定向井段井眼轨迹精确控制技术探究.doc

张军

[摘 要]定向井钻井工艺技术是当今油气勘探开发最先进的钻井技术之一，定向井钻井工艺技术能够明显降低钻井成本，显著的提高经济效益，其中定向井主要有井眼轨迹控制设计、保持井眼稳定、保护油气层、提高钻井效率与安全施工五大任务，本文就定向井钻井技术展开了分析，并在分析定向井井眼轨迹剖面优化设计技术的基础上，对钻井中的井眼轨迹控制和造斜段施工技术进行了详细探究。

[关键词]定向井 井眼轨迹控制 造斜段施工 研究

中图分类号：TE243 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）25-0060-01

1.定向井的概念与分类

1.1 定向井的概念

定向井钻井工艺是指按照预先设计的钻井轨迹，通过钻井仪器与经验控制，使钻头按照预先设计的特定方向进行钻头的一种工艺。

1.2 定向井的應用范围

定向井适用于各种复杂的环境，如钻井目标工区存在着高山、湖泊、水面、建筑物等影响地面之间钻井的条件；其次是在常规钻井的直井钻井过程中，遇到了坚硬的难以穿越的特殊地质条件的岩层；第三是在遭遇了卡钻，掉钻头等井下作业事故时，一直无法解决，而施工要求很紧，可以使用定向井技术；最后是某些特殊类型的油气藏勘探开发需要也可以应用定向井技术。

1.3 定向井钻井的分类

定向井钻井技术按不同的方面可以分成不同的类别，如按照通常的施工工艺可以分为分为自然弯曲定向井和人工弯曲定向井两类；按照设计井眼轴线形状可以分为二维平面定向井和三维平面定向井；按照最大井斜角钻井设计分为：低斜度定向井、中斜度定向井、大斜度定向井和水平井；按照井底结构可以分为单底和多底定向井两类。

2.定向井设计与计算

2.1 井眼轨迹的基本参数

井眼轨迹的基本参数主要由监测参数和计算参数两部分，其中监测参数主要监测定向井设计的井深、井斜角以及方位角。计算参数主要包括垂深、水平位移、井斜变化率、方位角变化率、全角变化值、全角变化率等。

2.2 钻孔轴线空间位置的计算

主要通过切线法、平衡切线法、平均角法、曲率半径法、最小曲率法、Mercury等进行确认。

2.3 方位角基准变换

由于采用了不同正北方向的基准，所以定义了真方位角、磁方位角和坐标方位角三种方位角。

2.4 定向井的井眼轨迹设计

（1）在进行定向井的井眼轨迹设计之前，首先要明了一些常用的轨迹设计专业术语，如造斜点、造斜率、靶点等，其中造斜点是根据目标靶区的垂直井深，井眼水平位移，设计的剖面类型，增斜钻具的增斜率，丛式井井口数目等综合来确定。

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

（3）井眼轨迹设计步骤。选择井眼轨迹形状；确定造斜点；选定造斜率、确定最大井眼曲率；求得井眼轨迹的待定参数；井身计算及井眼轨迹绘图。

3.定向井井眼轨迹控制

3.1 基本概念

井眼轨迹控制技术是定向井全井施工中的技术关键。它是一项使实钻井眼沿着预先设计的轴线钻达目标靶区的综合性技术。它是通过不断地控制井眼的前进方向，井眼方向由井眼的井斜角和井斜方位角来表示的，它要求在实钻过程中，设法使实钻的井眼轨迹尽可能符合设计的井眼轨道。

3.2 轨迹控制的几条原则

井眼轨道控制主要遵循以下几方面的原则：第一是既要在保证中靶的前提下，又要加快钻进效率，如果频繁地更换钻具和测斜将增加钻井成本和导致井下出现复杂情况；其次是尽可能多地使用转盘钻的扶正器钻具组合来进行控制。；第三是尽可能要符合钻井工区实际的地质条件，充分利用地层的自然规律，从而减少利用工具进行控制的时间，因为地层因素导致钻头的不对称切削，或引起井斜方位的变化。

3.3 轨迹控制的主要内容

主要有以下四个方面组成：（1）造斜工具或钻具组合的选择；（2）造斜工具的装置方位计算；（3）实时进行轨迹测量和轨迹计算；（4）井下定向工艺和钻进工艺。

4.定向井造斜段施工技术

4.1 造斜工具的定向方法

造斜工具的定向方法主要包括地面定向法和井下定向法两种，其中井下定向法进一步可以细分为单点定向法，陀螺定向法，有线随钻定向法和无线随钻定向法。

4.2 定向造斜工具

造斜工具主要包括定向弯接头+螺杆钻具、单弯螺杆定向造斜钻具、双弯螺杆定向造斜钻具三类，其中定向弯接头+螺杆钻具的优点是结构简单，缺点是造斜率低，钻头偏移大；单弯螺杆定向造斜钻具优点是造斜率高；缺点是万向轴受力复杂；双弯螺杆定向造斜钻的优势是利用弯外壳+弯接头组合，通过改变两个结构弯角的大小来实现造斜率的调整。

4.3 造斜井段施工要求分析

（1）采用随钻跟踪测斜，计算和作图结合预测井眼轨迹变化趋势，如造斜率达不到要求，及时采取相应措施进行调整；（2）按照设计的钻进参数钻进，要求司钻送钻均匀，使井眼曲率变化平缓，井眼轨迹圆滑；（3）控制好井斜方位的变化，如果因为地层等因素造成方位严重漂移，影响中靶或邻井安全限定区域时，需使用造斜钻具及时对方位角进行调整。

4.4 井斜角变化率的控制

定向井井轨迹普遍使用“弯外壳螺杆钻具组合”造斜，而井下动力钻具的长度影响造斜率，螺杆钻具比涡轮钻具更易造斜；弯壳体螺杆结构弯角度数一般在0°～2°，范围按0.25°级差进行分级，若弯角太大，钻具不易下井，大弯角钻具多用于强行扭方位。

其次由于加工精度原因，相同弯角的钻具可能造斜率不同，改变钻压和调整工具面角均能改变造斜率，地层特性影响造斜率，如果在较深的硬地层造斜井段，PDC钻头优于牙轮钻头，PDC钻头的寿命长、进尺多，而牙轮钻头产生金属碎屑的危险性相对较大。

4.5 扭方位施工

如果井眼轨迹的方位漂移量过大，通过预测有脱靶的危险，这时要强行改变井眼轨迹的前进方向，即扭方位，使之恢复到能中靶的方位上来。

（1）扭方位钻具组合的结构及钻进参数与常规定向造斜钻具的基本相同；

（2）尽可能选择可钻性和稳定性较好的地层实施扭方位作业；

（3）由于深井形成的反扭角较大，因此扭方位施工一般采用随钻测斜仪配合作业；

（4）全力扭方位时会伴随井斜角减小效应，因此扭完方位后，再通过增斜手段调整井斜角，保证得到较好的井眼轨迹。

4.6 造斜段施工技术措施及注意事项

造斜阶段的施工过程中必须要遵循一定的主要事项，如：下井的增斜钻具结构要符合设计要求，如果发现下井的增斜钻具不合理，要及时调整或更换，并且必须严格按照设计或定向技术人员制定的钻井参数施工，如果钻具刚性变大，下钻时注意遇阻情况，地层较软时防止钻出新井眼，并且根据测井数据及时作图，分析出井眼轨迹的实际情况，在钻完一个单根后，测量井底数据并分析钻具是否满足设计要求，如不符合及时调整钻进参数或更换钻具组合。

5.结论与认识

近年来，定向井钻井工艺得到了快速发展，已经由最初的简单地定向井发展到如今的大位移水平井。其中井眼的轨迹控制技术一直是制约钻井速度的重要影响因素。本文就立足于在定向井施工过程中钻井轨迹控制进行分析和研究，以得出最佳的井身轨迹，从而不断推动定向井技术的不断发展和进步。

参考文献

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