水平井技术图例 上井知识总结

一、石油工程基础知识

1.钻井工程常识：六大系统，各个岗位组成及分工，井场布置，工作环境，井场安全

2.油气井分类

3.定向井、水平井基础知识：基本概念（角差、工具面是重点），井身轨迹控制方法（轨

迹类型，定向工具：弯接头、螺杆、无磁钻铤、定向接头；定向造斜，复合钻进，地质导向，旋转导向）

二、定向测量仪器（北京海蓝MWD）

1.仪器的组成结构、功能作用及工作原理

2.仪器的安装、拆卸、初始化设置及调试等

3.仪器现场工作流程

三、现场工作

1. 建井程序

2. 定向测斜流程

3. 摆工具面

4. 井身轨迹设计与轨迹控制软件的使用方法

5. 井下钻具组合（BHA）设计

第一章石油工程基础知识

一．钻井工程基本常识

1.钻机六大系统：起升系统，旋转系统，循环系统，动力系统，传动系统，控制系统

2.岗位组成及分工：井队干部：队长，副队长，指导员，技术员，

井队员工：司钻，副司钻，内钳工，外钳工，井架工，机械工，电工，

司机，场地工（3-4人），泥浆工，

3.井场布置：井架，住井房，值班房，地质录井房，综合录井房，技术服务房，泥浆房，二．油气井分类

三 定向井、水平井基础知识 1. 基本概念：

靶区

α

造斜点

稳斜井段

水 平 位

垂 深

（1）井身轨迹：是指一口已钻成的井的实际井眼轴线形状。

（2）井深：指井口（通常以转盘面为基准）至测点的井眼长度，也有人称之为斜深，国外称为测量井深（Measurement Depth）；井深是以钻柱或电缆的长度来测量的。井深常以字母“Dp”表示，单位为米（m）。

（3）井斜角：（通常称井斜）是指过井眼轴线上某测点作井眼轴线

的切线，该切线向井眼前进方向延伸的部分称为井眼方向线，井眼

方向线与重力线之间的夹角就是井斜角。井斜英文缩写是Inc，单位

为度（°），其变化范围一般在0°—90°，但有时也有大于90°的

情况。

（4）井斜方位角：（通常称方位）某测点处的井眼方向线投影到水

平面上，称为井眼方位线，或井斜方位线；以正北方位线为始边，

顺时针方向旋转到井眼方位线上所转过的角度即井眼方位角。方位

英文缩写是Azi，单位为度（°），其变化范围在0°—360°。

（5）垂深：是指轨迹上某点至井口所在水平面的距离。

（6）北坐标、东坐标（N坐标、E坐标）：是指轨迹上某点在以井

口为原点的水平面坐标系里的坐标值，单位是米（m）。

（7）井底水平位移：井口与井底两点在水平投影面上的直线距离，如图示，S A、SB为A、B点的水平位移。

（8）井底闭合方位角：从正北方向顺时针转至井口与井底的水平投影的连线的夹角，如图示，。（9）视平移：（亦称投影位移）是指水平位移在设计方位线上的投影长度如图所示，V A、V B为A点、B点的视平移。

（10）井眼曲率：井眼轴线上从A点到B点，其切线转过的空间夹角成为井眼变化角，以γ表示。A到B井段长度为△L，则井眼曲率（常用K表示）可以用下式来表示：

K=γ/△L

表示单位长度井眼的井眼变化角。井眼曲率有两种表示方法，即全角变化率和狗腿度。 （11）全角变化率：涉及到两个概念，井斜变化率和方位变化率，是指单位长度井段的井斜和方位变化值；全角变化率是通过数学上微分几何原理，将其两者综合考虑推导出来的，计算公式是：

c

αφαγ222sin ∆+∆=

式中，γ表示全角变化率，α∆表示井斜变化率，φ∆表示方位变化率，c α表示测段平均井斜角，()2/B A c ααα+=。

（12）狗腿度：假设井眼轨迹为平面圆弧曲线，狗腿度计算公式是：

φααααγ∆+=cos sin sin cos cos cos B A B A

式中，A α、B α表示A 点、B 点井斜，φ∆表示A 、B 点方位差，φ∆=A B φφ-。

在实际工程中，狗腿度的单位是°/30m ，表示每30m 的井段，其全角变化值，一般范围在0—8°为安全值，超过8°井眼曲率就比较高，需要适当调整。

（13）磁偏角：在某一地区，以地理北极方向线为始边，以磁北极方向线为终边，顺时针转过的角度称为磁偏角。 （14）磁方位校正：用磁性测斜仪测得的方位角称为磁方位角，它是以磁北方位线为基准的。由于大地磁场随着地理位置和时间在不断变化，所以需要以地理真北方位线为基准进行校正，这种校正称为磁方位校正。换算的方法如下：

真方位角=磁方位角+东磁偏角 真方位角=磁方位角—西磁偏角

（15）造斜点KOP (kick off point ）：开始定向造斜的位置称为造斜点，通常以该点的井深来表示。下图是最简单的三段式定向井（即直—增—稳），K 点即为造斜点。

（16）造斜率：造斜工具的造斜能力，即该造斜工具所钻出的井段的井眼曲率。 （18）工具面：造斜工具（如螺杆或弯接头），其本身都有一个很小的弯角，弯角两边轴线所形成的平面即为工具面。

（18）工具面方向线：工具面与井底圆面所交直线，由圆心指向螺杆弯角方向的矢量线。

（17）井底高边方向线：定向井在井斜大于10°的时候，井底圆与水平面成一定倾角，由井底圆的圆心指向圆上最高点的矢量线称为高边方向线，如图所示。

（19）工具面角：（在现场简称工具面）分为磁力工具面和重力工具面两种。

①磁力工具面：在垂直井眼中，井底圆与水平面平行，因此没有高边方向线，以磁北方位线为基准，顺时针转到工具面方向线所转过的角度即为磁力工具面（因为测斜仪器是以磁北方向为基准，所以这里也以磁北方位代替正北方位）。这时的磁力工具面大小与井眼方位大小是相等的。

在现场工程施工中，井斜角小于10°的时候，工具面都以磁力工具面为准。定向施工时，工具面若对着井眼方位（及磁北工具面=0°）定进，则全力增斜。

如下图所示，工具面角在270°—90°，造斜工具可以增井斜， 90°—270°可以降井斜；

工具面角在0°—180°，造斜工具可以增方位，180°—360°可以降方位。

②重力工具面：以高边方向线现场工程施工中，在井斜角大于10°的时候，工具面以重力工具面为准。以高边方向线为基准，顺时针旋转到工具面方向线所转过的角度即为重力工具面角，如图所示。

在现场工程施工中，井斜角大于10°的时候，工具面都已重力工具面为准。定向施工时，工具面与井斜、方位关系同上。

（20）角差：螺杆弯角到定位接头键槽顺时针转过的角度，如下图所示：

量角差的过程是：先用粉笔沿螺杆弯角向上划一条垂直直线到定位键位置，然后用卷尺量出由螺杆弯角A到定位键B的距离AB，最后在量出定位接头周长C，则：

角差=AB/C×360

记住两个关键点：1.是从螺杆弯角到定位键，即弯到键；

2.是沿由上往下看顺时针方向，即右手到左手方向。

(21)反扭角：螺杆在定向钻进的时候，由于钻头和地层的摩擦阻力，工具面会向反方向转动一定角度。其大小与底层、钻压、螺杆本身及井深等因素有关。一般，钻压越大，反扭角越大，反之越小；地层越硬，反扭角越大，反之越小。

2.井身轨迹控制方法

（1）轨迹类型:常见的有三段式，五段式，双增式

（2）造斜工具：

造斜工具的发展过程：

旋转钻井方式

滑动钻井方式

斜向器

(Whipstock)弯接头+井底动力钻具射流钻头肘节工具

弯外壳螺杆钻具旋转导向造斜工具(第一代)30年代(第二代)40-60年代(第三代)70-90年代

(第四代)90年代末出现

1）斜向器：

2）弯接头：弯接头跟直螺杆配合，这种结构的造斜机理是：一方面使钻头倾斜，造成对井底的不

对称切削，从而改变井眼方向；另一方面井壁迫使弯曲部分伸直，使钻头受到钻柱的弹性力的作用，从而产生侧向切削，改变井眼方向。

3）弯螺杆：直接头跟弯螺杆配合，其造斜原理与弯接头+直螺杆造斜原理相同，但造斜能力更大。

在现场工程施工中，应用最普遍的还是直接头+弯螺杆，它造斜能力大，安全系数高，可以采用滑动螺杆定进和转盘+螺杆复合钻进，实现随钻测量（MWD）导向钻进。

滑动螺杆定进：是指在钻进过程中，转盘不转，靠螺杆（井下动力马达）带动钻头钻进，按照不同的工具面实现变井斜变方位的定向钻进。在此过程中，钻具不转动，只是沿着井壁向前滑动。

转盘+螺杆复合钻进：是指在钻进工程中，在螺杆带动钻头钻进的同时，开动转盘，让钻头在井底向四周均匀向前钻进，实现打直井眼稳斜的效果。在此过程中，钻具除了沿井壁向前滑动，还做旋转转动。

（3）螺杆：螺杆是将循环钻井液的动能转化为旋转钻头破碎岩石的

机械能的一种井下动力钻具。有直螺杆和弯螺杆之分，弯螺杆又包

括单弯螺杆和双弯螺杆。

1）组成：旁通阀总成、马达总成、万向轴总成以及传动轴总成。

2）工作原理：当高压液体进入钻具时，迫使转子在定子中转动

（定子和转子组成了马达），马达产生的扭矩和转速通过万向轴传

递到传动轴和钻头上，达到钻井的目的。

3）优点：增加了钻头扭矩和功率，提高了进尺率；减少了钻杆

和套管的磨损和损坏；可准确地进行定向、造斜、纠偏。

第二章定向测量仪器（MWD）

一仪器的组成结构、功能作用及工作原理

二仪器的安装、拆卸、初始化设置及调试等

三仪器现场工作流程

一个单根打完停转盘后上提钻具1-2m停泵一分钟开泵等待序列6，测值测斜完毕，停泵接单根接完单根后下放钻具离井底1-2m开泵等定向上钻台摆工具面下放钻具到井底定进

第三章现场工作

一建井程序

一口井的建井过程从确定井位到最后试油投产，要完成许多作业。按其顺序可分为三个阶段，即：钻前准备、钻进和完井，而每个阶段又包括许多具体工艺作业。

1.钻前准备

在确定井位、完成井的设计后，钻前工程是钻井施工中的第一道工序，它主

要包括：

(1)修公路：修建通往井场的运输用公路，以便运送钻井设备及器材等；

(2)井场及设备基础准备：根据井的深浅、设备的类型及设计要求来平整场地，进行设备基础施工(包括钻机、井架、钻井泵等的基础)。

(3)钻井设备搬运及安装：包括设备就位、找正、调整、固定，钻井循环管线和油、气、水、保温管线及罐、保温锅炉的安装等；

(4)井口设备准备：包括挖圆井、下导管并封固、钻鼠洞及小鼠洞等。

2. 钻进

钻进是以一定压力作用在钻头上，并带动钻头旋转使之破碎井底地层岩石的过程。井底岩石被破碎后所产生的岩屑通过循环钻井液被携带到地面上来，这一过程称为洗井。加在钻头上的压力是利用部分钻柱以及钻铤的重力来完成的；钻头的旋转是由转盘或顶驱动力水龙头带动钻柱及钻头旋转来实现的，在使用井下动力钻具时，钻柱不旋转，只有螺杆带动钻头旋转。在钻进过程中，只要钻具在井内，就应不断循环钻井液以免造成井下事故。

在钻进中，钻头不断破碎岩石，井眼逐渐加深，则钻柱也需要接长，因而需要不断加接钻杆，这一过程叫做接单根。

由于钻头在井底破碎岩石，钻头会逐渐磨损，机械钻速下降。当磨损到一定程度则需要更换新钻头，为此，需将全部钻柱从井内起出，这一过程叫做起钻。更换新钻头后，再将新钻头及全部钻柱下入井内，这一过程叫做下钻。整个过程简称起下钻。有时为了处理事故、测井等，也需进行起下钻作业。

在钻井过程中，井眼不断加深，所形成井眼的井壁应当稳定，不发生复杂情况以保证继续钻进。在钻进中要钻穿各种地层，而各地层的特点不同，其岩石强度有高有低，有的地层含高压水、油、气等流体，有的含有盐、石膏、芒硝等成分，这些对钻井液都有不良影响，强度低的地层会发生坍塌，或被密度大的钻井液压裂等复杂情况，妨碍继续钻进。这种情况就需要下入套管并注入水泥予以封固，然后用较小的钻头继续钻出新的井段。每改变一次钻头尺寸(井眼尺寸)，开始钻开新的井段，这一工艺叫开钻。一般情况下，一口井的钻进过程中应有几次开钻，井深和地层情况不同，则开钻次数也不同，其基本工艺过程有：

第一次开钻(一开)：从地面钻出较大井眼，到一定设计深度后下表层套管；

第二次开钻(二开)：从表层套管内用较小一些的钻头继续钻进，若地层不复杂，则可直接钻到目的层后下油层套管完井，如果地层复杂，很难用钻井液控制时，则要下技术套管，用以分隔复杂地层；

第三次开钻(三开)：从技术套管内再用小一点的钻头往下钻进。根据情况，或可一直钻达预定井深，或再下第二层、第三层技术套管，再进行第四次、第五次开钻，直到最后钻到目的地层深度，下油层套管，进行固井、完井作业。

3. 固井和完井

固井是在已钻成的井眼内下入套管，然后在套管与井壁之间的环形空间内注入水泥浆，在套管的下段部分或全部环空，将套管和地层固结在一起的工艺过程。它可以防止复杂情况以保证安全继续钻进下一段井眼(对表层套管及技术套管)或保证顺利开采生产层中的油、气(对油层套管)。套管柱的上部在地面用套管头予以固定。

完井工程包括钻开生产层，确定油气层和井眼的连通方式(即完井井底结构)，确定完井的井口装

置及有关技术措施。完井的井底结构可分为四类，即：封闭式井底、敞开式井底、混合式井底和防砂完井等，它们分别适应不同的油气层条件。完井作业还包括下油管、装油管头和采油树，然后进行替喷、诱导油流使油气进入井眼，进而便可进行采油生产。

另外在整个油井的建井过程中还须进行录井(地质录井、气测录井及综合录井)、电测等工作，必要时要取心，探井在钻到油层时要进行钻杆测试工作。

二定向作业流程

打定向井或水平井，钻进到造斜点(KOP)之前，会提前通知技服，我们单位也好提前将随钻板房搬到井场。随钻小队接到通知后，到项目部领取板房钥匙以及上井资料，然后乘坐项目部报好的仪器车带着自己行李到仪器研修中心领取仪器。一般情况一口井都要领双配仪器(除非仪器紧缺不够)，队长对照仪器收发单点好各仪器，做到不缺不落。领好仪器后乘车赶往井场。到达井场后，队长先跟井队负责人（队长、指导员或技术员）打声招呼，告知其随钻小队已经到井，并向其领取钻井工程设计书及复测单。然后收拾板房，将仪器摆放到仪器间，准备开始工作。包括以下几项内容：

1. 架线，接司显

观察现场随钻板房与钻台的位置关系，根据现场实际情况，在保证安全、牢固、不影响井队正常施工的前提下，以最短的路线将数据线从板房架到钻台司钻控制台处。钻台上需要连接的仪器有司显，司显需连接两条线，一条是与板房主机连接的数据线，另一条是与立管处压力传感器连接的数据线。压力传感器需我方自带，与立管接的时候看立压表处还有无多余接口，若无，则需自己另接一个三通，然后再将传感器接上。接的时候一定要上紧扣，防止钻井液刺坏传感器。

需要注意的是在接压力传感器之前，一定要跟司钻交代清楚，让其将回水打开，将立管里的泥浆放空，否则取下立压表时会喷泥浆。

接好线以后，需用司显来测试连接是否成功。打开工作房电脑及专用机，打开仪器工作界面并点连接，连接好后点发送消息，给司显发送消息，确认司显收到，则连接成功，否则需重新检查连接线路。

2. 井下仪器连接及地面测试

（1）仪器连接：常用连接方式为（由下到上）

脉冲+扶正器+探管+扶正器+电池+扶正器+测试线（地面测试先不接打捞头）连接的时候一定要注意接口处针孔的配合，四针六孔均朝下，操作不熟练人员在连仪器之前一定要确认好针孔配合，切忌接反，不但损坏仪器，而且有安全危险（电池接反了因短路时间长会爆炸，威力巨大）。

检查脉冲主阀头（蘑菇头）与循环套里限流环尺寸，是否符合正常配比，否则应更换，根据现场泵的冲数和排量选择合理的配比。

（2）仪器参数设置及一致化

见第二章第二节。

（3）仪器高边IMO校正：将仪器各连接处上紧，脉冲键口朝上（水平尺放于键口上，使气泡在中间位置），然后打开电脑及专用机仪器软件，点连接-探管测试；再点系统设置，先将系统误差归零，点确定后，读取此时的重力高边，再将此值输入系统误差内，点确定后高边归零，校正完成。为了检验无误，将仪器旋转或倾斜一定角度，看实际工具面或井斜角与所测值是否一致。

（4）脉冲测试

点脉冲测试按钮，让其出一段脉冲序列，看是否按照所设置序列出波，同时打开脉冲筛屏，观察伺服阀活动是否正常，是否有劲（或者不用打开筛屏，直接用手握住仪器感觉仪器震动是否正常），检查脉冲油囊是否饱满。若无异常，装好筛屏，准备接打捞头上钻台。

（5）装打捞头护送仪器上钻台

仪器地面测试完成，一切正常后，接打捞头，上紧扣，观察筛屏处伺服阀是否活动。若不活动，可能是电池没有加载，将打捞头拆下，重新接上就OK了。

带上绳套，抬仪器到猫道上，与钻台配合将仪器吊上钻台

（6）仪器坐键，量角差

仪器坐键时候，在引鞋处涂一些丝扣油有助于坐键。第一次坐键后在打捞杆处做一标记，然后重新坐键，看两次下深是否一致，一致则坐键成功，否则重新坐键，直到一致。

量角差时候最好是两个人，先找到螺杆弯角处的刻线，一般在螺杆下部和上部各有一个刻线，为了保险起见，上下刻线对照一下，确保刻线找准无误。然后用粉笔沿刻线画一垂直线直到定位接头键水平位置处。先用卷尺量出弯到键的距离，然后量出定位接头周长，做好记录。

角差=弧长/周长×360°

牢记两要点：一是弯到键；二是由上到下看顺时针方向。

（7）井口测试

钻台上接两柱钻铤或者加重就可以进行井口测试。通知钻台开泵，调节好幅值及门限值以便抓同步头。井口测试时候立压比较小，所以上脉冲范围和门限值稍微调得低点。观察波形，同步正常，波形规则，各参数值正确，循环2-3分钟就可以通知钻台下钻。如果没有抓住同步头，停泵一分钟重新开泵测试。

如果是深井，下钻时候每下30柱钻杆应该开泵打通一次，测试仪器信号是否正常。

三摆工具面

工具面概念前面已经讲过，这里不再赘述，主要介绍摆工具面方法。

计算好目标工具面后，则

工具面转动值=目标工具面-当前工具面+反扭角

正值代表正转，负值代表反转。

例如：当前工具面=95°，目标工具面75°，反扭角=40°，则转动值=75-95+40=20，即正转20°。

这里涉及到反扭角的确定。通常的方法是反复尝试法，第一次先估计反扭角为30°，若目标工具面为90°，则将工具面先摆到120°，然后慢慢加钻压到正常定进值，观察工具面变化。如果工具面稳定在80°，则可知反扭角为40°；若工具面稳定在100°，则可知反扭角为20°。

摆工具面时候，要与司钻配合好，在钻盘或者钻杆上给司钻做好标记，指挥其稳当准确地转过所画角度。角度需要自己估计着画，不要求非常精确，但也不能差太多。

如果是转盘钻机，因为钻台上是方钻杆，无法画角度，所以一般是在转盘上画。合理利用一些标志可以较准地估计角度。方补心为正方形，其四个角将圆周分为四份，每份90°，然后90°在平分为三份，一份30°，这样就可以较准确地估量出所要角度。另外还有一经验方法：因转盘是靠齿轮咬合，每转动一个齿轮，所转角度大概是15°，如果需要转60°，则可数着齿轮数转四个齿轮。这种方法适合转动小角度，如果转动值大于90°，还是用第一种方法快点。如果是顶驱钻机，不必用方钻杆，钻台上是钻杆，而且可以连续转动钻具，所以角度比较好确定，也好控制。

还有一点应该注意，如果是深井，在开转盘复合钻进结束后定向摆工具面的时候，井底钻具还残留着一些扭矩，摆之前应该先上下多活动几趟钻具，将下部钻具的扭矩释放，摆顺，然后再开始摆就快的多了。要不然摆完工具面后它会乱跑，稳不住，得反复调，到后来可能会把自己都给搞晕。

另外在井斜大于45°以后，由于岩屑床的形成，钻具与井壁的磨阻会增大，有时会有

比较严重的托压，即有效钻压加不在钻头上，因此摆工具面的时候感觉基本没有反扭角，此时钻时也很慢。这种情况就应该大幅度划眼，以破坏岩屑床，减小磨阻，提高机械钻速。同时要告知井队，提高钻井液润滑性，添加润滑剂或者混油。

四井身轨迹设计与轨迹控制的软件使用方法

五井下钻具组合（BHA）设计