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定向井钻井技术

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定向井 钻井 技术
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一、定向井钻井技术(一)井眼轨道优化设计1. 概述井眼轨道优化设计是实现定向钻井的首要任务,它直接关系到钻井的经济技术指标,乃至钻井施工的成败。合理的井眼轨道设计方案应有利于安全、优质、快速钻井。通常,无论实钻井眼轨迹是二维还是三维,井眼轨道都设计成二维剖面,这是目前井身剖面设计的主要形式,在有靶前位移\障碍物等限制时,也是尽可能的设计成二维轨道,在无法满足地质要求时才设计为三维井眼轨道。随着钻井技术的进步,近年来三维井眼轨道的优化设计技术发展较快,主要体现在以下方面。1)方位漂移轨道设计在定向钻进过程中,普遍存在着方位漂移现象。特别是,高陡构造条件下采用旋转钻井方式钻进时,方位漂移问题往往更为突出。在准确了解地层漂移规律的前提下,利用方位漂移规律钻进,可以减少扭方位操作和起下钻次数、减少井眼轨道控制的难度和工作量,由于可采用较大的钻压,所以能够提高钻井速度和井身质量、降低钻井成本。2)最小摩阻轨道设计摩阻和扭矩的增加是大位移井中的突出问题。基于最小摩阻原理的井眼轨道优化设计技术,可以提高大位移井的延伸能力、井身质量和钻井钻速。3)软着陆修正轨道设计常规的定向井修正轨道设计方法只要求击中目标,对入靶的井眼方向没有要求。随着水平井、大位移井、多目标井等钻井技术的发展,这样的修正设计概念和方法已不能满足对井眼轨道监控的需要。与中靶要求相比,对井眼方向的有效控制往往显得更为重要。否则,将会增大后续井段轨道控制的难度和工作量,给施工带来不利影响,甚至导致脱靶。软着陆修正轨道设计解决了给定靶点位置和入靶方向条件下的修正轨道设计难题。2. 国内外现状在井眼轨道优化设计理论的研究方面,总体上国内与国外具有同等的技术水平,其中个别技术我国处于领先地位。目前,二维井眼轨道优化设计早已是比较成熟的技术。上述三维井眼轨道设计技术的理论问题已基本得到解决,并取得了良好的现场试验效果。3. 发展趋势井眼轨道的优化设计技术是以满足油田勘探开发要求为基础的。随着油田勘探开发工作的不断深入,特殊工艺井的数量不断增加。因此,多目标井、绕障井、分支井的三维井眼轨道优化设计将是近期的研究热点。(二)井眼轨迹监测技术1. 概述实钻井眼轨迹的描述与计算是井眼轨迹监测与控制的基础,也是后续生产作业和油田开发的重要资料。其核心技术是随钻测量和测斜计算。1)随钻测量技术近年来,随钻测量(重要进步主要体现在:(1)具备了随钻测井及地质导向的能力;(2)传感器更靠近钻头,提高了实时决策的准确性;(3)电磁波传输技术取得了显著进展,它具有传输速率快、不受介质类型影响等特点。目前国际上使用的 别是深井使用的 要以泥浆脉冲传输为主,套管开窗侧钻井以有线随钻为主,高温探管的使用温度最高在 150℃。随钻测量系统的常用组件及功能见表 3前,式三组合随钻测井已经实现,四组合测井也已成为可能。表 3随钻测量系统的常用组件及功能测量工具 测量项目随钻测量/测井) 井斜角、方位角、工具面角、钻压、扭 矩双侧向补偿电阻率) 浅层电阻率 层电阻率 射线、环空压力阵列式补偿电阻率) 测量项目类似 有更高的分辨率方位密度中子)/补偿密度中子) 井眼方位、地层中子孔隙度、地层密度声波) 声波地层导向测井) 钻头倾斜角、钻头电阻率、环形电阻率、射线、液马达转速近钻头电阻率) 侧向电阻率、 射线、成像测井钻头倾角测量) 可配合 用2)测斜计算方法通常认为,实钻井眼轨迹是一条连续光滑的空间曲线,但是测斜时只能获得各测点处的基本参数,很难知道各测段内井眼轨迹的实际形态,所以实钻井眼轨迹的计算方法都是建立在一定的基本假设和数学模型基础上的。目前,应用最为广泛的是:最小曲率法和圆柱螺线法( 曲率半径法)。为了提高计算精度和可靠性,国内外学者一直致力于测斜计算理论的研究,使其不断地发展和完善。近年来,先后提出了自然曲线法、曲线结构法和数值积分法三种新方法,它们具有计算精度高、稳定性好等特点,并得到了国内外的普遍公认,总之,目前公认的测斜计算方法完全可以满足钻井工程的要求,同时也不会因测斜计算方法的差异产生较大的计算误差。经大量的理论分析和现场应用,各种测斜计算方法的分析和评价结果见表 3 3典型测斜计算方法的评价结果计算方法 基本假设 精度次序 结论数值积分法 井斜角和方位角都是井深的三次函数,用数值积分的方法计算空间坐标。 1 优秀曲线结构法 测段内的坐标增量依赖于两端测点的井眼曲率和井眼挠率,按空间曲线邻近结构理论计算。 2 很好自然曲线法 井斜变化率和方位变化率分别保持为常数的空间曲线。 3圆柱螺线法 在垂直剖面图和水平投影图上,曲率分别为常数的空间曲线。 4最小曲率法 斜面圆弧曲线。 4良好校正平均角法 圆柱螺线法的近似计算方法。 5弦步法 斜面圆弧曲线,将测段长度作为圆弧的弦长。 6 较好平均角法 直线段,其井斜角和方位角取为测段的平均值。 6平衡正切法 折线段,其井斜角和方位角分别取为端点值。 7 可用2. 国内外现状目前,国内大多数定向井还以单点测斜为主,有一定难度的定向井与深井定向井以有线或无线随钻为主,对于水平井国内则以 主,国内生产的 深试验到垂深3000m 左右。在随钻测量技术方面,国外一直主导着随钻测量工具的发展方向,国内以技术引进为主。在随钻测量的高新技术领域,国内尚有 10 年以上的差距。在测斜计算方法研究方面,国内长期与国外保持同步研究,并略占优势。特别是,近年来国内先后提出了自然曲线法、曲线结构法和数值积分法等新方法,其研究成果处于领先水平。3. 发展趋势未来的随钻测量系统将向着大信息量、高传输速率的方向发展,具有更好的可靠性、准确性和适应性。同时,在测量系统的功能上,也会不断地拓展和扩充。为了满足油田勘探开发的需要,对井眼轨迹控制精度的要求将会越来越高,因此测斜精度以及误差分析技术必将不断地发展和完善。(三)井眼轨迹控制技术1. 概述井眼轨迹控制的实质是以可控因素为手段,利用不可控因素,使钻头沿着预定的轨迹钻进。钻具组合力学特性和钻头与地层相互作用分析是井眼轨迹控制技术的核心。1)钻具组合力学特性分析底部钻具组合(简称 力学特性是影响井眼轨迹的重要因素。在了解地层造斜特性的基础上,根据对 力学特性分析可以预测井眼轨迹,通过设计不同性能的 )钻头与地层相互作用钻井所钻遇的地层多为沉积岩,其抗载强度、硬度、可钻性等机械性质具有明显的各向异性。与之类似,钻头切削岩石的效率也具有各向异性特性。结合钻具组合的力学特性分析,通过宏观分析和等效处理等方法,可以预测和控制井眼轨迹。2. 国内外现状1950 年 开了 学分析定量研究的序幕,在随后的 50 余年中,其力学模型从一维发展到三维、从小变形发展到大变形、从静态发展到动态。形成了 4 种具有代表性的方法,即以 代表的微分方程法,以 代表的有限元法,以 代表的能量法和以白家祉为代表的纵横弯曲法。基本上可以满足常规井眼轨迹控制的需要,纵横弯曲法以其实用性较好在国内钻井界得到了大力的推广应用。钻头与地层相互作用的定量研究主要是采用各向异性理论。但由于其作用机理十分复杂,所钻遇的地层又千变万化,所以实际应用效果不够理想。总之,在井眼轨迹控制技术的研究领域,国内与国外基本上是保持着平行研究,并有所发展和创新。其中,学分析的纵横弯曲法为我国首创。3. 发展趋势近年来,世界范围内钻大位移井的热潮,进一步推动了井眼轨迹控制技术的研究和应用。特别是,摩阻分析、管柱屈曲、钻柱涡动等领域的研究工作比较活跃,并取得了一定的进展,预计这些领域仍是近期研究的热点。
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