定向井钻井轨迹控制

轨迹控制方法轨迹控制方法定向钻井技术定向钻井技术第七节第七节 定向井轨迹控制技术定向井轨迹控制技术轨轨轨轨迹迹迹迹控控控控制制制制 直井段直井段直井段直井段(防斜打直防斜打直防斜打直防斜打直)转盘钻转盘钻转盘钻转盘钻+防斜钻具组合防斜钻具组合防斜钻具组合防斜钻具组合复合钻进复合钻进复合钻进复合钻进(直螺杆直螺杆直螺杆直螺杆/小弯角螺杆小弯角螺杆小弯角螺杆小弯角螺杆)概念概念概念概念:从垂直井段的造斜点开始从垂直井段的造斜点开始从垂直井段的造斜点开始从垂直井段的造斜点开始,使井眼沿一使井眼沿一使井眼沿一使井眼沿一 定的方位定的方位定的方位定的方位 偏斜的作业偏斜的作业偏斜的作业偏斜的作业沿一定方位造斜至一定角度沿一定方位造斜至一定角度沿一定方位造斜至一定角度沿一定方位造斜至一定角度,用用用用增斜组合增斜至要求的井斜角增斜组合增斜至要求的井斜角增斜组合增斜至要求的井斜角增斜组合增斜至要求的井斜角方法方法方法方法直螺杆直螺杆直螺杆直螺杆+弯接头弯接头弯接头弯接头弯螺杆弯螺杆弯螺杆弯螺杆+直接头直接头直接头直接头定向定向定向定向造斜造斜造斜造斜沿一定方位造斜至一定角度沿一定方位造斜至一定角度沿一定方位造斜至一定角度沿一定方位造斜至一定角度,复复复复合钻进增斜至要求的井斜角合钻进增斜至要求的井斜角合钻进增斜至要求的井斜角合钻进增斜至要求的井斜角跟踪跟踪跟踪跟踪控制控制控制控制从造斜结束从造斜结束从造斜结束从造斜结束,到钻完全井到钻完全井到钻完全井到钻完全井,都属于跟踪控制阶段。都属于跟踪控制阶段。都属于跟踪控制阶段。都属于跟踪控制阶段。可采用可采用可采用可采用转盘钻转盘钻转盘钻转盘钻+稳定器组合进行增、稳、降斜钻进稳定器组合进行增、稳、降斜钻进稳定器组合进行增、稳、降斜钻进稳定器组合进行增、稳、降斜钻进,当井斜或当井斜或当井斜或当井斜或/和方位出现偏差时和方位出现偏差时和方位出现偏差时和方位出现偏差时,用动力钻具增用动力钻具增用动力钻具增用动力钻具增/降斜或降斜或降斜或降斜或扭方位；扭方位；扭方位；扭方位；弯螺杆弯螺杆弯螺杆弯螺杆+直接头直接头直接头直接头+MWD,+MWD,发现井斜或方位偏发现井斜或方位偏发现井斜或方位偏发现井斜或方位偏差差差差,随时增随时增随时增随时增/降斜或扭方位。降斜或扭方位。降斜或扭方位。降斜或扭方位。关于轨迹控制的几个重要概念关于轨迹控制的几个重要概念1 1、高边：、高边：、高边：、高边：有斜度的井段其井眼有斜度的井段其井眼有斜度的井段其井眼有斜度的井段其井眼的横断面是呈倾斜状态的圆平的横断面是呈倾斜状态的圆平的横断面是呈倾斜状态的圆平的横断面是呈倾斜状态的圆平面，若干个这样的圆平面上最面，若干个这样的圆平面上最面，若干个这样的圆平面上最面，若干个这样的圆平面上最高点的连线称为高边。高点的连线称为高边。高点的连线称为高边。高点的连线称为高边。定向井的井斜与方位控制定向井的井斜与方位控制水平面水平面工具面工具面井底平面井底平面井斜铅垂面井斜铅垂面2、工具面：工具面：造斜工具弯曲方造斜工具弯曲方向的平面。向的平面。3、装置角、装置角(重力工具面角重力工具面角)：从井眼高边方向线顺时针旋从井眼高边方向线顺时针旋转到造斜工具面上所转过转到造斜工具面上所转过的角度。的角度。高边工具面：以高边为基高边工具面：以高边为基准，一般当井斜准，一般当井斜6时使用时使用（重力工具面）（重力工具面）磁性工具面：以磁北为基准，磁性工具面：以磁北为基准，在井斜较小时使用，数值在井斜较小时使用，数值上等于井斜方位角加装置上等于井斜方位角加装置角。角。工具面角工具面角=90=0=270=180 关于轨迹控制的几个重要概念关于轨迹控制的几个重要概念4 4、反扭矩：在用井底动力钻具钻进时，都存在、反扭矩：在用井底动力钻具钻进时，都存在、反扭矩：在用井底动力钻具钻进时，都存在、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，该扭矩被称一个与钻头转动方向相反的扭矩，该扭矩被称一个与钻头转动方向相反的扭矩，该扭矩被称一个与钻头转动方向相反的扭矩，该扭矩被称为反扭矩。为反扭矩。为反扭矩。为反扭矩。5 5、反扭角：使用井底动力钻具钻进时，因动力、反扭角：使用井底动力钻具钻进时，因动力、反扭角：使用井底动力钻具钻进时，因动力、反扭角：使用井底动力钻具钻进时，因动力钻具反扭矩的作用，使得井底钻具外壳向逆时钻具反扭矩的作用，使得井底钻具外壳向逆时钻具反扭矩的作用，使得井底钻具外壳向逆时钻具反扭矩的作用，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。针方向转动一个角度，该角度被称为反扭角。针方向转动一个角度，该角度被称为反扭角。针方向转动一个角度，该角度被称为反扭角。关于轨迹控制的几个重要概念关于轨迹控制的几个重要概念装置角装置角(工具面角工具面角)与井斜角方位角的关系与井斜角方位角的关系装置角装置角(工具面角工具面角)与井斜角方位角的关系与井斜角方位角的关系装置角装置角(工具面角工具面角)与井斜角方位角的关系与井斜角方位角的关系装置角装置角(工具面角工具面角)的计算的计算例题1：已知1=15，K=10/100m，=22，要求扭完方位以后的井斜角为18。试求装置角和扭方位的井段长度Dm。解：由解析式可得：如=-22，其它不变，？Dm？=6.88，=-75.19=284.19，Dm=68.8m。转盘钻进轨迹控制转盘钻进轨迹控制转盘钻进轨迹控制转盘钻进轨迹控制转盘钻进轨迹控制转盘钻进轨迹控制:在转盘钻进的基础上在转盘钻进的基础上在转盘钻进的基础上在转盘钻进的基础上,利用靠近钻头的钻铤部利用靠近钻头的钻铤部利用靠近钻头的钻铤部利用靠近钻头的钻铤部分分分分,合理的使用扶正器合理的使用扶正器合理的使用扶正器合理的使用扶正器,得到各种性能的钻具组合得到各种性能的钻具组合得到各种性能的钻具组合得到各种性能的钻具组合,实实实实现增斜、稳斜和降斜。现增斜、稳斜和降斜。现增斜、稳斜和降斜。现增斜、稳斜和降斜。BHA（Bottom Hole Assembly）:钻头之上约钻头之上约钻头之上约钻头之上约40-40-50m 50m长的钻柱称为长的钻柱称为长的钻柱称为长的钻柱称为“下部钻柱下部钻柱下部钻柱下部钻柱”。在下部钻。在下部钻。在下部钻。在下部钻柱柱柱柱 上安置某种钻具上安置某种钻具上安置某种钻具上安置某种钻具,构成构成构成构成“下部钻具组合下部钻具组合下部钻具组合下部钻具组合”,也也也也称称称称 为底部钻具组合。为底部钻具组合。为底部钻具组合。为底部钻具组合。转盘钻进轨迹控制转盘钻进轨迹控制增斜组合增斜组合增斜组合增斜组合(杠杆原理杠杆原理杠杆原理杠杆原理)分为强、中、弱三种增斜组合。分为强、中、弱三种增斜组合。分为强、中、弱三种增斜组合。分为强、中、弱三种增斜组合。钻压越大钻压越大钻压越大钻压越大,增斜能力越大增斜能力越大增斜能力越大增斜能力越大;L;L;L;L1 1越长越长越长越长,增斜能力越弱。增斜能力越弱。增斜能力越弱。增斜能力越弱。近钻头稳定器直径减小近钻头稳定器直径减小近钻头稳定器直径减小近钻头稳定器直径减小,增斜能力也减小。增斜能力也减小。增斜能力也减小。增斜能力也减小。类型类型类型类型L L1 1/m/mL L2 2/m/mL L3 3/m/m强增斜组合强增斜组合强增斜组合强增斜组合1.0-1.81.0-1.8/中增斜组合中增斜组合中增斜组合中增斜组合1.0-1.81.0-1.818-2718-27/弱增斜组合弱增斜组合弱增斜组合弱增斜组合1.0-1.81.0-1.89-189-189 9转盘钻进轨迹控制转盘钻进轨迹控制稳斜组合稳斜组合稳斜组合稳斜组合(刚性满眼钻具原理刚性满眼钻具原理刚性满眼钻具原理刚性满眼钻具原理)分为强、中、弱三种稳斜组合。分为强、中、弱三种稳斜组合。分为强、中、弱三种稳斜组合。分为强、中、弱三种稳斜组合。使用中要注意保持正常钻压和较高转速。使用中要注意保持正常钻压和较高转速。使用中要注意保持正常钻压和较高转速。使用中要注意保持正常钻压和较高转速。可使用双稳定器串联代替近钻头稳定器增强稳斜效果。可使用双稳定器串联代替近钻头稳定器增强稳斜效果。可使用双稳定器串联代替近钻头稳定器增强稳斜效果。可使用双稳定器串联代替近钻头稳定器增强稳斜效果。类型类型类型类型L L1 1/m/mL L2 2/m/mL L3 3/m/mL L4 4/m/mL L5 5/m/m强稳斜组合强稳斜组合强稳斜组合强稳斜组合0.8-1.20.8-1.24.5-6.04.5-6.09.09.09.09.09.09.0中稳斜组合中稳斜组合中稳斜组合中稳斜组合1.0-1.81.0-1.83.0-6.03.0-6.09.0-18.09.0-18.09.0-27.09.0-27.0/弱稳斜组合弱稳斜组合弱稳斜组合弱稳斜组合1.0-1.81.0-1.84.54.59.09.0/9 9转盘钻进轨迹控制转盘钻进轨迹控制降斜组合降斜组合降斜组合降斜组合(钟摆原理钟摆原理钟摆原理钟摆原理)分为强、弱两种降斜组合。分为强、弱两种降斜组合。分为强、弱两种降斜组合。分为强、弱两种降斜组合。使用时注意保持小钻压。使用时注意保持小钻压。使用时注意保持小钻压。使用时注意保持小钻压。对于强降斜组合对于强降斜组合对于强降斜组合对于强降斜组合,L1,L1,L1,L1越长越长越长越长,降斜能力强降斜能力强降斜能力强降斜能力强,但不能与井壁有新的接触点。但不能与井壁有新的接触点。但不能与井壁有新的接触点。但不能与井壁有新的接触点。类型类型类型类型L L1 1/m/mL L2 2/m/m强降斜组合强降斜组合强降斜组合强降斜组合9.0-27.09.0-27.0/弱降斜组合弱降斜组合弱降斜组合弱降斜组合0.80.818.0-2718.0-27复合钻进轨迹控制复合钻进轨迹控制根据钻井一公司根据钻井一公司:双驱复合钻井轨迹控制技术研究双驱复合钻井轨迹控制技术研究1 1、结构弯角对造斜能力的影晌、结构弯角对造斜能力的影晌、结构弯角对造斜能力的影晌、结构弯角对造斜能力的影晌2 2、上稳定器尺寸及位置对造斜能力的影响、上稳定器尺寸及位置对造斜能力的影响、上稳定器尺寸及位置对造斜能力的影响、上稳定器尺寸及位置对造斜能力的影响3 3、双驱钻井井眼轨迹控制现场施工技术、双驱钻井井眼轨迹控制现场施工技术、双驱钻井井眼轨迹控制现场施工技术、双驱钻井井眼轨迹控制现场施工技术1、结构弯角对造斜能力的影晌、结构弯角对造斜能力的影晌 0.50.5单弯螺杆钻具组合单弯螺杆钻具组合0.5双扶双扶和0.5单扶单弯单扶单弯螺杆钻具螺杆钻具组合在文33-152井、新卫222井使用，钻进50-80m没有增斜效果。0.750.75单弯螺杆钻具组合单弯螺杆钻具组合0.75双扶单弯双扶单弯螺杆钻具在胡5-200、卫360、胡7-282、文33-152、胡5-197等井使用，其增、降斜率0.75/根。增斜率与设计增斜率4/30m相差太大；降斜率虽达到设计要求，但定向滑动钻速比转盘慢，在定向增斜时少用或不用。0.75单扶单弯单扶单弯螺杆钻具PDC钻头，在濮7-147井等6口井试验中，定向造斜率适中，一般为12-14/100m。双驱复合钻进时增斜率2-8/100m。因此，0.75单弯单扶螺杆比较适合中原油田钻井的需要。井号使用井段m造斜率/100m使用目的濮7-1472550278012.6定向桥66-23251626344.66自然增斜文27929603150-2微降斜马682361-28372.5自然增斜 0.75单扶单弯单扶单弯螺杆钻具复合钻进试验情况1、结构弯角对造斜能力的影晌、结构弯角对造斜能力的影晌 11单弯螺杆钻具组合单弯螺杆钻具组合 1双扶单弯双扶单弯螺杆+PDC，为防止全角变化率超标，启动转盘，在钻进过程中当井斜达到10以上，其稳方位，微降斜效果相当明显，正常情况下降斜0.52.5/100m，方位变化很小。1、结构弯角对造斜能力的影晌、结构弯角对造斜能力的影晌 1双扶单弯双扶单弯螺杆在稳斜段的应用分析螺杆在稳斜段的应用分析井 号钻头类型钻井井段m钻压KN转速r/min排量L/s泵压Mpa井斜变化()方位变化()新文38-33F1924C1678-213010-405828162721.599102新濮3-402GP5452732-296040-605828174039285濮6-122GP5453643-386060-8058281837.533295292文79-131GP5453080-335140-505828162928.53103121、结构弯角对造斜能力的影晌、结构弯角对造斜能力的影晌在新文72-8、文273-5、新文10-88、新文10-4、文213-15、新濮3-180等井使用1单扶单弯单扶单弯螺杆，采用1单扶单弯螺杆PDC，定向造斜至井斜15后，启动转盘进行复合钻进，每100m增斜率3-8，完全满足了中原油田钻井的需要。井号定向井段m最大井斜造斜率/100使用目的文2792080-2900533-7自然造斜文23-212440-2960515-8自然造斜文88-232910-3555488自然造斜文72-1252828-3150385自然造斜1单弯单扶单弯单扶螺杆双驱试验统计表 1.251.25或或1.51.5单弯螺杆钻具组合单弯螺杆钻具组合 在大斜度定向井中，使用1.25单弯双扶螺杆，稳斜效果较好。但是，由于1.25或1.5单弯螺杆弯度大，钻头偏移量大，双驱复合钻进时螺杆芯子受交变应力大，很易断芯子。到2005年初，中原油田使用的1.25的螺杆进行复合钻进，断螺杆芯子6根，占1.25螺杆使用量的30%。为此，今后使用1.25螺杆时尽量避免启动转盘。1、结构弯角对造斜能力的影晌、结构弯角对造斜能力的影晌2、上稳定器尺寸及位置对造斜能力的影响、上稳定器尺寸及位置对造斜能力的影响上稳正器上稳正器210mm（或（或212）新13井 p1的单弯单扶每50米增斜5p1的单弯双扶每100米降斜5p稳斜段的井斜角使用转盘难以控制 上稳正器上稳正器195-200-206-208mm 文文3333159159井复合钻进数据变化情况井复合钻进数据变化情况序号井深m井斜方位备注1274538287.81单弯上稳正器上稳正器195mm2283040286.93297339.8285.84337237.8282.4文文72-27072-270井钻进数据变化情况井钻进数据变化情况序号井深m井斜方位备注131791.9312.81单弯/随钻/扭方位 232082.718.11单弯/随钻/扭方位332373.949.41单弯/随钻/扭方位432663.745.5复合钻进532953.636.9复合钻进633534.219.6复合钻进上稳正器上稳正器208mm208mm2、上稳定器尺寸及位置对造斜能力的影响、上稳定器尺寸及位置对造斜能力的影响文文33-169井井使用上扶正器为206mm的单弯双扶螺杆，井斜从2443m的13微增到井深3120米的16，改变了双扶降斜的认识。刘侧刘侧20-220-2井稳斜段钻进数据情况井稳斜段钻进数据情况序号井深m井斜方位1319327289.9复合钻进上扶正器95mm1单弯双扶2339225.2292.93344924.1293.94364926.729253734262936384824.9287.92、上稳定器尺寸及位置对造斜能力的影响、上稳定器尺寸及位置对造斜能力的影响2、上稳定器尺寸及位置对造斜能力的影响、上稳定器尺寸及位置对造斜能力的影响 1单弯双扶螺杆：上扶正器208mm 扶正器与螺杆间加一根3米长的短钻铤 从井深2032m钻到2485m，井斜从44微增到47，增斜率只有0.6/100m。螺杆一般7.2m左右，两扶正器间的长度约为6.5m，增长1/3，即3-4m可大大改变受力状态，在斜井段起到稳斜的作用。胡105-2井文文284井井 ：井段1800-2961m下入8P265MF+1单弯单扶+短钻铤3.81m+195mm扶正器+158mm钻铤6根，钻压30-50KN，转速65r/min，排量26l/s，泵压12-16MPa。2、上稳定器尺寸及位置对造斜能力的影响、上稳定器尺寸及位置对造斜能力的影响文文284井井斜数据情况井井斜数据情况序号井深m井斜方位1180838.8110.82197839.9108.53209140.5112.54226040.7112.55240241.7108.16265642.1111.97274045.3113.98293842.1110.63、双驱钻井井眼轨迹控制现场施工技术、双驱钻井井眼轨迹控制现场施工技术 井位优选技术井位优选技术根据区块地层倾向，倾角，邻井资料以及双驱钻井的特性，总结出地层自然造斜规律，以此确定地面井口位置，使设计方位满足地层自然漂移规律，以降低井眼轨迹控制难度。对于双靶及多靶定向井，靶区目标点的给定限制了井口位置，必须在靶心连线的延长线上或延长线附近，而井口与第I靶位移的大小是一个关键问题，位移过大或过小都会造成施工难度增大。最大井斜与最大井斜与I靶所需位移的关系靶所需位移的关系最大井斜（）I靶所需位移(m)20-3050-15030-40150-24040-50240-36050-60360-53060-70530-71070-80710-880井身剖面优化井身剖面优化 双驱钻井井眼轨迹控制现场施工技术双驱钻井井眼轨迹控制现场施工技术 剖面优化设计的原则是：根据上部直井段轨迹，结合靶区要求，在I靶位移和中I靶井斜允许的情况下，井井斜大于斜大于20的定向井的定向井造斜按3.6/30m设计，定向至10-15，对井斜对井斜50以上的定向井以上的定向井定向至20以上，以3-6/100m设计，到I靶附近，井斜达设计最大，位移不超标为最佳，然后稳斜中II靶。井斜小于井斜小于20的定向井的定向井，造斜率以3.5/30m计算，直接采用动力钻具造斜至最大井斜，然后稳斜钻进中靶。双驱钻井井眼轨迹控制现场施工技术双驱钻井井眼轨迹控制现场施工技术 直井段井眼轨迹控制直井段井眼轨迹控制钻穿馆陶组后，除黄河南部分火成岩外，全部使用PDC钻头+动力钻具双驱钻进 18井眼中，馆陶底距造斜点500m以上，馆陶底井斜较大，且方位与设计方位偏差较大，直井段自然造斜方位与设计方位不一致时，选择直螺杆，钻具组合为：8PDC钻头+5LZ165直螺杆+6NDC1根+214扶正器+6DC，钻至造斜点，以控制造斜点侧向或反向位移，例如文179-33井，技术套管封馆陶组，三开直井段长达1262m，选用此钻具组合至造斜点。2馆陶底方位与设计方位基本一致，且第一靶位移较 大时，选用双扶单弯螺杆且上扶正器选用小直径，减少造斜点与第一靶之间的位移，降低定向段和稳 斜段难度。如：文65-165井，馆陶底井斜2，方位290，上扶正器直径200，钻至造斜点井斜4，方位与设计一致，既降低了定向工作量，又避免了定向前起钻。双驱钻井井眼轨迹控制现场施工技术双驱钻井井眼轨迹控制现场施工技术 3 8井眼馆陶底井斜不大，且距造斜点较近，直接使用上下扶正器直径相同单弯螺杆，其度数根据邻井造斜资料选择，当设计最大井斜较小时，可完成直井段、造斜段及稳斜段作业。例如，文98-21井，出馆陶组后，一趟钻打完设计进尺，完成了直、增、稳三种作业。双驱钻井井眼轨迹控制现场施工技术双驱钻井井眼轨迹控制现场施工技术 4上部直井段井斜、位移均偏大，继续钻进其侧向位移可能造成造斜点与双靶不一条线，选择双扶单弯螺杆纠斜或扭方位后再钻直井段。例如：文133-19井，由于上部井斜达4，方位与设计方位基本垂直，采用双扶单弯螺杆在直井段纠斜后钻至造斜点。定向段及增斜段的轨迹控制定向段及增斜段的轨迹控制 双驱钻井井眼轨迹控制现场施工技术双驱钻井井眼轨迹控制现场施工技术 采用PDC钻头配合单弯螺杆定向造斜，用随钻仪器监测 组合1：8PDC+165单弯单扶螺杆+159NDC1根+159DC6根+127HWDP12根+127DP当设计最大井斜大于20的定向井，用0.75度单扶单弯螺杆或1单扶单弯螺杆造斜到15以上，启动转盘复合钻进自然增斜。当设计最大井斜在20以内或者由于靶位移的限制，需定向至设计最大井斜的定向井，用1或1.25双扶单弯螺杆直接造斜到最大井斜后复合钻进稳斜中靶，组合2：8PDC+165双扶单弯螺杆+159NDC1根+159DC6根+127HWDP12根+127DP钻进参数：钻压20-80KN，复合钻进时转速45-65r/min，排量28-30l/s，泵压12-18Mpa。双驱钻井井眼轨迹控制现场施工技术双驱钻井井眼轨迹控制现场施工技术 稳斜段井眼轨迹控制稳斜段井眼轨迹控制 采用钻具组合2，用0.75或1双扶单弯螺杆。若地层倾向与设计方位为顺向，则表现为微降斜，降斜率为0.6-1.2/30m；若地层倾向与设计方位为反向，增斜率为0.45-0.6/30m；若地层倾向与设计方位侧向时，则表现为微降斜，降斜率0.2-0.6/30m 在下入单弯双扶螺杆钻具组合时要充分考虑地层倾向倾角与设计方位之间的关系，对下部的增斜率留有余量，以便顺利中靶。在稳斜段自然降斜严重的定向井中采取上移上扶正器2-4m，可有效地增强稳斜效果，也可采用小直径上扶正器达到稳斜效果。双驱钻井井眼轨迹控制现场施工技术双驱钻井井眼轨迹控制现场施工技术 钻具组合：8PDC+172（或165）直螺杆+159NDC1 根+214扶正器+159DC6根+127HWDP12根+127钻杆。钻井参数：钻压20-40KN，转盘45-65r/min，排量28-30l/s，泵压12-14Mpa，该钻具组合能获得较高的机械钻速，其降斜率受地层产状要素和井斜影响很大。双驱钻井井眼轨迹控制现场施工技术双驱钻井井眼轨迹控制现场施工技术 降斜段井眼轨迹控制降斜段井眼轨迹控制