1、 摘 要 大慶油田截止 1999 年底累計發現套損井 6860 口，占投產井數的 16.32%，發 現套損井 700 口。隨著油田開發時間的延長，已套損井的損壞程度逐年加劇，造 成修井難度增大1，一是套損部位通徑較小；二是多點套損井比例高，按目前工 藝技術無法修復或因修復成本太高等原因，被迫報廢處理，但地下儲層仍有開采 價值。采用側斜工藝技術進行修復可以利用原井場，不用重新征地，不需重新鋪 設地面管線，可以利用一段原井眼，不影響原來的井網布置和開發方案，不需再 鉆更新井，恢復原有的注采關系，修復速度也將大為提高，保證了油田穩產，同 時在技術上為油田提供新的修井手段，利用此項技術可以為國內外其他

2、油田服務。 通過本論文的研究，形成了一套完整的套損井側斜修井工藝技術2，包括： 優化井眼軌跡設計、鉆頭選型、鉆具組合設計、水力參數設計、井眼測量儀器、 新技術新工藝應用等。為油田大修井提供新的修井手段，研制的側斜井計算機軟 件開發應用，能夠滿足側斜井設計和施工的需要。 關鍵字：套損井；側斜井；修井 abstract by the end of 1999 daqing oilfield total casing wells that 6860 mouth, the number of production wells 16.32% casing wells, 700. with the exte

3、nsion of time oilfield development, has damaged casing wells, caused by increased the difficulty, one is workover casing part size smaller,2 a multipoint casing wells, according to the current high rate cannot be repaired or technique for repairing cost is too high, forced to scrap treatment, but th

4、e underground reservoirs are still exploitation value.using skews technology can be used to repair the original location, not to land, need not repaved ground line, can use a former well, do not affect the original pattern arrangement and development plan, do not need to update wells, drilling resto

5、re original injection- production relation, repair rate will rise greatly, guarantee the stable, while in technical field for oilfield workover, provides a new method for using the technology can and other oilfield services. through the study, this paper has formed a complete set of casing wells ske

6、ws workover technical, including: optimization design, the drill hole trajectory design, selection, downhole assembly design, borehole hydraulic parameters measurement instruments, new technology and new technology application, etc. to provide new big oilfield workover, workover means of side slope

7、of computer software development and application, and can satisfy the side slope design and construction. key words: casing wells;side slope; workover 目 錄 第第 1 1 章章 緒論緒論.1 1.1 側斜修井技術概述.1 1.2 國內外研究現狀.1 1.3 技術難點.2 第第 2 2 章章 側斜井井身剖面設計方法研究側斜井井身剖面設計方法研究.3 2.1 側斜井靶區設計.3 2.2 取套深度和側斜點優選.4 2.3 側斜井剖面設計.5 第第 3

8、 3 章章 側斜井實鉆軌道計算與防碰分析側斜井實鉆軌道計算與防碰分析.11 3.1 實鉆軌道計算.11 3.1.1 計算方法的選擇.11 3.2 側斜井井眼軌道相互關系分析.13 第第 4 4 章章 側斜井井眼軌跡預測及控制方法側斜井井眼軌跡預測及控制方法.18 4.1 側斜井井眼軌跡預測.18 4.2 側斜井井眼軌跡控制方法.20 第第 5 5 章章 側斜井現場試驗配套技術研究側斜井現場試驗配套技術研究.25 5.1 鉆頭類型的優選.25 5.2 鉆具組合設計.25 5.3 側斜井實鉆軌道監控.25 5.4 利用地層與鉆頭的相互作用關系進行方位控制.28 5.5 完善固井工藝技術.29 5.

9、6 側斜井井壁失穩機理及預防技術的研究.30 第第 6 6 章章 側斜井現場應用效果及效益分析側斜井現場應用效果及效益分析.31 6.1 側斜井現場應用效果.31 6.2 側斜井與更新井經濟效益對比.33 結結 論論.34 參考文獻參考文獻.35 致致 謝謝.36 第 1 章 緒論 1.1 側斜修井技術概述 1.1.1 側斜修井技術簡介 側斜修井3-8是利用定向工具及鉆具，在原井眼的一定深度內按照預定的方 位進行側斜鉆進，避開下部井眼和套管，重新開辟出新井眼，根據設計的軌跡鉆 進，控制井眼軌跡中靶，下入新套管固井。側斜修井的主要技術指標有：井斜角 要小于 3 度，目的層水平位移要小于 30 米

10、。該技術在原井眼地面位置不變，通 過下部側鉆，使新井底與原井底產生一定距離，基本上保持了直井的特征，不影 響原井網的開發部署。因此側斜修井技術為深部套損井和實施報廢井的徹底修復 提供了一個新的途徑。 1.1.2 側斜修井技術的應用 側斜修井方法是油田生產后期使套損井恢復生產的重要手段，它可以使用一 般方法不能修復的井重新投入恢復生產，主要應用于以下幾方面： （1）對于套損深度超過 800 米，油層部位套管錯斷、破裂、外漏的井，在 保證徹底封固原井眼射孔段的條件下采用側斜技術； （2）對于打開通道實施取套未成的油水井，在徹底封固原井眼射孔段的條 件下，可以應用側斜技術恢復生產； （3）對于井塌、

11、吐沙嚴重，井下落物卡阻無法打撈的油井，可以應用側斜 技術恢復生產。 因此，側斜修井技術有著較好的應用價值和廣泛的應用前景。 1.2 國內外研究現狀 1.2.1 大慶油田套損現狀 油田開采過程中，伴隨著地層物理、化學性能的變化，大量油水井套管損壞， 造成了巨大經濟損失9。就大慶油田來說，截止 1999 年底，累計發現套損井 6860 口，占投產井數的 16.32%，并且已實施報廢井 1770 口。隨著開發時間的延 長，套損井的損壞程度逐年加劇，造成目前修井難度增大。另外，套管通徑小， 修復率低，單井套損點多通徑小嚴重者造成無法修復。采用側斜工藝技術進行套 損井的修復可以利用原井場，不需要新鋪設地

12、面管線，可利用一段原井眼，井眼 位移小，不影響原來的井網部署和開發方案，不降低產能，并且減少占地面積。 側斜修井的最大優點是可以修復用其它方法不能解決的套損井，使原來的報廢井 恢復產能，具有較高的技術經濟價值10。 1.2.2 國內外研究現狀 目前通過有關對國外技術資料的檢索和查閱，還沒有與側斜井修井技術完全 一致的技術報道。通過調查結果顯示國內外其他油田大都通過套管內開窗側鉆方 式進行修井作業。國內的側斜修井技術還處于研究起步階段，還沒有一套完整成 熟的配套技術。中原油田在 2001 年 7 月份采取類似的工藝完成了三口井的修井 施工，而大慶油田自 2000 年就開始研究側斜井的工藝技術。從

13、大慶油田的情況 看，經過了四十年的開發，地下情況十分復雜多壓力層系矛盾突出，套損井數量 增多，其特點是分布范圍廣，套損點大多集中在標準層及油層部位，套損部位通 徑小、套損點多、甚至套管發生整體位移、位置較深，并且每口井的套損情況也 不同。因此研究側斜修井技術，提高修井速度，加快套損區產能恢復已成必然。 側斜修井技術還處于發展研究階段，其發展趨勢是研制裸眼用斜向器，不用 打水泥塞就可進行側鉆，縮短施工時間降低成本，同時采用先進的井眼控制技術， 如導向鉆井技術等提高井眼軌跡控制精度。 1.3 技術難點 通過調研國內外側斜修井技術的研究狀況，認真研究了大慶油田套損井的損 壞特點，詳細分析了大慶油田套

14、損井側斜修井的技術現狀11，歸納總結了大慶油 田側斜修井的主要技術難點如下： （1）套損井分布范圍廣，套損點多且多位于標準層及油層部位，而每口井 的套損情況又不完全相同，套損呈現多樣化； （2）套損部位通徑小，位置較深，施工作業困難，特別是套管發生整體位 移時，施工處理呈現復雜化； （3）由于水平位移的限制，側斜井井斜角較小（一般小于 3） ，方位難于 控制，因此井眼軌跡控制難度大； （4）比起常規定向井技術，側鉆前由于增加了取套作業，側斜點位置難以 按定向井軌跡設計的要求進行優選，因此優化設計的條件不易滿足； （5）由于側斜井都為套損井，上部地層經過鉆井液和地層水的長期浸泡，井 壁疏松、易垮

15、塌，容易出現井下復雜情況。 第 2 章 側斜井井身剖面設計方法研究 側斜修井施工基本都在大慶油田老區，經過油田的不斷開發，油田井網也在 不斷變化，各井之間的距離在逐漸變小，因此，側斜井的井身剖面設計應充分考 慮這些變化。通過研究不同井網對井身剖面設計的影響，不論是四點法井網、五 點法井網還是九點法井網，對側斜井井身剖面設計影響最關鍵的因素是井網中的 各井間距和各井眼的軌跡與方位12。除對距離較近的井眼，必需進行防碰計算外， 還應考慮將井眼的設計方位錯開。綜合考慮大慶油田老井網的特點，結合側斜井 現場施工的實踐，大慶油田對側斜井井身質量要求井斜角不能超過 3、水平位 移不能大于 30m，全井井眼

16、曲率小于 1.5/30m，由于井斜角小，實際操作中由 于地層和井眼之間的不均質性，存在側斜開始時不容易形成新井眼，側斜后方向 又不穩定，極易產生漂移而難以控制，因此側斜井的井身剖面設計采用特殊方法， 選用井身剖面為：直井段-側斜段-穩斜段-降斜段，并且，將最大井斜角定為已 知，在側斜過程中，只要井斜角達到 2-3，方位與原井眼方位相反，返出的 巖屑約 50%為新井眼巖屑，鉆速均勻就表示已經側斜出去，形成新井眼。為防止 與老井眼相碰，在側斜后進行 50m 穩斜鉆進，接著選用雙鐘擺鉆具和 pdc 鉆頭組 合降斜，最后進入靶區13。 2.1 側斜井靶區設計 對于套損井側斜修井的靶區設計，根據地質要求

17、，結合現場施工的實際，靶 區都控制在一個扇形區域內，但是在實際靶區設計時，究竟目標在哪著陸方能使 脫離靶區的可能性最小，因此目標點應該進行優化計算14。它中靶的最大區域應 與扇形的邊相切的圓，其圓心就是靶心。因此靶心應設計在扇形的軸線上，且距 圓點（井口）的距離計算如下： （2- sin1 r y 1） 式中：給定扇形的半徑，m； 給定的控制扇形圓心角的一半； y靶心距圓點的距離，m。 給定扇形的內接圓半徑計算如下：給定的靶區如圖 2-1 所示。 （2- rr sin1 sin 2） 圖 2-1 側斜井靶區設計圖 2.2 取套深度和側斜點優選 取套深度與側斜點的位置是密切相關的，側斜點位置的選

18、取是側斜成敗的關 鍵，通常情況下應考慮以下因素： 應選在比較穩定的地層，避免在破碎帶、漏失地層、流砂層或易坍塌、易 膨脹等復雜地層定向側斜，以免出現井下復雜情況，影響定向施工。 側斜點應選在可鉆性均勻、巖石硬度適中的地層，避免在軟硬交錯地層定 向側斜。 側斜點深度的選取應考慮設計井的垂深，并應滿足采油工藝及今后再進行 修井作業的要求。 對于方位漂移嚴重的地區，應適當選擇造斜點的位置，使造斜井段盡可能 避開地層造斜能力強的地層或利用好地層的自然漂移規律。 此外，對于側斜修井，側斜點的位置一般由取套深度決定，取套深度應考慮 套損點的位置、套銑段的長度等因素。應用螺桿鉆具側斜要求地層在泥巖段，軟 硬

19、適中，不易坍塌和縮徑，容易形成穩定的井眼。在大慶油田長垣地區，具有這 樣地質特點井段為 250m450m。同時根據油田公司價格定額中的不同井深的取套、 切割、打撈的定額和實際生產中發生的取套費用的兩條曲線對比結果看（見圖 2- 2）：在井深小于 320m 井段取套是贏余的，大于 320m 米取套成本虧損。結合現 場實際生產情況：每個修井隊現配備 25 根套銑筒，兩次即可完成取套施工，切 割時將套銑筒座掛于井口，套管魚頭在套銑筒內，保證魚頭不丟失。取套深度定 為：250m 至 450m，打水泥塞長度一般為 50m 至 80m，因此我們選擇的側斜點一般 為 300m 至 400m。 圖 2-2 不

20、同取套井段成本對比曲線 2.3 側斜井剖面設計 根據側斜井的特殊要求，結合剖面設計的原則、該地區的地質特征、套管損 壞及套銑的具體情況，可以確定出可選側斜點的范圍，以及對造斜率、降斜率的 限定值。 側斜井剖面設計內容和步驟可歸納如下： 選擇剖面類型。 確定造斜率和降斜率，選擇側斜點。 求得剖面上主要的未知數，其關鍵參數是不同井段間連接處的井斜角。 進行井身剖面計算。內容包括井眼軌道上各點的井斜角、方位角、垂深、 水平位移及坐標等。 設計結果列表與繪圖。 2.3.1 側斜井方位的確定 側斜井方位設計至關重要，除應考慮地層自然造斜規律等因素外，還應考慮 井排方向、斷層位置、井網關系等，重點還要在井

21、眼防碰方面考慮以下因素。 根據井區構造情況，繪出井區構造圖，確定地層傾角、傾向等參數。設計 側斜方位盡可能與地層傾向相反，這樣可以充分利用地層的自然造斜規律，減少 井眼軌跡控制的工作量。 同時由于側斜井井身質量與原井眼相同，新鉆側斜井與原井井眼軌跡在同 一空間范圍內變化。因此，側斜井的方位設計必須避開原井井眼軌跡，防止井眼 相碰。 側斜方向線與側斜點以下的井眼軌跡不能相交。 根據以上原則，當初步選定了某一區域后，以原井位移圖上的最內、外測點 與本井的連線構成防碰臨界角。該臨界角的平分線，可初步作為設計側斜方位線， 考慮到地層的自然造斜規律，對該設計方位線可進行適當的修正。 設計方位確定后可根據

22、臨界角的大小給出設計方位的可變化區間。在目前條 件下，其范圍是2040。圖 2-3 和圖 2-4 為杏 1-1 丁 3-側斜 118 井和高 129側斜 28 井方位設計實例 圖 2-3 杏 1-1 丁 3-側斜 118 方位設計 2.3.2 最終井斜角的計算 計算最終井斜角 ，如圖 2-5，最終井斜角就是第二穩斜段的井斜角，設最 f 大井斜角為 因為各井段的垂增和平增之和應分別等于目標點的總垂深和總水平 m 位移，所以 (2-3)sin(sincossin 221fmmmz rlrhh (2-4)cos(cossin)cos1 ( 221mfmm rlra 圖 2-5 側斜井剖面測試圖 上式

23、整理得 mmfz rrlrhhsin)(cossin 222 mmf lrrrasin)cos1)()cos1 ( 2212 式中： 目標點垂深；h 設計水平位移；a 設計方位角； 側斜點井深； z h 造斜率； 1 k 降斜率； 2 k 最大井斜角（在本設計中取為 2.8） ； m 穩斜段長度（在本設計中取為 50m） 。 2 l 根據曲率與曲率半徑的關系，可以求出側斜井段和降斜井段的曲率半徑 (i=1,2) i k i k c r 180 式中的曲率半徑的單位為 m；系數 ck的數值取決于曲率的單位。當ki的單位 分別為/10m、/25m、/30m、/100m 時，相應的 ck值為 10、

24、25、30 和 100。若令 fz rhhhsin 20 （2-)cos1 ( 20f raa 5） 210 rrr 則 （2- mm rlhsincos 020 6） （2- mm lrasin)cos1 ( 200 7） 由（2-6）和（2-7）式，得 （2- 00 20 2 0 2 00 2 2 ) 2 ( ar raahh tg m 8） （2- 02 2 0 2 02 2arahl 9） 這樣，各井段的參數就可以計算出來了。 2.3.3 井身參數計算 計算出各井段的參數增量。 側斜段 （2- m rl 11 180 10） （2- m rhsin 11 11） （2- )cos1 (

25、 11m ra 12） 穩斜段 （2-13） 02 2 0 2 02 2arahl （2- m lhcos 22 14） （2- m lasin 22 15） 降斜段 （2- )( 180 23fm rl 16） （2-)sin(sin 23fm rh 17） （2- )cos(cos 23mf ra 18） 于是，各井段終點處的井深分別為 （2- 11 lhl z 19） （2- 212 lll 20） （2- 323 lll 21） 為了優化井眼軌跡，應使側斜段長一些，降斜段短一些，由上面的公式可知 井段長度反比于造斜率（或降斜率） ，所以在確定已知參數大小時，應使造斜率 取小一點兒，降斜

26、率取大一點兒。 井眼軌道上任一井段l處的參數可用如下方法計算： 對于側斜井段（hzll1） （2- 1 )(180 r hl z 22） （2- sin 1 rh 23） （2- )cos1 ( 1 ra 24） 對于穩斜段（l1ll2） （2- m 25） （2- cos)( 1 llh 26） （2- sin)( 1 lla 27） 對于降斜井段（l2ll3） （2- 2 1) (180 r ll m 28） （2-)sin(sin 2 m rh 29） （2-)cos(cos 2m ra 30） 由于所設計的井眼軌道是二維剖面，所以各井段上的北、東坐標增量可以寫 成如下通式 （2- co

27、sax 31） （2- sinay 32） 上述各式中，諸增量h、a、x、y都是以所在井段的起始點為準。 以上是根據最終井斜角來確定最大井斜角的一般方法和相應的計算公式，對 于側斜井來說，也可以根據最大井斜角來確定最終井斜角或確定最終降斜率，可 以根據具體情況進行具體的分析。但由于在一般情況下，對側斜井的最終井斜角 沒有特殊的要求，所以最終井斜角可以根據情況自行選取。如果確實需要計算， 應考慮計算精度引起的誤差，因為最終井斜角都比較小。 第 3 章 側斜井實鉆軌道計算與防碰分析 3.1 實鉆軌道計算 3.1.1 計算方法的選擇 側斜井井眼軌道設計要做到安全、合理、經濟，更重要的是要準確地描述井

28、 眼軌道，盡可能沿設計軌道鉆進。這就要求實鉆井眼軌道的計算和描述盡可能作 到準確無誤。 由于目前還不能真正作到連續測斜，所以從測斜數據看，只能得到一些離散 的點。要計算實鉆軌道的參數，就只好進行假設。依據不同的假設條件形成不同 的計算方法，應用圓柱螺線法（曲率半徑法）可以滿足側斜井施工的要求。 用于描述井眼軌道的參數很多，其中主要有井深（l） 、井斜角（）和方位 角（）是直接測得的，而其它參數需要通過計算來確定。 在計算時，坐標參數計算的基本思想對于各種計算方法是通用的。即： （3- xxx 12 1） （3- yyy 12 2） （3- zzz 12 3） （3- sss 12 4） （3-

29、 2 12 2 122 )()(yyzza 5） （3- 2 2 2 x y tg 6） （3-)cos( 222 av 7） 式中： 、：測段下、上兩端點北坐標及其增量； 2 x 1 xx 、：測段下、上兩端點東坐標及其增量； 2 y 1 yy 、：測段下、上兩端點垂深坐標及其增量； 2 z 1 zz 、：測段下、上兩端點水平投影長度及其增量； 2 s 1 ss ：下測點水平位移； 2 a ：下測點平移方位； 2 12 若和其中之一為零，則曲率半徑r或 r 將無法計算，這時可按如下方 法處理： 若，則測段內的井眼軌道在垂直剖面圖上為直線段。于00 是 （3-)sin(sin 12 rx 8）

30、 （3-)cos(cos 21 ry 9） （3- 21 coscosllz 10） （3- 21 sinsinlls 11） 其中 （3- 21 sin180sin180ll r 12） 實際上，這種情況對于r的表達式來說，是型不定式。應用洛比達法則0 也容易得到上面的結果。下面的幾種特殊情況與之類似。 若，則測段內的井眼軌道在水平投影圖上為直線段。于00 是 （3- 221121 cos)cos(coscos)cos(cosrrx 13） （3- 221121 sin)cos(cossin)cos(cosrry 14） （3-)sin(sin 12 rz 15） （3-)cos(cos 2

31、1 rs 16） 其中 l r 180 若時，則測段內的井眼軌道為直線段。于是0, 0 （3- 2211 cossincossinllx 17） （3- 2211 sinsinsinsinlly 18） （3- 21 coscosllz 19） （3- 21 sinsinlls 20） 3.2 側斜井井眼軌道相互關系分析 3.2.1 井眼軌道間相對距離的計算 在側斜修井過程中，不僅要注意實鉆軌道與設計軌道的相符程度及變化 趨勢，而且還需要考慮原井和鄰井的情況，防止與原井和鄰井井眼相碰，在 實際施工過程中主要是防止和原井眼相碰，這是側斜井與定向井的一點不同 之處。要研究防碰問題就涉及到井眼軌道間

32、的相互關系問題，本文采用內插 法進行討論側斜井井眼軌道間相互關系問題15。 井眼軌道間的相互關系可由最近距離、法面距離和水平距離三種來描述。 對于側斜井來說，井眼軌道間的最近距離主要用于防碰技術，法面距離用于 比較實鉆軌道和設計軌道間的偏離程度，有時也可用于防碰判斷，而對于直 井段法面距離就是水平距離，水平距離則主要用于計算靶心距等方面16。 3.2.2 內插法的原理 在描述井眼軌道間的相互關系時，首先要選擇一個井眼軌道作為基準或 參考，該井眼軌道可稱為基準軌道或參考軌道。其余井眼軌道都要與基準軌 道進行對比，所以可稱為比較軌道。 設在某個井段上，上、下兩端點分別為 a 點和 b 點。任給一點

33、 c（lc(la,lb)） ， 則有 （3-)( ac ab ab ac ll ll 21） )( acaac ssk 而 )cos(cos baac rss )cos(cos ba ab a r k 所以 （3-)( coscos cos ab ba ca ac 22） 坐標增量的計算公式為： （3- )sin(sin acac rx 23） （3- )cos(cos caac ry 24） （3- )sin(sin acac rz 25） 其中 ab ab ll r 180 ab ba r r )cos(cos180 3.2.3 井眼軌道間相互關系的計算 最近距離 在基準軌道上任取一點p，

34、經比較可以得到比較軌道上距p點距離最近的測 點或計算點a點。如圖 3-2 所示。假設比較軌道上至p點距離最近的點為c點。 c點所在井段的確定。對于比較軌道上的點c，只要確定井深lc，即可通過 測斜計算方法求得c點各參數。通常，c 點并不恰好為測點，所以明確井深lc的 大小就得先找到c點所在的井段。 由空間兩點間距離計算公式，可以得到p點至比較軌道上各測點的距離。經 比較，可以找到一個測點距p點最近。設該測點為c點，現設c點位于a點以下 的井段，其下端點為b點。通過測斜計算a 、b兩點的各參數均可求得。 圖 3-2 最近距離測試圖 c點井深的確定 在a b井段內，可以通過最小距離的定義找到一個迭

35、代公式，計算lc。 由于要求c 、p兩點距離最近，故 （3-0 c dl d 26） 其中為c 、p兩點距離，大小為 （3- 222 pcpcpc zyx 27） 式中 、分別為c 、p兩點間的北坐標、東坐標和垂深坐 pc x pc y pc z 標增量。 將（3-27）式代入（3-26）式，得 （3-0cossinsincossin cpcccpcccpc zyx 28） 其中 acpapcpc xxxxxx)( acpapcpc yyyyyy)( acpapcpc zzzzzz)( 式中： 、： c點的井斜角和方位角； c c 、：a、c兩點間的北坐標、東坐標和垂深坐標增量。 ac x a

36、c y ac z (xa,ya,za)和(xp,yp,zp)可由測斜計算求得，而、和 c c ac x ac y 可由（3-21）（3-25）式確定。 ac z 在（3-28）式中，各參數都是 lc的函數，可用如下方法求解。 令 cpcccpcccpc zyxfcossinsincossin 選擇弦截法求得lc。 ab abba c ff flfl l 不斷求得一系列的lc，直到所求得的 lc滿足等式(3-28)為止。 c點坐標參數的確定 lc確定后，就可代入測斜計算方法中，通過（3-21）（3-25）式求得 、和，從而算出c點坐標參數。 ac x ac y ac z acac xxx aca

37、c yyy acac zzz 最小距離min的確定 由空間兩點間的距離公式，得 （3- 222 minpcpcpc zyx 29） 3.2.4 水平距離計算 圖 3-3 水平距離測試圖 如圖 3-3 所示，過基準軌道上任一點p作一水平面，交比較軌道于c點，則 有 （3- pc zz 30） p、c兩點間的距離即為水平距離。經比較容易得到比較軌道上相鄰兩點 a、b，使其滿足： （3-0)()( pbpa zzzz 31） 這樣，便找到了c點所在的井段。當=或=時，a點或b點就是所 a p z b z p z 求的c點。c點的垂深坐標可表示為： （3- acac zzz 32） 由（3-30）式得

38、出： （3- apac zzz 33） 由于a、b、p點處的軌道參數是已知的，所以可將（3-25）式和（3-33）式 聯立，從而確定出c點的坐標參數。 于是，水平距離可用下式計算 （3- 22 pcpchor yx 34） 3.2.5 井眼軌道間相對位置的方向角計算 描述井眼軌道間的相互關系，僅有最近距離、法面距離和水平距離是不夠的， 還要有表示它們相對位置的方向角20。 最近距離方向角 在描述井眼軌道間的最近距離時，可以用傾斜角和傾斜方向角來表示 它們之間的相對位置。 （3- 22 pcpc pc yx z tg 35） （3- pc pc p x y tg )( 36） 如圖 3-2 所示

39、。它們的物理意義是：當站在p點看c點時，c 點位于 p 點方 位線右側角度的方向上，其仰角為 。若結合最近距離，則c點被唯一確定。 水平距離方向角 由于水平距離是在水平面內表述的，顯然用水平距離方向線與正北方向的夾 角來描述水平距離的方向角比較方便。在某種意義上，它類似于井眼軌道的 方位角。如圖 3-3 所示。 于是，有 （3- pc pc x y tg 37） 井眼軌道防碰判斷 井眼軌道防碰判斷方法很多，直接判斷法簡單、方便，適合現場側斜施工人 員的需要。直接判斷法是在計算出測點與比較軌道的最短距離后，根據現場施工 人員的經驗確定各井段安全距離作出防碰判斷的一種方法。 第 4 章 側斜井井眼

40、軌跡預測及控制方法 4.1 側斜井井眼軌跡預測 在側斜修井過程中，井眼軌道預測是一項重要技術。在實際計算中，可以把 井眼預測問題轉化為一些數學模型，通過數學模型中的假設和推導進行軌道預測。 而預測的基本實現思想就是利用已有資料推算出設計點或將鉆至點的井斜角預測 值和方位角預測值，由測斜計算方法求出預測的參數，計算出最小距離、法 面距離、平面距離來表達井眼軌道間關系，進而達到防碰預測的目的。 根據預測模型中預測點和最下測點之間距離的大小，可以把預測大致分為短 測段預測和長測段預測21。對于短距離的情況，可采用短距離預測，而對于較長 距離的情況就采用長測段預測。 影響井眼軌道的因素。 影響井眼軌道

41、的因素是一個多元的復雜系統。研究表明井眼軌道的形成與下 列因素有關： a.下部鉆具組合 b.鉆進技術 c.地層因素 d.井眼幾何參數 e.動態因素 盡管影響井眼軌跡的因素很多，而且有些因素難以把握，但是對于給定的鉆 具組合和鉆進參數，由于在一定的井段范圍內地層巖石的性質一般變化不大，所 以井眼軌道往往呈現特定的變化規律，這一點對于長測段預測是十分重要的條件。 井眼軌道數學模型的選擇 由于井眼軌道往往呈現特定的變化規律，所以在研究井眼軌道時，可以根據 這一變化規律提出假設，建立數學模型，比較準確、方便的是曲率補償模型。即 采用這種模型對短測段進行預測。 曲率補償預測模型 曲率補償預測模型是建立在

42、定曲率模型基礎上，并利用最后兩個測段的曲率 變化進行修正的一種模型。 根據定曲率預測模型，采用曲率半徑法，假設垂直剖面圖上的曲率和水 h k 平投影圖上的曲率均為常數。于是 a k 12 12 1212 ll kkh 23 23 1223 ll kkh 12 21 12 12 12 12 coscos ha k ss k 23 12 23 23 23 23 coscos ha k ss k 而 )( 231223 llkh )cos(cos)( 32 12 12 2231223 h a a k k ssk 因此 （4-)( 12 12 23 23 ll ll 1） （4-)( coscos c

43、oscos 12 21 32 23 2） 而最后測點處的井斜角和方位角是已知的，從而可得最后測點處井斜角和方 位角的實測值與預測值的偏差為： )()( 23122333 llka )( coscos coscos )( 12 21 32 2333 井斜變化率的偏差和方位變化率的偏差分別為： 23 33 ll k 23 33 ss kk 預測段估計的井斜變化率和 曲率 ka的估計值應為： kkk 23 aaa kkk 23 因此,有 （4-)( 33 llk 3） （4- ) cos(cos )( 3333 k k ssk a a 4） （4-4）式可整理為： （4- 32 2 23 23 33

44、 coscos coscos )( llk 5） 其中 （4- 12 32 23 23 )(2 llll k 6） （4-)( coscos coscos )(2 12 21 32 23 7） 如果在給定的井段內，僅有兩個測點則曲率補償預測模型就退化為定曲率預 測模型。待出現第三個測點后，便可以實現誤差補償的連續預測。 4.2 側斜井井眼軌跡控制方法 4.2.1 地層巖石特性分析 地層巖石特性是影響鉆井效率的重要因素。特別是在側斜鉆井中，在井底鉆 頭所受的力一定情況下，地層巖石各向異性是影響井眼軌跡控制的主要因素。鉆 頭在地層中鉆進時，鉆遇不同的地層或同一地層的不同方向，即使鉆井參數和措 施相

45、同，井眼軌跡也不完全相同。 假設鉆頭的各方向切削能力相同，即各向同性鉆頭，所鉆地層為橫觀各向同 性，因此，巖石各向異性系數為： （4- 1 2 d d ir 8） 式中： d2：平行于地層層面方向上的巖石可鉆性； d1：垂直地層層面方向上的巖石可鉆性。 為了推導鉆速方程的方便，區別于魯賓斯基定義的各向異性指數（h） 。它的 關系如下： （4-hir1 9） 根據鉆井過程中力與位移的關系，巖石可鉆性相當于在某一方面上的鉆進效 率，因此有： （4- 2 2 2 f r d 10） （4-11） 1 1 1 f r d 式中： r2，r1：分別為地層的層面方向和垂直地層層面方向上的鉆速； f2，f1

46、：分別為平行地層層面和垂直地層層面方面的作用力。 ir的定義域及其鉆井特征如下討論： ir=0：地層只能沿垂直層面鉆進； ir1：地層沿下傾方向鉆進； ir：地層只能沿層面鉆進。 地層各向異性系數 ir，既可由室內實驗測定，也可由井史資料反求。由于實 驗條件和設備等因素的限制，使得室內測定的結果很難用于實際鉆井中，但它有 助于理論研究。用井史資料反求 ir，比較容易實現，也比較符合井下的實際條件， 但其結果的準確性取決于所用模式和井史資料的可靠程度。 4.2.2 鉆頭與地層相互作用分析 在實際鉆井中，利用鉆柱力學三維分析，求出鉆頭的受力和鉆頭的偏轉角。 即在一定的鉆柱組合和鉆進參數，鉆頭的鉆進

47、方向，將取決于鉆頭與地層相互作 用的結果。考慮到地層和鉆頭都具有各向異性的情況，則鉆頭的前進方向將與鉆 頭所受的合力、鉆頭指向及地層傾角、傾向等因素有關。根據鉆頭各向異性和巖 石各向異性的定義，按照正交坐標系之間的轉換關系，考慮鉆井過程中力與位移 的關系，可以建立側斜井眼軌跡控制的三維鉆速方程如下： （4-12） fbdidibkr tt rb 式中： z y x r r r r rx，ry，rz：分別為井眼軸線坐標系下的鉆速分量； z y x f f f f fx，fy，fz：分別為井眼軸線坐標系下的鉆頭力分量； k：地層綜合可鉆性系數； b bb i ii 00 00 001 r rr i

48、 ii 00 00 001 333231 232221 131211 ddd ddd ddd d cossincossinsin sincoscoscossin 0sincos b ，：分別為鉆頭偏轉角和偏轉角在 yoz 面上的投影分量。 根據以上公式，分別考慮井斜方向和方位方向的平衡關系，通過推導和簡化， 可以得到井斜和方位兩個方向上的地層力計算模型，我們分別稱為地層變井斜力 和地層變方位力。表示如下： 地層變井斜力 （4-13） pkp iai ggi f rr r f 1 1 3111 地層變方位力 （4-14） pkp iai ggi f rr r f 1 1 2111 式中： p：鉆

49、壓； ：與地層參數、井眼軌跡參數有關的系數； ：地層造斜系數和方位漂移系數。 kk , cossinsincoscos 11 g sinsin 21 g cossincossincos 31 g 為井斜角，為地層傾角， 為方位角， 為地層上傾方位角點。 。 地層變井斜力和地層變方位力的矢量合成就是地層力 ff： （4-15） 22 fff fff 地層變井斜力和地層變方位力是影響側斜井井眼軌跡控制的主要因素。當鉆 具結構一定，鉆頭各向同性切削的條件下，側斜井井眼軌跡的方向就取決于地層 變井斜力和地層變方位力。 4.2.3 側斜井井眼軌跡控制 以上建立的地層變井斜力和地層變方位力是分析地層對井眼

50、軌跡影響的基礎， 一般情況下，地層變井斜力越大，地層對井斜的影響越大，當地層變井斜力為零 時，地層對井斜的作用消失；同樣，地層變方位力越大，地層對方位的影響越大， 當地層變方位力為零時，地層對方位的作用消失。因此，下面分別分析不同井眼 情況和地層各向異性對他們的影響。 井眼相對位置（r）對地層變井斜力和地層變方位力的影響 由以上公式可以看出，若其它參數不變，地層變方位力和地層變井斜力主要 與井眼方位線和地層上傾方位線的夾角r有關。地層變井斜力和地層變方位力隨 r呈曲線分布。ff近似于正弦變化，而ff近似于余弦變化。下面分析幾種特殊 情況。 當時，說明當前井眼方向和地層上傾方向相同，地層變方位力

51、消失，0r 而地層變井斜力取得最大值。這時地層力表現為全力變井斜，對方位沒有影響。 實際上這時三維問題已退化為二維問題。 當時，可近似地認為ff=0。因此，當前井眼方位大于地層上傾方位， 2 r 且二者相差 90時，地層變井斜力很小，而地層變方位力取得最大值。這時地層 力表現為全力變方位。 當時，這時井眼方向正好背離地層上傾方向，使得地層變斜力取得最r 小值，而地層變方位力消失。這時地層力的作用使井斜減小。 當時，這時地層力的作用只改變井眼方位，并使其增加。 2 3 r 巖石各向異性系數對地層力的影響 當 ir在（0，1）變化時，隨著ir的 增大，ff下降，直至為零；當ir在（1，）時，隨著i

52、r的增加，ff略為增大， 并且地層力的作用方向有所改變。另外ir在（0，1）內變化時，ff下降得較快。 這說明隨著地層各向異性程度加強，它對地層力的影響程度也加強。同時還可看 出，隨著鉆壓p的增大，曲線變化率增加，說明ir對ff的影響加強。由此得出 地層各向異性對地層的影響隨著各向異性程度的加強而增加。 當地層變井斜力和地層變方位力的計算模型確定后，我們可以根據鉆井力學 平衡關系，分別確定井斜平面和方位平面內的合力為： 井斜平面內： ffi 方位平面內： ffi 以上的合力模型就是側斜井井眼軌跡控制的模型。側斜井井眼軌跡控制的方 法就是通過計算和調整鉆進時的井斜和方位兩個方向上的合側向力，根據

53、需要調 整井眼軌跡。當f大于零時，井斜增加，當f小于零時，井斜減小；同理，當 f大于零時，方位增加，當f小于零時，方位減小。因此，在實際鉆井施工中， 既可以通過側向力的大小來預測井眼軌跡，也可以根據井眼軌跡的變化需要，調 整側向力的大小，從而達到側斜井井眼軌跡控制的目的。 第 5 章 側斜井現場試驗配套技術研究 5.1 鉆頭類型的優選 根據長垣地區的地質構造，上部地層多為較軟的泥巖，可鉆性較好，應用刮 刀鉆頭進行側斜時由于螺桿工作條件的限制，傳遞的扭矩有限，對螺桿和設備的 損害較大，應用 pdc 鉆頭容易產生泥包，使鉆進速度變慢，因此，選用銑齒的 215p2 牙輪鉆頭較為合適，在側斜后的穩斜段

54、和降斜段鉆進時，由于下部地層 變為中軟和中硬泥巖和砂巖地層，較適合 pdc 鉆頭，機械鉆速快，且由于 pdc 鉆 頭的自銳性、與地層的接觸面積及其特有的降斜作用，從而可實現穩斜和降斜的 要求。所以，上部地層側斜時選用 215p2 牙輪鉆頭，穩斜和降斜段選用 pdc 鉆 頭。 5.2 鉆具組合設計 鉆具組合設計是保證側斜井順利施工的關鍵，根據側斜井的鉆進特點，應用 鉆柱力學分析程序進行了鉆具結構分析，得出鉆具結構如下： 側斜段： 215 牙輪（p2）鉆頭+165 螺桿1 根+1.750彎接頭+159 無磁鉆鋌1 根+159 鉆鋌3 根+127 鉆桿 穩、降斜段： 200pdc 鉆頭+159 無磁

55、鉆鋌1 根+159 鉆鋌1 根+198 螺扶+159 鉆鋌1 根+198 螺扶+159 鉆鋌9 根+127 鉆桿 5.3 側斜井實鉆軌道監控 在完成側斜井的井身剖面設計后，可以根據不同軌道類型結合所要求的施工 工藝技術，選擇合適的鉆井參數和工藝，進行實際施工作業。 直井段 首先進行取套作業，取套深度一般為 300m-450m，取出套管以后修整井壁。 然后進行打水泥塞作業。水泥塞長度不低于 50m，侯凝后鉆掉混漿段至致密水泥 塞井段。目前一部分側斜井使用了新研制的 210mm 裸眼斜向器（如圖 5-1）代 替水泥塞，但使用條件是必須在井眼條件好無坍塌井段，井徑規則，井眼直徑在 230mm260m

56、m 之間，且在穩定致密的泥巖段。首先把裸眼斜向器下入到套管頂部， 定向后鎖定轉盤，開泵矛定和丟手完成斜向器的座封，然后定向側斜。裸眼斜向 器的優點是不需要打水泥塞，工序銜接緊密，每口井可節約水泥候凝時間 1-1.5 天，取得了很好的效果，今年預計推廣 50 口井。 裸眼斜向器的主要使用步驟是： a.下斜向器到預定深度，鉆具結構為：斜向器+無磁鉆鋌+127 鉆桿； b.下測斜儀測量工具面裝置角； c.根據設計方位調整裝置角； d.用大泵蹩壓，當泵壓升到 3mpa 時，錨定體上的錨錨定在井壁上，當泵壓 升到 8mpa 時，丟手與斜面脫離，斜面留在井底； e.下鐘擺鉆具至工作面位置，鉆頭在工作面導向

57、作用下沿工作面方向側斜。 圖 51 裸眼斜向器內部結構圖 側斜段 下入鉆具組合如下： 215mm 牙輪+165mm 螺桿+1.750彎接頭+159mm 無磁鉆鋌+159mm 鉆鋌 3+127mm 鉆桿 鉆具下井后，循環調整修井液性能，使粘度保持在 3545 秒，同時連接隨 鉆側斜儀器進行井眼定向和監測，依據設計側斜方位，轉動轉盤，根據儀器顯示 數據調整井下工具面位置，進行側斜鉆進。同時結合井眼軌跡控制方法研究結論， 考慮本井的地層傾角和傾向進行方位提前角的預留（一般20 度） ，即方位預計 右漂移，實鉆方位要小于設計方位 20 度，方位預計左漂移實鉆方位要大于設計 方位 20 度。然后鎖定轉盤

58、，開泵鉆進。鉆進參數為： 排量：首先考慮到螺桿承受最大排量的限制，限定排量 28-30l/s。 鉆壓：進行側斜時考慮要在井壁上形成新臺階，鉆壓不宜過大，控制在 5- 10kn。鉆進 10 米后，調整到 10-30kn，鉆進 20 米后，鉆壓調整到 30-50kn，這 時，隨鉆監測系統可以監測到約 6 米的新井眼，觀察井斜變化范圍，繼續鉆進 30 米時，如井斜顯示 1.8-2.0 度（此時井底已接近 2.8 度） ，鉆速均勻，修井液無 鈣浸，返出的巖屑 50%以上為新井眼巖屑，經計算這時新老井眼的內側距離約為 0.6 米，表明已側出原井眼完成側斜段施工。 穩、降斜段采用 pdc 鉆頭與雙鐘擺鉆具

59、組合，其鉆具組合為：200pdc 鉆頭 +159 無磁鉆鋌1 根+159 鉆鋌1 根+198 螺扶+159 鉆鋌1 根+198 螺扶+159 鉆鋌9 根+127 鉆桿 由于在實際施工時新老井眼相距較近，為防止新老井眼相碰，必須進行穩斜 鉆進，經實踐在穩、降斜段采用同一種鉆具組合通過調整鉆井參數可實現雙重作 用。 穩斜段 由于鐘擺鉆具具有降斜作用，特別是在大鉆壓下由于鐘擺力隨著鉆壓的增大 而增大，隨著鉆壓的減小而減小，所以，當鉆壓在 50kn 時，螺扶下部鉆具會產 生一次彎曲，產生微增斜效果，由于 pdc 鉆頭本身具有降斜作用，二者相疊加從 而實現了穩斜作用。鉆進參數：鉆壓： 50kn 轉盤轉速

60、：檔 排量：30- 32l/s ，穩斜 50 米，可進行降斜。 降斜段 穩斜段鉆進施工后，如要保持井斜角不變就會使井底水平位移超標造成脫靶， 所以必須進行降斜，利用原 pdc 鉆頭與雙鐘擺鉆具組合，調整鉆進參數，鐘擺力 在一定鉆壓下加大，使井斜降低達到降斜作用，實現一種鉆具組合完成穩斜和降 斜的雙重效果，減少了一次起下鉆換鉆具操作，縮短了修井周期。 鉆進參數：鉆壓：80-100kn；轉盤轉速：檔；排量：30l/s。 在降斜過程中要用電子單點側斜儀器及時進行井眼軌跡的測量，利用側斜井 計算機軟件進行軌道預測，發現方位產生漂移要及時調整參數，當方位偏大時要 把轉盤轉速降低到檔鉆進，如方位偏小時把轉