固井设计

❶ 国际科学钻探计划

经现场浏览与大会论文摘要搜索，向大会注册的涉及钻探工程应用的论文摘要共311篇，其中308篇是以钻探工程为手段的各地学研究计划与能源、矿产、水资源等项目的地质成果介绍，仅3篇是由中国提交的纯钻探技术成果的摘要。

一、国际科学钻探计划概况

已有20多个重大国际钻探项目在国际大陆科学钻探组织（ICDP）框架下组织实施。ICDP聚焦于地球科学与国际社会经济问题中具挑战性的研究课题，如大陆动力学与自然灾害、火山体系与地热体（thermal regimes）、地球历史与气候变化、构造碰撞、非常规能源、深部生物等。其中突出的研究成果有：加利福尼亚圣安第斯、中国台湾车轮铺（Chelungpu）与希腊科林斯湾钻穿活性断层带取心研究地震循环的基本过程；日本Unzen火山、夏威夷、冰岛超临界火山流体活火山过程的研究；的的喀喀湖、马拉维、Bosumtwi、青海湖的古地质气候演化研究；Chicxulub,Bosumtwi和Chesapeake Bay在不同大小的陨石碰撞下陨石坑的形成过程及其对周围环境的影响。ICDP未来几年的研究主题有：气候动力学与全球环境、陨石坑及其形成过程、地下生物、活断层、板块汇聚边缘与碰撞带、自然资源等。钻探技术要面对大陆科学钻探的未来挑战，是完善孔内安全钻进系统、复杂地层无损无污染取心，及深部恶劣环境下长期观测设备的装置。

在2004年至2008年的四年间，国际大洋钻探组织（IODP）完成的考察主要如下：经过55年后在北极罗蒙洛索夫山脊完成温室到冰室的历史记录；在富卡山脊建立了三个观测孔对胡安山侧的海底洋流进行调查；对墨西哥湾深水下的超高压与洋流过程进行调查；通过钻探再次获得科克斯板块洋底基岩资料。

在坚冰海面进行深水钻探的钻探装备，是人类高效开展极地考察活动的必要条件。过去由于缺乏专门的破冰钻探船，很多科考活动进展缓慢甚至无法进行。如ODP第151航次开始在Yermak高地开展钻探，直到55年后的2004年，IODP的ACEX考察才在北纬87°55 ′16″、东经139°21′54″的北冰洋底罗蒙洛索夫山脊顶端重获430米岩心资料，而此次考察动用了两艘重型破冰船在钻探船周围保驾护航。最近，世界上最先进的极地研究设施，“北极光”号研究破冰船（图1）建造成功，其钻深能力，可在水深80～5000米永久性冰面覆盖的极地洋面上，破冰深入水下1000米取样，同时也可用于长期的国际多学科北极钻探考察。该船船体设计新颖，配备卫星航海、方位推进系统与冰处理支持，动力定位系统可在2.5米以上厚度的冰层上运行，定制的高寒深水钻机、全封闭的钻台和预研究工作室允许科技人员在极地条件下全天候工作。

为了更好地适应大陆科学钻探的各项特殊要求，ICDP委托德国波茨坦PFZ(Geo-Forsechungs Zentrum）研制了一台新型的钻机—Innova Rig（图2），与标准的石油钻机相比，该钻机具有如下的技术特点：可进行回转、常规取心、绳索取心与气举等不同工艺方法的钻进；高安全标准、高自动化的模块式钻机设计，综合动力概念，无大绳的液力提升与给进系统，减少了环境污染和噪音强度，场地面各减小、钻探成本下降。该钻机还为测井仪器预设了存储单元，配置了测井电缆导绳器，可以实现快速测井；钻屑样品收集器与基于质谱原理的泥浆气体分析器，使野外研究可在原位进行；钻进信息系统已与ICDP钻进信息系统集成。钻机的技术参数为：发电机容量3×1540千伏安，驱动功率4000千瓦，泥浆泵功率3×1000千瓦，钻进深度5000米，名义大钩载荷3500千牛，转速220转，回转扭矩40～75千牛·米，提升油缸行程22米，绳索取心绞车容量5000米（钢绳直径12.7毫米），钻机总重3700千牛。

图1 “北极光”号研究破冰船

图2 德国Innova Rig钻机

在通过钻探手段直接获取地下能源方面，冰岛深钻计划（IDDP）颇为引人注目。冰岛是一个多火山国家，在火山中心地带，高温地热源已被开发用于蒸汽或水发电，并向地方供热。在这些地区，一口2000～3000米深的钻井，井底温度达到300℃，井口温度可达200℃，单井可生产500～2000千瓦的电力。2002年以来，钻进到4000～5000米深度以调查地热资源的准备就在进行，这一工作的目标，就是确定在淡水温度与压力临界点（374.15℃，22.12兆帕）以上的条件下，提取能量与化学液体在技术与经济上究竟是否可行。2008年8月，第一口深井将在冰岛东北部的Krafla地热田开钻，这口井钻达预定井深时，井底温度将高达400～600℃，蒸汽所产生的电力估计将达到4～5百瓦。IDDP的这一预想若被证实，将导致冰岛和其他地区高温地热资源经济的重大进步。第一口深井的资金已落实，钻探工程计划在4～5个月内完成，2009年进行井中循环测试。

二、中国白垩纪大陆科学钻探松科一井（北井）钻探工程

松科一井是中国国家973计划项目“白垩系地球表层系统重大地质事件与温室气候变化”，为获取供地学研究的白垩纪地层实物资料，在中国东北部松辽盆地布置的环境科学钻探工程。工程由南井和北井（又称主井）组成，井深分别为1810米和1910米，岩心采取率要求90%。其中南井成井后可转化为石油生产井，由大庆油田按石油钻井程序建井；北井仅为采集岩样，由中国地质调查局勘探技术研究所承担，并组织中国地质大学与河南地矿工程公司协作施工。本井全井连续取心钻进的要求，使之不同于普通的石油钻井；钻遇地层为湖盆沉积、完井直径156毫米、需在井口安装井内压力控制系统，使之又不同于地质岩心钻探。故北井施工的装备与工艺均有其自身特点。

1.设备与管材——2000米水源钻探装备

出于井深、井径与井内安全钻进的要求，本井所用钻杆直径不得小于73毫米，而国内岩心钻机若使用这种钻杆，尚达不到钻进近2000米的深度，因此选用了2000米配套的水源钻井设备。与钻进同样井深的石油钻机比较，其优点是重量轻、体积小、功耗低，占地面积小、运行与维护成本低；提引器升降钻杆柱、钻机转盘拧卸扣，操作简便、配套紧凑；缺点是管材强度较低，不似石油钻井可强力给进；钻机转速较低，硬岩钻进时钻速低；钻塔提升高度有限，提下钻辅助时间长。

2.钻井平台高架——满足井控设备安装要求

2000米水源钻机的钻井平台直接坐于地面。为在井口安装防喷器，自设计钢基础构架，将平台高度提升2.1米（图3）。完钻时构架承受200千牛的设备静载、400千牛悬重的钻柱提下钻动载以及7级以上的大风载荷，未出现任何不安全迹象。

图3 钻机底架效果设计

3.取心钻进——岩心钻探工艺

钻具规格与结构：

钻头外径：156毫米

普通双管钻具岩心直径：96毫米

保真钻具（三层管）岩心直径：82毫米

最大岩心容纳长度：9米

保真钻具的衬管为透明度好、刚度好、化学性能稳定的PC有机材料管，其作用是钻进时保护松散样品不受扰动，出心时样品可随管无损抽出。样品易保管，易运输，且可在管内冷冻成型后剖切研究。

（1）流沙层隔液保真取样：井深162～211米地层是无胶结的流砂层，钻进时钻具内腔与流动的钻井液必须完全隔绝，否则进入钻头的砂样会部分或完全冲蚀耗尽。所设计的钻具在砂层中取心钻进近50米，采样率达82%（图4）。

图4 隔液保真钻具的取样效果

（2）黏软—中硬地层嵌块式合金钻头：245～950米井段为长段软泥岩及其与酥松或较致密的泥岩、砂岩互层，如用常规的钻头结构形式，则在软泥岩中易泥包糊钻，在较致密的岩层中钻速低下。还因合金刀具抗崩耐磨性均较差需频繁更换，而钻头刚体价格昂贵，如直接在刚体上更换刀具必致刚体寿命短暂增加成本。图5a所示的大排水、排屑空间的嵌块式结构，不仅杜绝了软泥岩中的糊钻现象，且适应地层的软硬变化。在900余米进尺中，5只钻头刚体入井190回次、纯钻进近700小时后仍可继续使用。钻头所钻遇的岩层如图5b所示。

（3）致密泥岩中螺杆钻复合回转钻进：井深1250米后地层进入黑色致密泥岩，无论是合金钻头还是PDC钻头，钻压加到45千牛、泵量开到950升/分钟，但钻速均只在0.2～0.3米/小时，孕镶金刚石钻头的转盘单回转钻进，钻速也只在0.5米/小时左右。孕镶钻头乃依赖高速磨削碎岩，但因设备和井内原因，作业时转盘最高转速只允许开至90转/分钟。为提高钻头转速提升钻速，启用螺杆马达实现井底驱动，同时低速开动转盘（37转/分钟）消除钻柱与井壁的静摩擦以求钻压均匀传递。这一措施的钻进效果由下表可对比。

图5 嵌块式合金钻头及其钻井效果

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（4）水力出心装置：常规钻具的岩心需从内管中直接取出，对于大口径钻具，传统的出心方法不仅劳动强度大、出心时间长，还因管内堵卡、机械振动以及岩心自由下落等原因，造成塑性与酥性心样变形、脆性岩心伤害，地层的原始信息被人为破坏。本井研制的水力出心装置，出心时只要在钻具上接头连接送浆管，再封住内、外管下端环隙，利用水压将岩心整体推出内管，减去了传统出心方法的各个环节，真正做到了常规钻具的岩心无损出管。装置原理与现场工作情况如图5所示。

（5）泥浆护壁成果：一开地层为松散的流砂层与松软泥岩，泥浆技术不过关，极易引发卡钻、埋钻等井内事故，还可能会因长井段坍塌导致钻井报废。一开至完钻历时53日历天，钻具在流砂层与松软泥岩层中裸眼提、下110回次，不仅从未发生过井内险情，且井径规整、极少沉淤，固井时井内注液量表明井眼超径系数不到1.08。二开井段总长1566米，上部为松软、水敏性泥岩与酥松、脆弱的砂岩、砾岩穿插，850～1500米含多段易掉块地层。二开至完钻裸眼历时193日历天，提下钻具295回次，从未发生水敏地层膨胀缩径与脆性地层掉块导致卡钻事故。

4.综合评述

（1）取心钻进技术指标（见下页表）。

（2）南、北井技术经济对比：北井运用水源钻探设备与岩心钻探工艺，历时8个月，完钻井深1811米，取心进尺1630米，岩心采取率95%；南井使用石油钻井设备与工艺，历时3个月，完钻井深1915米，取心进尺965米，岩心采取率98%。两井客观条件相比，尽管北井取心难度大、钻遇地层复杂、存在50米无胶结流砂层与500余米极致密的泥岩，且施工方进场时对地层性质毫无了解，但从总体上看：两种方法的岩心采取率均满足科研工作要求；石油钻井装备的钻进效率远高于水源钻探装备；石油钻井装备的工程费用为水源钻探装备的3倍以上。因此可得结论：在工程进度满足科研进度的前提下，选用组合钻探技术实施环境科学钻探工程，是有效压缩科研费用的可行之路。

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（朱永宜执笔）

❷ 国内钻井工程软件研发现状

相比国外的钻井工程设计软件，国内的研发水平明显不在一个层次上，而且差距有越来越大的趋势。根据可查询到的资料文献显示，国内油田所使用的钻井设计软件基本是通过项目的形式与科研院校合作开发，但这些软件完全达不到商业应用的级别，最多只能在单个油田进行小规模的试用。而国内真正形成商业化的钻井相关软件并不多，具体包括：

1）西安新生代石油软件有限公司开发的钻井信息管理与工程服务系统：主要功能包括数据库管理、报表生成、完井报告、统计分析、工程计算、工具手册和系统维护等。

2）北京超思维科石油软件开发有限责任公司的井场信息管理系统：大多被中国石化及所属单位采用，融合了IADC钻井生产管理、安全管理、钻井设备管理、井控管理和固井管理等5大类报表。

3）西部世纪软件股份有限公司的石油工程技术服务信息管理平台：支持多平台，是面向石油工程服务的石油工程技术服务管理信息平台软件。

4）中国石油大学石油天然气工程学院的钻井工程监测与信息服务系统：在胜利油田和新疆各油田应用较多，具有实时数据采集、井场工程计算、井场数据库管理和报表自动生成等特点。

5）北京怡恒阳光科技发展有限公司开发的Navigator Drilling Studio（定向井水平井设计与计算分析系统）是一套用于陆上和海上定向井水平井设计和工程分析的计算机辅助系统。其中，TDFEA摩阻扭矩分析软件针对井眼内的钻具受力建模。

6）北京奥格特技术有限公司开发研制的摩阻和扭矩分析软件，该软件可进行各种类型井眼钻压设计，钻柱强度校核，各种工况的管柱弯曲状态、摩阻扭矩及大钩载荷、钻机负荷预测。

7）北京超思维科公司开发的钻井工程设计一体化系统（IDDS）井身结构设计模块可绘制地层岩性剖面图、地层破裂压力梯度曲线、地层孔隙压力梯度曲线，并根据井身结构设计数据和井眼轨迹设计数据绘制井身结构图。

8）北京奥尔创新石油工程技术有限公司研发的欠平衡钻井设计和监测软件，能预测充足的井眼清洗能力，并可在保持欠平衡情况下将机械钻进速度提高到最高速。使用最新的岩屑携带能力计算方法，欠平衡钻井设计和监测软件考虑了岩屑的积累效应。

9）中国石油集团钻井工程技术研究所研发的ANYDRILL钻井工程设计与工程软件平台系统，采用插件式技术，不同的插件具有不同的功能。可供选用的插件包括：控压钻井设计与分析系统、地层压力预测分析与监测系统、岩石力学分析系统、钻井液设计及分析系统、固井工程设计及分析系统、欠平衡（气体）钻井设计与分析系统、钻柱力学分析系统、钻井数据库管理系统、钻井实时监控与技术决策系统。

结合对国内外钻井设计软件的调研分析，可知不管是国内还是国外软件，均具有以下特点：

1）专注于模块。现有的钻井设计软件均专注于某一特定模块的设计，而没有专注于整个钻井设计的流程。

2）与网络的连接少。除了在钻井现场与传感器连接的硬件网络，现有的钻井设计软件与互联网的连接较少，不利于数据的共享和软件的发展。

3）需要安装客户端。所有的钻井设计软件均需要在使用的计算机上安装客户端，必须在满足客户端的硬件和系统环境的要求下软件才能正常运行，具有较高的使用门槛。

4）无法自动生成设计报告。只有少数几个软件具有自动生成报告的能力，但其自动生成的报告还需要设计人员的再编辑才能归档，无形中增加了不必要的工作量。

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第一节 定向井井身参数和测斜计算

一．定向井的剖面类型及其应用

定向钻井就是“使井眼按预定方向偏斜，钻达地下预定目标的一门科学技术”。定向钻井的应用范围很广，可归纳如图9－l所示。

定向井的剖面类型共有十多种，但是，大多数常规定向井的剖面是三种基本剖面类型，见图9－2，称为“J”型、“S”型和连续增斜型。按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°（有水平延伸段）

二．定向井井身参数

实际钻井的定向井井眼轴线是一条空间曲线。钻进一定的井段后，要进行测斜，被测的点叫测点。两个测点之间的距离称为测段长度。每个测点的基本参数有三项：井斜角、方位角和井深，这三项称为井身基本参数，也叫井身三要素。

1．测量井深：指井口至测点间的井眼实际长度。

2．井斜角：测点处的井眼方向线与重力线之间的夹角。

3．方位角：以正北方向线为始边，顺时针旋转至方位线所转过的角度，该方向线是指在水平面上，方位角可在0—360°之间变化。

目前，广泛使用的各种磁力测斜仪测得的方位值是以地球磁北方位线为准的，称为磁方位角。磁北方向线与正北方向线之间有一个夹角，称磁偏角，磁偏角有东、西之分，称为东或西磁偏角，真方位的计算式如下：

真方位＝磁方位角十东磁偏角

或 真方位＝磁方位角一西磁偏角

公式可概括为“东加西减”四个字。

方位角也有以象限表示的，以南（S）北（N）方向向东（E）西（W）方向的偏斜表示，如N10°E，S20°W。在进行磁方位校正时，必须注意磁偏角在各个象限里是“加上”还是“减去”，如图 9－3所示。

4．造斜点：从垂直井段开始倾斜的起点。

5．垂直井深：通过井眼轨迹上某点的水平面到井口的距离。

6．闭合距和闭合方位

（l）闭合距：指水平投影面上测点到井口的距离，通常指靶点或井底的位移，而其他测点的闭合距离可称为水平位移。

（2）闭合方位：指水平投影响图上，从正北方向顺时针转至测点与井口连线之间的夹角。

7．井斜变化率和方位变化率：井斜变化率是指单位长度内的井斜角度变化情况，方位变化率是指单位长度内的方位角变化情况，均以度／100米来表示（也可使用度／30米或度／100英尺等）。

8．方位提前角（或导角）：预计造斜时方位线与靶点方向线之间的夹角。

三．狗腿严重度

狗腿严重是用来测量井眼弯曲程度或变化快慢的参数（以度／100英尺表示）。可用解析法、图解法、查表法、尺算法等来计算狗腿严重度k。

1．第一套公式

2．第二套公式

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

本式是由鲁宾斯基推导出来的，使用非常普遍。美国人按上式计算出不同的a1、a2和Δj值下的狗腿角γ值，并列成表格，形成了查表法。

3．第三套公式

γ——两测点间的狗腿角。

若将三套公式作比较，第一套公式具有普遍性，适合于多种形状的井眼，第二套只适用于平面曲线的井眼（即二维井型），第三套是近似公式，用于井斜和方位变化较小的情况。

四．测斜计算的主要方法

测斜计算的方法可分为两大类二十多种。一类是把井眼轴线视为由很多直线段组成，另一类则视其为不同曲率半径的圆弧组成。计算方法多种多样，测段形状不可确定。主要的计算方法有正切法、平衡正切法、平均角法、曲率半径法、最小曲率法、弦步法和麦库立法。从计算精度来讲，最高的是曲率半径法和最小曲率法，其次是平均角法。以下各图和计算公式中下角符号1、2分别代表上测和下测点。

1．平均角法（角平均法）

此法认为两测点间的测段为一条直线，该直线的方向为上下两测点处井眼方向的矢量和方向。

测段计算公式：

2．平衡正切法

此法假定二测点间的井段为两段各等于测段长度一半的直线构成的折线，它们的方向分别与上、下两测点处的井眼方向一致。

如图9－6，计算式为：

3．曲率半径法（圆柱螺线法）

此法假设两测点间的测段是条等变螺旋角的圆柱螺线，螺线在两端点处与上、下二测点处的井眼方向相切。

如图9－7，测段的计算公式有三种表达形式。

（1）第一种表达形式

（9－13）～（9－16）式中：

这四个公式是最常用的计算公式：

（3）第三种表达形式

（4）曲率半径法的特殊情况处理

③第三种特殊情况，α1≠α2，且其中之一等于零。此时，按二测点方位角相等来处理，然后代入第二种特殊情况的计算式中。

4．最小曲率法

最小曲率法假设两测点间的井段是一段平面的圆弧，圆弧在两端点处与上下二测点处的井眼方向线相切。测段计算如图9－8。

测段计算公式如下：

令fM＝（2/γ）×tg（γ/2），fM是个大于1但很接近1的值。在狗腿角γ足够小的情况下，可近似认为fM＝1，这时上述四个计算公式就完全变成平衡正切法的公式了，它是对平衡正切法公式的校正。

ΔS′是切线1M和M2在水平面上的投影之和，即ΔS′＝1′M′＋ M′2′。ΔS′并不是测段的水平投影长度ΔS。要作出井身垂直剖面图，需要求出ΔS，而最小曲率法却求不出ΔS，这是最小曲率法的缺点。为了作出垂直剖面图，可用下式近似地求出ΔS′：

……………………………………………………（9－39）

第二节 定向井剖面设计

在开钻前认真进行设计，可以大大节约定向钻井的成本。影响井眼轨迹的因素很多，其中一些因素很难进行估算（如在某些地层中的方位漂移情况等）。因此，在同一地区得到的钻井经验很重要，这些经验可以在其他井设计过程中起重要的参考作用。

一．设计资料

要进行一口定向井的轨道设计工作，作业者至少应提供靶点的垂深、水平位移和方位角，或提供井口与靶点的座标位置，通过座标换算，计算出方位角和水平位移。此外，定向井工程师还要收集下列资料：

1．作业区域和地理位置。通过作业区域，通常可以找到该地区已完井的钻井作业资料（野猫井除外），并对地层情况、方位漂移有一定的了解，根据地理位置，可以计算或查得到地磁偏角。

2．地质设计书和井身结构。了解有关地层压力、地温梯度、地层倾角、走向、岩性、断层，可能遇到的复杂情况，以及油藏工程师的特殊要求等。

3．作业者对造斜点、造斜率、增（降）斜率的要求，以及安全圆柱、最大井斜等井身质量的要求。

4．了解钻井承包商的情况，如泥浆泵性能，井下钻具组合各组件的基本情况等。

二．设计原则

1．能实现钻定向井的目的

定向井设计首先要保证实现钻井目的，这是定向井设计的基本原则。设计人员应根据不同的钻探目的对设计井的井身剖面类型、井身结构、钻井液类型、完井方法等进行合理设计，以利于安全、优质、快速钻井。

如救险井的钻井目的是制服井喷和灭火，保护油、气资源。因此，救险井的设计应充分体现其目的：一是靶点的层位选择合理。二是靶区半径小（小于10米），中靶要求高；三是尽可能选择简单的剖面类型，以减小井眼轨迹控制和施工难度，加快钻井速度。四是井身结构、井控措施等应满足要求。

2．尽可能利用方位的自然漂移规律在使用牙轮钻头钻进时，方位角的变化往往有向右增加的趋势，称为右手漂移规律。如图9－9所示，靶点为T，设计方位角为j′。若按j′定向钻进，则会钻达T′点，只有按照j角方向钻进，才会钻达目标点T。Δj角称为提前角，提前角的大小，要根据地区的实钻资料，统计出方位漂移率来确定，我国海上开发井一般取2～7度。

目前流行的PDC钻头（如RC426型等），对方位右漂具有较好的抑制效果。在地

层倾角小、岩性稳定时，PDC钻头具有方位左漂的趋势，这主要是由于PDC钻头的切削方式造成的。因此，要使用PDC钻头钻进的定向井，提前角要适当地小一点。

3．根据油田的构造特征，有利于提高油气产量，提高投资效益。

4．有利于安全、优质和快速钻井，满足采油和修井的作业要求。

三．剖面设计中应考虑的问题

1．选择合适的井眼曲率

井眼曲率不宜过小，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，从而增大了井眼轨迹控制的工作量，影响钻井速度。

井眼曲率也不宜过大，否则钻具偏磨严重、摩阻力增大和起下钻困难，也容易造成键槽卡钻，还会给其他作业（如电测、固井以及采油和修井等）造成困难。因此，在定向井中应控制井眼曲率的最大值，我国海上定向井一般取7～16°／100米，最大不超过20°／100米。不同的井段要选用不同的井眼曲率，具体如下：

井下动力钻具造斜的井眼曲率取：7～16°／100米。

转盘钻增斜的增斜率取：7～12°／100米。

转盘钻降斜的降斜率取：3～8°／100米。

井下动力钻具扭方位的井眼曲率取：7～14°／100米。

导向马达调方位或增斜的井眼曲率取：5～12°／100米。

说明：随着中曲率大斜度井和水平井的迅速发展，对普通定向井的井眼曲率（或狗腿严重度）的限制越来越少，API标准中已不再规定常规定向井的狗腿严重度。

为了保证起下钻顺利和套管安全，必须对设计剖面的井眼曲率进行校核，以限制最大井眼曲率的数值。井下动力钻具造斜和扭方位井段的井眼曲率Km应满足下式：

Dc――套管外径，厘米。

2．井眼尺寸

目前常规的定向井工具能满足152～445毫米（6～171/2英寸）井眼的定向钻井要求，一般地说，大尺寸井眼比较容易控制轨迹，但由于钻铤的尺寸也较大，形成弯曲所需的钻压较大，小井眼要使用更小、更柔的钻具，而且地层因素对轨迹的影响也较大。因此小井眼的轨迹控制更困难一些。

在常规的井眼尺寸中，大多数定向井可采用直井的套管程序。如果实钻井眼轨迹较光滑，没有较大的狗腿，那么即使在大井斜井段，也能较顺利地进行下套管作业。当然，在斜井段，应在套管上加扶正器以支撑套管，避免在下套管过程中发生压差卡钻，同时提高固井质量。另外，在大斜度井段，可根据井段长度和作业时间，决定是否使用厚壁套管。

3．钻井液设计：

（1）定向井钻井液设计十分重要，钻井液应有足够的携砂能力和润滑性，以减少卡钻的机会；

（2）钻井液性能控制对减少定向井钻柱拉伸与扭矩也很重要；

（3）钻井液中应加润滑剂，钻井液密度与粘度必须随时控制。

（4）如果用水基钻井液，那么在正常压力井段，应使用高排量和低固相含量的钻井液，这样有利于清洁井眼；

（5）水基钻井液应具有良好的润滑性能，以减少钻具摩阻和压差卡钻；然而在海上钻井，一定要避免污染问题。

（6）如果有异常高压井段要求钻井液密度达到1.45克／厘米3或更高，那么应考虑在钻开该高压地层前下一层保护套管，以封固所有正常压力井段。

4．造斜点的选择

造斜点的选择要适当浅些，但是在极浅的地层中造斜时，容易形成大井眼。同时，由于地层很软，造斜完成后下入稳斜钻具时，要特别小心，以免出现新井眼，尤其是在稳斜钻具刚度大或造斜率较高时。通常地说，浅层造斜比深层造斜容易一些，因为深层地层往往胶结良好，机械钻速低，需花费较长的造斜时间。

另外，造斜点通常选在前一层套管鞋以下30～50米处，以免损坏套管鞋，同时减少水泥掉块产生卡钻的可能性。

在深层地层造斜时，应尽量在大段砂层中造斜，因为砂层的井眼稳定，钻速较快，而页岩段较易受到冲蚀，钻速较低，而且在以后长时间钻井作业，容易在造斜段形成键槽而可能导致卡钻。

5．靶区形状和范围

靶区形状与范围通常由地质构造、产层位置决定，并考虑油田油井的分布情况，靶区大小是由作业者确定的。通常认为，鞍区范围不能定得太小，很小的靶区范围不仅会增加作业成本，同时也会增加调整方位的次数，造成井眼轨迹不平滑，增加转盘扭矩，同时也增加产生健槽卡钻的可能性。

通常，靶区形状为圆形（严格地讲，应该是球形）。浅井和水平位移小的定向井，其靶区范围小一些，一般靶区半径30～50米，而深井和水平位移大的井，靶区范围可以适当地大一些，一般靶区半径为50～70米。

6．造斜率和降斜率选择

常规定向井的造斜率为7～14°／100米，如果需要在浅层造斜并获得较大的水平位移，造斜率可提高到14～16°／100米。但是，浅层的高造斜率容易出现新井眼，也容易对套管产生较大的磨损。因此，浅层造斜通常选择较低的造斜率，而深层造斜（1000米～2000米）可选择较高的造斜率。

对于“S”型井眼，通常把降斜率选在3～8°／100米，如果降斜后仍然要钻较长的井段，则必须采用较小的降斜率平缓降斜，以避免键槽卡钻，同时，可降低钻进时的摩阻力。

7．最大井斜角

常规定向井的最大井斜角，一般在15～45°，如果井斜太小，则井眼的井斜和方位都较难控制。井斜大于60°时，钻具的摩阻力将大大增加。

8．允许的方位偏移与极限

（1）定向钻进时，初始造斜方向通常在设计方位的左边（即选定导角），然后通过自然漂移钻达靶区，井眼轨迹是一条空间曲线。

（2）但是对导角也有一个限制，在井眼密集的井网中，要求定向井轨迹保持在安全圆柱内，以避免与邻井相碰。

（3）同样，由于油藏特性和地质地层条件，也对导角的大小有一定的限制。

9．井身剖面类型

在满足设计和工艺要求的前提下，尽可能缩短井段长度，因为井段短则钻井时间短。在设计井身剖面形状时，要考虑井身结构，造斜点一般选在套管鞋以下30～50米处。目前，我国海上定向井的井身剖面通常由作业者决定，往往选择“J”型剖面。

四．剖面设计

1．设计步骤：

（l）选择剖面类型；

（2）确定增斜率和降斜率，选择造斜点；

（3）计算剖面上的未知参数，主要是最大井斜角；

（4）进行井身计算，包括各井段的井斜角、水平位移、垂深和斜深；

（5）绘制垂直剖面图和水平投影图。

井身剖面的设计方法有试算法、作图法、查图法和解析法四种。我国海洋定向井通常采用解析法，并使用计算机完成。剖面设计完成以后，应向作业者提供下列资料：

（1）总体定向钻井方案和技术措施。

（2）剖面设计结果，包括设计条件、计算结果、垂直剖面图和水平投影图。

（3）测斜仪器类型和该地区的磁偏角，以及测斜计算方法；

（4）设备和工具计划。

2．二维定向井设计（解析法）

解析法是根据给出的设计条件，应用解析公式计算出剖面上各井段的所有井身参数的井身设计方法。在使用计算机的条件下，还可同时给出设计井身的垂直投影图和水平投影图。

解析法进行井身剖面设计所用公式如下（用于三段制J型、五段制S型和连续增斜型剖面）。

（1）求最大井斜角αmax。

（2）各井段的井身参数计算：

①增斜段

②稳斜段

③降斜段

④稳斜段

⑤总井深L

（3）设计计算中特殊情况的处理

①当Ho2＋So2－2RoSo＝0时，表示该井段设有稳斜段，此时可由下面三个公式中任一个公式来求最大斜角αmax:

②当2Ro－So＝0时，可用下式求最大井斜角αmax:

③当Ho2＋So2－2RoSo＜0，说明此种剖面不存在，此时应该改变设计条件，改变造斜点深度、增斜率和降斜率或改变目标点坐标。

井身剖面设计计算结果应整理列表，并校核井身长度和各井段井身参数是否符合设计要求，还应该校核井上曲率，井身剖面最大曲率应小于动力钻具和下井套管抗弯曲强度允许的最大曲率。

目前，应用计算机程序进行井身剖面设计时，设计结果列表和均可由打印机和绘图仪自动完成。

4．设计方法举例

例 某定向井设计全井垂深H=2-000米（靶点），上部地层300米至350米是流砂层，1000米至1050米有一高压水层，作出井身剖面设计。

井口座标 X1：3 246 535.0 Y1：2 054 875.0

井底座标 X2：3 245 972.95 Y2：2 054 665.0

先根据井口与井底座标，计算出水平位移和目标方位。

（1）根据提供的地质资料，在进行剖面设计时，应设法使动力钻具造斜的井段和增斜的井段避开流砂层和高压水层。

（2）对于钻井工艺及其它限制条件，在满足（l）项条件的前提下，应选择较简单的剖面类型。

（3）剖面类型选用“直一增一稳”三段制井身剖面。此种剖面简单，地面井口至目标点的井身长度短，有利于加快钻井速度。

（4）选择造斜点。根据垂直井深和水平位移的关系，造斜点应选在350米至600米间。如选在1050米以下，会使井斜角太大，是不合理的。

因300米至350米是流砂层，在井深结构设计时应用套管封固，以利于定向造斜，防止流砂层漏失、垮塌等复杂情况出现。造斜点应选在套管鞋以下不少于50米的地方为宜。因此，造斜点与井口之间井眼长度不应小于450米。

又因1000米至1050米是高压水层，为了下部井段能顺利钻进，也应考虑下入一层中间套管封住高压水层。为了减少井下复杂情况和有利于定向井井眼轨迹控制，在进行套管设计时，应避免套管鞋下在井眼曲率较大的井段中，中间套管的下入深度应进入稳斜井段150米左右为宜。在考虑上述因素后，造斜点的位置应在高压水层以上不少于400米处，也就是造斜点与井口之间的井眼长度不应大于600米。

经过上述的分析，如果造斜点应在450米至600米之间选择，那么，把造斜点确定在500米处是比较合理的。

（5）选择造斜率K为7°／100米。根据造斜率计算造斜井段的曲率半径R。

（6）计算最大井斜角αmax

R——造斜段曲率半径，米。

把已知条件代入上式得：

αmax=24.4°

（7）分段井眼计算：

增斜段

稳斜段

4．三维定向井

设计的井眼轴线，既有井斜角的变化，又有方位角的变化，这类井段为三维定向井，实际作业中，有时会碰到三维定向井的问题，大体上分为三种情况。

第一种情况 原设计为两维定向井，在实钻中偏离了目标方位，如果偏得不多，只要调整钻具组合或扭一次方位就可以了。严格地说，实钻的定向井轨迹，都有井斜角的变化和方位角的变化，这种三维定向井可以简化为二维的。

第二种情况 在地面井位和目标点确定的情况下，在这两点的铅垂平面内，存在着不允许通过或难以穿过的障碍物，不能在铅垂平面上设计轨道，需要绕过障碍，设计绕障三维定向井。在海上丛式井经常碰到这类井。

第三种情况在地面井位确定的情况下，要钻多目标井。地面井位和多目标点不在同一铅垂平面内，只有井斜角和方位角都变化，才能钻达设计的多个目标点。

三维定向井的轨迹设计和测斜计算很复杂，通常使用计算机软件完成这些工作。

第三节 井眼轨迹控制技术

井眼轨迹控制的内容包括：优化钻具组合、优选钻井参数、采用先进的井下工具和仪器、利用计算机进行井眼轨迹的检测预测、利用地层的方位漂移规律、避免井下复杂情况等等。

轨迹控制贯穿钻井作业的全过程，它是使实钻井眼沿着设计轨道钻达靶区的综合性技术，也是定向井施工中的关键技术之一。

井眼轨迹控制技术按照定向井的工艺过程，可分为直井段、造斜段、增斜段、稳斜段、降斜段和扭方位井段等控制技术，其中直井段的控制技术见第七章第四节。

一．定向选斜井段

初始造斜方法有五类，即井下马达和弯接头定向、喷射法、造斜器法、弯曲导管定向、倾斜钻机定向。目前，我国海洋定向井一般采用第一种方式，常用造斜钻具组合为：钻头十井下马达十弯接头十非磁钻铤十普通钻铤（ 0～30米）十挠性接头十震击器十加重钻杆。

这种造斜钻具组合是利用弯接头使下部钻具产生一个弹性力矩，迫使井下动力钻具驱动钻头侧向切削，使钻出的新井眼偏离原井眼轴线，达到定向造斜或扭方位的目的。

造斜钻具的造斜能力主要与弯接头的弯角和动力钻具的长度有关。弯接头的弯角越大，动力钻具长度越短，造斜率也越高。

弯接头的弯角应根据井眼大小、井下动力钻具的规格和要求造斜率的大小选择。现场常用弯接头的弯角为1.5～2.25度，一般不大于2.5度。弯接头在不同条件下的造斜率见第四节。

造斜钻具组合使用的井下动力钻具型号应根据造斜井段或扭方位井段的井深选择。使用井段在2000米以内，一般采用涡轮钻具或普通螺杆钻具，深层走向造斜或扭方位应使用耐高温的多头螺杆钻具。

造斜钻具组合、钻井参数和钻头水眼应根据厂家推荐的钻井参数设计。

由于井下动力钻具的转速高，要求的钻压小〔一般为29.4～ 78.4千牛（3～8吨）〕，因此，使用的钻头不宜采用密封轴承钻头，尤其是在浅层，可钻性好的软地层应使用铣齿滚动轴承钻头或合适的PDC钻头。

根据测斜仪器的种类不同，分为四种定向方式：

1．单点定向

此方法只适用造斜点较浅的情况，通常井深小于1000米。因为造斜点较深时，反扭角很难控制，且定向时间较长。施工过程如下：

（l）下入定向造斜钻具至造斜点位置（注意：井下马达必须按厂家要求进行地面试验）。

（2）单点测斜，测量造斜位置的井斜角，方位角，弯接头工具面；

（3）在测斜照相的同时，对方钻杆和钻杆进行打印，并把井口钻杆的印痕投到转盘面的外缘上，作为基准点；

（4）调整工具面（调整后的工具面是：设计方位角十反扭角）。锁住转盘、开泵钻进；

（5）定向钻进。每钻进2～4个单根进行一次单点测斜，根据测量的井斜角和方位角及时修正反扭矩的误差，并调整工具面；

（6）当井斜角达到8～10度和方位合适时，起钻换增斜钻具，用转盘钻进。在单点定向作业中要注意：

①在确定了反扭角和钻压后，要严格控制钻压的变化范围，通常在预定钻压±19.6千牛（2吨）内变化；

②每次接单根时，钻杆可能会转动一点，注意转动钻杆的打印位置至预定位置；

③如果调整工具面的角度较大（＞90度），调整后应活动钻具2～3次（停泵状态），以便钻杆扭矩迅速传递。

2．地面记录陀螺（SRO）定向

在有磁干扰环境的条件下（如套管开窗侧钻井）的定向造斜，需采用SRO定向。这种仪器可将井下数据通过电缆传至地面处理系统，并显示或用计算机打印出来，直至工具面调整到预定位置，再起出仪器，施工过程如下：

（l）选择参照物，参照物应选择易于观察的固定目标，距井40米左右；

（2）预热陀螺不少于15分钟，工作正常才可下井；

（3）瞄准参照物，并调整陀螺初始读数；

（4）接探管，连接陀螺外筒，再瞄准参照物，对探管和计算机初始化；

（5）下井测量，按规定作漂移检查；

（6）起出仪器坐在井口，再次瞄准参照物记录陀螺读数；

（7）校正陀螺漂移，确定测量的精度；

（8）定向钻进。

3．有线随钻测斜仪（SST）定向

造斜钻具下到井底后，开泵循环半小时左右，然后接旁通头或循环接头。把测斜仪的井下仪器总成下入钻杆内，使定向鞋的缺口坐在定向键上。定向造斜时，可从地面仪表直接读出实钻井眼的井斜、方位和工具面，司钻和定向井工程师要始终跟踪预定的工具面方向，保持井眼轨迹按预定方向钻进。

4．随钻测量仪（MWD）定向

MWD井下仪器总成安装在下部钻具组合的非磁钻铤内，其下井前要调整好工作模式和传输速度，并准确地测量偏移值，输入计算机。仪器在井下所测的井眼参数通过钻井液脉冲传至地面，信息经地面处理后，可迅速传到钻台。MWD不仅可用于定向造斜，也可用于旋转钻进中的连续测量，是一种先进的测量仪器。

5．定向造斜中的注意事项：

（1）如果定向作业前的裸眼段较长，应短起下钻一趟，保证井眼畅通。

（2）井下马达下井前应在井口试运转，测量轴承间隙；记录各种参数，工作正常方可下井；

（3）MWD等仪器下井前，必须输入磁场强度、磁倾角等参数；

（4）定向造斜钻进，要按规定加压，均匀送钻，以保持恒定的工具面。

（5）造斜钻进或起下钻，用旋扣钳或动力水龙头上卸扣，不得用转盘上卸扣；

（6）起钻前方位角必须在20～30米井段内保持稳定，且保证预定的提前角。目前，“一次造斜

到位法”也经常在我国海洋定向井中使用，这种方法适用于造斜点较浅，且机械钻速很快的造斜井段，常常配合使用随钻测量仪。

（7）井下马达出井时，按规定程序进行清洗、保养。

❹ 固井时设计水泥浆密度是根据什么计算出来的

主要还是地层压力，必须压稳地层，也不能压漏地层。要考虑前置液的影响，也要考虑候凝过程的失重，一般易漏层以上密度低，油气层密度高。中间过度。

❺ 煤层气多分支水平井的井型和设计优化

（一）多分支水平井命名规则

井名分4种：工程井、生产井、主水平井、分支水平井。

井名的命名一般采用如下规则，井名由区块、工程井、翼数、生产井组成。

如DS01-1V，DS 表示“端氏”区块名称，以汉语拼音首个字母缩写；01 表示第一个工程井，-1表示第一个翼，-1V表示该翼的生产井，-L1表示第一个分支水平井。

生产井用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为分支数目。如图9-48。

图9-48 多分支水平井井名的命名规则

代号及其意义：

多分支水平井由工程井和生产井组成一翼，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。生产井为直井，在煤层段造洞穴，并与水平段连通。如图9-49。

图9-49 单翼多分支水平井生产井和工程井组合图

为了提高井场利用效率，在一个井场可以设计一翼到四翼多分支水平井，使分支水平井网络布满煤层的抽排面积。

（二）井型分类

本项目共实施6口多分支水平井，对多种井型进行了试验，大致可以分为五种类型。

1.按工程井和生产井组合分类

按工程井和生产井组合情况，分为工程井和生产井分离的多分支水平井、工程井和生产井合一的多分支水平井。前者如DS01-1，DS02-1，SX01-1，图9-50 ；后者如PHH-001，PHH-002，图9-51。

2.按主支数量分类

按主支数量，本次可以分为单主支多分支水平井和双主支多分支水平井，前者如PHH-001、PHH-002，DS02-1，SX01-1，PZP01-1，PZP02-2，PZP03-1，图9-52；后者DS01-1，PZP01-2，PZP02-1，PZP03-2，如图9-50。

3.按完井类型分类

按完井类型，本次进行末端对接试验，采用单支水平井，分工程井和生产井，因此称为末端对接水平井。如DS20-1，GSS-008-L1，BD4-L1—L4，图9-53。

图9-50 工程井和生产井分离的多分支水平井

图9-51 工程井和生产井合一的多分支水平井

图9-52 单主支多分支水平井

图9-53 末端对接水平井

这些类型不同的多分支水平井，针对不同的地形、地质条件和煤层特征进行设计和部署，以最低的工程成本，获得最好的生产效益。

单翼双主支多分支水平井，如DS01-1井，优点在于施工方便，主井眼不易损坏，有利于井壁保持稳定，避免由于工程施工中频繁活动而导致井壁坍塌，堵塞井眼。同时有利于增加分支井数，增大排泄面积。

工程井和生产井合而为一，如PHH-001、PHH-002井，优点是节省工程量，降低成本，减少技术难度，不用进行两井连通的高难度高技术施工程序。缺点是，井下泵无法下到近煤层的低位位置，距煤层距离一般还有20m左右，泵只能下到弯曲区段，因此，抽油机杆易被磨损。

单翼双主支多分支水平井和工程井和生产井合而为一的多分支水平井的设计，是一种创造性的设计，在本项目得到第一次应用和试验，是一次具有创造性的实践，具有非常重要的意义，推广价值巨大。

（三）井型设计和优化

水平井井型设计和优化对钻井的成功具有重要意义。DS01-1等利用LANDMARK设计软件优化多分支水平井施工设计。PHH-002等井轨迹采用蓝德马克的compass钻井轨迹设计软件包完成，钻井轨迹采用双增剖面双控制点，第一剖面采用曲率半径较大、造斜率较低，第二剖面采用曲率半径较小、造斜率较高，既降低了施工难度，又保证了轨迹控制，确保了在15号煤层的顺利着陆。

以DS01-1井为例。

一开，采用直径311.15mm三牙轮钻头第一次开钻。钻至井深71.00m。下表层套管，外径244.5mm，下深：70.16m。固井，水泥浆返出地面。

二开，采用直径215.9mm三牙轮钻头，第二次开钻，钻至井深300.00m起钻准备定向。钻进至井深502.00m二开完钻。下套管，外径177.8mm，下深：500.33m。固井，候凝、安装项驱，钻套管附件及水泥塞(至井深502.00m)。

三开，采用直径152.4mm进行水平定向钻进，在607.00m与生产井连通，至井深1350.00m，完成主水平井，之后分别完成其他各个分支水平井。水平段总进尺5506.00m，累计3号煤层总进尺4920.30m。

❻ 有谁知道固井设计水泥浆密度的计算方法谢谢！

主要还是地层压力，必须压稳地层，也不能压漏地层。要考虑前置液的影版响，也要考虑候凝过权程的失重，一般易漏层以上密度低，油气层密度高。中间过度。
水泥密度3.1,水密度1,水泥浆体积=水+水泥,水泥浆重量=水+水泥重量.水灰比=水重量/水泥重量.水泥浆密度=水泥浆重量/水泥浆体积