1、第一章 定向井（水平井）鉆井技術概述第一節 定向井、水平井的基本概念1 定向井叢式井發展簡史定向井鉆井被（英）T A英格利期定義為：“使井筒按特定方向偏斜，鉆遇地下預定目標的一門科學和藝術。”我國學者則定義為，定向井是按照預先設計的井斜角、方位角和井眼軸線形狀進行鉆進的井。定向井相對與直井而言它具有井斜方位角度而直井是井斜角為零的井,雖然實際所鉆的直井它都有一定斜度但它仍然是直井.定向井首先是從美國發展起來的,在十九世紀后期，美國的旋轉鉆井代替了頓鉆鉆井。當時沒有考慮控制井身軌跡的問題，認為鉆出來的井必定是鉛垂的，但通過后來的井筒測試發現，那些垂直井遠非是垂直的。并由于井斜原因造成了侵犯別人租

2、界而造成被起訴的案例。最早采用定向井鉆井技術是在井下落物無法處理后的側鉆。早在1895年美國就使用了特殊的工具和技術達到了這一目的.有記錄定向井實例是美國在二十世紀三十年代初在加利福尼亞享廷灘油田鉆成的。第一口救援井是1934年在東德克薩斯康羅油田鉆成的。救援井是指定向井與失控井具有一定距離，在設計和實際鉆進讓救援井和失控井井眼相交，然后自救援井內注入重泥漿壓死失控井。目前最深的定向井由BP勘探公司鉆成，井深達10，654米；水平位移最大的定向井是BP勘探公司于己于1997年在英國北海的Rytch Farm 油田鉆成的M11井，水平位移高達1，0114米.垂深水平位移比最高的是Statoil

3、公司鉆成的的33/9C2達到了1：3.14；叢式井口數最多，海上平臺：96口；人工島：170口；我國定向井鉆井技術發展情況我國定向井鉆井技術的發展可以分為三個階段，50-60年代開始起步，首先在玉門和四川油田鉆成定向井及水平井:玉門油田的C215井和磨三井，其中磨三井總井深1685米,垂直井深表遺憾350米，水平位移444.2米,最大井斜92°，水平段長160米；70年代擴大實驗，推廣定向井鉆井技術;80年代通過進行集團化聯合技術攻關，使得我國從定向井軟件到定向井硬件都有了一個大的發展。我國目前最深的水平井是勝利定向井公司完成的JF128井，井深達到7000米，垂深位移比最大的大位移

4、井是勝利定向井公司完成的郭斜 井，水平位移最大的大位移井是大港定向井公司完成的 井,水平位移達到2666米，最大的叢式井組是勝利石油管理局的河50叢式井組，該叢式井組長384米，寬115米，該叢式井平臺共有鉆定向井42口.2 定向井的分類 按定向井的用途分類可以分為以下幾種類型： 普通定向井 多目標定向井 定向井 叢式定向井 救援定向井 水平井 多分枝井（多底井) 國外定向井發展簡況 (表 一） 年代內容 50 年 代 60 年 代 70 年 代 80 年 代90 年 代剖面設計及跡計算方法誤差很大的正切法,進行定向井設計軌跡計算18種二維計算方法,如更精確的曲率半徑法發展到三維設計和大組叢式

5、井整體設計計算機專家系統進行定向井的設計和指導定向井施工發展了大型集成設計軟件包井斜控制理論斜直井段的二維分析考慮了井眼的曲率及滿眼組合的特性三維數據分析,由靜態發展到動態發展了多種分析計算方法并編制了計算機程序在原來多種分析的基礎上引入了數學及其它邊沿學科定向造斜工藝渦輪加彎接頭斜向器配合轉盤鉆使用效率更高的螺桿動力鉆具，專用工具的定型配套渦輪、螺桿動力鉆具向低速大扭矩發展。各種專用井下工具系列化發展了復合式動力鉆具，導向鉆井系統，長壽命PDC鉆頭等發展成熟多分枝井回接工藝地質導向鉆井系統測量方式氫氟酸玻璃管刻線法和地面定向法機械式羅盤，精度較高的單多點照相測斜儀有線隨鉆測斜儀投入工業性使用

6、，無線隨鉆測斜儀研制成功多種無線隨鉆測斜系統投入工業使用和發展了電子測量系統和陀螺測量系統發展成熟帶地質參數的無線隨鉆測斜儀定向井鉆井水平精度要求不高中深定向井可打準確度較高的定向井和小組定向井可打準確度較高的定向救援井和大組叢式井鉆成大量水平井從大半徑水平井到小半徑水平井多底泄油井鉆成位移過萬米的大位移井徑向水平井可在0.3米之內完成增斜過程 我國定向井鉆井技術發展情況 (表二） 年代內容 60年代 80 年 代 90 年 代剖面設計及軌跡計算方法設計采用查表法、圖解法等精度不高的方法發展了曲率半徑法,最小曲率半徑法等多種更為精確的軌跡計算和設計方法，編制了能進行軌跡預測和防碰掃描的計算機軟

7、件包。引入人工智能和專家系統井斜控制理論進行了鉆具的二維靜態分析主要使用有限元法發展了多種新的分析計算方法,例如：平衡梁法、加權余量法等，并編制了計算機分析程序理論分析模型由靜態態發展到動態，由二維發展到三維定向造斜工藝使用地面定向法（鉆桿打鋼印）。數據測量使用電測井數據。使用精度高的磁性單多點測斜儀進行定向和軌跡數據測量,發展了有線隨鉆測斜儀定向.發展了導向鉆井系統初步研制出徑向水平井造斜工藝測量方式氫氟酸測斜儀,機械式羅盤的電測井方法。多種引進的有線隨鉆測斜系統投入工業使用和發展了電子測量系統及陀螺測量系統發展了無線隨鉆測斜系統，引進了帶地質參數的MWD系統定向井鉆井水平簡單的單口定向井、

8、水平井位移小，精度低鉆成大量高難度定向井、大組叢式井、多目標井、套管定向開窗井、水平井也從大半徑水平井發展到了中半徑水平井在水平井方面取得大型突破，鉆成了長、中、短半徑水平井第二節 水平井鉆井技術簡介所謂水平井，是指一種井斜角大于或等于86°,并保持這種角度鉆完一定長度水平段的定向井.1 水平井鉆井技術發展概況1863年，瑞士工程師首先提出鉆水平井的建議；1870年,俄國工程師在勃良斯克市鉆成井斜角達60°的井； 瑞典和美國研制出測量井眼空間位置的儀器，1888年俄國也設計出了測斜儀器；1929年，美國國加利福尼亞州鉆成了幾米長的水平分支井筒；30年代,美國開始用撓性鉆具組

9、合在垂直井內鉆曲率半徑小的水平井分支井眼；1954年蘇聯鉆成第一口水平位移；1964年-1965年我國鉆成兩口水平井，磨3井、巴24井；自來80年代以來，隨著先進的測量儀器、長壽命馬達和新型PDC鉆頭等技術的發展，水平井鉆井大規模高速度的發展起來。 我國水平井鉆井在90年代以來也取得了很大發展，勝利油田已完成各種類型水平井百余口，水平井鉆井水平和速度不斷提高。水平井的類型及各種類型水平井的特點1）水平井的類型：根據水平井曲率半徑的大小分為:長曲率半徑水平井（小曲率水平井);中曲率半徑水平井（中曲率水平井）；短曲率半徑水平井（大曲率水平井）。 2）不同曲率水平井的基本特征及優缺點 (1)不同曲率

10、水平井的基本特征表 井型 項目 長半徑水平井 中半徑水平井 短半徑水平井 造斜率 6°/30米6°20°/30米150°-300°/30米 曲率半徑304-914米29187米126米 井眼尺寸無限制12 1/44 3/46 1/44 3/4 鉆井方式轉盤鉆或導向鉆井系統造斜段:特種馬達或導向鉆井系統水平段:轉盤鉆井或導向鉆井系統以使用特種工具的轉盤鉆進為主，目前也使用特種馬達方式 鉆 桿常規鉆桿15°/100米使用抗壓鉆桿鉸接驅動鉆桿 測量工具無限制有線隨鉆測斜儀，MWD，但井眼6 1/8時不能使用轉盤鉆井時使用多點測斜儀馬達鉆井時

11、使用有線隨鉆測斜儀 地面設備常規鉆機常規鉆機需要配備頂部驅動系統或動力水龍頭 完井方式無限制無限制裸眼或割縫管 (2）長曲率半徑水平井的優缺點 優 點 缺 點1 穿透油層段最長（可以>1000米) 1井眼軌道控制段最長2 使用標準的鉆具及套管 全井斜深增加最多3 “狗腿嚴重度”最小 鉆井費用增加4 使用常規鉆井設備 各種下部鉆具組合較長5 可使用多種完井方法 不適合薄油層和淺油層6 可采用多種舉升采油工藝 轉盤扭矩較大7 測井及取芯方便 套管用量最大8 井眼及工具尺寸不受限制 穿過油層長度與總水平位移比最小（)中曲率半徑水平井的優缺點 優 點 缺 點1 進入油層時無效井段較短 1要求使用

12、MWD測量系統2 使用的井下工具接近常規工具 要求使用加重鉆桿或抗壓縮鉆桿3 使用動力鉆具或導向鉆井系統 4 離構造控制點較近5 可使用常規的套購及完井方法6 井下扭矩及阻力較小7 較高及較穩定的造率8 井眼軌跡控制井段較短9 穿透油層段較長（1000米）10 井眼尺寸不受限制11 可以測井及取芯12 從一口直井可以鉆多口水平分枝井13 可實現有選擇的完井方案（4）短曲率半徑水平井的優缺點 優 點 缺 點1 井眼曲線段最短 1非常規的井下工具2 側鉆容易 非常規的完井方法3 能夠準確擊中油層目標 穿透油層段短（120180米)4 從一口直井可以鉆多口水平分枝井 井眼尺寸受到限制5 直井段與油層

13、距離最小 起下鉆次數多6 可用于淺油層 要求使用頂部驅動系或動力水龍頭7 全井斜深最小 井眼方位控制受到限制8 不受地表條件的影響 目前還不能進行電測第三節 定向井的基本術語解釋1） 井深:指井口（轉盤面）至測點的井 眼實際長度，人們常稱為斜深。國外 稱為測量深度（Measure Depth）。 2）測深：測點的井深，是以測量裝置 （Angle Unit)的中點所在井深為準。 真北極3)井斜角：該測點處的井眼方向線與重 力線之間的夾角（見圖1。2）。井斜 真北方位線 角常以希臘字母表示，單位為度。 4)井斜方位角：是指以正北方位線為始 東磁偏角 邊，順時針旋轉至井斜方位線所轉過 的角度（見圖1

14、.3)。井斜方位角常 以希臘字母表示，單位為度。實際 西磁偏角 應用過程中常常簡稱為方位角。 A地 B地 圖1.1磁偏角示意圖 5）磁方位角：磁力測斜儀測得的井斜方位角是以地球磁北方位線為準的，稱磁方位角。 井口 A B正北方位線 A井斜方向線 井底B 井斜方位角B 重力線 B 井斜方位線 圖1.2 井斜角示意圖圖1.3 井斜方位角示意圖 6）磁偏角：磁北方位線與真北方位線并不重合，兩者之間有一個夾角，這個夾角稱為磁偏角。磁偏角又有東磁偏和西磁偏角之分，當磁北方位線在正北方位線以東時， 稱為東偏角；當磁北方位線在正北方位線以西時稱為西偏磁偏角。進行磁偏角校正時按以下公式計算： 真方位角磁方位角

15、東偏磁偏角 真方位角=磁方位角西偏磁偏角7）井斜變化率：是指井斜角隨井深變化的快慢程度,常以K表示，精確的講井斜變化率是井斜角度(）對井深(L）的一階導數。 d K dL井斜變化率的單位常以每100米度表示。8）井深方位變化率：實際應用中簡稱方位變化率，是指井斜方位角隨井深變化的快慢程 度，常用K表示.計算公式如下： d dL 井斜方位變化率的單位常以每100米度進行表示。9）全角變化率（狗腿嚴重或井眼曲率）：從井眼內的一個點到另一個點,井眼前進方向變化的角度（兩點處井眼前進方向線之間的夾角），該角度既反映了井斜角度的變化又反映了方位角度的變化，通常稱為全角變化值.兩點間的全角變化值相對與兩點

16、間井眼長度L變化的快慢及為全角變化率。用化式表達如下： L 實際鉆井中，井眼曲率的計算方法:目前計算井眼曲率的方法有很多。有公式法、查表法、圖解法、查圖法和尺算法五種。后四種辦法皆來源于公式法.計算井眼，曲率的公式計有三套：第一套公式:對于一個測點：KSQR（K2K2sin2) 對于一個測段：KSQR(L）2（L）2SIN2c） B c A 0 C a 圖1。4第一套公式的圖解法第一套公式的圖解法（參見圖1.4）： （1）作水平射線OA; （2）作BOAc（兩測點平均角）; （3）。 以一定長度代表單位角度，量OB（兩測點方位角差）； (4）自B點向OA作垂線，垂足為C點; (5）按步驟（3）

17、中的比例，量CA; （6）連接A、B，并量AB長度，按步驟(3)比例換算成角度，此角度及狗腿角。第二套公式：(由于誤差較大，現場使用少略）第三套公式：SQR(1222212COS) B a2 0 A a1 圖1。5第三套公式的圖解法第三套公式圖解法（參見圖1.5）： （1）選取一定比例，經一定長度代表單位角度，作線段OA，使其長度代表1； （2）作OB線段,使BOA； （3）按步驟（1)的比例,量OB2； （4）連接A、B,并量鄧AB的長度，按步驟（1)的比例換算成角度，既為10）垂深（垂直井深）:即某測點的垂直深度，以H表示。是指井身任意一點至轉盤面所在平面的距離。11）水平投影長度：是指自

18、井口至測點的井眼長度在水平面上的投影長度。以S表示。12）水平位移:簡稱平移,是指測點到井口垂線的距離。在國外又稱為閉合距( Closure Distance）.13）平移方位角:又稱為閉合方位角（Closure Azimuth），常用表示,是指以正北方位線為始邊順針方向轉至平移方位線上所轉過的角度。14）視平移：又稱為投影位移，井身上的某點在垂直投影面上的水平位移。在實際定向井鉆井過程中，這個投影面選在設計方位線上。所以視不移也可以定義為水平位移在設計線上的投影。15）高邊：在斜井段用一個垂直于井眼軸線的平面于井眼（這時的井眼不能理解為一條線,而是一個具有一定直徑的圓）相交，由于井眼是傾斜的

19、故井眼在該平面上有一個最高點,最高點與井眼圓心所形成的直線及為井眼的高邊。16）工具面:工具面就是造斜工具彎曲方向的平面。17)磁性工具面角：造斜工具彎曲的平面與正北方位所在平面的夾角。18）高邊工具面角：造斜工具彎曲方向的平面與井斜方位角所在平面的夾角。19)裝置角：造斜工具彎曲方向的平面與原井斜方向所在平面的來夾角,通常用表 示。20）反扭矩：在用井底動力鉆具鉆進時,都存在一個與鉆頭轉動方向相反的扭矩，該扭矩被稱為反扭矩。21)反扭角:使用井底動力鉆具鉆進時，都存在一個與鉆頭轉動方向相反的扭矩，由于該扭矩的作用，使得井底鉆具外殼向逆時針方向轉動一個角度，該角度被稱為反扭角.22） 貯層頂部

20、：水平井段控制油層的頂部23) 貯層頂部：水平井段控制油層的底部24) 設計入口角度：進入儲層頂部的井斜角度25) 著陸點：井眼軌跡中井斜角達到90°的點26) 入口窗口高度：入靶點垂直方向上下誤差之和27) 入口窗口寬度：入靶點水平方向左右誤差之和28) 出口窗口高度：出靶點垂直方向上下誤差之和29) 出口窗口寬度：出靶點水平方向左右誤差之和30) 著陸點允許水平偏差：著陸點允許水平方向前后的誤差31) 單彎動力鉆具：動力鉆具殼體上具有一個彎曲角度的動力鉆具，特點是造斜率較彎接頭組合高，鉆頭偏移較小32) 雙彎動力鉆具：同向雙彎，動力鉆具殼體上具有兩個彎曲方向相同的彎曲角度的動力鉆具,具有比單彎動力鉆具更高的造斜率33) DTU動力鉆具(異向雙彎）：動力鉆具殼體上具有兩個彎曲方向相反的彎曲角度的動力鉆具,鉆頭偏移最小，不僅可以導向鉆進，而且可以配合轉盤鉆進；附：常用單彎動力鉆具、雙彎動力鉆具、DTU(異向雙彎)造斜率表。第四節 定向井、水平井基本施工步驟簡介 1）定向井井位的確定 井位坐標要求：基本數