定向井水平井

自19世紀(jì)末旋轉(zhuǎn)鉆井誕生以來(lái)，初期都是打直井，人們預(yù)想的井眼軌道乃是一條鉛垂直線(xiàn)。并且認(rèn)為旋轉(zhuǎn)鉆的實(shí)鉆井眼軌跡也和頓鉆一樣，是一條鉛垂直線(xiàn)。直到大約本世紀(jì)20年代末，人們意外地發(fā)現(xiàn)一口新鉆井把旁邊一口老井的套管鉆穿了，還發(fā)現(xiàn)相鄰兩口井的井深不同卻鉆到了同一油層。于是認(rèn)識(shí)到井是會(huì)斜的，需要采取有效措施控制井眼軌跡，才能減小井斜。于是出現(xiàn)了“直井防斜技術(shù)”。本世紀(jì)30年代初，在海邊向海里打定向井開(kāi)采海上油田的嘗試成功之后，定向井得到了廣泛的應(yīng)用，其應(yīng)用領(lǐng)域大體有以下三種情況。地面環(huán)境條件的限制：當(dāng)?shù)孛嫔鲜歉呱剑?，沼澤，河流，溝壑，海洋，農(nóng)田或重要的建筑物等，難以安裝鉆機(jī)，進(jìn)行鉆井作業(yè)時(shí)，或者安裝鉆機(jī)和鉆井作業(yè)費(fèi)用很高時(shí)，為了勘探和開(kāi)發(fā)它們下面的油田，最好是鉆定向井。地下地質(zhì)條件的要求：對(duì)于斷層遮擋油藏，定向井比直井可發(fā)現(xiàn)和鉆穿更多的油層；對(duì)于薄油層，定向井和水平井比直井的油層裸露面積要大得多。另外，側(cè)鉆井，多底井，分支井，大位移井，側(cè)鉆水平井，徑向水平井，等等定向井的新種類(lèi)，顯著地?cái)U(kuò)大了勘探效果，增加了原油產(chǎn)量，提高了油藏的采收率。處理井下事故的特殊手段：當(dāng)井下落物或斷鉆事故最終無(wú)法撈出時(shí)，可從上部井段側(cè)鉆打定向井；特別是遇到井噴著火常規(guī)方法難以處理時(shí)，在事故井附近打定向井（稱(chēng)作救援井），與事故井貫通，進(jìn)行引流或壓井，從而可處理井噴著火事故。目前，定向鉆井已成為油田勘探開(kāi)發(fā)的極為重要的手段，井眼軌道設(shè)計(jì)和井眼軌跡控制乃是定向鉆井技術(shù)的基本內(nèi)容。事實(shí)上，直井可以看作是定向井的特例，其設(shè)計(jì)的軌道為一條鉛垂線(xiàn)。直井防斜和定向井井眼軌跡控制，在技術(shù)原理上是一致的，只是應(yīng)用方向不同而已。井眼軌跡控制技術(shù)經(jīng)歷了從經(jīng)驗(yàn)到科學(xué)，從定性到定量的發(fā)展過(guò)程?，F(xiàn)在正處在向井眼軌跡自動(dòng)控制階段發(fā)展。三．定向井軌跡控制的基本方法二維定向井的設(shè)計(jì)軌跡一般是由四種井段組成：垂直井段，增斜井段，穩(wěn)斜井段和降斜井段。顯然，不同的井段將使用不同的工具，將有不同的軌跡控制方法?？偟恼f(shuō)，一口定向井的軌跡控制過(guò)程，可分為三個(gè)階段。1?打好垂直井段要求實(shí)鉆軌跡盡可能接近鉛垂線(xiàn)，也就是要求井斜角盡可能小。定向井的垂直井段可以按照打直井的方法進(jìn)行軌跡控制，而且比打直井要求更高，因?yàn)槎ㄏ蚓怪本蔚氖┕べ|(zhì)量是以后軌跡控制的基礎(chǔ)。關(guān)于直井的軌跡控制問(wèn)題，已在第三節(jié)中論述。把好定向造斜關(guān)這是增斜井段的一部分，但它是從垂直井段開(kāi)始增斜的。由于垂直井段井斜角等于零，所以稱(chēng)為“造斜”由于垂直井段沒(méi)有井斜方位角，所以開(kāi)始造斜時(shí)需要“定向”如果定向造斜段的方位有偏差，貝y會(huì)給以后的軌跡控制造成巨大困難。所以,定向造斜是關(guān)鍵，一定要把好這一關(guān)?，F(xiàn)代的定向造斜，除套管開(kāi)窗側(cè)鉆還使用變向器外，幾乎全是使用動(dòng)力鉆具造斜工具。造斜井段的長(zhǎng)度，一般是以井斜角達(dá)到可以使用轉(zhuǎn)盤(pán)鉆的扶正器鉆具組合繼續(xù)增斜為準(zhǔn)。這個(gè)井斜角大約為8°至10°。跟蹤控制到靶點(diǎn)從造斜段結(jié)束，至鉆完全井，都屬于跟蹤控制階段。人們常說(shuō)的軌跡控制實(shí)際多指這一階段。這一階段的任務(wù)是在實(shí)鉆

過(guò)程中，不斷了解軌跡的變化發(fā)展情況，不斷地使用各種造斜工具或鉆具組合，使實(shí)鉆軌跡離開(kāi)設(shè)計(jì)軌跡“不要太遠(yuǎn)”?！安灰h(yuǎn)”一詞的意義在于，一方面如果“太遠(yuǎn)”就可能造成脫靶，成為不合格井；另一方面如果始終要求實(shí)鉆軌跡與設(shè)計(jì)軌跡誤差很小，勢(shì)必要求非常頻繁地測(cè)斜，頻繁地更換造斜工具，必將大大地拖延時(shí)間，增加成本，而且還有可能造成井下復(fù)雜情況，得不償失。所以這里的原則就是：既要保證中靶，又要加快鉆速。跟蹤控制階段還有一個(gè)原則，是盡可能使用轉(zhuǎn)盤(pán)鉆的扶正器鉆具組合來(lái)進(jìn)行控制。這是因?yàn)檗D(zhuǎn)盤(pán)鉆的鉆速比動(dòng)力鉆具要高。所以在造斜段結(jié)束之后，一般都換用轉(zhuǎn)盤(pán)鉆繼續(xù)增斜，并在需要穩(wěn)斜和降斜的時(shí)候，仍然使用轉(zhuǎn)盤(pán)鉆來(lái)完成。只有在下列兩種情況下，才使用動(dòng)力鉆具進(jìn)行控制：.使用轉(zhuǎn)盤(pán)鉆扶正器組合已難以完成增斜或降斜要求時(shí)，改用動(dòng)力鉆具造斜工具進(jìn)行強(qiáng)力增斜或降斜；.轉(zhuǎn)盤(pán)鉆扶正器組合不能控制方位，而且在鉆進(jìn)中常常出現(xiàn)方位偏差。當(dāng)井眼方位有較大偏差，有可能造成脫靶時(shí)，必須使用動(dòng)力鉆具造斜工具來(lái)完成扭方位。圖一芻裝置角處意圖可見(jiàn)，在跟蹤控制階段，井斜角的控制比較容易，可用的工具也較多。而方位的控制則比較難，而且還牽扯到許多復(fù)雜的計(jì)算問(wèn)題，特別是在扭方位的同時(shí)還要求改變井斜角，其計(jì)算就更為復(fù)雜。所以下面重點(diǎn)敘述扭方位計(jì)算問(wèn)題。圖一芻裝置角處意圖四.造斜工具的定向在扭方位計(jì)算中，我們可以算出造斜工具的定向方位角①S?，F(xiàn)在要問(wèn)，我們?nèi)嗽诘孛嫔?，怎樣知道造斜工具在井下的狀況呢？我們又是如何使造斜工具的工具面正好處在預(yù)定的定向方位角呢？這需要一套定向工藝技術(shù)。定向就是把造斜工具的工具面擺在預(yù)定的定向方位線(xiàn)上。向器和射流鉆頭進(jìn)行造斜時(shí)，也要先進(jìn)行定向。這時(shí)的定向方位角也可按照式(74)進(jìn)行計(jì)算，但需注意此時(shí)的裝置角3=0。齒丿JA-耳3S'定向方法可分為兩大類(lèi)：地面定向法和井下定向法。地面定向法是在井口將造斜工具的工具面擺到預(yù)定的方位線(xiàn)上，然后通過(guò)定向下向器和射流鉆頭進(jìn)行造斜時(shí)，也要先進(jìn)行定向。這時(shí)的定向方位角也可按照式(74)進(jìn)行計(jì)算，但需注意此時(shí)的裝置角3=0。齒丿JA-耳3S'定向方法可分為兩大類(lèi)：地面定向法和井下定向法。地面定向法是在井口將造斜工具的工具面擺到預(yù)定的方位線(xiàn)上，然后通過(guò)定向下HF酸液瓶nrA—A剖血定向齒川標(biāo)⑺扶鉛模鉆，始終知道造斜工具的工具面在下鉆過(guò)程中的實(shí)際方位，因而也知道下鉆到底時(shí)的實(shí)際方位。如果實(shí)際方位與預(yù)定方位不附，則可在地面上通過(guò)轉(zhuǎn)盤(pán)將工具面扭到預(yù)定的定向方位上。這種方法由于工序復(fù)雜，準(zhǔn)確性差，目前已經(jīng)很少應(yīng)用了。井下定向法是先用正常下鉆法將造斜工具下到井底；然后從鉆柱內(nèi)下入儀器測(cè)量工具面在井下的實(shí)際方位；如果實(shí)際方位與預(yù)定方位不附，亦可在地面上通過(guò)轉(zhuǎn)盤(pán)將工具面扭到預(yù)定的定向方位上。這種方法工序簡(jiǎn)單，準(zhǔn)確性高，但需要一套先進(jìn)的定向測(cè)量?jī)x器。下面著重介紹井下定向法。工具面的標(biāo)記方法要把儀器下到造斜工具內(nèi)部測(cè)量工具面的方位，必須在造斜工具的內(nèi)部給工具面作個(gè)標(biāo)記。這種標(biāo)記方法有三種：圖5T丄定向磁鐵標(biāo)記怯定向齒刀法：這是使用氟氫酸測(cè)斜儀進(jìn)行定向的標(biāo)記方法。如圖5-40所示，齒刀上的齒尖所指方位，標(biāo)志著造斜工具的工具面方位。測(cè)量時(shí)儀器最下面的鉛模壓在定向齒刀上，留下齒刀的印痕，于是可知道造斜工具的工具面方位；同時(shí)，氟氫酸液瓶的液面傾斜方位代表著井斜方位。這樣就知道了造斜工具的工具面方位與井斜方位的關(guān)系。若下鉆前在裸眼內(nèi)測(cè)得井斜方位，圖5T丄定向磁鐵標(biāo)記怯定向磁鐵法：這是使用磁性測(cè)斜儀進(jìn)行定向的標(biāo)記方法。如圖5-41所示，緊在造斜工具上面接著一根專(zhuān)用的無(wú)磁鉆鋌，在該無(wú)磁鉆鋌的體部裝著三對(duì)小磁鐵（從原理上講一對(duì)圖5蹩定冋擺標(biāo)記社就行了，三對(duì)的目的是加強(qiáng)磁場(chǎng)強(qiáng)度），磁鐵的N極方向與造斜工具的工具面方向之間的關(guān)系是已知的。測(cè)量?jī)x器中有兩個(gè)磁性羅盤(pán)，下到井底后，上羅盤(pán)處在三個(gè)定向磁鐵位置，指針標(biāo)志工具面方位；下羅盤(pán)則遠(yuǎn)離定向磁鐵，在無(wú)磁鉆鋌內(nèi)指針指向正北方位。照相時(shí)兩個(gè)羅盤(pán)面同時(shí)照在一張底片上，于是可知造斜工具的工具面在井下的實(shí)際方位。圖5蹩定冋擺標(biāo)記社定向鍵法：這是一種用途廣泛的標(biāo)記方法，既可用于用磁性測(cè)斜儀定向，也可用于陀螺測(cè)斜儀定向，原理上講也可用于HF酸測(cè)斜儀定向。如圖5-42所示，定向鍵所在的母線(xiàn)就標(biāo)志著造斜工具的工具面方位。測(cè)量時(shí)設(shè)法測(cè)到定向鍵的方位，就可以知道造斜工具的工具面方位了。在測(cè)量?jī)x器的羅盤(pán)面上有一個(gè)“發(fā)線(xiàn)”，在測(cè)量?jī)x器的最下面有一個(gè)“定向鞋”，定向鞋上有一個(gè)“定向槽”，在儀器安裝時(shí)使“發(fā)線(xiàn)”與“定向槽”在同一個(gè)母線(xiàn)上對(duì)齊。當(dāng)儀器下到井底時(shí)，定向鞋的特殊曲線(xiàn)將使定向槽自動(dòng)卡在定向鍵上，從而使羅盤(pán)面上的發(fā)線(xiàn)方位就標(biāo)志了造斜工具的工具面方位。在照相底片上羅盤(pán)的指針標(biāo)志著井斜方位，所以可以求得造斜工具的工具面方位。各種定向方法及其使用場(chǎng)合雙羅盤(pán)定向儀+定向磁鐵標(biāo)記：這種方法常用于垂直井眼內(nèi)定向。在垂直井眼內(nèi)開(kāi)始造斜，井眼沒(méi)有斜度，無(wú)法進(jìn)行測(cè)斜定向。這種方法，一個(gè)羅盤(pán)指示正北方位，一個(gè)羅盤(pán)指示工具面方位，無(wú)需測(cè)井斜方位。顯然這種方法也可用于傾斜井眼內(nèi)定向。陀螺儀+定向鍵標(biāo)記：這種方法在鉆柱上無(wú)需接專(zhuān)用的無(wú)磁鉆鋌，所以在缺乏專(zhuān)用無(wú)磁鉆鋌時(shí)可以應(yīng)用此法。特別是用于磁性異常地區(qū)或叢式井間磁性干擾嚴(yán)重的情況。不管是直井定向還是斜井定向，都可使用。但由于陀螺儀較為“嬌貴”，操作較復(fù)雜，使用費(fèi)用也就較高。磁羅盤(pán)測(cè)斜儀+定向鍵標(biāo)記：這是目前用得最多的定向方法。從原理上講，此法既可用于直井內(nèi)定向，也可用于斜井內(nèi)定向。在磁異?；虼鸥蓴_嚴(yán)重的地區(qū)，此法定向不夠準(zhǔn)確。由于磁羅盤(pán)的緣故，此法必須要使用無(wú)磁鉆鋌。但若確實(shí)沒(méi)有無(wú)磁鉆鋌，還想使用此法，可以采取“間接定向法”，即在下鉆之前先在裸眼內(nèi)用磁羅盤(pán)測(cè)斜儀測(cè)得井底的井斜方位角，然后再使用此法。這樣在照相底片上，只能看到井斜方位與工具面方位之間的關(guān)系，再根據(jù)下鉆前測(cè)的井斜方位角，就可以算出工具面的實(shí)際方位角。氟氫酸測(cè)斜儀+定向齒刀標(biāo)記:此法是過(guò)去沒(méi)有先進(jìn)測(cè)斜儀器時(shí)在斜井內(nèi)定向使用的方法，目前僅在極個(gè)別的地區(qū)還有使用的。地面定向法：從原理上講，此法可用于直井和斜井內(nèi)定向，但過(guò)去缺乏先進(jìn)定向儀器時(shí)，也主要用于直井內(nèi)定向，斜井內(nèi)則采用“氟氫酸測(cè)斜儀＋定向齒刀標(biāo)記”。此法目前僅在在缺乏直井定向儀器時(shí)使用。隨鉆測(cè)斜儀+定向鍵：這是目前最先進(jìn)的定向方法，可以做到隨鉆定向，即在鉆進(jìn)過(guò)程中隨時(shí)指示出造斜工具的工具面方位及其變化情況。目前用的隨鉆測(cè)斜儀分為有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)兩種。由于儀器的使用費(fèi)很高，所以?xún)H在高難度的定向井或水平井等要求較高的井內(nèi)使用。第六節(jié)水平井鉆井技術(shù)簡(jiǎn)介水平井也是定向井的一種。但由于水平井特有的軌道形狀，鉆進(jìn)工具，技術(shù)難度以及廣闊的應(yīng)用前景和巨大的經(jīng)濟(jì)效益，均超過(guò)了普通定向井的范疇，所以人們將水平井鉆井技術(shù)單列出來(lái)。水平井的基本概念定義：水平井是指井眼軌跡達(dá)到水平以后，井眼繼續(xù)延伸一定長(zhǎng)度的定向井。這里所說(shuō)的“達(dá)到水平”，是指井斜角達(dá)到90度左右，并非嚴(yán)格的90度。這里所說(shuō)的“延伸一定長(zhǎng)度”，一般是在油層里延伸，并且延伸的長(zhǎng)度要大于油層厚度的六倍。據(jù)研究，只有在油層延伸的長(zhǎng)度要大于油層厚度的六倍，水平井才有經(jīng)濟(jì)效益。水平井的分類(lèi):水平井的分類(lèi)是根據(jù)從垂直井段向水平井段轉(zhuǎn)彎時(shí)的轉(zhuǎn)彎半徑(曲率半徑)的大小進(jìn)行的，如表5-7所示。表5-7水平井的分類(lèi)類(lèi)別造斜率(°/30m)井眼曲率半徑(m)水平段長(zhǎng)度(m)長(zhǎng)半徑2?6860?280300?1700中半徑6?20280?85200?1000中短半徑20?8085?20200?500短半徑30?15060?10100?300超短半徑特殊轉(zhuǎn)向器0.330?60各類(lèi)水平井的特點(diǎn)：長(zhǎng)半徑水平井，可以用常規(guī)定向鉆井的設(shè)備、工具和方法鉆成，固井、完井也與常規(guī)定向井相同，只是難度增大而已。若使用導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)，不僅可較好地控制井眼軌跡，也可提高鉆速。主要缺點(diǎn)是摩阻力大，起下管柱難度大。此類(lèi)水平井的數(shù)量將越來(lái)越少。中半徑水平井，在增斜段均要用彎外殼井下動(dòng)力鉆具進(jìn)行增斜，必要時(shí)要使用導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)控制井眼軌跡。固井完井方法也可與常規(guī)定向井相同，只是難度更大。由于中半徑水平井摩阻力小，所以目前在已鉆水平井?dāng)?shù)量中是最多的。短半徑和中短半徑水平井主要用于老井側(cè)鉆，死井復(fù)活，提高采收率。少數(shù)也有打新井的。此類(lèi)水平井須用特殊的造斜工具，目前有兩種鉆井系統(tǒng)：柔性旋轉(zhuǎn)鉆井系統(tǒng)和井下馬達(dá)鉆井系統(tǒng)。另外完井的困難較大，只能裸眼或下割縫篩管。由于中靶精度高，增產(chǎn)效益顯著，此類(lèi)水平井將越來(lái)越多。超短半徑水平井也被稱(chēng)為徑向水平井，僅用于老井復(fù)活。通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向器，可以在同一井深處水平輻射地鉆出多個(gè)（一般為4?12個(gè)）水平井眼，增產(chǎn)效果很顯著，而且地面設(shè)備簡(jiǎn)單，鉆速也快，很有發(fā)展前途。但需要有特殊的井下工具和鉆進(jìn)工藝以及特殊的完井工藝。水平井的經(jīng)濟(jì)效益與應(yīng)用前景：水平井的突出特點(diǎn)是井眼穿過(guò)油層的長(zhǎng)度長(zhǎng)，所以油井的單井產(chǎn)量高。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界水平井的產(chǎn)量平均為鄰井（直井）的六倍，有的高達(dá)幾十倍。而且水平井的滲流速度小，出砂少，采油指數(shù)高，因而采收率可以大大提高。水平井可使一大批用直井或普通定向井無(wú)開(kāi)采價(jià)值的油藏具有工業(yè)開(kāi)采價(jià)值。例如，一些以垂直裂縫為主的裂縫油藏，一些厚度小于10米薄油層，還有一些低壓低滲油藏。另外，海上油田投資大，成本高，直井開(kāi)采無(wú)效益，水平井卻可能有開(kāi)采價(jià)值。水平井可使一大批死井復(fù)活。許多具有氣頂或低水的油藏，油井經(jīng)過(guò)一段開(kāi)采之后，被氣錐或水錐淹沒(méi)而不出油。實(shí)際上油井周?chē)杂写罅康挠?，稱(chēng)為死油。在老井中用側(cè)鉆水平井鉆到死油區(qū)，可使這批死井復(fù)活，重新出油。這是一項(xiàng)非常鼓舞人心的應(yīng)用前景。水平井作為探井亦具有廣闊的前景。我國(guó)勝利油田有一口水平井一井穿過(guò)十多個(gè)油層，相當(dāng)于九口直探井。隨著水平井技術(shù)的發(fā)展，大位移水平井，水平分支井，側(cè)鉆水平井，徑向水平井等技術(shù)的成熟，水平井在提高油田勘探和開(kāi)發(fā)的速度和提高油藏采收率方面，將起到極其重要的作用。水平井鉆井的難度所在水平井的軌跡控制要求高，難度大。要求高，是指軌跡控制的目標(biāo)區(qū)的要求高。普通定向井的目標(biāo)區(qū)是一個(gè)靶園，井眼只要穿過(guò)此靶園即為合格。水平井的目標(biāo)區(qū)則是一個(gè)扁平的立方體，如圖5—43所示，不僅要求井眼準(zhǔn)確進(jìn)入窗口，而且要求井眼的方位與靶區(qū)軸線(xiàn)一致，俗稱(chēng)“矢量中靶”。

圖、咄常見(jiàn)水平刃軌道及目標(biāo)反難度大，是指在軌跡控制過(guò)程中存在“兩個(gè)不確定性因素”軌跡控制的精度稍差，就有可能脫靶。所謂“兩個(gè)不確定性因素”，一是目標(biāo)垂深的不確定性，即地質(zhì)部門(mén)對(duì)目標(biāo)層垂深的預(yù)測(cè)有一定的誤差；二是造斜工具的造斜率的不確定性。這兩個(gè)不確定性的存在，對(duì)直井和普通定向井來(lái)說(shuō)，不會(huì)有很大的影響，但對(duì)水平井來(lái)說(shuō)，則可能導(dǎo)致脫靶。圖、咄常見(jiàn)水平刃軌道及目標(biāo)反這一方面要求精心設(shè)計(jì)水平井軌道，一方面要求具有較高的軌跡控制能力。管柱受力復(fù)雜。.由于井眼的井斜角大，井眼曲率大，管柱在井內(nèi)運(yùn)動(dòng)將受到巨大的摩阻，致使起下鉆困難，下套管困難，給鉆頭加壓困難。.在大斜度和水平井段需要使用“倒裝鉆具，，下部的鉆桿將受軸向壓力，壓力過(guò)大將出現(xiàn)失穩(wěn)彎曲，彎曲之后將摩阻更大。.摩阻力、摩扭矩和彎曲應(yīng)力將顯著地增大，使鉆柱的受力分析、強(qiáng)度設(shè)計(jì)和強(qiáng)度校核比直井和普通定向井更為復(fù)雜。.由于彎曲應(yīng)力很大，在鉆柱旋轉(zhuǎn)條件下應(yīng)力交變，將加劇鉆柱的疲勞破壞。這就要求精心設(shè)計(jì)鉆柱，嚴(yán)格按規(guī)定使用鉆柱。泥漿密度選擇范圍變小，容易出現(xiàn)井漏和井塌。.地層的破裂壓力和坍塌壓力隨井斜角和井斜方位角而變化。在原地應(yīng)力的三個(gè)主應(yīng)力中，垂直主應(yīng)力不是中間