定向井钻井基础

定向井钻井基础

提 纲

（一）为什么要钻定向井？

（二）定向井的基本概念

（三）定向作业专业术语

（四）井眼轴线的计算方法

（五）定向井轨迹防碰

（一）、为什么要钻定向 井？

1、在海洋钻井平台上钻丛式定向井。控制较大面积的油气构造。生产设施集中在平台上，节省建造平台费用。

2、勘探和开发近海岸油气田。使钻井定向弯曲，钻达海底油气层，节约海上钻井平台的建设费用。

3、用定向井控制断层，查明油水界面或断层面的位置(c)

4、避开地表障碍物，勘探和开发障碍物下方的油气田。

5、纠正已斜的井眼或绕过井内落鱼而进行侧钻。

6、打定向井探采盐丘突起下部的油气层。含油构造有时 与盐丘构造共生，部分盐丘可能直接覆盖在油藏上面，直井钻遇盐层可能导至冲蚀、钻井液漏失和腐蚀等问题。

7、井喷无法处理或油气井失火，钻定向救援井与原井衔接控制井喷或扑灭火灾。

8、钻大斜度井或水平井，防止气锥和水锥问题；增加井眼在产层中的延伸长度；增大平台的泄流面积，在裂缝性油藏

9、供水井。钻多孔底定向井多次穿过含水裂隙或沿含水裂隙钻单孔底定向井，可增加出水量。

10、开发地壳深部“干热岩”体的能量。钻两口定向井，用水力压裂法使两井连通，形成一个地下热仓和封闭回路，用—口井向下注冷水，干热岩将冷水加热，另一口井抽出高温蒸气进行发电。

11、在煤层中钻定向排放孔抽瓦斯，保证采煤时的安全。能钻遇多条裂缝，提高单井的产量。

12、对接连通开采可水溶性矿藏

过去，在钻孔采可水溶性矿盐时，一直采用单井对流水溶采卤法，这种采卤技术存在较多缺点，如矿产回采率不足20％，卤井寿命短，产量低，采出的卤水浓度低而且不稳定等。双井对接连通水溶采卤可克服上述一系列缺点。数十年来，盐业系统探索了几种使两井能连通的方法(压裂法，自然溶通法等)，但并不是很理想，采用定向钻进技术实现两井对接、三井对接甚至更多的井眼对接，极大地提高采盐卤水量。

（二）定向井的基本概念

1、定义

定向井是按照预先设计的井斜角、方位角和井眼轴线形状进行钻进的井。

2、钻定向井主要有以下优点：

有利了解含油构造及含油气情况。

能加大油气层泄露面积。

钻定向井能大大节约钻井综合成本。

钻丛式井便于完井后油井的集中管理，减少集输流程，节省人、财、物的投资。

钻丛式井能减少占地，降低地面污染，有利于环保。

3、井眼轨迹的常用参数：

井深、井斜角、方位角 垂深、南北坐标(N/S)、E坐标(E/W) 水平位移/视平移

井斜变化率、方位变化率、井眼曲率等

1）井深：指井口（转盘面）至测点的井眼实际长度，人们 常称为斜深。国外称为测量深度（Measure depth）。

2）测深：测点的井深，是以测量装置（Angle Unit）的中点所在井深为准。

3)井斜角：该测点处的井眼方向线与重力线之间的夹角。•井斜角常以希腊字母α表示，单位为度。

4）井斜方位角：是指以正比方位线为始边，顺时针旋转至井斜方位线所转过的角度。井斜方位角常以希腊字母Φ表示，单位为度。实际应用过程中常常简称为方位角。

井斜角示意图 井斜方位角示意图

5）磁方位角：磁力测斜仪测得的井斜方位角是以地球磁北方位线为准的，称磁方位角。

在以井眼轨迹上任一点为原点的平面坐标系中，以通过该点的正北方向线为始边，按顺时针方向旋转至该点处井眼方向线在水平面上的投影线为终边，其所转过的角度称为该点的方位角。以“度”表示

6）磁偏角：磁北方位线与真北方位线并不重合，两者之间有一个夹角，这个夹角称为磁偏角。磁偏角又有东磁偏和西磁偏角之分，当磁北方位线在正北方位线以东时，

称为东偏角；当磁北方位线在正北方位线以西时称为西偏磁偏角。

真方位与磁方位的换算

真方位角＝磁方位角＋东磁偏角

真方位角＝磁方位角－西磁偏角

7•）单位井段内井斜角的改变速度称为“井斜变化率”。通常以两测点间井斜角的变化量与两测点间井段的长度的比值表示。常用单位是：°／100 m。

井斜变化率的公式如下：

8）方位变化率：单位井段内方位角的变化值，称为方位变化率。通常以两测点间方位角的变化量与两测点间井段长度的比值表示。常用单位有：°／100m。

其计算公式如下：

10）全角变化率（Dogleg Seventy）

“狗腿严重度”，“井眼曲率”，都是相同的意义。指的是在单位井段内井眼前进的方向在三维空间内的角度变化。它即包含了井斜角的变化又包含着方位角的变化。其 计量单位为：°／100m。

11）增（降）斜率

指的是增（降）斜井段的井斜变化率。其井斜变化为正值时为增斜率。负值为降斜率。

12）造斜率

造斜率表示了造斜工具的造斜能力。其值等于用该造斜工具所钻出的井段的井眼曲率。不等于井眼变化率。

13）垂深（垂直井深）即某测点的垂直深度，以H表示。是指井身任意一点至转盘面所在平面的距离。

14）水平投影长度：是指自井口至测点的井眼长度在水平面上的投影长度。以S•表示。

15）水平位移：简称平移，是指测点到井口垂线的距离。在国外又称为闭合距( Closure

Distance）。

16）视平移：又称为投影位移，井身上的某点在垂直投影面上的水平位移。在实际定向井钻井过程中，这个投影面选在设计方位线上。所以视不移也可以定义为水平位移在设计线上的投影。

17）平移方位角：又称为闭合方位角（Closure Azimuth），常用θ表示，•是指以正北方位线为始边顺针方向转至平移方位线上所转过的角度。

18）造斜点（KOP）

• 在定向井中，开始定向造斜的位置叫“造斜点”。通常以开始定向造斜的井深来表

19）增斜段

井斜角随井深增加的井段，称增斜段。

20）稳斜段

井斜角保持不变的井

段，称为稳斜段。

21）降斜段

井斜角随着井深的增加而逐渐减小的井段称为降斜段.

22）目标点（Target）

设计规定的、必须钻达的地层位置，称为目标点。通常是以地面井口为坐标原点的空间坐标系的坐标值（垂深、东西坐标、南北坐标）来表示。

23）靶区半径

允许实钻井眼轨迹偏离设计目标点的水平距离，称为靶区半径。

所谓靶区，就是在目标点所在的水平面上，以目标点为圆心，以靶区半径为半径的一个圆面积。靶区半径的大小，根据勘探开发的需要或钻井的目的而定。

24）靶心距

在靶区平面上，实钻井眼轴线与目标点之间的距离，称为靶心距。

计算公式为:

25）绘图

利用测斜计算结果可以绘出水平投影图（N, E）、垂直投影图（H, V）

垂直投影图 水平投影图

1、工具面角（Tool Face Angle）

工具面（Tool Face）

在造斜钻具组合中，由弯曲工具的两个轴线所决定的那个平面，称为工具面。

工具面角是表示造斜工具下到井底后，工具面所在的位置的参数。工具面角有两种表示方法：一种是以高边为基准（High Side Mode），一种是以磁北为基准（Magnetic Mode）。

高边基准工具面角，简称高边工具角。是指高边方向线为始边，顺时针转到工具面与井底圆平面的交线上所转过的角度。

由于高边方向线在水平面上的投影，即为井底方位线，所以，若以正北方位线为始边，顺时针转到井底方位线上所转过的角度，即为井底方位角。

磁北基准工具面角（简称磁北工具面角），等于高边工具面角加上井底方位角。

2、定向角

定向角是定向工具面角的简称。在定向造斜或扭方位钻进时，当启动井下马达之后，工具面所处的位置，用工具面角表示，即为定向工具面角。

定向角可用高边工具面角表示。也可用磁北工具面角表示。

定向角与我国的现场常用的“装置角”词，意义和计算方法均相同。

在定向造斜或扭方位之前，根据定向造斜或扭方位的要求，计算出所需要的定向角，这是预计的定向角。在实钻的过程中，由于各种因素的影响，实际的定向角与预计的定向角不一定完全相符。在使用随钻测斜仪器的情况下，可以调整工具面，使实钻定向角与预计定向角基本相符。

3、安置角（Too1 Face Setting）

安置角是安置工具面角的简称。在定向造斜和扭方位钻进时，当启动井下动力钻具之前，将工具面安置的位置，以工具面角表示，即为安置工具面角。

安置角在数值上，等于定向角加反扭角。

安置角、定向角、反扭角以及井底方位角之间的关系可用图所示。

4、反扭角

使用井底马达带弯接头进行定向造斜或扭方位时，动力钻具启动前的工具面与启动后且加压钻进时的工具面之间的夹角，称为反扭角。反扭角总是使工具面逆时针转动

4、反扭角

怎样消除反扭转角呢？

C1：原钻孔（老孔）倾斜方向

C2：设计造斜工具弯曲造斜方向

C3：开泵钻进后，造斜工具面向

C：孔内实际定向的方向

βˊ：设计计算的安装角

φ1：反扭转角

反扭转角的修正：

β=βˊ+φ1

反扭转角φ1一般是根据经验确定。理论计算有误差。

（四）井眼轴线的计算方法

绘制实际井身剖面图，首先必须懂得如何处理测斜获得的资料。

到目前为止，对定向井各种要素的测量（统称测斜），目前还作不到沿着井眼连续进行。这就产生一个问题，两个相邻测点之间各点的定向要素如何确定？在计算中如何处理它们？这

就是定向井剖面计算要解决的问题。

随着深井，海上丛式钻井的发展，要求井眼位置更加准确。要想得到准确的井眼位置，除了改进测量仪器外，还必须改进井身剖面的计算方法。最早使用的是正切法，以后陆续出现了十多种计算方法。新计算法的出现，大大提高了计算精度，但其中有些方法过于繁琐，不适于现场应用，有待进一步改进；而有些方法在原理上十分相近，不必单独讨论，现就目前国内外常用的四种方法介绍如下。

（一）平衡正切法（Palanced tangential Method）

此法是将井眼轴线看成为两相邻测点的切线组成的折线，如图7-23所示。如果将和近似地看成ΔL／2则可得AB井段的垂直井深增量ΔH，水平投影长度ΔS’，N座标

增量ΔN，E座标增量ΔE的计算公式如下

（二）平均角法（角一平均法） （Angle-Averaging Method）

此法认为两相邻测点之间的井眼轴线为一直线，该直线的井斜角αv和方位角φv等于上下两测点相应角度的算术平均值。

（三）圆柱螺线法（Cylinder-Spiral Method）

此法认为相邻两测点之间的井眼轴线为一空间等变螺旋角的圆柱螺线，它在垂直剖面图的井身轴线为一段圆弧，在水平投影图上的井身投影也是一段圆弧。令RAB和rAB为AB井段在垂直剖面图和水平投影图上的曲率半径，则AB井段的有关计算公式为