钻井轨迹控制方案

怎么控制油气井？~

钻井工作不仅要求速度快，而且要求质量好。井身质量的好坏是油气井完井质量的前提和基础，它直接影响到油气田勘探和开发工作的顺利进行。
井身轴线偏离铅垂方向的现象叫井斜。大量实践说明，井斜严重将给钻井、油气田开发及采油等带来各种危害，甚至引起事故。因此，有关井斜的一些指标是衡量一口井井身质量的重要参数。
井身斜度大了，为钻达同一目的层所需的进尺就会增加。这样不仅费用高，而且还可能由于深度的误差，使地质资料不真实而得出错误的结论，漏掉油气层。井斜过大、井底偏离设计位置过多，将会打乱油气田开发井网分布方案，影响油气层的采收率。
井斜使井眼变曲。钻具在弯曲井眼中旋转容易产生疲劳折断。钻具在严重弯曲的井段内，受下部钻具拉力的作用，将给井壁和套管以接触压力，加剧钻具和套管的磨损。同时,在长期的旋转和起下钻中，井壁将被钻具磨起“键槽”而造成卡钻。
固井时，在井斜变化大的严重弯曲井段，比钻具刚度大的套管及测井仪器将不易下入，易发生卡钻；下入井内的套管由于井斜不能居中，使水泥浆不易充满整个套管外环形空间而影响固井质量。
综上所述，井斜的危害是多方面的，后果是严重的，需要引起钻井工作者的注意。
旋转钻井发展至今，还很难钻成一口一点都不斜的直井。井眼总是或多或少要斜的。井斜给钻井、开采带来的危害程度与井斜的严重程度有关。轻微的井斜不致造成危害；严重井斜可能引发事故甚至使井报废。那么，什么样的井斜程度才是被允许的呢？这就存在一个井斜控制标准问题。在此标准之内的井，即可认为是可以接受的“直井”，从而避免徒劳追求绝对直井的行为，把井身质量建立在工程实际的基础上。
我国井斜控制的标准为井眼曲率不大于3°/100m。至于井斜角及其他规定，要根据各地区的具体情况而定。胜利油田的评价情况见表5-1。


井斜控制评价
二、井内压力控制1.压力平衡关系在钻进过程中，地层压力ps是靠钻井液柱作用在井底的压力p0来平衡的。根据这两个压力的相对大小，有可能出现三种情况：
(1)p0=ps，称为平衡状态。这是最理想的状态。在这种状态下，将取得快速、安全、高效、低成本的钻进效果。
(2)p0>ps，称为过平衡状态。压差如果过大，会引发一些工程事故，如压裂地层、卡钻等，还会降低钻进速度。如果压差控制在允许范围内，在钻井生产实践中也还是可行的。
(3)p0<ps，称为欠平衡状态。在一般情况下，这种状态将引起井喷、井塌。但在一些低压、低渗透地区，采用这种状态能充分暴露油气层，收到很好的生产效果。
由前面的分析可以推断,不同的钻井工况下，钻井液柱作用在井底的压力p0是不同的。如果暂不考虑岩屑、气侵或油(水)侵入对钻井液柱压力的影响，则有：
静止时，p0=pm(5-1)起钻时，p0=pm-psb-pdp(5-2)钻进时，p0=pm+pc(5-3)下钻时，p0=pm+psb(5-4)划眼时，p0=pm+pc+psb(5-5)式中　p0——钻井液柱作用于井底的压力；pm——由钻井液柱重力产生的压力；psb——波动压力；pc——环空循环压力损失；pdp——起钻使液面下降而减小的压力。
在划眼和下钻时，钻井液柱作用于井底的压力具有最大值；而在起钻和静止时，钻井液柱作用于井底的压力具有最小值，这就是起钻时容易发生井喷的原因；钻进时，井底压力居中。
充分了解和掌握钻井液柱作用于井底的压力的变化规律，就能根据不同压力平衡状态采取不同的措施。
2.压井方法当井内钻井液柱作用于井底的压力小于地层压力时，地层流体流入井内的现象叫做溢流。如不及时发现，并迅速采取控制措施制止溢流，地层流体会无控制地大量入井，造成井喷。理论与实践都证明：采用平衡压力钻井技术，由于井底压差很小，条件稍有变化就会破坏井内压力平衡，所以发生溢流的概率是比较高的。早期发现溢流、迅速控制溢流、恢复和重建压力平衡是防止井喷的关键，也是实施平衡压力钻井技术的基础保证与配套措施。
1)控制井口的方法发现溢流显示、证明地层流体已流入井内后，应立即停止作业，尽快安全控制井口，关闭封井器，最大限度地保持井内的钻井液，为以后的顺利压井创造条件。不同的钻井作业情况发生溢流后的控制措施是不同的。
(1)钻进时。发生溢流后控制井口的操作程序是：停泵、停钻→上提方钻杆使接头露出转盘面→打开节流阀→关闭防喷器→关闭节流阀将井关闭→记录钻杆压力和套管压力→记录钻井液池内的钻井液增量，准备压井。
(2)起、下钻时。发生溢流后停止作业，将钻柱坐入转盘内→抢接钻具回压阀→打开节流阀→关闭防喷器→关节流阀将井关闭→记录钻杆压力和套管压力→记录钻井液池钻井液增量→开泵取得立管压力→决定下一步行动。
(3)空井时。如果溢流严重，有立即发生井喷的可能，应迅速关闭全闭防喷器；如果井内有电缆，应该果断切断；如果没有立即发生井喷的危险，则应迅速下入尽可能多的钻具，然后按起、下钻时的程序进行控制。
上述控制程序目的在于迅速制止地层流体继续流入井筒，尽可能地保持井内的钻井液量，为下一步的压井创造条件。
在等待压井的过程中，井口压力可能会不断上升，应注意观察。当井口压力上升到某个允许值时(如井口装置的最高工作压力、套管最小抗内压强度、地层破裂压力等)，就要从节流阀处泄压，使井口压力保持在安全范围内，同时记录放出的钻井液量。
2)压井循环的特点发生溢流后关闭防喷器，有控制地向井内注入一定密度的加重钻井液，循环排除溢流的作业称为压井。压井是出现溢流或发生井喷后恢复和重建井内压力平衡的唯一方法。
采用一般的循环方法(井口敞开循环)是无法制止和排除溢流的。因为溢流发生时井内的压力平衡已经被破坏。泵入的加重钻井液在循环过程中仍会受到地层流体侵入而降低密度，仍无法平衡地层压力。因此，压井循环时必须用节流阀在井口造成一定的局部阻力来增加环形空间的压力，即在井口造成回压。由于流体都能传递压力，该回压也同样作用于整个井筒和井底，再加上钻井液柱的压力，即可平衡地层压力，制止地层液体的继续流入。显然，在压井循环过程中，随着环形空间内加重钻井液柱高度的增加，受侵钻井液被逐渐排出，井口回压应逐渐降低。当环空全部充满加重钻井液后，单是钻井液柱压力就可平衡地层压力，不再需要井口回压。调节节流阀的开启度即可控制井口回压。节流阀处于全开状态时回压为零，标志着溢流完全被排除，井内压力平衡得到恢复。
综上所述，压井循环的特点可归纳为：在控制井口的前提下，使用小排量进行循环，同时不断调节节流阀的开启度，造成不同的井口回压作用于井底，自始至终保持回压与钻井液柱压力之和等于地层压力，直到加重钻井液充满整个环空，恢复井内的压力平衡为止。
三、轨迹控制定向钻井技术是在井口与井底需要有一定水平位移时，采用合理的井身轨迹及特殊的钻井措施钻达目的层的一种钻井技术。与直井比较，定向井不但有井斜、方位的变化，还需保证自始至终沿井身轨迹钻进、上环中靶。因此，定向钻井技术要比一般钻井技术复杂和困难得多，是目前最热门的钻井技术之一。利用定向钻井技术，可根据需要钻出水平井、丛式井、侧钻井及救援井等,极大地丰富了钻井生产的内容，为油气资源的勘探开发提供了有效的技术手段。
钻定向井始于20世纪30年代。井下动力钻具的出现、井下测量仪器的逐步完善以及钻井技术与经验的积累，使定向钻井技术从50年代开始广泛应用于陆地和海上。60年代至70年代，计算机用于定向井的设计和施工以及随钻测量技术的出现，使定向井的钻速、钻深、钻远、钻准等方面大大地提高,进一步显示出定向钻井技术在加速油气田勘探开发,克服钻直井所遇到的某些难以解决的技术问题等方面所具有的优越性。
目前，定向钻井技术的应用一般集中在以下几个方面：
(1)地下地质条件特殊，钻直井的勘探开发效果不好。采用定向钻井技术钻出大斜度井、水平井，能最大限度地穿越油气层,暴露油气层;最大限度地提高产量和采收率。
(2)地面条件限制。钻探高山、湖泊、海洋、荒漠地区的油气藏时，采用定向钻井技术，钻成丛式井、多底井，可极大地节省投资，降低生产成本。
(3)钻井技术的需要。处理钻井事故时，常常采用定向钻井技术。对井下落物长期不能捞获的井进行侧钻；对井口失控、井喷失火的井，钻救援井沟通进行压井处理，从而保证钻井生产的安全。
定向钻井技术包含的主要内容有井身轨迹设计、井身轨迹控制、井身轨迹测量。下面主要介绍二维定向井的基本工艺技术。
1.井身轨迹设计在定向钻井中，井身轨迹是钻井施工的基础和依据。因此，井身轨迹的设计是否合理，在很大程度上决定着定向钻井的成效。
常规井身轨迹是由不同长度、曲率和先后顺序的铅直段、斜直段(稳斜段)和造斜段(增斜或减斜段)组成的。这三种井段可以组成多种井身轨迹形状，最常见的主要有两种。
一种是“直—增—稳”井身轨迹，我国现场上称为“三段式”井身轨迹。其显著特征是井身结构简单、井底水平位移可以很大，所以多用于打探井和救险井等。这种井身轨迹又可分为低造斜点和高造斜点两类。稳斜段可长可短，甚至可以没有稳斜段。“三段式”井身轨迹为满足钻井生产条件和要求提供了极大的灵活性，被广泛应用于定向钻井中,特别是近年发展起来的水平井和大斜度井。
另一种是“直—增—稳—降—稳”井身轨迹，现场上称之为“S型”井身轨迹或“五段式”井身轨迹，多用于丛式井钻井。“S型”井身轨迹设计也可以灵活变化。例如，增斜后的稳斜段可以很长，也可以很短，甚至为零；降斜后的稳斜段也是可长可短；井底井斜角可大可小，甚至为零，垂直进入目的层，如图5-8所示。

图5-8　定向井轨迹示意图
实际上，可以说“三段式”井身轨迹只是“S型”井身轨迹的一种特殊情况而已。“S型”井身轨迹可以作为所有常规二维定向井井身轨迹的代表，使井身轨迹的设计得到和谐的统一。
常规井身轨迹设计应遵循以下原则：
(1)能实现钻定向井的目的。对于裂缝性油层、厚度小的油层，为了增大油层的裸露面积、提高产量，往往设计成水平井或多底井。为满足采油工艺的要求，丛式定向井多数设计成“S型”井身结构。为了避开井下障碍或防止井眼交叉，井身结构还可以设计成三维“S型”。对于救险井，主要是要求准确钻达目标。因事故需侧钻的定向井，只要避开井下落鱼(即井下落物)，斜出一定的水平位移即可。
(2)尽可能利用地层的造斜规律，可以大大减少人工造斜的工作量和困难。
(3)要有利于满足采油工艺的要求。井眼曲率不宜过大，以利于改善抽油杆的工作条件；最好是垂直井段进入油层，以便于坐封封隔器以及进行其他增产措施。
(4)要有利于安全、优质、快速钻井。这就要求选择合适的井眼曲率、井身轨迹、造斜点以及相关的井身结构。
2.井身轨迹控制井身轨迹控制包括井斜控制和方位控制两个方面。在定向钻进过程中，为确保井眼按预定的井身轨迹发展，需要进行井身轨迹控制。一旦井眼偏离井身轨迹，也需要进行井身轨迹控制。因此，井身轨迹控制是定向钻井技术中最重要的内容之一。
井斜控制即控制井眼井斜角的变化,可以采用两种方法：一种是利用造斜工具造斜或增斜。有特殊需要时，也可以利用造斜工具来降斜。另一种方法是利用井底钻具组合进行增斜、降斜和稳斜。
方位控制是控制井眼方位角的变化,也可采用两种方法：一种是利用地层特性的自然漂移与井底钻具组合达到目的。另一种方法是利用造斜工具强行改变井眼方位。
无论是井斜控制还是方位控制，都要利用两种基本工具,造斜工具和井底钻具组合。在定向钻井发展初期，人们就开始利用造斜工具控制井斜和方位。随着造斜工具的发展，有关造斜工具的理论和现场使用已日益成熟。至于井底钻具组合，虽然人们很早就发现它对井斜和方位的变化都有很大影响，但在很长时间内对它的研究不够。从20世纪50年代起，美国学者鲁宾斯基开始研究钻具组合的力学性能，主要用于打直井。直到60年代，才有人提出定向钻井的井底钻具组合的力学模型。井底钻具组合的研究一时间成了热门，不少学者使用不同的数学、力学方法进行研究和分析，至今方兴未艾。
3.井身轨迹测量定向井测量资料是控制井身轨迹的依据。在井身轨迹的控制过程中,需要及时、准确地了解和掌握定向井基本参数的变化，才能采取相应措施，确保井身轨迹沿预定路径发展。定向钻井实践证明：要完成高质量的定向井，除了合理的井身轨迹设计和有效的井身轨迹控制外，还需要使用性能优良的定向井测量仪器和装备。目前这种趋势日益明显。
从20世纪50年代至今，井身轨迹测量技术发展极快，主要经历了以下过程：钻杆打印地面定向→氟氢酸玻璃管定向→单、多点磁性测斜仪定向→单、多点陀螺测斜仪定向→有线随钻测斜定向系统定向→无线随钻测斜定向系统定向。
钻杆打印地面定向和氟氢酸玻璃管定向方法效率低、精度差，已被淘汰。单、多点磁性测斜仪和陀螺测斜仪是目前定向井施工中使用最多的测斜工具。有线随钻测斜定向系统是20世纪70年代中期研究成功的，广泛用于造斜段测量。无线随钻测斜定向系统是70年代末期出现的，已在北海油田及美国某些油田使用，尚处于发展及完善阶段。

钻井现场水平井的井眼轨迹控主要依据定向仪器来进行地下正钻地层的数据获取，比如LWD、MWD、主要获取伽马、电阻、方位、井斜、位移、等数据，通过这些数据由地质导向人员来进行比对和分析确定下步钻头该往那个地方钻进。钻具组合中钻头的上部有螺杆，螺杆是有弯度的所以就可以改变井眼的轨迹，可以通过改变工具面来进行。

3.7.1 井斜带来的问题

在任何一个钻进项目中，井斜是不可避免的。随着钻井深度加大，井斜一般也会加大。井斜加大后，会给钻井施工带来很多困难，诸如：

——因为摩擦而导致过高的摩阻及扭矩；

——在下入和提出测量仪器时遇阻；

——下套管困难；

——套管及钻具、特别是稳定器及钻头出现严重的磨损。

3.7.2 钻井轨迹控制方法

5158m深的中国大陆科学钻探工程科钻一井（CCSD-1）的下部是片麻岩，施工时井斜严重，曾先后在2975m与3400m处侧钻纠斜并取得了效果，可是在完钻时该井的最大井斜角还是达到了约28°。

前苏联的科拉SG-3超深井在井深10500m时，钻井的水平偏移已经达到了840m。科拉超深井总共进行了30次定向钻进作业才使井深达到了12000m，在纠斜方面花费了极高的代价。

把超深井上部钻得铅直，是达到13000m科学超深井井深目标的重要先决条件。如果在施工此超深井时井斜角太大，一方面纠斜要耗费大量的时间和经费，另一方面钻井的纠斜处会产生“狗腿”，导致钻进施工中钻具断裂以及摩擦阻力和扭矩加大。

对此问题，最好的解决方案是采用自动垂孔钻进系统。该系统在钻进过程中可随时通过井斜角测量确定实际钻井轨迹与设计轨迹的偏差，并自动采取纠斜措施予以纠正。

德国在实施“联邦德国大陆深钻计划”时，制定了一套行之有效的垂孔钻进战略。他们在7485m的井深范围内，采用了不同的自动垂孔钻进系统，实现了真正意义的垂直孔钻进，整个钻井在7000m以内井斜角基本维持在1°以内。但由于温度的限制，从7485m开始不得不停止使用自动垂钻系统。而在停止使用自动垂钻系统以后，钻井的井斜角快速加大，在井深9069m处达到11°（图3.8）。

图3.8 德国KTB主孔的钻井轨迹剖面

使用垂钻系统不仅能实现保直钻进，获得优良的钻井轨迹，还有助于提高机械钻速。在常规的钻进施工中，往往采用低钻压的方法来控制井斜，其结果使机械钻速受到负面影响。而采用垂钻系统后，可实现高钻压钻进，获得的机械钻速明显高于常规钻进。表3.19显示了在龙深一井中采用自动垂钻系统控制井斜与一些常规的井斜控制方法是时的机械钻速对比结果。

表3.19 龙深一井中普通钻井与垂直钻井效果对比

3.7.3 13000m科学超深井钻井轨迹方案

自动垂孔钻进和导向钻进是目前最好的井斜控制方法。这两种方法已经比较成熟，目前在全球范围内得到了广泛的应用。

13000m科学超深井的井斜控制计划分成两个阶段：

第一阶段是主动式井斜控制阶段，将主要采用自动垂直孔钻进系统和导向钻进系统来控制井斜。这一阶段可达到的井深取决于定向钻具内的电子器件的耐温能力的限制。目前国内带电子器件的定向钻具耐温能力达150℃，国外可达到175℃（斯伦贝谢的TeleScope）。因此，这一阶段的最大井深可能为7000～8000m。

第二个阶段是被动式井斜控制阶段，将采用一些常规的防斜和纠斜措施（钟摆钻具和满眼钻具等）来控制井斜。在此阶段，在温度不超过260℃的情况下，还可采用采取了隔热措施的电子式测斜仪。超过260℃后，目前还没有可用的测斜仪。在第二阶段，可采用没有电子器件的机械式随钻测斜仪，但只能进行井斜角的随钻测量。胜利钻井工艺研究院研制的机械式无线随钻测斜仪。其井斜角测量范围：0°～10.5°（测量精度0.5°）或1°～17.0°（精度1°），最高工作温度260℃。

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富平县15841403166： 钻井现场水平井的井眼轨迹控制如何施工？
墨璧匹维： 钻井现场水平井的井眼轨迹控主要依据定向仪器来进行地下正钻地层的数据获取,比如LWD、MWD、主要获取伽马、电阻、方位、井斜、位移、等数据,通过这些数据由地质导向人员来进行比对和分析确定下步钻头该往那个地方钻进.钻具组合中钻头的上部有螺杆,螺杆是有弯度的所以就可以改变井眼的轨迹,可以通过改变工具面来进行.

富平县15841403166： 钻井技术是什么? - ？
墨璧匹维： 为满足不同条件的钻井需要,优质、安全、快速钻进,钻井工作者几十年来研究了各种钻井技术,现已发展成为以喷射钻井及优化参数钻井为核心的钻井综合配套技术.下面重点介绍喷射钻井技术、优选参数钻井技术、直井防斜技术、定向井技...

富平县15841403166： 定向井工艺设计的主要内容是什么? - ？
墨璧匹维： 无论是定向井,还是水平井,控制井眼轨迹的最终目的都是要按设计要求中靶.但因水平井的井身剖面特点、目的层靶区的要求等与普通定向井和多目标井不同,在井眼轨迹控制方面具有许多与定向井、多目标井不同的新概念,需要建...

富平县15841403166： 水平井钻井技术是什么? - ？
墨璧匹维： 水平井钻井技术是利用特殊的井下动力工具与随钻测量仪器,钻成井斜角大于86°,并保持这一角度钻进一定长度井段的定向钻井技术.在油气田开发中,水平井可以增加裸露出油面积,数倍地提高油气产量.水平井钻井技术包括随钻测量技术...

富平县15841403166： 井斜控制技术主要有哪些 - ？
墨璧匹维： 1、原因 影响井斜的原因很多,如地质条件、钻具结构、钻进技术措施、操作技术及设备安装质量等.其中地质条件和钻具下部结构对井斜的影响最大. 2、危害 在油气田的勘探开发过程中,井斜过大,井深会被歪曲,地质资料不真实,甚至会漏掉油气层,这一点尤其在一些断块晓得油气田中更为突出;井斜过大,由于实际钻开点和设计点偏离较远,可能会打乱油气田的开发方案,降低原油采收率. 另外,对钻井工作本身来讲,井斜变化率和方位变化率过大,会形成严重的“狗腿”,使起下钻困难,钻柱工作条件恶化,还会粘附卡钻、键槽卡钻等复杂情况.

富平县15841403166： 地质导向钻井技术是什么? - ？
墨璧匹维： 地质导向钻井可在钻井作业的同时,能实时测量地层参数和井眼轨迹,并能绘制各种测井曲线的一种钻井技术,是国际钻井的前沿技术.其原理是,由随钻测井仪测出油气层的渗透率或电阻率后,将信息发至地面,根据储层实际地层走向调整井眼轨迹,实现最大限度地钻遇地层.这一操作原理,又称为地质导向.这种钻井对增加井眼与储层接触面积,提高钻井成功率,提高单井产量具有显著的效果.

富平县15841403166： 几何导向钻井与可质地导向钻井的含义? - ？
墨璧匹维： 1、几何导向钻井根据井下测量工具(MWD)测量的井眼几何参数(井斜角、方位角和工具面角)来控制井眼轨迹的导向钻井方式称为几何导向钻井.如果井下参数测量和导向工具的控制由井下计算机完成,则为自动几何导向钻井.2、地质导向钻井地质导向是在拥有几何导向的能力的同时,又能根据随钻测井(LWD)得出的地质参数(地层岩性、地层层面、油层特点等),实时控制井眼轨迹,使钻头沿着地层的最优位置钻进.这样可在预先不掌握地层特性的情况下实现最优控制.地质导向本身就是自动导向钻井,井眼轨迹控制的依据是地质地层参数,这样一来实钻井眼的轨迹很有可能脱离钻井设计的井眼轨道.

富平县15841403166： 地质导向钻井是指? - ？
墨璧匹维： 在近钻头位置加装LWD或MWD或FEMWD、的仪器目的就是为了控制井眼的轨迹.地质导向依据这些仪器提供的i数据来判断钻头所在位置,能够有效的进行井眼的导向.比如打水平井,目的就是确保钻头(井眼轨迹)在储集层中钻进.这样就会用到地质导向的,地质导向人员依据定向仪器提供的数据来计算出地层倾角,综合井斜、方位、位移、等数据判断现在位置有效的控制井眼轨迹在储集层中钻进,避免出层.地质导向人员一般都是录井公司的.主要参考定向井公司仪器的参数计算地层倾角.

富平县15841403166： 什么是地质导向钻井 - ？
墨璧匹维： 它可在钻井作业的同时,能实时测量地层参数和井眼轨迹,并能绘制各种测井曲线的一种钻井技术.这种随钻测井(LWD)地质导向钻井技术是国际钻井的前沿技术.其原理是,由随钻测井仪,测出油气层的渗透率或电阻率后,将信息发至地面的闭环钻井调控台,经电脑优选参数自动下达指令给井下随钻测斜监控仪,以便按照指令增斜、减斜或调控方位.还可跟踪油层电阻率、渗透率,并指导轨迹控制,能在薄层内水平钻进.这一操作原理,又称为地质导向(geological steering).这种钻井对保护油气层,提高钻井成功率、降低作业风险,提高钻井效率和降低钻井成本均具有显著的效果.

富平县15841403166： 地质导向钻井技术应用现状 - ？
墨璧匹维： 1. 地质导向钻井技术 在高效开发复杂油藏方面具有极大的优势,但是它也有自身的不足,那就是在必要的时候该钻井技术仍然需要采用弯壳体马达滑动钻进,这样会造成轨迹过度扭曲.同时,滑动钻进不利于井眼清洁和有效克服摩阻,轨迹控...