定向井水平井钻井技术介绍.ppt

定向井水平井钻井技术介绍,2005年7月,主讲人王敏生胜利钻井工艺研究院,1.定向井钻井技术介绍2.丛式井钻井技术介绍3.水平井钻井技术介绍,提纲,为什么钻定向井,测点与测段可测参数测点的井深，用L表示；测点的井斜角，用α；测点的方位角，用φ。,一、井眼轨迹的基本概念,测点的井眼方向和测段的段长井眼轨迹的其他参数垂深H、N坐标N、E坐标E水平长度S和水平位移A平移方位角β和视平移V井眼曲率K,磁偏角真方位与磁方位的换算真方位角＝磁方位角＋东磁偏角真方位角＝磁方位角－西磁偏角,一、井眼轨迹的基本概念,二、井眼曲率的计算1.井眼曲率的概念,井斜角和方位角的大小决定了井眼前进的方向。从一点到另一点，井眼前进方向变化的角度（两点处井眼前进方向线之间的夹角），既反映了井斜角的变化，又反映了井斜方位角的变化。人们将此角度称为全角变化值，或称为狗腿角，通常以γ表示。井眼曲率也称为全角变化率，又称狗腿严重度简称为狗腿度，都是同一个概念，是指单位长度井段内狗腿角的大小。,三、定向井轨迹常规绘图,利用测斜计算结果可以绘出垂直剖面图H,S、水平投影图（N,E）、垂直投影图（H,V）垂直剖面图上井斜是真实的，垂直投影图上方位是真实的,H,H,四、定向井轨迹质量评价1.中靶计算,已知条件目标点坐标（Dt，Nt，Et）和实钻井眼轨迹数据。1计算中靶点p点的水平坐标2靶心矩的计算3中靶精度计算,当DJ0时，为脱靶；当DJ0～0.6时，为合格井；当DJ0.6～0.85时，为良好井；当DJ≥0.85时，为优质井；,五、定向井轨迹质量评价2.轨迹符合率计算,已知条件设计轨道数据和实钻井眼轨迹数据。1计算每个测点到设计轨道水平距离,五、定向井轨迹质量评价2.轨迹符合率计算,2计算水平距离的加权平均值JJ3轨迹符合率的计算,设计条件一般要给定的有目标点垂深、水平位移、设计方位角等；给定进入目标的要求例如目标点或目标段的井斜角；设计内容根据设计条件，设计出合适的轨道。轨道设计的关键造斜点选择，增斜率和降斜率的选择（需要经验）；轨道关键参数的求得（需要先进的计算公式）。,六、轨道设计概述,三段式轨道,多靶三段式轨道,五段式轨道,双增式轨道,二维常规轨道设计,七、造斜工具的定向,井眼轨迹控制的实质，就是不断地控制井眼前进的方向，设法使实钻的井眼轨迹尽可能符合设计的井眼轨道。井眼方向的控制可通过调整造斜工具的造斜率和装置角来实现。造斜率的调整目前主要通过更换钻具组合来实现，较先进的方法是可变径稳定器和可调弯角的动力钻具，最先进的旋转导向钻井系统。装置角的调整涉及到各种定向角度的计算和如何定向的问题。,定向就是把造斜工具的工具面摆在预定的位置上。主要有三大类地面定向法、井底定向法和随钻定向法。地面定向法在地面将造斜工具的工具面摆到预定的方位线上；通过定向下钻，始终保持工具面预定方位不变，或者始终知道工具面在井下的实际方位；下钻完后，如果工具面实际方位与预定方位不符，可在地面上通过转盘将工具面扭到预定的定向方位上。井底定向法下钻前给工具面做好标记，正常下钻，将造斜工具下到井底；然后从钻柱内下入仪器，根据工具面的标记，测量工具面在井下的实际方位；如果工具面实际方位与预定方位不符，可用转盘调整。随钻定向法直接测量工具面角，并可随钻显示。,1.地面定向法定向下钻法,十字打印法事先在每根要使用的钻杆公母接头上，扁錾打上“十”字钢印；要注意两个钢印必须处在同一条母线上；下钻过程中测量每两个单根连接处的钢印偏差角度，上相对于下顺时针为正，逆时针为负，进行详细记录；下完钻后，将所有偏差值相加即得到最上面钢印与造斜工具面的偏差角度，若为正说明钢印在工具面的顺时针方向某角度处，若为负说明钢印在工具面的逆时针方向某角度处，。,1.地面定向法定向下钻法,b.十字打印法,钻杆打印及偏转角测量工具,1.地面定向法定向下钻法,定向下钻纪录,2.井底定向法工具面的标记,定向键标记法既可用于用磁性测斜仪测量，也可用于陀螺测斜仪测量；定向接头内有一个定向键。定向键所在的母线就标志着工具面的方位。测量仪器的罗盘面上有一个“发线”，在测量仪器的最下面有一个“定向鞋”，定向鞋上有一个“定向槽”，在仪器安装时使“发线”与“定向槽”在同一个母线上对齐。仪器下到井底时，定向鞋的特殊曲线使定向槽自动卡在定向键上，使罗盘面上的发线方位就标志了工具面的方位。在照相底片上罗盘的指针标志着磁北方位，发线标志了工具面的方位。所以可求得工具面在井下的实际方位。,3.随钻定向法,,评价这是目前最先进的定向方法，但仪器的使用费用高，目前只在一些高难度的井中使用。,造斜过程中随时指示出造斜工具的工具面。,,斜向器,井下马达,弯外壳马达,旋转导向,,,,WLMWD,MWD,LWD,,滑动导向,革命性进步,八、轨迹控制技术,,,,,,,,,,,LWD仪器系统组成,,,电阻率短接,电阻率、,随钻测量,随钻测量井底信息,地质参数,钻井工程参数,轨迹空间位置,钻井参数,钻压,扭矩,压力,自然伽玛,电阻率,密度,声波,倾角,井斜,方位,工具面,LWD/FEWD,MWD,PWT,,,,,,孔隙度,1.定向井钻井技术介绍2.丛式井钻井技术介绍3.水平井钻井技术介绍,提纲,胜利油田河50丛式井组平台,（1）丛式井的定义,丛式井就是在一个平台上钻多口井。这些井可能是直井、定向井、水平井或其它特殊工艺井。丛式井包括陆地丛式井平台和海上丛式井平台。,胜利油田河50丛式井组垂直剖面图和水平投影图,（2）丛式井的目的节省投资，降低开发成本陆上丛式井可以节约大量的道路建设、井场建设投资，节省地面空间，便于采油集中建站、集中管理，从而降低整个油田的开发成本；海上丛式井可节省新建平台的投资。开发地面难以建立井场或施工不便的油气藏在浅海、滩涂或城市繁华地带、居民小区、企业以及地面区域狭窄、环境复杂、施工难度大的场所，采用丛式井技术可节约占地面积、防止对市政建设带来的不良影响、解决施工不便等问题。有利于保护环境有些油气藏在环保要求高的地区，若采用丛式井钻井技术，可防止环境的大面积污染，以满足环保要求。,（3）丛式井防碰的主要方法优化开钻顺序和井眼位置除直井首先打外，其他定向井应该先打造斜点高的井，后打造斜点低的井；位移大的井放在外围，造斜点相对较高；位移小的井放在内部，造斜点相对较低；相邻两口井的造斜点应该上下错开50米；提高井眼轨迹测量精度，减小轨迹误差提高轨迹控制精度使用防碰监测软件，进行邻井距离扫描。,（4）邻井距离扫描图的绘制定义相邻两口定向井，我们只能看见地面上两口井的位置，看不见地面以下两井的相互位置。通过计算机软件，我们可以将地下两口井之间的相互位置用图形表达出来，称为“邻井距离扫描图”；做法一口井作为基准井（参考井），另一口井作为被扫描井（比较井）。自上而下计算参考井轴线上每一点距离与比较井的最近距离，然后进行绘图。参考井所有点都集中在图形的中心，比较井的最近距离点联成一条曲线。,（4）邻井距离扫描图的绘制原理寻找最近测点两口井都要有测斜资料。从基准井出发，寻找基准井上每一个测点与被扫描井距离最近的测点。由于每个测点在空间的坐标位置是已知的，所以可以计算基准井上某一点（M）到被扫描井上每一点的距离，然后进行比较，找出最近测点。改变基准井上的基准点，可以得到另一基准点距离被扫描井的最近测点。从所有基准点距离被扫描井的最近测点进行比较可得到全井的最近测点。,（4）邻井距离扫描图的绘制原理寻找最近距离最近测点并不是最近距离。最近距离应该处在最近测点的附近。在最近测点的相邻两个测段内进行插入计算，进行比较，最终可找出最近距离来。图中所示进行了四次插入，一次比一次计算的最近距离更精确,（4）邻井距离扫描图的绘制原理扫描径的计算扫描径是从基准点到扫描点的一条空间线段。如图所示，M点是基准点，B点是比较点。扫描径计算公式如下,（4）邻井距离扫描图的绘制原理扫描角的计算扫描角是以正北方位线为始边，顺时针转到基准点与被扫描点连线在水平面上的投影线上所转过的角度，以φ表示。扫描角计算公式如下,（4）邻井距离扫描图的绘制原理插入点的计算圆柱螺线法,（4）邻井距离扫描图的绘制原理插入点的计算斜面圆弧法,1.定向井钻井技术介绍2.丛式井钻井技术介绍3.水平井钻井技术介绍,提纲,水平井技术,（1）水平井的定义我国在“八五”期间进行水平井攻关时，给水平井作了定义“井斜角超过850（不小于830）之后，并在产层中延伸不小于其厚度的6倍的定向井。”小于830，只能算大斜度定向井；在产层内延伸超过产层厚度6倍，才可能超过直井的效益；,世界水平井记录,,（2）水平井的分类,（2）水平井的分类同短半径水平井相比，中半径水平井可采用常规设备和工具就可以完成，且井眼尺寸和完井方式不受限制，水平段长度可达1000m以上，具有长半径水平井的大部分优点同长半径半径水平井，中半径水平井的无效水平位移和弯曲段长度明显要短，摩阻扭矩小，轨迹控制井段短，且因为减小了无效井段长度，降低了钻井费用；造斜率相对较高，中靶和跟踪油层的能力较强；鉴于中半径水平井以上优点，其数量明显要多于长半径和短半径水平井的数量，占水平井总量60。,（3）水平井的应用开发薄油层或低渗透油藏，可提高单井产量水平井可较直井和常规定向井大大增加泄油面积，从而显著提高薄油层和低渗透油藏的产能，使其具有开采价值或增加经济效益。,（3）水平井的应用开发以垂直裂缝为主的油藏水平井钻遇垂直裂缝的机会要远大于直井，可以获得更高的产能和采收率，例如Rospo-Mare油藏。,（3）水平井的应用开发底水或气顶活跃的油藏水平井可以延缓水锥、气锥的推进速度，延长油井寿命，提高采收率；,（3）水平井的应用开发常规稠油油藏水平井可以增加稠油油藏的产液量，从而保持井筒及井口油流温度，有利于稠油的开采；,（3）水平井的应用水平井勘探用一口水平井可钻穿多层陡峭的产层，相当于多口直井的勘探效果。,,（3）水平井的应用开采剩余油侧钻水平井可使一批老井返青，死井复活荷兰的Helder油田，底水油藏，后期生产含水率平均达到94，基本没有效益。在11口老井上，通过侧钻水平井，二次完井，老井复活，含水率降到10-20，40天收回侧钻井成本，效益很好。88年天津会上，很受赞扬和启发90年代初估计，美国9万口枯竭油井，其中有6-7万口可以利用侧钻水平井复活。美国人70年代预言，美国石油将在2000年枯竭。水平井技术出现后，认为该时间至少可以推迟100年。,侧钻水平井,（3）水平井的应用平注平采“平注平采”有利于水线的均匀推进，有利于提高采收率。,（3）水平井的应用保护环境一口水平井可以替代多口直井，大量减少钻井过程中的排污量，有利于保护环境。,丛式水平井,阶梯式水平井,（4）水平井的主要技术问题水平井目标区的设计,水平井合理井位的选择,水平井目标区的设计是水平井是否有效益的关键技术，主要包括①水平井合理井位的选择；②水平井完井方法选择；③水平井靶区参数设计，包括水平段长设计，水平段方位设计、水平段井斜角计算、水平段垂向位置计算和水平井靶体设计。,（4）水平井的主要技术问题水平井目标区的设计,限制水平段长度的因素1.目标段太长，下钻摩阻可能大得下不下去；滑动钻进加不上钻压；2.摩阻增大，受压钻柱发生屈曲失稳，更增大摩阻；3.摩阻增大，在某种工况下，钻柱受力可能超过钻柱的强度极限，导致钻柱破坏；4.水平段过长，下钻或开泵井内波动压力过大，可能压漏地层；5.水平段过长，起钻的抽吸可能导致井壁坍塌。,水平井长度限制条件,（4）水平井的主要技术问题水平井目标区的设计,已知地层倾角δ；目标段设计方位线与地层下倾方位线的夹角为Δφ；求目标段的井斜角T,目标段井斜角的计算,（4）水平井的主要技术问题井眼轨迹控制要求高、难度大要求高，是指轨迹控制的目标区的要求高。普通定向井的目标区是一个靶圆，井眼只要穿过此靶圆即为合格。水平井的目标区则是一个扁平的立方体，如图所示，不仅要求井眼准确进入窗口，而且要求井眼的方位与靶区轴线一致，俗称“矢量中靶”。难度大，是指在轨迹控制过程中存在“两个不确定性因素”。轨迹控制的精度稍差，就有可能脱靶。所谓“两个不确定性因素”，一是目标垂深的不确定性，即地质部门对目标层垂深的预测有一定的误差；二是造斜工具的造斜率的不确定性。这两个不确定性的存在，对直井和普通定向井来说，影响不大，但对水平井来说，则可能导致脱靶。,水平井造斜工具,带柔性连接的弯外壳马达,带垫块的弯外壳马达,柔性连接,旁通阀,螺杆马达,弯外壳,轴承部分,旁通阀,螺杆马达,弯外壳,轴承部分,垫块,水平井造斜工具,带弯接头的短马达,旁通阀,同向双弯马达,旁通阀,螺杆马达,螺杆马达,弯外壳,轴承部分,轴承部分,弯接头,弯接头,水平井造斜工具,弯外壳马达,带稳定器的双弯马达,旁通阀,旁通阀,弯接头,扶正器,螺杆马达,螺杆马达,弯外壳,弯外壳,扶正器,轴承部分,轴承部分,水平井造斜工具,带弯接头的标准马达,弯外壳马达导向马达系统,轴承部分,轴承部分和扶正器,旁通阀,旁通阀,弯接头,螺杆马达,螺杆马达,弯外壳,万向连接,扶正器,水平井造斜工具,带垫块的双弯马达,反向双弯马达,弯接头,弯接头,轴承部分,轴承部分,旁通阀,旁通阀,螺杆马达,螺杆马达,弯外壳,弯外壳,垫块,（4）水平井的主要技术问题管柱受力复杂由于井眼的井斜角大，井眼曲率大，管柱在井内运动将受到巨大的摩阻，致使起下钻困难，下套管困难，给钻头加压困难。在大斜度和水平井段需要使用“倒装钻具”，下部的钻杆将受轴向压力，压力过大将出现失稳弯曲，弯曲之后将摩阻更大。摩阻力、摩扭矩和弯曲应力将显著地增大，使钻柱的受力分析、强度设计和强度校核比直井和普通定向井更为复杂。由于弯曲应力很大，在钻柱旋转条件下应力交变，将加剧钻柱的疲劳破坏。这就要求精心设计钻柱，严格按规定使用钻柱。,（4）水平井的主要技术问题泥浆密度窗口小，易出现井漏、井塌地层的破裂压力和坍塌压力随井斜角和井斜方位角而变化。在原地应力的三个主应力中，垂直主应力不是中间主应力的情况下，随着井斜角的增大，地层破裂压力将减小，坍塌压力将增大，所以泥浆密度选择范围变小，容易出现井漏和井塌。在水平井段，地层破裂压力不变，而随着水平井段长度的增长，井内泥浆液柱的激动压力和抽吸压力将增大，也将导致井漏和井塌。这就要求精心设计井身结构和泥浆参数，并减小起下管柱的压力波动。,（4）水平井的主要技术问题泥浆密度窗口小，易出现井漏、井塌,垂直主应力是中间主应力,（4）水平井的主要技术问题泥浆密度窗口小，易出现井漏、井塌,垂直主应力是最大主应力，两个水平主应力相等,（4）水平井的主要技术问题泥浆密度窗口小，易出现井漏、井塌,垂直主应力是最大主应力，两个水平主应力不相等,（4）水平井的主要技术问题泥浆密度窗口小，易出现井漏、井塌,垂直主应力是最小主应力。,（4）水平井的主要技术问题泥浆密度窗口小，易出现井漏、井塌,（4）水平井的主要技术问题携带岩屑困难,由于井眼倾斜，岩屑在上返过程中将沉向井壁的下侧，堆积起来，形成“岩屑床”。特别是在井斜角45～60的井段，已形成的“岩屑床”会沿井壁下侧向下滑动，形成严重的堆积，从而堵塞井眼。这就要求精心设计泥浆参数和水力参数。,第三洗井区井斜角550～90060～900,第一洗井区井斜角00～4500～300,第二洗井区井斜角450～55030～600,（4）水平井的主要技术问题携带岩屑困难,影响携岩效果的因素井斜角的影响由于井斜角的影响，形成了三个洗井区。最复杂的是第二洗井区。顺利钻过第二和第三洗井区的关键在于大排量。钻柱偏心的影响在大斜度和水平井中，钻柱总是偏向井壁下侧，钻井液流动主要在上侧方向的环空中，所以偏心不利于清除岩屑床。钻柱旋转的影响钻柱旋转有利于搅动岩屑床，所以是有利于携岩的。钻柱尺寸的影响钻柱尺寸大，环空间隙小，相同排量条件下返速高，有利于携岩。,（4）水平井的主要技术问题保证固井质量难度大,水平井固井存在的主要问题顺利将套管下入井内问题；套管在井内的居中及顶替效率问题；井眼高边的自由水通道问题；,（4）水平井的主要技术问题保证固井质量难度大,提高注水泥质量措施使用扶正器使套管居中在弯曲段和水平段，至少一根套管一个扶正器，或两根套管三个扶正器；在保证不压裂地层的条件下，使用大排量紊流注水泥注水泥过程中，尽量采用上下提放或旋转套管从循环泥浆转换到注水泥浆，最好不要停泵，尽量减少井内泥浆的静止时间（触变性问题）；使用长段隔离液（在井内有200米～300米长），充分清除泥浆；注水泥前至少循环三周，充分洗净井眼；使用零自由水的水泥浆；,（4）水平井的主要技术问题井下缆线作业困难,在大斜度和水平井段，测井仪器不可能依靠自重滑到井底。钻进过程中的测斜和随钻测量，均可利用钻柱将仪器送至井下。射孔测试时亦可利用油管将射孔枪弹送至井下。只有完井电测时井内为裸眼，仪器难以送入。目前解决此问题的方法有多种,利用钻柱送入是主要方法，但仍不甚理想。,（4）水平井的主要技术问题井下缆线作业困难,泵入挺杆系统先下钻，然后从钻杆内下入仪器；仪器上部联接“挺杆”，再上部是电缆；仪器、挺杆及电缆的下入，需要开泵循环推动；挺杆可将仪器推动到钻杆以外一定距离，然后在上提过程中，进行测井；只能使用小直径仪器；,（4）水平井的主要技术问题井下缆线作业困难,挠性管测井系统挠性管中预先装设电缆，管前端与标准测井仪器联接；可在裸眼中进行测井；挠性管的下入由滚筒控制；缺点是挠性管受刚性影响，难以承受大的轴向压力，不可能太长，测井深度有限；,（4）水平井的主要技术问题完井工艺难度大,水平井井眼曲率较大时，套管将难以下入，无法使用射孔完井法，将不得不采用裸眼完井或筛管完井法等。这将使完井方法不能很好地与地层特性相适应，将给采油工艺带来困难。万仁溥有“三不欢迎”不欢迎短半径，不欢迎小井眼，不欢迎裸眼完井。,（4）水平井的主要技术问题完井工艺难度大,,,经过十多年的发展，胜利油田已经形成了完善配套的水平井钻井完井技术。至2005年4月底共完成各类水平井464口，胜利油田内部年完成水平井在70～80口之间。单井产量是同区邻近直井的3倍以上，取得了显著的经济效益。并在一些特殊油藏中得到了很好应用。,胜利油田水平井技术,胜利钻井从90年代开始水平井的钻探，已完成了包括水平探井、长裸眼、三维绕障、多目标式、阶梯式开窗侧钻式、古潜山穿漏以及双井连通式、短半径和大位移水平井数百口，占中国水平井总数67,胜利水平井技术,水平井技术为提高勘探效果、单井产量和油藏采收率,开辟了一条崭新途径,给石油工业发展带来了一场新的革命,已列为当今石油工业最重要的关键技术之一。,我国第一口水平探井，完钻井深2650.13m，位移1005m水平段长505m，水平段钻穿19个油层中穿211.5m试油第二十号获230吨/日高产量。,埕科一井,我国第一口一井双探水平井,先完成稳斜角６３，稳斜４００m到井底，水平段长901.43m,电测探明目的层的油水界面，控制方位２１.６扇形不整合面９层１９５.８m的中生界油层，取得相当于８口直井的经济效益。,水平２井,临2-平1井兩個水平段高差相差10.10m，共钻穿上下两个油层累计厚度390.50m。仅投产下部一个油层199.0m水平段，初产原油115.0t，相当于邻井的45倍。,阶梯式水平井,亚洲垂深第一,世界垂深第二的水平井,井号DH-P1斜深6452.00m垂深5782.29m造斜点5552.11m水平段长500.46m最大井斜91.5,超深水平井,超薄油层水平井,塔里木哈得地区油层大多是0.91.5m厚的超薄且埋藏深度都在5000m左右,利用超薄油藏水平井钻井技术在该地区已成功开发9口水平井,平均产量是同地区直井的36倍,取得了良好的经济效益和社会效益.,水平井在塔里木油区应用,塔中第一口水平井塔中417H4井，目的层是东河砂砂岩油藏，在油层中延伸507m，初产达1067t/d，累计产油130万吨，产值10亿多元。其后在塔中四完成的5口水平井，平均钻井成本为同区直井的1.8倍，产量是邻井直井的5倍以上。,埕北21-平1井完钻井深4837.4m，井底垂深2633.91m，水平位移与垂深比为1.21。水平位移达到3167.34m。,大位移水平井,顺５井是江苏省洪泽的一口开采芒硝的直井，井深２２６０m，含芒硝层段２２１０２２２０m，结合这种矿藏的开采特点，决定打一口与其相连的水平井－顺９－平１井，两井口地面距离４８６m，实施连通的过程中，采用了多项钻井新技术，用6“钻头钻进至井深２６４０m处实现双井连通，投产后技术经济效益十分明显，顺９－平１井是顺５井单井产量的１０倍。目前已完成这种类型的井10多口,连通式水平井,结合胜利油田地层的实际特点，在应用软件设计，专用工具改造，优选钻井参数、优化钻具组合及轨迹控制方面形成了自已的技术优势，先后完成河９０－平１井、盘４０－４１－侧平１井等多口短半径水平井，收到了良好的技术经济效益和社会效益，特别适合油田的老井改造再利用。,短半径水平井,草２０－１２－侧平１３井在7“套管内进行开窗的，采用锻铣工具锻铣开窗口后钻成水平井，平均造斜率为19.14/30m，最高造斜率达到31.19/30m，接近短半径水平井的造斜率。本井设计井深１７５５.５m，垂深９１４.４m，水平段长１３１m。,侧钻水平井,三维绕障水平井,胜利钻井在所完成的水平井中，近五分之一的是三维绕障水平井最大绕度达２０93年12月在单家寺油田试验并钻成了第一口三维设计的中半径水平井单2-平1井，之后又在草桥油田整体设计和开发的水平井平台上及其它地区相继钻成了三维水平井18口，形成了水平井三维绕障设计与井眼轨迹控制技术。,草南SWSD平1井完钻井深1560m；水平段长642.72m；总水平位移823.78m；垂直深度813.25m，水平位移与垂深之比1.011,CNSWSD平1井,单井蒸汽驱重力泄油水平井,,水平井钻井技术,敬请提出宝贵意见,论述题1、水平井的应用范围及主要技术问题有那些,