石油钻井行业定向钻井技术概述概述课件.ppt

1、定向钻井技术概述定向钻井技术概述1-1 1-1 定向井的用途定向井的用途1-2 1-2 井眼轨迹的基本概念井眼轨迹的基本概念1-3 1-3 井眼曲率计算方法井眼曲率计算方法p定向井定向井(directional well)：按照事先设计的具有井斜和方位按照事先设计的具有井斜和方位变化的轨道钻进的井。变化的轨道钻进的井。n一口直井打斜了，也具有井斜角和方位角的变化，但那不是定一口直井打斜了，也具有井斜角和方位角的变化，但那不是定向井。向井。p定向钻井定向钻井(directional drilling)：使井身沿着预先设计的方使井身沿着预先设计的方向和轨迹钻达目的层的钻井工艺方法。向和轨迹钻达目的

2、层的钻井工艺方法。p井眼轨道井眼轨道(well trajectory)：钻进之前人们预想的该井井眼钻进之前人们预想的该井井眼轴线形状。轴线形状。p井眼轨迹井眼轨迹(well path)：实际钻出来的井眼轴线形状。实际钻出来的井眼轴线形状。1 1、地面环境条件的限制、地面环境条件的限制2 2、地下地质条件的要求、地下地质条件的要求3 3、钻井工艺的需要、钻井工艺的需要4 4、提高油藏采收率的手段、提高油藏采收率的手段p当地面上是高山，湖泊，沼泽，河流，沟壑，海洋，农当地面上是高山，湖泊，沼泽，河流，沟壑，海洋，农田或重要的建筑物等，难以安装钻机进行钻井作业时，田或重要的建筑物等，难以安装钻机进行

3、钻井作业时，或者安装钻机和钻井作业费用很高时。或者安装钻机和钻井作业费用很高时。1-1 1-1 定向井的用途定向井的用途1-1 1-1 定向井的用途定向井的用途图5-2 胜利油田河50井组p断层遮挡油藏：定向井比直井可发现和钻穿更多的油层；断层遮挡油藏：定向井比直井可发现和钻穿更多的油层；p薄油层：定向井和水平井比直井的油层裸露面积要大得多；薄油层：定向井和水平井比直井的油层裸露面积要大得多；p垂直裂缝的构造带：打直井很难钻遇裂缝，若钻定向井或水垂直裂缝的构造带：打直井很难钻遇裂缝，若钻定向井或水平井，则钻遇裂缝的机会就大得多。平井，则钻遇裂缝的机会就大得多。1-1 1-1 定向井的用途定向井

4、的用途1-1 1-1 定向井的用途定向井的用途1-1 1-1 定向井的用途定向井的用途1-1 1-1 定向井的用途定向井的用途p当井下落物或断钻事故最终无法捞出时，可从上部井段侧当井下落物或断钻事故最终无法捞出时，可从上部井段侧钻打定向井；钻打定向井；p井喷着火常规方法难以处理时，在事故井附近打定向井井喷着火常规方法难以处理时，在事故井附近打定向井(称作救援井称作救援井)，与事故井贯通，进行引流或压井，可处理井，与事故井贯通，进行引流或压井，可处理井喷着火事故。喷着火事故。p高陡构造地层高陡构造地层 ，打直井很困难，若打定向井，则更容易。，打直井很困难，若打定向井，则更容易。1-1 1-1 定

5、向井的用途定向井的用途1-1 1-1 定向井的用途定向井的用途丛式井丛式井1-1 1-1 定向井的用途定向井的用途水平井技术适合于薄层的开采水平井技术适合于薄层的开采钻穿多套油气层、老井侧钻、水平井等。钻穿多套油气层、老井侧钻、水平井等。扩大泄油面积扩大泄油面积增加控制储量增加控制储量提高油井产能提高油井产能0.6万吨直井的5倍以上（L=300m）1-1 1-1 定向井的用途定向井的用途1-1 1-1 定向井的用途定向井的用途1-1 1-1 定向井的用途定向井的用途1-1 1-1 定向井的用途定向井的用途稠油开采稠油开采用水平井连通有高低差的两孤立油藏用水平井连通有高低差的两孤立油藏1-1 1

6、-1 定向井的用途定向井的用途海油陆探、海油陆采海油陆探、海油陆采1-1 1-1 定向井的用途定向井的用途西江西江24-1边际油田边际油田1-1 1-1 定向井的用途定向井的用途1-1 1-1 定向井的用途定向井的用途1-1 1-1 定向井的用途定向井的用途1-1 1-1 定向井的用途定向井的用途1-1 1-1 定向井的用途定向井的用途p开窗侧钻老做法：开窗侧钻老做法：l下地锚；为地锚定向并注水泥浆固定地锚；通下地锚；为地锚定向并注水泥浆固定地锚；通井探地锚头，下斜向器与地锚对接。井探地锚头，下斜向器与地锚对接。l起始铣，初开窗口；开窗铣窗口；西瓜铣修正起始铣，初开窗口；开窗铣窗口；西瓜铣修正

7、窗口。窗口。p开窗侧钻新做法：开窗侧钻新做法：n下入一体式地锚，定向，并靠液压座封地锚；下入一体式地锚，定向，并靠液压座封地锚；n复式铣锥，一次完成三步开窗任务。复式铣锥，一次完成三步开窗任务。1-1 1-1 定向井的用途定向井的用途1-1 1-1 定向井的用途定向井的用途1-1 1-1 定向井的用途定向井的用途1-1 1-1 定向井的用途定向井的用途1 1、井眼轨迹的基本参数（测斜参数）、井眼轨迹的基本参数（测斜参数）测量方法：测量方法：非连续测量；非连续测量；“测段测段”；“测点测点”。三个基本参数：三个基本参数：井深、井斜角、井斜方位角井深、井斜角、井斜方位角（1 1）井深（）井深（L

8、L）：）：井口井口(通常以转盘面为基准通常以转盘面为基准)至测点的井眼至测点的井眼长度，也称为斜深、测深。长度，也称为斜深、测深。井深增量（井深增量（L）：下测点井深与上测点井深之差。：下测点井深与上测点井深之差。LLBLA(2)(2)井斜角井斜角()()：指井眼方向线与重力线之间的夹角。指井眼方向线与重力线之间的夹角。1、井眼轨迹的基本参数、井眼轨迹的基本参数l井眼方向线：井眼方向线：过井眼轴线上某测过井眼轴线上某测点作井眼轴线的切线，该切线向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井眼前进方向延伸的部分称为井眼方向线。眼方向线。l井斜角增量井斜角增量()()：下测点井斜角：

9、下测点井斜角与上测点井斜角之差。与上测点井斜角之差。BA 1-2 井眼轨迹的基本概念井眼轨迹的基本概念(3)井斜方位角井斜方位角（）：）：以正北方位线为始边，顺时针方向旋转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。也称为到井眼方位线上所转过的角度。也称为井眼方位角、方位角井眼方位角、方位角。1、井眼轨迹的基本参数、井眼轨迹的基本参数l井眼方位线井眼方位线（井斜方位线）：（井斜方位线）：某测点处的井眼方向线在水平面某测点处的井眼方向线在水平面上的投影。上的投影。l井斜方位角增量井斜方位角增量（）：上下测点的井斜方位角之差。：上下测点的井斜方位角之差。B A 井斜方位角的变化范

10、围：井斜方位角的变化范围：0 0360360 。1-2 井眼轨迹的基本概念井眼轨迹的基本概念l象限角象限角：井斜方位线与正北方位线或与正南方位线之间的夹角。井斜方位线与正北方位线或与正南方位线之间的夹角。l象限角的变化范围象限角的变化范围：0 0 90 90 之间。之间。井斜方位角的另一种表示方式井斜方位角的另一种表示方式图中：图中：N30E=30N30E=30N67.5W=292.5N67.5W=292.5S60E=120S60E=120S45W=225S45W=225 1-2 井眼轨迹的基本概念井眼轨迹的基本概念l磁偏角：磁偏角：地理北极（真北极）与地磁北极（磁北极）的夹角。地理北极（真北

11、极）与地磁北极（磁北极）的夹角。井斜方位角的修正井斜方位角的修正l真方位与磁方位的换算关系：真方位与磁方位的换算关系：真方位角磁方位角东磁偏角真方位角磁方位角东磁偏角真方位角磁方位角西磁偏角真方位角磁方位角西磁偏角 1-2 井眼轨迹的基本概念井眼轨迹的基本概念 1-2 井眼轨迹的基本概念井眼轨迹的基本概念下面说法哪些是正确的？下面说法哪些是正确的？1-2 井眼轨迹的基本概念井眼轨迹的基本概念1.某点的井眼方向线就是该点的切线方向。某点的井眼方向线就是该点的切线方向。2.井斜角就是井眼方向线与重力线之间的夹角。井斜角就是井眼方向线与重力线之间的夹角。3.井眼轴线上某点处的井眼方向线投影到水平面上

12、，即为该点井眼轴线上某点处的井眼方向线投影到水平面上，即为该点的井斜方位线。的井斜方位线。4.方位角就是井斜方位线与正北方向的夹角。方位角就是井斜方位线与正北方向的夹角。5.井斜方位角就是方位角。井斜方位角就是方位角。6.井眼轴线投影到水平面上以后，过其上某一点作投影线的切井眼轴线投影到水平面上以后，过其上某一点作投影线的切线，该切线向井眼前进方向延伸部分即为该点的井斜方位线。线，该切线向井眼前进方向延伸部分即为该点的井斜方位线。1-2 井眼轨迹的基本概念井眼轨迹的基本概念2 2、井眼轨迹的计算参数：、井眼轨迹的计算参数：由基本参数计算得到的参数由基本参数计算得到的参数l垂深垂深(D D，或，

13、或H H)、N N坐标坐标(N N)、E E坐标坐标(E E)；l水平长度水平长度(LpLp)、水平位移、水平位移(S S)；l平移方位角平移方位角()、视平移、视平移(V V)；l井眼曲率井眼曲率(K K)。(1)(1)垂直深度垂直深度（，或或H H）：）：轨迹上某点至井口所在水平轨迹上某点至井口所在水平面的距离，简称面的距离，简称“垂深垂深”。l垂深增量垂深增量（）：下测点垂深与上测点垂深之差，）：下测点垂深与上测点垂深之差，简称简称“垂增垂增”。DDD DB BD DA A。（2 2）水平投影长度）水平投影长度（LpLp ）：）：井眼轨迹上某点至井口的长度在水井眼轨迹上某点至井口的长度在

14、水平面上的投影，即井深在水平面上的投影长度。平面上的投影，即井深在水平面上的投影长度。也称为也称为“水平长水平长度度”，简称简称“平长平长”。l平增（平增（LpLp）：水平长度的增量。）：水平长度的增量。2、井眼轨迹的计算参数、井眼轨迹的计算参数 1-2 井眼轨迹的基本概念井眼轨迹的基本概念(3)(3)水平位移（）：水平位移（）：轨迹上某点至井口所在铅垂线的距离，简轨迹上某点至井口所在铅垂线的距离，简称称“平移平移”。（或：在水平投影面上，轨迹上某点至井口的距离）。（或：在水平投影面上，轨迹上某点至井口的距离）。2、井眼轨迹的计算参数、井眼轨迹的计算参数 1-2 井眼轨迹的基本概念井眼轨迹的基

15、本概念l平移方位线：水平投影面上，井平移方位线：水平投影面上，井口至轨迹上某点的连线。口至轨迹上某点的连线。l国外将水平位移称作国外将水平位移称作闭合距闭合距。l我国将完钻时的水平位移称为我国将完钻时的水平位移称为闭闭合距合距。(4)(4)平移方位角（平移方位角（）：平移方位线所在的方位角。：平移方位线所在的方位角。l国外，将平移方位角称作闭合方位角。国外，将平移方位角称作闭合方位角。l国内，指完钻时的平移方位角为闭合方位角。国内，指完钻时的平移方位角为闭合方位角。(5)(5)坐标和坐标坐标和坐标：l南北坐标轴，以正北方向为正；南北坐标轴，以正北方向为正；l 东西坐标轴，以正东方向为正。东西坐

16、标轴，以正东方向为正。2、井眼轨迹的计算参数、井眼轨迹的计算参数 1-2 井眼轨迹的基本概念井眼轨迹的基本概念(6)(6)视平移（）：视平移（）：水平位移在设计方水平位移在设计方位线上的投影长度。位线上的投影长度。(7)(7)井眼曲率井眼曲率（K K）：）：指井眼轨迹曲线的曲率（指井眼轨迹曲线的曲率（平均曲平均曲率）率），也称为也称为“狗腿严重度狗腿严重度”、“全角变化率全角变化率”。l“狗腿角狗腿角”（），或称为），或称为“全角变化全角变化”：上、下：上、下二测点的两条方向线之间的夹角二测点的两条方向线之间的夹角(空间夹角空间夹角)。2、井眼轨迹的计算参数、井眼轨迹的计算参数 1-2 井眼轨

17、迹的基本概念井眼轨迹的基本概念（1）三种基本图形）三种基本图形 A.水平投影图：水平投影图：在水平投影图上，方位角是真实的在水平投影图上，方位角是真实的。n投影面：水平面投影面：水平面n 坐标系：以井口为原点，纵轴为坐标系：以井口为原点，纵轴为N坐标，横轴为坐标，横轴为E坐标。坐标。n 表达的参数：坐标值、坐标值、水平位移表达的参数：坐标值、坐标值、水平位移S、水平长度水平长度Lp、闭合距、井斜方位角、闭合距、井斜方位角、平移方位角平移方位角、闭合方位角。、闭合方位角。B.垂直投影图：垂直投影图：n投影面：过设计方位线的铅垂面，即井口和目标点所在的铅垂投影面：过设计方位线的铅垂面，即井口和目标

18、点所在的铅垂面。面。n坐标系：原点（井口）、坐标系：原点（井口）、纵轴为垂深纵轴为垂深D，横轴为视平移，横轴为视平移V。n表达的参数：垂深表达的参数：垂深D、视平移、视平移V、井斜的增减趋势。、井斜的增减趋势。3、井眼轨迹的图示法、井眼轨迹的图示法 1-2 井眼轨迹的基本概念井眼轨迹的基本概念（1 1）三种基本图形）三种基本图形 C.C.垂直剖面图：垂直剖面图：过井眼轴线上各点垂线组成的柱面展开图。过井眼轴线上各点垂线组成的柱面展开图。n投影面：水平面投影面：水平面n坐标系：以井口为原点，纵轴为垂深坐标系：以井口为原点，纵轴为垂深D D，横轴为平长，横轴为平长LpLp。l表达的参数：垂深表达的

19、参数：垂深 D D、水平长度、水平长度 L Lp p、井深、井深 L L、井斜角、井斜角 。l在垂直剖面图上，井斜角是真实的在垂直剖面图上，井斜角是真实的 。3、井眼轨迹的图示法、井眼轨迹的图示法 1-2 井眼轨迹的基本概念井眼轨迹的基本概念垂直剖面图原理垂直剖面图原理（2 2）两种图示方法）两种图示方法l垂直剖面图水平投影图垂直剖面图水平投影图l垂直投影图水平投影图垂直投影图水平投影图可以看出实钻井眼轨迹可以看出实钻井眼轨迹与设计井眼轨迹的差别，与设计井眼轨迹的差别，便于指导施工中轨迹控便于指导施工中轨迹控制。制。3、井眼轨迹的图示法、井眼轨迹的图示法 1-2 井眼轨迹的基本概念井眼轨迹的基

20、本概念1-3 井眼曲率计算方法井眼曲率计算方法1 1、井眼曲率的概念、井眼曲率的概念l从一点到另一点，井眼前进方向变化的角度（两点处井眼从一点到另一点，井眼前进方向变化的角度（两点处井眼前进方向线之间的夹角），既反映了井斜角的变化，又反前进方向线之间的夹角），既反映了井斜角的变化，又反映了井斜方位角的变化。此角度称为映了井斜方位角的变化。此角度称为“全角变化值全角变化值”，或，或称为称为“狗腿角狗腿角”，通常以，通常以 表示。表示。l“井眼曲率井眼曲率”也称为也称为“全角变化率全角变化率”，或，或“狗腿严重狗腿严重度度”(简称简称“狗腿度狗腿度”)，指单位长度井段内狗腿角的大小。，指单位长度井

21、段内狗腿角的大小。2、第一套计算公式、第一套计算公式1-3 井眼曲率计算方法井眼曲率计算方法2、第一套计算公式（证明）、第一套计算公式（证明）1-3 井眼曲率计算方法井眼曲率计算方法1-3 井眼曲率计算方法井眼曲率计算方法2、第一套计算公式（证明）、第一套计算公式（证明）l这是这是LubinskyLubinsky先生根据空间平面圆弧曲线推导的。先生根据空间平面圆弧曲线推导的。l假定测段是斜面圆弧曲线，则测段的狗腿角假定测段是斜面圆弧曲线，则测段的狗腿角 可由上面第一可由上面第一式计算得到，狗腿角式计算得到，狗腿角 除以段长除以段长LL就得到该段曲率就得到该段曲率。cossinsincoscos

22、cos2121KL1-3 井眼曲率计算方法井眼曲率计算方法3、第二套计算公式、第二套计算公式 由由CDECDE和和CDECDE得：得：二式联立可得：二式联立可得：由几何关系可得：由几何关系可得：此四式代入上式可得：此四式代入上式可得：cos2cos2222222ECDCECDCDECECDCECDDEcos2cos22222ECDCECDCCECDCECD12cos/cos/CCCECCCD12tgCCECtgCCDCcossinsincoscoscos21211-3 井眼曲率计算方法井眼曲率计算方法3、第二套计算公式（证明、第二套计算公式（证明1）1 1点的井眼方向单位矢量为：点的井眼方向单

23、位矢量为：2 2点的井眼方向单位矢量为：点的井眼方向单位矢量为：两矢量夹角的余弦为：两矢量夹角的余弦为：ENHeeee111111sinsincossincoscossinsincoscoscos212112ENHeeee222222sinsincossincos1-3 井眼曲率计算方法井眼曲率计算方法3、第二套计算公式（证明、第二套计算公式（证明2）l该方法来源于沙尼金图解法，是第一套计算公式在井斜角较小且该方法来源于沙尼金图解法，是第一套计算公式在井斜角较小且两点的井斜、方位均相差不大情况下的近似。两点的井斜、方位均相差不大情况下的近似。l上式是任意三角形余弦定理的表达式，可以用图解法求上

24、式是任意三角形余弦定理的表达式，可以用图解法求 。KL 1222122cos1-3 井眼曲率计算方法井眼曲率计算方法4、第三套计算公式、第三套计算公式1-3 井眼曲率计算方法井眼曲率计算方法4、第三套计算公式（证明）、第三套计算公式（证明）第一套公式，数学推导严密，适用于各种形状的井眼，具有第一套公式，数学推导严密，适用于各种形状的井眼，具有普遍性。普遍性。第二套公式是建立在假设井段是平面曲线，而且是平面圆弧第二套公式是建立在假设井段是平面曲线，而且是平面圆弧曲线的前提下推导，适用于平面曲线的井眼，例如，用弯曲曲线的前提下推导，适用于平面曲线的井眼，例如，用弯曲动力钻具定向钻进钻出的井眼。动力

25、钻具定向钻进钻出的井眼。第三套公式本身就是近似公式，只能是用于井斜角较小，且第三套公式本身就是近似公式，只能是用于井斜角较小，且两点的井斜、方位均相差不大的情况下。两点的井斜、方位均相差不大的情况下。我国定向井标准化委员会制定的标准规定：使用第一套计算我国定向井标准化委员会制定的标准规定：使用第一套计算公式。公式。1-3 井眼曲率计算方法井眼曲率计算方法5、计算方法的选择、计算方法的选择 例例1-11-1某测段长某测段长 L L=30m=30m，上测点井斜角，上测点井斜角 1 1=35=35，下测点井斜角，下测点井斜角 2 2=39=39，上下测，上下测点的方位角差值点的方位角差值 =8=8，试用三种曲率计算方法计算该测段的曲率。，试用三种曲率计算方法计算该测段的曲率。l法一：法一：l法二：法二：l法三：法三：mradK/003641.03.5737sin3.573083.573035392226.2588(/30m)mradK/003637.0303.578cos3.5739sin3.5735sin3.5739cos3.5735cosarccos6.2520(/30m)mradK/003795.0303.578cos3.57393.573523.57393.5735226.5236(/30m)1-3 井眼曲率计算方法井眼曲率计算方法