摘要
定向井技术是当今世界石油勘探开发领域最先进的钻井技术之一，它是由特殊井下工具、测量仪器和工艺技术有效控制井眼轨迹，使钻头沿着特定方向钻达地下预定目标的钻井工艺技术。采用定向井技术可以使地面和地下条件受到限制的油气资源得到经济、有效的开发，能够大幅度提高油气产量和降低钻井成本，有利于保护自然环境，具有显著的经济效益和社会效益。定向井就是使井身沿着预先设计的井斜和方位钻达目的层的钻井方法。本文介绍的主要是定向井及水平井的应用。
关键字：定向井 水平井及前沿技术发展
1、定向钻井的目的：
1、 地面条件限制；如高山、大河、湖泊、海洋、城市、建筑等；
2、 地下条件限制；如地下断层、盐丘、穹窿等复杂地层；
3、 钻井工艺要求；如侧钻井、救援井、丛式井、分支井等；
4、开发油气藏的需要。
钻水平井的目的是：
1
1、 开发低渗透、低孔隙度油气藏；
2、 丛式钻井和海洋钻井的需要。
主要内容有：
1、定向井和水平井剖面设计；
2、定向井和水平井井眼轨迹测量和计算；
3、定向井和水平井井眼轨控制原理和技术。
发展状况：
最早的定向井是用于井下落鱼而无法继续钻进的侧钻井；用专门的工具及技术钻定向井则始于1895年。真正钻定向井是1930年在美国的加里福尼亚开采海岸浅层石油。1934年用于井喷失控的救援井。广泛使用定定向井是在最近20年。在此基础上为了开发低渗透油气藏和海洋、从式井的需要又出现了水平井技术。
目前，定向井水平井已发展到很高的水平，应用越来越广泛，在剖面设计，轨迹测量、控制技术已相当完善。井深超过8000米，水平位移达5000米。井斜角达800以上，即所谓大斜度井。
2
2、定向井的基本要素
1、
井斜角。井眼轴线的垂直投影平面上，任一点的切线与垂线的夹角，；
2、 方位角。井眼轴线的水平投影上任一点的切线与正北方向的夹角，；
3、 水平位移。是井底的水平投影与井口的水平投影之间的距离；
4、 井斜变化率。井眼单位长度井深井斜角的变化值；
5、 方位变化率。单位长度井深方位角的变化值；
6、 全角变化率（井眼曲率或狗腿度），同时表示井斜和方位变化的程度；
7、 测量深度（MD）。沿井眼轨迹的长度，一般指钻具的长度；
8、 垂直深度
垂深（TD）。井眼轨迹的垂直投影长度，反映的是定向井和水平井的
3、定向井水平井剖面设计
1、
设计原则：
3
A、实现定向井钻井目的；
B、充分利用地层的造斜规律；
C、有利于钻井、采油和开发的要求；
D、有利于安全、快速、低成本钻井。
2、 应考虑的问题：
A、力求使设计轨迹最小；
B、应使斜直段最长；
C、造斜点和造斜段应选在稳定地层；
D、应考虑方位漂移引起的方位变化；
E、避免严重狗腿度出现。
3、 剖面类型及选择
4
水平井剖面类型有：
A、单一造斜段剖面。由垂直段——造斜段——水平段组成（三段制剖面）；
B、双造斜段剖面。由垂直段——造斜段1——造斜段2及水平段组成（四段制剖面）
选择剖面类型要根据地质条件、目的层的深度、水平位移的大小、钻井水平及工艺技术条件等确定。
4、 剖面设计方法
A查图法；B作图法；C计算（解析）法。
设计的主要特点是：根据地面坐标、靶点坐标、靶点垂深、及水平位移、造斜点的垂深、造斜率等，首先计算出造斜段的曲率半径，然后计算出最大井斜角，最后计算出各段井眼的长度及相应的坐标。
4、实际井眼轨迹的测量计算
实际井眼轨迹不可能与设计完全一样，这就要求我们随时测量井斜和方位的变化情况。从而使井眼按设计钻进。目前定向井测量工具有单点及多点测量仪、随钻测量仪、陀螺测斜仪等。通过这些仪器可测量任意一点的井斜和方位。根据测量的参数可以计算井眼任意点的坐标。
5
4.1 井眼轨迹的测量
实钻井眼轨迹的测量需要使用能够在井下测量不同深度的井斜角和方位角、装置角的测量仪器。井眼相对于地面的位置可以根据累计测量的结果计算出来。井眼轨迹测量的目的是：
（1）随钻监测实钻井眼轨迹以保证钻达设计目标；
（2）当需要用造斜工具定向时，将造斜工具按要求的方向定向；
（3）确保正在钻进的井眼与已钻井眼没有相碰的危险；
（4）确定所钻井钻过地层的真垂深，以准确地绘制出地质剖面图；
（5）为了监测油层特性及钻救援井需要确定准确的井底位置；
（6）沿井身计算井眼曲率，以评价井身质量；
（7）为固井、完井和采油提供井眼轨迹数据。
4．1．1井斜和方位的测量
实钻井眼轨迹的测量主要是井斜角和方位角的测量。根据不同的测量原理有多种井斜和方位测量
6
仪。在实际测过程中，井斜和方位测量仪是整套装在一个壳体里面，由电池或井下发电机或地面供电。测量工具用钢丝绳下入井内或在下钻时装在钻铤里面下入，也可由地面投入。某些陀螺测量工具装在电缆上入井，这样可以在地面记录测量结果。
4．1．2 单点及多点测量仪
（1）单点测量仪
单点测斜仪用于监测一口定向井或控制井斜的钻井过程，并帮助改变井眼轨迹时确定工具面的方向。根据采用的测斜原理和方法不同称为磁性单点、电子单点和陀螺单点测斜仪。单点测斜仪的正常测量过程是在钻头离开井底接单根时进行。使用步骤是，组装好仪器，触发定时器，然后用钢丝绳将测斜仪下入钻柱内。在井斜角较大（60—700）的情况下需将仪器泵送下入。在仪器下入过程中应上下活动钻柱，以防止卡钻。当仪器接近测斜位置时应减缓下钻速度，在测量过程中不要活动钻柱，除应用运动定时器外。定时器被触发时，要使地面的秒表开始走动，它将告诉你仪器何时正在测量。之后将测斜工具起出地面。进行处理即可获得测斜数据。
（2）多点测斜仪
多点测斜仪工作原理与单点测斜仪相同，同样有磁性多点、电子多点及陀螺多点测斜仪。但能够在预定井段内测量并存储多组数据。在起钻前将多点测斜仪投入钻柱内，即可在起钻过程中测量全井井斜和方位。起一个立柱（约30米）测量一次。如果想得到更多的测点，可随时停止起钻等侯测量。
7
4．1．3 随钻井眼测量仪
（1）随钻有线测量仪
有线随钻测量仪用加速计和磁通门磁力计测量井斜和方位。井斜和方位的测量数据经电缆传递到地面计算机处理后进行记录和显示。多数有线随钻测斜仪可在钻井过程中不断检测井斜、方位和工具面角。这些数据能由装在司钻旁的显示器实时显示。因此，有线随钻测斜仪能为定向钻井提供更多、更及时的信息，以帮助操作人员调整工具面角、控制泥浆马达。由于有连续稳定的工具面角读数，使操作人员无须再对预定的反扭矩修正工具面角。
（2）无线随钻测量仪
有线随钻测量的最大缺点是是有线传输，这给钻井施工带来极大的麻烦。特别是无法采用转盘钻井。目前已经研究了代替有线传输数据的方法。如电磁波法、声波法、压力脉冲法、压力脉冲调制法和钻杆法。而目前进入商业系统的传输方法只有压力冲和压力脉冲调制法。压力脉冲系统又分为正压力脉冲和负压力脉冲系统。
典型的随钻测量系统井下部分包括加速度计和磁通门磁力计传感器部件，由传感器转换到信号的部件，脉冲发生器部件和动力部件。在地面由压力传感器接受信号并传输到计算机进行处理。把这些信息转换成井斜角、方位角和工具面角的数据。这些信息既可传输到终端打印，也可传输到钻台显示。
8
4．2 实际井眼轨迹计算
（1）正切法
这种方法是假设定向井井眼轨迹相邻两点之间为一直线，井斜角和方位角均为下测点的井斜和方位角。
（2）平衡正切角法
这种方法将井眼轴线用相邻两点的切线段组成的等长折线来代替这段井眼的长度，井斜角和方位角分别为相邻两点的井斜和方位角，
（3）平均井斜角法
此法假设相邻两点之间的井眼轨迹为一直线，该直线的井斜角和方位角为相邻两点的平均值，
（4）曲率半径法
这种方法将相邻两点间的井眼轨迹当成圆弧，根据两点的井斜角和方位角及弧长可计算曲率半径，然后根据几何关系利用曲率半径可计算该点的坐标。
（5）圆柱螺旋法
9
圆柱螺旋法与曲率半径法相似，它是将相邻两点之间的井眼轨迹看成园柱螺旋线。
4.3 实际井眼轨迹绘制
使用上述任何一种方法可计算出井眼轴线上各测点三维坐标。根据这些坐标值就可以绘制定向井的实钻井眼轨迹图。根据实钻井眼轨迹图可以掌握当前井底的位置和井眼前进的方向，随时和设计进行对比，以便发现其中的偏差和及时采取措施。工程上常用的定向井实钻井眼轨迹图分为水平投影图和垂直投影图。水平投影图即为实钻井眼轨迹在水平面上的投影，垂直投影图即为实钻井眼轨迹在垂直平上的投影。
（1）水平投影图的绘制
按比例作出直角坐标图，坐标图的纵坐标是N-S（北北），横坐标是E-W（东西），根据计算的各个测点的坐标值。即可描绘出水平投影图。
（2）垂直投影图绘制
确定一个垂直平面，以垂直井深为纵坐标，以水平位移为横坐标，按比例作出直角坐标图，然后将各个测点计算的坐标值一一描在坐标图上，最后将各点光滑地连接起来，即可得到井眼轨迹垂直平面图。
10
5、井眼轨迹的控制
井眼轨迹的控制是钻定向井成败的关键，因为有许多影响井眼轨迹变化的因数，无论是直井或定向井都必须控制井眼轨迹，否则都不可能按设计井眼轨迹钻达目标。
5．1 井眼弯曲的原因
5．1．1 地层及其各向异性
（1）地层各向异性
地层各向异性用各向异性指数表示，它是指沿垂直地层层面的可钻性大于沿平行地层层面的可钻性。因而造成钻井时沿某一方向切削多，而沿另方向少，从而引起井斜；
（3）地层软硬交替
当钻井软硬交错层时，钻头同时与软硬地层接触，在软地层一侧的力比硬地层一侧的力小，在钻头上产生力矩，使井眼沿上倾方向井斜。
除此之外，断层也会造成井斜。
地层因素对井斜的影响，实质是地层造斜力的作用。
11
5．1．2 下部钻柱组合弯曲变形产生的钻头侧向力
下部钻具组合是指用于施加钻压的那部分钻柱的结构组成。一般是由钻铤和扶正器组成。通过调节扶正器的按放位置、距离和扶正器的数量，下部钻具组合可以是增斜组合、降斜组合及稳斜组合三种。但是无论哪一种组合，其实质是施加钻压后，钻柱发生弯曲变形，在钻头上产生侧向力，由于侧向力的作用，使钻头合力方向不再与井眼轴线重合，造成井斜。为了防止井斜，应当使钻柱组合在施加钻压后，产生的钻头侧向力为零，使钻头合力与井眼轴线重合。
钻井过程中通过下部钻柱给钻头施加钻压，当钻压超过钻柱弯曲的临界钻压时，钻柱就会发生弯曲，从而在钻头上产生一个指向井壁的侧向力，这时钻头合理与井眼轴线发生偏离，钻进方向不再与井眼轴线重合使井眼发生偏斜。
5．1．3 钻头结构引起的各向异性
钻井过程中，钻头主要是沿其自身的轴线前进的，钻头设计时很少考虑钻头的侧向切削问题。但是，一般钻头都有不同程度的侧向切削能力，这对钻进轨迹有一定的影响。例如大多数三牙轮钻头都设计成超顶和移轴，使钻头产生侧向切削。钻头轴向切削能力与侧向切削能力的差异称为钻头各向异性。由于钻头各向异性的影响，钻头即使在各向同性地层钻进，也不能按钻头合力方向钻进。
5．2 井眼轨迹控制
12
井眼轨迹控制包括直井和定向井，方法不尽相同，但基本原理却都一样。
5．2．1 直井井斜控制
钻井过程中的井斜问题一直是国内外钻井专家、学者研究的重要课题。这是由于井斜直接影响到油气井的钻井成本和勘探开发的经济效益。迄今为止国内外已有大量的文献研究这个问题，如美国的Lubinski、Woods、Millhiem、原苏联的Sarkisof、中国的白家治等是这个课题研究的杰出代表。由于他们的研究成果，使防斜问题取得了很大的进步，形成了一整套井斜控制理论和原理。但是根本性的突破还未取得，也就是说还没有建立一套有效的防斜理论和技术来控制井斜问题。这是因为影响井斜的因素十分复杂，建立的数学模型无法反映所有因素的影响，特别是地层因素的影响很难确定。
控制井斜实质就是控制钻头造斜力，使其为降斜力。要达到这个目的，地层造斜力是不可改变的，唯一可控制的是下部钻柱组合和钻井参数，通过改变下部组合和调节钻井参数可使钻头侧向力为降斜力，抵抗地层造斜力的作用强度，使井斜控制在一定范围内。目前使用的钟摆钻具、塔式钻具、偏心钻铤等是以增大降斜力为目的的钻柱。他们可以起在直井中防斜，在斜井中纠斜的作用。刚性满眼钻柱、方钻铤、螺旋钻铤等是以强大的刚度反抗地层造斜的作用。在直井中防斜，在斜井中稳斜，井斜了不能使用刚性满眼钻柱。但是通过调节扶正器安放间距和钻井参数，刚性满眼钻柱也可以是增斜
* 使用大尺寸钻铤加扶正器使井眼填满，在较大的钻压下钻柱不会发生弯曲，保持钻柱在井眼内居中，减少钻头倾斜，限制了由于钻柱弯曲产生的造斜力。
13
为了充分发挥刚性满眼钻具的作用，则至少要安装三个扶正器。用有限元法和连续梁法可以计算刚性满眼钻具的力学特性。
还有一些防斜方法，原苏联的双效防斜钻具、柔杆钻具、水力加压钻具等。
5．2．2 定向井井眼轨迹控制
定向井井眼轨迹控制包括造斜、稳斜、降斜和扭方位等作业。使用造斜器、带弯接头或弯外壳的螺杆钻具、带弯接头或偏心扶正器的涡轮钻具、偏心喷射钻头、以及调整下部钻具组合等都能不同程度实现井眼轨迹的控制。
要使井眼轨迹按预先设计的方位和井斜钻进，首先必须选择满足设计造斜率的造斜工具沿预计的方位造斜。这需要通过造斜工具或利用地层自然造斜来完成。钻井方式不同，使用的造斜工具也不一样，常用的造斜方法分为转盘造斜和井下动力钻具造斜两种。
低转速、大扭矩泥浆马达通常与牙轮钻头或大切削齿PDC钻头配合使用，而高转速泥浆马达一般与PDC钻头、TSP钻头或天然金刚石钻头配合使用。导向马达的造斜率一般为0.5-60/30米,当造斜率超过60/30米时,一般不使用导向马达,因为这些弯外壳马达在曲率更大的井眼中旋转时会受到很大的弯曲载荷。
6、定向井摩阻问题
14
6．1影响摩阻的因素、
（1）井眼的曲率或狗腿度。狗腿度越大产生的法向接触力越大，摩阻也越大；
（2）井壁的粗糙程度越大，摩擦系数越大，产生的摩阻也越大；
（3）钻柱的刚度越大产生，产生的法向接触力也越大，于是摩阻也越大；
（4）弯曲段或弯曲段以下钻柱越长，摩阻也越大。
6．2 摩阻对定向井的影响
摩阻会对定向井、水平钻井带来极大影响，主要有：
（1）起下钻过程中常发生遇遇卡，影响起下钻作业顺利进行。严重时使起下钻无法进行；
（2）由于巨大的摩阻，特别是大位移井和水平井，使用钻柱很难加上钻压或加不够钻压，从而影响钻井速度；
（3）由于钻具在弯曲井眼中产生弯曲自转，以及与井壁磨损使钻柱破坏事故比直井更严重，对技术套管的磨损也很严重，使套管寿命缩短等。
15
6．3 摩阻分析及计算
由于井眼轨迹变化极其复杂，建立力学模型时做如下假设：
（1）摩阻和牛矩完全由管柱与井壁接触的正应力引起，除卡钻外，其他因素一律考虑在摩阻系数之中；
（2）与井壁接触的法向正应力和摩擦系数是影响摩阻的两个主要因素；
（3）在弯曲井眼中，管柱轴线与井眼轴线平行或重合，管柱与井壁完全贴合在一起；
（4）不考虑井壁的弹性变形，即将井眼视为刚性的；
（5）沿管柱长度上管柱截面和线密度相同；
（6）管柱与井壁的法向接触力与管柱自重、管蛀弯曲引起的弯矩、剪力及管柱的刚度无关；
（7）当井眼曲率半径大于150米时，刚度的影响忽略不计；
（8）滑动摩擦系数与井壁粗糙度、泥浆润滑性压差等有关；
16
（9）计算的前提条件是井眼轨迹测量数据（井斜角、方位角及井深）已知。
7、发展前沿：
1. 井眼轨迹控制理论和技术研究
2. 实钻地层特性的评估方法及其应用研究
3. 油气井管柱力学与工程研究
8、参考文献：
韩志勇 《石油钻探技术》 2003 第5期
向兴华 刘洪彬 《钻采工艺》 2007 第6期
罗恒荣 朱全塔 等 《石油钻探技术》 2003 第2期
路学忠 尹伟 《探矿工程-岩土钻掘工程》 2001 第z1期
于培志 王学英 《钻井液与完井液》 2002 第6期
17
黄彬 李勇 《钻采工艺》 2000 第4期
唐大鹏 时江涛 吕成元 薛建国 《石油钻采工艺》 2001 第5期
牟德刚 《石油钻探技术》 2000 第4期
韩建华 任勇 徐根旺 孙海宁 《油气田地面工程》 2003 第2期
王俊良 李海峰 袁学峰 吴先忠 《钻采工艺》 2005 第1期
定向井及水平井技术探究
---测控新技术
姓名：张金龙
学号：0707010224
专业年级：测控技术与仪器08级
18
因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容