固井設計

❶ 國際科學鑽探計劃

經現場瀏覽與大會論文摘要搜索，向大會注冊的涉及鑽探工程應用的論文摘要共311篇，其中308篇是以鑽探工程為手段的各地學研究計劃與能源、礦產、水資源等項目的地質成果介紹，僅3篇是由中國提交的純鑽探技術成果的摘要。

一、國際科學鑽探計劃概況

已有20多個重大國際鑽探項目在國際大陸科學鑽探組織（ICDP）框架下組織實施。ICDP聚焦於地球科學與國際社會經濟問題中具挑戰性的研究課題，如大陸動力學與自然災害、火山體系與地熱體（thermal regimes）、地球歷史與氣候變化、構造碰撞、非常規能源、深部生物等。其中突出的研究成果有：加利福尼亞聖安第斯、中國台灣車輪鋪（Chelungpu）與希臘科林斯灣鑽穿活性斷層帶取心研究地震循環的基本過程；日本Unzen火山、夏威夷、冰島超臨界火山流體活火山過程的研究；的的喀喀湖、馬拉維、Bosumtwi、青海湖的古地質氣候演化研究；Chicxulub,Bosumtwi和Chesapeake Bay在不同大小的隕石碰撞下隕石坑的形成過程及其對周圍環境的影響。ICDP未來幾年的研究主題有：氣候動力學與全球環境、隕石坑及其形成過程、地下生物、活斷層、板塊匯聚邊緣與碰撞帶、自然資源等。鑽探技術要面對大陸科學鑽探的未來挑戰，是完善孔內安全鑽進系統、復雜地層無損無污染取心，及深部惡劣環境下長期觀測設備的裝置。

在2004年至2008年的四年間，國際大洋鑽探組織（IODP）完成的考察主要如下：經過55年後在北極羅蒙洛索夫山脊完成溫室到冰室的歷史記錄；在富卡山脊建立了三個觀測孔對胡安山側的海底洋流進行調查；對墨西哥灣深水下的超高壓與洋流過程進行調查；通過鑽探再次獲得科克斯板塊洋底基岩資料。

在堅冰海面進行深水鑽探的鑽探裝備，是人類高效開展極地考察活動的必要條件。過去由於缺乏專門的破冰鑽探船，很多科考活動進展緩慢甚至無法進行。如ODP第151航次開始在Yermak高地開展鑽探，直到55年後的2004年，IODP的ACEX考察才在北緯87°55 ′16″、東經139°21′54″的北冰洋底羅蒙洛索夫山脊頂端重獲430米岩心資料，而此次考察動用了兩艘重型破冰船在鑽探船周圍保駕護航。最近，世界上最先進的極地研究設施，「北極光」號研究破冰船（圖1）建造成功，其鑽深能力，可在水深80～5000米永久性冰面覆蓋的極地洋面上，破冰深入水下1000米取樣，同時也可用於長期的國際多學科北極鑽探考察。該船船體設計新穎，配備衛星航海、方位推進系統與冰處理支持，動力定位系統可在2.5米以上厚度的冰層上運行，定製的高寒深水鑽機、全封閉的鑽台和預研究工作室允許科技人員在極地條件下全天候工作。

為了更好地適應大陸科學鑽探的各項特殊要求，ICDP委託德國波茨坦PFZ(Geo-Forsechungs Zentrum）研製了一台新型的鑽機—Innova Rig（圖2），與標準的石油鑽機相比，該鑽機具有如下的技術特點：可進行回轉、常規取心、繩索取心與氣舉等不同工藝方法的鑽進；高安全標准、高自動化的模塊式鑽機設計，綜合動力概念，無大繩的液力提升與給進系統，減少了環境污染和噪音強度，場地面各減小、鑽探成本下降。該鑽機還為測井儀器預設了存儲單元，配置了測井電纜導繩器，可以實現快速測井；鑽屑樣品收集器與基於質譜原理的泥漿氣體分析器，使野外研究可在原位進行；鑽進信息系統已與ICDP鑽進信息系統集成。鑽機的技術參數為：發電機容量3×1540千伏安，驅動功率4000千瓦，泥漿泵功率3×1000千瓦，鑽進深度5000米，名義大鉤載荷3500千牛，轉速220轉，回轉扭矩40～75千牛·米，提升油缸行程22米，繩索取心絞車容量5000米（鋼繩直徑12.7毫米），鑽機總重3700千牛。

圖1 「北極光」號研究破冰船

圖2 德國Innova Rig鑽機

在通過鑽探手段直接獲取地下能源方面，冰島深鑽計劃（IDDP）頗為引人注目。冰島是一個多火山國家，在火山中心地帶，高溫地熱源已被開發用於蒸汽或水發電，並向地方供熱。在這些地區，一口2000～3000米深的鑽井，井底溫度達到300℃，井口溫度可達200℃，單井可生產500～2000千瓦的電力。2002年以來，鑽進到4000～5000米深度以調查地熱資源的准備就在進行，這一工作的目標，就是確定在淡水溫度與壓力臨界點（374.15℃，22.12兆帕）以上的條件下，提取能量與化學液體在技術與經濟上究竟是否可行。2008年8月，第一口深井將在冰島東北部的Krafla地熱田開鑽，這口井鑽達預定井深時，井底溫度將高達400～600℃，蒸汽所產生的電力估計將達到4～5百瓦。IDDP的這一預想若被證實，將導致冰島和其他地區高溫地熱資源經濟的重大進步。第一口深井的資金已落實，鑽探工程計劃在4～5個月內完成，2009年進行井中循環測試。

二、中國白堊紀大陸科學鑽探松科一井（北井）鑽探工程

松科一井是中國國家973計劃項目「白堊系地球表層系統重大地質事件與溫室氣候變化」，為獲取供地學研究的白堊紀地層實物資料，在中國東北部松遼盆地布置的環境科學鑽探工程。工程由南井和北井（又稱主井）組成，井深分別為1810米和1910米，岩心採取率要求90%。其中南井成井後可轉化為石油生產井，由大慶油田按石油鑽井程序建井；北井僅為採集岩樣，由中國地質調查局勘探技術研究所承擔，並組織中國地質大學與河南地礦工程公司協作施工。本井全井連續取心鑽進的要求，使之不同於普通的石油鑽井；鑽遇地層為湖盆沉積、完井直徑156毫米、需在井口安裝井內壓力控制系統，使之又不同於地質岩心鑽探。故北井施工的裝備與工藝均有其自身特點。

1.設備與管材——2000米水源鑽探裝備

出於井深、井徑與井內安全鑽進的要求，本井所用鑽桿直徑不得小於73毫米，而國內岩心鑽機若使用這種鑽桿，尚達不到鑽進近2000米的深度，因此選用了2000米配套的水源鑽井設備。與鑽進同樣井深的石油鑽機比較，其優點是重量輕、體積小、功耗低，佔地面積小、運行與維護成本低；提引器升降鑽桿柱、鑽機轉盤擰卸扣，操作簡便、配套緊湊；缺點是管材強度較低，不似石油鑽井可強力給進；鑽機轉速較低，硬岩鑽進時鑽速低；鑽塔提升高度有限，提下鑽輔助時間長。

2.鑽井平台高架——滿足井控設備安裝要求

2000米水源鑽機的鑽井平台直接坐於地面。為在井口安裝防噴器，自設計鋼基礎構架，將平台高度提升2.1米（圖3）。完鑽時構架承受200千牛的設備靜載、400千牛懸重的鑽柱提下鑽動載以及7級以上的大風載荷，未出現任何不安全跡象。

圖3 鑽機底架效果設計

3.取心鑽進——岩心鑽探工藝

鑽具規格與結構：

鑽頭外徑：156毫米

普通雙管鑽具岩心直徑：96毫米

保真鑽具（三層管）岩心直徑：82毫米

最大岩心容納長度：9米

保真鑽具的襯管為透明度好、剛度好、化學性能穩定的PC有機材料管，其作用是鑽進時保護鬆散樣品不受擾動，出心時樣品可隨管無損抽出。樣品易保管，易運輸，且可在管內冷凍成型後剖切研究。

（1）流沙層隔液保真取樣：井深162～211米地層是無膠結的流砂層，鑽進時鑽具內腔與流動的鑽井液必須完全隔絕，否則進入鑽頭的砂樣會部分或完全沖蝕耗盡。所設計的鑽具在砂層中取心鑽進近50米，采樣率達82%（圖4）。

圖4 隔液保真鑽具的取樣效果

（2）黏軟—中硬地層嵌塊式合金鑽頭：245～950米井段為長段軟泥岩及其與酥鬆或較緻密的泥岩、砂岩互層，如用常規的鑽頭結構形式，則在軟泥岩中易泥包糊鑽，在較緻密的岩層中鑽速低下。還因合金刀具抗崩耐磨性均較差需頻繁更換，而鑽頭剛體價格昂貴，如直接在剛體上更換刀具必致剛體壽命短暫增加成本。圖5a所示的大排水、排屑空間的嵌塊式結構，不僅杜絕了軟泥岩中的糊鑽現象，且適應地層的軟硬變化。在900餘米進尺中，5隻鑽頭剛體入井190回次、純鑽進近700小時後仍可繼續使用。鑽頭所鑽遇的岩層如圖5b所示。

（3）緻密泥岩中螺桿鑽復合回轉鑽進：井深1250米後地層進入黑色緻密泥岩，無論是合金鑽頭還是PDC鑽頭，鑽壓加到45千牛、泵量開到950升/分鍾，但鑽速均只在0.2～0.3米/小時，孕鑲金剛石鑽頭的轉盤單回轉鑽進，鑽速也只在0.5米/小時左右。孕鑲鑽頭乃依賴高速磨削碎岩，但因設備和井內原因，作業時轉盤最高轉速只允許開至90轉/分鍾。為提高鑽頭轉速提升鑽速，啟用螺桿馬達實現井底驅動，同時低速開動轉盤（37轉/分鍾）消除鑽柱與井壁的靜摩擦以求鑽壓均勻傳遞。這一措施的鑽進效果由下表可對比。

圖5 嵌塊式合金鑽頭及其鑽井效果

當代地球科學發展趨勢：第33屆國際地質大會熱點聚焦

（4）水力出心裝置：常規鑽具的岩心需從內管中直接取出，對於大口徑鑽具，傳統的出心方法不僅勞動強度大、出心時間長，還因管內堵卡、機械振動以及岩心自由下落等原因，造成塑性與酥性心樣變形、脆性岩心傷害，地層的原始信息被人為破壞。本井研製的水力出心裝置，出心時只要在鑽具上接頭連接送漿管，再封住內、外管下端環隙，利用水壓將岩心整體推出內管，減去了傳統出心方法的各個環節，真正做到了常規鑽具的岩心無損出管。裝置原理與現場工作情況如圖5所示。

（5）泥漿護壁成果：一開地層為鬆散的流砂層與松軟泥岩，泥漿技術不過關，極易引發卡鑽、埋鑽等井內事故，還可能會因長井段坍塌導致鑽井報廢。一開至完鑽歷時53日歷天，鑽具在流砂層與松軟泥岩層中裸眼提、下110回次，不僅從未發生過井內險情，且井徑規整、極少沉淤，固井時井內注液量表明井眼超徑系數不到1.08。二開井段總長1566米，上部為松軟、水敏性泥岩與酥鬆、脆弱的砂岩、礫岩穿插，850～1500米含多段易掉塊地層。二開至完鑽裸眼歷時193日歷天，提下鑽具295回次，從未發生水敏地層膨脹縮徑與脆性地層掉塊導致卡鑽事故。

4.綜合評述

（1）取心鑽進技術指標（見下頁表）。

（2）南、北井技術經濟對比：北井運用水源鑽探設備與岩心鑽探工藝，歷時8個月，完鑽井深1811米，取心進尺1630米，岩心採取率95%；南井使用石油鑽井設備與工藝，歷時3個月，完鑽井深1915米，取心進尺965米，岩心採取率98%。兩井客觀條件相比，盡管北井取心難度大、鑽遇地層復雜、存在50米無膠結流砂層與500餘米極緻密的泥岩，且施工方進場時對地層性質毫無了解，但從總體上看：兩種方法的岩心採取率均滿足科研工作要求；石油鑽井裝備的鑽進效率遠高於水源鑽探裝備；石油鑽井裝備的工程費用為水源鑽探裝備的3倍以上。因此可得結論：在工程進度滿足科研進度的前提下，選用組合鑽探技術實施環境科學鑽探工程，是有效壓縮科研費用的可行之路。

當代地球科學發展趨勢：第33屆國際地質大會熱點聚焦

（朱永宜執筆）

❷ 國內鑽井工程軟體研發現狀

相比國外的鑽井工程設計軟體，國內的研發水平明顯不在一個層次上，而且差距有越來越大的趨勢。根據可查詢到的資料文獻顯示，國內油田所使用的鑽井設計軟體基本是通過項目的形式與科研院校合作開發，但這些軟體完全達不到商業應用的級別，最多隻能在單個油田進行小規模的試用。而國內真正形成商業化的鑽井相關軟體並不多，具體包括：

1）西安新生代石油軟體有限公司開發的鑽井信息管理與工程服務系統：主要功能包括資料庫管理、報表生成、完井報告、統計分析、工程計算、工具手冊和系統維護等。

2）北京超思維科石油軟體開發有限責任公司的井場信息管理系統：大多被中國石化及所屬單位採用，融合了IADC鑽井生產管理、安全管理、鑽井設備管理、井控管理和固井管理等5大類報表。

3）西部世紀軟體股份有限公司的石油工程技術服務信息管理平台：支持多平台，是面向石油工程服務的石油工程技術服務管理信息平台軟體。

4）中國石油大學石油天然氣工程學院的鑽井工程監測與信息服務系統：在勝利油田和新疆各油田應用較多，具有實時數據採集、井場工程計算、井場資料庫管理和報表自動生成等特點。

5）北京怡恆陽光科技發展有限公司開發的Navigator Drilling Studio（定向井水平井設計與計算分析系統）是一套用於陸上和海上定向井水平井設計和工程分析的計算機輔助系統。其中，TDFEA摩阻扭矩分析軟體針對井眼內的鑽具受力建模。

6）北京奧格特技術有限公司開發研製的摩阻和扭矩分析軟體，該軟體可進行各種類型井眼鑽壓設計，鑽柱強度校核，各種工況的管柱彎曲狀態、摩阻扭矩及大鉤載荷、鑽機負荷預測。

7）北京超思維科公司開發的鑽井工程設計一體化系統（IDDS）井身結構設計模塊可繪制地層岩性剖面圖、地層破裂壓力梯度曲線、地層孔隙壓力梯度曲線，並根據井身結構設計數據和井眼軌跡設計數據繪制井身結構圖。

8）北京奧爾創新石油工程技術有限公司研發的欠平衡鑽井設計和監測軟體，能預測充足的井眼清洗能力，並可在保持欠平衡情況下將機械鑽進速度提高到最高速。使用最新的岩屑攜帶能力計算方法，欠平衡鑽井設計和監測軟體考慮了岩屑的積累效應。

9）中國石油集團鑽井工程技術研究所研發的ANYDRILL鑽井工程設計與工程軟體平台系統，採用插件式技術，不同的插件具有不同的功能。可供選用的插件包括：控壓鑽井設計與分析系統、地層壓力預測分析與監測系統、岩石力學分析系統、鑽井液設計及分析系統、固井工程設計及分析系統、欠平衡（氣體）鑽井設計與分析系統、鑽柱力學分析系統、鑽井資料庫管理系統、鑽井實時監控與技術決策系統。

結合對國內外鑽井設計軟體的調研分析，可知不管是國內還是國外軟體，均具有以下特點：

1）專注於模塊。現有的鑽井設計軟體均專注於某一特定模塊的設計，而沒有專注於整個鑽井設計的流程。

2）與網路的連接少。除了在鑽井現場與感測器連接的硬體網路，現有的鑽井設計軟體與互聯網的連接較少，不利於數據的共享和軟體的發展。

3）需要安裝客戶端。所有的鑽井設計軟體均需要在使用的計算機上安裝客戶端，必須在滿足客戶端的硬體和系統環境的要求下軟體才能正常運行，具有較高的使用門檻。

4）無法自動生成設計報告。只有少數幾個軟體具有自動生成報告的能力，但其自動生成的報告還需要設計人員的再編輯才能歸檔，無形中增加了不必要的工作量。

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第一節 定向井井身參數和測斜計算

一．定向井的剖面類型及其應用

定向鑽井就是「使井眼按預定方向偏斜，鑽達地下預定目標的一門科學技術」。定向鑽井的應用范圍很廣，可歸納如圖9－l所示。

定向井的剖面類型共有十多種，但是，大多數常規定向井的剖面是三種基本剖面類型，見圖9－2，稱為「J」型、「S」型和連續增斜型。按井斜角的大小范圍定向井又可分為：

常規定向井井斜角＜55°

大斜度井井斜角55～85°

水平井井斜角＞85°（有水平延伸段）

二．定向井井身參數

實際鑽井的定向井井眼軸線是一條空間曲線。鑽進一定的井段後，要進行測斜，被測的點叫測點。兩個測點之間的距離稱為測段長度。每個測點的基本參數有三項：井斜角、方位角和井深，這三項稱為井身基本參數，也叫井身三要素。

1．測量井深：指井口至測點間的井眼實際長度。

2．井斜角：測點處的井眼方向線與重力線之間的夾角。

3．方位角：以正北方向線為始邊，順時針旋轉至方位線所轉過的角度，該方向線是指在水平面上，方位角可在0—360°之間變化。

目前，廣泛使用的各種磁力測斜儀測得的方位值是以地球磁北方位線為準的，稱為磁方位角。磁北方向線與正北方向線之間有一個夾角，稱磁偏角，磁偏角有東、西之分，稱為東或西磁偏角，真方位的計算式如下：

真方位＝磁方位角十東磁偏角

或 真方位＝磁方位角一西磁偏角

公式可概括為「東加西減」四個字。

方位角也有以象限表示的，以南（S）北（N）方向向東（E）西（W）方向的偏斜表示，如N10°E，S20°W。在進行磁方位校正時，必須注意磁偏角在各個象限里是「加上」還是「減去」，如圖 9－3所示。

4．造斜點：從垂直井段開始傾斜的起點。

5．垂直井深：通過井眼軌跡上某點的水平面到井口的距離。

6．閉合距和閉合方位

（l）閉合距：指水平投影面上測點到井口的距離，通常指靶點或井底的位移，而其他測點的閉合距離可稱為水平位移。

（2）閉合方位：指水平投影響圖上，從正北方向順時針轉至測點與井口連線之間的夾角。

7．井斜變化率和方位變化率：井斜變化率是指單位長度內的井斜角度變化情況，方位變化率是指單位長度內的方位角變化情況，均以度／100米來表示（也可使用度／30米或度／100英尺等）。

8．方位提前角（或導角）：預計造斜時方位線與靶點方向線之間的夾角。

三．狗腿嚴重度

狗腿嚴重是用來測量井眼彎曲程度或變化快慢的參數（以度／100英尺表示）。可用解析法、圖解法、查表法、尺演算法等來計算狗腿嚴重度k。

1．第一套公式

2．第二套公式

cosγ＝cosa1cosa2＋sina1sina2 cosΔj………………………………………（9－3）

本式是由魯賓斯基推導出來的，使用非常普遍。美國人按上式計算出不同的a1、a2和Δj值下的狗腿角γ值，並列成表格，形成了查表法。

3．第三套公式

γ——兩測點間的狗腿角。

若將三套公式作比較，第一套公式具有普遍性，適合於多種形狀的井眼，第二套只適用於平面曲線的井眼（即二維井型），第三套是近似公式，用於井斜和方位變化較小的情況。

四．測斜計算的主要方法

測斜計算的方法可分為兩大類二十多種。一類是把井眼軸線視為由很多直線段組成，另一類則視其為不同曲率半徑的圓弧組成。計算方法多種多樣，測段形狀不可確定。主要的計算方法有正切法、平衡正切法、平均角法、曲率半徑法、最小曲率法、弦步法和麥庫立法。從計算精度來講，最高的是曲率半徑法和最小曲率法，其次是平均角法。以下各圖和計算公式中下角符號1、2分別代表上測和下測點。

1．平均角法（角平均法）

此法認為兩測點間的測段為一條直線，該直線的方向為上下兩測點處井眼方向的矢量和方向。

測段計算公式：

2．平衡正切法

此法假定二測點間的井段為兩段各等於測段長度一半的直線構成的折線，它們的方向分別與上、下兩測點處的井眼方向一致。

如圖9－6，計算式為：

3．曲率半徑法（圓柱螺線法）

此法假設兩測點間的測段是條等變螺旋角的圓柱螺線，螺線在兩端點處與上、下二測點處的井眼方向相切。

如圖9－7，測段的計算公式有三種表達形式。

（1）第一種表達形式

（9－13）～（9－16）式中：

這四個公式是最常用的計算公式：

（3）第三種表達形式

（4）曲率半徑法的特殊情況處理

③第三種特殊情況，α1≠α2，且其中之一等於零。此時，按二測點方位角相等來處理，然後代入第二種特殊情況的計算式中。

4．最小曲率法

最小曲率法假設兩測點間的井段是一段平面的圓弧，圓弧在兩端點處與上下二測點處的井眼方向線相切。測段計算如圖9－8。

測段計算公式如下：

令fM＝（2/γ）×tg（γ/2），fM是個大於1但很接近1的值。在狗腿角γ足夠小的情況下，可近似認為fM＝1，這時上述四個計算公式就完全變成平衡正切法的公式了，它是對平衡正切法公式的校正。

ΔS′是切線1M和M2在水平面上的投影之和，即ΔS′＝1′M′＋ M′2′。ΔS′並不是測段的水平投影長度ΔS。要作出井身垂直剖面圖，需要求出ΔS，而最小曲率法卻求不出ΔS，這是最小曲率法的缺點。為了作出垂直剖面圖，可用下式近似地求出ΔS′：

……………………………………………………（9－39）

第二節 定向井剖面設計

在開鑽前認真進行設計，可以大大節約定向鑽井的成本。影響井眼軌跡的因素很多，其中一些因素很難進行估算（如在某些地層中的方位漂移情況等）。因此，在同一地區得到的鑽井經驗很重要，這些經驗可以在其他井設計過程中起重要的參考作用。

一．設計資料

要進行一口定向井的軌道設計工作，作業者至少應提供靶點的垂深、水平位移和方位角，或提供井口與靶點的座標位置，通過座標換算，計算出方位角和水平位移。此外，定向井工程師還要收集下列資料：

1．作業區域和地理位置。通過作業區域，通常可以找到該地區已完井的鑽井作業資料（野貓井除外），並對地層情況、方位漂移有一定的了解，根據地理位置，可以計算或查得到地磁偏角。

2．地質設計書和井身結構。了解有關地層壓力、地溫梯度、地層傾角、走向、岩性、斷層，可能遇到的復雜情況，以及油藏工程師的特殊要求等。

3．作業者對造斜點、造斜率、增（降）斜率的要求，以及安全圓柱、最大井斜等井身質量的要求。

4．了解鑽井承包商的情況，如泥漿泵性能，井下鑽具組合各組件的基本情況等。

二．設計原則

1．能實現鑽定向井的目的

定向井設計首先要保證實現鑽井目的，這是定向井設計的基本原則。設計人員應根據不同的鑽探目的對設計井的井身剖面類型、井身結構、鑽井液類型、完井方法等進行合理設計，以利於安全、優質、快速鑽井。

如救險井的鑽井目的是制服井噴和滅火，保護油、氣資源。因此，救險井的設計應充分體現其目的：一是靶點的層位選擇合理。二是靶區半徑小（小於10米），中靶要求高；三是盡可能選擇簡單的剖面類型，以減小井眼軌跡控制和施工難度，加快鑽井速度。四是井身結構、井控措施等應滿足要求。

2．盡可能利用方位的自然漂移規律在使用牙輪鑽頭鑽進時，方位角的變化往往有向右增加的趨勢，稱為右手漂移規律。如圖9－9所示，靶點為T，設計方位角為j′。若按j′定向鑽進，則會鑽達T′點，只有按照j角方向鑽進，才會鑽達目標點T。Δj角稱為提前角，提前角的大小，要根據地區的實鑽資料，統計出方位漂移率來確定，我國海上開發井一般取2～7度。

目前流行的PDC鑽頭（如RC426型等），對方位右漂具有較好的抑制效果。在地

層傾角小、岩性穩定時，PDC鑽頭具有方位左漂的趨勢，這主要是由於PDC鑽頭的切削方式造成的。因此，要使用PDC鑽頭鑽進的定向井，提前角要適當地小一點。

3．根據油田的構造特徵，有利於提高油氣產量，提高投資效益。

4．有利於安全、優質和快速鑽井，滿足採油和修井的作業要求。

三．剖面設計中應考慮的問題

1．選擇合適的井眼曲率

井眼曲率不宜過小，這是因為井眼曲率限制太小會增加動力鑽具造斜井段、扭方位井段和增（降）斜井段的井眼長度，從而增大了井眼軌跡控制的工作量，影響鑽井速度。

井眼曲率也不宜過大，否則鑽具偏磨嚴重、摩阻力增大和起下鑽困難，也容易造成鍵槽卡鑽，還會給其他作業（如電測、固井以及採油和修井等）造成困難。因此，在定向井中應控制井眼曲率的最大值，我國海上定向井一般取7～16°／100米，最大不超過20°／100米。不同的井段要選用不同的井眼曲率，具體如下：

井下動力鑽具造斜的井眼曲率取：7～16°／100米。

轉盤鑽增斜的增斜率取：7～12°／100米。

轉盤鑽降斜的降斜率取：3～8°／100米。

井下動力鑽具扭方位的井眼曲率取：7～14°／100米。

導向馬達調方位或增斜的井眼曲率取：5～12°／100米。

說明：隨著中曲率大斜度井和水平井的迅速發展，對普通定向井的井眼曲率（或狗腿嚴重度）的限制越來越少，API標准中已不再規定常規定向井的狗腿嚴重度。

為了保證起下鑽順利和套管安全，必須對設計剖面的井眼曲率進行校核，以限制最大井眼曲率的數值。井下動力鑽具造斜和扭方位井段的井眼曲率Km應滿足下式：

Dc――套管外徑，厘米。

2．井眼尺寸

目前常規的定向井工具能滿足152～445毫米（6～171/2英寸）井眼的定向鑽井要求，一般地說，大尺寸井眼比較容易控制軌跡，但由於鑽鋌的尺寸也較大，形成彎曲所需的鑽壓較大，小井眼要使用更小、更柔的鑽具，而且地層因素對軌跡的影響也較大。因此小井眼的軌跡控制更困難一些。

在常規的井眼尺寸中，大多數定向井可採用直井的套管程序。如果實鑽井眼軌跡較光滑，沒有較大的狗腿，那麼即使在大井斜井段，也能較順利地進行下套管作業。當然，在斜井段，應在套管上加扶正器以支撐套管，避免在下套管過程中發生壓差卡鑽，同時提高固井質量。另外，在大斜度井段，可根據井段長度和作業時間，決定是否使用厚壁套管。

3．鑽井液設計：

（1）定向井鑽井液設計十分重要，鑽井液應有足夠的攜砂能力和潤滑性，以減少卡鑽的機會；

（2）鑽井液性能控制對減少定向井鑽柱拉伸與扭矩也很重要；

（3）鑽井液中應加潤滑劑，鑽井液密度與粘度必須隨時控制。

（4）如果用水基鑽井液，那麼在正常壓力井段，應使用高排量和低固相含量的鑽井液，這樣有利於清潔井眼；

（5）水基鑽井液應具有良好的潤滑性能，以減少鑽具摩阻和壓差卡鑽；然而在海上鑽井，一定要避免污染問題。

（6）如果有異常高壓井段要求鑽井液密度達到1.45克／厘米3或更高，那麼應考慮在鑽開該高壓地層前下一層保護套管，以封固所有正常壓力井段。

4．造斜點的選擇

造斜點的選擇要適當淺些，但是在極淺的地層中造斜時，容易形成大井眼。同時，由於地層很軟，造斜完成後下入穩斜鑽具時，要特別小心，以免出現新井眼，尤其是在穩斜鑽具剛度大或造斜率較高時。通常地說，淺層造斜比深層造斜容易一些，因為深層地層往往膠結良好，機械鑽速低，需花費較長的造斜時間。

另外，造斜點通常選在前一層套管鞋以下30～50米處，以免損壞套管鞋，同時減少水泥掉塊產生卡鑽的可能性。

在深層地層造斜時，應盡量在大段砂層中造斜，因為砂層的井眼穩定，鑽速較快，而頁岩段較易受到沖蝕，鑽速較低，而且在以後長時間鑽井作業，容易在造斜段形成鍵槽而可能導致卡鑽。

5．靶區形狀和范圍

靶區形狀與范圍通常由地質構造、產層位置決定，並考慮油田油井的分布情況，靶區大小是由作業者確定的。通常認為，鞍區范圍不能定得太小，很小的靶區范圍不僅會增加作業成本，同時也會增加調整方位的次數，造成井眼軌跡不平滑，增加轉盤扭矩，同時也增加產生健槽卡鑽的可能性。

通常，靶區形狀為圓形（嚴格地講，應該是球形）。淺井和水平位移小的定向井，其靶區范圍小一些，一般靶區半徑30～50米，而深井和水平位移大的井，靶區范圍可以適當地大一些，一般靶區半徑為50～70米。

6．造斜率和降斜率選擇

常規定向井的造斜率為7～14°／100米，如果需要在淺層造斜並獲得較大的水平位移，造斜率可提高到14～16°／100米。但是，淺層的高造斜率容易出現新井眼，也容易對套管產生較大的磨損。因此，淺層造斜通常選擇較低的造斜率，而深層造斜（1000米～2000米）可選擇較高的造斜率。

對於「S」型井眼，通常把降斜率選在3～8°／100米，如果降斜後仍然要鑽較長的井段，則必須採用較小的降斜率平緩降斜，以避免鍵槽卡鑽，同時，可降低鑽進時的摩阻力。

7．最大井斜角

常規定向井的最大井斜角，一般在15～45°，如果井斜太小，則井眼的井斜和方位都較難控制。井斜大於60°時，鑽具的摩阻力將大大增加。

8．允許的方位偏移與極限

（1）定向鑽進時，初始造斜方向通常在設計方位的左邊（即選定導角），然後通過自然漂移鑽達靶區，井眼軌跡是一條空間曲線。

（2）但是對導角也有一個限制，在井眼密集的井網中，要求定向井軌跡保持在安全圓柱內，以避免與鄰井相碰。

（3）同樣，由於油藏特性和地質地層條件，也對導角的大小有一定的限制。

9．井身剖面類型

在滿足設計和工藝要求的前提下，盡可能縮短井段長度，因為井段短則鑽井時間短。在設計井身剖面形狀時，要考慮井身結構，造斜點一般選在套管鞋以下30～50米處。目前，我國海上定向井的井身剖面通常由作業者決定，往往選擇「J」型剖面。

四．剖面設計

1．設計步驟：

（l）選擇剖面類型；

（2）確定增斜率和降斜率，選擇造斜點；

（3）計算剖面上的未知參數，主要是最大井斜角；

（4）進行井身計算，包括各井段的井斜角、水平位移、垂深和斜深；

（5）繪制垂直剖面圖和水平投影圖。

井身剖面的設計方法有試演算法、作圖法、查圖法和解析法四種。我國海洋定向井通常採用解析法，並使用計算機完成。剖面設計完成以後，應向作業者提供下列資料：

（1）總體定向鑽井方案和技術措施。

（2）剖面設計結果，包括設計條件、計算結果、垂直剖面圖和水平投影圖。

（3）測斜儀器類型和該地區的磁偏角，以及測斜計算方法；

（4）設備和工具計劃。

2．二維定向井設計（解析法）

解析法是根據給出的設計條件，應用解析公式計算出剖面上各井段的所有井身參數的井身設計方法。在使用計算機的條件下，還可同時給出設計井身的垂直投影圖和水平投影圖。

解析法進行井身剖面設計所用公式如下（用於三段制J型、五段制S型和連續增斜型剖面）。

（1）求最大井斜角αmax。

（2）各井段的井身參數計算：

①增斜段

②穩斜段

③降斜段

④穩斜段

⑤總井深L

（3）設計計算中特殊情況的處理

①當Ho2＋So2－2RoSo＝0時，表示該井段設有穩斜段，此時可由下面三個公式中任一個公式來求最大斜角αmax:

②當2Ro－So＝0時，可用下式求最大井斜角αmax:

③當Ho2＋So2－2RoSo＜0，說明此種剖面不存在，此時應該改變設計條件，改變造斜點深度、增斜率和降斜率或改變目標點坐標。

井身剖面設計計算結果應整理列表，並校核井身長度和各井段井身參數是否符合設計要求，還應該校核井上曲率，井身剖面最大麴率應小於動力鑽具和下井套管抗彎曲強度允許的最大麴率。

目前，應用計算機程序進行井身剖面設計時，設計結果列表和均可由列印機和繪圖儀自動完成。

4．設計方法舉例

例 某定向井設計全井垂深H=2-000米（靶點），上部地層300米至350米是流砂層，1000米至1050米有一高壓水層，作出井身剖面設計。

井口座標 X1：3 246 535.0 Y1：2 054 875.0

井底座標 X2：3 245 972.95 Y2：2 054 665.0

先根據井口與井底座標，計算出水平位移和目標方位。

（1）根據提供的地質資料，在進行剖面設計時，應設法使動力鑽具造斜的井段和增斜的井段避開流砂層和高壓水層。

（2）對於鑽井工藝及其它限制條件，在滿足（l）項條件的前提下，應選擇較簡單的剖面類型。

（3）剖面類型選用「直一增一穩」三段制井身剖面。此種剖面簡單，地面井口至目標點的井身長度短，有利於加快鑽井速度。

（4）選擇造斜點。根據垂直井深和水平位移的關系，造斜點應選在350米至600米間。如選在1050米以下，會使井斜角太大，是不合理的。

因300米至350米是流砂層，在井深結構設計時應用套管封固，以利於定向造斜，防止流砂層漏失、垮塌等復雜情況出現。造斜點應選在套管鞋以下不少於50米的地方為宜。因此，造斜點與井口之間井眼長度不應小於450米。

又因1000米至1050米是高壓水層，為了下部井段能順利鑽進，也應考慮下入一層中間套管封住高壓水層。為了減少井下復雜情況和有利於定向井井眼軌跡控制，在進行套管設計時，應避免套管鞋下在井眼曲率較大的井段中，中間套管的下入深度應進入穩斜井段150米左右為宜。在考慮上述因素後，造斜點的位置應在高壓水層以上不少於400米處，也就是造斜點與井口之間的井眼長度不應大於600米。

經過上述的分析，如果造斜點應在450米至600米之間選擇，那麼，把造斜點確定在500米處是比較合理的。

（5）選擇造斜率K為7°／100米。根據造斜率計算造斜井段的曲率半徑R。

（6）計算最大井斜角αmax

R——造斜段曲率半徑，米。

把已知條件代入上式得：

αmax=24.4°

（7）分段井眼計算：

增斜段

穩斜段

4．三維定向井

設計的井眼軸線，既有井斜角的變化，又有方位角的變化，這類井段為三維定向井，實際作業中，有時會碰到三維定向井的問題，大體上分為三種情況。

第一種情況 原設計為兩維定向井，在實鑽中偏離了目標方位，如果偏得不多，只要調整鑽具組合或扭一次方位就可以了。嚴格地說，實鑽的定向井軌跡，都有井斜角的變化和方位角的變化，這種三維定向井可以簡化為二維的。

第二種情況 在地面井位和目標點確定的情況下，在這兩點的鉛垂平面內，存在著不允許通過或難以穿過的障礙物，不能在鉛垂平面上設計軌道，需要繞過障礙，設計繞障三維定向井。在海上叢式井經常碰到這類井。

第三種情況在地面井位確定的情況下，要鑽多目標井。地面井位和多目標點不在同一鉛垂平面內，只有井斜角和方位角都變化，才能鑽達設計的多個目標點。

三維定向井的軌跡設計和測斜計算很復雜，通常使用計算機軟體完成這些工作。

第三節 井眼軌跡控制技術

井眼軌跡控制的內容包括：優化鑽具組合、優選鑽井參數、採用先進的井下工具和儀器、利用計算機進行井眼軌跡的檢測預測、利用地層的方位漂移規律、避免井下復雜情況等等。

軌跡控制貫穿鑽井作業的全過程，它是使實鑽井眼沿著設計軌道鑽達靶區的綜合性技術，也是定向井施工中的關鍵技術之一。

井眼軌跡控制技術按照定向井的工藝過程，可分為直井段、造斜段、增斜段、穩斜段、降斜段和扭方位井段等控制技術，其中直井段的控制技術見第七章第四節。

一．定向選斜井段

初始造斜方法有五類，即井下馬達和彎接頭定向、噴射法、造斜器法、彎曲導管定向、傾斜鑽機定向。目前，我國海洋定向井一般採用第一種方式，常用造斜鑽具組合為：鑽頭十井下馬達十彎接頭十非磁鑽鋌十普通鑽鋌（ 0～30米）十撓性接頭十震擊器十加重鑽桿。

這種造斜鑽具組合是利用彎接頭使下部鑽具產生一個彈性力矩，迫使井下動力鑽具驅動鑽頭側向切削，使鑽出的新井眼偏離原井眼軸線，達到定向造斜或扭方位的目的。

造斜鑽具的造斜能力主要與彎接頭的彎角和動力鑽具的長度有關。彎接頭的彎角越大，動力鑽具長度越短，造斜率也越高。

彎接頭的彎角應根據井眼大小、井下動力鑽具的規格和要求造斜率的大小選擇。現場常用彎接頭的彎角為1.5～2.25度，一般不大於2.5度。彎接頭在不同條件下的造斜率見第四節。

造斜鑽具組合使用的井下動力鑽具型號應根據造斜井段或扭方位井段的井深選擇。使用井段在2000米以內，一般採用渦輪鑽具或普通螺桿鑽具，深層走向造斜或扭方位應使用耐高溫的多頭螺桿鑽具。

造斜鑽具組合、鑽井參數和鑽頭水眼應根據廠家推薦的鑽井參數設計。

由於井下動力鑽具的轉速高，要求的鑽壓小〔一般為29.4～ 78.4千牛（3～8噸）〕，因此，使用的鑽頭不宜採用密封軸承鑽頭，尤其是在淺層，可鑽性好的軟地層應使用銑齒滾動軸承鑽頭或合適的PDC鑽頭。

根據測斜儀器的種類不同，分為四種定向方式：

1．單點定向

此方法只適用造斜點較淺的情況，通常井深小於1000米。因為造斜點較深時，反扭角很難控制，且定向時間較長。施工過程如下：

（l）下入定向造斜鑽具至造斜點位置（注意：井下馬達必須按廠家要求進行地面試驗）。

（2）單點測斜，測量造斜位置的井斜角，方位角，彎接頭工具面；

（3）在測斜照相的同時，對方鑽桿和鑽桿進行列印，並把井口鑽桿的印痕投到轉盤面的外緣上，作為基準點；

（4）調整工具面（調整後的工具面是：設計方位角十反扭角）。鎖住轉盤、開泵鑽進；

（5）定向鑽進。每鑽進2～4個單根進行一次單點測斜，根據測量的井斜角和方位角及時修正反扭矩的誤差，並調整工具面；

（6）當井斜角達到8～10度和方位合適時，起鑽換增斜鑽具，用轉盤鑽進。在單點定向作業中要注意：

①在確定了反扭角和鑽壓後，要嚴格控制鑽壓的變化范圍，通常在預定鑽壓±19.6千牛（2噸）內變化；

②每次接單根時，鑽桿可能會轉動一點，注意轉動鑽桿的列印位置至預定位置；

③如果調整工具面的角度較大（＞90度），調整後應活動鑽具2～3次（停泵狀態），以便鑽桿扭矩迅速傳遞。

2．地面記錄陀螺（SRO）定向

在有磁干擾環境的條件下（如套管開窗側鑽井）的定向造斜，需採用SRO定向。這種儀器可將井下數據通過電纜傳至地面處理系統，並顯示或用計算機列印出來，直至工具面調整到預定位置，再起出儀器，施工過程如下：

（l）選擇參照物，參照物應選擇易於觀察的固定目標，距井40米左右；

（2）預熱陀螺不少於15分鍾，工作正常才可下井；

（3）瞄準參照物，並調整陀螺初始讀數；

（4）接探管，連接陀螺外筒，再瞄準參照物，對探管和計算機初始化；

（5）下井測量，按規定作漂移檢查；

（6）起出儀器坐在井口，再次瞄準參照物記錄陀螺讀數；

（7）校正陀螺漂移，確定測量的精度；

（8）定向鑽進。

3．有線隨鑽測斜儀（SST）定向

造斜鑽具下到井底後，開泵循環半小時左右，然後接旁通頭或循環接頭。把測斜儀的井下儀器總成下入鑽桿內，使定向鞋的缺口坐在定向鍵上。定向造斜時，可從地面儀表直接讀出實鑽井眼的井斜、方位和工具面，司鑽和定向井工程師要始終跟蹤預定的工具面方向，保持井眼軌跡按預定方向鑽進。

4．隨鑽測量儀（MWD）定向

MWD井下儀器總成安裝在下部鑽具組合的非磁鑽鋌內，其下井前要調整好工作模式和傳輸速度，並准確地測量偏移值，輸入計算機。儀器在井下所測的井眼參數通過鑽井液脈沖傳至地面，信息經地面處理後，可迅速傳到鑽台。MWD不僅可用於定向造斜，也可用於旋轉鑽進中的連續測量，是一種先進的測量儀器。

5．定向造斜中的注意事項：

（1）如果定向作業前的裸眼段較長，應短起下鑽一趟，保證井眼暢通。

（2）井下馬達下井前應在井口試運轉，測量軸承間隙；記錄各種參數，工作正常方可下井；

（3）MWD等儀器下井前，必須輸入磁場強度、磁傾角等參數；

（4）定向造斜鑽進，要按規定加壓，均勻送鑽，以保持恆定的工具面。

（5）造斜鑽進或起下鑽，用旋扣鉗或動力水龍頭上卸扣，不得用轉盤上卸扣；

（6）起鑽前方位角必須在20～30米井段內保持穩定，且保證預定的提前角。目前，「一次造斜

到位法」也經常在我國海洋定向井中使用，這種方法適用於造斜點較淺，且機械鑽速很快的造斜井段，常常配合使用隨鑽測量儀。

（7）井下馬達出井時，按規定程序進行清洗、保養。

❹ 固井時設計水泥漿密度是根據什麼計算出來的

主要還是地層壓力，必須壓穩地層，也不能壓漏地層。要考慮前置液的影響，也要考慮候凝過程的失重，一般易漏層以上密度低，油氣層密度高。中間過度。

❺ 煤層氣多分支水平井的井型和設計優化

（一）多分支水平井命名規則

井名分4種：工程井、生產井、主水平井、分支水平井。

井名的命名一般採用如下規則，井名由區塊、工程井、翼數、生產井組成。

如DS01-1V，DS 表示「端氏」區塊名稱，以漢語拼音首個字母縮寫；01 表示第一個工程井，-1表示第一個翼，-1V表示該翼的生產井，-L1表示第一個分支水平井。

生產井用V表示，如DS01-1V。主水平井用M 表示，如DS01-1-M。分支水平井用L表示，如DS01-1-Ln，n為分支數目。如圖9-48。

圖9-48 多分支水平井井名的命名規則

代號及其意義：

多分支水平井由工程井和生產井組成一翼，工程井包括直井段、造斜段和水平段，水平段包括主支和分支。生產井為直井，在煤層段造洞穴，並與水平段連通。如圖9-49。

圖9-49 單翼多分支水平井生產井和工程井組合圖

為了提高井場利用效率，在一個井場可以設計一翼到四翼多分支水平井，使分支水平井網路布滿煤層的抽排面積。

（二）井型分類

本項目共實施6口多分支水平井，對多種井型進行了試驗，大致可以分為五種類型。

1.按工程井和生產井組合分類

按工程井和生產井組合情況，分為工程井和生產井分離的多分支水平井、工程井和生產井合一的多分支水平井。前者如DS01-1，DS02-1，SX01-1，圖9-50 ；後者如PHH-001，PHH-002，圖9-51。

2.按主支數量分類

按主支數量，本次可以分為單主支多分支水平井和雙主支多分支水平井，前者如PHH-001、PHH-002，DS02-1，SX01-1，PZP01-1，PZP02-2，PZP03-1，圖9-52；後者DS01-1，PZP01-2，PZP02-1，PZP03-2，如圖9-50。

3.按完井類型分類

按完井類型，本次進行末端對接試驗，採用單支水平井，分工程井和生產井，因此稱為末端對接水平井。如DS20-1，GSS-008-L1，BD4-L1—L4，圖9-53。

圖9-50 工程井和生產井分離的多分支水平井

圖9-51 工程井和生產井合一的多分支水平井

圖9-52 單主支多分支水平井

圖9-53 末端對接水平井

這些類型不同的多分支水平井，針對不同的地形、地質條件和煤層特徵進行設計和部署，以最低的工程成本，獲得最好的生產效益。

單翼雙主支多分支水平井，如DS01-1井，優點在於施工方便，主井眼不易損壞，有利於井壁保持穩定，避免由於工程施工中頻繁活動而導致井壁坍塌，堵塞井眼。同時有利於增加分支井數，增大排泄面積。

工程井和生產井合而為一，如PHH-001、PHH-002井，優點是節省工程量，降低成本，減少技術難度，不用進行兩井連通的高難度高技術施工程序。缺點是，井下泵無法下到近煤層的低位位置，距煤層距離一般還有20m左右，泵只能下到彎曲區段，因此，抽油機桿易被磨損。

單翼雙主支多分支水平井和工程井和生產井合而為一的多分支水平井的設計，是一種創造性的設計，在本項目得到第一次應用和試驗，是一次具有創造性的實踐，具有非常重要的意義，推廣價值巨大。

（三）井型設計和優化

水平井井型設計和優化對鑽井的成功具有重要意義。DS01-1等利用LANDMARK設計軟體優化多分支水平井施工設計。PHH-002等井軌跡採用藍德馬克的compass鑽井軌跡設計軟體包完成，鑽井軌跡採用雙增剖面雙控制點，第一剖面採用曲率半徑較大、造斜率較低，第二剖面採用曲率半徑較小、造斜率較高，既降低了施工難度，又保證了軌跡控制，確保了在15號煤層的順利著陸。

以DS01-1井為例。

一開，採用直徑311.15mm三牙輪鑽頭第一次開鑽。鑽至井深71.00m。下表層套管，外徑244.5mm，下深：70.16m。固井，水泥漿返出地面。

二開，採用直徑215.9mm三牙輪鑽頭，第二次開鑽，鑽至井深300.00m起鑽准備定向。鑽進至井深502.00m二開完鑽。下套管，外徑177.8mm，下深：500.33m。固井，候凝、安裝項驅，鑽套管附件及水泥塞(至井深502.00m)。

三開，採用直徑152.4mm進行水平定向鑽進，在607.00m與生產井連通，至井深1350.00m，完成主水平井，之後分別完成其他各個分支水平井。水平段總進尺5506.00m，累計3號煤層總進尺4920.30m。

❻ 有誰知道固井設計水泥漿密度的計算方法謝謝！

主要還是地層壓力，必須壓穩地層，也不能壓漏地層。要考慮前置液的影版響，也要考慮候凝過權程的失重，一般易漏層以上密度低，油氣層密度高。中間過度。
水泥密度3.1,水密度1,水泥漿體積=水+水泥,水泥漿重量=水+水泥重量.水灰比=水重量/水泥重量.水泥漿密度=水泥漿重量/水泥漿體積