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水平井钻井核心技术概述
第一章定向井(水平井)钻井技术概述
第一节定向井、水平井基本概念
1.定向井丛式井发展简史
定向井钻井被(英)T.A.英格利期定义为:
“使井筒按特定方向偏斜,钻遇地下预定目的一门科学和艺术。
”国内学者则定义为,定向井是按照预先设计井斜角、方位角和井眼轴线形状进行钻进井。
定向井相对与直井而言它具备井斜方位角度而直井是井斜角为零井,虽然实际所钻直井它均有一定斜度但它依然是直井。
定向井一方面是从美国发展起来,在十九世纪后期,美国旋转钻井代替了顿钻钻井。
当时没有考虑控制井身轨迹问题,以为钻出来井必然是铅垂,但通过日后井筒测试发现,那些垂直井远非是垂直。
并由于井斜因素导致了侵犯别人租界而导致被起诉案例。
最早采用定向井钻井技术是在井下落物无法解决后侧钻。
早在1895年美国就使用了特殊工具和技术达到了这一目。
有记录定向井实例是美国在二十世纪三十年代初在加利福尼亚享廷滩油田钻成。
第一口救援井是1934年在东德克萨斯康罗油田钻成。
救援井是指定向井与失控井具备一定距离,在设计和实际钻进让救援井和失控井井眼相交,然后自救援井内注入重泥浆压死失控井。
当前最深定向井由BP勘探公司钻成,井深达10,654米;
水平位移最大定向井是BP勘探公司于己于1997年在英国北海RytchFarm油田钻成M11井,水平位移高达1,0114米。
垂深水平位移比最高是Statoil公司钻成33/9—C2达到了1:
3.14;
丛式井口数最多,海上平台:
96口;人工岛:
170口;
国内定向井钻井技术发展状况
国内定向井钻井技术发展可以分为三个阶段,50—60年代开始起步,一方面在玉门和四川油田钻成定向井及水平井:
玉门油田C2—15井和磨三井,其中磨三井总井深1685米,垂直井深表遗憾350米,水平位移444.2米,最大井斜92°,水平段长160米;70年代扩大实验,推广定向井钻井技术;80年代通过进行集团化联合技术攻关,使得国内从定向井软件到定向井硬件均有了一种大发展。
国内当前最深水平井是胜利定向井公司完毕JF128井,井深达到7000米,垂深位移比最大大位移井是胜利定向井公司完毕郭斜井,水平位移最大大位移井是大港定向井公司完毕井,水平位移达到2666米,最大丛式井组是胜利石油管理局河50丛式井组,该丛式井组长384米,宽115米,该丛式井平台共有钻定向井42口。
2.定向井分类
按定向井用途分类可以分为如下几种类型:
普通定向井
多目的定向井
定向井丛式定向井
救援定向井
水平井
多分枝井(多底井)
国外定向井发展简况
(表一)
年代
内容
50年代
60年代
70年代
80年代
90年代
剖面设计及
迹计算办法
误差很大正
切法,进行定
向井设计轨迹
计算
18种二维计算
办法,如更精
确曲率半径
法
发展到三维设
计和大组丛式
井整体设计
计算机专家系
统进行定向井
设计和指引
定向井施工
发展了大型集成设计软件包
井斜控制理论
斜直井段二
维分析
考虑了井眼
曲率及满眼组
合特性
三维数据分析,由静态发展到动态
发展了各种分
析计算办法并
编制了计算机
程序
在本来各种分析基本上引入了数学及其他边沿学科
定向造斜工艺
涡轮加弯接头
斜向器配合转
盘钻
使用效率更高
螺杆动力钻
具,专用工具
定型配套
涡轮、螺杆动力钻具向低速大扭矩发展。
各种专用井下工具系列化
发展了复合式
动力钻具,导
向钻井系统,
长寿命PDC钻
头等
发展成熟多分枝井回接工艺
地质导向钻井系统
测量方式
氢氟酸玻璃管
刻线法和地面
定向法
机械式罗盘,
精度较高单
多点照相测斜仪
有线随钻测斜
仪投入工业性
使用,无线随
钻测斜仪研制
成功
各种无线随钻
测斜系统投入
工业使用和发
展了电子测量
系统和陀螺测
量系统
发展成熟带地质参数无线随钻测斜仪
定向井钻井水平
精度规定不高
中深定向井
可打精确度较
高定向井和
小组定向井
可打精确度较
高定向救援
井和大组丛式
井
钻成大量水平
井从大半径水
平井到小半径
水平井多底泄
油井
钻成位移过万米大位移井
径向水平井可在0.3米之内完毕增斜过程
国内定向井钻井技术发展状况
(表二)
年代
内容
60年代
80年代
90年代
剖面设计及轨
迹计算办法
设计采用查表法、图解法等精度不高办法
发展了曲率半径法,最小曲率半径法等各种更为精准轨迹计算和设计办法,编制了能进行轨迹预测和防碰扫描计算机软件包。
引入人工智能和专家系统
井斜控制理论
进行了钻具二
维静态分析重要
使用有限元法
发展了各种新分析计算办法,例如:
平衡梁法、加权余量法等,并编制了计算机分析程序
理论分析模型由静态态发展到动态,由二维发展到三维
定向造斜工艺
使用地面定向法
(钻杆打钢印)。
数据测量使用电测井数据。
使用精度高磁性单多点测斜仪进行定向和轨迹数据测量,发展了有线随钻测斜仪定向。
发展了导向钻井系统初步研制出径向水平井造斜工艺
测量方式
氢氟酸测斜仪,机械式罗盘电测井办法。
各种引进有线随钻测斜系统投入工业使用和发展了电子测量系统及陀螺测量系统
发展了无线随钻测斜系统,引进了带地质参数MWD系统
定向井钻井水平
简朴单口定向井、水平井位移小,精度低
钻成大量高难度定向井、大组丛式井、多目的井、套管定向开窗井、水平井也从大半径水平井发展到了中半径水平井
在水平井方面获得大型突破,钻成了长、中、短半径水平井
第二节水平井钻井技术简介
所谓水平井,是指一种井斜角不不大于或等于86°,并保持这种角度钻完一定长度水平段定向井。
1.水平井钻井技术发展概况
1863年,瑞士工程师一方面提出钻水平井建议;
1870年,俄国工程师在勃良斯克市钻成井斜角达60°井;
瑞典和美国研制出测量井眼空间位置仪器,1888年俄国也设计出了测斜仪器;
1929年,美国国加利福尼亚州钻成了几米长水平分支井筒;
30年代,美国开始用挠性钻具组合在垂直井内钻曲率半径小水平井分支井眼;
1954年苏联钻成第一口水平位移;
1964年—1965年国内钻成两口水平井,磨—3井、巴—24井;
自来80年代以来,随着先进测量仪器、长寿命马达和新型PDC钻头等技术发展,水平井钻井大规模高速度发展起来。
国内水平井钻井在90年代以来也获得了很大发展,胜利油田已完毕各种类型水平井百余口,水平井钻井水平和速度不断提高。
水平井类型及各种类型水平井特点
1).水平井类型:
依照水平井曲率半径大小分为:
长曲率半径水平井(小曲率水平井);
中曲率半径水平井(中曲率水平井);
短曲率半径水平井(大曲率水平井)。
2).不同曲率水平井基本特性及优缺陷
(1).不同曲率水平井基本特性表
井型
项目
长半径水平井
中半径水平井
短半径水平井
造斜率
<6°/30米
6°—20°/30米
150°—300°/30米
曲率半径
304—914米
291—87米
12—6米
井眼尺寸
无限制
121/4″—43/4″
61/4″—43/4″
钻井方式
转盘钻或导向钻井系统
造斜段:
特种马达或导向钻井系统
水平段:
转盘钻井或导向钻井系统
以使用特种工具转盘钻进为主,当前也使用特种马达方式
钻杆
常规钻杆
>15°/100米使用抗压钻
杆
铰接驱动钻杆
测量工具
无限制
有线随钻测斜仪,MWD,但井眼<61/8″时不能使用
转盘钻井时使用多点测斜仪
马达钻井时使用有线随钻测斜仪
地面设备
常规钻机
常规钻机
需要配备顶部驱动系统或动力水龙头
完井方式
无限制
无限制
裸眼或割缝管
(2).长曲率半径水平井优缺陷
优点缺点
1.穿透油层段最长(可以>1000米)1.井眼轨道控制段最长
2.使用原则钻具及套管2.全井斜深增长最多
3.“狗腿严重度”最小3.钻井费用增长
4.使用常规钻井设备4.各种下部钻具组合较长
5.可使用各种完井办法5.不适合薄油层和浅油层
6.可采用各种举升采油工艺6.转盘扭矩较大
7.测井及取芯以便7.套管用量最大
8.
井眼及工具尺寸不受限制8.穿过油层长度与总水平位移比最小
(3).中曲率半径水平井优缺陷
优点缺点
1.进入油层时无效井段较短1.规定使用MWD测量系统
2.使用井下工具接近常规工具2.规定使用加重钻杆或抗压缩钻杆
3.使用动力钻具或导向钻井系统
4.离构造控制点较近
5.可使用常规套购及完井办法
6.井下扭矩及阻力较小
7.较高及较稳定造率
8.井眼轨迹控制井段较短
9.穿透油层段较长(1000米)
10.井眼尺寸不受限制
11.可以测井及取芯
12.从一口直井可以钻多口水平分枝井
13.可实既有选取完井方案
(4).短曲率半径水平井优缺陷
优点缺点
1.井眼曲线段最短1.非常规井下工具
2.侧钻容易2.非常规完井办法
3.可以精确击中油层目的3.穿透油层段短(120—180米)
4.从一口直井可以钻多口水平分枝井4.井眼尺寸受到限制
5.直井段与油层距离最小5.起下钻次数多
6.可用于浅油层6.规定使用顶部驱动系或动力水龙头
7.全井斜深最小7.井眼方位控制受到限制
8.
不受地表条件影响8.当前还不能进行电测
第三节定向井基本术语解释
1)井深:
指井口(转盘面)至测点井
眼实际长度,人们常称为斜深。
国外
称为测量深度(MeasureDepth)。
2)测深:
测点井深,是以测量装置
(AngleUnit)中点所在井深为准。
真北极
3)井斜角:
该测点处井眼方向线与重
力线之间夹角(见图1.2)。
井斜真北方位线
角常以希腊字母α表达,单位为度。
4)井斜方位角:
是指以正比喻位线为始东磁偏角
边,顺时针旋转至井斜方位线所转过
角度(见图1.3)。
井斜方位角常
以希腊字母Φ表达,单位为度。
实际西磁偏角应用过程中经常简称为方位角。
A地
B地
图1.1磁偏角示意图
5)磁方位角:
磁力测斜仪测得井斜方位角是以地球磁北方位线为准,称
磁方位角。
井口
A
B正
北方位线
αA井眼方向线井底B
井斜方位角ΦB
重力线αB井斜方位线
图1.2井斜角示意图图1.3井斜方位角示意图
6)磁偏角:
磁北方位线与真北方位线并不重叠,两者之间有一种夹角,这个夹角称为磁偏角。
磁偏角又有东磁偏和西磁偏角之分,当磁北方位线在正北方位线以东时,称为东偏角;当磁北方位线在正北方位线以西时称为西偏磁偏角。
进行磁偏角校正时按如下公式计算:
真方位角=磁方位角+东偏磁偏角
真方位角=磁方位角-西偏磁偏角
7)井斜变化率:
是指井斜角随井深变化快慢限度,常以Kα表达,精准讲井斜变化率是井斜角度(α)对井深(L)一阶导数。
dα
Kα=───
dL
井斜变化率单位常以每100米度表达。
8)井深方位变化率:
实际应用中简称方位变化率,是指井斜方位角随井深变化快慢程度,惯用KΦ表达。
计算公式如下:
dΦ
KΦ=───
dL
井斜方位变化率单位常以每100米度进行表达。
9)全角变化率(狗腿严重或井眼曲率):
从井眼内一种点到另一种点,井眼迈进方向变化角度(两点处井眼迈进方向线之间夹角),该角度既反映了井斜角度变化又反映了方位角度变化,普通称为全角变化值。
两点间全角变化值γ相对与两点间井眼长度ΔL变化快慢及为全角变化率。
用化式表达如下:
γ
K=───
ΔL
实际钻井中,井眼曲率计算办法:
当前计算井眼曲率办法有诸多。
有公式法、查表法、图解法、查图法和尺算法五种。
后四种办法皆来源于公式法。
计算井眼,曲率公式计有三套:
第一套公式:
对于一种测点:
K=SQR(Kα2+KΦ2sin2α)
对于一种测段:
K=SQR((Δα/ΔL)2+(ΔΦ/ΔL)2SIN2αc)
B
ΔΦ
γ
αcA
0
C
Δa
图1.4第一套公式图解法
第一套公式图解法(参见图1.4):
(1).作水平射线OA;
(2).作∠BOA=αc(两测点平均角);
(3).以一定长度代表单位角度,量OB=ΔΦ(两测点方位角差);
(4).自B点向OA作垂线,垂足为C点;
(5).按环节(3)中比例,量CA=Δα;
(6).连接A、B,并量AB长度,按环节(3)比例换算成角度,此角度及狗腿角γ。
第二套公式:
(由于误差较大,现场使用少略)
第三套公式:
γ=SQR(α12+α22-2α1α2COSΔΦ)
B
a2γ
0A
a1
图1.5第三套公式图解法
第三套公式图解法(参见图1.5):
(1).选用一定比例,经一定长度代表单位角度,作线段OA,使其长度代表α1;
(2).作OB线段,使∠BOA=ΔΦ;
(3).按环节
(1)比例,量OB=α2;
(4).连接A、B,并量邓AB长度,按环节
(1)比例换算成角度,既为γ.
10)垂深(垂直井深):
即某测点垂直深度,以H表达。
是指井身任意一点至转盘面所在平面距离。
11)水平投影长度:
是指自井口至测点井眼长度在水平面上投影长度。
以S表达。
12)水平位移:
简称平移,是指测点到井口垂线距离。
在国外又称为闭合距(ClosureDistance)。
13)平移方位角:
又称为闭合方位角(ClosureAzimuth),惯用θ表达,是指以正北方位线为始边顺针方向转至平移方位线上所转过角度。
14)视平移:
又称为投影位移,井身上某点在垂直投影面上水平位移。
在实际定向井钻井过程中,这个投影面选在设计方位线上。
因此视不移也可以定义为水平位移在设计线上投影。
15)高边:
在斜井段用一种垂直于井眼轴线平面于井眼(这时井眼不能理解为一条线,而是一种具备一定直径圆)相交,由于井眼是倾斜故井眼在该平面上有一种最高点,最高点与井眼圆心所形成直线及为井眼高边。
16)工具面:
工具面就是造斜工具弯曲方向平面。
17)磁性工具面角:
造斜工具弯曲平面与正北方位所在平面夹角。
18)高边工具面角:
造斜工具弯曲方向平面与井斜方位角所在平面夹角。
19)装置角:
造斜工具弯曲方向平面与原井斜方向所在平面来夹角,通惯用ω表示。
20)反扭矩:
在用井底动力钻具钻进时,都存在一种与钻头转动方向相反扭矩,该扭矩被称为反扭矩。
21)反扭角:
使用井底动力钻具钻进时,都存在一种与钻头转动方向相反扭矩,由于该扭矩作用,使得井底钻具外壳向逆时针方向转动一种角度,该角度被称为反扭角。
22)贮层顶部:
水平井段控制油层顶部
23)贮层顶部:
水平井段控制油层底部
24)设计入口角度:
进入储层顶部井斜角度
25)着陆点:
井眼轨迹中井斜角达到90°点
26)入口窗口高度:
入靶点垂直方向上下误差之和
27)入口窗口宽度:
入靶点水平方向左右误差之和
28)出口窗口高度:
出靶点垂直方向上下误差之和
29)出口窗口宽度:
出靶点水平方向左右误差之和
30)着陆点容许水平偏差:
着陆点容许水平方向先后误差
31)单弯动力钻具:
动力钻具壳体上具备一种弯曲角度动力钻具,特点是造斜率较弯接头组合高,钻头偏移较小
32)双弯动力钻具:
同向双弯,动力钻具壳体上具备两个弯曲方向相似弯曲角度动力钻具,具备比单弯动力钻具更高造斜率
33)DTU动力钻具(异向双弯):
动力钻具壳体上具备两个弯曲方向相反弯曲角度动力钻具,钻头偏移最小,不但可以导向钻进,并且可以配合转盘钻进;附:
惯用单弯动力钻具、双弯动力钻具、DTU(异向双弯)造斜率表。
第四节定向井、水平井基本施工环节简介
1)定向井井位拟定
井位坐标规定:
基本数同普通直井。
丛式井坐标需一同下发,以便作出丛式井整体设计。
注明各中靶点坐标及垂直深度,提供最新井位构造图。
2)地面井口位置选取
工程、地质设计及测量人员依照井位坐标和地面实际条件拟定井口位置和井架整托方向(丛式井)。
井口位置选取尽量运用地层自然造斜规律。
多目的井井口位置在第一靶点和最后一种靶点联线延长线上。
井架立好后需要进行井口坐标复测。
3)定向井设计
地质设计在坐标初测后提出初步设计,在坐标复测后提出正式设计。
地质设计除涉及普通井内容外,在工程施工中规定必要阐明靶点相对与井口位移和方位,多目的井阐明靶点之间稳斜角度。
附最新井位构造图、油藏剖面图、设计轨迹水平投影图和垂直投影图。
工程设计必要符合地质设计规定。
井身轨迹设计数据表,特殊工艺技术办法。
井身构造及分段钻具组合和钻井参数等。
4)设备规定(钻机)
依照定向井垂直井深、水平位移、井身构造和井眼曲率选取设备类型。
推荐设备原则(使用于位移/垂深〈0.4定向井):
垂深〈2800米、水平位移〈600米,选用3200米钻机;
垂深〈3500米、水平位移〈1200米,选用4500米钻机;
垂深〈4500米、水平位移〈米,选用6000米钻机;
垂深〈4500米、水平位移〉1500米,选用7000米钻机。
5)定向井靶区半径原则
不同井深靶区半径规定(总公司原则):
靶区垂深(米)靶区半径(米)靶区垂深(米)靶区半径(米)
≤1000≤30≤3000≤80
≤150≤40≤3500≤100
≤≤50≤4000≤120
≤2500≤65≤4500≤140
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