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1、定向井及工具,王瑞城2013-7,主要内容,定向井简介定向工具测量工具,定向井简介,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。定向井“按预定设计的具有井斜和方位变化轨道钻进的井”。,定向井简介,定向井用途（为什么打定向井？）1.地面环境条件的限制：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，或者安装钻机和钻井作业费用很高时，为了勘探和开发它们下面的油气田，最好是钻定向井。（征地难度大，为节约井场）,定向井简介,2.地下地质条件的要求：对于断层遮挡油藏，定向井比直井可发现和钻穿更多的油层；对于薄油层，定向井
2、和水平井比直井的油层裸露面积要大得多。另外，侧钻井，多底井，分支井，大位移井，侧钻水平井，径向水平井等等定向井的新种类，显著地扩大了勘探效果，增加了油气产量，提高了油气藏的采收率。,定向井简介,3.处理井下事故的特殊手段：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；特别是遇到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)，与事故井贯通，进行引流或压井，从而可处理井喷着火事故。,定向井简介,定向井分类1.常规剖面类型主要有两种：一种是“直-增-稳”剖面，在我国现场上称为三段制剖面;另一种是“直-增-稳-降-稳”剖面，现场上称为“S”形井眼或“五段制剖面”。,定向
3、井简介,2.井斜角的大小范围定向井又可分为：常规定向井 井斜角55 大斜度井 井斜角55 85 水平井 井斜角85,定向井简介,井身基本参数所谓井眼轨迹，实指井眼轴线。一口实钻井的井眼轴线乃是一条空间曲线。为了进行轨迹控制，就要了解这条空间曲线的形状，就要进行轨迹测量（常说的测斜）。目前常规定向井是每隔一定长度的井段测一个点。这些井段被称为“测段”，这些点被称为“测点”。水平井使用随钻测量。测斜仪器在每个点上测得的参数有三个，即井深、井斜角和井斜方位角。这三个参数就是轨迹的基本参数。,定向井简介,1.井深L指井口(通常以转盘面为基准)至测点的井眼长度，也有人称之为斜深，国外称为测量井(Meas
4、ureDepth)。井深是以钻柱或电缆的长度来量测。井深既是测点的基本参数之一，又是表明测点位置的标志。2.垂深D测点的垂直深度。3.井斜角 测点处井眼方向线（切线）与重力线间的夹角。4.方位角 正北方向至测点处井眼方向线在水平面投影线间夹角。5.水平位移测点至井口所在的铅垂线的距离。(闭合距),定向井简介,定向井简介,6.水平长度井深在水平面上的投影长度。7.闭合方位角在水平投影图上测点处正北方向与闭合方位线间的夹角。8.视平移测点水平位移在设计方位线上的投影。又称投影位移。9.井斜变化率单位井段内井斜角的变化速度。10.方位变化率单位井段内方位角的变化速度。11.全角变化率单位井段内井眼钻
5、进的方向在三维空 间内角度的变化，它既包括井斜角的变化也包括方位角的变化，俗称“狗腿度”。,定向井简介,1）井斜变化率以表示，严格地讲，井斜变化率是井斜角对井深的一阶导数，可写为：以增量代替微分，以相邻二测点间的井斜角变化值（）与二测点间井段长度（L）的比值来表示井斜变化率的。求得的乃是该测段的平均井斜变化率,定向井简介,2）方位变化率以表示。严格地讲，方位变化率是方位角 对井深的一阶导数，可写为：以增量代替微分，以相邻二测点间的方位角变化值（）与二测点间井段长度（L）的比值来表示方位变化率的。求得的乃是该测段的平均方位变化率,定向井简介,3）全角变化率从一点到另一点，井眼前进方向变化的角度（
6、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，又反映了井斜方位角的变化。人们将此角度称为全角变化值，或称为狗腿角，通常以表示。井段长度不变，狗腿角越大，则井眼前进方向变化的越快，井眼弯曲越厉害，井眼曲率越大。全角变化率也称为井眼曲率，又称狗腿严重度(简称为狗腿度)，都是同一个概念，是指单位长度井段内狗腿角的大小。井眼曲率计算方法:有公式计算法、查图法、图解法、查表法和尺算法等五种。后四种皆来源于公式计算法。公式计算法又可分为三套。,定向井简介,第一套计算公式根据空间微分几何原理推导，可得：对于一个测段来说，以 和 代入，并以测段平均井斜角 代替公式中的，得到：令：则：,定向井简介,第
7、二套计算公式：这是Lubinsky先生根据空间平面圆弧曲线推导的。假定测段是斜面圆弧曲线，则测段的狗腿角：式中：,定向井简介,第三套计算公式：这套公式源于沙尼金图解法，其表达式为：这是任意三角形余弦定理的表达式。,定向井简介,第一套公式，数学推导严密，是用于各种形状的井眼，具有普遍性。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。第三套公式本身就是近似公式，只能是用于井斜角较小，井斜方位角也较小的情况下。我国定向井标准化委员会制定的标准规定：使用第一套计算公式。,定向井简介,12.磁偏角 目前广泛使用的磁性测
8、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,定向井简介,定向井简介,定向井简介,13.象限角 井斜方位角还有另一种表示方式，称“象限角”它是指井斜方位线与正北方位线或与正南方位线之间的夹角。象限角在 090度之间变化。书写时需注明所在的象限，如N67.5W。,定向井简介,象
9、限方位角得校正，更为麻烦。区别东西磁偏角；区别在那个象限里；,定向井简介,14.工具面相关概念 1）工具面在造斜钻具组合中，由弯曲工具的两个轴线所决定的那个平面，称为工具面。2）工具面角 是表示造斜工具下到井底后，工具面所在位置的参数 工具面角有两种表示方法：高边工具面角；磁工具面角。,定向井简介,3）高边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。从井底圆心至高边之间的连线所指的方向，称为井底的“高边方向”。高边方向在水平面上的投影称为高边方向线。即井底的方位。,定向井简介,高边工具面角1是指以高边方向为始边，顺时针转到工具面与井底圆平面的交线所转过的角度。又称
10、为重力工具面角 磁工具面角2 是指以磁北为始边，顺时针转到工具面与井底圆平面的交线在水平面上的投影线所转过的角度,定向井简介,一般情况下：当井斜6时，使用磁工具面角定向，此时，定向时要把工具面摆到设计方位方位。当井斜6后，磁工具面将转变为高边工具面。此时要根据下步想要的效果摆放工具面，而不是把工具面摆在设计方位上。,定向井简介,4）反扭角动力钻具启动前的工具面与启动后且加压钻进时的工具面之间的夹角，称为反扭角。反扭角总是使工具面逆时针转动。影响反扭角的因素 a.动力钻具扭矩的大小：-扭矩越大，反扭角越大；-扭矩与钻具结构、泥浆排量、钻压、地层等因素有关；b.钻柱尺寸和钢材性能：-反扭角与钻柱长
11、度成正比；-与钻柱断面的极截面惯性矩（扭转惯性矩）成反比；与 钻柱钢材的弹性模量成反比；,定向井简介,c.钻柱与井壁摩阻系数：-摩阻系数越大，摩擦扭矩就越大，反扭角就越小；-摩阻系数与泥浆性能、井壁光滑程度有关；d.装置角的影响-装置角在0-180范围内，将使反扭角减小；-装置角在180-360范围内，将使反扭角增大；-装置角在偏增角附近，对反扭角影响达到最大；-装置角在0和180附近，对反扭角影响达到最小；-井斜角越大，装置角对反扭角的影响就越大；15.装置角（）：在启动钻具后且加压钻进时，工具面所处的角度。,定向井简介,16.其他名词-造斜点（KOP）:在定向井中，开始定向造斜的位置叫“造
12、斜点”。-靶点（目标点）:设计规定的、需要钻达的地层位置，称为靶点。-靶区半径:允许实钻井眼轨迹偏离设计目标点的水平距离，成为靶区半径。-靶心距:在靶区平面上，实钻井眼轴线与目标点之间的距离，称为靶心距。-滞后距:指测点至钻头的距离。也叫零长。-坐标和坐标：是指轨迹上某点在以井口为原点的水平面坐标系里的坐标值。,定向井简介,定向井轨迹控制 要求：在实钻过程中，设法使实钻的井眼轨迹尽可能符合设计的井眼轨道。实质：井眼轨迹控制的实质，就是不断地控制井眼的前进方向。井眼方向由井眼的井斜角和井斜方位角来表示的。井眼方向控制内容：井斜角的控制：增斜、降斜、稳斜；井斜方位角控制：增方位、降方位、稳方位,定
13、向井简介,根据轨迹全角变化率选择相对应的单弯马达，单弯马达造斜率如下表：单弯马达的造斜率与地质构造及现场施工参数有关，不同的地层和施工参数造斜率不同，在实际施工中，选择马达的造斜率应大于设计造斜率。,定向井简介,主要内容,定向井简介定向工具测量工具,定向工具,定向井常用井下工具1、泥浆马达（PDM）2、旋转导向工具3、扶正器（STB）4、非磁钻铤（NMDC）5、悬挂短节（HOS）6、短非磁钻铤（SNMDC）7、浮阀（F/V）,8、定向接头（O/S）9、挠性短节（F/J）10、震击器（JAR）11、加重钻杆（HWDP）12、短钻铤13、弯接头14、套管开窗工具15、其它定向井工具,定向工具,1.
14、螺杆钻具 泥浆马达是一种螺杆钻具，它是以泥浆作为动力的一种井下动力钻具。马达工作原理：泥浆泵产生的高压泥浆流，经旁通阀进入马达时，转子在压力泥浆的驱动下，绕定子的轴线旋转，马达产生的扭矩和转速，通过万向轴和传动轴传递给钻头，来实现钻井作业。螺杆钻具的性能主要取决于马达总成。,定向工具,定向工具,泥浆马达的主要组成部分 1)旁通阀总成 2)马达总成 3)万向轴总成 4)驱动轴总成,定向工具,1）旁通阀结构及工作原理：旁通阀有旁通和关闭两个位置，在起下钻时位于旁通位置，下钻时匀许环空的泥浆由旁通阀阀体侧面的阀口孔流向钻杆内孔，起钻时使钻杆内孔的泥浆从阀体侧面的阀口流入环空，减少井台溢出泥浆，当泥浆
15、流量及压力达到一定值时，旁通阀关闭，泥浆流经马达，将泥浆能量转换为机械能。当泥浆流量值过小或停泵时，所产生的压力不足以克服弹簧力和静摩擦力时，弹簧把阀芯顶起，旁通阀孔又处于开启位置。,定向工具,定向工具,2）马达总成的结构及工作原理：马达总成由转子和定子两部分组成。定子与转子之间形成若干个密封腔，在泥浆动力作用下，密封腔不断的形成与消失，完成能量交换从而推动转子在定子中旋转。马达可形成几个密封腔就称几级马达。马达的输出扭矩与马达的压降成正比，输出转速与输入泥浆量成正比，随着负载的增加，钻具的转速有所降低，因此在地面只要根据压力表控制压力，根据流量计控制泵的流量，就可以控制井下钻具的扭矩和转速。
16、,定向工具,定向工具,3）万向轴总成的结构及工作原理：万向轴总成位于转子下端，其作用是把马达产生的扭矩和转速传递到传动轴上。由于转子作的是偏心运动，因此要求万向轴具有较好的挠性功能，能将偏心运动转换成传动轴的定轴转动。瓣型万向轴采用数控切割技术制成，切口平行度高，粗糙度可达 6.3且不破坏金属化学成分，因此使用寿命高、机械损失小。球传动万向轴采用球、杆、绞连接方式传递扭矩，用高温润滑脂润滑摩擦副，橡胶套密封钢球运动部分，隔离含磨砺性钻井液，球传动万向轴工作面均进行特殊表面处理，使其表面硬度、抗高温性相对提高；因此耐磨性、可靠性得到进一步提高，工作寿命相应延长。,定向工具,定向工具,4）传动轴总
17、成的工作原理：传动轴总成，它的作用是将马达的旋转动力（扭矩和转速）传递给钻头，同时承受钻压所产生的轴向和径向负荷。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,2.旋转导向工具 旋转导向工具是钻柱保持旋转状态下就能实现造斜、增斜、稳斜、降斜和扭方位等定向钻井目的的井下工具。,定向工具,定向工具,旋转导向系统的优点：1、排除了滑动钻进 2、减少了扭矩和摩阻3.提高了井眼质量 4、改善了井眼清洁5、提高了机械钻速 6、降低了循环当量密度7.选择最佳钻井参数获得最大机械钻速8.降低了
18、压差卡钻的风险9.钻头的钻井性能选择优于钻头可导向性的选择 10.大位移钻井全过程定向控制11.低风险钻进大多数高难度井眼轨迹的井节省钻机时间,主要内容,定向井简介定向工具测量工具,测量工具,目前,石油钻井过程中的测量需要借助三种媒介,即大地的重力场、大地磁场和天体坐标系,由此产生了与这三种测量媒介有关的测量仪器。1).借助于重力场测量井斜角或高边工具面,采用的测量元件为测角器、罗盘重锤或重力加速度计等。这类仪器的测量基准是测点与地心的连线,即铅垂线。2).借助于地磁场测量方位角或磁性工具面,采用的测量元件为罗盘或磁通门等。这类仪器的测量基准是磁性北极,所以磁性仪器测量的方位角数据必须根据当地
19、的磁偏角修正成真北极,即地理北极的数据。3).借助于天体坐标系测量方位角或磁性工具面,采用的测量元件为陀螺仪。陀螺仪为惯性测量仪器,不以地球上任何一为基准,这类仪器下井测量之前必须对陀螺仪的自转轴进行地理北极的方位标定。,测量工具,测量仪器分类,测量工具,测量仪器的应用范围 1).磁罗盘单、多点照相测斜仪 这类仪器适用于普通定向井和无邻井磁干扰的丛式井中与无磁钻铤配合使用,为井下钻具组合定向或测取井身轨迹数据。35 mm 外径的常规单、多点照相测斜仪适应温度小于 125 的井眼。而 25mm 外径的常规单、多点照相测斜仪适应温度小于 182 的井眼。2).有线随钻测斜仪 有线随钻测斜仪适用于较
20、深的定向井、无邻井磁干扰的丛式井或大斜度井、水平井中与无磁钻铤配合使用,为井下钻具组合定向。,测量工具,3).无线随钻测斜仪 无线随钻测斜仪适用于超深定向井、大斜度井、水平井中或海洋钻井平台上与无磁钻铤配合使用,为井下钻具组合定向或测取井身轨迹数据.4).电子多点测斜仪 电子多点测斜仪适用于精度要求较高的定向井、无邻井磁干扰的丛式井、大斜度井、水平井中或海洋钻井平台上与无磁钻铤配合使用,为井下钻具组合定向或测取井身轨迹数据。,测量工具,5).照相单、多点陀螺测斜仪 这类仪器适用于已下探管的井眼中测取井身轨迹数据,或在丛式井、套管开窗井中为井下钻具组合定向。6).电子陀螺测斜仪 电子陀螺测斜仪适
21、用于已下探管的井眼中测取较高精度的井身轨迹数据,或在丛式井、套管开窗井中为井下钻具组合定向。,测量工具,测量工具,单点测斜仪 由定时器、电池筒、照相机总成、罗盘短节、外筒总成及辅助工具等五部分组成。,测量工具,测量工具,1).井斜角的测量 当测斜仪随井眼倾斜时，十字摆锤始终指向重力线与仪器轴线的夹角就是井斜角，由摆锤在井斜刻度盘底片上的投影位置记录。2).井斜方位角的测量 摆锤所在铅垂线与仪器轴线(井眼方向线)构成井斜铅垂面，该井斜铅垂面与水平面的交线就是井斜方位线。摆锤在罗盘面上的投影位置所在的放射线与罗盘N极之间的夹角即为井斜方位角。(在井下，罗盘标志方位与实际地理方位相反),测量工具,测
22、量工具,3).数据读取 查看铅模是否剪断，剪断说明仪器是在底部正确着键，如没有剪断（影响高边测量）应查找原因；卸开仪器仓，取出仪器，检查仪器是否已正常工作。,测量工具,井斜：15方位：NW90高边：45,测量工具,井斜：11方位：SW65高边：NW35,测量工具,井斜：20 方位：N 高边：30,测量工具,井斜：50 方位：E 高边：20,测量工具,随钻测量(MWD)地质导向钻井 地质导向钻井就是在钻井过程中通过随钻测量多种地质和工程参数对所钻地层的地质参数进行实时评价和对比，根据评价对比结果而调整控制井眼轨迹，使之命中最佳地质目标并在其中有效延伸,测量工具,测量工具,随钻测量仪器,测量工具,
23、测量工具,随钻测量信号的传输方式 1).有线传输-电缆传输-特殊钻杆传输-光纤传输 优点是数据传输快，双向通信简单;确定成本高，在接头处获得连续电路比较困难，可靠性差，难以实现电力下传。2).无线传输-泥浆脉冲传输 这种传输方式，稳定可靠.缺点是传输效率低；一般只有416bps；在空气钻井和泡沫钻井液中传输信号很弱甚至不能产生脉冲信号。在液相钻井液中广泛使用。,测量工具,-电磁波传输 以地层为传输介质和以钻杆为传输导体。电磁波传输的速率比较快，适用多种钻井液钻井，但是其缺点在于低电磁波接近于大地频率，在井壁地层中的递减严重，被限于浅井中应用。-声波传输 实现简单，投资少，传输速度快，但是衰减很快，易受环境影响，井眼产生的低强度信号噪声和由钻井设备产生的声波噪声给声波传输带来很大的困难。,谢谢，欢迎拍砖！,
