定向钻井技术
在阜康煤层气示范工程中的应用
新疆煤田地质局一五六煤田地质勘探队
2014年11月20日
定向钻井技术在阜康煤层气示范工程中的应用刘蒙蒙（新疆煤田地质局一五六煤田地质勘探队）
摘要
探讨和总结定向技术在新疆阜康白杨河矿区煤层气开发利用先导性示范工程钻井工程中的应用，介绍定向设计，定向仪器工作原理及使用。由于地理条件、排采地面工程、节约成本、增加采收率的需要，示范工程大部分井设计为丛式井，也有两口L型井和一口U型对接井，加上地层倾角大地层造斜严重，所以为了达到设计要求必须引进定向钻井技术。本文主要从井眼轨迹设计、定向仪器、定向工艺、定向实例四方面进行介绍。
关键词：定向技术、钻井工程、定向仪器
阜康煤层气示范工程项目由156队承担施工，其中定向钻井由156队工程技术科参与施工3口，独立施工1口。156队工程技术科已培养出学习和应用掌握定向钻井的技术人员，具有基本的定向设计、定向施工、定向验收能力。
1 定向井眼轨迹设计
定向井眼轨迹的设计涉及的因素很多。为满足地质及生产的要求，设计需要选择合适的造斜点、造斜强度、最大井斜角、稳斜段长度；为了同井台以及相邻井台各井之间的防碰，需要选择合理的大门方向和做防碰设计。此外，造斜强度的选择要考虑钻具及套管的强度、摩阻。造斜点的选择必须深于表层套管一倍仪器另长的深度。根据造斜强度选择合理的钻具组合、不同弯度的螺杆钻具。最大井斜角过小稳斜段方位不易控制，最大井斜角过大对钻进、下套管、排采不利，同时增加造斜段工作量。
1.1 示范区井型简介
示范工程设计的丛式井、L型井以及U型对接井
图1-1 示范工程三段式、五段式、U型井轨迹示意图
1.2定向钻井基本知识【1】
1.2.1直井钻井存在的问题
造成井斜的原因有客观的地质因素，主观的钻具组合和钻进参数
1）常规防斜打直技术
•塔式钻具组合----吊打，效果差，速度慢。
•多扶正器满眼组合---强化钻井，事故多。
•钟摆钻具---参数控制，效果一般，普遍采用，但效益普通，由于参数限制，提速空间不大。
•偏心接头、偏心钻具组合---伤害钻具严重，断钻具事故多，淘汰。
•直马达钟摆防斜钻具组合---钻具组合和参数的配合应用技术，河东矿区施工的两口井防斜效果不理想
2）定向纠斜打直技术
常规防斜打直技术均是被动防斜，而且效果不好，采用MWD仪器+弯螺杆钻具组合可随钻测斜、主动纠斜。示范工程所有直井及定向井的直井段均是采用此种纠斜打直技术。
1.2.2 定向井基本知识
1）定向井概念：指按照事先设计的具有井斜或方位变化的轨道钻进的井。
2）定向井三要素：井深、井斜、方位。
基本演化要素：南北坐标，东西坐标，水平位移和视平移，全角变化率（井斜变化率，方位变化率）（俗名：狗腿度），闭合距，闭合方位。
2）定向井基本分类：
基本定向井：一般的基本设计定向井
特殊定向井：绕障井、侧钻井、救援井、特殊地质目的定向井、定向连通井、多底井、丛式井。
1.3定向设计软件
井眼轨迹可以用常规的手工绘图，CAD等常规作图软件来设计，常规方法需要人工计算，分段及分点数据无法自动生成。现在普遍使用专门的定向设计软件来完成，软件种类很多，比如大港定向设计、井眼轨迹设计系统、通用定向井程序、定向井数据处理以及LANKMARK 中的compass模块。示范工程定向设计主要是用的是compass98、2003、5000。
图1-2 compass设计主菜单
图1-3轨迹界面及分段、分点数据设计
图1-4 FS-44井设计轨迹及实钻轨迹对比图
设计人员需了解简单的地磁模型、六度带。设计步骤：建立公司→建立油田（区块）→建立井台→建立一口井→建立TRACK（分支）→建立靶点→进行轨迹设计→生成分段、分点数据、垂直及水平投影图。
2 定向设备
示范工程使用的随钻测斜仪（MWD）主要有两种：泥浆脉冲无线随钻测斜仪和电磁波（Blackstar）无线随钻测斜仪。
2.1 泥浆脉冲随钻测斜仪工作原理
泥浆脉冲是通过改变钻具中的泥浆压力来传送信号的。MWD随钻测斜仪是将传感器测得的井下参数按照特定的方式进行编码，产生脉冲信号，该电脉冲信号控制脉冲器的小控制阀上下运动，再利用循环泥浆的力量使蘑菇头产生同步的上下运动，这样就改变了蘑菇头与
下面的限流环之间的泥浆流通截面积，从而在钻柱内产生了一个正的泥浆压力脉冲。定向探管产生的脉冲信号控制着蘑菇头提起或插下状态的时间，从而控制了脉冲的宽度和间隔。蘑菇头与限流环之间的泥浆流通截面积决定着信号的强弱，我们可以通过选择蘑菇头的外径和限流环的内径尺寸来控制信号强弱，使之适用于不同井眼、不同排量、不同井深的工作环境。实际上，整个过程涉及到如何在井下获得数据以及如何将这些数据输送到地面，这两个功能分别由探管和泥浆脉冲发生器完成。
2.2 Blackstar电磁波无线随钻仪
1、Blackstar电磁传播基本理论【2】：
大部分的电磁信号沿钻杆向上传播、泄漏，穿透周围地层，然后再返回到仪器间隙短节的对面其目的是检测在井口的有限信号。
在电磁波随钻测量应用中包括如下两个天线：井口天线和参考天线。井口天线连接到井口防喷器，参考天线连接到距井口一定距离的地面上。在大多数情况下井口天线接收信号，参考天线提供了接地参照，形成一个电子回路。
2、Blackstar电磁波无线随钻仪组成。
图2-1 常规定向组合仪器布置图
从上至下MWD仪器组合为：上部连接器、电池筒、电池连接器、发射器、定向探管、加长杆、导向杆。
从上至下无磁钻铤组合是：电池无磁钻铤、绝缘短节、仪器无磁钻铤、定向压力短节。
3、发射器把测得的参数以电磁波方式通过钻柱及地层传播，通过井口天线及参考天线接收传入双通道放大器，经地面设备解码通过电脑上的软件显示出来。
4、定向设备使用
首先连接导向杆、加长杆、发射器，通过调节加长杆长度使仪器绝缘处与无磁钻铤柱的绝缘短节绝缘带处于相同位置。其次组装地面设备，把设置杆连接到发射器通过设置线与放大器连接，打开放大器电源给发射器通电，通过设置软件对发射器工作参数进行设置并校正工具面，建立新的Job及Track，添加正确的发射器编号。并通过震动唤醒仪器，对仪器进行测试。测试仪器工作正常后，连接电池，并进行入井前测试。测试正常后保证仪器正确坐键入井。
3定向工艺
3.1概念【3】
工具面：造斜工具弯曲方向的平面，又分为磁工具面和重力高边工具面。
工具面角：反应造斜工具面所在相对位置的参数，用磁工具面角及高边工具面角表示。
磁工具面角：工具面与磁北夹角。高边工具面角：工具面与井斜方位高边的夹角。
角差：分为仪器角差及钻具角差，仪器角差在设置及校验仪器时已补偿，钻具角差就是仪器测量方位与螺杆工作工具面的角差
磁偏角：地磁北极方向线与地理北极方向线之间的夹角。
子午线收敛角：坐标纵线偏角，以真子午线为准，真子午线与坐标纵线之间的夹角。坐标纵线东偏为正，西偏为负。
磁方位：井眼轨迹以磁北极为基准顺时针旋转的角度
网格方位：以地图上纵坐标为基准的方位。
各方位转换公式：磁方位+磁偏角=网格方位+子午线收敛角=真方位
定向人员必须理解这些基本的概念，熟知他们之间的关系。
3.2工作流程
定向人员拿到钻井工程设计书后，需仔细阅读设计要求，提取定向工作所需的所有要求
