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1、定向、水平井眼轨迹控制技术,钻井欠平衡井控技术服务公司,目 录,特殊工艺钻井概念井眼轨迹控制原理底部钻具组合及其特性井下动力钻具造斜率的预测方法转盘钻具组合的力学分析方法参数研究影响因素分析高效防斜理论测量与计算方法,特殊工艺钻井概念,预置轨道，是指按勘探或开发目标要求设计出的井眼轨道，其基本类型包括直井，定向井或水平井，等等。沿预定轨道偏离垂直方向而钻达地下目标层位的井，称为定向井；将定向井的井斜增大到86度以上（90度左右）并在油藏内部钻进一定长度的井，称为水平井。定向井和水平井可通称为斜井，其井眼形状不同于传统的直井，最明显的特点是斜井从井口到井底有一个“大斜度水平位移”。在一个井场或海
2、洋平台上钻出多口井，这些井组合起来称为丛式井。在石油勘探开发过程中，由于经常遇到种种客观条件的限制，或出于经济和社会效益等方面的考虑，打直井难以实现预期目标，而打斜井及丛式井则可扬长避短、兴利除弊，获得理想的效果。,特殊工艺钻井概念,水平位移（displacement or closere distance）井眼轨迹上的任意一点与井口铅锤的距离称为该点的“水平位移”。也称该点的闭合距视平移（vertical section）,水平位移在设计方位线上的投影长度，称为视平移。如下图所示。OQ为设计方位线，OT曲线为实钻井眼轴线在水平面上的投影，其上任一点P的水平位移为OP，以Ap来表示。P点的 视
3、平移为OK。当OK与OQ同向时为正值，反向时为负值。视平移是绘制垂直投影图时重要的参数，单位为m。,特殊工艺钻井概念,高边（High side）定向井的井底是个呈倾斜状态的圆平面，称为井底圆。井底圆上的最高点称为高边。从井底圆心指向高边连线的方向称为高边方向。高边连线在水平面的投影线所指的方向线为井底方位线。工具面角（Tool face angle）它是表示造斜工具下到井底后，工具面角所在位置的参数。工具面角有两种表示方法：1.重力工具面角(高边工具面角)2.磁性工具面角,井眼曲率,在定向钻井中，井眼曲率是一个很重要的参数。井眼曲率过大会给钻井、采油和修井作业造成困难。因此，在定向钻井过程中，
4、应控制最大井眼曲率的最大值，一般取512/100m，最大不超过16/100m。,当然，井眼曲率也不宜过小，这是因为井眼曲率限制太小，会增加动力钻具造斜井段、扭方位井段和增（降）斜井段的井眼长度，从而增加了井眼轨迹控制的工作量，影响钻井速度。,为了保证造斜钻具和套管安全、顺利下井，必须对设计剖面的井眼曲率进行校核，应该使井身剖面的最大井眼曲率小于井下马达组合和下井套管抗弯曲强度允许的最大井眼曲率值。井下马达定向造斜及扭方位的井段井眼曲率Km应满足下式：,式中：Km井眼曲率，/100m；Db钻头直径，mm；DT井下马达外径，mm；LT井下马达长度，m。,下套管允许的 最大井眼曲率Km应满足下式：,
5、式中：Km井眼曲率，/100m；c套管屈服极限，PaC1安全系数，一般取1.21.25C2丝扣应力集中系数，一般取1.72.5Dc套管外径，cm,特殊工艺钻井概念,1.高边工具面角:指以高边的方向线为始边,顺 时针转到工具面与井底圆平面交线上,所转过的角度。2.磁北工具面角:高边工具面角加井底方位角。磁偏角（Declination）在某一地区内，其磁北极方向线与地理北极方向线的夹角。计算方法是以地理北极方向线为始边，磁北极方向线为终边。顺时针为正，逆为负。,定向、水平井的主要用途,在地面上难以建立或不允许建立井场的地区，要勘探开发地下的石油等资源，唯一的办法是从该地区附近打定向井；在海洋或湖泊
6、等水域上勘探开发石油时，最好是建立固定平台或从岸边打定向井和丛式定向井；可使用定向井饶过所钻遇的地下复杂地层或障碍物等；打定向水平井和复杂结构井，可扩大勘探效果及提高开发效益和采收率；在发生卡钻、断钻及井喷着火等恶性钻井事故的情况下，用侧钻井、救援井来处理这类事故最有效。,Selection of Well Profiles,复杂结构井示意图,1、井眼轨迹控制原理,1、钻头与地层相互作用因素：钻头：特殊结构，侧切特性，各向异性地层：岩性，可钻性，各向异性，几何产状钻头作用力：钻压，侧向力，钻头转角，扭矩高压射流作用：清洗碎屑，辅助轴向破岩2、钻柱及其底部钻具组合（BHA）分析确定钻头对地层的机
7、械作用力：井斜力和方位力确定钻头指向：转角确定钻压及钻头扭矩确定钻柱或BHA任一点内力和挠度3、钻头与地层相互作用模型三维钻速方程,石油钻井中使用的牙轮 钻头,改进后的171/2FS2663在迪那2井1325-3129m井段共计4次入井，累计进尺1723.48m，累计纯钻711.9h，平均钻速2.42m/h，171/2PDC钻头在塔里木油田首次取得突破,针对山前构造地层变化频繁，夹层研磨性强的特点，选用了DS66GJNSW钻头，在柯深101井81/2井段应用，累计进尺1098.27m，平均钻速1.15m/h，与柯深1井同井段相比节约周期165天，节约成本1160万,塔里木钻井使用的钻头,钻头的
8、各向异性钻井特性,地层的各向异性钻井特性,实钻地层的各向异性划分,Formation A:Ir11(Ddip=DstrDn)Formation D:Ir1Ir21(DdipDstrDn)Formation E:Ir2Ir11(DstrDdipDn)Formation I:Ir2Ir2=1(DdipDstr=Dn)Formation K:Ir1=1Ir2(Ddip=DnDstr)Formation L:Ir1=1Ir2(Ddip=DnDstr),钻头与地层相互作用矢量,钻头与地层相互作用模型,井眼轨迹预测与定向控制方法,井眼轨迹的主要影响因素分析：钻头、BHA结构及操作参数的影响（可控制因素）地
9、层因素的影响（不可改变的客观因素）井眼几何参数的影响，以及动态因素的影响井眼轨迹预测方法：有效钻力与“平衡曲率法”结合，进行定量预测定向控制方法：底部钻具组合（BHA）和钻头的优选方法随钻井眼轨迹监视与操作参数控制方法利用地层自然造斜规律进行控制,2、底部钻具组合及其特性,1.底部钻具组合（BHA）系统：钻头，钢钻铤，无磁钻铤，螺旋钻铤，加重钻杆等稳定器，减振器，震击器，扩大器等井下动力马达，弯接头，弯外壳，可变径稳定器等测量系统2.BHA荷载及约束：地层对钻头的反作用力，动力载荷横向和轴向分布载荷，扭矩，摩擦阻力，液力井眼约束：井径，井斜，曲率和挠率，井壁支撑荷载及井眼约束条件随钻变化,井下
10、动力钻具组合,转盘钻具组合（BHA）,BHA参数:稳定器的安放位置；稳定器与井眼的间隙；钻铤的抗弯刚度；钻铤的每米有效重量；钻铤的刚柔组合；钻头的各向异性特性；特殊接头等。,转盘旋转钻进与滑动钻进特性,旋转钻进方式：主要有如下两种 转盘旋转钻进方式（如：ERD偏爱此种）井下动力滑动钻进方式（如：CTD最典型）转盘旋转钻进方式的优缺点转盘旋转钻进的优点：轴向阻力小，便于施加钻压及大位移延伸排量大，钻柱涡动，洗井效果较好便于修整井壁，井眼光滑，质量较好一般情况下机械钻速较大,转盘旋转钻进方式,转盘旋转钻进的缺点：钻柱旋转与振动，损失大量机械能量扭矩损失巨大，要求钻柱抗扭强度高井下工具（包括钻头等）
11、的使用寿命降低管柱摩擦磨损严重，特别是套管磨损定向控制精度较低，特别不利于方位控制钻柱刮拉和撞击井壁，不利于井壁稳定控制要求钻机旋转驱动功率较大要求无线随钻测量钻进间断较多，等等,井下动力滑动钻进方式,井下动力滑动钻进方式的优缺点井下动力滑动钻进的优点：定向控制精度高，可有效地控制方位漂移钻柱振动很小，机械能量损失少管柱摩擦磨损少，钻具非正常失效少扭矩很小，一般不需要钻机旋转驱动钻柱不旋转，有利于井壁稳定可以进行有线随钻测量或测井,井下动力滑动钻进方式,井下动力滑动钻进目前存在的缺点：钻柱滑动，受到较大的轴向阻力，不利于施加钻压及大位移延伸受井下马达排量限制，洗井效果不佳没有钻柱旋转，不利于修
12、整井壁在有些情况下，机械钻速较慢井下马达性能的不断改进井下动力滑动钻进系统的改进,智能钻井系统的概念（英国）Inglis T A.：定向钻井，石油工业出版社，1995,智能钻井系统未来钻井的核心,智能钻井系统的组成：执行机构（好象人的手，硬件）测量系统（好象人的眼睛，硬件）控制决策系统（好象人的脑，软件）两大类导向工具：角度可调的弯曲结构：弯接头等；径向尺寸可调的非弯曲结构：可变径稳定器等。,角度可调的弯曲结构及其特点,角度可调的弯曲结构包括：弯接头弯外壳等。其中，目前实现了井下角度可调的弯曲结构，只有弯接头一种。角度可调的弯曲结构的主要优点：与径向尺寸可调的非弯曲结构相比，弯曲结构的定向控制
13、性能可调范围大，适应性强；便于同其它井下工具进行组合，灵活，可靠；既可用于定向控制，也可用于高效防斜及稳斜控制；既可用于井下动力滑动钻进，也可用于转盘旋转钻进。,3、井下动力钻具造斜率的预测方法,井下动力钻具造斜率预测,S1=DH-DS1:distance clearance of first stabilizer,inS2=DH-DS2:diametrical clearance of second stabilizer,inB1=angle adjustment for under-gauge of 1st stabilizer,degB2=angle adjust adjustment
14、for under-gauge of 2nd stabilizer,degB=Equivalent angle for single bend,deg=effective motor angle,deg,35,Principle for directional drilling 3-point geometry,A型动力钻具组合及其造斜率(BUR),B型动力钻具组合及其造斜率(BUR),C型动力钻具组合及其造斜率(BUR),D型动力钻具组合及其造斜率(BUR),实例分析：单弯双稳螺杆钻具组合,4、转盘钻具组合的力学分析方法,1.纵横弯曲力学模型：三维纵横弯曲梁柱问题2.三维非线性变形控制方程：
15、四阶偏微分方程3.三维弯曲井眼几何约束方程及边界条件4.数值求解方法：加权残值法和有限差分法5.三维大挠度力学分析：中小曲率半径水平井6.BHA简化模型的半解析解7.BHA涡动特性分析8.BHA分析程序（软件）研制,转盘钻具组合力学分析基本假设,1)底部钻具组合各结构单元均处于弹性状态；2)底部钻具组合各结构单元可以具有任意几何尺寸和材料性质,但分段保持为常数；3)钻头居井底中心,钻头与地层间无力偶作用；4)钻压分段保持常数,沿井眼轴线方向作用；5)井眼为圆形,井壁为刚性体;6)稳定器与井壁之间的接触为点接触;7)在切点以上,钻柱因自重躺在下井壁;8)忽略钻柱与钻井液的动力效应。,转盘钻具组合
16、力学分析坐标系,转盘钻具组合力学分析变形控制方程,转盘钻具组合两维分析坐标系,转盘钻具组合两维分析井眼约束,转盘钻具组合力学分析通解方程,转盘钻具组合两维分析挠度计算,转盘钻具组合两维分析目标函数,钻具组合两维分析钻头侧向力及转角,5、井眼轨迹控制计算系统,井眼轨迹定向控制计算系统，是在钻头与地层相互作用模型及分析程序的基础上，从实际工程的需要出发，采用新方法研发的井眼轨迹定向预测和控制的计算机软件系统，主要计算功能包括：底部钻具组合力学特性分析；井斜变化预测计算；稳定器安放位置优化计算；钻压法控制计算；地层各向异性评估，地层造斜规律图形分析。,6、参数研究影响因素分析,稳定器位置对钻头力学行
17、为影响很大。所谓“钟摆作用”、“杠杆作用”及“满眼稳斜作用”等，主要取决于稳定器位置。计算表明，近钻头稳定器及其相邻的稳定器，其安放位置对钻头力学行为影响较大，而其余的则影响较小。另一方面，稳定器位置的改变主要影响钻头井斜力，而对钻头方位力的影响则较小。稳定器间隙对钻头力学行为具有不可忽略的影响。对于具有三个稳定器的稳斜钻具组合而言，其钻头力学行为受近钻头稳定器间隙的影响最大，受中稳定器间隙的影响次之，而受上稳定器间隙的影响最小。,参数研究影响因素分析,钻铤的影响：的受力和变形，均直接与其钻铤的自重和抗弯刚度密切相关。研究表明，在钟摆钻具组合中采用大重度及高抗弯刚度的钻铤，将会产生较好的防斜效
18、果；当需要钻较小曲率半径的增斜井段时，在增斜钻具组合中宜采用较柔性的钻铤；“刚性满眼”钻具组合一般具有较好的稳斜能力。总之，在井眼轨迹控制中，选配适当尺寸及材质的钻铤，是优选底部钻具组合的重要内容之一。,参数研究影响因素分析,钻头的影响。钻头各向异性可用钻头各向异性指数（Ib）来表征。Ib的大小主要取决于钻头的类型，结构和尺寸，可通过室内试验测定。由于钻头各向异性的影响，钻头即使在均质各向同性地层里钻进，也不能按着钻头机械合力方向钻进。在这种情况下，钻头转角也影响钻进方向。由Ib的定义（即Ib为钻头侧向切削效率与其轴向钻进效率的比值）可知：当Ib时，则钻头侧向切削效率较低；当Ib时，则钻头侧向
19、切削效率较高；当Ib0时，则钻头只有轴向钻进效率；当Ib时，则钻头呈各向同性；当Ib时，则钻头轴向钻进效率趋于零。目前常用牙轮钻头和PDC钻头在钻井条件下的Ib值，一般均在（0，1）范围内。,参数研究影响因素分析,带弯接头的井下动力钻具组合。研究结果表明，弯接头的弯曲角（）及其相对钻头的间距（Lt）均对这种钻具组合的造斜特性影响较大，即增大或减小Lt匀可增强造斜效果；此外，这种钻具组合下井后的装置角（）也对钻头井斜力和方位力的影响很大。因此，当使用带弯接头的井下动力钻具组合造斜或纠斜时，通过合理选配弯接头或采用适当长度的井下马达，并同时严格控制装置角的大小，便可有效地控制井眼轨迹。,参数研究钻
20、压的影响规律,降斜钻具组合（）。总的讲，钻压对它的力学特性有较大的影响。在斜直井眼中，钻头的降斜力随钻压加大而减小，原有的变方位趋势亦随之削弱。在弯曲井眼中，钻头的井斜力和方位力随钻压的变化规律，分别取决于井斜变化率（K）和井斜方位变化率（K）。无论K的正负，当K时，钻头井斜力随钻压增大而降低，当K时，则相反；无论K的正负，当K时，钻头原有的变方位趋势随钻压增大而增强，当K时亦然。,参数研究钻压的影响规律,增斜钻具组合（）。总的讲，它受钻压的影响较大，钻头力学行为随钻压的变化规律也与井眼几何形状有关。在斜直井眼中，钻头增斜力随钻压加大而增强（在无稳定器间隙时则相反），原有的变方位趋势随之削弱。
21、在弯曲井眼中，无论K的正负，当K0时，钻头井斜力随钻压增加而变大，当K时，则相反；无论K的正负，当K时，钻头原有的变方位趋势随钻压的增加而减弱，当K时亦然。,参数研究钻压的影响规律,稳斜钻具组合（）。在斜直井段，钻压对钻头井斜力影响很小，而对方位力影响较大（增加钻压可减弱原有的变方位趋势）。在弯曲井段，钻压对钻头方位力影响甚小，而对井斜力影响较大：当井眼为增斜增方位或降斜增方位时，钻压增加使钻头井斜力变小；当井眼为降斜减方位或增斜减方位时，钻压增加使井斜力变大。,参数研究钻头扭矩的影响规律,钻头扭矩是影响钻头力学行为的又一个重要参数。由于它的作用，使得井斜方向和方位方向的变形相互耦合，因而使变
22、形分析复杂化。当令扭矩等于零时，则井斜方向和方位方向的变形互不干扰，从而使问题的求解大为简化（变为二维变形问题的求解）。钻头扭矩虽然对三类钻具组合的钻头井斜力影响很小，但对钻头方位力影响很大。在钻井过程中，钻头扭矩与钻压密切相关。当其它因素固定时，钻头扭矩是钻压的线性函数。因此在计算中，钻头扭矩和钻压应同时确定。,参数研究影响因素分析,钻井液的浮力影响。底部钻具组合在充满钻井液的井眼里工作，必然受到浮力的作用。研究结果表明，浮力作用使钻柱单位长度重量减轻，即钻柱在钻井液里的单位长度重度qKf q0（其中q0表示钻柱在空气中的单位长度重量；Kf为浮重系数，取决于钻井液和钻柱材料的重度）。,参数研
23、究井眼几何的影响,井斜角的影响。底部钻具组合（BHA）横向分布载荷不仅源于钻铤的自重，而且与井斜角密切相关。当BHA选定后，其横向和轴向的分布载荷大小均随井斜角的变化而变化。BHA的弯曲变形与其横向载荷和轴向载荷均有较大关系，因而钻头力学行为也必然如此。计算结果表明，降斜钻具组合和增斜钻具组合的钻头井斜力受井斜角的影响较大，而稳斜钻具合的钻头井斜力则受其影响较小；另一方面，稳斜钻具组合和增斜钻具组合的钻头方位力受井斜角的影响较大，而降斜钻具组合的钻头方位力则受其影响较小。此外，地层各向异性钻井特性也与井斜角有关。,参数研究井眼几何的影响,井眼曲率的影响。各种底部钻具组合均具有弹性和抗弯刚度，当
24、它们受到井眼的弯曲作用时，必然会表现出自身的反抗响应。计算结果表明，底部钻具组合的力学特性对井眼曲率的敏感性响应，表现为稳斜型最强，增斜型次之，降斜型相对最弱；同时可发现，由于扭矩的耦合作用，井斜变化率尽管主要影响井斜力，但同时也对钻头方位力有一定的影响；井斜方位变化率虽然主要影响钻头方位力，但同时也对井斜力有一定的作用效果。另外，井眼曲率对底部钻具组合的大挠度非线性效应具有较大影响。,参数研究井眼几何的影响,井径扩大的影响。BHA的弯曲变形，总是受井眼几何形状的严格约束。当遇到井径扩大时，井眼视半径便增大，井眼对BHA的约束空间就发生变化，从而影响BHA的变形状态。计算结果表明，井径扩大对三
25、类BHA力学行为的影响程度有所不同，其中以稳斜型受井径扩大的影响最大，增斜型次之，而降斜型受其影响则甚小。井斜方位的影响。井斜方位对钻进方向的影响，主要是通过地层的各向异性钻井特性发生作用的。假若地层因素固定不变，则在钻进过程中地层对井眼轨迹的影响效果随井斜方向变化而变化。,参数研究BHA旋转运动特性,以DTU螺杆钻具组合为例，讨论井下动力钻具组合的定向钻进特性。当钻柱不旋转（锁住转盘）钻进时，则DTU马达的转子（或钻头）处于自转状态，并根据钻具组合工具面的方位定向钻进，可达到变化井斜和方位的控制目标。当开动转盘（低速）钻进时，则DTU马达的转子（或钻头）将处于涡动状态，即它不仅绕本身轴线自转
26、，而且随着马达外壳绕井眼中心进动（或公转），从而实现稳斜或水平段定向钻进的控制目标。可见，可通过控制井下动力导向钻井系统的旋转运动状态，来实现对井眼轨迹的连续控制。,7、SPE/IADC 52835:Quantifying BHA Tendency with Field Directional Drilling Data&Finite Element Model,SPE/IADC 52835:Quantifying BHA Tendency with Field Directional Drilling Data&Finite Element Model,光钻铤大钻压防斜技术“动力学”防斜打快
27、理论偏轴防斜打快技术“刚柔组合”钟摆钻具防斜技术井下动力钻具防斜打快技术高陡构造预测控制井眼轨迹中靶技术,8.井斜控制理论与技术,井下测量与过程可视化：MWD、LWD、SWD、PWD及近钻头力学测量等可视化：几何、地质及力学可视化等井下智能控制系统：硬件和软件。旋转可控钻井系统（主要用于大位移钻井）：Auto Track RCLS系统Power Drive SRD系统Geo-Pilot系统等,三维可控与可视化钻井,测量与计算,现代测量工具主要以固态传感器测量地球自然场（重力场、磁力场和旋转场），与其相关的典型独立误差源有：原始传感器误差 测量深度误差 磁偏角误差磁干扰误差磁化纠正误差钻具组合下垂不同轴误差,例如：井眼轨迹不确定性及其可视化,井下导向工具设计研究 地面遥控可调弯接头,回转轴线,下弯短节轴线回转锥,结构设计遥控技术结构强度,旋转可控导向机构（Power Drive SRD系统）,旋转可控导向机构（Auto Track RCLS系统）,旋转可控导向机构（Geo-Pilot系统）,欢迎批评指正！,
