定向井
一定向井的剖面类型及其应用定向钻井就是使井眼按预定方向偏斜钻达地下预定目标的一门科学技术定向钻井的应用范围很广
定向井的剖面类型共有十多种但是大多数常规定向井的剖面是三种基本剖面类型连续增斜型按井斜角的大小范围定向井又可分为常规定向井井斜角55大斜度井井斜角5585水平井井斜角85有水平延伸段二定向井井身参数实际钻井的定向井井眼轴线是一条空间曲线钻进一定的井段后要进行测斜被测的点叫测点两个测点之间的距离称为测段长度每个测点的基本参数有三项井斜角方位角和井深这三项称为井身基本参数也叫井身三要素1测量井深指井口至测点间的井眼实际长度2井斜角测点处的井眼方向线与重力线之间的夹角3方位角以正北方向线为始边顺时针旋转至方位线所转过的角度该方向线是指在水平面上方位角可在0
360之间变化目前广泛使用的各种磁力测斜仪测得的方位值是以地球磁北方位线为准的称为磁方位角磁北方向线与正北方向线之间有一个夹角称磁偏角磁偏角有东西之分称为东或西磁偏角真方位的计算式如下真方位磁方位角十东磁偏角或真方位磁方位角一西磁偏角公式可概括为东加西减四个字方位角也有以象限表示的以南S北N方向向东E西W方向的偏斜表示如N10ES20W在进行磁方位校正时必须注意磁偏角在各个象限里是加上还是减去4造斜点从垂直井段开始倾斜的起点5垂直井深通过井眼轨迹上某点的水平面到井口的距离6闭合距和闭合方位l闭合距指水平投影面上测点到井口的距离通常指靶点或井底的位移而其他测点的闭合距离可称为水平位移2闭合方位指水平投影响图上从正北方向顺时针转至测点与井口连线之间的夹角7井斜变化率和方位变化率井斜变化率是指单位长度内的井斜角度变化情况方位变化率是指单位长度内的方位角变化情况均以度100米来表示也可使用度30米或度100英尺等8方位提前角或导角预计造斜时方位线与靶点方向线之间的夹角三狗腿严重度狗腿严重是用来测量井眼弯曲程度或变化快慢的参数以度100英尺表示可用解析法图解法查表法尺算法等来计算狗腿严重度k1第一套公式2第二套公式coscosa1cosa2sina1sina2cosj本式是由鲁宾斯基推导出来的使用非常普遍美国人按上式计算出不同的a1a2和j值下的狗腿角值并列成表格形成了查表法3第三套公式h两测点间的狗腿角若将三套公式作比较第一套公式具有普遍性适合于多种形状的井眼第二套只适用于平面曲线的井眼即二维井型第三套是近似公式用于井斜和方位变化较小的情况四测斜计算的主要方法测斜计算的方法可分为两大类二十多种一类是把井眼轴线视为由很多直线段组成另一类则视其为不同曲率半径的圆弧组成计算方法多种多样测段形状不可确定主要的计算方法有正切法平衡正切法平均角法曲率半径法最小曲率法弦步法和麦库立法从计算精度来讲最高的是曲率半径法和最小曲率法其次是平均角法以下各图和计算公式中下角符号12分别代表上测和下测点1平均角法角平均法此法认为两测点间的测段为一条直线该直线的方向为上下两测点处井眼方向的矢量和方向测段计算公式2平衡正切法此法假定二测点间的井段为两段各等于测段长度一半的直线构成的折线它们的方向分别与上下两测点处的井眼方向一致如图96计算式为3曲率半径法圆柱螺线法此法假设两测点间的测段是条等变螺旋角的圆柱螺线螺线在两端点处与上下二测点处的井眼方向相切如图97测段的计算公式有三种表达形式1第一种表达形式913916式中这四个公式是最常用的计算公式3第三种表达形式4曲率半径法的特殊情况处理第三种特殊情况12且其中之一等于零此时按二测点方位角相等来处理然后代入第二种特殊情况的计算式中4最小曲率法最小曲率法假设两测点间的井段是一段平面的圆弧圆弧在两端点处与上下二测点处的井眼方向线相切测段计算如图98测段计算公式如下令fM2tg2fM是个大于1但很接近1的值在狗腿角足够小的情况下可近似认为fM1这时上述四个计算公式就完全变成平衡正切法的公式了它是对平衡正切法公式的校正S是切线1M和M2在水平面上的投影之和即S1MM2S并不是测段的水平投影长度S要作出井身垂直剖面图需要求出S而最小曲率法却求不出S这是最小曲率法的缺点为了作出垂直剖面图可用下式近似地求出S
第二节定向井剖面设计在开钻前认真进行设计可以大大节约定向钻井的成本影响井眼轨迹的因素很多其中一些因素很难进行估算如在某些地层中的方位漂移情况等因此在同一地区得到的钻井经验很重要这些经验可以在其他井设计过程中起重要的参考作用一设计资料要进行一口定向井的轨道设计工作作业者至少应提供靶点的垂深水平位移和方位角或提供井口与靶点的座标位置通过座标换算计算出方位角和水平位移此外定向井工程师还要收集下列资料1作业区域和地理位置通过作业区域通常可以找到该地区已完井的钻井作业资料野猫井除外并对地层情况方位漂移有一定的了解根据地理位置可以计算或查得到地磁偏角2地质设计书和井身结构了解有关地层压力地温梯度地层倾角走向岩性断层可能遇到的复杂情况以及油藏工程师的特殊要求等3作业者对造斜点造斜率增降斜率的要求以及安全圆柱最大井斜等井身质量的要求4了解钻井承包商的情况如泥浆泵性能井下钻具组合各组件的基本情况等二设计原则1能实现钻定向井的目的定向井设计首先要保证实现钻井目的这是定向井设计的基本原则设计人员应根据不同的钻探目的对设计井的井身剖面类型井身结构钻井液类型完井方法等进行合理设计以利于安全优质快速钻井如救险井的钻井目的是制服井喷和灭火保护油气资源因此救险井的设计应充分体现其目的一是靶点的层位选择合理二是靶区半径小小于10米中靶要求高三是尽可能选择简单的剖面类型以减小井眼轨迹控制和施工难度加快钻井速度四是井身结构井控措施等应满足要求2尽可能利用方位的自然漂移规律在使用牙轮钻头钻进时方位角的变化往往有向右增加的趋势称为右手漂移规律如图99所示靶点为T设计方位角为j若按j定向钻进则会钻达T点只有按照j角方向钻进才会钻达目标点Tj角称为提前角提前角的大小要根据地区的实钻资料统计出方位漂移率来确定我国海上开发井一般取27度目前流行的PDC钻头如RC426型等对方位右漂具有较好的抑制效果在地层倾角小岩性稳定时PDC钻头具有方位左漂的趋势这主要是由于PDC钻头的切削方式造成的因此要使用PDC钻头钻进的定向井提前角要适当地小一点3根据油田的构造特征有利于提高油气产量提高投资效益4有利于安全优质和快速钻井满足采油和修井的作业要求三剖面设计中应考虑的问题1选择合适的井眼曲率井眼曲率不宜过小这是因为井眼曲率限制太小会增加动力钻具造斜井段扭方位井段和增降斜井段的井眼长度从而增大了井眼轨迹控制的工作量影响钻井速度井眼曲率也不宜过大否则钻具偏磨严重摩阻力增大和起下钻困难也容易造成键槽卡钻还会给其他作业如电测固井以及采油和修井等造成困难因此在定向井中应控制井眼曲率的最大值我国海上定向井一般取716100米最大不超过20100米不同的井段要选用不同的井眼曲率具体如下井下动力钻具造斜的井眼曲率取716100米转盘钻增斜的增斜率取712100米转盘钻降斜的降斜率取38100米井下动力钻具扭方位的井眼曲率取714100米导向马达调方位或增斜的井眼曲率取512100米说明随着中曲率大斜度井和水平井的迅速发展对普通定向井的井眼曲率或狗腿严重度的限制越来越少API标准中已不再规定常规定向井的狗腿严重度为了保证起下钻顺利和套管安全必须对设计剖面的井眼曲率进行校核以限制最大井眼曲率的数值井下动力钻具造斜和扭方位井段的井眼曲率Km应满足下式Dc套管外径厘米2井眼尺寸目前常规的定向井工具能满足152445毫米61712英寸井眼的定向钻井要求一般地说大尺寸井眼比较容易控制轨迹但由于钻铤的尺寸也较大形成弯曲所需的钻压较大小井眼要使用更小更柔的钻具而且地层因素对轨迹的影响也较大因此小井眼的轨迹控制更困难一些在常规的井眼尺寸中大多数定向井可采用直井的套管程序如果实钻井眼轨迹较光滑没有较大的狗腿那么即使在大井斜井段也能较顺利地进行下套管作业当然在斜井段应在套管上加扶正器以支撑套管避免在下套管过程中发生压差卡钻同时提高固井质量另外在大斜度井段可根据井段长度和作业时间决定是否使用厚壁套管3钻井液设计1定向井钻井液设计十分重要钻井液应有足够的携砂能力和润滑性以减少卡钻的机会2钻井液性能控制对减少定向井钻柱拉伸与扭矩也很重要3钻井液中应加润滑剂钻井液密度与粘度必须随时控制4如果用水基钻井液那么在正常压力井段应使用高排量和低固相含量的钻井液这样有利于清洁井眼5水基钻井液应具有良好的润滑性能以减少钻具摩阻和压差卡钻然而在海上钻井一定要避免污染问题6如果有异常高压井段要求钻井液密度达到145克厘米3或更高那么应考虑在钻开该高压地层前下一层保护套管以封固所有正常压力井段4造斜点的选择造斜点的选择要适当浅些但是在极浅的地层中造斜时容易形成大井眼同时由于地层很软造斜完成后下入稳斜钻具时要特别小心以免出现新井眼尤其是在稳斜钻具刚度大或造斜率较高时通常地说浅层造斜比深层造斜容易一些因为深层地层往往胶结良好机械钻速低需花费较长的造斜时间另外造斜点通常选在前一层套管鞋以下3050米处以免损坏套管鞋同时减少水泥掉块产生卡钻的可能性在深层地层造斜时应尽量在大段砂层中造斜因为砂层的井眼稳定钻速较快而页岩段较易受到冲蚀钻速较低而且在以后长时间钻井作业容易在造斜段形成键槽而可能导致卡钻5靶区形状和范围靶区形状与范围通常由地质构造产层位置决定并考虑油田油井的分布情况靶区大小是由作业者确定的通常认为鞍区范围不能定得太小很小的靶区范围不仅会增加作业成本同时也会增加调整方位的次数造成井眼轨迹不平滑增加转盘扭矩同时也增加产生健槽卡钻的可能性通常靶区形状为圆形严格地讲应该是球形浅井和水平位移小的定向井其靶区范围小一些一般靶区半径3050米而深井和水平位移大的井靶区范围可以适当地大一些一般靶区半径为5070米6造斜率和降斜率选择常规定向井的造斜率为714100米如果需要在浅层造斜并获得较大的水平位移造斜率可提高到1416100米但是浅层的高造斜率容易出现新井眼也容易对套管产生较大的磨损因此浅层造斜通常选择较低的造斜率而深层造斜1000米2000米可选择较高的造斜率对于井眼通常把降斜率选在38100米如果降斜后仍然要钻较长的井段则必须采用较小的降斜率平缓降斜以避免键槽卡钻同时可降低钻进时的摩阻力7最大井斜角常规定向井的最大井斜角一般在1545如果井斜太小则井眼的井斜和方位都较难控制井斜大于60时钻具的摩阻力将大大增加8允许的方位偏移与极限1定向钻进时初始造斜方向通常在设计方位的左边即选定导角然后通过自然漂移钻达靶区井眼轨迹是一条空间曲线2但是对导角也有一个限制在井眼密集的井网中要求定向井轨迹保持在安全圆柱内以避免与邻井相碰3同样由于油藏特性和地质地层条件也对导角的大小有一定的限制9井身剖面类型在满足设计和工艺要求的前提下尽可能缩短井段长度因为井段短则钻井时间短在设计井身剖面形状时要考虑井身结构造斜点一般选在套管鞋以下3050米处目前我国海上定向井的井身剖面通常由作业者决定往往选择J型剖面四剖面设计1设计步骤l选择剖面类型2确定增斜率和降斜率选择造斜点3计算剖面上的未知参数主要是最大井斜角4进行井身计算包括各井段的井斜角水平位移垂深和斜深5绘制垂直剖面图和水平投影图井身剖面的设计方法有试算法作图法查图法和解析法四种我国海洋定向井通常采用解析法并使用计算机完成剖面设计完成以后应向作业者提供下列资料1总体定向钻井方案和技术措施2剖面设计结果包括设计条件计算结果垂直剖面图和水平投影图3测斜仪器类型和该地区的磁偏角以及测斜计算方法4设备和工具计划2二维定向井设计解析法解析法是根据给出的设计条件应用解析公式计算出剖面上各井段的所有井身参数的井身设计方法在使用计算机的条件下还可同时给出设计井身的垂直投影图和水平投影图解析法进行井身剖面设计所用公式如下用于三段制J型五段制S型和连续增斜型剖面1求最大井斜角max2各井段的井身参数计算增斜段稳斜段降斜段稳斜段总井深L3设计计算中特殊情况的处理当Ho2So22RoSo0时表示该井段设有稳斜段此时可由下面三个公式中任一个公式来求最大斜角max当2RoSo0时可用下式求最大井斜角max当Ho2So22RoSo0说明此种剖面不存在此时应该改变设计条件改变造斜点深度增斜率和降斜率或改变目标点坐标井身剖面设计计算结果应整理列表并校核井身长度和各井段井身参数是否符合设计要求还应该校核井上曲率井身剖面最大曲率应小于动力钻具和下井套管抗弯曲强度允许的最大曲率目前应用计算机程序进行井身剖面设计时设计结果列表和均可由打印机和绘图仪自动完成4设计方法举例例某定向井设计全井垂深H2000米靶点上部地层300米至350米是流砂层1000米至1050米有一高压水层作出井身剖面设计井口座标X10Y10井底座标X295Y20先根据井口与井底座标计算出水平位移和目标方位1根据提供的地质资料在进行剖面设计时应设法使动力钻具造斜的井段和增斜的井段避开流砂层和高压水层2对于钻井工艺及其它限制条件在满足l项条件的前提下应选择较简单的剖面类型3剖面类型选用直一增一稳三段制井身剖面此种剖面简单地面井口至目标点的井身长度短有利于加快钻井速度4选择造斜点根据垂直井深和水平位移的关系造斜点应选在350米至600米间如选在1050米以下会使井斜角太大是不合理的因300米至350米是流砂层在井深结构设计时应用套管封固以利于定向造斜防止流砂层漏失垮塌等复杂情况出现造斜点应选在套管鞋以下不少于50米的地方为宜因此造斜点与井口之间井眼长度不应小于450米又因1000米至1050米是高压水层为了下部井段能顺利钻进也应考虑下入一层中间套管封住高压水层为了减少井下复杂情况和有利于定向井井眼轨迹控制在进行套管设计时应避免套管鞋下在井眼曲率较大的井段中中间套管的下入深度应进入稳斜井段150米左右为宜在考虑上述因素后造斜点的位置应在高压水层以上不少于400米处也就是造斜点与井口之间的井眼长度不应大于600米经过上述的分析如果造斜点应在450米至600米之间选择那么把造斜点确定在500米处是比较合理的5选择造斜率K为7100米根据造斜率计算造斜井段的曲率半径R6计算最大井斜角maxR造斜段曲率半径米把已知条件代入上式得max2447分段井眼计算增斜段稳斜段4三维定向井设计的井眼轴线既有井斜角的变化又有方位角的变化这类井段为三维定向井实际作业中有时会碰到三维定向井的问题大体上分为三种情况第一种情况原设计为两维定向井在实钻中偏离了目标方位如果偏得不多只要调整钻具组合或扭一次方位就可以了严格地说实钻的定向井轨迹都有井斜角的变化和方位角的变化这种三维定向井可以简化为二维的第二种情况在地面井位和目标点确定的情况下在这两点的铅垂平面内存在着不允许通过或难以穿过的障碍物不能在铅垂平面上设计轨道需要绕过障碍设计绕障三维定向井在海上丛式井经常碰到这类井第三种情况在地面井位确定的情况下要钻多目标井地面井位和多目标点不在同一铅垂平面内只有井斜角和方位角都变化才能钻达设计的多个目标点三维定向井的轨迹设计和测斜计算很复杂通常使用计算机软件完成这些工作