定向井轨迹控制技术(课件)

定向井轨迹控制技术定向井的井眼轨迹控制技术是定向井钻井成套技术中的关键环节。

文章介绍了轨迹剖面优化设计，对直井段、增斜段、稳斜段轨迹控制技术进行了详细的阐述，同时对轨迹预测方法和轨迹修正设计技术进行了论述，对现场施工具有一定的指导作用。

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定向井施工成败的关键是能否控制井眼轨迹的变化。

1 轨迹剖面优化设计定向井井身剖面的选择对于钻井施工的安全、高效、降低成本起着至关重要，四段制轨迹剖面易形成键槽，岩屑床，起下钻和钻井过程中摩阻扭矩大，易卡钻，给井下安全带来极大隐患。

经过理论计算分析，并结合大庆地质情况，三段制或者五段制井眼轨迹剖面成为大庆定向井施工的首选对象，这两种轨迹剖面具有轨迹短、投资少、效益高、利于井眼轨迹控制等特点。

2 井眼轨迹控制技术2.1 直井段轨迹控制定向井直井段的井眼轨迹控制原则是防斜打直。

有人认为常规定向井（指单口定向井）直井段钻不直影响不大，通过后续的调整最终也可中靶，这种想法是不对的。

因为当钻至造斜点，如果直井段不直，造斜点处不仅因为有一定的井斜角而影响定向造斜的顺利完成，还会因为这个井斜角形成一定的水平位移而影响下一步钻进的井眼轨迹控制。

所以在直井段施工中，采用塔式钻具组合或钟摆钻具组合，配以合理的钻进参数，每钻进100-120米测斜一次，及时监测井斜的变化趋势，如发现井斜有增大趋势，及时调整钻井参数，加密测斜，必要情况下进行螺杆钻具纠斜。

造斜点前100m采取轻压吊打，严格控制钻进参数，保证造斜点处的井斜不超过0.5°。

2.2 造斜段轨迹控制造斜就是从造斜点开始强制钻头偏离垂直方向增斜钻进的过程。

由于大位移水平井直井段多数存在井斜方位，且方位与新设计方位不一致，所以必须利用定向井计算软件计算出直井段各点轨迹参数，同时根据最后几个测点趋势，预测出井底的井斜角和方位角，计算出井底水平位移、垂深、闭合方位、视位移、视垂距等参数。

第五节定向井造斜工具及轨迹控制造斜：由垂直井段开始钻出具有一定方位的斜井段的工艺过程。

造斜点：开始造斜时的深度。

垂直井段开始倾斜的起点。

造斜工具：(1)井底动力钻具造斜工具；(2)转盘钻造斜工具。

(3)混合钻进造斜工具——导向式马达第五节定向井造斜工具及轨迹控制一、井底动力钻具造斜工具动力钻具(井下马达)：涡轮钻具、螺杆钻具、电动钻具。

工作特点：在钻进过程中，动力钻具外壳和钻柱不旋转，有利于定向造斜。

1、动力钻具造斜工具的种类三种：弯接头、弯外壳马达、偏心垫块。

(1)弯接头(斜接头)造斜原理：迫使钻头倾斜，造成对井底的不对称切削；井壁迫使弯曲部分伸直，由钻柱的弹性力使钻头产生侧向切削。

影响弯接头造斜率的因素：弯角越大，造斜率越大；一般为0.5°～2.5°。

弯曲点以上钻柱的刚度越大，造斜率越大；弯点至钻头的距离越小且重量越小，造斜率越大；钻速越小，造斜率越高。

(2)弯外壳马达(原理与弯接头类似)(3)偏心垫块杠杆原理，垫块作为支点。

弯接头、弯外壳马达、偏心垫块。

２.涡轮钻具的结构与特性结构：特性：转速与流量成正比，扭矩与流量的平方成正比，压降与流量的平方成正比，功率与流量的三次方成正比。

流量一定时，转速随扭矩的减小而增大。

空转时，转速达到最高，所以不应当用涡轮钻具进行划眼。

涡轮钻具工作特性图２．螺杆钻具的结构与特性特性：(1)螺杆钻具的转速、扭矩、压力降、功率与流量之间的关系，与涡轮钻具相同。

(2)螺杆钻具的扭矩与压力降成正比。

压力降可从泵压表上读出，扭矩则反映所加钻压的大小，所以可以看着泵压表打钻。

根据泵压表上的压力降还可以换算出钻头上的扭矩，从而可以较为准确地求得反扭角。

螺杆钻具螺杆钻具工作特性示意图二、转盘钻造斜工具变向器、射流钻头、扶正器组合。

１、变向器早期造斜工具。

现在仅用于套管内开窗侧钻，或不适宜用动力钻具的井内。

钻头上安放1个大喷嘴、2个小喷嘴。

靠大喷嘴射流冲击出斜井眼。

第三章定向井、水平井井身轨迹控制技术第一节定向井、水平井井眼轨迹控制理论无论是定向井，还是水平井，控制井眼轨迹的最终目的都是要按设计要求中靶。

但因水平井的井身剖面特点、目的层靶区的要求等与普通定向井和多目标井不同，在井眼轨迹控制方面具有许多与定向井、多目标井不同的新概念，需要建立一套新的概念和理论体系来作为水平井井眼轨迹控制的理论依据和指导思想。

我们在长、中半径水平井的井眼轨迹控制模式的形成和验证过程中，针对不断出现的轨迹控制问题，建立了适应于水平井轨迹控制特点的几个新概念。

一、水平井的中靶概念地质给出的水平井靶区通常是一个在目的层内以设计的水平井眼轨道为轴线的柱状靶，其横截面多为矩形或圆。

我们可以把这个柱状靶看成是由无数个相互平行的法面平面组成，因此，控制水平井井眼轨迹中靶，与普通定向井、多目标井是个截然不同的新概念，主要体现是:井眼轨迹中靶时进入的平面是一个法平面（也称目标窗口），但中靶的靶区不是一个平面，而是一个柱状体，因此，不仅要求实钻轨迹点在窗口平面的设计范围内，而且要求点的矢量方向符合设计，使实钻轨迹点在进入目标窗口平面后的每一个点都处于靶柱所限制的范围内。

也就是说，控制水平井井眼轨迹中靶的要素是实钻轨迹在靶柱内的每一点的位置要到位（即入靶点的井斜角、方位角、垂深和位移在设计要求的范围内），也就是我们所讲的矢量中靶。

二、水平井增斜井段井眼轨迹控制的特点及影响因素对一口实钻水平井，从造斜点到目的层入靶点的设计垂深增量和水平位移增量是一定的，如果实钻轨迹点的位置和矢量方向偏离设计轨道，势必改变待钻井眼的垂深增量和位移增量的关系，也直接影响到待钻井眼轨迹的中靶精度。

水平井钻井项目设计中所给定的钻具组合是在一定的理论计算和实践经验的基础上得出的，随着理性认识的深化和实践经验总结，设计的钻具组合钻出实际井眼轨迹与设计轨道曲线的符合程度会不断提高。

但是，因为井下条件的复杂性和多变性，这个符合程度总是相对的。

井眼轨迹控制技术 (1)三、海洋定向井直井防斜技术 (12)四、海洋定向井预斜技术 (14)上图为某平台表层预斜轨迹与内排井直井段轨迹对比图 (15)五、造斜段、稳斜段、降斜段轨迹控制 (15)井眼轨迹控制技术井眼轨迹控制指：按照设计要求（地质设计、钻井工程设计、定向井设计等），利用定向井工艺、技术，完成定向井、水平井、水平分枝井等轨迹控制的过程。

井眼轨迹控制技术按照定向井的工艺过程，可分为直井段、预斜段、造斜段、增斜段、稳斜段、降斜段和扭方位井段等控制技术。

目前海洋定向井轨迹控制使用的是导向钻具，而在陆地油田有的还是用常规钻具组合（增斜、降斜、稳斜、降斜）实现井眼轨迹的控制。

定向井井眼轨迹控制考虑的因素及工作内容包括：1.造斜点的选择(1).选择地层均一，可钻性好的地层(2).KOP在前一层套管鞋以下50米，套以免损坏套管鞋(3).初始造斜的准确性非常重要(4).大于25度的定向井方位易控制2.造斜率选择(1).大斜度大位移定向井：2～3度/30米(2).一般丛式井3 ～5度/30米(3).造斜率要均匀3.降斜率(1).对于“S”井眼，通常降斜率1～2度/30米(2).如降斜后仍然要钻长的井段，降斜率还要小，以免键槽卡钻4.预测井眼轨迹要考虑的方面(1).底部钻具组合的受力分析(2).地层的因素：岩性、均匀性、走向、倾向、倾角(3).钻头结构、形状(4).侧向切削模型和轴向切削模型，确定侧向力5.钻具组合影响轨迹：底部钻具组合表现不同的效果，是由于不同的钻具有各自的力学特性，产生钻头侧向力的方向和大小不同。

(1).1#STB和2#STB的距离(2).（刚度）钻铤内外径、材料(3).扶正器尺寸(4).钻头类型和冠部形状6.井眼方向控制内容：(1).井斜角的控制：增斜、降斜、稳斜；(2).井斜方位角控制：增方位、降方位、稳方位；7.定向井轨迹控制的主要做法1)第一阶段：打好垂直井段(1).垂直井段打不好，将给造斜带来很大的困难。

第五章定向井轨迹控制技术5.1 定向井轨迹控制基本原则通过选择钻具组合，优选和调整钻进参数，使井眼沿预计的轨迹前进，最终钻达目的层，中靶。

这是定向井轨迹控制的内容。

一个优秀的定向井工程师的追求目标，除了中靶外，还要钻出良好的井眼轨迹并保证优质、快速钻进。

5.2 井底钻具组合的选择和调整井底钻具组合是轨迹控制的工具。

如何优选井底钻具组合是轨迹控制最重要的内容。

因为井底钻具组合作用的结果就是井眼轨迹。

5.2.1 井底钻具组合的类型根据井底钻具组合的设计目的或作用效果的不同，可分为以下三类：即增斜、降斜和稳斜。

而增斜钻具又可分为马达增斜(或造斜)和转盘增斜。

所以，实际上常规定向井的最基本钻具组合有四个，即马达造斜钻具、转盘增斜、转盘降斜和稳斜。

下面是12-1/4”井眼中，四套基本钻具组合：①造斜，12-1/4”Bit+9-1/2”马达+1.5°弯接头+8”NM·DC(1)+5”HWDP(14)预计 BOR=3°/30m②转盘增斜12-1/4”Bit+12-1/4”STB+8”NMDC(1)+8”DC(2)+12-1/4”STB+8”DC(1)+12-1/4”STB+8”DC(5)+5”HWDP(20)预计 BOR=2～4°/30m③降斜，12-1/4”Bit+8”NMDC(1)+12-1/4”STB+8”DC(1)+12-1/4”STB+8”DC(5)+5”HWDP(20)预计BOR=-(2～3)°/30m④稳斜，12-1/4”Bit+12-1/4”STB+8”S·DC(2)+12-1/4”STB+8”DC(1)+12-1/4”STB+8”DC(5)+5”HWDP(20) 在上述组合中，如需要可加一些配合接头，扰性接头、震击器、键槽破坏器等。

前面已说过，从钻具组合的效果上看，可分为四种基本类型。

但是实际井眼轨迹控制时，对钻具组合性能的要求远非如此简单。

井眼轨迹控制技术井眼轨道，是指在一口井钻进之前人们预想的该井井眼轴线形状。

井眼轨迹是指一口已钻成的井的实际井眼轴线形状。

●19世纪末打直井●20世纪20年代末直井防斜技术●20世纪30年代初打定向井定向井的应用(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。

第一节井眼轨迹的基本概念一、轨迹的基本参数二、轨迹的计算参数三、轨迹的图示法一、轨迹的基本参数(1)井深（Dm），又称斜深(2)井斜角（α），单位为度(3)井斜方位角（Φ）(1)井深（D m）(1)井深（Dm）：井深定义：指井口(通常以转盘面为基准)至测点的井眼长度，也有人称之为斜深，国外称为测量井深(MeasureDepth)，井深常以字母Dm表示，单位为米(m)。

井深的增量称为井段，以ΔDm表示。

二测点之间的井段称为测段。

一个测段的两个测点中，井深小的称为上测点，井深大的称为下测点。

井深的增量总是下测点井深减去上测点井深。

(2)井斜角：定义：过井眼轴线上某测点作井眼轴线的切线，该切线向井眼前进方向延伸的部分称为井眼方向线。

井眼方向线与重力线之间的夹角就是井斜角。

显然，井眼方向线与重力线都是有向线段。

井斜角表示了井眼轨迹在该测点处倾斜的大小。