【正文】 .......................................... 35 參考文獻 ......................................................................................................................... 36 致 謝 ......................................................................................................................... 36 東北石油大學本科生畢業(yè)設計（論文） 1 第 1 章 概述 課題研究的背景、目的及意義 水平井鉆井涉及許多關鍵技術，軌道設計是其 中之一，它直接影響水平井的經(jīng)濟效益及成敗。水平井完鉆優(yōu)化設計技術、井眼軌跡控制技術、下部鉆具組合優(yōu)選、確保施工安全和防止油層污染的鉆井液完井液技術、組合完井工藝技術、大扭矩多級馬達、可控彎接頭、變經(jīng)穩(wěn)定器、水力加壓器、高效 PDC 鉆頭、 MWD 和 LWD 儀器等一大批先進的工藝技術、工具和儀器在水平井鉆井中廣泛應用，創(chuàng)造多項水平井井深、水平位移、水平段長度和水 平井施工周期等世界紀錄。 油田水平井鉆井技術現(xiàn)狀分析經(jīng)過多年的技術攻關與推廣運用，油田水平井 東北石油大學本科生畢業(yè)設計（論文） 3 鉆井技 術取得了發(fā)展和進步，具體表現(xiàn)在以下幾個方面 [1]： （ 1）超薄油層水平井鉆井技術。要想推廣水平井技術，必須在耐高溫、耐高壓、測量處理技術等方面取得重要進展，并且形成配套技術的情況下才能推廣和運用，并且測量控制技術是將來發(fā)展的重點方向 ； （ 5）分支水平井技術將有的新的進展，該技術既能夠提高單井產(chǎn)量 ，又能夠提高鉆井的綜合效益，它在現(xiàn)場試驗和運用的基礎上，必將取得新的發(fā)展，并形成配套技術，該技術未來重點的攻關方向是進一步提高完井級別 ； （ 6） 開窗水平井將得到更普遍應用。 “向上翹 ”。 視平移： 水平位移在設計方位線上的投影長度。 井斜角常以希臘字母 α 表示，單位為度 (176。）。） /25m、（ 176。 視平移： 有 人稱為投影位移，英文稱 Vertical Section，是水平位移在設計方位線上的投影長度。大斜度和水平井主要針對的是儲層，但在鉆井過程中，由于技術因素鉆頭因素對鉆頭經(jīng)常是進入儲層但不久又鉆 東北石油大學本科生畢業(yè)設計（論文） 11 入非目的層。井眼曲率過大，轉盤鉆進困難，井下復雜情況較多；而井眼曲率過小則會增加螺桿鉆具造斜進尺，從而增加了井眼軌跡控制工作量，影響鉆井進度?，F(xiàn)場通過鉆井工程技術人員對以上各項預測結果進行對比分析綜合評價，最終預測出井眼延伸的方向 [9]。 盡可能多的使用轉盤鉆 +近鉆頭鉆具組合來進行軌跡控制 由于轉盤鉆的機械鉆速比動力鉆具鉆要高，所以在造斜段結束之后，一般都要換用轉盤鉆繼續(xù)增斜、穩(wěn)斜或降斜。優(yōu)點：可在一個坐標系內把井眼軌跡完整的描繪出來。若將垂直剖面圖沿水平投影圖的形狀彎曲，即可恢復井眼軌跡的空間形態(tài)。可寫出微分式：zalzla dddddd ?? 東北石油大學本科生畢業(yè)設計（論文） 20 圖 54 無限小井段的放大圖解 設整個 a、 b 段的曲率是常數(shù)，則ababla LL aadd ??? 常數(shù)。 5340 米井斜角為 176。設計軌道由圖中的 1L 、 2S 、 2L 、 2S 、 3L 五段組成，即直線段 +圓弧段 +直線段 +圓弧段 +直線段。這樣，軌道設計計算簡單、快速、精確能很好地適應各種設計需要。如果給出的井斜角和方位角不合適，將導致無解 。常見的二維井眼軌道設計剖面是三維五段制剖面的一種特殊形式，因此該模型 “可用于通常的二維井眼軌道設計，如二維 S 型和雙增剖面?？蓪⑺骄S軌道設計問題轉化為定向井三維設計問題，再進行迭代求解。多目標井、側鉆井等 的井 U 及軌道設計及調整軌道設計都是三維的。約束條件：雙增型為 32 aa? 、 S 型為 32 aa? 對三段制（ J）型軌道，取方程（ 61）中的前三項，或令 02?R ， 03?L ，即為 ： 東北石油大學本科生畢業(yè)設計（論文） 26 2212111 c o s)s i n( s i nc o s ???? LRLH T ???? 2221111 s i n)c o s( c o ss i n ???? LRLS T ???? （ 62） 曲率半徑和井眼 曲率的換算關系為 KCR k?180? kC 單位變換系數(shù)，即曲率單位 ?K / kC 值，一般為 30m。由以上例子我們可得到井眼軌跡在鉆出和鉆回同一油層底界面時，測井曲線會出現(xiàn)鏡像重復特征，這種現(xiàn)象在水平井段中普遍存在，是水平井不同層段測井響應對比的重要依據(jù)，也可用于拾取地層關鍵界面點。 東北石油大學本科生畢業(yè)設計（論文） 22 井眼軌跡描述與地層關系 水平井測井曲線特征與水平井井眼的位置和井斜角關系密切，那么相應的測井解釋必須考慮如何確定地層界面 (簡稱層面 )，井眼與層面的相對位置關系對測井曲線的影響校正等技術核心問題。如：計算從式井組中各井之間的相互關系，常采用三維坐標法 。b垂直投影圖 。 以上式中： α —井斜角； ? —井斜角方位角； D—垂深； L—井眼長度； i—測點； z? —目前井底的井斜方位角； e? —目標方位角； Kp —在用鉆具組合的方位漂移率。隨著鉆井工藝及檢測技術的發(fā)展，通過研究控制理論及實踐經(jīng)驗歸納總結出一套井眼軌跡控制系統(tǒng)的控制原則。鉆頭受力狀態(tài)又是由近鉆頭鉆具組合結構受力變形、鉆井工藝參數(shù)、井眼軌跡的幾何形狀和地層決定的 [8]。定位井或鄰井測井信息、錄井取心測試結果、區(qū)域地質地震資料、實驗或數(shù)值模擬方法等等有助于綜合解釋 [5]。很難控制井斜和方位變化率，施工 時盡量采取復合鉆進方式。 圖 23 垂直深度示意圖 水平投影長度： 簡稱水平長度或平長，是指井眼軌跡上某點至井口的長度在水平面上的投影，即井深在水平面上的投影長度。 方位變化率： 單位井段內方位角的變化值稱為方位變化率。所以正北方位線和井眼方位線也都是有向線段，都可以用矢量表示。正為增，負為降。為了進行軌跡控制，要了解這條空間曲線的形狀進行的軌跡測量。通過 多年的技術攻關和實際推廣運用，一些油田擁有了多項鉆井配套新技術，并且以水平井為代表，這為鉆井技術的近一步發(fā)展創(chuàng)造了良好的條件，奠定堅實的基礎 ； ④ 將來必須進一步加大創(chuàng)新力度。該技術能夠大幅度提高鉆井效益和勘探開發(fā)效益。 在以前的油氣勘探開發(fā)過程中，定向井技術的運用比較廣泛，并發(fā)揮著重要作用，隨著技術研究的突破，水平井鉆井技術取得了較快的發(fā)展并逐漸得到了廣泛的應用。 水平井鉆井技術是在定向井技術基礎上發(fā)展起來的一項鉆井新技術。 東北石油大學本科生畢業(yè)設計（論文） 摘 要 隨著鉆井技術的發(fā)展，水平井的應用也越來越廣泛，同普通豎井相比，水平井有著諸多優(yōu)點。對于單增水平井來說，需確定的參數(shù)有造斜點井深、造斜率、水平段長、方位角和目標段的穩(wěn)斜角，上述參數(shù)中可根據(jù)地層及造斜工具確定造斜點井深和造斜率第一穩(wěn)段井斜角可根據(jù)造斜工具和油藏位置來確定因此直接影響水平經(jīng)濟效益關系 到水平井成敗只有三個參數(shù)：即水平段長度方位角和目標段井斜角，所謂水平井軌道優(yōu)化設計也就是如何確定這三個參數(shù)。據(jù)國外某公司介紹，截止 1994 年美國所鉆的 7000 余口井中，中半徑，長半徑、短半徑水平井各占有 88%， 9%和 3%。該技術起步較早，經(jīng)過技術攻關和研究，該技術越來越成熟，并取得良好的開采效果 ； （ 5）叢式水平井鉆井技術。為了更好的適應這種情況，需要對鉆井技術進行創(chuàng)新和突破，其中，水平井鉆井技術是重展的方向 ； ③ 水平井為鉆井技術發(fā)展打下良好的基礎。 水平井井眼軌跡的基本參數(shù) 測斜：一 口實鉆井的井眼軸線乃是一條空間曲線。 增斜（降）率： 是指增（降）斜井段 的井斜變化率。注意，正北方位線是指地理子午線沿正北方向延伸的線段。） /30m。垂深常以字母Ｄ表示，垂增以 ΔＤ表示。一般來講，造斜點處地層相對松軟，不易起井斜，造斜中往往達不到設計造斜率要求；入靶前要穿越油蓋層，油蓋層的特點是堅硬，定向時易大幅度的增斜。最后是要善于利用各種資料和工具。 通過研究表明，鉆頭前進方向是由鉆頭受力狀態(tài)所決定。 因目前尚不能通過數(shù)學模型計算做出 準確的判斷、現(xiàn)場工程技術人員只能通過預測做出決策。它不但減少了鉆進工作間斷次數(shù)，還避免了因起下鉆而引起的井下復雜情況，從而大大降低鉆井成本。 a三維坐標法 。c水平投影圖 圖 53 柱面圖法 這三種圖示法各有特點，使用時可根據(jù)具體情況進行選擇。 從 上述公式中可以看出，當 ab ??? ， ab ??? 時，通過求極限可以簡化為： Zb Za =（ Lb La ） cos b? (59) xb xa =(Lb La )sin b? sin b? （ 510） 同折線法公式 ： yb ya =(Lb La )sin b? sin b? (511) 顯然，折線法計算公式是最小曲率半徑法在井斜角和方位角不變時的特殊情況。)傾斜。對增降五段制 S 型軌道，方程相同，但是 2R 取負值。 東北石油大學本科生畢業(yè)設計（論文） 29 第 7 章 三維軌道設計 問題的提出 隨著鉆井技術的發(fā)展，對井眼軌道設計提出了更高的要求。難以求解 ； （ 4）利用迭代法求解。 圖 71 三維井眼軌道設計模型 如圖 上 ，設 AD=L， SA=L1， DT=L2， AM=BM=Lm， CN=DN=Ln， BC=Lh，利用矢量分析理論和空間幾何關系可求得一下各式 ： nhmmnt LLL LLT ????? ?? c osc os 2 （ 71） )c os(2 )(222?nnhs htnhm LLLT LTLLLL ??? ???? （ 72） )c os(2 )(22?mmht htmhn LLLT LTLLLL ??? ???? （ 73） 東北石油大學本科生畢業(yè)設計（論文） 31 )2/tan ( 11 ?RLm ? （ 74） )2/tan ( 22 ?RLn ? （ 75） 式中 sT 和 tT 分別 為 AD 在矢量 s， t 上的投影長度，為矢量與間的夾角。在有解的情況下，也可 能因人為給出的參數(shù)不合適，造成軌道設計不合理，不便于工藝實施 ； （ 2）求解非線性方程組。二維井眼軌道設計模型有 28 種求解公式。 Hr 、 Sr 為目標點垂深和位移，給定的已經(jīng)參數(shù)。說明該段井眼軌跡反映為上翹和向下糾斜的鉆井過程。 由圖 54 可知， ?cos?lzdd ， 故abab LL aa ?? =zdd? cos? ， 分離變量 dz =abab LL ???? cosd? 積分 ?ba zd = ab ab aa LL?? ? ?ba ad?cos 可得： Zb Za =abab aa LL?? （ sinab sinaa ） (51) 式（ 51）的意義是，測量深度從 La 增至 Lb ，井斜角從 aa 變 ab 為時， ab 井段的垂直深度 Za 變化到 Zb 。 ② 可反映井眼軌跡的井深、垂深、井斜角、水平長度、方位角及其增量等井深參數(shù)的真實值。缺點 ： 不能給人以充分的立體感，不能形象、直觀的反映井斜角、方位角等井眼軌跡參數(shù)的真實值。根據(jù)預測只有在出現(xiàn)下列情況之一時，才使用動力鉆具進行控制 [10]： （ 1）使用轉盤鉆扶 正器組合已難以完成增斜或降斜要求時； （ 2）轉盤鉆扶正器組合不能控制方位，當井眼方位有較大偏差，有可能造成脫靶時。 井眼軌跡控制原則 控制理論中控制的定義，是指被控制對象中某一 (某些 )被控制量，克服干擾影響達到預先要求狀態(tài)的手段 (或操作 )。根據(jù)國產(chǎn)單彎外殼螺桿鉆具造斜特性，有線隨鉆測斜儀使用條件及中半徑水平井井眼曲率要求，側鉆水平井井眼軌跡設計曲率一般控制在（ 1215176。其次是在解釋中要綜合考慮各種影響因素，如儀器的測量位置、井眼、侵入、地層的各向異性以及非均質性等。視平移以字母Ｖ表示。） /30m。 井斜 變化率： 單位井段內井斜角的變化值稱為井斜變化率。)。 東北石油大學本科生畢業(yè)設計（論文） 7 造斜點： 開始定向造斜的位置。一般來說，水平井適用于薄的 油氣層 或 裂縫性油氣藏 ，目的在于增大油氣 層的裸露面積 [3]。由于油氣井會發(fā)生損壞甚至出現(xiàn)報廢現(xiàn)象，為了保證勘探開發(fā)工作的