定向井水平井

自19世纪末旋转钻井诞生以来，初期都是打直井，人们预想的井眼轨道乃是一条铅垂 直线。并且认为旋转钻的实钻井眼轨迹也和顿钻一样，是一条铅垂直线。直到大约本世纪 20年代末，人们意外地发现一口新钻井把旁边一口老井的套管钻穿了，还发现相邻两口井 的井深不同却钻到了同一油层。于是认识到井是会斜的，需要采取有效措施控制井眼轨迹， 才能减小井斜。于是出现了 “直井防斜技术”。本世纪30年代初，在海边向海里打定向井开 采海上油田的尝试成功之后，定向井得到了广泛的应用，其应用领域大体有以下三种情况。1. 地面环境条件的限制：当地面上是高山，湖泊，沼泽，河流，沟壑，海洋，农田或重 要的建筑物等，难以安装钻机，进行钻井作业时，或者安装钻机和钻井作业费用很高时，为 了勘探和开发它们下面的油田，最好是钻定向井。2. 地下地质条件的要求：对于断层遮挡油藏，定向井比直井可发现和钻穿更多的油层； 对于薄油层，定向井和水平井比直井的油层裸露面积要大得多。另外，侧钻井，多底井，分 支井，大位移井，侧钻水平井，径向水平井，等等定向井的新种类，显著地扩大了勘探效果， 增加了原油产量，提高了油藏的采收率。3. 处理井下事故的特殊手段：当井下落物或断钻事故最终无法捞出时，可从上部井段侧 钻打定向井；特别是遇到井喷着火常规方法难以处理时，在事故井附近打定向井（称作救援 井），与事故井贯通，进行引流或压井，从而可处理井喷着火事故。目前，定向钻井已成为油田勘探开发的极为重要的手段，井眼轨道设计和井眼轨迹控制 乃是定向钻井技术的基本内容。事实上，直井可以看作是定向井的特例，其设计的轨道为一 条铅垂线。直井防斜和定向井井眼轨迹控制，在技术原理上是一致的，只是应用方向不同而 已。井眼轨迹控制技术经历了从经验到科学，从定性到定量的发展过程。现在正处在向井眼 轨迹自动控制阶段发展。三.定向井轨迹控制的基本方法二维定向井的设计轨迹一般是由四种井段组成：垂直井段，增斜井段，稳斜井段和降斜 井段。显然，不同的井段将使用不同的工具，将有不同的轨迹控制方法。总的说，一口定向 井的轨迹控制过程，可分为三个阶段。1. 打好垂直井段要求实钻轨迹尽可能接近铅垂线，也就是要求井斜角尽可能小。定向井的垂直井段可以按照打直井的方法进行轨迹控制，而且比打直井要求更高，因 为定向井垂直井段的施工质量是以后轨迹控制的基础。关于直 井的轨迹控制问题，已在第三节中论述。2. 把好定向造斜关这是增斜井段的一部分，但它是从垂直井段开始增斜的。 由于垂直井段井斜角等于零，所以称为“造斜”；由于垂直井段 没有井斜方位角，所以开始造斜时需要“定向”。如果定向造斜 段的方位有偏差，则会给以后的轨迹控制造成巨大困难。所以， 定向造斜是关键，一定要把好这一关。现代的定向造斜，除套管开窗侧钻还使用变向器外，几乎 全是使用动力钻具造斜工具。造斜井段的长度，一般是以井斜 角达到可以使用转盘钻的扶正器钻具组合继续增斜为准。这个 井斜角大约为8至10。3. 跟踪控制到靶点从造斜段结束，至钻完全井，都属于跟踪控制阶段。人们 常说的轨迹控制实际多指这一阶段。这一阶段的任务是在实钻过程中，不断了解轨迹的变化发展情况，不断地使用各种造斜工具或钻具组合，使实钻轨迹 离开设计轨迹“不要太远”。“不要太远”一词的意义在于，一方面如果“太远”就可能造成 脱靶，成为不合格井；另一方面如果始终要求实钻轨迹与设计轨迹误差很小，势必要求非常 频繁地测斜，频繁地更换造斜工具，必将大大地拖延时间，增加成本，而且还有可能造成井 下复杂情况，得不偿失。所以这里的原则就是：既要保证中靶，又要加快钻速。跟踪控制阶段还有一个原则，是尽可能使用转盘钻的扶正器钻具组合来进行控制。这是 因为转盘钻的钻速比动力钻具要高。所以在造 斜段结束之后，一般都换用转盘钻继续增斜， 并在需要稳斜和降斜的时候，仍然使用转盘钻 来完成。只有在下列两种情况下，才使用动力 钻具进行控制：(1) .使用转盘钻扶正器组合已难以完成 增斜或降斜要求时，改用动力钻具造斜工具 进行强力增斜或降斜；(2) .转盘钻扶正器组合不能控制方位， 而且在钻进中常常出现方位偏差。当井眼方 位有较大偏差，有可能造成脱靶时，必须使用 动力钻具造斜工具来完成扭方位。图装置角疥意图可见，在跟踪控制阶段，井斜角的控制比 较容易，可用的工具也较多。而方位的控制则 比较难，而且还牵扯到许多复杂的计算问题， 特别是在扭方位的同时还要求改变井斜角，其 计算就更为复杂。所以下面重点叙述扭方位计算问题。四.造斜工具的定向在扭方位计算中，我们可以算出造斜工具的定向方位角中S。现在要问，我们人在地面 上，怎样知道造斜工具在井下的状况呢？我们又是如何使造斜工具的工具面正好处在预定的 定向方位角呢？这需要一套定向工艺技术。定向就是把造斜工具的工具面摆在预定的定向方 位线上。向器和射流钻头进行造 斜时，也要先进行定向。 这时的定向方位角也可 按照式(74)进行计算， 但需注意此时的装置角 3=0 。定向方法可分为两大类：地面定向法和井下定向法。地面定向法是在井口将造斜工具的A-A剖面HF酸液瓶铅模不仅扭方位需要给造斜工具定向，而且在使用动力钻具造斜工具进行造斜、增斜和使用 转盘钻造斜工具中的变 工具面摆到预定的方位线上，然后通过定向下钻，始终知道造斜工具的工具面在下钻过程中的实际方位，因而也知道下钻到底时的实际方位。如果实际方位与预定方位不附，则可在地面上通过转盘将工具面扭到预定的定向方位上。 这种方法由于工序复杂，准确性差，目前已经很少应用了。井下定向法是先用正常下钻法， 将造斜工具下到井底；然后从钻柱内下入仪器测量工具面在井下的实际方位；如果实际方位 与预定方位不附，亦可在地面上通过转盘将工具面扭到预定的定向方位上。这种方法工序简 单，准确性高，但需要一套先进的定向测量仪器。下面着重介绍井下定向法。1. 工具面的标记方法要把仪器下到造斜工具内部测量工具面的方位，必须在造斜工具的内部给工具面作个标 记。这种标记方法有三种：图虹41定向磁快标记法a. 定向齿刀法：这是使 用氟氢酸测斜仪进行定向的 标记方法。如图5-40所示， 齿刀上的齿尖所指方位，标A志着造斜工具的工具面方 位。测量时仪器最下面的铅 模压在定向齿刀上，留下齿 刀的印痕，于是可知道造斜 工具的工具面方位；同时， 氟氢酸液瓶的液面倾斜方位 代表着井斜方位。这样就知 道了造斜工具的工具面方位 与井斜方位的关系。若下钻 前在裸眼内测得井斜方位， 于是就可知造斜工具的工具面在井下的实际方位。b. 定向磁铁法：这是使用磁性测斜仪进行定向的标记方法。如图5-41所示，紧在造斜 工具上面接着一根专用的无磁钻铤，在该无磁钻铤的体部装着三对小磁铁（从原理上讲一对图5技定向键标记注就行了，三对的目的是加强磁 场强度），磁铁的N极方向与 造斜工具的工具面方向之间的 关系是已知的。测量仪器中有 两个磁性罗盘，下到井底后， 上罗盘处在三个定向磁铁位 置，指针标志工具面方位；下 罗盘则远离定向磁铁，在无磁 钻铤内指针指向正北方位。照 相时两个罗盘面同时照在一张 底片上，于是可知造斜工具的 工具面在井下的实际方位。c. 定向键法：这是一种用途 广泛的标记方法，既可用于用磁性测斜仪定向，也可用于陀螺测斜仪定向，原理上讲也可用于HF酸测斜仪定向。如图5-42 所示，定向键所在的母线就标志着造斜工具的工具面方位。测量时设法测到定向键的方位， 就可以知道造斜工具的工具面方位了。在测量仪器的罗盘面上有一个“发线”，在测量仪器 的最下面有一个“定向鞋”，定向鞋上有一个“定向槽”，在仪器安装时使“发线”与“定向 槽”在同一个母线上对齐。当仪器下到井底时，定向鞋的特殊曲线将使定向槽自动卡在定向 键上，从而使罗盘面上的发线方位就标志了造斜工具的工具面方位。在照相底片上罗盘的指 针标志着井斜方位，所以可以求得造斜工具的工具面方位。2. 各种定向方法及其使用场合a. 双罗盘定向仪+定向磁铁标记：这种方法常用于垂直井眼内定向。在垂直井眼内开始 造斜，井眼没有斜度，无法进行测斜定向。这种方法，一个罗盘指示正北方位，一个罗盘指 示工具面方位，无需测井斜方位。显然这种方法也可用于倾斜井眼内定向。b. 陀螺仪+定向键标记：这种方法在钻柱上无需接专用的无磁钻铤，所以在缺乏专用无 磁钻铤时可以应用此法。特别是用于磁性异常地区或丛式井间磁性干扰严重的情况。不管是 直井定向还是斜井定向，都可使用。但由于陀螺仪较为“娇贵”，操作较复杂，使用费用也 就较高。c. 磁罗盘测斜仪+定向键标记：这是目前用得最多的定向方法。从原理上讲，此法既可 用于直井内定向，也可用于斜井内定向。在磁异常或磁干扰严重的地区，此法定向不够准确。 由于磁罗盘的缘故，此法必须要使用无磁钻铤。但若确实没有无磁钻铤，还想使用此法，可 以采取“间接定向法”，即在下钻之前先在裸眼内用磁罗盘测斜仪测得井底的井斜方位角， 然后再使用此法。这样在照相底片上，只能看到井斜方位与工具面方位之间的关系，再根据 下钻前测的井斜方位角，就可以算出工具面的实际方位角。d. 氟氢酸测斜仪+定向齿刀标记:此法是过去没有先进测斜仪器时在斜井内定向使用的 方法，目前仅在极个别的地区还有使用的。e. 地面定向法：从原理上讲，此法可用于直井和斜井内定向，但过去缺乏先进定向仪器 时，也主要用于直井内定向，斜井内则采用“氟氢酸测斜仪+定向齿刀标记”。此法目前仅 在在缺乏直井定向仪器时使用。f. 随钻测斜仪+定向键：这是目前最先进的定向方法，可以做到随钻定向，即在钻进过 程中随时指示出造斜工具的工具面方位及其变化情况。目前用的随钻测斜仪分为有线和无线 两种。由于仪器的使用费很高，所以仅在高难度的定向井或水平井等要求较高的井内使用。第六节水平井钻井技术简介水平井也是定向井的一种。但由于水平井特有的轨道形状，钻进工具，技术难度以及广 阔的应用前景和巨大的经济效益，均超过了普通定向井的范畴，所以人们将水平井钻井技术 单列出来。一. 水平井的基本概念1. 定义：水平井是指井眼轨迹达到水平以后，井眼继续延伸一定长度的定向井。这里所 说的“达到水平”，是指井斜角达到90度左右，并非严格的90度。这里所说的“延伸一定 长度”，一般是在油层里延伸，并且延伸的长度要大于油层厚度的六倍。据研究，只有在油 层延伸的长度要大于油层厚度的六倍，水平井才有经济效益。2. 水平井的分类:水平井的分类是根据从垂直井段向水平井段转弯时的转弯半径(曲率 半径)的大小进行的，如表5-7所示。表5-7水平井的分类类别造斜率( /30m)井眼曲率半径(m)水平段长度(m)长半径268602803001700中半径620280852001000中短半径20808520200500短半径301506010100300超短半径特殊转向器0.330603. 各类水平井的特点：长半径水平井，可以用常规定向钻井的设备、工具和方法钻成，固井、完井也与常规定 向井相同，只是难度增大而已。若使用导向钻井系统，不仅可较好地控制井眼轨迹，也可提 高钻速。主要缺点是摩阻力大，起下管柱难度大。此类水平井的数量将越来越少。中半径水平井，在增斜段均要用弯外壳井下动力钻具进行增斜，必要时要使用导向钻井 系统控制井眼轨迹。固井完井方法也可与常规定向井相同，只是难度更大。由于中半径水平 井摩阻力小，所以目前在已钻水平井数量中是最多的。短半径和中短半径水平井主要用于老井侧钻，死井复活，提高采收率。少数也有打新井 的。此类水平井须用特殊的造斜工具，目前有两种钻井系统：柔性旋转钻井系统和井下马达 钻井系统。另外完井的困难较大，只能裸眼或下割缝筛管。由于中靶精度高，增产效益显著， 此类水平井将越来越多。超短半径水平井也被称为径向水平井，仅用于老井复活。通过转动转向器，可以在同一 井深处水平辐射地钻出多个（一般为412个）水平井眼，增产效果很显著，而且地面设备 简单，钻速也快，很有发展前途。但需要有特殊的井下工具和钻进工艺以及特殊的完井工艺。二. 水平井的经济效益与应用前景：1. 水平井的突出特点是井眼穿过油层的长度长，所以油井的单井产量高。据统计，全世 界水平井的产量平均为邻井（直井）的六倍，有的高达几十倍。而且水平井的渗流速度小，出 砂少，采油指数高，因而采收率可以大大提高。2. 水平井可使一大批用直井或普通定向井无开采价值的油藏具有工业开采价值。例如， 一些以垂直裂缝为主的裂缝油藏，一些厚度小于10米薄油层，还有一些低压低渗油藏。另 外，海上油田投资大，成本高，直井开采无效益，水平井却可能有开采价值。3. 水平井可使一大批死井复活。许多具有气顶或低水的油藏，油井经过一段开采之后， 被气锥或水锥淹没而不出油。实际上油井周围仍有大量的油，称为死油。在老井中用侧钻水 平井钻到死油区，可使这批死井复活，重新出油。这是一项非常鼓舞人心的应用前景。4. 水平井作为探井亦具有广阔的前景。我国胜利油田有一口水平井一井穿过十多个油 层，相当于九口直探井。随着水平井技术的发展，大位移水平井，水平分支井，侧钻水平井，径向水平井等技术 的成熟，水平井在提高油田勘探和开发的速度和提高油藏采收率方面，将起到极其重要的作 用。三. 水平井钻井的难度所在1. 水平井的轨迹控制要求高，难度大。要求高，是指轨迹控制的目标区的要求高。普通定向井的目标区是一个靶园，井眼只要 穿过此靶园即为合格。水平井的目标区则是一个扁平的立方体，如图5-43所示，不仅要 求井眼准确进入窗口，而且要求井眼的方位与靶区轴线一致，俗称“矢量中靶”。图43常朋水平刘轨道及目标区难度大，是指在轨迹控 制过程中存在“两个不确定 性因素”。轨迹控制的精度稍 差，就有可能脱靶。所谓“两 个不确定性因素”，一是目标 垂深的不确定性，即地质部 门对目标层垂深的预测有一 定的误差；二是造斜工具的 造斜率的不确定性。这两个 不确定性的存在，对直井和 普通定向井来说，不会有很 大的影响，但对水平井来说， 则可能导致脱靶。这一方面要求精心设计水平井轨道，一方面要求具有较高的轨迹控制能力。2. 管柱受力复杂。 .由于井眼的井斜角大，井眼曲率大，管柱在井内运动将受到巨大的摩阻，致使起下 钻困难，下套管困难，给钻头加压困难。 .在大斜度和水平井段需要使用“倒装钻具”，下部的钻杆将受轴向压力，压力过大 将出现失稳弯曲，弯曲之后将摩阻更大。 .摩阻力、摩扭矩和弯曲应力将显著地增大，使钻柱的受力分析、强度设计和强度校 核比直井和普通定向井更为复杂。 .由于弯曲应力很大，在钻柱旋转条件下应力交变，将加剧钻柱的疲劳破坏。 这就要求精心设计钻柱，严格按规定使用钻柱。3. 泥浆密度选择范围变小，容易出现井漏和井塌。 .地层的破裂压力和坍塌压力随井斜角和井斜方位角而变化。在原地应力的三个主应 力中，垂直主应力不是中间主应力的情况下，随着井斜角的增大，地层破裂压力将减小，坍 塌压力将增大，所以泥浆密度选择范围变小，容易出现井漏和井塌。 .在水平井段，地层破裂压力不变，而随着水平井段长度的增长，井内泥浆液柱的激 动压力和抽吸压力将增大，也将导致井漏和井塌。这就要求精心设计井身结构和泥浆参数，并减小起下管柱的压力波动。4. 岩屑携带困难。由于井眼倾斜，岩屑在上返过程中将沉向井壁的下侧，堆积起来，形成“岩屑床”。特 别是在井斜角4560。的井段，已形成的“岩屑床”会沿井壁下侧向下滑动，形成严重 的堆积，从而堵塞井眼。这就要求精心设计泥浆参数和水力参数。5. 井下缆线作业困难。这主要指完井电测困难。在大斜度和水平井段，测井仪器不可能依靠自重滑到井底。钻 进过程中的测斜和随钻测量，均可利用钻柱将仪器送至井下。射孔测试时亦可利用油管将射 孔枪弹送至井下。只有完井电测时井内为裸眼，仪器难以送入。目前解决此问题的方法是利 用钻柱送入，但仍不甚理想。6. 保证固井质量的难度大。此难度一方面由于大斜度和水平井段的套管在自重下贴在下井壁，居中困难；另一方面 水泥浆在凝固过程中析出的自由水将集中在井眼上侧，从而形成一条沿井眼上侧的“水槽”。 大大影响固井质量。目前此问题的解决方法是：在套管上加足够的特制扶正器，使用“零自由水”水泥浆。7. 完井方法选择和完井工艺难度大。水平井井眼曲率较大时，套管将难以下入，无法使用射孔完井法，将不得不采用裸眼完 井或筛管完井法等。这将使完井方法不能很好地与地层特性相适应，将给采油工艺带来困难。万仁浦有“三不欢迎”：不欢迎短半径，不欢迎小井眼，不欢迎裸眼完井。