定向井工艺

定向井工艺

一、定向井基本知识：

（一）、定向井的应用：

定向井的应用归纳起来有以下几个方面：

1、地面限制

油田埋藏在高山、城镇、森林、沼泽等地貌复杂的地下，或井场设置和搬家安装遇到障碍时，通常在它们附近打定向井。油田埋藏在良田、草场等地下，为少占地常在一个井场打多口定向井。在海洋、湖泊、盐田、河流等水域上勘探开发油气田，往往建立海上平台、人工岛或从岸边打定向井或丛式井。

2、地下限制

若直井难以穿过的复杂层、盐丘、断层等常采用定向井来实现钻井目的。

3、钻井技术需要

遇到井下事故无法处理或不易处理时，常采用定向钻井技术。遇陡构造，在定向井建井周期或钻井成本优于直井时，也采用定向井。

4、经济勘探开发油气藏的需要

原井钻探落空，或钻遇油水边界、气顶时，可在原井眼内侧钻定向井。遇多层系或断开的油气藏，可用一口定向井钻穿多组油气层。对于裂缝性油气藏可打定向井（水平井）穿遇更多裂缝，采用定向井可最大限度的穿越油气藏。并且，采用水平井可大幅度的提高单井产量和采收率。

此外，因气候限制，如寒冷或沙漠地区，亦可利用丛式井开采油气，以利于集输的保温和油井的管理。

(二)、定向井的分类：

●按段制分：

常规定向井可分为二、三、四、五段，两段制是指在一口定向井中仅含有直井段、增斜井段的定向井。三段制是指在一口定向井中由直井段、增斜井段、稳斜井段三个井段组成的定向井。四段制是指在一口定向井中由直井段、增斜井段、稳斜井段、降斜井段四个井段组成的定向井。五段制是指在一口定向井中由直井段、增斜井段、稳斜井段、降斜井段、稳斜井段五个井段组成的定向井。定向井的剖面均由直、增、稳、降中的某几项来组合。

●按设计井眼轴线形状分：

1、两维定向井：是指井眼轴线形状只在某个铅垂平面上变化的定向井，它们的井斜角是变化的，而方位角是不变的。

2、三维定向井：是指井眼轴线超出某一铅垂平面而在三维空间中变化的定向井。三维定向井既有井斜变化，又有方位角的变化。三维定向井又可分为三维纠偏井和三维绕障井。

●按设计最大井斜角可分为：

1、低斜度定向井：设计的最大井斜角不超过15度，这种定向井由于井斜角小，钻进时井斜、方位不易控制，钻井难度大。

2、中斜度定向井：设计的最大井斜角在15度至45度之间，钻进时井斜、方位较易控制，钻井难度相对不大。是使用最多的一种。

3、大斜度定向井：设计的最大井斜角在46度至85度之间，其斜度大、水平位移大，增加了钻井难度和成本。

4、水平井：设计的最大井斜角在86度至120度之间，并沿（近）水平方向钻进一定长度的井。根据造斜井段的曲率半径又可细分为长、中、中短、短四种曲率半径的水平井。水平井钻进相对较难，多数需要特殊设备、钻具、工具、仪器以及特殊工艺。

●按定向井的钻井的目的可分为：

1、救援井：为抢救某一口井的井喷、着火而设计施工的定向井。

2、多目标井：为钻达数个目的层位而设计施工的定向井。

3、绕障（三维）井：为绕过地下某种障碍而设计施工的定向井。

4、立槽斜井：采用斜直钻机施工，从井口开始倾斜的定向井。

5、多底井：凡在一个井口下面有两个以上井底的井称多底井。用定向侧钻的方法完成。

定向侧钻是在已钻主井眼内，按预定方向和要求侧钻一口新井的工艺过程。根据侧钻的目的可分为纠斜侧钻、避开落鱼侧钻、二次完井侧钻等。根据侧钻方法可分为套管开窗侧钻和裸眼侧钻。套管开侧钻又有套管段铣和斜向器开窗之分。

●按一个井场或平台钻井数可分为：

1、单一定向井。

2、双筒井：用一台钻机交叉作业，同时钻出井口相距很近的两口定向井或一直一斜。

3、丛式井（组）：凡在一个井场或平台上，有计划的钻两口或以上的定向井（含直井），这些井组统称丛式井。丛式井中的任一定向井可为多目标井、大位移井、水平井等井型。

（三）、定向井的基本概念：

1、测深：井眼轴线上任一点到井口的井身长度，称为该点的测深，也称为该点的测量井深。

2、井斜角：某测点处的井眼方向线与通过该点的重力线之间的夹角称为该点的处的井斜角。井眼方向线和重力线都是有向的直线。

3、井斜方位角：井斜方位角是指以正北方向线为始边，顺时针旋转至井斜方位线所转过的角度。

4、井斜变化率：单位井段内井斜角的绝对变化值称为井斜变化率，通常以两测点间的井斜角的变化量与两测点间井段的长度比值表示。

5、井斜方位变化率：单位井段内井斜方位角的绝对变化值称为井斜方位变化率，通常以两测点间的井斜方位角的变化量与两测点间井段的长度比值表示。

6、垂深：垂深即测点的垂直深度，是指井身上任一点至井口所在平面的距离。

7、水平位移：井眼轴线上某一点在水平面上的投影至井口的距离，又称闭合距。

8、闭合方位或总方位：是指以正北方位线为始边顺时针转至闭合距方位线上所转过的角度。

9、N（北）坐标E（东）坐标：是指测点以井口为原点的水平面坐标系里的坐标值。

10、视平移：是井身上某点在某一垂直投影面上的水平位移，这个“水平位移”不是真实的水平位移。所以称之为视平移。

11、最大井斜角：无论设计剖面还是实钻剖面，全井井斜角的最大值，称为

最大井斜角。

12、磁偏角：在某一地区内，其磁北极方向线与地理北极方位线之间的夹角，称为该地区的磁偏角。

13、全角变化率：“全角变化率”、“狗腿严重度”、“井眼曲率”，都是相同的

意义。指的是在单位井段内三维空间的角度变化。它既包含了井斜角的变化又包含着方位角的变化。

二、定向井设计

（一）、井身剖面的设计原则

1、能实现钻定向井的目的；

2、应尽可能利用地层的自然造斜规律；

3、应有利于采油作业；

4、应利于安全、优质、快速钻井；

这方面要考虑以下几个问题：

（1）、选择合适的井眼曲率；

（2）、选择易钻的井眼形状；

（3）、选择适当的造斜点；

（4）、设计的井身剖面形状应与井身结构同时考虑。

（5）.优质的钻井液。

一般情况下，在给定的设计条件有：地面井位坐标、目标点坐标和目的层

垂直深度，井底垂深。根据这些基本参数，通过坐标换算，可计算出设计方位角和设计水平位移。坐标换算方法如下：

(X b,Y b)

上图给定的井位坐标即井口坐标（X a ，Y a ），目标点坐标(X b,Y b)和目的层

垂深H 。

坐标换算公式如下：

△X= X b- X a

△Y= Y b- Y a

计算出△X 、△Y 的正负数值后确定目标所在的象限。然后计算方位的精确

值。

位移 S = △X 2+△Y 2

Φ=arctg △Y/△X(以上图为例)。

例如：某井设计井口坐标纵 ：4286623.7、横：20550601.8，靶点：纵：

4287414.9、横：20553163.8，垂深：3800.00m,现钻进至4026.00m 、垂深3215.00m 、E ：2014.24m 、N ：639.26m ，求从井底到目标的方位和位移。

解：靶点投影N 靶=4287414.9-4286623.7=791.20

E 靶=20553163.8-20550601.8=2562.00

从井底到目标的方位：

064.7126

.6392.79124.210400.2562=--=∆∆=ctg N E arctg AZ 从井底到目标的位移： ()()m E N s 32.48224.210400.256226.6392.7912222=-+-=

∆+∆=∆

井身剖面设计的内容和步骤

1、选择剖面类型；

2、确定造斜率和降斜率，选择造斜点；

3、求得剖面上的未知参数，一般情况下这个未知数是全井的最大井斜角；

4、进行井身计算，包括各井段的井斜角、垂深、水平位移及井深。

5、做垂直剖面投影图、水平投影图。

6、设计公式请参见甲方手册。

水平井剖面设计的选择

依据给出的地质设计靶位及附带要求，设计剖面横穿这些靶位的中心。剖面轨迹的的选择也即造斜率、造斜点的选择。依据井口位置与靶体之间的位置关系做出剖面设计。再依据实钻出的造斜或侧钻位置设计出实施剖面，剖面的造斜率应低于所备工具的造斜能力。在设计剖面时应考虑以下问题：

1.地层情况:地层的软硬变化不一,地层的自然造斜方向等。

2.井身结构:在传统的技术套管封隔泥浆不易控制的地层的基础上，如造斜以后的井段较长，可考虑在井斜60度左右增加一层套管。

3.考虑造斜工具的造斜能力。

4.充分满足设计的中靶要求。

长、中、短半径的选择参考水平井钻井方法一览表。

水平井钻井方法一览表

水平井中确定钻具组合的基本原则

1.确定马达类型及角度

依据设计中靶要求，通过对直井段的测量计算出造斜前直井段产生的位移、方位推算出从造斜（或侧钻）位置所需的造斜率，然后根据经验或经验公式，选择出马达弯壳体角度。一般要求马达的造斜能力高于设计的20-100%。高转速低扭矩马达适合软地层、盐岩等地层；中转速中扭矩马达适合软及中硬地层；低转速高扭矩马达适合中硬及以上地层。依据地层情况选择出马达类型。由于马达的造斜能力在不同地区是不一样的，实钻中对造斜率具体计量统计分析，得出造斜率的经验值，为正钻井的下步施工提供依据，并且为以后在同一地区施工提供依据和参考。在水平井钻井作业中准确合理地选择了马达角度及类型，意味着水平井施工中剖面控制的合理。也就是说马达的合理选择和使用预示着井身轨迹控制的成功。总之，在水平井施工中确定钻具组合时，马达的合理选择是重中之重。

2.其它工具的选择

（1）.无磁钻铤：根据推荐的无磁钻铤长度使用无磁钻铤。

（2）.钻铤:以加重钻杆替代钻铤，减轻钻具在高角度情况下的重力，以减轻钻具起下的拉力和阻力。同时减少事故发生的几率。

（3）.注意钻具接箍、接头、钻具外径的一致：在使用的加重钻杆、钻杆、马达、无磁钻铤、接头等工具，应注意其钻杆接箍与其它工具的外径一致，以减免键槽卡钻的发生。

（4）.震击器：钻具中配以随钻震击器，在高井斜角的情况下，卡钻的几率较高，带有震击器的钻具在处理时会争取到处理时间而取得主动。

三、定向井施工

（一）、磁性单点照相测斜仪定向操作

《一》、准备工作

（１）、按照清单准备好仪器和工具。

（２）、按照设计准备好定向工具。

（３）、技术交底及准备。

1.认真分析设计内容及各井段要求；

2.了解钻具、钻头及工具情况。

a)据设计及定向井要求选择钻头型号、个数、类型。

b)钻具、工具是否到井。

3.依据钻具型号确定钻头水眼。

4.了解动力钻具的使用方法向井队交清。

5.设备情况要清楚，保持泥浆泵、指重表、泵压表等工作正常。

6.钻直井段要求。

7.要充分分析施工中可能出现的复杂情况。

8.根据井队安装进度预计开钻、定向时间。

9.由定向井施工人员写出技术交底单，双方签字。

《二》、内容和步骤

１、钻杆标记的打印。

（１）将定向施工所需的钻杆均匀摆放在井场。

（２）检查每根钻杆公母接头是否完好，或有其它标记，以防量角差时出现的错误。

（３）用硬物将每根钻杆固定。

（４）将水平尺放到划印规上方，沿钻杆同一侧待水平尺处水平状态时，在钻杆公母接头划印，并用扁铲打印记号。

２、打印转盘标记。

（１）在转盘的边缘找易记的点，最好选在正北方向，若有刻度，最好选择在一刻度上。

（２）将该点用扁铲打印或用特殊记号标记。

３、井口钻杆母接头标记的打印。

（１）首先将井下钻具上、下反复活动数次，以便钻具将扭矩释放。

（２）将方钻杆定标尺十字开口处水平卡在井口钻杆母接头处，并且将方钻杆定标尺的尾部指向转盘标记。

（３）将方钻杆定标尺十字处所对的点记下，然后用扁铲打印。

４、方钻杆标记的打印。

（１）首先准备一条长１米的细绳和一重锤，并用细绳将重锤系牢。

（２）将方钻杆用大钩提起，待静止后，找出一条有刻度或易记的棱边。（３）将细绳的一端拿在手中，沿该棱边慢慢放下重锤，待重锤静止后，将绳线在方钻杆保护接头上划过的线上的最低点作为标记点。

（４）用扁铲打印标记。

５、单点测斜

（１）首先检查井口钻杆母接头标记是否与转盘标记在以转盘为中心的圆的直径上。

（２）将铅印装在定向杆引鞋处，将仪器定时，下入井中。

（３）待仪器照相结束后起出仪器。

（４）底片显影，阅读底片。

６、定向方位装置角的计算

ω

ω——定向方位装置角

——设计方位

——磁偏角（东正、西负）

——反扭角

——第一次测斜的工具面角

７、角差累记（略）。

８、确定定向施工完成

定向施工后井斜角大于１０°，且方位角在最大允许偏差范围内。

《三》、技术要求和注意事项

１、直井段井斜角必须控制在１°３0′以内。直井段施工按规定加压，特别是造斜点前１００～１５０米，要严格执行技术要求。

２、定向前直井段必须测单点检查，井深超过８００米，必须多点测斜，计算后方可定向。

３、含砂量控制在０．５％以内，摩阻小于０．０８。

４、下动力钻具必须井口试运转正常方可入井使用。

５、下动力钻具保证钻具水眼干净。

６、下动力钻具时，钻具要双钳紧扣，控制下放速度。

７、下动力钻具如遇阻，不得用动力钻具划眼，不能开泵硬压，可转动几个方向试下，否则起出动力钻具通井正常后，再下动力钻具。

８、所下钻具组合要严格执行设计，如需改变，必须以定向井施工人员书面技术措施为准。

９、定向钻进时，严格按要求加压，送钻要均匀。

１０、动力钻具钻井参数以钻具厂家的推荐范围为准，严格执行。

１１、接单根时，不得用转盘卸扣，不得任意转动转盘，所接单根必须双钳紧扣。

１２、钻进时，必须带钻杆滤清器。

１３、动力钻具不得用来混油，但可边钻进，边混油。

１４、钻头的选择要适合动力钻具高转速的要求，要根据不同的地层、井深选择合适的钻头，防止因钻头选型不对引起的掉牙轮事故。

１５、钻头装水眼的大小根据选用的动力钻具和井深的不同来选择。

１６、单点测斜要求不少于三个测点，每钻进２～３根钻杆用单点测斜仪检查一次，单点测斜的最后一个测点必须是当时能测得的最大井深。

１７、必须认真检查触键情况，不触键不能进行施工。

１８、在不同井眼内使用的动力钻具和非磁钻铤不得混用、乱用。

１９、要充分利用地层的自然漂移规律。

２０、动力钻具的间隙不得随意调整。

２１、进行单点测斜时，注意上下活动钻具防卡，钻具静止时间间隔不得超过３分钟，活动幅度大于３米。

２２、进行单点测斜时要控制仪器的起下速度，同时注意钢丝记号。

２３、定向转动钻具角度大时要分段转动，每转动一次都要上下大幅度活动钻具，消除钻具的扭矩，保证定向准确，转动应以顺时针进行。

２４、启动动力钻进时，要注意因方补心框动而使方钻杆多倒转的角度，并及时修正。

２５、控制好造斜率，除特殊要求的井外，定向时的井眼曲率控制在5°／30ｍ以内。

（二）、增斜井段施工

（三）、稳斜井段的施工

1、常用稳斜钻具组合

钻头+稳定器+短钻铤+稳定器+非磁钻铤+稳定器+钻铤+钻杆

2、施工措施

●在方位漂移严重的地层钻进，为了稳定井斜方位，可在钻头上方接2—3

个足尺寸稳定器，加强下部钻具的刚性。

●因地层因素的影响，采用稳斜钻具出现降斜趋势时，可用微增斜钻具组合实现稳斜效果。

a.将近钻头稳定器与相邻的稳定器之间的距离增加到5-10米。

b.减小钻头上面第二只稳定器的外径（欠尺寸稳定器）。

3、技术要求及注意事项：

●下井的稳斜钻具结构要符合定向施工人员的要求。

●在稳斜井段，由于地层倾角及走向，造成常规钻具组合产生增斜或降斜效果时，钻具结构应根据具体情况变换为微降斜或微增斜钻具组合来保证稳斜效果。

●稳斜井段的单点测斜间距不大于150米，特殊地层或有特殊要求时，缩小测量间距。

●当稳斜井段下入特殊的钻具结构时，必须制定相应的技术措施。

●稳斜井段的钻井参数可根据测量情况作合理的调整。

●定向井稳斜井段纠方位作业后，要下入单稳定器增斜钻具组合通井并钻进10-20米，使井眼轨迹圆滑，并充分洗井后方可起钻下入稳斜钻具。（四）、降斜井段的施工

1、常用钻具组合：

钻头+钻铤双根+稳定器+钻铤+钻杆

2、降斜井段的技术要求及注意事项：

●降斜井段要求选择合理的降斜钻具结构。钻头和稳定器之间的距离应根

据井斜角的大小和要求的降斜率来确定。

●降斜井段的单点测斜间距一般不超过50米。

●降斜井段的钻压选择原则是满足降斜井段降斜率要求为主，兼顾提高机

械钻速。

●大斜度井段降斜时，要选择合理的钻具组合严防井眼产生较大全角变化

率而不利于以后的钻井及完井工作。

●降斜井段要控制好降斜率，确保全角变化率不超标。

●降斜后的直井段每300米要测斜检查，特殊要求的井，测斜间距要缩短。

●降斜段由于地层、操作等原因出现降斜钻具不降斜或稳、增斜要及时采

取措施。

定向井管理的其它技术要求：

1、定向井钻具组合和钻井参数要以设计为准，如需变动应以定向井技

术人员的书面技术措施为准，并严格执行。

2、定向井钻井液含砂量要求全井控制在0.5%以下，并要保证良好的携

砂、维护井壁、润滑等性能。

3、进行单点测斜时，注意活动钻具防，具静止时间间隔不超过3分钟。

4、定向井如果非磁钻铤不直接接钻头，非磁钻铤下部装测斜承托环以

保证测斜的精度与准确。

5、若钻具下过造斜点后进行设备检修，检修时不要长时间将钻具停在

一处循环避免井下出现复杂。

6、如技术套管在斜井井段，且井斜角大于30度，技术套管内每一立柱

至少装一胶皮护箍，以防钻杆与技套相摩擦。

7、定向井产生键槽后要及时破坏键槽。

8、定向井的井下扭矩及摩阻相对较大，在满足钻井条件的前提下尽量

简化钻具组合，如减少钻铤和稳定器的数量。

9、定向井出现下列情况时要及时采取措施

●定向前直井段打斜。

●增斜钻具增斜率太低或不增斜。

●稳斜钻具降斜或增斜。

●降斜钻具增斜或稳斜及降斜率太低。

10、定向井现场技术人员发现以下不符合钻井施工要求时，尽快与井

队干部或现场钻井监督取得联系，整改后符合要求方可施工。

●钻井液性能不符合要求。

●技术措施执行不坚决。

●不符合要求的钻具组合入井。

四、定向井常见复杂情况及处理

定向井特别是高难度的定向井，因其井斜角较大，水平位移长，井眼形状及钻具受力复杂，钻具贴下井壁，加之地层因素及钻井措施不当等方面的原因，容易引起井下复杂或井下事故。因此，在钻井过程中，必须制定出相应的安全措施，预防井下复杂和井下事故的发生。一旦发生，应及时采取切实可行的措施，予以处理。定向井井下复杂及事故中与定向井井眼轨迹因素有关的有：高扭矩的问题、卡钻、钻具扭断、折断等。

（一）、定向井的摩阻扭矩问题及解决途径：

1、高扭矩形成的原因及影响因素：

●扭矩随井深的增加而增加。

●扭矩随井斜的增大而增大，与全角变化率的变化成正比。

●扭矩随钻具和定向井井眼的接触面积增加而增加。

●钻杆胶皮护箍的增加，扭矩会随之增大。

●可钻性差的地层和不均质的地层，会使扭矩增加。

●扭矩随钻压的增加而增加。

●扭矩随转盘转速的增加而增加。钻井液润滑性差，扭矩增大。

●泥饼质量不好、井壁不规则，扭矩增加。

●钻井液中含砂量大，扭矩增加。

●扭矩随井眼尺寸的增大而增大。

●对于不稳定的地层、稳定器的数量越多，扭矩越大。

●在相同条件下，PDC钻头产生的扭矩较牙轮钻头产生的扭矩大。

2、高扭矩给定向钻井作业带来的危害：

●高扭矩使钻具公扣折断

●高扭矩使母扣台肩受挤损坏甚至造成母扣涨大，造成事故。

●高扭矩给井下复杂情况的判断和处理带来困难。

3、降低扭矩的途径：

●设计合理的定向井剖面，尽量采取三段制剖面，控制全角变化率。

●设计合理的井身结构，增加套管层次，控制定向井裸眼井段长度，降低井下

复杂因素。

●采用润滑性良好、摩阻系数低的钻井液体系。

●保证钻井液良好的性能，控制钻井液含砂量。

（二）、下钻遇阻及处理

1、定向井中常见的下钻遇阻的主要原因有：

●井眼下井壁产生了“岩屑床”。

●钻井液性能差，泥饼太厚。

●钻具组合中带稳定器或稳定器数量太多，带稳定器的钻具组合下到了没有带稳定

器的钻具组合所钻出的井段。

●停钻时间长，井底沉砂多。

●地层松软，或井壁水化膨胀，引起井眼缩径。

●井壁垮塌引起的复杂。

●钻头、稳定器外径的磨损后钻出的小于正常尺寸的井眼等。

2、处理方法

●不带井下马达时，可启动转盘，以开泵冲洗下放为主，清洗井眼。

●不带井下马达时，开泵低速转动转盘，轻压下放，注意控制下放速度，

严禁定点空转，避免划出台肩，以免出新眼（必要时测斜）。

如带井下马达和弯接头时，可开单泵（小排量）间断开转盘，防划出新眼。

●如下钻或划眼仍不顺利，或有出新眼的危险，应起钻，采用该井段钻进

时所用的钻具组合通井。

●划眼时应注意钻压、泵压、扭矩的变化，控制下放速度。

●下钻遇阻时，分析判断好遇阻类型，做出正确处理。

3、避免下钻遇阻

●调整钻井液性能，提高其携砂及护壁能力。

●优化定向井设计。

●及时短起下钻，消除下井壁的“岩屑床”。

其它复杂及事故的处理及预防（略）。