1 第一章 定向井（水平井）钻井技术概述 第一节 定向井、水平井的基本概念 1．定向井丛式井发展简史 定向井钻井被（英）T ．A．英格利期定义为：“使井筒按特定方向偏斜，钻遇地下预定目标的一门科学和艺术。”我国学者则定义为，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。定向井相对与直井而言它具有井斜方位角度而直井是井斜角为零的井，虽然实际所钻的直井它都有一定斜度但它仍然是直井。 定向井首先是从美国发展起来的，在十九世纪后期，美国的旋转钻井代替了顿钻钻井。当时没有考虑控制井身轨迹的问题，认为钻出来的井必定是铅垂的，但通过后来的井筒测试发现，那些垂直井远非是垂直的。并由于井斜原因造成了侵犯别人租界而造成被起诉的案例。最早采用定向井钻井技术是在井下落物无法处理后的侧钻。早在1895年美国就使用了特殊的工具和技术达到了这一目的。有记录定向井实例是美国在二十世纪三十年代初在加利福尼亚享廷滩油田钻成的。 第一口救援井是1934年在东德克萨斯康罗油田钻成的。救援井是指定向井与失控井具有一定距离，在设计和实际钻进让救援井和失控井井眼相交，然后自救援井内注入重泥浆压死失控井。 目前最深的定向井由BP勘探公司钻成，井深达10，654米； 水平位移最大的定向井是BP勘探公司于己于1997年在英国北海的Rytch Farm 油田钻成的M11井，水平位移高达1，0114米。 垂深水平位移比最高的是Statoil 公司钻成的的33/9—C2达到了1:3.14； 丛式井口数最多，海上平台：96口；人工岛：170口； 我国定向井钻井技术发展情况 我国定向井钻井技术的发展可以分为三个阶段，50—60年代开始起步，首先在玉门和四川油田钻成定向井及水平井:玉门油田的C2—15井和磨三井，其中磨三井总井深1685米，垂直井深表遗憾350米，水平位移444.2米，最大井斜92°，水平段长160米；70年代扩大实验，推广定向井钻井技术；80年代通过进行集团化联合技术攻关，使得我国从定向井软件到定向井硬件都有了一个大的发展。 我国目前最深的水平井是胜利定向井公司完成的JF128井，井深达到7000米，垂深位移比最大的大位移井是胜利定向井公司完成的郭斜 井，水平位移最大的大位移井是大港定向井公司完成的 井，水平位移达到2666米，最大的丛式井组是胜利石油管理局的河50丛式井组，该丛式井组长384米，宽115米，该丛式井平台共有钻定向井42口。 2．定向井的分类 按定向井的用途分类可以分为以下几种类型： 普通定向井 多目标定向井 定向井 丛式定向井 救援定向井 水平井 多分枝井（多底井） 2
国外定向井发展简况 （表 一）
年代 内容 50 年 代 60 年 代 70 年 代 80 年 代 90 年 代
剖面设计及 迹计算方法 误差很大的正 切法，进行定 向井设计轨迹 计算 18种二维计算 方法，如更精 确的曲率半径 法 发展到三维设 计和大组丛式 井整体设计 计算机专家系 统进行定向井 的设计和指导 定向井施工 发展了大型集成设计软件包
井斜控制理论 斜直井段的二 维分析 考虑了井眼的 曲率及满眼组 合的特性 三维数据分析，由静态发展到动态 发展了多种分 析计算方法并 编制了计算机 程序 在原来多种分析的基础上引入了数学及其它边沿学科
定向造斜工艺 涡轮加弯接头 斜向器配合转 盘钻 使用效率更高 的螺杆动力钻 具，专用工具 的定型配套 涡轮、螺杆动力钻具向低速大扭矩发展。各种专用井下工具系列化 发展了复合式 动力钻具，导 向钻井系统， 长寿命PDC钻 头等 发展成熟多分枝井回接工艺 地质导向钻井系统
测量方式 氢氟酸玻璃管 刻线法和地面 定向法 机械式罗盘， 精度较高的单 多点照相测斜仪 有线随钻测斜 仪投入工业性 使用，无线随 钻测斜仪研制 成功 多种无线随钻 测斜系统投入 工业使用和发 展了电子测量 系统和陀螺测 量系统 发展成熟带地质参数的无线随钻测斜仪
定向井钻井水平 精度要求不高 中深定向井 可打准确度较 高的定向井和 小组定向井 可打准确度较 高的定向救援 井和大组丛式 井 钻成大量水平 井从大半径水 平井到小半径 水平井多底泄 油井 钻成位移过万米的大位移井 径向水平井可在0.3米之内完成增斜过程 3
我国定向井钻井技术发展情况 （表二）
年代 内容 60年代 80 年 代 90 年 代
剖面设计及轨 迹计算方法 设计采用查表法、图解法等精度不高的方法 发展了曲率半径法，最小曲率半径法等多精确的轨迹计算和设计方法，编制了能进预测和防碰扫描的计算机软件包。 引入人工智能和专家系统
井斜控制理论 进行了钻具的二 维静态分析主要 使用有限元法 发展了多种新的分析计算方法，例如：平衡梁法、加权余量法等，并编制了计算机分析程序
理论分析模型由静态态发展到动态，由二维发展到三维
定向造斜工艺 使用地面定向法 （钻杆打钢印）。 数据测量使用电测井数据。 使用精度高的磁性单多点测斜仪进行定向和轨迹数据测量，发展了有线随钻测斜仪定向。
发展了导向钻井系统初步研制出径向水平井造斜工艺
测量方式 氢氟酸测斜仪，机械式罗盘的电测井方法。 多种引进的有线随钻测斜系统投入工业使用和发展了电子测量系统及陀螺测量系统
发展了无线随钻测斜系统，引进了带地质参数的MWD系统
定向井钻井水平 简单的单口定向井、水平井位移小，精度低 钻成大量高难度定向井、大组丛式井、多目标井、套管定向开窗井、水平井也从大半径水平井发展到了中半径水平井
在水平井方面取得大型突破，钻成了长、中、短半径水平井
第二节 水平井钻井技术简介 所谓水平井，是指一种井斜角大于或等于86°，并保持这种角度钻完一定长度水平段的定向井。 1．水平井钻井技术发展概况 1863年，瑞士工程师首先提出钻水平井的建议； 1870年，俄国工程师在勃良斯克市钻成井斜角达60°的井； 瑞典和美国研制出测量井眼空间位置的仪器，1888年俄国也设计出了测斜仪器； 1929年，美国国加利福尼亚州钻成了几米长的水平分支井筒； 30年代，美国开始用挠性钻具组合在垂直井内钻曲率半径小的水平井分支井眼； 1954年苏联钻成第一口水平位移； 1964年—1965年我国钻成两口水平井，磨—3井、巴—24井； 自来80年代以来，随着先进的测量仪器、长寿命马达和新型PDC钻头等技术的发展，水平井钻井大规模高速度的发展起来。 4
我国水平井钻井在90年代以来也取得了很大发展，胜利油田已完成各种类型水平井百余口，水平井钻井水平和速度不断提高。 水平井的类型及各种类型水平井的特点 1）．水平井的类型： 根据水平井曲率半径的大小分为： 长曲率半径水平井（小曲率水平井）； 中曲率半径水平井（中曲率水平井）； 短曲率半径水平井（大曲率水平井）。 2）．不同曲率水平井的基本特征及优缺点
（1）．不同曲率水平井的基本特征表
井型 项目 长半径水平井 中半径水平井 短半径水平井
造斜率 < 6°/30米 6°—20°/30米 150°—300°/30米
曲率半径 304—914米 291—87米 12—6米 井眼尺寸 无限制 12 1/4″—4 3/4″ 6 1/4″—4 3/4″
钻井方式 转盘钻或导向钻井系统 造斜段：特种马达或导向钻井系统 水平段：转盘钻井或导向钻井系统 以使用特种工具的转盘钻进为主，目前也使用特种马达方式
钻 杆 常规钻杆 >15°/100米使用抗压钻 杆 铰接驱动钻杆
测量工具 无限制 有线随钻测斜仪，MWD，但井眼<6 1/8″时不能使用 转盘钻井时使用多点测斜仪 马达钻井时使用有线随钻测斜仪 地面设备 常规钻机 常规钻机 需要配备顶部驱动系统或动力水龙头
完井方式 无限制 无限制 裸眼或割缝管 5
（2）．长曲率半径水平井的优缺点 优 点 缺 点 1．穿透油层段最长（可以>1000米） 1．井眼轨道控制段最长 2．使用标准的钻具及套管 ２．全井斜深增加最多 3．“狗腿严重度”最小 ３．钻井费用增加 4．使用常规钻井设备 ４．各种下部钻具组合较长 5．可使用多种完井方法 ５．不适合薄油层和浅油层 6．可采用多种举升采油工艺 ６．转盘扭矩较大 7．测井及取芯方便 ７．套管用量最大 8．井眼及工具尺寸不受限制 ８．穿过油层长度与总水平位移比最小
（３）．中曲率半径水平井的优缺点 优 点 缺 点 1． 进入油层时无效井段较短 1．要求使用MWD测量系统 2． 使用的井下工具接近常规工具 ２．要求使用加重钻杆或抗压缩钻杆 3． 使用动力钻具或导向钻井系统 4． 离构造控制点较近 5． 可使用常规的套购及完井方法 6． 井下扭矩及阻力较小 7． 较高及较稳定的造率 8． 井眼轨迹控制井段较短 9． 穿透油层段较长（1000米） 10． 井眼尺寸不受限制 11． 可以测井及取芯 12． 从一口直井可以钻多口水平分枝井 13． 可实现有选择的完井方案
（4）．短曲率半径水平井的优缺点 优 点 缺 点 1． 井眼曲线段最短 1．非常规的井下工具 2． 侧钻容易 ２．非常规的完井方法 3． 能够准确击中油层目标 ３．穿透油层段短（120—180米） 4． 从一口直井可以钻多口水平分枝井 ４．井眼尺寸受到限制 5． 直井段与油层距离最小 ５．起下钻次数多 6． 可用于浅油层 ６．要求使用顶部驱动系或动力水龙头 7． 全井斜深最小 ７．井眼方位控制受到限制 8． 不受地表条件的影响 ８．目前还不能进行电测
