石油钻井行业定向钻井技术概述概述共58页文档
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定向井(水平井)钻井技术概述
发展了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，机械式罗盘的电测井方法。
多种引进的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,引进了带地质参数的MWＤ系统
定向井钻井水平
简单的单口定向井、水平井位移小，精度低
钻成大量高难度定向井、大组丛式井、多目标井、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
定向井首先是从美国发展起来的,在十九世纪后期,美国的旋转钻井代替了顿钻钻井。当时没有考虑控制井身轨迹的问题,认为钻出来的井必定是铅垂的,但通过后来的井筒测试发现,那些垂直井远非是垂直的。并由于井斜原因造成了侵犯别人租界而造成被起诉的案例。最早采用定向井钻井技术是在井下落物无法处理后的侧钻。早在1895年美国就使用了特殊的工具和技术达到了这一目的。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的。
钻成位移过万米的大位移井
径向水平井可在0．3米之内完成增斜过程
我国定向井钻井技术发展情况
(表二)
年代
内容
60年代
80年代
90年代
剖面设计及轨
迹计算方法
设计采用查表法、图解法等精度不高的方法
发展了曲率半径法，最小曲率半径法等多种更为精确的轨迹计算和设计方法，编制了能进行轨迹预测和防碰扫描的计算机软件包。
第一口救援井是1934年在东德克萨斯康罗油田钻成的。救援井是指定向井与失控井具有一定距离,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。
目前最深的定向井由BP勘探公司钻成,井深达1０,654米;
水平位移最大的定向井是BＰ勘探公司于己于199７年在英国北海的ＲｙtｃhＦａｒｍ油田钻成的M1１井,水平位移高达１，011４米。
测量方式
氢氟酸测斜仪，机械式罗盘的电测井方法。
多种引进的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,引进了带地质参数的MWＤ系统
定向井钻井水平
简单的单口定向井、水平井位移小，精度低
钻成大量高难度定向井、大组丛式井、多目标井、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
定向井首先是从美国发展起来的,在十九世纪后期,美国的旋转钻井代替了顿钻钻井。当时没有考虑控制井身轨迹的问题,认为钻出来的井必定是铅垂的,但通过后来的井筒测试发现,那些垂直井远非是垂直的。并由于井斜原因造成了侵犯别人租界而造成被起诉的案例。最早采用定向井钻井技术是在井下落物无法处理后的侧钻。早在1895年美国就使用了特殊的工具和技术达到了这一目的。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的。
钻成位移过万米的大位移井
径向水平井可在0．3米之内完成增斜过程
我国定向井钻井技术发展情况
(表二)
年代
内容
60年代
80年代
90年代
剖面设计及轨
迹计算方法
设计采用查表法、图解法等精度不高的方法
发展了曲率半径法，最小曲率半径法等多种更为精确的轨迹计算和设计方法，编制了能进行轨迹预测和防碰扫描的计算机软件包。
第一口救援井是1934年在东德克萨斯康罗油田钻成的。救援井是指定向井与失控井具有一定距离,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。
目前最深的定向井由BP勘探公司钻成,井深达1０,654米;
水平位移最大的定向井是BＰ勘探公司于己于199７年在英国北海的ＲｙtｃhＦａｒｍ油田钻成的M1１井,水平位移高达１，011４米。
《钻井定向钻井》课件
定向钻井的施工过程
钻孔定位
按照施工计划，使用测 量仪器确定钻孔位置和
角度。
钻孔开钻
启动钻机，开始钻孔作 业。
定向钻进
根据需要，使用定向钻 头进行定向钻进，调整
钻孔角度。
钻孔扩孔
钻孔完成后，对钻孔进 行扩孔处理，以便于后 续的管道敷设或其它施
工。
定向钻井的施工监测与控制
监测
01
实时监测钻孔的位置、角度、深度等参数，确保钻孔按照预定
测量技术
阐述各种测量技术在定向 钻井中的应用，如空间定 位技术、重力测量、磁力 测量等。
测量数据处理
讲解如何对测量数据进行 处理和分析，以确保定向 钻井的准确性和精度。
定向钻井的泥浆系统
泥浆组成
介绍泥浆的组成成分，如 水、粘土、化学添加剂等 ，以及它们在定向钻井中 的作用。
泥浆性能
阐述泥浆的重要性能指标 ，如密度、粘度、切力等 ，以及如何调整这些指标 以满足定向钻井的需求。
06
定向钻井的未来发展
定向钻井技术的发展趋势
智能化
随着人工智能和大数据技术的应用，定向钻井技术将更加智能化， 实现自动化决策和远程控制。
高效化
提高钻井效率和降低成本是定向钻井技术的重要发展趋势，通过优 化钻井参数、采用新型钻井液和钻具等手段实现高效钻井。
环保化
随着环保意识的提高，定向钻井技术将更加注重环保，采用清洁能源 和减少废弃物排放，实现绿色钻井。
在城市基础设施建设中，定向钻井技术可 以用于穿越建筑物、公路、铁路等障碍物 ，进行管道敷设、线路安装等作业。
02
定向钻井技术
定向钻井的原理
定向钻井的原理是通过测量地球磁场、重力场、地热场等自 然场，以及利用钻孔内的测量仪器测量钻孔内的方向和位置 参数，从而确定钻孔的轨迹和深度。
定向及水平井简介
对钻井设备和技术的要求较高 ，需要专业的定向井工程师团
队。
在某些情况下，可能存在井眼 轨迹控制难度大、油层污染等
问题。
水平井的优缺点
优点 可以实现长水平段穿越油层，提高油藏的开采效率。
对于薄油层和复杂油藏的开采具有重要意义。
水平井的优缺点
• 可以有效利用地层自然裂缝，提高油藏的开采效 率。
水平井的优缺点
01
缺点
02
钻井过程中需要控制好水平段的稳定性， 避免出现卡钻等事故。
03
对钻井设备和技术的要求较高，需要专业 的水平井工程师团队。
04
在某些情况下，可能存在水平段稳定性差 、油层污染等问题。
定向井与水平井的适用范围及选择依据
适用范围
定向井适用于需要大范围水平位移的油藏开采，如海上油田、复杂断块 油田等。
岩屑携带
定向钻井过程中，岩屑容易堆积在井 底，影响钻进效率。可以采用高压喷 射钻头、空气钻头等新型钻头，提高 岩屑携带能力。
地层适应性
不同地层对钻头、钻具和工艺有不同 的要求，需要根据地层特点选择合适 的钻头、钻具和工艺。
03
水平井钻井技术
水平井钻井设备及工具
01
02
03
04
钻机
用于钻进水平井的钻机，通常 采用顶部驱动钻井系统。
岩屑携带
水平井钻进过程中，岩屑容易堆积在井底，影响钻进效率 。可以采用高压喷射钻井技术来解决这一问题。
井壁稳定
水平井钻进过程中，容易发生井壁失稳现象，可以采用合 理的钻井液体系和稳定剂来解决这一问题。
完井作业
水平井完井作业过程中，需要采用特殊的完井技术，以确 保水平段的密封性和稳定性。可以采用先进的完井技术和 工具来解决这一问题。
钻井定向钻井
第二节
定向井井身剖面设计
（2）最大井斜角： <15o方位不稳， >45o测井、完井施工难度大、扭方位困 难、扭矩大、井壁不稳
一般15o－45o。
第二节
定向井井身剖面设计
（3）井眼曲率 井眼曲率变化的影响： 过小：造斜井段过长，增加轨迹控制工作量 过大：造成钻具偏磨、摩阻过大、键槽、其 它井下作业（如测井、固井、射孔、采油等）的困 难。 控制原则： 定向井中应控制其最大值 5o-12o/100m，最 大不超过16o/100m。
α
B
第一节
定向井的基本概念
水平投影上的方位变化
Δl (叫水平投影曲率） 不等于该段井眼的实际方位变 化率，因其该段的水平投影长 度一般不等于空间实际长度。
N
O ΔS
K
KA
l
S
第一节
定向井的基本概念
2. 空间曲线法求井眼曲率
依据：
L dN dE
dH
根据微分几何原理，一条空 间曲线的曲率K有公式
2
)
代替，( 1、2)分别为上下测点井斜角
可得井眼曲率
K
2 2 2 sin c L L
第一节
定向井的基本概念
三、狗腿度概念
钻进一定长度（30米）的井眼角度（空间全角）变化。
2 2 sin 2 c
在前面的井眼曲率计算式中，若用
K
L
代入上式可得
b、套管允许弯曲应力对井眼曲率的限制
套管尺寸较大，弯曲后最容易出现的破坏是丝扣滑 脱或破坏，通过数学力学分析并考虑丝扣处应力集中得到 下式:P.128(7-20)
114 .58 s 105 Kc ( / 100) K1 K 2 E d c
定向井(水平井)钻井技术概述
第一章定向井<水平井）钻井技术概述第一节定向井、水平井的基本概念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，钻遇地下预定目标的一门科学和艺术。
”我国学者则定义为，定向井是按照预先设计的井斜角、方位角和井眼轴线形状进行钻进的井。
定向井相对与直井而言它具有井斜方位角度而直井是井斜角为零的井，虽然实际所钻的直井它都有一定斜度但它仍然是直井。
定向井首先是从美国发展起来的，在十九世纪后期，美国的旋转钻井代替了顿钻钻井。
当时没有考虑控制井身轨迹的问题，认为钻出来的井必定是铅垂的，但通过后来的井筒测试发现，那些垂直井远非是垂直的。
并由于井斜原因造成了侵犯别人租界而造成被起诉的案例。
最早采用定向井钻井技术是在井下落物无法处理后的侧钻。
早在1895年美国就使用了特殊的工具和技术达到了这一目的。
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的。
第一口救援井是1934年在东德克萨斯康罗油田钻成的。
救援井是指定向井与失控井具有一定距离，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。
目前最深的定向井由BP勘探公司钻成，井深达10，654M；水平位移最大的定向井是BP勘探公司于己于1997年在英国北海的Rytch Farm 油田钻成的M11井，水平位移高达1，0114M。
垂深水平位移比最高的是Statoil 公司钻成的的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；我国定向井钻井技术发展情况我国定向井钻井技术的发展可以分为三个阶段，50—60年代开始起步，首先在玉门和四川油田钻成定向井及水平井:玉门油田的C2—15井和磨三井，其中磨三井总井深1685M，垂直井深表遗憾350M，水平位移444.2M，最大井斜92°，水平段长160M；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，使得我国从定向井软件到定向井硬件都有了一个大的发展。
石油钻井行业定向井技术课件
井斜角的变化范围：0～180°
一、定向井基础知识
(3) 方位角φ ： 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。 井斜方位角增量Δ φ ： 上下测点的井斜方位角之差。 Δ φ ＝φ B－φ A 方位角的变化范围：0～360° （4）靶心距：在靶区平面上，实钻井眼轨迹与目标点之间的距离， 称为靶心距。 （5）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前进的方向在三维空间内的角度变化。 单 位为：°／30m、 °／25m 、 °／100m 。
特点：
难度较三段制剖面大，主要原因是 有降斜段。降斜段会增大扭矩、摩阻 （如小水平位移深定向井采用三段式 剖面轨迹难控制）。
一、定向井基础知识
2、三维定向井剖面
三维定向井剖面指在设计的井身剖 面上既有井斜角的变化又有方位角的 变化。 常用于在地面井口位置与设计目 标点之间的铅垂平面内，存在井眼难 以通过的障碍物（如：已钻的井眼、 盐丘等），设计井需要绕过障碍钻达 目标点。 三维绕障设计 纠偏三维设计
一、定向井基础知识
2. 投影图示法
垂直投影图 轨迹在设计方位 线所在的铅垂面上 的投影。 原点：井口 横坐标：视平移 V 纵坐标：垂深 D 缺点：垂直投影图不能真实地反映井深L、 井斜角α和水平位移S 等轨迹参数。 + 水平投影图 轨迹在水平面 上的投影。 原点：井口
坐标轴：N、E
一、定向井基础知识
一、定向井基础知识
（6）造斜率：表示了造斜工具的造斜能力。其值等于用该造斜工 具所钻出的井段的井眼曲率。
（7）水平位移：井眼轴线上任一点，与井口铅直线的距离，称为 该点水平位移，也称该点的闭合距。
（8）视位移：水平位移在设计方位线上投影长度，称为视位移。
石油钻井行业定向钻井技术概述概述
§ 1-2 井眼轨迹的基本概念
下面说法哪些是正确的？
1.某点的井眼方向线就是该点的切线方向。 2.井斜角就是井眼方向线与重力线之间的夹角。 3.井眼轴线上某点处的井眼方向线投影到水平面上，即为该点 的井斜方位线。 4.方位角就是井斜方位线与正北方向的夹角。 5.井斜方位角就是方位角。 6.井眼轴线投影到水平面上以后，过其上某一点作投影线的切 线，该切线向井眼前进方向延伸部分即为该点的井斜方位线。
向和轨迹钻达目的层的钻井工艺方法。
井眼轨道(well trajectory)：钻进之前人们预想的该井井眼
轴线形状。
井眼轨迹(well path)：实际钻出来的井眼轴线形状。
§1-1 定向井的用途
1、地面环境条件的限制 2、地下地质条件的要求 3、钻井工艺的需要
4、提高油藏采收率的手段
§1-1 定向井的用途
§1-1 定向井的用途
2、地下地质条件的要求
§1-1 定向井的用途
2、地下地质条件的要求
§1-1 定向井的用途
2、地下地质条件的要求
§1-1 定向井的用途
3、钻井工艺的需要
当井下落物或断钻事故最终无法捞出时，可从上部井段侧 钻打定向井；
井喷着火常规方法难以处理时，在事故井附近打定向井(•称 作救援井)，与事故井贯通，进行引流或压井，可处理井喷 着火事故。 高陡构造地层 ，打直井很困难，若打定向井，则更容易。
§1-1 定向井的用途
3、钻井工艺的需要
§1-1 定向井的用途
丛式井
丛 式 井 三 维 结 构 图
4、提高油藏采收率的手段
•钻穿多套油气层、老井侧钻、水平井等。
扩大泄油面积 增加控制储量 提高油井产能
定向井理论与技术(完整版讲义)
轨迹基本参数：井深、井斜角、井斜方位角。
6
（1）井深（L） 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(Measure Depth，MD)。井深是以钻柱或电缆的长度来量测。 井深既是测点的基本参数之一，又是表明测点位置的标志。 一个测段的两个测点中，井深小的称为上测点，井深大的称为下测点。
率也有人称作“狗腿严重度”，“全角变化率”。 对一个测段(或井段)来说，上、下二测点处的井眼方向线是不同的，两条方向线之间的夹角(注意
8
是在空间的夹角)称为“狗腿角”，也有人称为“全角变化”。 3、井眼轨迹的图示法
一种是垂直投影图与水平投影图相配合，如图 1-2-3(a)所示； 一种是垂直剖面图与水平投影图相配合，如图 1-2-3(b)所示。
4
5
随着定向井钻井技术的发展，定向井建井周期和总成本已接近钻直径的水平，定向钻井已成为油 田勘探开发的极为重要的手段。
§1-2 井眼轨迹的基本概念
1、井眼轨迹的基本参数 井眼轨迹为空间曲线。为了进行井眼轨迹控制，就要了解这条空间曲线的形状，就要进行轨迹测
量，也即“测斜”。目前常用的测斜方法并不是连续测斜，而是每隔一定长度的井段测一个点，这些井 段被称为“测段”，这些点被称为“测点”。
H H
图 1-2-3（a） 垂直投影图与水平投影图 图 1-2-3（b） 垂直剖面图与水平投影图 （1）水平投影图 水平投影图相当于机械制图中的俯视图，就是将井眼轨迹这条空间曲线投影到井口所在的水平面 上。图中的坐标为 N 坐标和 E 坐标，以井口为坐标原点。 在水平投影图上，方位角是真实的。 （2）垂直投影图 垂直投影图相当于机械制图中的侧视图，即将井眼轨迹这条空间曲线投影到设计方位线所在的那 个铅垂平面上。图中的坐标为垂深 D 和视平移 V，也是以井口为坐标原点。 优点：垂直投影图与设计的垂直投影图进行比较，可以看出实钻井眼轨迹与设计井眼轨迹的差别， 便于指导施工中轨迹控制。 （3）垂直剖面图 垂直剖面图可以这样来理解：设想经过井眼轨迹上每一个点作一条铅垂线，所有这些铅垂线就构 成了一个曲面。这种曲面在数学上称作柱面。当此柱面展平时就形成了垂直剖面图。垂直剖面图的两 个坐标是垂深 D 和水平长度 Lp。
6
（1）井深（L） 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(Measure Depth，MD)。井深是以钻柱或电缆的长度来量测。 井深既是测点的基本参数之一，又是表明测点位置的标志。 一个测段的两个测点中，井深小的称为上测点，井深大的称为下测点。
率也有人称作“狗腿严重度”，“全角变化率”。 对一个测段(或井段)来说，上、下二测点处的井眼方向线是不同的，两条方向线之间的夹角(注意
8
是在空间的夹角)称为“狗腿角”，也有人称为“全角变化”。 3、井眼轨迹的图示法
一种是垂直投影图与水平投影图相配合，如图 1-2-3(a)所示； 一种是垂直剖面图与水平投影图相配合，如图 1-2-3(b)所示。
4
5
随着定向井钻井技术的发展，定向井建井周期和总成本已接近钻直径的水平，定向钻井已成为油 田勘探开发的极为重要的手段。
§1-2 井眼轨迹的基本概念
1、井眼轨迹的基本参数 井眼轨迹为空间曲线。为了进行井眼轨迹控制，就要了解这条空间曲线的形状，就要进行轨迹测
量，也即“测斜”。目前常用的测斜方法并不是连续测斜，而是每隔一定长度的井段测一个点，这些井 段被称为“测段”，这些点被称为“测点”。
H H
图 1-2-3（a） 垂直投影图与水平投影图 图 1-2-3（b） 垂直剖面图与水平投影图 （1）水平投影图 水平投影图相当于机械制图中的俯视图，就是将井眼轨迹这条空间曲线投影到井口所在的水平面 上。图中的坐标为 N 坐标和 E 坐标，以井口为坐标原点。 在水平投影图上，方位角是真实的。 （2）垂直投影图 垂直投影图相当于机械制图中的侧视图，即将井眼轨迹这条空间曲线投影到设计方位线所在的那 个铅垂平面上。图中的坐标为垂深 D 和视平移 V，也是以井口为坐标原点。 优点：垂直投影图与设计的垂直投影图进行比较，可以看出实钻井眼轨迹与设计井眼轨迹的差别， 便于指导施工中轨迹控制。 （3）垂直剖面图 垂直剖面图可以这样来理解：设想经过井眼轨迹上每一个点作一条铅垂线，所有这些铅垂线就构 成了一个曲面。这种曲面在数学上称作柱面。当此柱面展平时就形成了垂直剖面图。垂直剖面图的两 个坐标是垂深 D 和水平长度 Lp。