講座-水平井鉆井技術(shù)

水平井是最大井斜角保持在90°左右，并在目的層中維持一定長度的水平井段的特殊井。水平井鉆井技術(shù)是常規(guī)定向井鉆井技術(shù)的延伸和發(fā)展。水平井鉆井技術(shù)第一節(jié)水平井的分類及特點(diǎn)目前，水平井已形成3種基本類型，如圖示。第一節(jié)水平井的分類及特點(diǎn)

3．各類水平井的特點(diǎn)長半徑水平井：設(shè)備、工具，鉆井、固井、完井與常規(guī)定向井相同，難度增大。使用導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)，可較好地控制井眼軌跡，提高鉆速。主要缺點(diǎn)是摩阻力大，起下管柱難度大。此類水平井的數(shù)量將越來越少。中半徑水平井：用彎外殼動(dòng)力鉆具增斜，必要時(shí)使用導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)控制井眼軌跡。固井完井方法可與常規(guī)定向井相同，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中，中半徑水平井?dāng)?shù)量最多。

第一節(jié)水平井的分類及特點(diǎn)

3．各類水平井的特點(diǎn)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。需用特殊的造斜工具。完井的困難較大，只能裸眼或下割縫篩管。中靶精度高，增產(chǎn)效益顯著，此類水平井將越來越多。超短半徑水平井：僅用于老井復(fù)活。在同一井深處鉆出多個(gè)(一般為4～12個(gè)水平井眼。井增產(chǎn)效果很顯著，地面設(shè)備簡單，鉆速也快，很有發(fā)展前途。但需要特殊的井下工具、鉆進(jìn)工藝和完井工藝。第二節(jié)水平井的經(jīng)濟(jì)效益與應(yīng)用前景

1、水平井的突出特點(diǎn)是井眼穿過油層的長度長，所以油井的單井產(chǎn)量高。2、水平井的應(yīng)用（1）天然垂直裂縫（2）水錐和氣錐（3）低滲透地層（4）薄油層（5）溶解采礦（6）重油產(chǎn)層

第二節(jié)水平井的經(jīng)濟(jì)效益與應(yīng)用前景

（7）不規(guī)則地層：油層互不關(guān)聯(lián)、位置難以確定、垂直井難以鉆到。

第二節(jié)水平井的經(jīng)濟(jì)效益與應(yīng)用前景

（8）擴(kuò)大邊界控制面積

（9）層狀油層

第三節(jié)國內(nèi)外水平井發(fā)展概況和技術(shù)現(xiàn)狀

一、國外水平井的發(fā)展概況和技術(shù)現(xiàn)狀20世紀(jì)50年代，老井側(cè)鉆短半徑泄油孔，水平進(jìn)尺短。前蘇聯(lián)使用渦輪鉆具鉆成長半徑水平井，其水平段長達(dá)1600ft。

20世紀(jì)50~70年代水平井技術(shù)發(fā)展緩慢。主要原因：技術(shù)落后，事故與成本高，原油價(jià)格低。20世紀(jì)70年代后期，水平井技術(shù)得到重視，原油價(jià)格的上漲，開發(fā)低壓、低滲、薄油藏、稠油油藏，發(fā)展了長半徑、中半徑水平井鉆井技術(shù)。20世紀(jì)80年代，隨著被譽(yù)為國際鉆井3大新技術(shù)的MWD、PDC鉆頭和高效導(dǎo)向螺桿鉆具的應(yīng)用，促進(jìn)了水平井技術(shù)的進(jìn)步，水平井?dāng)?shù)量成倍增加，中半徑水平井占據(jù)優(yōu)勢。第三節(jié)國內(nèi)外水平井發(fā)展概況和技術(shù)現(xiàn)狀20世紀(jì)90年代以來，水平井技術(shù)飛速發(fā)展。1990～1995年的6年中，世界上共鉆成水平井12590口，其中，中半徑、長半徑和短半徑水平井各占總數(shù)70~80％，10~25％和5~10％。第三節(jié)國內(nèi)外水平井發(fā)展概況和技術(shù)現(xiàn)狀二、國內(nèi)水平井的發(fā)展概況和技術(shù)現(xiàn)狀我國是第3個(gè)鉆水平井的國家。1965~1966年在四川鉆成2口水平井，測深達(dá)1685m，垂深1368m，水平段長160m。產(chǎn)量為鄰近直井的10倍。20世紀(jì)70~80年代水平井技術(shù)處于停頓狀態(tài)，關(guān)注著國外水平井技術(shù)的發(fā)展動(dòng)向。90~94年“石油水平井鉆井成套技術(shù)”被列入國家“八五”重大科技攻關(guān)項(xiàng)目，有6個(gè)油田和5所院校的762名科技人員參加攻關(guān)。第三節(jié)國內(nèi)外水平井發(fā)展概況和技術(shù)現(xiàn)狀（1）鉆成長、中、短半徑水平井50余口。有稠油熱采井，多目標(biāo)水平井，老井側(cè)鉆水平井，叢式水平井，套管固井射孔完井、礫石充填完井、割縫篩管完井、金屬棉篩管完井、割縫尾管加管外封隔器完井、僅用油層套管完井、裸眼完井等；（2）水平井優(yōu)化設(shè)計(jì)，水平井井眼軌道控制，水平井鉆井液與完井液，水平井完井與固井射孔技術(shù)，水平井電測技術(shù)與水平井取心技術(shù)等方面，取得16項(xiàng)重大技術(shù)成果；

（3）建成5個(gè)實(shí)驗(yàn)室和11套實(shí)驗(yàn)裝置，研制新型儀器18臺(tái)套，編制各種計(jì)算機(jī)軟件53套，制定行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)14項(xiàng)，獲國家專利8項(xiàng)，推廣新工藝、新技術(shù)12項(xiàng)。第三節(jié)國內(nèi)外水平井發(fā)展概況和技術(shù)現(xiàn)狀至1999年8月，我國累計(jì)完成水平井293口，并呈現(xiàn)快速發(fā)展的良好勢頭。第三節(jié)國內(nèi)外水平井發(fā)展概況和技術(shù)現(xiàn)狀三、水平井鉆井的難度所在1、水平井的軌跡控制要求高，難度大水平井的目標(biāo)是一扁平的立方體，不僅要求井眼準(zhǔn)確進(jìn)入窗口，而且要求井眼方位與靶區(qū)軸線一致，俗稱“矢量中靶”。

“兩個(gè)不確定性因素”：一是目標(biāo)垂深預(yù)測有一定的誤差；二是造斜工具的造斜率的不確定性。對直井和普通定向井不會(huì)有很大的影響，但水平井可能導(dǎo)致脫靶。第三節(jié)國內(nèi)外水平井發(fā)展概況和技術(shù)現(xiàn)狀三、水平井鉆井的難度所在2、管柱受力復(fù)雜（1）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，起下鉆困難，下套管困難，鉆頭加壓困難。（2）水平井段使用“倒裝鉆具”，下部鉆桿受壓，壓力過大導(dǎo)致失穩(wěn)彎曲，摩阻更大。（3）摩擦阻力、摩擦扭矩和彎曲應(yīng)力將顯著增大，鉆柱受力、強(qiáng)度設(shè)計(jì)與校核更為復(fù)雜。（4）彎曲應(yīng)力大，旋轉(zhuǎn)條件下應(yīng)力交變，加劇鉆柱的疲勞破壞。

要求精心設(shè)計(jì)鉆柱。

第三節(jié)國內(nèi)外水平井發(fā)展概況和技術(shù)現(xiàn)狀三、水平井鉆井的難度所在3、鉆井液密度選擇范圍變小，容易出現(xiàn)井漏和井塌（1）在原地應(yīng)力的三個(gè)主應(yīng)力中，隨著井斜角的增大，地層破裂壓力減小，坍塌壓力將增大。

（2）水平井段，地層破裂壓力不變，而隨著水平井段的增長，鉆井液激動(dòng)壓力和抽吸壓力將增大，也將導(dǎo)致井漏和井塌。要求精心設(shè)計(jì)井身結(jié)構(gòu)和鉆井液參數(shù)，并減小起下管柱時(shí)的壓力波動(dòng)。第三節(jié)國內(nèi)外水平井發(fā)展概況和技術(shù)現(xiàn)狀三、水平井鉆井的難度所在4、巖屑攜帶困難容易形成“巖屑床”。特別是在井斜角為45o～60o的井段，“巖屑床”沿井壁下側(cè)下滑，形成堆積，堵塞井眼。要求精心設(shè)計(jì)鉆井液參數(shù)和水力參數(shù)。5、完井電測困難儀器不可能依靠自重滑到井底。鉆進(jìn)中用鉆柱送入儀器。射孔測試用油管送入，完井電測是裸眼，儀器難以送入。目前解決此問題的方法是利用鉆柱送入，但仍不甚理想。第二章水平井設(shè)計(jì)基礎(chǔ)與井眼軌道控制問題的性質(zhì)

第一節(jié)水平井設(shè)計(jì)中的幾個(gè)問題

水平井設(shè)計(jì)的目的:主要是解決地下油藏的效益和產(chǎn)量。問題的性質(zhì)從鉆井工程技術(shù)擴(kuò)展到地質(zhì)與油藏工程方面。水平井的設(shè)計(jì)思路和基本方法是：目的層油藏地質(zhì)設(shè)計(jì)—產(chǎn)量預(yù)測一完井方法選擇一水平段設(shè)計(jì)一目的層以上的剖面設(shè)計(jì)一套管程序設(shè)計(jì)—井下工具、測量方法選擇一水力參數(shù)設(shè)計(jì)與地面設(shè)備選擇一經(jīng)濟(jì)評價(jià)。第一節(jié)水平井設(shè)計(jì)中的幾個(gè)問題

水平井設(shè)計(jì)的目的:主要是解決油藏的效益和產(chǎn)量。問題的性質(zhì)從鉆井工程技術(shù)擴(kuò)展到油藏工程方面。不同性質(zhì)的油氣藏，水平井增產(chǎn)效果不同。設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是要選擇合適的油藏。因此，要進(jìn)行綜合的油藏描述，優(yōu)化水平井的井位。水平井的設(shè)計(jì)思路和基本方法是：目的層油藏地質(zhì)設(shè)計(jì)—產(chǎn)量預(yù)測一完井方法選擇一水平段設(shè)計(jì)一目的層以上的剖面設(shè)計(jì)一套管程序設(shè)計(jì)—井下工具、測量方法選擇一水力參數(shù)設(shè)計(jì)與地面設(shè)備選擇一經(jīng)濟(jì)評價(jià)。一、油藏描述與精細(xì)地質(zhì)設(shè)計(jì)

1、對油藏進(jìn)行綜合的精細(xì)描述，建立水平井目的層地質(zhì)模型（以大慶油田低壓低滲薄砂巖油藏為例，工作的內(nèi)容和要求主要是：）（1）目的層砂體預(yù)測。以地震資料建立砂體模型，預(yù)測砂體分布及砂體的增厚方向和延伸方向；定量確定目的層砂巖分布和孔隙度分布等。（2）油層頂部預(yù)測。利用油田開發(fā)資料，研究目的層頂面位置與形態(tài)。（3）裂縫發(fā)育特征描述。觀察巖心及其他多種方法，確定天然裂縫的基本特征、分布規(guī)律和方向性，以及人工裂縫的方向等。（4）描述儲(chǔ)層內(nèi)部物性夾層的分布特征。一、油藏描述與精細(xì)地質(zhì)設(shè)計(jì)2、應(yīng)用油藏?cái)?shù)值模擬技術(shù)，優(yōu)化設(shè)計(jì)水平井井位參數(shù)（1）確定水平井井位布置原則水平井必須與已鉆的開發(fā)井或探井井位相協(xié)調(diào)，應(yīng)從油藏整體上進(jìn)行部署，而不要局限于單口井的概念設(shè)計(jì)。（2）確定水平段長度和井眼直徑的設(shè)計(jì)原則理論上，水平段越長，井眼直徑越大，水平井的采油指數(shù)（PI）就越大，產(chǎn)量就越高。井眼直徑選擇：要綜合考慮水平段的完井設(shè)計(jì)、全井的套管程序以及鉆機(jī)能力等因素。水平段長度選擇：綜合考慮目的層模型、泄油半徑、油藏開發(fā)設(shè)計(jì)要求、鉆井和完井的工藝、鉆井成本等因素。一、油藏描述與精細(xì)地質(zhì)設(shè)計(jì)2、應(yīng)用油藏?cái)?shù)值模擬技術(shù)，優(yōu)化設(shè)計(jì)水平井井位參數(shù)

一、油藏描述與精細(xì)地質(zhì)設(shè)計(jì)2、應(yīng)用油藏?cái)?shù)值模擬技術(shù)，優(yōu)化設(shè)計(jì)水平井井位參數(shù)（3）水平段方向確定水平段方向確定的基本原則：獲得最大的產(chǎn)能。對于靠天然能量開采的油藏，水平段方向最好與天然裂縫方向垂直，盡量多地穿透裂縫；對注水開發(fā)的低滲透砂巖油藏，應(yīng)綜合考慮砂巖形態(tài)、天然裂縫方向、人工裂縫方向等確定水平段方向。

第一節(jié)水平井設(shè)計(jì)中的幾個(gè)問題二、水平井完井方法的選擇水平井完井可分為如下4種基本方法：(1)裸眼完井。(2)篩孔/割縫襯管完井。(3)篩孔／割縫襯管帶管外封隔器完井。(4)襯(套)管注水泥固井射孔完井。二、水平井完井方法的選擇

1、裸眼完井法優(yōu)點(diǎn)：費(fèi)用低；無產(chǎn)量損失；缺點(diǎn)：井眼容易堵塞；生產(chǎn)控制性差；修井作業(yè)困難。2、篩孔劇縫襯管完井法優(yōu)點(diǎn)：油層與井眼間的通道比較可靠；部分控制出砂，在松軟地層常用繞絲篩管、礫石充填篩管控制出砂。缺點(diǎn)：不能控制生產(chǎn)；不能進(jìn)行生產(chǎn)測井3、篩管／割縫襯管帶管外封隔器完井法優(yōu)點(diǎn)：分層隔離，隔絕水層和氣層，選擇性的增產(chǎn)作業(yè)。缺點(diǎn)：封隔器與割縫管在裸眼中，很難保證密封效果。4、襯(套)管注水泥固井射孔完井法優(yōu)點(diǎn)：有效封隔油層、水層、氣層；準(zhǔn)確生產(chǎn)測井；選擇性的增產(chǎn)作業(yè)或選擇性生產(chǎn)。缺點(diǎn)：費(fèi)用高，水平井固井質(zhì)量也較難保證。第一節(jié)水平井設(shè)計(jì)中的幾個(gè)問題三、水平井靶區(qū)參數(shù)設(shè)計(jì)水平井的靶區(qū)：一般是一個(gè)包含水平段的長方體或擬柱體。靶區(qū)參數(shù)：主要包括水平井段井徑、方位、長度，水平段井斜角、水平段的垂向位置，水平井靶區(qū)形狀尺寸及允許偏差范圍。三、水平井靶區(qū)參數(shù)設(shè)計(jì)

1、水平段長度設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)方法：根據(jù)油井產(chǎn)量要求，計(jì)算最佳水平段長度，綜合考慮鉆柱摩阻、鉆機(jī)能力、井眼穩(wěn)定周期等因素的限制。2、水平段井斜角確定水平段井斜角應(yīng)綜合考慮地層傾角、地層走向、油層厚度等因素。我國的石油水平井段的井斜角一般是不小于86o。在通常情況下，水平段與油層面平行，其井斜角為：

三、水平井靶區(qū)參數(shù)設(shè)計(jì)

1、水平段長度設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)方法：根據(jù)油井產(chǎn)量要求，計(jì)算最佳水平段長度，綜合考慮鉆柱摩阻、鉆機(jī)能力、井眼穩(wěn)定等因素。2、水平段井斜角確定水平段井斜角應(yīng)綜合考慮地層傾角、地層走向、油層厚度等因素。我國石油水平井段的井斜角一般不小于86o。

3、水平井的垂向位置由油藏性質(zhì)決定水平段的設(shè)計(jì)位置。無底水、無氣頂油藏，水平段宜于油層中部;有底水或氣頂油藏，水平段應(yīng)盡量遠(yuǎn)離油、氣、水界面；重油油藏，水平段應(yīng)在油層下部，使密度較大的稠油借助重力流入井眼。三、水平井靶區(qū)參數(shù)設(shè)計(jì)

4、水平井靶體設(shè)計(jì)水平井靶體設(shè)計(jì)實(shí)質(zhì)：確定水平段位置的允許偏差范圍，允許偏差限制過嚴(yán)會(huì)加大井眼控制難度與鉆井成本。靶體垂向允許偏差必須等于或小于油層厚度。靶體上下邊界對稱于水平段設(shè)計(jì)位置，但也可以不對稱。靶體橫向允許偏差一般是垂向允許偏差的幾倍(多為5倍)加大靶窗寬度，有利于降低著陸控制難度。減少水平鉆進(jìn)時(shí)糾方位的麻煩。第一節(jié)水平井設(shè)計(jì)中的幾個(gè)問題四、水平井剖面設(shè)計(jì)剖面設(shè)計(jì)一般是二維設(shè)計(jì)，即把井身軌道設(shè)計(jì)成通過水平段的鉛垂平面內(nèi)的曲線或曲線、直線段組合。

常用的井身剖面：理論上，水平井的井身剖面可根據(jù)實(shí)際需要設(shè)計(jì)成多種不同類型。但實(shí)際上應(yīng)用最多、最有代表性的有3種單弧剖面、雙弧剖面、三弧剖面四、水平井剖面設(shè)計(jì)（1）單弧剖面又稱“直—增—水平”剖面，由直井段、增斜段和水平段組成。突出特點(diǎn)是用一種造斜率使井身由0o增至最大井斜角αH

。這種剖面適用于目的層頂界與工具造斜率都十分確定條件下的水平井剖面設(shè)計(jì)。常用于短半徑水平井。四、水平井剖面設(shè)計(jì)（2）雙弧剖面又稱“直—增—穩(wěn)—增—水平”剖面，特點(diǎn)是在兩段增斜段之間設(shè)計(jì)了一段穩(wěn)斜段，以調(diào)整工具造斜率的誤差造成的軌道偏離。這種剖面適用于頂界確定而工具造斜率尚不十分確定的情況，是中、長半徑水平井比較普遍采用的一種剖面設(shè)計(jì)。四、水平井剖面設(shè)計(jì)（3）三弧剖面“直—增—穩(wěn)—增—穩(wěn)—增—水平”剖面，特點(diǎn)是在增斜段之間設(shè)計(jì)了兩個(gè)穩(wěn)斜段，第一穩(wěn)斜段調(diào)整工具造斜率的誤差，第二穩(wěn)斜段探油頂。這種剖面適用于頂界和工具造斜率都有一定誤差的條件下，尤其適用于薄油層水平井設(shè)計(jì)。四、水平井剖面設(shè)計(jì)

2、水平井常用的剖面計(jì)算公式剖面設(shè)計(jì)常用方法有：固定參數(shù)法和調(diào)整參數(shù)法。固定參數(shù)法設(shè)計(jì)單弧剖面要確定：造斜點(diǎn)位置和曲率半徑，或者靶前位移SA，造斜點(diǎn)垂深HK和曲率半徑R。固定參數(shù)法的設(shè)計(jì)自由度為1，即在3個(gè)參數(shù)的組合中任意確定一個(gè)，其他兩個(gè)參數(shù)值即可由計(jì)算確定。四、水平井剖面設(shè)計(jì)當(dāng)曲率半徑R選定時(shí)：造斜點(diǎn)垂深：

靶前位移：當(dāng)靶前位移SA選定時(shí)：

四、水平井剖面設(shè)計(jì)當(dāng)造斜點(diǎn)垂深HK選定時(shí)：

給定參數(shù)選取，要符合工程實(shí)際要求。變化給定參數(shù)，即可進(jìn)行剖面優(yōu)化設(shè)計(jì)。四、水平井剖面設(shè)計(jì)

如圖示，用調(diào)整參數(shù)法設(shè)計(jì)雙弧剖面，是在工具造斜率有一定誤差的條件下，用中間穩(wěn)斜段(長度LW和角度αW待定)進(jìn)行調(diào)整。6個(gè)參數(shù)方程組如下：四、水平井剖面設(shè)計(jì)在調(diào)整參數(shù)法設(shè)計(jì)雙弧剖面，參數(shù)方程組如下：6個(gè)參數(shù)的設(shè)計(jì)問題有4個(gè)自由度，必須先確定其中任意4個(gè)參數(shù)值，才能夠確定另2個(gè)待求的參數(shù)，即得到確定的設(shè)計(jì)方案。第二節(jié)水平井井眼軌道控制問題的性質(zhì)一、基本概念和控制指標(biāo)靶窗與靶底：著陸點(diǎn)著陸控制：設(shè)計(jì)終止點(diǎn)：水平延伸段：水平控制：一、基本概念和控制指標(biāo)

實(shí)鉆軌道與設(shè)計(jì)軌道間必有誤差，A'為實(shí)際著陸點(diǎn)，

B'實(shí)際著陸點(diǎn)，水平段A'B'一般為曲線。A'、B'到靶窗橫、縱兩軸的距離分別稱為著陸點(diǎn)縱距hA’V和橫距hB’V。

過靶心線的水平面稱為靶心設(shè)計(jì)平面。A'B'曲線上各點(diǎn)到靶心設(shè)計(jì)平面的距離稱為鉛垂距（波動(dòng)高度），各鉛垂距(取正值)的平均值，稱為平均偏離高度。二、誤差來源與對水平井軌道控制的要求

１、地質(zhì)誤差設(shè)計(jì)的油頂垂深與實(shí)際的油頂垂深存在誤差常給著陸控制造成困難。當(dāng)誤差較大或在薄油層中，其影響尤為突出。2、工具能力誤差因受地層作用、工藝操作方法和理論計(jì)算準(zhǔn)確程度等，工具的實(shí)際造斜率和設(shè)計(jì)能力之間也會(huì)存在一些差異。3、軌道預(yù)測誤差由于MWD傳感器距鉆頭有一段距離(一般為13～17m)，以及測量誤差和信息滯后。實(shí)鉆過程中的參數(shù)值預(yù)測等會(huì)給鉆進(jìn)過程帶來一定影響，尤其是在薄油層中以較大的造斜率控制著陸進(jìn)靶時(shí)影響更大。二、誤差來源與對水平井軌道控制的要求地質(zhì)誤差和工具誤差影響的定量分析：如圖水平井靶窗高度為2h，水平段設(shè)計(jì)井斜角為90o，設(shè)計(jì)著陸點(diǎn)為A，靶前距為SA，增斜曲率半徑為Ｒ。當(dāng)實(shí)際著陸點(diǎn)分別位于靶窗下極限位置A１′和上極限位置A２′，對應(yīng)的曲率半徑為Ｒ′二、誤差來源與對水平井軌道控制的要求由幾何關(guān)系：相應(yīng)的工具造斜率K′為與設(shè)計(jì)造斜率K的誤差為著陸控制對造斜率的要求

二、誤差來源與對水平井軌道控制的要求設(shè)某中曲率半徑水平井，目的層設(shè)計(jì)垂深H＝2000m，靶窗高度6m(h=3m)，相應(yīng)的設(shè)計(jì)曲率半徑=814.875m，保證中靶的工具造斜率范圍為

造斜率的相對誤差為1.396％。顯然，這種嚴(yán)格的造斜率范圍，這樣小的造斜率誤差，對于實(shí)際的鉆井工具和受多種因素影響的鉆進(jìn)過程來說都是難以實(shí)現(xiàn)的。如果不采取特殊措施，極易造成失控脫靶。第三章中、長半徑水平井軌道控制工藝中、長半徑水平井軌道控制的重要特征：廣泛地采用特殊類型的井下控制工具，如各種不同的結(jié)構(gòu)特征和規(guī)格的螺桿鉆具。常規(guī)定向井中，一般采用直動(dòng)力鉆具(螺桿鉆具或渦輪鉆具)配小角度彎接頭進(jìn)行定向造斜；長、中半徑水平井動(dòng)力鉆具組合的結(jié)構(gòu)特征是帶有特殊的導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，如穩(wěn)定器、墊塊、彎殼體以及大角度彎接頭等。第一節(jié)水平井各種常用動(dòng)力鉆具的分類與結(jié)構(gòu)特征

1、按功能分類分為造斜動(dòng)力鉆具組合和穩(wěn)斜動(dòng)力鉆具組合。長半徑水平井，造斜率低(K<6°／30m)，兩種功能的鉆具可采用同樣的結(jié)構(gòu)型式（小曲率定向鉆進(jìn)、導(dǎo)向鉆進(jìn)）。第一節(jié)水平井各種常用動(dòng)力鉆具的分類與結(jié)構(gòu)特征

1、按功能分類中半徑水平井，造斜率較高[K=(6°～20°)／30m]，兩種功能的鉆具的結(jié)構(gòu)型式一般是不同的，動(dòng)力鉆具的彎角值較大(彎殼體彎角值一般在1°以上)。第一節(jié)水平井各種常用動(dòng)力鉆具的分類與結(jié)構(gòu)特征

3、按導(dǎo)向結(jié)構(gòu)型式分類根據(jù)導(dǎo)向結(jié)構(gòu)型式，動(dòng)力鉆具可分為彎殼體動(dòng)力鉆具、彎接頭動(dòng)力鉆具及偏心穩(wěn)定器動(dòng)力鉆具(一般是渦輪鉆具)多種。造斜原理：彎曲應(yīng)力，偏倒角。彎接頭造斜強(qiáng)度較小，彎接頭角度過大、動(dòng)力鉆具過長難于入井

第一節(jié)水平井各種常用動(dòng)力鉆具的分類與結(jié)構(gòu)特征

4、按彎角大小與組配方式分類固定彎殼體動(dòng)力鉆具和可調(diào)彎殼體動(dòng)力鉆具(AKO)。固定式彎殼體鉆具，又可分為單彎、同向雙彎、反向雙彎鉆具；雙彎鉆具，要求兩個(gè)彎角共面。反向雙彎鉆具，下彎角大于上彎角，集中在一個(gè)萬向軸彎殼體上(DTU，DoubleTiltedU—jointHousing)。同向雙彎鉆具，有兩種結(jié)構(gòu)方式：一種是集中在一個(gè)萬向軸彎殼體上(DKO，DoubleKock—off)，一種是彎接頭、彎殼體共面安裝，稱為FAB。第一節(jié)水平井各種常用動(dòng)力鉆具的分類與結(jié)構(gòu)特征幾點(diǎn)說明：(1)不同工具類型和結(jié)構(gòu)型式顯著影響造斜率；(2)中、長半徑水平井最常用的是：帶有穩(wěn)定器的反向雙彎、帶有穩(wěn)定器的單彎和同向雙彎螺桿鉆具組合。(3)反向雙彎螺桿鉆具造斜率一般在5°／30m以下，常用于長半徑水平井造斜與穩(wěn)斜。這種鉆具普遍帶有兩個(gè)穩(wěn)定器，下穩(wěn)定器位于傳動(dòng)軸殼體上，上穩(wěn)定器為加裝的鉆柱穩(wěn)定器。

(4)單彎螺桿鉆具造斜率一般在（6°～13°)／30m，主要用于中半徑水平井

(5)同向雙彎螺桿鉆具主要是FAB類型(DKO很少應(yīng)用)，造斜率（13°~20°)/30m。第二節(jié)總體控制方案的設(shè)計(jì)與計(jì)算水平井軌道總體控制方案的實(shí)質(zhì)是：綜合考慮工具、測量儀器、油頂可能誤差等多種因素，對井身剖面設(shè)計(jì)軌跡進(jìn)行細(xì)化、補(bǔ)充、修改和落實(shí)后形成的一種實(shí)施方案。是在現(xiàn)有誤差條件下，制定合理的軌道總體控制方案，輔之以實(shí)鉆過程中的軌道動(dòng)態(tài)監(jiān)控，來達(dá)到保證控制成功率，提高控制質(zhì)量和精度的目的。第二節(jié)總體控制方案的設(shè)計(jì)與計(jì)算

一、單弧剖面控制方案設(shè)造斜點(diǎn)(KOP)井斜角為0°水平井斜角設(shè)計(jì)值為αA(一般，86°≤αA≤90°)，靶窗高度為2h，可求出實(shí)際著陸點(diǎn)與設(shè)計(jì)著陸點(diǎn)A重合時(shí)的造斜率和靶前位移SA

H為造斜點(diǎn)與著陸點(diǎn)間的垂增值。一、單弧剖面控制方案設(shè)靶窗為上、下對稱(上、下允許差分別為h)，可求出最大造斜率Kmax(著陸點(diǎn)A1′)和最小造斜率著陸點(diǎn)Kmin(A2′)及對應(yīng)靶前位移SA1′，SA2′分別為:單元弧法剖面對工具造斜率的精度要求很高，相對誤差值與K和h成正比。只有在工具造斜率滿足所要求的精度和油層頂部垂深已知時(shí)，才可采用單弧剖面。二、導(dǎo)眼法控制方案當(dāng)存在地質(zhì)誤差時(shí)，很小的油頂垂深差值往往都會(huì)造成脫靶失控。消除油頂誤差的方法就是采用“導(dǎo)眼法”。導(dǎo)眼法：距預(yù)定油頂層面一定高度，先以一定的井斜角αC穩(wěn)斜鉆入油層，探得油頂和油層中部深度之后，然后回填井眼至一定高度(如圖中的C點(diǎn))，再以單圓弧方式鉆至著陸點(diǎn)A。二、導(dǎo)眼法控制方案在導(dǎo)眼法控制法要解決的問題是：確定實(shí)際的油頂、油中垂深、穩(wěn)斜角、回填段長、著陸控制的造斜率。選擇穩(wěn)斜點(diǎn)(或穩(wěn)斜角)的基本原則是不宜過遲，因?yàn)橛晚斦`差可能為負(fù)值，過遲選擇穩(wěn)斜點(diǎn)會(huì)導(dǎo)致下一段著陸控制的造斜率很高，甚至無適當(dāng)?shù)脑煨惫ぞ?；較早選擇造斜點(diǎn)會(huì)造成較長的回填井段。二、導(dǎo)眼法控制方案導(dǎo)眼法的兩種設(shè)計(jì)方案：1、以設(shè)定的穩(wěn)斜點(diǎn)W位置、穩(wěn)斜角αC、二次造斜點(diǎn)C位置為前提，確定進(jìn)靶造斜率K2和其最大值K2max

、最小值K2min

，然后選用相應(yīng)的造斜工具。二、導(dǎo)眼法控制方案

C，M，D，A點(diǎn)垂深值HC，HM，HD，HA為二、導(dǎo)眼法控制方案

2、以設(shè)定的進(jìn)靶造斜率K2和其最大值K2max

、最小值K2min為前提，來確定穩(wěn)斜段井斜角和回填井段長度LCM。第二節(jié)總體控制方案的設(shè)計(jì)與計(jì)算三、應(yīng)變法控制方案應(yīng)變法與導(dǎo)眼法的異同點(diǎn)：

(1)和導(dǎo)眼法相同，應(yīng)變法也是以穩(wěn)斜井段來探知油頂垂深，但不同之處在于應(yīng)變法是在探知油頂后即不再穩(wěn)斜鉆進(jìn)，而是以設(shè)計(jì)好的造斜率K2增斜著陸進(jìn)靶。

(2)和導(dǎo)眼法不同，應(yīng)變法的穩(wěn)斜角αC相對較大(一般在80°左右)，αC由計(jì)算確定；井段毋需回填。三、應(yīng)變法控制方案

應(yīng)變法的特點(diǎn)是：(1)應(yīng)變法的K2值是根據(jù)油層幾何參數(shù)確定，一般不作變動(dòng)，無論油頂垂深誤差是正還是負(fù)，只要探知油頂位置，便以選定的造斜率K2著陸進(jìn)靶。一般不會(huì)失控。(2)以穩(wěn)斜段來補(bǔ)償和消除油頂位置不確定的影響。為防止油頂提前，要設(shè)置幾道“警戒線”，在距離油頂設(shè)計(jì)值一定高度時(shí)即開始以αC穩(wěn)斜鉆進(jìn)，直至探知油頂。

應(yīng)變法的主要參數(shù)為：著陸進(jìn)靶的造斜率K2、進(jìn)入角αC

，穩(wěn)斜進(jìn)入油頂?shù)淖疃叹嚯xLCT、穩(wěn)斜段的起點(diǎn)位置和穩(wěn)斜段長度Lw，以及上部增斜井段的造斜率K1等。三、應(yīng)變法控制方案

三、應(yīng)變法控制方案設(shè)油頂距靶中線的距離為d，鉆具組合內(nèi)辨識(shí)油層位置的γ參數(shù)傳感器距鉆頭的距離為Lγ。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)γ傳感器進(jìn)入油頂界面時(shí)會(huì)有信號(hào)顯示，但往往并不充分，一般需要再鉆一定厚度(設(shè)為△h)才可判定。當(dāng)探知油頂時(shí)鉆頭進(jìn)入油層的距離(斜深)LCT為：Lγ由鉆具組合結(jié)構(gòu)確定，而△h可按經(jīng)驗(yàn)取為0.5m左右。此時(shí)鉆頭進(jìn)入油層的垂深HCT為三、應(yīng)變法控制方案

若選定以造斜率K2進(jìn)靶著陸，可求出進(jìn)入角αC為若選定進(jìn)入角αC(對薄油藏，αC≈80o)，則可求出著陸進(jìn)靶所需的造斜率K2及不脫靶的K2max、最小值K2min為：

三、應(yīng)變法控制方案如果油頂位置滯后出現(xiàn)，則只須以進(jìn)人角αC穩(wěn)斜鉆進(jìn)至油頂。此時(shí)，會(huì)引起較大的平差△S。在設(shè)計(jì)油頂上方△H垂距上設(shè)置“警戒線”，第一增斜井段造斜率Kl為：其中Ht

，HK分別為設(shè)計(jì)的著陸點(diǎn)垂深和造斜點(diǎn)(KOP)垂深。三、應(yīng)變法控制方案由上式可知，“警戒線”位置越靠上(△H越大)，則Kl越大。方案設(shè)計(jì)時(shí)，在油頂位置誤差難于確定時(shí)，往往設(shè)計(jì)幾種不同的“警戒線”，形成不同的控制方案。并非△H越大越好，因?yàn)椤鱄越大，穩(wěn)斜探頂將產(chǎn)生過大的平差。為保證以適當(dāng)?shù)脑煨甭蔏2著陸進(jìn)靶，進(jìn)入角αC值不可選擇太小，否則必導(dǎo)致K2過大；但αC值太大，穩(wěn)斜探頂會(huì)產(chǎn)生過大的平差，一般αC在80°左右。四、三弧剖面的參數(shù)計(jì)算對雙弧剖面改進(jìn)形成的應(yīng)變法總控方案，實(shí)際上是三弧剖面。三弧剖面法設(shè)計(jì)，可縮小設(shè)計(jì)方案與實(shí)鉆方案的差異，減小平差，提高軌道質(zhì)量。四、三弧剖面的參數(shù)計(jì)算

設(shè)三弧剖面造斜段的曲率半徑分別為R1，R2和R3，第一、二段的井斜角和段長分別為αW1、LWl和αW2、LW2，造斜點(diǎn)垂深為HK，著陸點(diǎn)垂深和井斜角分別為Ht和αH，著陸點(diǎn)靶前位移SA，油頂提前量△H，油中至油頂?shù)木嚯xd，這些參數(shù)滿足以下述方程：四、三弧剖面的參數(shù)計(jì)算

參數(shù)中，HK

、αH、Ht、SA、△H、△h、d、Lγ8個(gè)參已知，其余的LWl、LW2、αW1、αW2、R1、R2、R3、LCT8個(gè)參數(shù)，需先確定3個(gè)未知數(shù)，然后可解出其余參數(shù)。第三節(jié)水平井下部鉆具組合與鉆柱設(shè)計(jì)一、下部鉆具組合設(shè)計(jì)1、下部鉆具組合設(shè)計(jì)中的若干基本問題（1）下部鉆具組合必須保證足夠的強(qiáng)度、工作可靠性，并滿足井下處理事故作業(yè)對鉆具組合的結(jié)構(gòu)要求。（2）水平井下部鉆具組合設(shè)計(jì)的力學(xué)基礎(chǔ)是BHA受力變形大撓度分析方法。目前，較多采用縱橫彎曲法和有限元法，這些靜態(tài)分析結(jié)果基本能滿足工程需要。（3）水平井下部鉆具組合設(shè)計(jì)的首要原則是保證所設(shè)計(jì)組合的造斜率達(dá)到要求。預(yù)測BHA造斜能力的方法有極限曲率法等幾種，選用BHA的造斜能力一般比設(shè)計(jì)造斜率高10％～20％。一、下部鉆具組合設(shè)計(jì)（4）在設(shè)計(jì)水平井下部鉆具組合時(shí)，要考慮和確定測量方法、儀器類別及型號(hào)。（5）在設(shè)計(jì)水平井下部鉆具組合時(shí)，要考慮井底溫度，當(dāng)高于125o以上時(shí)應(yīng)考慮選用高溫型螺桿鉆具。（6）下部鉆具組合設(shè)計(jì)，要考慮工作排量和螺桿鉆具許用最大排量間的關(guān)系。如果排量明顯大于螺桿鉆具的額定排量和最大排量，則應(yīng)選用中空轉(zhuǎn)子螺桿鉆具。（7）設(shè)計(jì)水平井下部鉆具組合還要考慮鉆頭選型和鉆頭水眼壓降。水眼壓降對螺桿鉆具傳動(dòng)軸和MWD有一定影響。一、下部鉆具組合設(shè)計(jì)2、水平井下部鉆具組合典型實(shí)例

1）ф311mm井眼動(dòng)力鉆具造斜組合：鉆頭(ф311mm)+彎殼體螺桿鉆具(ф197mm，帶穩(wěn)定器ф308～310mm)+無磁鉆鋌1根(ф197mm，含MWD測斜儀)十無磁鉆鋌1根(ф178)+穩(wěn)定器(ф305～310)+(加重鉆桿)+……

2）ф311mm井眼轉(zhuǎn)盤鉆造斜組合(GiliiganBHA)：鉆頭(ф311)+近鉆頭穩(wěn)定器(ф308～310)+鉆鋌1根(ф146)十無磁鉆鋌1根(ф197，含MWD測斜儀)十穩(wěn)定器(ф305～310)十(加重鉆桿)+……二、鉆柱設(shè)計(jì)

1、鉆柱設(shè)計(jì)中的若干基本問題(1)水平井鉆柱設(shè)計(jì)的力學(xué)基礎(chǔ)是鉆柱的受力變形模型，可用于計(jì)算鉆柱串的軸力分布與傳遞規(guī)律，鉆柱摩阻、大鉤負(fù)荷、井底鉆壓、鉆柱扭轉(zhuǎn)角、以及鉆柱內(nèi)的應(yīng)力等等，但由計(jì)算結(jié)果用于工程實(shí)踐還有較大誤差。因此,在這方面還應(yīng)開展進(jìn)一步研究。

(2)水平井鉆柱設(shè)計(jì)的基本原則是：合理配置、保證強(qiáng)度、減小摩阻，使鉆頭上得到足夠鉆壓和扭矩。(3)水平井鉆柱的基本形式是“倒裝鉆柱”，在大井斜井段、水平井段工作的鉆柱，不采用鉆鋌而采用加重鉆桿或承壓鉆桿。但要注意對鉆柱的曲屈情況進(jìn)行分析，確定合理的鉆壓。二、鉆柱設(shè)計(jì)

1、鉆柱設(shè)計(jì)中的若干基本問題(4)為避免卡鉆，在水平井鉆柱組合中要裝震擊器。(5)大斜度以下井段，常去掉或關(guān)閉鉆具旁通閥，防止鉆井液中的巖屑被吸入動(dòng)力鉆具的旁通閥內(nèi)而在鉆柱上某一位置(如震擊器以上)安裝一個(gè)鉆柱旁通閥，以免在接單根時(shí)鉆臺(tái)上噴溢鉆井液。2、鉆柱結(jié)構(gòu)實(shí)例(ф311井眼造斜段鉆柱結(jié)構(gòu))：

BHA+加重鉆桿(ф127，數(shù)量若干)+鉆鋌(ф159，數(shù)量若干)+震擊器(ф159，下?lián)簦蠐舸?lián))+鉆鋌(ф159，數(shù)量若干)+鉆柱旁通閥+加重鉆桿(ф127，數(shù)量若干)十鉆桿(ф127，數(shù)量若干)。第四節(jié)著陸控制著陸控制是指從直井段末端的造斜點(diǎn)(KOP)開始鉆至油層內(nèi)的靶窗這一過程。增斜鉆進(jìn)是著陸控制的主要特征，進(jìn)靶控制(著陸控制過程中的最后一次增斜鉆進(jìn))是著陸控制的關(guān)鍵和結(jié)果，而動(dòng)態(tài)監(jiān)控則是著陸控制的技術(shù)手段。一、著陸控制的技術(shù)要點(diǎn)著陸控制的技術(shù)要點(diǎn)可以概括為如下口訣：略高勿低、先高后低、寸高必爭、早扭方位、穩(wěn)斜探頂、動(dòng)態(tài)監(jiān)控、矢量進(jìn)靶。一、著陸控制的技術(shù)要點(diǎn)1、略高勿低“略高勿低”：按比理論值高10％～20％來選擇或設(shè)計(jì)工具。2、先高后低實(shí)鉆造斜率若高于井身設(shè)計(jì)造斜率，技術(shù)上比較容易把它降下來。若實(shí)鉆造斜率低于井身設(shè)計(jì)造斜率，則不一定可以把下一段造斜率增上去，尤其是在著陸控制的后一階段(大井斜區(qū)段)。

一、著陸控制的技術(shù)要點(diǎn)

3、寸高必爭著陸控制是對“高度”(垂深)和“角度”(井斜)的匹配關(guān)系的控制，“高度”對“角度”有誤差放大作用。如：設(shè)井身設(shè)計(jì)造斜率K=8°／30m，按設(shè)計(jì)造斜率鉆至井斜角α=80°，此時(shí)鉆頭距靶中垂增△h=3.264m，但若采用K1=7.91°／30m實(shí)鉆造斜率鉆至α=80°，鉆頭距靶中垂增△h=0.875m，若要擊中靶窗中線，要求實(shí)鉆造斜率K1′=30.473°／30m，完全是由于實(shí)鉆造成的高差(2.407m)所致。4、早扭方位晚扭方位將會(huì)增加扭方位的難度。在鉆井過程中，通過調(diào)整動(dòng)力鉆具的工具面角加強(qiáng)對方位的動(dòng)態(tài)監(jiān)控。一、著陸控制的技術(shù)要點(diǎn)5、穩(wěn)斜探頂在中、長半徑水平井中，“穩(wěn)斜探頂”是克服地質(zhì)不確定度的有效方法。6、矢量進(jìn)靶進(jìn)靶鉆進(jìn)不僅要控制著陸點(diǎn)，而且還要控制鉆頭進(jìn)靶時(shí)的方向。

7、動(dòng)態(tài)監(jiān)控“動(dòng)態(tài)監(jiān)控”包括對已鉆軌道的計(jì)算描述、與設(shè)計(jì)軌道參數(shù)的對比和偏差認(rèn)定；包括：當(dāng)前工具已鉆井眼造斜率分析計(jì)算；對鉆頭處狀態(tài)參數(shù)(α、φ)的預(yù)測；待鉆井眼所需造斜率的計(jì)算等等。二、動(dòng)態(tài)監(jiān)控的常用計(jì)算和決策1、核算工具造斜率由MWD給出的第i、i+1兩點(diǎn)處的井深、井斜角和方位角分別用Li、αi、φi和Li+1、αi+1、φi+1表示，則工具在該段的實(shí)際造斜率KTa也是這兩點(diǎn)間的井眼實(shí)際造斜率Ki+1為井段鉆進(jìn)時(shí)存在方位角變化，則工具的造斜能力KT為：二、動(dòng)態(tài)監(jiān)控的常用計(jì)算和決策2、預(yù)測鉆頭處的井斜角和方位角設(shè)MWD的方向傳感器距鉆頭距離為Ld、αi+1、φi+1是MWD處的井斜角和方位角的實(shí)測值，鉆頭處的井斜角和方位角一般可采用外推法。二、動(dòng)態(tài)監(jiān)控的常用計(jì)算和決策3、核算兩點(diǎn)間的垂增與平增設(shè)測點(diǎn)i，i+1處的垂深分別為Hi

，Hi+1，該兩點(diǎn)間的垂增為(△H)i+1，平增為(△S)i+1

，則：鉆頭處垂深值(HB)i+1為:二、動(dòng)態(tài)監(jiān)控的常用計(jì)算和決策4、確定待鉆井眼的造斜率設(shè)待鉆井段的目標(biāo)點(diǎn)M（可是設(shè)計(jì)軌跡上任一點(diǎn)）處的井斜角、方位角、井深值、垂深值分別為αM

、φM

、LM

，則從與i+1測點(diǎn)相應(yīng)的鉆頭位置(HB)i+1鉆至M點(diǎn)所需的井身造斜率KB-M為：可根據(jù)KB-M來選擇待鉆井段的工具。二、動(dòng)態(tài)監(jiān)控的常用計(jì)算和決策5、鉆進(jìn)過程的決策（1）鉆壓變化對動(dòng)力鉆具鉆頭側(cè)向力的影響不明顯，但會(huì)影響機(jī)械鉆速，從而影響造斜率。（2）工具面的調(diào)整可以是扭方位，但可用來調(diào)整造斜率。（3）若當(dāng)前的工具造斜率KTa和待鉆井眼的造斜率KB-M相等，可不需起鉆繼續(xù)鉆進(jìn)。若KTa≠KB-M

，則應(yīng)更換鉆具組合。更換的時(shí)機(jī)是繼續(xù)用它鉆進(jìn)一定進(jìn)尺后，相應(yīng)的待鉆井眼所需要的造斜率值與新選的新工具造斜率相等的位置。三、進(jìn)靶分析1、確定起始點(diǎn)的井斜角和方位角根據(jù)“矢量進(jìn)靶”要求，確定起始點(diǎn)井斜角和方位角2、進(jìn)靶鉆進(jìn)的長度和所需的造斜率

設(shè)進(jìn)靶井段的起始點(diǎn)T的井斜角為αT

，靶窗高度為2h，著陸點(diǎn)A的井斜角αH

，T點(diǎn)至靶中的垂增為△HTA

，則進(jìn)靶井段的長度△LTA和造斜率KTA三、進(jìn)靶分析3．著陸點(diǎn)的靶心縱距、平差和造斜率由上式設(shè)計(jì)的造斜率KTA可鉆至靶中線，但對應(yīng)高度為2h的靶窗，實(shí)際的著陸點(diǎn)縱距分別為A，A3，A4，A1，A2，對應(yīng)的垂增分別為△HTA，△HTA3，△HTA4，△HTA1，△HTA2。三、進(jìn)靶分析

若△HTA<h，即著陸縱距不可能等于或大于△HTA，因相應(yīng)的造斜率為KTa=∞，這一區(qū)域(如圖中陰影線區(qū))稱為“造斜率空白區(qū)”，因找不到對應(yīng)的工具又稱為“工具空白區(qū)”。第五節(jié)水平控制實(shí)鉆水平段實(shí)際上是一條彎曲的空間三維曲線。在鉛垂平面內(nèi)水平段投影為一條相對于設(shè)計(jì)線上、下起伏的波浪線。在水平控制中，動(dòng)態(tài)監(jiān)控仍然是主要的技術(shù)手段。一、水平控制的技術(shù)要點(diǎn)水平控制的技術(shù)要點(diǎn)可以概括為如下口訣：鉆具穩(wěn)平、上下調(diào)整、多開轉(zhuǎn)盤、注意短起、動(dòng)態(tài)監(jiān)控、留有余地、少扭方位。一、水平控制的技術(shù)要點(diǎn)

1、鉆具穩(wěn)平“鉆具穩(wěn)平”的含意是從鉆具組合設(shè)計(jì)和選型方面來提高和加強(qiáng)穩(wěn)平能力。2、上下調(diào)整“上下調(diào)整”主要表現(xiàn)為對鉆頭鉛垂位置和井斜角(增降)的調(diào)整。在水平控制中，要求鉆具組合有一定的糾斜能力。3、多開轉(zhuǎn)盤開轉(zhuǎn)盤的導(dǎo)向鉆進(jìn)可以：減少摩阻，易加鉆壓；破壞巖屑床，清潔井眼；提高機(jī)械鉆速；增加水平段的鉆進(jìn)長度。一般，水平段開轉(zhuǎn)盤的進(jìn)尺應(yīng)不小于水平段總進(jìn)尺的75％。但轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速應(yīng)不大于60r／min為宜。一、水平控制的技術(shù)要點(diǎn)4、注意短起為保證井壁質(zhì)量，減少摩阻和避免發(fā)生井下復(fù)雜情況，在水平段中每鉆進(jìn)一段距離(如50m左右，尤其是對定向糾斜井段)，應(yīng)進(jìn)行一次短程起下鉆。5、動(dòng)態(tài)監(jiān)控（1）對已鉆井段進(jìn)行計(jì)算，并和設(shè)計(jì)軌道進(jìn)行對比和偏差認(rèn)定；（2）對鉆具組合的穩(wěn)平能力(導(dǎo)向狀態(tài))和糾斜能力(定向狀態(tài))進(jìn)行過后分析和評價(jià)；（3）鉆頭位置距上、下、左、右4個(gè)邊界的距離;（4）待鉆井眼設(shè)計(jì)計(jì)算與分析調(diào)整。一、水平控制的技術(shù)要點(diǎn)6、留有余地水平控制的實(shí)鉆井眼軌道在豎直平面中是一條上、下起伏的波浪線，當(dāng)鉆頭到達(dá)邊界較近的一點(diǎn)D1時(shí)，由D1至D2繼續(xù)下降，直至D2開始轉(zhuǎn)折，如果不考慮這種滯后現(xiàn)象，很有可能造成井段出靶。“留有余地”就是分析計(jì)算這種滯后帶來的增量，保證在轉(zhuǎn)折點(diǎn)也不出靶。二、水平控制的分析計(jì)算當(dāng)αH

=90°時(shí)，自i點(diǎn)至i+1點(diǎn)間的垂增、平增和曲率有如下關(guān)系：二、水平控制的分析計(jì)算當(dāng)αH

≠90°時(shí)，設(shè)αH

=90°-θ，按θ角旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)，新坐標(biāo)系中的井斜角α′=原井斜角α+θ，兩點(diǎn)間垂增、平增和曲率關(guān)系不變，代入α′即可。坐標(biāo)變換中，曲率和井段長不變，但垂增和平增有轉(zhuǎn)換關(guān)系：第四章短半徑水平井的井眼軌道控制造斜率為(1o~10o)／m的水平井被稱為短曲率半徑水平井。其基本特點(diǎn)：曲率半徑小、曲線段短、水平段短，因此，短半徑水平井具有以下述優(yōu)點(diǎn)：1)井身剖面簡單，不需要穩(wěn)斜段；2)垂深誤差小，易于中小目標(biāo)，易于側(cè)鉆；3)造斜點(diǎn)低，可避開事故段；4)在較小范圍內(nèi)大限度穿過油層，不受地表環(huán)境影響；5)抽油泵可設(shè)置在造斜點(diǎn)以上的直井段內(nèi)進(jìn)行開采。

第一節(jié)短半徑水平井的幾種常用工具一、短半徑水平井的常用工具地面驅(qū)動(dòng)式柔性鉆具組合、井下馬達(dá)驅(qū)動(dòng)式的鉸接鉆具組合。1．EastmanChristensen公司的地面驅(qū)動(dòng)型柔性鉆具組合系統(tǒng)這一組合系統(tǒng)由如下4部分組成：(1)柔性鉸接鉆桿總成。

(2)柔性彎曲造斜器總成。

(3)斜向器總成。

(4)鉸接穩(wěn)定器穩(wěn)斜總成。第一節(jié)短半徑水平井的幾種常用工具一、短半徑水平井的常用工具地面驅(qū)動(dòng)式柔性鉆具組合、井下馬達(dá)驅(qū)動(dòng)式的鉸接鉆具組合。1．EastmanChristensen公司的地面驅(qū)動(dòng)型柔性鉆具組合系統(tǒng)（K=4.77o~9.55o/m,L=60~90m）這一組合系統(tǒng)由如下4部分組成：(1)柔性鉸接鉆桿總成。

(2)柔性彎曲造斜器總成。

(3)斜向器總成。

(4)鉸接穩(wěn)定器穩(wěn)斜總成。第一節(jié)短半徑水平井的幾種常用工具地面驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)。柔性造斜器在柔性鉸接鉆桿下端，由不旋轉(zhuǎn)的柔性外殼、可旋轉(zhuǎn)的內(nèi)驅(qū)動(dòng)軸組成。內(nèi)驅(qū)動(dòng)軸傳遞鉆壓和轉(zhuǎn)矩，同時(shí)輸送鉆井液。外殼下方兩個(gè)墊塊可有助于產(chǎn)生較強(qiáng)的造斜力。斜向器在井底起導(dǎo)向和輔助初始造斜。

第一節(jié)短半徑水平井的幾種常用工具

2．EastmanChristensen井下驅(qū)動(dòng)鉸接肘鏈?zhǔn)今R達(dá)系統(tǒng)采用螺桿動(dòng)力鉆具。傳動(dòng)軸殼體上有近鉆頭穩(wěn)定器。彎殼體、螺桿馬達(dá)、旁通閥、定向短節(jié)用鉸鏈接頭連接。上部是鉸接式柔性鉆桿?？捎萌嵝噪S鉆測斜儀。第一節(jié)短半徑水平井的幾種常用工具

造斜組合與穩(wěn)斜組合的主要區(qū)別：前者配用造斜強(qiáng)的PDC鉆頭、一個(gè)螺桿馬達(dá)短節(jié)，大彎角彎殼體；后者配用穩(wěn)斜性強(qiáng)的PDC鉆頭、兩個(gè)螺桿馬達(dá)短節(jié)，小彎角彎殼體。這種井下馬達(dá)系統(tǒng)可鉆出200—300m長度的水平井段。第一節(jié)短半徑水平井的幾種常用工具

3、

德國Preussag的井下驅(qū)動(dòng)型鉸接馬達(dá)系統(tǒng)(ADM)

結(jié)構(gòu)與井下驅(qū)動(dòng)鉸接肘鏈?zhǔn)今R達(dá)系統(tǒng)相近，采用鉸接鉆柱外，分段鉸接螺桿鉆具，配置偏心穩(wěn)定器和側(cè)鉆鉆頭。相應(yīng)的曲率半徑可達(dá)20m、35m和65m左右。第一節(jié)短半徑水平井的幾種常用工具

4．SperrySun公司的井下驅(qū)動(dòng)型短半徑工具系統(tǒng)系統(tǒng)采用螺桿馬達(dá)，上接常規(guī)鉆桿（不旋轉(zhuǎn)），馬達(dá)以下是彎曲的鉸接式傳動(dòng)軸，可在一個(gè)平面內(nèi)產(chǎn)生彎曲；傳動(dòng)軸外殼不旋轉(zhuǎn)，其中有旋轉(zhuǎn)的心軸，它把軸力、馬達(dá)轉(zhuǎn)矩傳遞給鉆頭。鉆井液是通過心軸內(nèi)孔循環(huán)。第一節(jié)短半徑水平井的幾種常用工具5、我國的JLZ120型井下驅(qū)動(dòng)鉸接肘鏈?zhǔn)蕉贪霃今R達(dá)系統(tǒng)由中石油石油勘探開發(fā)科學(xué)研究院研制。該統(tǒng)由井下馬達(dá)、柔性接頭、短鉆鋌、可調(diào)角度的鉸鏈接頭組成。可根據(jù)需要調(diào)整單彎角度。當(dāng)彎曲鉆進(jìn)時(shí)，用較大角度；當(dāng)水平鉆進(jìn)時(shí)，采用較小角度。第一節(jié)短半徑水平井的幾種常用工具二、超短半徑水平井的常用工具超短半徑水平井：曲率半徑在lm左右甚至接近于零的特殊水平井。工具和工藝差別大?？稍谥本壑車@出輻射狀的多口徑向泄油孔。一般采用清水鉆井液，儲(chǔ)層損害較小。是提高原油產(chǎn)量和采收率的一種重要手段。國外研究開發(fā)這一技術(shù)的公司主要有Penetractors公司、Petrolphysics公司、Bechtd公司等。國內(nèi)正在研究。Penetractors公司的超短半徑鉆井系統(tǒng)可鉆水平井眼長度短(10ft)，Petrolphysics公司的工具系統(tǒng)則可在松軟巖石中鉆出較長的水平段(100～200ft)。二、超短半徑水平井的常用工具

Petrolphysics公司與Bechtel公司聯(lián)合研制的超短半徑水平井鉆井系統(tǒng)如圖示。二、超短半徑水平井的常用工具此類超短半徑鉆井系統(tǒng)主要有如下部分組成：(1)鉆頭(射流噴嘴)。高壓水射流碎巖。(2)生產(chǎn)管。ф31.75mm/ф26.2mm鋼管，有射流噴嘴

二、超短半徑水平井的常用工具

(3)斜向器。裝在井底擴(kuò)大空間內(nèi)，使生產(chǎn)管彎轉(zhuǎn)90o。

Ⅰ型：彎曲導(dǎo)管和支撐液壓缸組成，空間較大(1.22m)．

Ⅲ型：彎曲導(dǎo)管、側(cè)向板等組成，空間較?。?61m)。二、超短半徑水平井的常用工具

(4)送鉆裝置。由地面纜繩車與井下控制機(jī)構(gòu)組成。

(５)地面機(jī)泵組。普通修井機(jī)和高壓壓裂泵(，約70MPa)

(６)完井系統(tǒng)。柔性割縫襯管、裸眼完井或礫石充填。一、套管開窗

1、斜向器開窗法：工具：斜向器(固定錨、封隔器)，碳化鎢磨銑工具(啟始銑、窗口銑鞋、西瓜銑、銑錐等)。一、套管開窗

2、段銑套管開窗法段銑套管開窗法是用段銑工具(一種可控的水力切割工具)銑削掉一段套管，并在該井段擴(kuò)眼打水泥塞以備定向側(cè)鉆的工藝過程。開泵后，鉆井液流經(jīng)噴嘴產(chǎn)生水壓力推動(dòng)段銑工具限位器活塞下行，使刀片伸出；停泵后活塞復(fù)位，刀片收回。一、套管開窗段銑套管開窗工藝：前期準(zhǔn)備、打水泥塞(在套管內(nèi)懸空打水泥塞)、段銑套管、擴(kuò)眼、注水泥等幾個(gè)階段。段銑開窗長度一般在20m左右。注水泥的井段長度一般在80m左右。

(1)開窗點(diǎn)的選擇。在滿足地質(zhì)和鉆井對開窗側(cè)鉆井剖面要求的前提下，選擇厚度在20m以上的穩(wěn)定地層作為開窗井段。開窗段盡量避開套管接箍和扶正器。

(2)最好選用敞開式泥漿槽，防止鐵屑進(jìn)入泥漿室。

(3)選用高粘切鉆井液，粘度達(dá)85—100s，切力大于45，以保證鉆井液攜帶鐵屑的能力。二、側(cè)鉆工藝

大位移水平井的應(yīng)用范圍Wytchfarm,SouthernEngland大位移水平井的應(yīng)用范圍世界上水平位移最長的井M11,水平位移10114m，垂深1585.2m，測深10658mKop:232m大位移井在國內(nèi)油田的應(yīng)用鉆大位移井的設(shè)備大功率頂驅(qū)大尺寸鉆桿改進(jìn)鉆機(jī)，增大鉆機(jī)負(fù)荷和立根盒的容量可變徑穩(wěn)定器、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)先進(jìn)的隨鉆測量系統(tǒng)（MWD、LWD）地質(zhì)導(dǎo)向系統(tǒng)（Geosteeringtools）需要大功率泵（輸出排量1100gpm）從兩臺(tái)增加到3臺(tái)、泵功率1600hp增加到2200hp；提高地面高壓管匯的承壓能力從5000psi提高到7500psi。理論問題井眼軌跡優(yōu)化設(shè)計(jì)井壁穩(wěn)定理論摩阻扭矩分析環(huán)空流體學(xué)及環(huán)空攜巖鉆柱強(qiáng)度分析大位移水平井面臨的理論問題大位移井的關(guān)鍵技術(shù)降低摩阻扭矩的技術(shù)軌跡優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)增加鉆井液的潤滑性減摩工具摩阻預(yù)測技術(shù)鉆柱設(shè)計(jì)鉆具接頭的平衡連接技術(shù)采用高摩擦系數(shù)的螺紋脂高扭矩接頭高強(qiáng)度鉆桿大位移井的關(guān)鍵技術(shù)（續(xù)）井壁穩(wěn)定技術(shù)地層坍塌壓力、地層壓力、地層破裂壓力井壁穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)鉆井液與地層之間的水化作用井壁穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)井眼凈化技術(shù)摩阻扭矩實(shí)時(shí)監(jiān)測技術(shù)套管下入及保護(hù)大位移井軌跡控制螺桿高扭矩旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)PowerDriveAutoTrak地質(zhì)導(dǎo)向工具GAMARAYLWDAIM（AtBitinclinationMeasurement）大位移井軌跡控制滑動(dòng)鉆進(jìn)面臨的主要問題機(jī)械鉆速低井眼凈化不好滑動(dòng)困難壓差卡鉆管柱屈曲和自鎖井眼不規(guī)則易斜地層比較敏感大位移井軌跡控制旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆進(jìn)提高鉆速采用優(yōu)化的鉆頭切削結(jié)構(gòu)采用最優(yōu)的鉆井參數(shù)鉆柱連續(xù)旋轉(zhuǎn)不會(huì)因?yàn)榛瑒?dòng)鉆進(jìn)而降低機(jī)械鉆速井眼凈化良好減少短起下的次數(shù)PowerDrive閉環(huán)軌跡控制工具PowerDrive閉環(huán)軌跡控制工具PowerDrive閉環(huán)軌跡控制工具PowerDrive閉環(huán)軌跡控制工具AutoTrak閉環(huán)軌跡控制工具結(jié)構(gòu)、原理第三代改進(jìn)工作性能及特點(diǎn)強(qiáng)化地質(zhì)及工程測量應(yīng)用實(shí)例WhatIsTheAutoTrakSystem?TheAutoTrak

RotaryClosedLoopDrillingSystemisanintegratedDrillingandFormationEvaluationMWDsystemthatprovidesprecisedirectionalcontrolwithcontinuousdrillstringrotation.

TheAutoTrakRCLSgreatlyimprovesperformanceandholequalityindirectionalwells,especiallyinRsservoirNavigation,extendedreachanddesignerprofileapplications.WhatIsTheAutoTrakSystem?TheAutoTrakRCLScansteerinanydesireddirectionasthedrillstringrotates.Thisincreasesratesofpenetration,reducestorqueanddrag,andimproveswellborequality.Thetool

downholeguidancesystemautomaticallykeepstheholeontheprogrammedcourse.WelltrajectorychangesarecommunicatedtothetoolfromsurfaceusingmudpulsetelemetryThisprocess,knownasdownlinking,assuresaccuratewellpositioningwhileoptimizingoveralldrillingperformance.WhatIsTheAutoTrakSystem?TheAutoTrakRCLScombinesthebenefitsofanewsteerableRotaryClosedLoopdrillingSystem(RCLS)withrecentadvancesinMWDtechnology.ThesystemincludesmultiplepropagationResistivity()MPR,dualazimuthalgammaray,directionalandnearbitinclinationmeasurements.

SoAutoTrakRCLScanachievesuperiordirectionalcontrolandprecisewellboreplacementtomeetbothgeologicandgeometricobjectives.WhatIsTheAutoTrakSystem?Bi-directionalCommunicationsandPowerModule

INTEQdesignengineershaveseparatedtheAutoTraksystem

powerandcommunicationmodule,theBi-directionalCommunicationsandPowerModule(BCPM),fromtheOnTrak?measurementsubtoimprovesystemreliabilityandBHAconfigurationflexibility.Downlinkcommunicationsystemdoesnotdisruptdrilling?allowingustomatchchangesinthedownholeenvironmentbyreprogrammingthesystem"onthefly"tooptimizewellboreplacement,ROP,dataratesandtelemetryformats.HOWAUTOTRAKWORKSPistonsoperatedbyhighpressurehydraulicfluidexertcontrolledAutoTrakRCLS'internalmicro-processingsystemcalculateshowmuchpressurehastobeappliedtoeachpistontoobtainthedesiredtoolfaceorientation.Theresultingforcevectordirectstheassemblyalongthedesiredtrajectory.Indeterminingthemagnitudeoftheforceappliedtothesteeringribs,thesystemalsotakesintoaccountthedogleglimitsforthecurrentholeselection.Non-RotatingSteerableStabilizerThebitdriveshaftrotatesthroughthenon-rotating,steerablestabilizersleeve,whichisdecoupledfromdrillstringrotation.Thestabilizersleevecontainsthenear-bitinclinometer,thesteeringcontrolelectronics,andthehydraulicribcont