第一节定向井、水平井的基本概念

1．定向井丛式井发展简史

定向井钻井被（英）T ．A．英格利期定义为：“使井筒按特定方向偏斜，钻遇地下预定目标的一门科学和艺术。”我国学者则定义为，定向井是按照预先设计的井斜角、方位角和井眼轴线形状进行钻进的井。定向井相对与直井而言它具有井斜方位角度而直井是井斜角为零的井，虽然实际所钻的直井它都有一定斜度但它仍然是直井。

定向井首先是从美国发展起来的，在十九世纪后期，美国的旋转钻井代替了顿钻钻井。当时没有考虑控制井身轨迹的问题，认为钻出来的井必定是铅垂的，但通过后来的井筒测试发现，那些垂直井远非是垂直的。并由于井斜原因造成了侵犯别人租界而造成被起诉的案例。最早采用定向井钻井技术是在井下落物无法处理后的侧钻。早在15年美国就使用了特殊的工具和技术达到了这一目的。有记录定向井实例是美国在二十世纪三十年代初在加利福尼亚享廷滩油田钻成的。

第一口救援井是1934年在东德克萨斯康罗油田钻成的。救援井是指定向井与失控井具有一定距离，在设计和实际钻进让救援井和失控井井眼相交，然后自救援井内注入重泥浆压死失控井。

目前最深的定向井由BP勘探公司钻成，井深达10，654米；

水平位移最大的定向井是BP勘探公司于己于1997年在英国北海的Rytch Farm 油田钻成的M11井，水平位移高达1，0114米。

垂深水平位移比最高的是Statoil 公司钻成的的33/9—C2达到了1:3.14；

丛式井口数最多，海上平台：96口；人工岛：170口；

我国定向井钻井技术发展情况

我国定向井钻井技术的发展可以分为三个阶段，50—60年代开始起步，首先在玉门和四川油田钻成定向井及水平井:玉门油田的C2—15井和磨三井，其中磨三井总井深1685米，垂直井深表遗憾350米，水平位移444.2米，最大井斜92°，水平段长160米；70年代扩大实验，推广定向井钻井技术；80年代通过进行集团化联合技术攻关，使得我国从定向井软件到定向井硬件都有了一个大的发展。

我国目前最深的水平井是胜利定向井公司完成的JF128井，井深达到7000米，垂深位移比最大的大位移井是胜利定向井公司完成的郭斜  井，水平位移最大的大位移井是大港定向井公司完成的   井，水平位移达到2666米，最大的丛式井组是胜利石理局的河50丛式井组，该丛式井组长384米，宽115米，该丛式井平台共有钻定向井42口。

2．定向井的分类

   按定向井的用途分类可以分为以下几种类型：

                  普通定向井

                  多目标定向井

 定向井           丛式定向井

                  救援定向井

                  水平井

                  多分枝井（多底井）

                      国外定向井发展简况

                                         （表 一）

     年代

                                                                      （表二）

         年代

所谓水平井，是指一种井斜角大于或等于86°，并保持这种角度钻完一定长度水平段的定向井。

1．水平井钻井技术发展概况

1863年，瑞士工程师首先提出钻水平井的建议；

1870年，工程师在勃良斯克市钻成井斜角达60°的井；

         瑞典和美国研制出测量井眼空间位置的仪器，1888年也设计出了测斜仪器；

1929年，美国国加利福尼亚州钻成了几米长的水平分支井筒；

30年代，美国开始用挠性钻具组合在垂直井内钻曲率半径小的水平井分支井眼；

1954年苏联钻成第一口水平位移；

19年—1965年我国钻成两口水平井，磨—3井、巴—24井；

自来80年代以来，随着先进的测量仪器、长寿命马达和新型PDC钻头等技术的发展，水平井钻井大规模高速度的发展起来。

    我国水平井钻井在90年代以来也取得了很大发展，胜利油田已完成各种类型水平井百余口，水平井钻井水平和速度不断提高。

水平井的类型及各种类型水平井的特点

1）．水平井的类型：

根据水平井曲率半径的大小分为：

长曲率半径水平井（小曲率水平井）；

中曲率半径水平井（中曲率水平井）；

短曲率半径水平井（大曲率水平井）。

            2）．不同曲率水平井的基本特征及优缺点

   （1）．不同曲率水平井的基本特征表

     井型

     优                 点                       缺                 点

1．穿透油层段最长（可以>1000米）      1．井眼轨道控制段最长

2．使用标准的钻具及套管               ２．全井斜深增加最多

3．“狗腿严重度”最小                 ３．钻井费用增加

4．使用常规钻井设备                   ４．各种下部钻具组合较长

5．可使用多种完井方法                 ５．不适合薄油层和浅油层

6．可采用多种举升采油工艺             ６．转盘扭矩较大

7．测井及取芯方便                     ７．套管用量最大

8．井眼及工具尺寸不受             ８．穿过油层长度与总水平位移比最小

（３）．中曲率半径水平井的优缺点

     优                 点                       缺                 点

1．进入油层时无效井段较短            1．要求使用MWD测量系统

2．使用的井下工具接近常规工具          ２．要求使用加重钻杆或抗压缩钻杆

3．使用动力钻具或导向钻井系统          

4．离构造控制点较近

5．可使用常规的套购及完井方法

6．井下扭矩及阻力较小

7．较高及较稳定的造率

8．井眼轨迹控制井段较短

9．穿透油层段较长（1000米）

10．井眼尺寸不受

11．可以测井及取芯

12．从一口直井可以钻多口水平分枝井

13．可实现有选择的完井方案

（4）．短曲率半径水平井的优缺点

     优                 点                       缺                 点

1．井眼曲线段最短                      1．非常规的井下工具

2．侧钻容易                            ２．非常规的完井方法

3．能够准确击中油层目标                ３．穿透油层段短（120—180米）

4．从一口直井可以钻多口水平分枝井      ４．井眼尺寸受到

5．直井段与油层距离最小                ５．起下钻次数多

6．可用于浅油层                        ６．要求使用顶部驱动系或动力水龙头

7．全井斜深最小                        ７．井眼方位控制受到

8．不受地表条件的影响                  ８．目前还不能进行电测

第三节  定向井的基本术语解释

1）井深：指井口（转盘面）至测点的井

   眼实际长度，人们常称为斜深。国外

   称为测量深度（Measure Depth）。

        2）测深：测点的井深，是以测量装置

          （Angle Unit）的中点所在井深为准。              真北极

3)井斜角：该测点处的井眼方向线与重                     

   力线之间的夹角（见图1.2）。井斜                      真北方位线

   角常以希腊字母α表示，单位为度。

      4）井斜方位角：是指以正比方位线为始  东磁偏角

          边，顺时针旋转至井斜方位线所转过 

          的角度（见图1.3）。井斜方位角常

          以希腊字母Φ表示，单位为度。实际                         西磁偏角                 应用过程中常常简称为方位角。       A地

                                                                     B地

                                                 图1.1磁偏角示意图

       5）磁方位角：磁力测斜仪测得的井斜方位角是以地球磁北方位线为准的，称

磁方位角。

                                           井口

           A                                 

                        B                                正北方位线

            αA                井眼方向线                      井底            B    

                                                                  井斜方位角ΦB

               重力线     αB                                  井斜方位线

      图1.2 井斜角示意图                        图1.3 井斜方位角示意图

        6）磁偏角：磁北方位线与真北方位线并不重合，两者之间有一个夹角，这个夹角称为磁偏角。磁偏角又有东磁偏和西磁偏角之分，当磁北方位线在正北方位线以东时，                                                       称为东偏角；当磁北方位线在正北方位线以西时称为西偏磁偏角。进行磁偏角校正时按以下公式计算：

                 真方位角＝磁方位角＋东偏磁偏角

               真方位角=磁方位角－西偏磁偏角

7）井斜变化率：是指井斜角随井深变化的快慢程度，常以Kα表示，精确的讲井斜变化率是井斜角度（α）对井深（L）的一阶导数。

             dα

      Kα＝ ───

             dL

井斜变化率的单位常以每100米度表示。

8）井深方位变化率：实际应用中简称方位变化率，是指井斜方位角随井深变化的快慢程    度，常用KΦ表示。计算公式如下：

                                  dΦ

                           ＫΦ＝───

                                  dL

    井斜方位变化率的单位常以每100米度进行表示。

9）全角变化率（狗腿严重或井眼曲率）：从井眼内的一个点到另一个点，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），该角度既反映了井斜角度的变化又反映了方位角度的变化，通常称为全角变化值。两点间的全角变化值γ相对与两点间井眼长度ΔL变化的快慢及为全角变化率。用化式表达如下：

                                γ

                           Ｋ＝───

                                ΔL

    实际钻井中，井眼曲率的计算方法：目前计算井眼曲率的方法有很多。有公式法、查表法、图解法、查图法和尺算法五种。后四种办法皆来源于公式法。计算井眼，曲率的公式计有三套：

第一套公式：对于一个测点：K＝SQR（Kα2＋KΦ2sin2α）

            对于一个测段：K＝SQR（(Δα／ΔL)2＋(ΔΦ／ΔL)2SIN2αc）

                                      B

             ΔΦ

                                          γ

             αc                               A

  0                                            

                                 C

                                       Δa

                图1.4第一套公式的图解法

第一套公式的图解法（参见图1.4）：

    （1）．作水平射线OA；

    （2）．作∠BOA＝αc（两测点平均角）；

    （3）. 以一定长度代表单位角度，量OB＝ΔΦ（两测点方位角差）；

    （4）．自B点向OA作垂线，垂足为C点；

    （5）．按步骤(3)中的比例，量CA＝Δα；

    （6）．连接A、B，并量AB长度，按步骤(3)比例换算成角度，此角度及狗腿角γ。

第二套公式：（由于误差较大，现场使用少略）

第三套公式：γ＝SQR（α12＋α22－2α1α2COSΔΦ）

                                B

                a2                        γ

        0                                     A

                       a1

               图1.5第三套公式的图解法

第三套公式图解法（参见图1.5）：

    （1）．选取一定比例，经一定长度代表单位角度，作线段OA，使其长度代表α1；

    （2）．作OB线段，使∠BOA＝ΔΦ；

    （3）．按步骤(1)的比例，量OB＝α2；

    （4）．连接A、B，并量邓AB的长度，按步骤(1)的比例换算成角度，既为γ．

10）垂深（垂直井深）：即某测点的垂直深度，以H表示。是指井身任意一点至转盘面所在平面的距离。

11）水平投影长度：是指自井口至测点的井眼长度在水平面上的投影长度。以S表示。

12）水平位移：简称平移，是指测点到井口垂线的距离。在国外又称为闭合距( Closure Distance）。

13）平移方位角：又称为闭合方位角（Closure Azimuth），常用θ表示，是指以正北方位线为始边顺针方向转至平移方位线上所转过的角度。

14）视平移：又称为投影位移，井身上的某点在垂直投影面上的水平位移。在实际定向井钻井过程中，这个投影面选在设计方位线上。所以视不移也可以定义为水平位移在设计线上的投影。

15）高边：在斜井段用一个垂直于井眼轴线的平面于井眼（这时的井眼不能理解为一条线，而是一个具有一定直径的圆）相交，由于井眼是倾斜的故井眼在该平面上有一个最高点，最高点与井眼圆心所形成的直线及为井眼的高边。

16）工具面：工具面就是造斜工具弯曲方向的平面。

17）磁性工具面角：造斜工具弯曲的平面与正北方位所在平面的夹角。

18）高边工具面角：造斜工具弯曲方向的平面与井斜方位角所在平面的夹角。

19）装置角：造斜工具弯曲方向的平面与原井斜方向所在平面的来夹角，通常用ω表    示。

20）反扭矩：在用井底动力钻具钻进时，都存在一个与钻头转动方向相反的扭矩，该扭矩被称为反扭矩。

21）反扭角：使用井底动力钻具钻进时，都存在一个与钻头转动方向相反的扭矩，由于该扭矩的作用，使得井底钻具外壳向逆时针方向转动一个角度，该角度被称为反扭角。

22) 贮层顶部：水平井段控制油层的顶部

23)贮层顶部：水平井段控制油层的底部

24)设计入口角度：进入储层顶部的井斜角度

25)着陆点：井眼轨迹中井斜角达到90°的点

26)入口窗口高度：入靶点垂直方向上下误差之和

27)入口窗口宽度：入靶点水平方向左右误差之和

28)出口窗口高度：出靶点垂直方向上下误差之和

29)出口窗口宽度：出靶点水平方向左右误差之和

30)着陆点允许水平偏差：着陆点允许水平方向前后的误差

31)单弯动力钻具：动力钻具壳体上具有一个弯曲角度的动力钻具，特点是造斜率较弯接头组合高，钻头偏移较小

32)双弯动力钻具：同向双弯，动力钻具壳体上具有两个弯曲方向相同的弯曲角度的动力钻具，具有比单弯动力钻具更高的造斜率

33) DTU动力钻具（异向双弯）：动力钻具壳体上具有两个弯曲方向相反的弯曲角度的动力钻具，钻头偏移最小，不仅可以导向钻进，而且可以配合转盘钻进；附：常用单弯动力钻具、双弯动力钻具、DTU（异向双弯）造斜率表。

第四节 定向井、水平井基本施工步骤简介

       1）定向井井位的确定

            井位坐标要求：基本数同一般直井。丛式井坐标需一同下发，以便作出丛式井整体设计。注明各中靶点的坐标及垂直深度，提供最新井位构造图。

      2）地面井口位置的选择

           工程、地质设计及测量人员根据井位坐标和地面实际条件确定井口位置和井架整托方向（丛式井）。井口位置选择尽量利用地层自然造斜规律。多目标井井口位置在第一靶点和最后一个靶点联线的延长线上。井架立好后需要进行井口坐标的复测。

      3）定向井设计

              地质设计在坐标初测后提出初步设计，在坐标复测后提出正式设计。地质   设计除包括一般井内容外，在工程施工中要求必须说明靶点相对与井口的位移和方位，多目标井说明靶点之间的稳斜角度。附最新井位构造图、油藏剖面图、设计轨迹水平投影图和垂直投影图。

              工程设计必须符合地质设计要求。井身轨迹设计数据表，特殊工艺技术措施。井身结构及分段钻具组合和钻井参数等。

      4）设备要求（钻机）

              根据定向井垂直井深、水平位移、井身结构和井眼曲率选择设备类型。推荐设备标准（使用于  位移／垂深〈0.4的定向井）：

    垂深〈2800米、水平位移〈600米，选用3200米钻机；

    垂深〈3500米、水平位移〈1200米，选用4500米钻机；

    垂深〈4500米、水平位移〈2000米，选用6000米钻机；

    垂深〈4500米、水平位移〉1500米，选用7000米钻机。

5）定向井靶区半径标准

   不同井深靶区半径要求（总公司标准）：