内的靶窗这 一过程。增斜钻进是着陆控制的主要特征，进靶控制（着陆控制过程中的最后一次增斜钻进） 是着陆控制的关键和结果，而动态监控则是着陆控制的技术手段。一、着陆控制的技术要点 着陆控制的技术要点可以概括为如下口决：略高勿低、先高后低、寸高必争、早扭方位、稳 斜探顶、动态监控、矢量进靶。 1略高勿低 “略高勿低”集中体现了选择工具造斜率的指 导思想，即为了保证使实钻造斜率不低于井身设计造斜率，为了防止因各种因素造成工具实 钻造斜率低于其理论预测值，要按比理论值高10至20来选择或设计工具。当然也不能使 造斜率高出太多，否则会给后续的钻进过程带来麻烦。 2先高后低在着陆控制中，实钻造 斜率若高于井身设汁造斜率，控制人员一般总有办法把它降下来，例如，通过导向钻进方式 （小弯角动力钻具并开转盘，其理论造斜率接近于零），或通过更换造斜率低一档次的钻具组 合。但是，若实钻造斜率低干井身设计造斜率，则不敢保证一定可以把下一段造斜率增上去， 尤其是在着陆控制的后一阶段（大井斜区段），这是因为所需要调整的造斜率值可能很高，而 它对当前的工具是无法实现的，或即使技术上可以实现但现场并无这种工具储备。 3寸高 必争着陆控制就是对”高度”（垂深）和“角度”（井斜）的匹配关系的控制，而“高度”往往对“角度” 有着某种误差放大作用. 4早扭方位在着陆控制中，方位控制也很重要，否则很难使钻头进 人靶窗。由于中曲率水平井井斜角增加较快，晚扭方位将会增加扭方位的难度。 5稳斜探 顶在中、长半径水平井中，采用“稳斜探顶”的总控方案设计，是克服地质不确定度的有效方 法，它保证可以准确地探知油顶位置，井保证进靶钻进是按预定的技术方案进行，提高了控 制的成功率。 “稳斜探顶”的条件是要在预定的提前高度上达到预定的进人角值（），这实际上 是给前期的着陆控制设置丁一个阶段控制指标。 6矢量进靶所谓“矢量进靶”，是指在进靶 钻进中不仅要控制钻头与靶窗平面的交点（着陆点）位置，而且还要控制钻头进靶时的方向。 7动态监控动态监控”是贯彻着陆控制过程始终的最重要的技术手段，它包括对已钻轨道的 计算描述、设计轨道参数的对比与偏差认定；对当前在用工具的已钻井眼造斜率的过后分析 和误差计算；对钻头处状态参数（）的预测；对待钻井眼所需造斜率的计算；对当前在用工具 和技术方案的评价和决策，例如是否需要调整操作参数 （钻压、工具面角、钻进状态（定向/ 导向）转换等），起钻时机的选择（是否必须立即起钻或继续向下钻进多少米再起钻）等。动态 监控一般是用水平井井眼轨道预测控制软件包在计算机上实施，但是轨道控制人员对着陆控 制过程进行随时的抽检和监督，还是非常必要的。三、进靶分析 1确定起始点的井斜角和 方位角在进靶钻进过程中要采取的措施之 就是要保持方位不致产生不希望的变化，而最 好不要在进靶钻进过程中再去扭方位。 2进靶钻进的长度和所需的造斜率设进靶井段的起 始点T的井斜角为如图38所示，靶窗高度为2h,着陆点A的井斜角（亦即水平井段的设汁 井斜角）为。T点至靶中的垂增为，则进靶井段的长度3.着陆点的靶心纵距、平差和造斜率 如图38所示 . 第四节水平控制由于进靶既是着陆控制的结果，又是水平控制的开端， 因此在制定方案时应使着陆点尽量小要靠近靶区的上限和下限，以免在水平控制的初期就可 能被迫进行降斜或增斜操作。当然，对着陆点的横距也有类似要求，即不败太靠近靶窗的左 方边界，以免在水中控制的初期就可能被迫进行扭方位作业。在进靶钻进中，最好不要使钻 具组合的造斜率过高，这对后续的水平钻进及其他作业会带来不良影响，应当予以重视。另 外需要说明，从经济方面看，在制订制方案时要尽量减少起下钻次数，尽量以较少的组合更 换次数达到着陆控制要求。实现的方法可以有几种，例如设置调整段（短稳斜段），以补偿造 斜率误差；在钻进过程中调整工具面角来调整造斜率，这种对造斜率的改变实质上也属于“变 更钻具组合”的广义内涵。水平控制是着陆进靶之后在给定的靶体内钻出整个水平段的过程. 一、水平控制的技术要点水平控制的技术要点可以概括为如下秘诀：钻具稳平，上下调整， 到开转盘，动态监控、留有余地、少扭方位。 1钻具稳平 “钻具稳平”的含意是从钻具组 合设计和造型方面束提高和加强稳平能力。这是水平控制的基础。具有较高稳平能力的钻具 组合可以在很大程度上减少轨道调整的工作量。2.上下调整“上下调整”体现了水平控制的 主要技术特征。在水平段中，方位调整相对很少，控制主要表现为对钻头的铅垂位置和井斜 角（增降）的上下调整 3多开转盘开转盘的导向钻进状态与不开转盘的定向钻进状态相比有 如下显著优点：减少摩阻，易加钻压；破坏岩屑床，清洁井眼；提高机械钻速；提高井限质 量；可增加水平段的钻进长度。因此在水平段钻进少应尽量多地采用导向钻进状态方式，即 应多开转盘，在水平段开转盘的进尺应不小于水平段总进尺的75%。但转盘转速应不大于60 r/min 为宜。 4注意短起为保证井壁质量，减少库阻和避免发生井下复杂情况，在水平段 中每钻进一段距离约50m左右，尤其是对定向纠斜井段），应进行一次短程起下钻。5.动态 监控就是要对已钻井段进行计算，井和设计轨道进行对比和偏差认定；对钻具组合和稳平能 力 （导向状态）和纠斜能力（定向状态）进行过后分析和评价；随时分析钻头位置距上、下、左、 右4 个边界的距离，并对长距离待钻井眼（如靶底或水平段中某一位置）做出是否需要调整井 斜（上下） 和调整方位（左右）、何时进行调整（时机选择）的判断和决策等。除了在计算机上进 行水平段的跟踪监控外，轨道控制人员应随时关注钻进过程，进行抽检，把握发展动态，及 时作出判断和决策。 6留有余地如图39所示，水平控制的实钻井眼轨道在竖直平面中是 一条上、下起伏的波浪线，钻头位置距靶体上、下边界的距离是控制的关键。对水平段的控 制强调“留有余地”，就是分析计算这种滞后现象带来的增量，保证在转折点 （极限位置）也 不出靶，以留出足够的进尺来确定调整时机，实施调控。7.少扭方位控制的方法是采用一 定的工具面角定向钻进扭方位。应尽量减少扭方位的次数，而且宜尽早把方位调整好，这样 即可利用靶底宽度造成的方仿允差直接钻完水平段。否则，后期的方位调整会显著加大扭方位的度数。第五节井眼轨道控制应注意的一些问题一、测量仪器的选型及注意事项1.测 量仪器造型及要求在水平钻井的着陆控制与水平控制中，一般选取无线随钻测斜仪（MWD）, 以便使钻具可实现导向钻进（定向/转动两种方式），增加可控性。在着陆控制的上部井段，也 可以选用有线随钻测斜仪（如SST），但只能以定向方式钻进。一般情况下要尽量避免采用单 点测斜仪，因为一旦失控将会给后续的轨道控制作业带来很不利的影响，甚至会付出高昂的 代价。2.有钱随钻测斜仪的工作原理、功能和性能有线随钻测斜仪土要有井下测量系统、 地面计算机系统和绞车3部分组成。探管是井下测量系统的心脏，它主要由两套传感器（三轴 磁通门和三轴加速计）、其他传感器及电子线路组成。探管的功能是测量井眼的各种参数， 电户线路把各种参数变成电信号，通过单心电缆把信号输给地面计算机系统。计算机把各种 电信号进行放大、译码处理，分别以数字形式直观显示在显示屏、司钻读数器和输入打印机， 然后出打印机把各种井眼参数的测量结果打印出来。而计算机系统是有线随钻的控制中 心.为井下仪器提供电源，监测井下仪器的工作状况，选择仪器的工作方式，测量所需的井 眼参数。绞车用于起下电线（井下仪器），电缆通过旁通接头利高压循环头进入钻杆内。表31 示出了斯派里森公司（SperrySun）SST系列有线随钻测斜仪的结构与性能指标，供读者参 考。3.无线随钻测斜仪（MWD）的类型、原理与特性1） MWD的分类无线随钻测斜仪， 简称MWD,由井下仪器总成、地面装备总成（接收仪表和处理系统）两部分组成。信号传输 通道实现井下与井上两部分的联系与沟通。信号的传输方式可分为泥浆压力脉冲和电磁波。 鉴于电磁波方式目前传输的距离受到一定的限制，所以当前用于现场作业的通常是泥浆压力 脉冲方式。钻井液压力脉冲分为正脉冲、负脉冲、连续波3种。井下仪器部分有可回收式和不可回收式两种。在我国陆上、海洋钻井使用最多的有4种MWD产品：其中采用正脉冲 方式的有斯派里森公司的 MWD（井下仪器不可回收）和安纳聚尔（从Anadrill）公司的 MWD（SLIM1）型，井下仪器可以回收；采用负脉冲方式的有哈里伯顿（HaHibMrtm）公司的 MWD（BGI型，井下仪器不可回收）和原东方人一克里斯坦森（EastmanChistensen）公司的 MWD（ACCUTRAK）。对井下仪器的供电方式有两种：采用电池组供电（ACCUTRAK） 和采用泥浆涡轮发电机供电（如斯派里森公司的MWD）。井下电源部分组装在井下仪器总成 内。2）结构、工作原理与特性以ACCUTRAK）。为例，MWD的井下仪器总成由顶部短 节、脉冲发送器和测量传感短节、减压阀和信号传送短节、电池组和底部短节组成，组装在 专用的无磁钻铤内，随钻具组合一起下井。在下井之前.测量工程师要根据轨道控制所要求 的测量数据，对井下仪器总成进行特定的模式设置。在工作时，井下仪器总成将测量信号通 过传输通道（对钻井液脉冲方式，传输通道就是钻柱中的钻井液流柱）发送到地面装备总成的 接收部分。地面装备总成由接收仪表和计算机处理系统组成。安装在钻柱立管上的接收仪表 （压电传感器）将井下传来的钻井液压力脉冲信号转化为电信号，内电缆送至控制箱内的计算 机系统.进行放大、处理、译码，分别以数字形式直观显示在显示屏、司钻读数器和打印机， 也可远程输送到基地数据中心。在立管上还装有询问阀（实际上是一个阻流阀）。现场工程师 根据特定的时控程序，气控或手控该阀开关,发送负压脉冲至井下总成内的接收压力传感器， 开始测斜工作。表32、表33分别给出了东方人一克里斯坦森MWD（AACCUTRAK）系 统的传感器性能和井下仪器的系列规格与性能；表67给出了斯派里森MWD系统性能数 据。4.有关施工操作的注意事项为保证测量工作的正常进行，轨道控制人员应注意如下事 项：（1）向测量工程师提供所需的各方面数据与参数。（2）认真了解和掌握所用的MWD的 性能、特点及注意事项。（3）学习和掌握测量的操作规程、步聚、方法，能熟练地读取测量 数据（如安装在司钻附近的显示仪），以便及时判断控制状况。（4）当仪器出现不正常情况或 测量信号失常时，配合测量工程师分析和寻求原因。二、钻头选型1水平井钻头选型特点 以下列出水平井在钻头选型方面的特点，也就是选择钻头时应考虑的几个特殊问题：（1）水 平井的着陆控制和水平控制井段，较多地采用并下动力钻具（其钻压值一般较低，而钻头转速般相对于转盘钻钻井为高)。 (2)在中曲率造斜井段，要求钻头有较好的造斜性能。(3) 在钻水平井段时，要求钻头具有较好的稳平能力(当以定向方式调整井斜或方位时，又往往 要求有适当的造斜能力)。 (4)较多地采用油基钻井液。 (5)当采用 MWD 进行测量时，对钻 头水眼尺寸及钻头水眼压降有一定的要求和限制。 (6)为满足携带者屑的需要，对钻井液排 量有一定的要求。因此，在水平井中较普遍地选用PDC钻头，但也常用牙轮钻头。2钻头 选型的原则和依据选型原则都是要使钻头在能完成轨道控制目标的前提下，取得最好的经济 效益，而不是单纯注意钻头的价格。钻头选则的依据是： (1)地层条件。地层条件是选择钻 头类型和结构的首要依据。地层条件包括地层类型、硬度、岩性(塑/脆性、研磨性、术均匀 性)和层位厚度。 (2)钻井方式。即：是用转盘钻进，还是用井下动力钻具钻进，后者又可分 为是完全的定向钻进，还是导向钻进(定向开转盘旋转钻进可以调整)。(3)钻井条件。钻头选型时要考虑的实际钻井条件，主要包括设备能力(机械部分与水力部分)、钻井液类型等。 所选舞的钻头应与设备能力相适应也要考虑钻井液类型的影响 (如油基钻井液则优先选 PDC 钻头)。 (4)钻井参数。钻井参数包括：钻压、转速和水力参数(排量与压力)。在水平钻 井中，由于工艺要求往往对钻井参数已做出明确规定，这就要求钻头选型要与钻井参数相适 应，确定钻头的切削结构、水力结构与保径尺寸。 (5)邻井资料。包括邻并地质测井资料和 邻井钻头使用记录。它对于钻头选型是极为重要、有效的技术参考资料，应予以足够重视。3、PDC钻头与牙轮钻头选型指南以下给出我国江汉钻头厂的牙轮钻头PDC比钻头的迭型 表格， (表34、表35)，供读者参考。三、钻井参数选择注意事项 1、钻压 (1)钻压选择 与钻头有关 (2)钻压选择与转速有关。 (3)螺杆钻具的推荐钻压值与最大钻压值对钻压选择 提出了限制，最好选择推荐钻压值。(4)控制要求影响钻压选择2转速(1)转速选择与钻头 有关。 (2)转速选择与钻压有关 (3)井下动力钻具的特性基本上决定了转速。 (4)在导向钻进 方式下，转盘转速选最低挡速 3、排量 (1)水平井的排量主要取决于工艺需要。 (2)井下动 力钻具的额定排量基本上决定了工作排量。 (3)排量选择与钻头有关 (4)排量选择要考虑循 环系统能力和地面设备的要求，防止因排量过大造成系统总压力过高。4.压力压力选择， 主要是钻头水眼压力(压降)选择，要综合考虑破岩和清洁井底要求，马达承压能力(传动轴轴 承节的结构级别)和轴承受力状况， MWD 的工作压力及地面设备的限制后做出决定。四、 钻井操作的有关注意事项1了解MWD功能特性，做好测量配合工作2组装钻柱组合3 下钻过程 4钻进过程 5起钻过程 (1)起钻过程中当钻头接近技术套管时要减慢提升速度； 遇卡时要采用相应措施小心处理。 (2)起出钻头后，认真描述钻头作好记录。 (3)严防井下 落物。 (4)钻具起出后进行认真检查，保证钻具随时处于安全、备用状态。第四章 短半径 水平井的并眼轨道控制通常人们把中短半径、短半径和超短半径水平井粗略地统称为短半径 水平井。第一节 第一节短半径水平井的几种常用工具 短半径水平井的几种常用工具一、短 半径水平井的常用工具常用的短半径水平井钻井工具基本上可以分为两大类，即地面驱动式 柔性钻井系统和井下驱动的铰接肘链式马达系统。 1Eastman Chistensen 公司的地面驱动 型柔性钻具组合系统这一组合系统由如下4部分组成： (1)柔性铰接钻杆总成。 (2)柔性弯曲 造斜器总成。 (3)斜向器总成。 (4)铰接稳定器稳斜总成。如图41所示，这种柔性钻具组 合由地面动力水龙头驱动柔性铰接钻杆旋转。柔性弯曲造斜器总成接在柔性铰接钻杆的下 端，它由一个不旋转的柔性弯曲外壳、 个可旋转的内驱动轴及联接二考的轴承装置组成。 柔性弯曲外壳是在一个预制弯曲的弯管内侧，切割成三分之二圆周的特殊形状割缝，以便具 有一定的柔性以通过上部直井段，并在定向造斜时能使其下方的钻头对井壁施加定的造斜 力。内驱动轴将上部柔性铰接钻杆的施转和铀力传递给钻头，产生钻压和转矩，同时钻井液 将从铰接钻柱、内驱动轴内部形成的通道流向钻头水眼。弯曲外壳外侧下方的两个垫块可形 成支点并有助于产生较强的造斜力。安装在井底的斜向器起导向和辅助初始造斜作用；据资 料介绍，这种柔性造斜组合可钻出曲率半径为612m (相应K=9.55。一 4.77。和短半径井眼。 这种弯曲外壳在起下钻时将会造成大约4500N的钻头侧向力。用图41所示的铰接稳定器总 成替换柔性铰接造斜器总成，将构成稳斜组合。两个稳定器均为欠尺寸稳定器。变换两个稳 定器的尺寸配置可使水平井眼产生较轻微的造斜、降斜及稳斜作用。柔性铰接钻柱的作用在 于使钻柱可通过弯曲的短半径井段，从而维持向前钻进。2. Eastman Christensen公司的井 下驱动型铰接肘挂式马达系统该公司研制的井下驱动型铰接肘链式马达系统，可用柔性右线 随钻测斜仪（柔性连接的有线测斜仪或无线测斜仪）进行实时测量和导向控制，克服了上述地 面驱动型柔性钻具组合必须起下钻才能进行测量以及强度不足的弊病，因而将短半径钻井技 术推进到一个新的阶段。这种井下马达系统可钻出200300m长度的水平井段。该公司的铰 接肘链式马达系统的基本结构如图42所示该系统采用螺杆钻具作为井下动力部件。PDC 钻头接在马达传动轴的下端。螺杆钻具的传动轴短节壳体上有一个近钻头稳定器。万向轴壳 体为弯壳体，向上依次为螺杆马达、旁通阀和定向短节。在这些部件间装有特殊设计的铰链 接头。定向短节以上是铰接式柔性钻杆（钻铤）或油管。它们的柔性可以使后续钻柱顺利通过 前方造斜马达钻出的短半径弯曲井段。铰接式柔性钻杆（钻铤）将要进行特殊的设计和装配， 以保证它们在下方马达助工具面内产生弯曲。造斜马达组合与稳斜马达组合在结构上的区别 之处主要在于：前者配用造斜强的PDC钻头，采用一个螺杆马达短节，万向轴弯壳体上的 弯角大；后者配用稳斜性强的PDC钻头，采用两个螺杆马达短节，万向轴壳体上的弯角小。 目前这种铰接肘链式马达组合有120mm（4in）和95mm（3in）两种尺寸规格。相应的参数与尺寸 如表41所示。3. Pre Mmg公司的井下驱动型饺接马达系统（ADM）德国PKuLW公司在 其产品ADS的基础上，推出了改进型的井下驱动型铰接马达侧系统，其结构如图43所示。 ADM系统的基本结构与上述井下驱动型铰接肘链式马达系统相近，除采用铰接钻柱外，螺 杆钻具部分也采用分段链接的方式.并配置偏心稳定器和侧钻钻头，从而构成短半径水平井 造斜组合。目前这种工具主要有3种尺寸系列： 120mm（4in 螺杆马达）， 171mm（6in 螺马达） 和203mm（8in螺杆马达）；分别可钻的井眼直径：146171mm（56in），213251mm（86 96in）.和248一311mm（9in 一12 in）；相应的曲率半径可达20m、35m 和65m 左右。4. Sperry Sun公司的井下驱动型短半径工具系统图4一4是Sperry Sun公司的短半径工具系统，其设计 类似于上述提到的 Preussag 公司的 ADS 系统：该系统是用螺杆马达作为井下动力部件（其 上接常规钻杆，不旋转）；马达以下是弯曲的铰接式传动轴，可在一个平面内产生弯曲；传 动轴外壳不旋转，其中通过轴承组合装有旋转的心轴，它把轴力、马达转矩传递给钻头。钻 井液是通过心轴内孔进行循环的。5.中国研制的JLZ120型井下驱动铰接肘链式短半径井 下马达系统图4 5示出了由原中国石油天然气总公司石油勘探开发科学研究院研制的 JLZ120型短半径马达系统。该系统包括：井下铰接造斜马达、稳斜马达以及由柔性图45 接头与短钻铤组成的铰接钻杆组合。在马达组合的传动轴和万向铀壳体中间，有个可调角 度的铰链接头，可根据造斜率要求调整为不同单弯角度。当弯曲钻进时，用较大角度；当水 平钻进时，采用较小角度，并通过调整和控制工具面，以钻出小幅度起伏的波浪式“水平井” 井段。二中短半径水平井的常用工具中短半径水平井，通常是指井眼曲率 K（20 70。）/30m（相应曲率半径约为8524m）的水平井。它介于中半径水平井与短半径水平井之间， 因此所采用的工具类型是二者兼而有之：有井眼曲率