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定向钻进技术应用与研究

定向钻进技术应用与研究项目报告

实施/承担单位：

北京

二○○七年五月八日

定向钻进技术应用与研究项目报告

任务书编号：

项目编号：

工作起止年限：

2006年1月—2007年3月

项目负责人：

报告主编：

编写人：

单位负责人：

总工程师：

提交单位：

北究院

提交时间：

2007年5月8日

计划项目名称：

实施单位：

北京院

目录

1概况1

1.1目的和任务1

1.2国内、外研究现状1

1.3依托项目情况2

1.4工作区域概况2

1.5地层情况3

1.5.1实钻井3

1.5.2设计定向井5

2技术方案的实施6

2.1钻孔结构6

2.1.1实钻井钻孔结构6

2.1.2设计井钻孔结构7

2.2主要钻进设备的选择8

2.2.1常规回转钻进施工主要设备8

2.2.2定向钻进施工专用设备10

2.3施工工艺11

2.3.1钻进方法11

2.3.2钻具组合12

2.3.3技术参数12

2.4钻井液13

2.4.1设计依据13

2.4.2各井段泥浆类型、性能与处理13

2.5井身质量15

2.5.1井身质量要求15

2.5.2实际井身质量20

2.6保证质量的技术措施26

3主要成果27

3.1专业技术人才培养及定向井（孔）轨迹设计计算28

3.2对螺杆定向钻进在不同地层中造斜强度变化及规律研究28

3.2计算对接井实际钻井轨迹与设计误差28

4工作进展及阶段工作完成情况31

4.1工作进度31

4.2阶段性工作完成情况31

5组织管理及项目参与人员35

6经费使用情况说明36

附图I

1、江西新干2-5-2井实际轨迹I

2、江苏淮安AN—9井实际轨迹II

1概况

1.1目的和任务

定向钻进技术应用与研究是北局2006年科研资助项目（京地[2006]19号），该项目由北院承担，北京管理。

本项目旨在充分利用现有技术条件和资源优势，联合勘探技术科研院（所）及大专院（校），为我局培养2名具有较高理论基础和丰富施工经验的专业技术人员，掌握国内最先进的对接井定向钻进理论知识。

熟悉和掌握钻井空间轨迹相关计算软件，结合有关商业性地质项目，进行实际推广、应用和研究。

培养实际操作的技术工人10—12名。

完成较高精度定向钻探施工设计1个。

靶区半径≤5m。

1.2国内、外研究现状

国外定向钻井起源于20世纪初期，主要应用在石油钻井和井（孔）内事故的处理上，经过数十年的发展，形成了系统的钻孔（井）空间轴线轨迹曲线设计和相关理论，研发了大量的计算软件。

目前，成功地应用于石油钻井、地质勘探、地热钻井、各类资源勘探、城市地下空间开发施工、各种地下管线铺设、维护、修复及各种抢险及灾害防治工程中，涉及领域广泛。

向高精度、长距离、大跨度、多工艺方向发展。

我国的定向钻进技术始于1956年，首先在石油钻井得以应用，60年代曾快速发展，一度成为第二个进行水平定向钻进的国家，但70—80年代进展缓慢。

上世纪90年代至今，随着国民经济由粗放型向集约型发展，定向钻进技术综合成本低的优势得以凸现。

特别是在石油钻井（采）、盐（卤）井对接、地质勘探、矿山工程施工、地灾治理、城市地下空间开发（各种通风、气孔、管线铺设、维护等非开挖钻进）、工程抢险中广泛应用，形成了独特的工艺技术。

在盐（卤）井中对接和长距离水平定向钻进中，达到了世界先进水平，并创造了一系列世界记录，定向钻进向深度（距离）大，定向（靶点）精度高，钻进方法多，定向控制方法全方向发展。

但由于定向钻进是通过测量和模拟计算等间接手段进行定向控制，属于间接控制，因而在实际操作中，可变因素较多，难度较大，受地层等外界影响较多，施工技术含量高。

目前，石油定向钻井技术主要突出了“全、长”特点，即：

钻进深度（跨度）长，各种机具配套齐全。

地质勘探定向钻进则突出了“精、细”的特点，加强了定向理论方法研究和空间计算研究。

1.3依托项目情况

为了全面实施项目，我院积极寻求商业合作项目，并确定了由简到难的工作程序，参与了江西新干2—4—1与2—4—2井、2—5—1与2—5—2井的设计；确定了以江西新干2—5—1与2—5—2作为实钻井；以江苏淮安AN—8与AN—9井作为设计井。

由于江西新干大洋州矿段地层相对比较稳定，已施工井较多，地层资料详细。

故以此为实钻井能有效地降低施工风险，有利于实钻工作进行。

江苏淮安AN—8与AN—9井其间有AN—7井，AN—7与AN—8井间曾进行过压裂，因而，如何有效地避开AN—9井与AN—7井连通，实现AN—9井与AN—8井连通，不仅要考虑对接因素，同时要考虑避让问题。

技术含量较高。

能更好地提高设计水平。

1.4工作区域概况

本项目实钻定向井位于江西省新干县大洋洲镇塘西村石圪堎自然村南的中盐新干盐矿大洋洲盐矿内，矿区紧临105国道西侧，交通较为便利。

区内地势平坦，盐井多在稻田中，盐井之间有简易便道连接，通行能力较差。

具体地理坐标为：

2—5—1井：

X=3094469.145，Y=39350793.335。

图1－1实钻定向井矿区位置图

2—5—2井：

X=3094277.103，Y=39350670.343。

区内属典型的江南亚热带季风气侯，受东亚季风影响，春季天气易变，春夏之交冷暖气流交汇，梅雨连绵；夏季多受副热带高压控制，盛行偏南风；夏秋之季，气流单一，晴热干燥；冬季常受冷高压影响，盛行偏北风，阴冷，气温低，但霜冻期短。

本项目设计定向井位于江约150m的江苏省井神盐业有限责任公司盐矿内，井位位于乡间公路便道旁稻田内，具体地理坐标为：

AN—7井：

X=3708991.54，Y=40411747.01，Z=7.84;

AN—8井：

X=3709105.97,Y=40411749.00,Z=7.91;

AN—9井：

图1－2设计定向井矿区位置图

X=3708801.725,Y=40411771.795,Z=7.63。

区内交通较为便利。

区内地处暖温带向亚热带的过渡地区，兼有南北气候特征，光热水整体配合较好。

光能资源潜力较大，年日照数在2250—2350小时。

 热量资源充裕，无霜冻期为210—230天，可以满足一年两熟制的需要。

淮安市濒临黄海，季风气候典型，自然降水丰富，年平均降水量885—1015厘米。

1.5地层情况

1.5.1实钻井

根据地质勘查资料和以往施工资料，结合2—5—1井盐层取芯情况，地层详见表1—1及表1—2。

表1—12—5—1井地层情况

深度

（m）

厚度

（m）

岩性

深度

（m）

厚度

（m）

岩性

深度

（m）

厚度

（m）

岩性

17.65

17.65

粘土

806.20

4.60

粉砂岩

922.50

3.05

泥岩

86.35

68.70

泥岩

855.00

48.80

钙质泥岩

927.45

4.95

岩盐

175.45

89.10

泥岩

856.60

1.00

岩盐

928.85

1.40

泥岩

285.85

110.40

泥岩

861.90

5.30

泥岩

930.20

1.35

含盐泥岩

291.95

6.10

粉砂岩

864.10

2.20

岩盐

933.65

3.45

岩盐

298.80

3.85

泥岩

869.35

5.25

泥岩

938.05

4.40

泥岩

300.25

1.45

粉砂岩

872.55

3.20

岩盐

943.25

5.20

岩盐

312.75

12.50

泥岩

879.15

6.60

泥岩

946.40

3.15

泥岩

315.85

3.10

粉砂岩

881.00

1.85

岩盐

950.90

4.50

岩盐

366.45

50.60

泥岩

881.60

0.60

含盐泥岩

955.55

4.65

泥岩

449.60

83.35

粉砂岩

887.75

6.15

岩盐

960.40

4.85

岩盐

493.50

43.90

泥岩

889.25

1.50

泥岩

965.50

5.10

泥岩

495.85

2.35

细粒砂岩

891.70

2.45

含泥盐岩

969.05

3.55

岩盐

642.85

147.00

粉砂岩

894.50

2.80

泥岩

972.55

3.50

泥岩

659.85

17.00

泥岩

896.85

2.35

岩盐

978.55

6.00

岩盐

662.55

2.70

粉砂岩

900.15

3.30

泥岩

983.30

4.75

泥岩

667.15

4.60

泥岩

903.60

3.45

岩盐

989.15

5.85

岩盐

680.15

13.00

粉砂岩

905.45

1.85

含盐泥岩

992.85

3.70

泥岩

704.20

24.05

泥岩

907.60

2.15

含泥盐岩

998.35

5.50

岩盐

765.30

61.10

粉砂岩

918.10

10.50

泥岩

1002.15

3.80

泥岩

801.60

36.30

泥岩

919.45

1.35

岩盐

1005.65

3.50

岩盐

表1—22—5—2井地层情况

深度

（m）

厚度

（m）

岩性

深度

（m）

厚度

（m）

岩性

深度

（m）

厚度

（m）

岩性

835.60

5.60

泥岩

859.60

2.80

岩盐

873.60

1.65

岩盐

849.98

14.38

钙质泥岩

862.45

2.85

泥岩

879.25

5.65

泥岩

852.41

2.43

含泥盐岩

866.75

4.30

岩盐

882.40

3.15

岩盐

856.80

4.39

泥岩

871.95

5.20

泥岩

883.85

1.45

泥岩

注：

835.60m以上地层与2—5—1井地层岩性基本相同。

883.85m以下由于造斜钻进未能测井。

概括上述两井地层，可以看出：

自17.65m以上，主要以粘土层为主，自17.65m—855.00m主要以泥岩和砂岩为主，盐层主要集中在885.00m—1005.65m之间。

本井目的层主要是998.35m—1005.65m之间的盐层。

图1－32－5－2井现场远景

由于地层以泥岩、粉砂岩和盐层为主，地层可钻性类别较低，钻进效率高。

岩石强度低，孔壁稳定性差，护壁难度大。

特别是在2—5—2井造斜钻进中，冲洗液既要考虑清理孔内岩粉维护孔壁，又要为定向钻具提供动力。

因此，对冲洗液的基本要求是：

较高的粘度、较低的动切力、合适的比重、良好的润滑性、较低的含砂量、在盐层中要达到含盐量的饱和，以防溶蚀盐层。

从钻进角度看：

钻进效率高，但成井难度亦较大，护壁和冲洗液是关键。

1.5.2设计定向井

根据地质勘查资料，结合AN—8、AN—7井取芯情况，地层情况详见表1—3及表1—4。

表1—3AN—8井地层情况

深度

（m）

厚度

（m）

岩性

深度

（m）

厚度

（m）

岩性

深度

（m）

厚度

（m）

岩性

22.80

22.80

砂质粘土

866.10

14.80

岩盐

948.20

5.50

泥岩

278.40

255.60

粉砂岩（局

部夹泥）

869.30

3.20

含盐泥岩

951.60

3.40

岩盐

280.60

2.20

泥岩

875.50

6.20

泥岩

956.90

5.30

含泥盐岩

301.20

20.60

泥岩

883.40

7.90

岩盐

961.20

5.30

岩盐

309.40

8.20

砂岩

888.65

5.25

泥岩

966.20

5.00

泥岩

358.50

49.10

泥岩

902.90

14.25

岩盐

969.70

3.50

岩盐

450.75

92.245

砂岩

906.60

3.70

含盐泥岩

971.20

1.50

泥岩

498.65

47.90

粉砂岩

917.80

11.20

泥岩

978.40

7.20

岩盐

636.85

138.20

泥岩

918.80

1.00

岩盐

980.72

2.32

岩盐

654.40

17.55

砂岩

924.60

5.80

泥岩

997.10

16.38

泥岩

678.20

27.40

泥岩

928.20

3.60

岩盐

1001.45

4.35

含盐泥岩

705.60

50.70

粉砂岩

930.30

2.10

含盐泥岩

1005.29

3.84

泥岩

756.30

47.90

泥岩

933.50

3.20

岩盐

1010.99

5.70

岩盐

804.20

47.90

泥岩

939.60

6.10

泥岩

851.80

47.60

泥岩

942.70

3.10

岩盐

表1—4AN—9井地层情况

深度

（m）

厚度

（m）

岩性

深度

（m）

厚度

（m）

岩性

深度

（m）

厚度

（m）

岩性

851.80

147.00

泥岩

868.10

2.90

含盐泥岩

881.15

6.95

岩盐

865.20

13.40

岩盐

874.20

6.10

泥岩

887.73

6.59

泥岩

注：

851.80m以上地层与AN—1井地层岩性基本相同。

887.73m以下造斜钻进未能测井。

地层以砂、粉砂岩、泥岩和盐层为主，地层类别较低，钻进效率高;但岩石强度低，孔壁稳定性差。

盐层位置：

AN—8井，对接层位980.72m—1010.99m，套管深度1005.29m，对接区段1005.29—1010.99m；AN—9井，对接层981.22—1010.92m。

图1—4AN—9井现场远景

2技术方案的实施

2.1钻孔结构

由于盐卤对接井钻遇地层主要以沉积地层为主，地层较单一，为了便于采卤，井身结构应尽量简化。

直井采用二开结构；对接井采用三开结构。

2.1.1实钻井钻孔结构

1、设计钻孔结构

根据矿区地层资料和已有钻孔施工经验，2—5—1直井采用二开结构：

一开用Φ311mm钻头开孔，钻至深度40m，下φ244.5mm×10.03mm表层套管，用525#水泥固井，水泥返至地表；二开用Φ190mm牙轮钻头全面钻进至至深980m，用Φ110mm取芯钻具取芯钻进至孔深1010m，再用Φ190mm牙轮钻头扩孔至孔深1000m。

下J55φ139.7mm×7.72mm技术套管，API—G级油井水泥固井，水泥返至地表；溶腔段用Φ118mm三牙轮扩至孔深1010m。

2—5—2井采用三开结构，并采用两次定向造斜钻进技术。

即一开用Φ311mm钻头开孔，钻至深度40m左右，下φ244.5mm×10.03mm表层套管；二开用Φ190mm牙轮钻头钻进，钻进至终孔层位880m，并下入Φ139.7mm×7.72mm技术套管880m。

三开用Φ118mm三牙轮钻至885m随后开始第一次定向造斜钻进，采用Φ95mm，螺杆受控定向钻进至井深1050m（暂定）；再采用Φ95mm直螺杆受控定向钻进至井深1071.00m连通直井。

至表层套管用525#水泥固井，技术套管用G级中抗硫油井水泥固井，水泥返至地表。

2、实际钻孔结构

图2—12—5—1与2—5—2对接井结构示意图

实际施工中，根据钻遇地层情况和定向钻进实际造斜强度对钻孔结构做了适当的调整，具体钻孔结构见图2—1。

2.1.2设计井钻孔结构

1、设计钻孔结构

根据矿区地层资料，AN—8直井：

一开用Φ311mm钻头开孔，钻至深度25m，下φ244.5mm×10.03mm表层套管，用525#水泥固井，水泥返至地表。

二开用Φ190mm牙轮钻头全面钻进至至深980m，用Φ110mm取芯钻具取芯钻进至孔深1010m，再用Φ190mm牙轮钻头扩孔至孔深1005m。

下J55φ139.7mm×7.72mm技术套管，API—G级油井水泥固井，水泥返至地表；溶腔段用Φ118mm三牙轮扩至孔深1010m。

AN—9井：

一开用Φ311mm钻头开孔，钻至深度25m左右，下φ244.5mm×10.03mm表层套管；二开用Φ190mm牙轮钻头钻进，钻进至终孔层位880m，并下入Φ139.7mm×7.72mm技术套管885m（暂定）。

开始第一次定向造斜钻进，采用Φ95mm，螺杆受控定向钻进至井深1040m。

随后第二次造斜采用Φ95mm直螺杆受控定向（稳斜）钻进至井深1250.00m连通直井。

2、实际钻孔结构

实际施工中，根据钻遇地层情况和定向钻进实际造斜强度对钻孔结构做了适当的调整，具体见图2—2。

2.2主要钻进设备的选择

2.2.1常规回转钻进施工主要设备

常规回转钻进施工设备的选择,既要考虑直井段的施工,同时主要设备必须满足定向钻进最大井深和动力需求。

常规回转钻进施工设备详见表2—1。

表2—1常规回转钻进施工设备一览表

序号

名称

型号

数量

备注

1

钻机

TSJ—2000

1台

石家庄

2

泥浆泵

BW—850/50

1台

石家庄

3

柴油发电机机

75KW

1台

上海（安9井）

4

钻塔

AJ—24.5m

1部

2—5—2井石家庄

5

钻塔

22.5m角铁

1部

（安9井）

6

钻杆

φ73mm

1500m

7

除砂器

EQJ—200×2

1套

9

测斜仪

JXY—2

1套

10

泥浆测试仪

NE—1

1套

青岛

11

数字测井仪

TYSC—3Q

1套

图2—2AN—8与AN—9对接井结构示意图

2.2.2定向钻进施工专用设备

定向钻进所用设备主要考虑造斜长度、地层造斜率、钻孔结构和终孔后井的生产需求。

表2—2定向造斜与水平钻进专用设备一览表

序号

名称

规格

数量

备注

1

液动螺杆钻具

φ95mm

4套

北京

2

无磁承压钻杆

φ105mm

1根

3

高压随钻水龙头

40T

2套

4

有线随钻测井仪

DST

1套

北京

5

ESS电子多点测井仪

1套

6

测井绞车

3000

1台

7

PDC造斜钻头

φ108mm、φ118mm

4个

武汉

8

高精度螺陀测井仪

φ50mm

1台

北京

2.3施工工艺

2.3.1钻进方法

2—5—1井0—36m、36—975.00m两个井段均采用牙轮钻头钻进，二开用Φ190mm牙轮钻头全面钻进至至深975m，用Φ110mm取芯钻具取芯钻进至孔深1005.65M，再用Φ190mm牙轮钻头扩孔至孔深992.00m。

溶腔段用Φ118mm三牙轮（或PDC）钻头扩至孔深1005.65m。

二开用Φ190mm牙轮钻头全面钻进至至深975.00m后，用Φ110mm取芯钻具取芯钻进至孔深1005.65m，再用Φ190mm牙轮钻头扩孔至孔深992.00m。

下J55φ139.7mm×7.72mm技术套管，API—G级油井水泥固井，水泥返至地表；溶腔段用Φ118mm三牙轮（或PDC）扩至孔深1005.65m。

2—5—2井：

0—38m，38—885.00m井段采用牙轮钻头钻进,造斜施工第一阶段从孔深885m处开始，至孔深1050.26m处结束，造斜顶角增至87°垂深989.27m，即进入指定开采盐层的顶板；造斜钻具为Φ95液动螺杆钻具+Φ118或PDC钻头。

造斜施工第二阶段从垂深989.27m处开始，至孔深1165.50m处结束，维持顶角87°顺盐层水平钻进至中靶，垂深996.09m；造斜钻具为Φ95液动螺杆钻具+Φ118复合片钻头。

2.3.2钻具组合

1、一开钻具组合

110×110方钻杆＋Φ89钻杆＋Φ121钻铤＋Φ146钻铤＋Φ311轮钻头。

2、二开钻具组合

110×110方钻杆＋Φ73钻杆＋Φ121钻铤＋Φ146钻铤＋Φ190牙轮钻头。

3、定向斜井钻具组合

110×110方钻杆＋随钻通缆循环水龙头+Φ73钻杆＋Φ105无磁钻铤＋Φ105定向直接头＋Φ95螺杆钻具＋Φ118（Φ108）PDC钻头。

4、2—5—1井取芯钻具组合

110×110方钻杆＋Φ73钻杆＋Φ89钻铤+Φ110取芯钻具。

2.3.3技术参数

根据井内岩层情况，合理选用钻压、转速和泵量，钻压值一般为钻铤重量的2/3～4/5，正常情况下，选取的参数见表3—3：

表2—3钻进参数表

井段（m）

钻头

直径

（mm）

钻进规程

钻压（KN）

转速（rpm）

泵量（L/min）

2—5—1直井

0～40

Φ311

10

45

850

40～980

Φ190

80～170

45～70

700

980～1010（取芯段）

Φ110

60～90

70～105

180

980～1010（扩孔段）

Φ118

80～100

45～70

250

2—5—2对接井

0～40

Φ311

10

45

850

40～885

Φ190

80～170

45～70

700

885～终孔（对接井段）

Φ118

50～90

650

885～终孔（局部对接井段）

Φ108

50～80

650

2.4钻井液

2.4.1设计依据

根据多年来在盐矿勘探井及采卤井施工中运用的纤维素—铁络盐（Na—CMC—FCLS）饱和盐水泥浆，取得了一定的成功的经验，本着安全、优质、低耗、高效地完成本井施工任务的指导思想进行泥浆设计。

2.4.2各井段泥浆类型、性能与处理

1、0～850m井段：

采用不分散低固相淡水泥浆，用优质膨润土配制基浆，用碳酸钠、水解聚丙烯酰胺（HPAM）、水解聚丙烯腈（PHP）调整泥浆性能。

上部（0～40m）地层松散且部分含有卵砾石，可钻性较好，但井壁稳定性差，泥浆着重于护壁及清洗井底。

其泥浆性能为:

比重:

1.25—1.30g/cm3漏斗粘度:

30～35s失水量:

≤15ml/30min泥皮厚度:

≤1mm

PH值:

8～9含砂量:

≤3%

下部（40～850m）,局部不稳定,泥浆应加入适量GSP广谱防塌剂（或防塌剂K31）,以提高泥浆防塌能力，同时加入适量的润滑剂降低回转阻力，起下钻具要慢、稳，防止井内压力激动，引起井壁坍塌，其泥浆性能为：

比重:

1.10～1.15g/cm3漏斗粘度:

25～30s失水量:

<10ml/30min泥皮厚度:

≤0.5mmPH值:

9～9.5含砂量:

≤3%

2、850以后井段：

含盐层每钻进30