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定向井基础知识

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定向井 轨迹 控制 节制 技术
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中海油田服务有限公司油田技术事业部—邢忠玺向钻井的引入•定向井基本概念•定向钻井测量工具•定向钻井设计•定向井主要钻井工具•井眼轨迹控制定向钻井的引入定向钻井的引入一、概述1、定向井引入石油钻井界约在 19世纪后期,当时的定向井是在落鱼周围侧钻。2、世界上第一口真正有记录的定向井是 1932年美国人在加利福尼亚亨延滩油田完成。3、 1934年,德国的克萨斯康罗油田一口井严重井喷。4、二战后生产的发展,海洋石油的开发,井下动力钻具的研制,计算技术的进步促进了定向井技术的发展。定向钻井的引入5、我国的第一口定向井是1955年在玉门油田钻成,井号为15井。1965年在四川油田钻成了我国第一口水平井,磨三井,水平延伸160m,是世界上第二个钻成水平井的国家。6、四川油田的草16井,1987年钻成,是一口过长江定向井。7、胜利油田的河50丛式井组,1988年完成,一个陆地平台钻成35口定向井。定向钻井的引入二、定向井的应用范围1、地面限制海桥梁、沟壑、建筑物 、绕过盐丘定向钻井的引入2、钻井技术的需要处理井下复杂情况 ;显示钻井能力 ;定向钻井的引入1)新疆柯 3井,井喷失控着火,几年后请美国人来钻定向救援井。2)我国自行设计、施工的数口成功的定向救援井:濮 2—151井(中原油田)、永 59井(胜利)、南 2—1井(青海)。均成功地制服了井喷失控事故。3)侧钻定向井已为一般钻井公司所掌握。4)川东钻探公司高陡构造区块移动地面井位的钻井技术。5)渤海优快钻井技术。定向钻井的引入3、地质条件要求 : 增产由于地质构造特点,定向井能更有利于发现油藏、增加开发速度。定向钻井的引入4、节省成本:海上、沙漠、向井基本概念定向井基本概念一、定向井的定义定向钻井是使井眼沿预先设计的井眼轴线(井眼轨迹)钻达预定目标的钻井过程。(井斜控制是使井眼按规定的井斜、狗腿严重度、水平位移等限制条件的钻井过程)。定向井基本概念1、按照井型分类a、常规定向井b、大斜度定向井c、水平井d、分支井e、连通井2、按照曲率分类分类造斜率(°/100半径(半径286516915类定向井基本概念测深、垂深井斜角、方位角水平位移、闭合距、闭合方位角视平移定向井基本概念 井斜方位角:– 某测点处的井眼方向线投影到水平面上,称为井眼方位线,或井斜方位线。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,即井眼方位角。注意,正北方位线是指地理子午线沿正北方向延伸的线段。所以正北方位线和井眼方位线也都是有向线段,都可以用矢量表示。有关定向井测量参数的基本概念和作用 磁偏角– 目前广泛使用的磁性测斜仪是以地球磁北方位为基准的。磁北方位与正北分位并不重合而是有个夹角,称为磁偏角。磁偏角又分为东磁偏角和西磁偏角。东磁偏角指磁北方位线在正北分位线的东面,西磁偏角指磁北方位线在正北分位线的西面。用磁性测斜仪测得的井斜方位角称为磁方位角,并不是真方位角,需要经过换算求得真方位角。这种换算称为磁偏角校正。换算的方法如下:• 真方位角=磁方位角+东磁偏角• 真方位角=磁方位角-西磁偏角有关定向井测量参数的基本概念和作用 井斜角:– 过井眼轴线上某测点作井眼轴线的切线,该切线向井眼前进方向延伸的部分称为井眼方向线。井眼方向线与重力线之间的夹角就是井斜角。显然,井眼方向线与重力线都是有向线段。井斜角表示了井眼轨迹在该测点处倾斜的大小。– 井斜角常以希腊字母α表示,单位为度 (° )。一个测段内井斜角的增量总是下测点井斜角减去上测点井斜角,以Δα表示。有关定向井测量参数的基本概念和作用 有关测量结果的参数– 井斜 :井斜角 方位 :方位角是表示井眼偏斜的方向,它是指井眼轴线在水平面的投影的方向与正北方向之间的夹角。– 工具面( 磁性工具面 、 高边工具面 )磁工具面示意图高边工具面示意图有关定向井测量参数的基本概念和作用有关数据处理和计算的参数– 真北方位:井眼轴线在水平面的投影的方向与地理北方向之间的夹角。– 磁北方位 :井眼轴线在水平面的投影的方向与地磁场水平分量方向之间的夹角。– 网格北方位 :井眼轴线在水平面的投影的方向与网格北(高斯投影区中央子午线)方向之间的夹角。有关定向井测量参数的基本概念和作用有关数据处理和计算的参数– 测量记录: ( 每一个新的测点数据经计算和处理以后产生一个新的测量字段,每一个测量字段除包括测量的三个基本要素以外,还包括描述该测点的空间坐标位置以及该井段的井眼轨迹质量的参数。– 定向井测量的三个基本基本要素,以及该点的空间坐标构成, 使经后的测量字段的计算以该点作为基准,而忽略以前的测量数据。定向井基本概念视平移 ———测点水平位移在设计方位线上的投影,米坐标和——— 测点在以井口为原点的)、东(E)、垂深(H)三个坐标分量,米。水平投影上的方位变化(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。=φφ=φϕ定向井基本概念根据条件式化简整理得ϕαϕα ,αφα222=对一个测段来说 =∆∆=φϕαα ,)2(21αααα+=, (α1、α2)分别为上下测点井斜角φα222 ∆∆+∆∆=可得井眼曲率定向井基本概念狗腿度概念钻进一定长度( 30米)的井眼角度(空间全角)变化 。γ在前面的井眼曲率计算式中,若用代入上式可得∆=用该式可先求出狗腿角 γ,再用 求出曲率K。γ定向井基本概念高斯平面直角坐标系已知某点大地经度 L,可按下式计算该点所属的带号:n= L/6(的整数商)+ 1(有余数时)中国 11个 6°带, 13~23带(中央子午线 75 ° ~135 ° )北京位于 6°带的第 20带,中央子午线的经度 117度。60L有关数据处理和计算的参数– 磁场强度:地磁场的强度。– 磁偏角( 地理北方向到地磁场水平分量之间的夹角。顺时针取正直,逆时针取负值。– 磁倾角( 地磁场方向与水平面之间的夹角。– 测点深度:井口位置至仪器传感器之间的距离定向钻井设计油田生命历程-钻采设计前期研究阶段油田开发阶段生产阶段勘探阶段预可行性研究可行性研究 海上油气田开发各主要设计阶段的要点1、预可研(机会研究)阶段 ——机会分析2、可行性研究阶段 ——方案比选3、总体开发方案研究 ——方案细化4、基本设计阶段 ——优化方案5、详细(单井,施工)设计 ——能力校核6、实施阶段 ——作业实施7、废弃阶段 ——油田归零定向井设计定向井轨迹设计与计算井参数1、 定向井准备向作业者索取资料1、钻井技术要求 2、地质资料3、靶点描述和限制 4、井身结构与套管程序5、钻铤及加重钻杆的资料 6、泥浆泵型号、马力7、邻井资料 8、泥浆程序9、钻井承包商名称及钻机10、工具运输和人员计划11、钻井工具的最小直径1、 定向井准备定向井基本数据确定1、造斜点2、井斜3、方位4、井斜变化率5、垂深6、闭合距和闭合方位7、预留角1、 定向井准备服务公司应提供的设计资料1、定向井设计书 2、工具及设备清单3、磁偏角 4、总体定向井钻井方案5、人员设备的运输计划 6、技术人员的证书7、仪器精度 8、工具合格证探伤报告2、定向井准备 定向井工具:井眼直径范围 6”~17 1/2”2、 定向井准备 定向钻井对泥浆的要求1、润滑性能好2、钻井液要均匀(无气泡)3、含砂量小于 1%4、应满足携砂要求5、与地层的配伍性要好6、比重、粘度、切力2、定向井设计 平台位置选择O 总位移最少O 总井深最少O 尽量降低最大井斜角,反之2、平台位置、平台位置2、 定向井设计 造斜点的选择1、选择地层均一,可钻性好的地层2、 0米,套以免损坏套管鞋3、初始造斜的准确性非常重要4、大于 25度的定向井方位易控制2、 定向井设计造斜率选择1、大斜度大位移定向井: 2~3度 /30米2、一般丛式井 3 ~5度 /30米降斜率1、对于 “S”井眼,通常降斜率 1~2度 /30米2、如降斜后仍然要钻长的井段,降斜率还要小,以免键槽卡钻2、定向井设计设计稳斜段的井斜角要小1、一般定向井 20~60度,电测、完井容易2、大于 60度电测、完井困难2、定向井设计导角(方位预留角)1、定义:实际造斜时的方位与设计方位的差值2、利用地层的自然漂移趋势来预留3、根据钻具组合和钻头形状而留4、自定向井成立以来最大方位预留角28度,并成功进靶5、但丛式井对方位预留角有限制圆柱,以免井眼碰撞2、定向井设计狗腿严重度1、定义:描述井眼轨迹全角变化的尺度2、公式: 3、狗腿严重度大,易产生键槽卡钻、钻具易产生疲劳破坏2、定向井设计仪器干扰信号1、钻具 2、邻井套管3、泥浆泵 4、通讯设备5、泥浆介质 6、泥浆马达2、轨迹设计与计算剖面类型选择选择井剖面不是一件容易的事,必须考虑:地质条件、套管程序、目的层的位置、及钻井技术水平1、定向井剖面类型: “J”型、 “S”型: “水平井 ”2、 “J”型:剖面简单、易操作3、 “S”型:4、水平井轨迹设计与计算井身剖面的设计:有三种:作图法、查图法、解析法1、作图:已知条件:)测各段的参数3、轨迹设计与计算图步骤(对垂直投影)(1) 定造斜点。作平行线,按井斜半径画园,作造斜段。(2)定井底。定进油层段,定最下一个稳斜点。(3)按减斜半径画园,作减斜段。(4)画两园的切线,作稳斜段。(5)测最大造斜角2、查图法:3 、轨迹设计与计算井身剖面的设计:3、解析法:由于计算机的迅速普及且精度高,解析法为广泛应用。; ;o^2+o)^(22*o=11+ 0=R2+==定向井井身剖面设计)−=+−=+=−+−−=井眼轨迹的计算方法:1、直线法:正切法和平均角法2、折线法:平衡正切法3、曲线法:圆柱螺旋法(曲率半径法)、校正平均角法和弦步法现场常使用的方法1、钻台使用计算器时,一般用平均角法2、交报告用计算机时,最小曲率半径法•主要计算方法(脚标1表示上测点、角标2表示下测点)1、平均角法、平均角法此法认为:两测点间的测段为一直线,该直线的方向 为上、下二测点处井眼方向的 “平均方向 ”。已知: α1、 φ1、 α2、 φ2、 ∆+=12α1α2第三节 实际井眼轴线的计算和绘制222121φφφααα+=+==∆=∆∆+=∆=∆∆+=∆=∆∆+=∆=∆12121212测点计算:12α1α2∆H∆ N∆衡正切法不准确,目前少采用第三节 实际井眼轴线的计算和绘制3、园柱螺线法(曲率半径法)假设 :两测点间的井段是一条等变螺旋角(dα/数)的园柱螺线,螺线在两端点处与上、下二测点处的井眼方向相切。园柱螺线的水平投影图是园弧。园柱螺线的垂直剖面图是园弧 。第三节 实际井眼轴线的计算和绘制将柱面展开为平面:第三节 实际井眼轴线的计算和绘制柱螺线法(曲率半径法)第三节 实际井眼轴线的计算和绘制12121221122112)∆−=∆−=∆−=∆−=∆∆∆•=−=∆−=∆∆∆•=φφφαααφφφφφπαααααπ5、最小曲率法该法假设 :两测点间的井段是空间某一平面上的园弧,园弧在两端点处与上、下二测点处的井眼方向线相切。第三节 实际井眼轴线的计算和绘制12M① 计算测段的狗腿角 β和曲率半径R(用矢量法公式算)②据 β、际井眼轴线的计算和绘制221ββ=第三节 实际井眼轴线的计算和绘制③ 由二切线与重力线的夹角,计算测段的垂增 ∆2)(121′′∆′′22112121∆∆=∆+∆=+=′′′′+′′=∆④据 ∆测段的和际井眼轴线的计算和绘制)=∆+∆=∆+∆=∆+∆=∆定向井井下工具泥浆马达、扶正器、单流阀、非磁钻铤、 向接头、弯接头、短钻铤、开窗工具 、旋转导向系统定向井仪器蓝、 浆马达泥浆马达– 泥浆马达的功用– 组成:驱动头、轴承总成、万向轴、转子、定子和旁通阀1、定子和转子:头数、转速、扭矩、螺旋方向、导程旁通阀:作用、活塞关闭排量2、轴承总成:用轴承支撑驱动头,将马达的转动和扭矩传给钻头。约有 2~5%的泥浆排量通过并润滑径向轴承3、万向轴:将转子的非同心转动转变为驱动头的同心转动。4、导程旁通阀:作用、活塞关闭排量5、为什么弯接头要制造在定子上1、泥浆马达国产马达名牌: x - - 1、转子头数2、螺杆钻具3、钻具外径4、钻头最大水眼压降5、径向轴承类型: 子及壳体类型: 03体加弯接头1、泥浆马达泥浆马达操作参数及注意事项工作压力循环压力工作压差马达井口试验应注意的问题不同马达所允许的轴向间隙马达使用结束后应注意的问题马达到达井场后先要作什么1、泥浆马达泥浆马达操作参数及注意事项旁通阀失效后怎么,如何处理马达与 井口试验马达注意事项造斜时为什么将转盘锁死不同排量下的钻头转速马达井下故障判断与排除(压力突然升高、压力逐渐升高、无机械进尺)2、弯接头弯接头的标志弯接头的高边弯接头度数的计算弯接头与马达和非磁钻铤相连接时的注意事项3、非磁钻铤内外径的测量内径与不同型号的 丝扣连接要求非磁钻铤易出现的问题4、扶正器扶正器分类作用扶正器的形状使用扶正器学问5、短钻铤长度与井眼轨迹的关系外径与井眼轨迹的关系6、单流阀作用单流阀的类型使用单流阀注意事项7、其他定向井工具开窗工具 1 配合接头 6打捞杯循环头 2柔性接头 7承托环旁通头 3振击器变向器 4键槽破坏器承托环 5减振器随钻测量仪器介绍随钻测量仪器的分类– 磁通门及重力加速度计传感器类测量仪器• 电子多点• 有缆随钻测斜仪( 无缆随钻测斜仪( 陀螺类测斜仪• 随钻测量仪器的分类– 罗盘照相类测斜仪• 时钟定时单点• 无磁(蒙耐尔)传感器单点• 自浮式单点 磁通门及重力传感器测斜仪介绍– 结构原理• 三个磁通门传感器( 如图)• 三个重力加速度计传感器( 如图)• 温度传感器– 测量结果的计算• 井斜的计算 )• 工具面的计算 x); x)• 方位的计算 (– 该类仪器的优、缺点• 测量精度高• 较高的抗振动能力• 易受磁干扰– 无磁钻铤的使用• 无磁钻铤的选择( 如图)• 非 磁通门及重力传感器测斜仪介绍– 结构原理• 们分别是脉冲器和电子探管 磁通门及重力传感器测斜仪介绍– 结构原理• 井下探管根据自身的采样数据,对其进行编码后,驱动脉冲器进行机械运动,产生泥浆脉冲,地面立管上的压电传感器接收脉冲变化,地面设备进行解码输出。• 利用重力加速度计做倾角传感器,用磁通门做方位参数传感器,用集成电路温度传感器提供井下温度参数管脉冲器压力传感器地面接收系统泥浆脉冲测量信号给探管供电井眼轨迹控制井眼轨迹控制根据地层情况,选择钻具组合,优化和调整钻井参数,使井眼沿预计的轨迹前进,最终钻达目的层,中靶。定向井工程师负责:资料收集、质量计划、设计书、与甲方的沟通、作业指令、钻具组合、钻井参数、完井报告等 ….部钻具组合1. 钻具组合的刚级2. 底部钻具组合的类型:根据组合的设计目的或作用效果的不同,可将底部钻具组合分为三类增斜钻具、稳斜钻具、降斜钻具;附加造斜钻具造斜钻具: 12 1/4” 1/2 “””12 1/4”2 1/4” ”8”12 1/4” 8”12 1/4” 8””12 1/4””12 1/4” 8”2 1/4” ””12 1/4”12 1/4” 8”12 1/4” 8”2 1/8” ””12 1/4” 1/2 " +11 1/4 “” ”S “F/J & 5”性、12 1/4 ”井眼的底部钻具组合为例1、 底部钻具组合3、钻具组合受力底部钻具组合表现不同的效果,是由于不同的钻具有各自的力学特性,产生钻头侧向力的方向和大小不同。4、预测井眼轨迹要考虑的方面※底部钻具组合的受力分析※地层的因素※钻头结构、形状※侧向切削模型和轴向切削模型,确定侧向力2、钻具组合影响轨迹1、 1##(刚度)钻铤内外径、材料3、扶正器尺寸4、钻头类型和冠部形状3、钻井参数1、钻压2、 转速3、排量4、地层因素1、岩性2、均匀性3、走向、倾向、倾角谢谢谢谢!
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