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定向井及水平井基础知识介绍概述在石油勘探与开发中，为了更有效地获取地下资源，定向井和水平井技术日益被广泛应用。
本文将介绍定向井和水平井的基础知识，包括定义、优势、应用领域和技术特点等内容。
定向井的定义和优势定向井是指在垂直井的基础上，在一定深度范围内以一定倾角钻孔，旨在钻探具有特定目标的井筒。
与传统垂直井相比，定向井有以下优势： - 可钻入地下难以进入的地质层； - 可减少钻井长度，降低成本； - 可提高油井产能； - 可通过改变井眼轨迹实现水平产量。
定向井的应用领域定向井技术在石油勘探与生产中有着广泛的应用，主要包括以下几个领域： 1.增产：通过定向井技术，可达到增加油井产能的目的，提高石油开采效率。
2. 增储：将定向井开入储层可增加有效储集层面积，提高储层有效厚度。
3. 保护环境：通过定向井技术可以减少地表受到的损害，降低对环境的影响。
定向井的技术特点定向井技术具有以下技术特点： 1. 井眼轨迹可以根据地质条件和开采需求调整，灵活性高。
2. 需要精准的测量和导向技术，以确保井眼轨迹的准确性。
3. 钻井难度较大，需要高级的钻井设备和技术支持。
4. 通常需要配合水平井技术，实现更有效的油井开采。
水平井的定义和优势水平井是指在总长度相对较长、倾角相对较小的井筒中的一段呈水平或近水平方向前行的油气井。
与垂直井相比，水平井有以下优势： - 可以在储层中水平方向上穿过多个裂缝或孔隙，提高采收率。
- 可以减缓井底流体速度，减少持液力，降低油井产能。
- 可以有效控制油井生产，避免地层压力过快下降。
水平井的应用领域水平井技术主要应用于以下几个领域： 1. 大垂深气藏开发：通过水平井技术，可以有效提高气藏的采收率。
2. 高含水期油田的开发：水平井技术有助于提高油田的开发效率。
3. 多重边际储层的解决：适用于有多层油气藏交错分布的地质构造。
水平井的技术特点水平井技术具有以下技术特点： 1. 需要精确的测量和控制技术，以确保水平段的准确布置和有效开发。
定向井和水平井钻井技术第一节 定向井井身参数和测斜计算一．定向井的剖面类型及其应用定向钻井就是“使井眼按预定方向偏斜，钻达地下预定目标的一门科学技术”。
定向钻井的应用范围很广，可归纳如图9－l 所示。
定向井的剖面类型共有十多种，但是，大多数常规定向井的剖面是三种基本剖面类型，见图9－2，称为“J ”型、“S ”型和连续增斜型。
按井斜角的大小范围定向井又可分为： 一、专业名词1．定向井（Directional Well ） 一口井的设计目标点，按照人为的需要，在一个既定的方向上与井口垂线偏离一定的距离的井，称为定向井。
2．井深（Measure Depth ）井眼轴线上任一点，到井口的井眼长度，称为该点的井深，也称为该点的测量井深，或斜深。
单位为“m ”。
3．垂深（Vertical Depth or True Vertical Depth ）井眼轴线上任一点，到井口所在水平面的距离，称为该点的垂深。
通常以“m ”为单位。
4．水平位移（Displacement or Closure Distance ）井眼轨迹上任一点，与井口铅直线的距离，谓之该点的“水平位移”。
也称该点的闭合距。
其计量单位为“m ”。
5．视平移（Vertical section ）水平位移在设计方位线上的投影长度，称为视平移。
如图10—1所示，OQ 为设计方位线，T O曲线为实钻井眼轴线在水平面上的投影，其上任一点P 的水平位移为OP ，以 A P表示。
P 点的视平移为OK ，其长度以V P 表示。
当OK 与OQ 同向时V P 为正值，反向时为负值。
视平移是绘制垂直投影图的重要参数。
单位为m 。
6．井斜角（Hole Inclination or Hole Angle ）井眼轴线上任一点的井眼方向线，与通过该点的重力线之间的夹角，称为该点处的“井斜角”。
以度为单位。
7．最大的井斜角（MaxinumHoleAngle）“最大井斜角”有两种不同的意义。
第九章定向井(水平井)钻井技术新进展9.1 小井眼钻井技术(Slim-Hole Drilling Technique)9.1.1 小井眼钻井技术概况所谓小井眼，国外定义为90%以上井段直径小于177.8毫米(即7”)的井眼，国内有些学者则认为：穿过目的层的井段是用小于7”钻头钻成的井眼。
早在五十年代，小井眼就十分流行，但由于修井和采油的一些难题，又使人们在六十年代又转回到较大尺寸的生产井。
在沉寂了一段时间之后，近年来小井眼钻井作业在世界上又悄然兴起，主要基于以下原因：①国际油价大跌，迫使油公司要寻找一种更廉价的勘探开发方法，小井眼便是其重要途径。
据BP等多家油公司的统计资料表明：在相同井深的条件下，但就井眼小所发生的场地、材料、运输、资料解释等费用就比常规井少30%，根据几个油公司的小规模试验，节约钻井费用的前景是40%～50%；②出于环境保护的压力，由于井眼小，泥浆用量，排屑量，场地占用施工机械等相应减少，对环保有利；③减少边远和地面交通困难地区的勘探风险，在世界范围内，探井成功率只占13%。
探井打小井眼除低费用风险外，更重要的是这些地区地震工作也十分困难，在少量地震的前提下，早期打一些连续取芯的小井眼探井，可及早搞清地下情况，及早决策。
小井眼钻井有如下几方面的优点：A：井场占地面积小，一般不到1200平米，特别适用于农耕区钻井，节约土地；B：钻井设备轻，钻机及辅助设备不足200吨，易于搬运安装；C：钻井作业人员少，每24小时只需6～8人；D：岩屑量少，不足常规井的10%，便于废物处理，利于环保；E：消耗性材料(如钻头、套管、泥浆处理剂、水泥等)费用只占常规井的45%，可节约大笔成本。
由于小井眼钻井有其优越的经济性，所以日益为一些石油公司所青睐，仅1990年，国外小井眼已钻1000余口，其中大部分在美国。
92年由美国Maurer公司组织、12个国家的40多家公司参加的一个大型研究项目—DEA67，对小井眼及柔管技术进行系统的评价和研究。
定向井和水平井钻井技术（一）第一节定向井井身参数和测斜计算一．定向井的剖面类型及其应用定向钻井就是“使井眼按预定方向偏斜，钻达地下预定目标的一门科学技术”。
定向钻井的应用范围很广，可归纳。
定向井的剖面类型共有十多种，但是，大多数常规定向井的剖面是三种基本剖面类型，称为“J”型、“S”型和连续增斜型。
按井斜角的大小范围定向井又可分为：常规定向井井斜角＜55°大斜度井井斜角55～85°水平井井斜角＞85°（有水平延伸段）二．定向井井身参数实际钻井的定向井井眼轴线是一条空间曲线。
钻进一定的井段后，要进行测斜，被测的点叫测点。
两个测点之间的距离称为测段长度。
每个测点的基本参数有三项：井斜角、方位角和井深，这三项称为井身基本参数，也叫井身三要素。
1．测量井深：指井口至测点间的井眼实际长度。
2．井斜角：测点处的井眼方向线与重力线之间的夹角。
3．方位角：以正北方向线为始边，顺时针旋转至方位线所转过的角度，该方向线是指在水平面上，方位角可在0—360°之间变化。
目前，广泛使用的各种磁力测斜仪测得的方位值是以地球磁北方位线为准的，称为磁方位角。
磁北方向线与正北方向线之间有一个夹角，称磁偏角，磁偏角有东、西之分，称为东或西磁偏角，真方位的计算式如下：真方位＝磁方位角十东磁偏角或真方位＝磁方位角一西磁偏角公式可概括为“东加西减”四个字。
方位角也有以象限表示的，以南（S）北（N）方向向东（E）西（W）方向的偏斜表示，如N10°E，S20°W。
在进行磁方位校正时，必须注意磁偏角在各个象限里是“加上”还是“减去。
4．造斜点：从垂直井段开始倾斜的起点。
5．垂直井深：通过井眼轨迹上某点的水平面到井口的距离。
6．闭合距和闭合方位（l）闭合距：指水平投影面上测点到井口的距离，通常指靶点或井底的位移，而其他测点的闭合距离可称为水平位移。
（2）闭合方位：指水平投影响图上，从正北方向顺时针转至测点与井口连线之间的夹角。
第26卷第2期1998年6月 石 油 钻 探 技 术PETROL EUM DR I LL I N G T ECHN I QU ESVO1126,N o12Jun.,1998!钻井技术#定向井和水平井测量技术基础周华林 田树林 李兆东 王华西(山东东营 257064) 提要 介绍了地磁场的四个基本特性、地磁场的球谐分析方法(高斯理论)及国际地磁参考场的发布使用情况。
分析认为,定向井水平井井迹实测数据(以地磁北极为基准)和计算数据(以高斯2克吕格坐标北极为基准)都必须校正到以地理北极为基准上来。
探讨了地磁场参数在定向钻井中的作用、无磁钻铤长度的选择、测量数据的比较等问题。
主题词 高斯定律 大地磁场 坐标系统 电磁干扰 无磁钻铤 测量 测量仪器 定向井 水平井 现代钻井工程中,定向钻井技术的发展相当快,从钻小斜度、小位移的普通定向井发展到能钻大斜度、大位移的高难度定向井,进而发展到钻水平井等特殊工艺井。
其测量仪器随着整个工业技术的发展,也在不断地更新,从磁性单、多点照相测斜仪发展到电子多点测斜仪ESS,进而发展到有线随钻测斜仪SST和无线随钻测斜仪MW D。
但其测量基准并没有改变,都与大地有关。
比如电子类测量仪器的主要传感元件是敏感大地重力场的重力加速度计和敏感大地磁力场的磁通门。
可以说,定向井、水平井现场施工技术人员,只有具备了定向井和水平井测量技术基础知识以后,才能钻出高精度的定向井和水平井。
那么,关于地球的哪些理论是测量技术基础?另外,哪些因素影响定向井和水平井的测量精度?本文试作介绍和探讨。
一、关于地磁场的理论11地磁场的基本特性由地磁学可知,地磁场的基本特性主要有四点:(1)地磁场近似于一个置于地心的偶极子磁场。
这个偶极子的磁轴与地轴斜交成一个角度,并与按地理位置确定地球表面的地磁南极和北极极性相反。
(2)地磁场是一个弱磁场,在地球表面的平均磁感应强度为0105m T。
(3)地磁场B由各种不同来源的磁场叠加而成,包括主要起源于地球内部的稳定磁场B1和主要起源于地球外部的变化磁场B2。
第四章定向井、水平井测量技术第一节定向井、水平井测量的性质和特点一. 钻井过程中测量的方法、媒介和基准石油钻井过程中的测量属于工程测量的一种类型。
从物理意义上讲, 测量井下钻具的工具面角, 即为井下钻具定向或测量井眼的轨迹均属于空间姿态的测量。
由于石油钻井工程的特殊性使得这一测量过程必须借助专门的工具和仪器, 采取间接测量的方法来完成。
目前, 石油钻井过程中的测量需要借助三种媒介, 即大地的重力场、大地磁场和天体坐标系, 由此产生了与这三种测量媒介有关的测量仪器。
1. 借助于重力场测量井斜角或高边工具面, 采用的测量元件为测角器、罗盘重锤或重力加速度计等。
这类仪器的测量基准是测点与地心的连线, 即铅垂线。
2. 借助于地磁场测量方位角或磁性工具面, 采用的测量元件为罗盘或磁通门等。
这类仪器的测量基准是磁性北极, 所以磁性仪器测量的方位角数据必须根据当地的磁偏角修正成真北极, 即地理北极的数据。
3. 借助于天体坐标系测量方位角或磁性工具面, 采用的测量元件为陀螺仪。
陀螺仪为惯性测量仪器, 不以地球上任何一为基准, 这类仪器下井测量之前必须对陀螺仪的自转轴进行地理北极的方位标定。
二. 钻井过程中测量的特点1. 钻井过程中的测量是间接测量, 必须借助专用工具和仪器完成。
而且根据测量仪器的数据记录和传输方式的不同, 钻井测量分为实时测量和事后测量。
2. 测量仪器的尺寸受到井眼和钻井工具的限制, 特别是下井仪器的径向尺寸必须能够下入套管和钻具内, 而且不会因仪器的下入而影响泥浆的流动或产生过大的泥浆压降。
3. 下井仪器受到地层和泥浆的高压, 仪器的保护筒和密封件必须能够承受这种高压, 而且还应具备一定的安全系数。
4. 由于地层的温度随着井深变化, 下井仪器是在高于地面温度的环境里工作, 要求下井仪器具有良好的抗高温性能, 一般称耐温 125℃以下的仪器为常温或常规仪器, 称耐温 182℃以下的仪器为高温仪器。
5. 某些仪器在使用过程中要承受冲击 (如单多点测斜仪的投测)、钻具转动 (如转盘钻具中的 MWD 仪器)、钻头和钻具在钻进过程中的振动 (如 MWD 和有线随钻测斜仪) 等。
二. 测量仪器技术发展情况第二节测量仪器分类和应用范围一. 测量仪器分类(图片: 测量仪器分类)┌─Φ35 mm 外径测斜仪 (常规)┌─罗盘单点照相测斜仪─┤│└─Φ25 mm 外径测斜仪 (高温) ┌─罗盘类─┤││┌─Φ35 mm 外径测斜仪 (常规)│└─罗盘多点照相测斜仪─┤测│└─Φ25 mm 外径测斜仪 (高温) │┌─有线随钻测斜仪量││──┼─电磁类─┼─无线随钻测斜仪 (包括: 定向 MWD、带地质参数 MWD)仪│││└─电子多点测斜仪器│┌─Φ60 mm 外径多点陀螺测斜仪│┌─照相陀螺测斜仪───┼─Φ35 mm 外径单点陀螺测斜仪││└─Φ35 mm 外径多点陀螺测斜仪└─陀螺类─┤│┌─地面记录定向陀螺测斜仪└─电子陀螺测斜仪───┼─框架式电子陀螺测斜仪└─速率积分电子陀螺测斜仪二. 测量仪器的应用范围1. 磁罗盘单、多点照相测斜仪这类仪器适用于普通定向井和无邻井磁干扰的丛式井中与无磁钻铤配合使用, 为井下钻具组合定向或测取井身轨迹数据。
Φ35 mm 外径的常规单、多点照相测斜仪适应温度小于 125℃的井眼。
而Φ25 mm 外径的常规单、多点照相测斜仪适应温度小于 182℃的井眼。
2. 有线随钻测斜仪有线随钻测斜仪适用于较深的定向井、无邻井磁干扰的丛式井或大斜度井、水平井中与无磁钻铤配合使用, 为井下钻具组合定向。
3. 无线随钻测斜仪无线随钻测斜仪适用于超深定向井、大斜度井、水平井中或海洋钻井平台上与无磁钻铤配合使用, 为井下钻具组合定向或测取井身轨迹数据。
4. 电子多点测斜仪电子多点测斜仪适用于精度要求较高的定向井、无邻井磁干扰的丛式井、大斜度井、水平井中或海洋钻井平台上与无磁钻铤配合使用, 为井下钻具组合定向或测取井身轨迹数据。
5. 照相单、多点陀螺测斜仪这类仪器适用于已下探管的井眼中测取井身轨迹数据, 或在丛式井、套管开窗井中为井下钻具组合定向。
6. 电子陀螺测斜仪电子陀螺测斜仪适用于已下探管的井眼中测取较高精度的井身轨迹数据, 或在丛式井、套管开窗井中为井下钻具组合定向。
第三节磁罗盘单、多点测量仪器磁罗盘照相测斜仪分为单点测斜仪和多点测斜仪两类, 是目前国内石油定向钻井行业中使用最普遍的测量仪器, 这两类具有结构简单、操作方便、价格低廉的优点。
在裸眼井中, 将仪器下到钻具组合的无磁钻铤位置, 采用定时器控制仪器电源将某一井深的井斜角、方位角和工具面角数据记录在胶片或胶卷上, 作为永久性资料保存。
国内外石油行业中使用的磁罗盘照相测斜仪有数十中, 目前国内应用最多的是美国 EASTMAN CHRISTENSEN 公司的 R 型和 E 型罗盘测斜仪, 以及部分美国 SPERRY- SUN 公司的 A 型和 B 型罗盘测斜仪。
其中 R 型和 A 型为常规仪器, E 型和 B 型为高温仪器。
国产单、多点测斜仪主要是西安石油仪器厂和牡丹江石油仪器厂两家, 这两家的产品均为仿制美国 EASTMAN CHRISTENSEN 公司的 R 型单、多点测斜仪。
一. 磁罗盘单点照相测斜仪1. 磁单点测斜仪的结构和工作原理磁单点测斜仪由定时器、电池筒、照相机总成、罗盘短节、外筒总成及辅助工具等五部分组成。
(图片: SPERRY-SUN A 型磁单点测斜仪组装图)(图片: EASTMAN CHRISTENSEN R 型磁单点测斜仪组装图)(1). 定时器磁单点测斜仪使用的定时器有机械定时器、电子定时器、蒙乃尔传感器和运动传感器等四种, 其作用均为控制仪器电源在特定的时间使照相机拍摄测斜胶片。
①. 机械定时器(图片: SPERRY-SUN 磁单点测斜仪机械定时器)机械定时器是一套钟表机构, 当转动定时轮使其对准要求的照相时间时,定时轮将受机械发条力的作用, 在钟表齿轮系统的控制下往回运动。
当定时轮上的 O 对准外壳上的 ON 时, 定时轮上的触点与钟表系统的触点接触, 使电源导通开始照相。
②. 电子定时器电子定时器是由振荡器、分频器、计数器、开关电路和调节部分组成。
其工作原理类似于石英电子钟。
(图片: EASTMAN CHRISTENSEN 磁单点测斜仪电子定时器)③. 蒙乃尔传感器蒙乃尔传感器是由参考振荡器、测量振荡器、时基振荡器、频率合成器、整形放大器、计数开关电路、分频与延时电路和时间选择电路等组成。
蒙乃尔传感器的测量线圈能够敏感周围环境的金属材料 (如钻杆和无磁钻铤), 对周围不同的金属材料, 线圈产生的电感量不同, 从而使测量振荡器产生不同的输出频率。
只有在无磁钻铤的环境中产生的频率, 经过合成放大才能导通开关电路, 控制单点测斜仪照相。
(图片: EASTMAN CHRISTENSEN 单点测斜仪蒙乃尔传感器)④. 运动传感器运动传感器与单点测斜仪组装后由运动状态变为静止, 并稳定一段时间后导通开关电路, 控制单点测斜仪照相。
(2). 电池筒(图片: SPERRY-SUN A 型磁单点测斜仪电池筒)(图片: EASTMAN CHRISTENSEN R 型磁单点测斜仪电池筒)(3). 照相机总成(图片: SPERRY-SUN A 型磁单点测斜仪照相机总成)照相机总成由胶片盒、连接筒、镜头和光源组成。
它们的作用有三个:①. 装卸圆形照相胶片。
②. 提供光源通道。
③. 当定时器导通电源时, 使照相机拍摄测斜照片。
(图片: EASTMAN CHRISTENSEN R 型单点测斜仪照相机总成)(4). 罗盘短节(图片: SPERRY-SUN A 型磁单点测斜仪罗盘短节)根据测量的井斜角范围, SPERRY-SUN A 型单点测斜仪使用的测斜罗盘主要有: 6°、20°、90°三种规格, 其中 20°、90°罗盘在定向井中应用最多。
这种测斜罗盘和测角装置采用半球体的浮子式结构。
(图片: EASTMAN CHRISTENSEN R 型单点测斜仪罗盘短节)根据测量的井斜角范围, EASTMAN CHRISTENSEN R 型单点测斜仪使用的测斜罗盘主要有: 6°、20°、90°三种规格, 其中 20°、90°罗盘在定向井中应用最多。
(5). 辅助工具磁单点测斜仪的辅助工具主要有: 装片盒、显影罐、胶片阅读器和仪器扳手等。
(图片: SPERRY-SUN A 型磁单点测斜仪的辅助工具)(图片: EASTMAN CHRISTENSEN R 型磁单点测斜仪的辅助工具)(6). 外筒总成和打捞筒仪器的外筒总成包括: 仪器外筒、定向减震短节、加长杆、定向引鞋或下减震器短节、打捞绳帽。
(图片: SPERRY-SUN A 型磁单点测斜仪外筒总成)(图片: SPERRY-SUN A 型磁单点测斜仪打捞筒)2. 磁单点测斜仪的操作方法(1). 选择罗盘度数(2). 选择定时器(3). 选择投测或吊测方式(4). 检查仪器性能和零部件(5). 组装仪器、装胶片(6). 设置测斜时间 (除使用蒙乃尔传感器)(7). 组装仪器外筒(8). 投测或吊测(9). 投测打捞(10). 冲洗胶片(11). 阅读胶片和计算单点测斜仪的吊测需要采用钢丝测斜绞车下入仪器。
(图片: 钢丝测斜绞车)二. 磁罗盘多点照相测斜仪1. 磁多点测斜仪的结构和工作原理磁多点测斜仪由定时器、电池筒、电磁阀、胶片筒、照相机总成、罗盘短节、外筒总成及辅助工具等七部分组成。
(图片: SPERRY-SUN A 型磁多点测斜仪组装图)(图片: EASTMAN CHRISTENSEN R 型磁多点测斜仪组装图)(1). 定时器磁多点测斜仪使用的定时器有机械定时器、电子程序定时器两种, 电子程序定时器使用的较多。
其作用为控制仪器卷片和拍测斜照片。
电子程序定时器是由振荡器、分频计数器、光源放大开关电路和卷片放大开关电路组成。
(图片: SPERRY-SUN 磁多点测斜仪电子程序定时器)(图片: EASTMAN CHRISTENSEN 磁多点测斜仪电子程序定时器)(2). 电池筒(图片: SPERRY-SUN 磁多点测斜仪电池筒)(图片: EASTMAN CHRISTENSEN 磁多点测斜仪电池筒)(3). 照相机总成SPERRY-SUN 磁多点测斜仪照相机总成单点测斜仪相同。
(图片: EASTMAN CHRISTENSEN 多点测斜仪照相机总成)(4). 罗盘短节SPERRY-SUN 单多点测斜仪罗盘短节相同。
根据测量的井斜角范围, EASTMAN CHRISTENSEN R 型多点测斜仪使用的测斜罗盘主要有: 6°、20°、90°三种规格, 其中 20°、90°罗盘在定向井中应用最多。
