定向、水平井轨迹控制.ppt

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1、定向定向、水平井眼水平井眼轨轨迹控制迹控制技术技术钻井欠平衡井控技术服务公司钻井欠平衡井控技术服务公司目目 录录特殊工艺钻井概念特殊工艺钻井概念井眼轨迹控制原理井眼轨迹控制原理底部钻具组合及其特性底部钻具组合及其特性井下动力钻具造斜率的预测方法井下动力钻具造斜率的预测方法转盘钻具组合的力学分析方法转盘钻具组合的力学分析方法参数研究参数研究影响因素分析影响因素分析高效防斜理论高效防斜理论测量与计算方法测量与计算方法特殊工艺钻井概念特殊工艺钻井概念预预置置轨轨道道，是是指指按按勘勘探探或或开开发发目目标标要要求求设设计计出出的的井井眼眼轨轨道，其基本类型包括直井，定向井或水平井，等等。道，其基本类

2、型包括直井，定向井或水平井，等等。沿沿预预定定轨轨道道偏偏离离垂垂直直方方向向而而钻钻达达地地下下目目标标层层位位的的井井，称称为为定定向向井井；将将定定向向井井的的井井斜斜增增大大到到8686度度以以上上（9090度度左左右右）并在油藏内部钻进一定长度的井，称为水平井。并在油藏内部钻进一定长度的井，称为水平井。定定向向井井和和水水平平井井可可通通称称为为斜斜井井，其其井井眼眼形形状状不不同同于于传传统统的的直直井井，最最明明显显的的特特点点是是斜斜井井从从井井口口到到井井底底有有一一个个“大大斜斜度度水水平平位位移移”。在在一一个个井井场场或或海海洋洋平平台台上上钻钻出出多多口口井井，这些井

3、组合起来称为丛式井。这些井组合起来称为丛式井。在在石石油油勘勘探探开开发发过过程程中中，由由于于经经常常遇遇到到种种种种客客观观条条件件的的限限制制，或或出出于于经经济济和和社社会会效效益益等等方方面面的的考考虑虑，打打直直井井难难以以实实现现预预期期目目标标，而而打打斜斜井井及及丛丛式式井井则则可可扬扬长长避避短短、兴兴利除弊，获得理想的效果。利除弊，获得理想的效果。特殊工艺钻井概念特殊工艺钻井概念F水平位移（displacement or closere distance）井眼轨迹上的任意一点与井口铅锤的距离称为该点的“水平位移”。也称该点的闭合距F视平移（vertical section

4、）水平位移在设计方位线上的投影长度，称为视平移。如下图所示。OQ为设计方位线，OT曲线为实钻井眼轴线在水平面上的投影，其上任一点P的水平位移为OP，以Ap来表示。P点的 视平移为OK。当OK与OQ同向时为正值，反向时为负值。视平移是绘制垂直投影图时重要的参数，单位为m。特殊工艺钻井概念特殊工艺钻井概念高边高边（High side）定向井的井底是个呈倾斜状态的圆平面，称为井底圆。井底圆上的最高点称为高边。从井底圆心指向高边连线的方向称为高边方向。高边连线在水平面的投影线所指的方向线为井底方位线。工具面角工具面角（Tool face angle）它是表示造斜工具下到井底后，工具面角所在位置的参数。

5、工具面角有两种表示方法：1.重力工具面角(高边工具面角)2.磁性工具面角井眼曲率井眼曲率 在定向钻井中，井眼曲率是一个很重要的参数。井眼曲率过大会给钻井、采油和修井作业造成困难。因此，在定向钻井过程中，应控制最大井眼曲率的最大值，一般取512/100m，最大不超过16/100m。当然，井眼曲率也不宜过小，这是因为井眼曲率限制太小，会增加动力钻具造斜井段、扭方位井段和增（降）斜井段的井眼长度，从而增加了井眼轨迹控制的工作量，影响钻井速度。为了保证造斜钻具和套管安全、顺利下井，必须对设计剖面的井眼曲率进行校核，应该使井身剖面的最大井眼曲率小于井下马达组合和下井套管抗弯曲强度允许的最大井眼曲率值。井

6、下马达定向造斜及扭方位的井段井眼曲率Km应满足下式：式中：Km井眼曲率，/100m；Db钻头直径，mm；DT井下马达外径，mm；LT井下马达长度，m。下套管允许的 最大井眼曲率Km应满足下式：式中：Km井眼曲率，/100m；c套管屈服极限，PaC1安全系数，一般取1.21.25C2丝扣应力集中系数，一般取1.72.5Dc套管外径，cm特殊工艺钻井概念特殊工艺钻井概念 1.高边工具面角:指以高边的方向线为始边,顺 时针转到工具面与井底圆平面交线上,所转过的角度。2.磁北工具面角:高边工具面角加井底方位角。磁偏角（磁偏角（Declination）在某一地区内，其磁北极方向线与地理北极方向线的夹角。

7、计算方法是以地理北极方向线为始边，磁北极方向线为终边。顺时针为正，逆为负。定向、水平井的主要用途定向、水平井的主要用途在地面上难以建立或不允许建立井场的地区，要勘在地面上难以建立或不允许建立井场的地区，要勘探开发地下的石油等资源，唯一的办法是从该地区探开发地下的石油等资源，唯一的办法是从该地区附近打定向井；附近打定向井；在海洋或湖泊等水域上勘探开发石油时，最好是建在海洋或湖泊等水域上勘探开发石油时，最好是建立固定平台或从岸边打定向井和丛式定向井；立固定平台或从岸边打定向井和丛式定向井；可使用定向井饶过所钻遇的地下复杂地层或障碍物可使用定向井饶过所钻遇的地下复杂地层或障碍物等；等；打定向水平井和

8、复杂结构井，可扩大勘探效果及提打定向水平井和复杂结构井，可扩大勘探效果及提高开发效益和采收率；高开发效益和采收率；在发生卡钻、断钻及井喷着火等恶性钻井事故的情在发生卡钻、断钻及井喷着火等恶性钻井事故的情况下，用侧钻井、救援井来处理这类事故最有效。况下，用侧钻井、救援井来处理这类事故最有效。Selection of Well Profiles复杂结构井示意图复杂结构井示意图1、井眼轨迹控制原理、井眼轨迹控制原理1 1 1 1、钻头与地层相互作用因素：、钻头与地层相互作用因素：、钻头与地层相互作用因素：、钻头与地层相互作用因素：钻头：特殊结构，侧切特性，各向异性钻头：特殊结构，侧切特性，各向异性地

9、层：岩性，可钻性，各向异性，几何产状地层：岩性，可钻性，各向异性，几何产状钻头作用力：钻压，侧向力，钻头转角，扭矩钻头作用力：钻压，侧向力，钻头转角，扭矩高压射流作用：清洗碎屑，辅助轴向破岩高压射流作用：清洗碎屑，辅助轴向破岩2 2 2 2、钻柱及其底部钻具组合（、钻柱及其底部钻具组合（、钻柱及其底部钻具组合（、钻柱及其底部钻具组合（BHABHABHABHA）分析）分析）分析）分析确定钻头对地层的机械作用力：井斜力和方位力确定钻头对地层的机械作用力：井斜力和方位力确定钻头指向：转角确定钻头指向：转角确定钻压及钻头扭矩确定钻压及钻头扭矩确定钻柱或确定钻柱或BHABHA任一点内力和挠度任一点内力和

10、挠度3 3 3 3、钻头与地层相互作用模型、钻头与地层相互作用模型、钻头与地层相互作用模型、钻头与地层相互作用模型三维钻速方程三维钻速方程三维钻速方程三维钻速方程石油钻井中使用的牙轮石油钻井中使用的牙轮 钻头钻头改改 进进 后后 的的 17171 1/2 2 FS2663FS2663在在 迪迪 那那 2 2井井1325-3129m1325-3129m井井段段共共计计4 4次次入入井井，累累计计进进尺尺1723.48m1723.48m，累累计计纯纯钻钻711.9h711.9h，平平均均钻钻速速2.42m/h2.42m/h，17171 1/2 2 PDCPDC钻钻头头在在塔塔里里木木油油田田首首次

11、取得突破次取得突破针针对对山山前前构构造造地地层层变变化化频频繁繁，夹夹层层研研磨磨性性强强的的特特点点，选选用用了了DS66GJNSWDS66GJNSW钻钻头头，在在柯柯深深101101井井8 81 1/2 2 井井段段应应用用，累累计计进进尺尺1098.27m1098.27m，平平均均钻钻速速1.15m/h1.15m/h，与与柯柯深深1 1井井同同井井段段相相比比节节约约周周期期165165天天，节节约约成成本本11601160万万塔里木钻井使用的钻头塔里木钻井使用的钻头钻头的各向异性钻井特性钻头的各向异性钻井特性地层的各向异性钻井特性地层的各向异性钻井特性 实钻地层的各向异性划分实钻地层

12、的各向异性划分 Formation A:IFormation A:Ir1r1IIr2r21 (D1 (DdipdipDDstrstrDDn n)Formation B:IFormation B:Ir1r1=I=Ir2r21 (D1 (Ddipdip=D=DstrstrD1 (D1 (Ddipdip=D=DstrstrDDn n)Formation D:IFormation D:Ir1r1IIr2r21 (D1 (DdipdipDDstrstrDDn n)Formation E:IFormation E:Ir2r2IIr1r11 (D1 (DstrstrDDdipdipDDn n)Formati

13、on F:IFormation F:Ir1r11I1Ir2 r2 (D (DdipdipDDn nDDstrstr)Formation G:IFormation G:Ir1r1IIr2r2=1 (D=1 (DdipdipDIIr1r11 (D1 (DstrstrDDdipdipDDn n)Formation I:IFormation I:Ir2r21I1Ir1r1 (D (DstrstrDDn nDIIr2r2=1 (D=1 (DdipdipDDstrstr=D=Dn n)Formation K:IFormation K:Ir1r1=1I=1Ir2r2 (D (Ddipdip=D=Dn nDD

14、strstr)Formation L:IFormation L:Ir1r1=1I=1Ir2r2 (D (Ddipdip=D=Dn nD时时，钻钻头头井井斜斜力力随随钻钻压压增增大大而而降降低低，当当K时时，则则相相反反；无无论论K的的正正负负，当当K时时，钻钻头头原原有有的的变变方方位位趋趋势势随随钻钻压压增增大大而而增增强强，当当K时亦然。时亦然。参数研究参数研究钻压的影响规律钻压的影响规律l l增增斜斜钻钻具具组组合合（）。总总的的讲讲，它它受受钻钻压压的的影影响响较较大大，钻钻头头力力学学行行为为随随钻钻压压的的变变化化规规律律也也与与井井眼眼几几何何形形状状有有关关。在在斜斜直直井井眼

15、眼中中，钻钻头头增增斜斜力力随随钻钻压压加加大大而而增增强强（在在无无稳稳定定器器间间隙隙时时则则相相反反），原原有有的的变变方方位位趋趋势势随随之之削削弱弱。在在弯弯曲曲井井眼眼中中，无无论论K的的正正负负，当当K0时时，钻钻头头井井斜斜力力随随钻钻压压增增加加而而变变大大，当当K时时，则则相相反反；无无论论K的的正正负负，当当K时时，钻钻头头原原有有的的变变方方位位趋趋势势随随钻压的增加而减弱，当钻压的增加而减弱，当K时亦然。时亦然。参数研究参数研究钻压的影响规律钻压的影响规律l l稳稳斜斜钻钻具具组组合合（）。在在斜斜直直井井段段，钻钻压压对对钻钻头头井井斜斜力力影影响响很很小小，而而对

16、对方方位位力力影影响响较较大大（增增加加钻钻压压可可减减弱弱原原有有的的变变方方位位趋趋势势）。在在弯弯曲曲井井段段，钻钻压压对对钻钻头头方方位位力力影影响响甚甚小小，而而对对井井斜斜力力影影响响较较大大：当当井井眼眼为为增增斜斜增增方方位位或或降降斜斜增增方方位位时时，钻钻压压增增加加使使钻钻头头井井斜斜力力变变小小；当当井井眼眼为为降降斜斜减减方方位位或或增增斜斜减减方方位位时时，钻钻压压增增加加使使井井斜力变大。斜力变大。参数研究参数研究钻头扭矩的影响规律钻头扭矩的影响规律l l钻钻头头扭扭矩矩是是影影响响钻钻头头力力学学行行为为的的又又一一个个重重要要参参数数。由由于于它它的的作作用用

17、，使使得得井井斜斜方方向向和和方方位位方方向向的的变变形形相相互互耦耦合合，因因而而使使变变形形分分析析复复杂杂化化。当当令令扭扭矩矩等等于于零零时时，则则井井斜斜方方向向和和方方位位方方向向的的变变形形互互不不干干扰扰，从从而而使使问问题题的的求求解解大大为为简简化化（变变为为二二维维变变形形问问题题的的求求解解）。钻钻头头扭扭矩矩虽虽然然对对三三类类钻钻具具组组合合的的钻钻头头井井斜斜力力影影响响很很小小，但但对对钻钻头头方方位位力力影影响响很很大大。在在钻钻井井过过程程中中，钻钻头头扭扭矩矩与与钻钻压压密密切切相相关关。当当其其它它因因素素固固定定时时，钻钻头头扭扭矩矩是是钻钻压压的的线

18、线性性函函数数。因因此此在计算中，钻头扭矩和钻压应同时确定。在计算中，钻头扭矩和钻压应同时确定。参数研究参数研究影响因素分析影响因素分析FF钻钻井井液液的的浮浮力力影影响响。底底部部钻钻具具组组合合在在充充满满钻钻井井液液的的井井眼眼里里工工作作，必必然然受受到到浮浮力力的的作作用用。研研究究结结果果表表明明，浮浮力力作作用用使使钻钻柱柱单单位位长长度度重重量量减减轻轻，即即钻钻柱柱在在钻钻井井液液里里的的单单位位长长度度重重度度qKf q0（其其中中q0表表示示钻钻柱柱在在空空气气中中的的单单位位长长度度重重量量；Kf为为浮浮重重系系数数，取取决决于钻井液和钻柱材料的重度）。于钻井液和钻柱材

19、料的重度）。参数研究参数研究井眼几何井眼几何的影响的影响l l井井斜斜角角的的影影响响。底底部部钻钻具具组组合合（BHA）横横向向分分布布载载荷荷不不仅仅源源于于钻钻铤铤的的自自重重，而而且且与与井井斜斜角角密密切切相相关关。当当BHA选选定定后后，其其横横向向和和轴轴向向的的分分布布载载荷荷大大小小均均随随井井斜斜角角的的变变化化而而变变化化。BHA的的弯弯曲曲变变形形与与其其横横向向载载荷荷和和轴轴向向载载荷荷均均有有较较大大关关系系，因因而而钻钻头头力力学学行行为为也也必必然然如如此此。计计算算结结果果表表明明，降降斜斜钻钻具具组组合合和和增增斜斜钻钻具具组组合合的的钻钻头头井井斜斜力力

20、受受井井斜斜角角的的影影响响较较大大，而而稳稳斜斜钻钻具具合合的的钻钻头头井井斜斜力力则则受受其其影影响响较较小小；另另一一方方面面，稳稳斜斜钻钻具具组组合合和和增增斜斜钻钻具具组组合合的的钻钻头头方方位位力力受受井井斜斜角角的的影影响响较较大大，而而降降斜斜钻钻具具组组合合的的钻钻头头方方位位力力则则受受其其影影响响较较小小。此此外外，地地层层各向异性钻井特性也与井斜角有关。各向异性钻井特性也与井斜角有关。参数研究参数研究井眼几何井眼几何的影响的影响l l井井眼眼曲曲率率的的影影响响。各各种种底底部部钻钻具具组组合合均均具具有有弹弹性性和和抗抗弯弯刚刚度度，当当它它们们受受到到井井眼眼的的弯

21、弯曲曲作作用用时时，必必然然会会表表现现出出自自身身的的反反抗抗响响应应。计计算算结结果果表表明明，底底部部钻钻具具组组合合的的力力学学特特性性对对井井眼眼曲曲率率的的敏敏感感性性响响应应，表表现现为为稳稳斜斜型型最最强强，增增斜斜型型次次之之，降降斜斜型型相相对对最最弱弱；同同时时可可发发现现，由由于于扭扭矩矩的的耦耦合合作作用用，井井斜斜变变化化率率尽尽管管主主要要影影响响井井斜斜力力，但但同同时时也也对对钻钻头头方方位位力力有有一一定定的的影影响响；井井斜斜方方位位变变化化率率虽虽然然主主要要影影响响钻钻头头方方位位力力，但但同同时时也也对对井井斜斜力力有有一一定定的的作作用用效效果果。

22、另另外外，井井眼眼曲曲率率对对底底部部钻钻具具组组合合的的大大挠挠度度非非线性效应具有较大影响。线性效应具有较大影响。参数研究参数研究井眼几何井眼几何的影响的影响l l井井径径扩扩大大的的影影响响。BHA的的弯弯曲曲变变形形，总总是是受受井井眼眼几几何何形形状状的的严严格格约约束束。当当遇遇到到井井径径扩扩大大时时，井井眼眼视视半半径径便便增增大大，井井眼眼对对BHA的的约约束束空空间间就就发发生生变变化化，从从而而影影响响BHA的的变变形形状状态态。计计算算结结果果表表明明，井井径径扩扩大大对对三三类类BHA力力学学行行为为的的影影响响程程度度有有所所不不同同，其其中中以以稳稳斜斜型型受受井

23、井径径扩扩大大的的影影响响最最大大，增增斜斜型次之，而降斜型受其影响则甚小。型次之，而降斜型受其影响则甚小。l l井井斜斜方方位位的的影影响响。井井斜斜方方位位对对钻钻进进方方向向的的影影响响，主主要要是是通通过过地地层层的的各各向向异异性性钻钻井井特特性性发发生生作作用用的的。假假若若地地层层因因素素固固定定不不变变，则则在在钻钻进进过过程程中中地地层层对对井眼轨迹的影响效果随井斜方向变化而变化。井眼轨迹的影响效果随井斜方向变化而变化。参数研究参数研究BHA旋转运动特性旋转运动特性 以以DTU螺螺杆杆钻钻具具组组合合为为例例，讨讨论论井井下下动动力力钻钻具具组组合合的的定定向向钻钻进进特特性

24、性。当当钻钻柱柱不不旋旋转转（锁锁住住转转盘盘）钻钻进进时时，则则DTU马马达达的的转转子子（或或钻钻头头）处处于于自自转转状状态态，并并根根据据钻钻具具组组合合工工具具面面的的方方位位定定向向钻钻进进，可可达达到到变变化化井井斜斜和和方方位位的的控控制制目目标标。当当开开动动转转盘盘（低低速速）钻钻进进时时，则则DTU马马达达的的转转子子（或或钻钻头头）将将处处于于涡涡动动状状态态，即即它它不不仅仅绕绕本本身身轴轴线线自自转转，而而且且随随着着马马达达外外壳壳绕绕井井眼眼中中心心进进动动（或或公公转转），从从而而实实现现稳稳斜斜或或水水平平段段定定向向钻钻进进的的控控制制目目标标。可可见见，

25、可可通通过过控控制制井井下下动动力力导导向向钻钻井井系系统统的的旋旋转转运运动动状状态，来实现对井眼轨迹的连续控制。态，来实现对井眼轨迹的连续控制。7 7、SPE/IADC 52835:Quantifying BHA Tendency with SPE/IADC 52835:Quantifying BHA Tendency with Field Directional Drilling Data&Finite Element ModelField Directional Drilling Data&Finite Element ModelSPE/IADC 52835:Quantifying B

26、HA Tendency with Field Directional Drilling Data&Finite Element Model 光钻铤大钻压防斜技术光钻铤大钻压防斜技术“动力学动力学”防斜打快理论防斜打快理论偏轴防斜打快技术偏轴防斜打快技术“刚柔组合刚柔组合”钟摆钻具防斜技术钟摆钻具防斜技术井下动力钻具防斜打快技术井下动力钻具防斜打快技术高陡构造预测控制井眼轨迹中靶技术高陡构造预测控制井眼轨迹中靶技术8.8.井斜控制理论与技术井斜控制理论与技术 井下测量与过程可视化：井下测量与过程可视化：井下测量与过程可视化：井下测量与过程可视化：l lMWDMWDMWDMWD、LWDLWDLWD

27、LWD、SWDSWDSWDSWD、PWDPWDPWDPWD及近钻头力学测量等及近钻头力学测量等及近钻头力学测量等及近钻头力学测量等l l可视化：几何、地质及力学可视化等可视化：几何、地质及力学可视化等可视化：几何、地质及力学可视化等可视化：几何、地质及力学可视化等井下智能控制系统：硬件和软件。井下智能控制系统：硬件和软件。井下智能控制系统：硬件和软件。井下智能控制系统：硬件和软件。旋转可控钻井系统（主要用于大位移钻井）：旋转可控钻井系统（主要用于大位移钻井）：旋转可控钻井系统（主要用于大位移钻井）：旋转可控钻井系统（主要用于大位移钻井）：l lAuto Track RCLSAuto Track

28、 RCLSAuto Track RCLSAuto Track RCLS系统系统系统系统l lPower Drive SRDPower Drive SRDPower Drive SRDPower Drive SRD系统系统系统系统l lGeo-PilotGeo-PilotGeo-PilotGeo-Pilot系统等系统等系统等系统等 三维可控与可视化钻井三维可控与可视化钻井 测量与计算测量与计算 现代测量工具主要以现代测量工具主要以固态传感器测量地球固态传感器测量地球自然场（重力场、磁自然场（重力场、磁力场和旋转场），与力场和旋转场），与其相关的典型独立误其相关的典型独立误差源有差源有：uu原始传

29、感器误差原始传感器误差 uu测量深度误差测量深度误差 uu磁偏角误差磁偏角误差uu磁干扰误差磁干扰误差uu磁化纠正误差磁化纠正误差uu钻具组合下垂钻具组合下垂uu不同轴误差不同轴误差例如：井眼轨迹不例如：井眼轨迹不例如：井眼轨迹不例如：井眼轨迹不确定性及其可视化确定性及其可视化确定性及其可视化确定性及其可视化井下导向工具设计研究井下导向工具设计研究 地面遥控可调弯接头地面遥控可调弯接头回转轴线回转轴线下弯短节轴下弯短节轴线回转锥线回转锥 结构设计结构设计结构设计结构设计 遥控技术遥控技术遥控技术遥控技术 结构强度结构强度结构强度结构强度旋转可控导向机构旋转可控导向机构（Power Drive SRDPower Drive SRD系统系统）旋转可控导向机构旋转可控导向机构（Auto Track RCLSAuto Track RCLS系统系统）旋转可控导向机构（旋转可控导向机构（Geo-PilotGeo-Pilot系统系统）欢迎批评指正！欢迎批评指正！