定向钻进技术及其应用1

定向钻进技术及其应用

中国地质科学院勘探技术研究所 向军文

一、 定向钻进定义

定向钻进： 1、 利用钻孔自然弯曲规律； 2、 人工造斜工具使钻孔按设计要求钻进到预定目标的一种钻探方法。 二、定向钻进技术的应用范围 1、勘探孔纠偏 2、石油天然气领域

1）、海洋钻井平台钻从式定向井 2）、因受地表陡山、滨海、森林、建筑物及农田等实施定向井

3）、侧钻绕过事故井 4）、处理井喷或失火定向井

5）、在油气层中钻定向长水平井提高开采量 3、其它应用领域

• 地热井：钻多孔底定向井多次穿过含水层或沿含水层长水平定向钻进，提高出水量；

• 开发地壳深部“干热岩”：实施两井定向连通后，一井注冷水，一井可产出高温蒸气发电； • 矿山工程中的铅直孔：精确定向； • 煤层气定向连通开采； • 煤炭地下气化定向施工；

1、井斜超范围

2、井内有落物 3、钻具断脱 4、避开障碍层

• 硫的热溶开采和铀、铜的钻孔溶浸开采，以及铁、磷、石英砂矿等的钻孔水力开采； • 环保领域等。 4、示范示例

水平段分枝采矿

工程救险孔

可溶性矿产开采对接井工程

煤层气及瓦斯排放孔

三、定向钻进分类

• 施工方法:自然弯曲；人工弯曲

• 空间形态：直线型、平面弯曲型、空间弯曲型 • 孔底结构：单底、多底、一基多孔

• 按井身结构分类 长半径：R>215m 中半径：86m

四、实施定向钻进的基本方法 • 偏心楔造斜工具 • 无楔机械式连续造斜工具 • 液动螺杆钻 • 涡轮钻具

1）、偏心楔造斜工具

• 偏心楔定向钻进时,一次下楔的最大全弯曲角受楔顶角限制; • 偏斜孔段有急弯——“狗腿”； • 难以实现同径造斜；

• 一次造斜钻进耗时多，造斜和钻进效率低； • 且造好后的后续钻进困难大。 2）、无楔机械式连续造斜工具 2.1无楔机械式连续造斜工具优点 • 可实现同径造斜; • 造斜平稳,无大“狗腿”； • 造斜强度在一定范围内可调； • 造斜全弯曲角可达到较大值； • 造斜效率高； • 造斜钻进配套器具少。 2.2无楔机械式连续造斜工具工作原理

• 加压时，传压弹簧被压缩，主动轴下行，离合机构使主动轴与定子外壳分离（同时复位弹簧被压缩）。这时，开动钻机回转，由于造斜器定子已卡固，转子就可分动，

扭矩传给钻头。

随着孔深加深，造斜器定子也随滚轮滑行

• 停止回转及加压，复位弹簧通过上下半楔将滑块收回，定转子连接，提离孔底。

2.3无楔机械式连续造斜工具性能

3）、螺杆钻定向钻进技术 3.1 螺杆定向钻进的优点

• 钻杆可以不转动——这样可以减少钻杆的疲劳和磨损，从而减少钻杆折断事故；

• 钻杆不转动——既降低了钻杆与套管或井壁的磨损，也防止因钻杆旋转摩擦井壁而造成井径扩大、坍塌掉块及卡钻等井内事故； • 与高精度定向仪器配合，可精确控制钻孔轨迹，可实现随钻定向或遥控钻进；

• 对地层适应广——

既可用于硬、坚硬的完整地层，又可用于破碎

地层、第四系地层、松软及中硬、软硬不均地层造斜； • 可以适应中、长、短轴率半径的定向孔或各种特种工程。 3.2 螺杆钻具定向示意图

3.2 螺杆钻定向钻进技术

• 国外研究起始于50年代中期，60年代研制成功，70年代开始生产应用；国内74年开始研究，80年代初研制成功及生产。 3.3 螺杆钻具工作原理

• 螺杆钻具为一种正排量容积式液压马达；

• 转子与定子通常处于接触状态，并形成由若干连续的密封线所划分的若干个封闭腔；

• 泥浆泵泵出的钻井液流经旁通阀进入马达，在马达的进、出口形成一定的压力差，推动马达的转子旋转，并将扭矩和转速通过万向轴和传动轴传递给钻头。

3.4 螺杆钻具选型

3.5 螺杆钻具结构

• 螺杆钻具主要由旁通阀、马达、万向轴和传动轴等四个部分组成 （1）、旁通阀（或称溢流阀）

有两个位臵，旁通位和关闭位。在起下钻作业过程中它处于旁通位。阀体侧面的旁通孔将环空和钻柱内孔沟通，使起下钻时泥浆不溢于井台上。当泥浆流过阀心孔时，孔的两端产生压力差，压力差所产生的推力达到克服弹簧力和

静摩擦力时，阀心被

压下，旁通孔关闭。此时泥浆流经马达，把压力能转换为机械能。泥浆泵停泵或流量值过小，所产生的压力差

关闭位

旁通位

不足以克服弹簧力和静摩擦力时，弹簧把阀心顶起，旁通阀又处于开位 。

（2）、螺杆马达

• 泥浆泵泵出的钻井液流经旁通阀进入马达，在马达的进、出口形

成一定的压力差，推动马达的转子旋转，并将扭矩和转速通过万

向轴和传动轴传递给钻头。 （3）、万向轴

上接转子、下连传动轴导流水帽，它的作用是把转子的行星运动转化为传动轴的定轴转动，将马达的扭矩及转速传给传动轴以至钻头。万向轴上有两个活节。 （4）、传动轴

负责将马达的扭矩和转速传给钻头，同时要能承受钻进时所产生的轴向力和径向力。上下轴承是推力球轴承，径向轴承为硬质合金轴承。 3.6 螺杆钻具操作要点

（1）、下钻前必须检查钻具转动是否灵活，以自由钳轻松转动为佳；检查旁通阀工作是否可靠；检查马达定子以下的所有外管丝扣是否均涂上环氧树脂。 （2）检查地面压力管汇，耐震压力表是否工作可靠。如果条件允许，应在地面进行螺杆钻具的运转试验：将螺杆钻具组装完毕，按照孔底要求，将所有管汇连接好，螺杆钻具用器具夹紧，平放，启动泥浆泵，

观察旁通阀关启是否灵活，工作是否可靠；观察马达启动和运转情况，

其中主要是钻头回转的转速和液体流量的大小；观察地面压力表的变

化，在刚启动和正常转动之后压力有何变化，并记录下地面空载启动的压力值大小。

（3）、钻具组装好并检查无误后即可下钻，下钻过程中钻杆的每个丝扣均要上紧且密封好，减少钻井液的漏失。下钻要求平稳，严禁顿放，严禁井中落物。

（4）、螺杆钻具在工作时，操作人员要时刻掌握泥浆泵泵压表指针和所施加钻压的情况。泥浆泵压力表指针的变化反应螺杆钻具在孔底的工作状态。当螺杆钻具正常工作时，泵压稳定，指针波动范围小；如果泵压突然升高，有可能是螺杆钻具遇到较大阻力或钻头制动不回转，应立即停泵，并将钻具提离井底，再开泵，如果泵压仍直线升高，说明螺杆钻具内部结构出现故障，应提钻检修。如果钻头离开孔底后，开泵正常，说明泵压升高是由于钻头阻力过大造成的，待空载泵压正常后，即可继续钻进，但要密切注意压力表的变化，并适当减压。如果在钻进过程中，出现泵压突然降低，钻压增加仍然没有反应，则有可能出现钻杆脱扣或螺杆钻传动部分出现故障，此时应立即提钻检查原因。 （5）、螺杆钻在工作中产生反扭矩，反扭矩由螺杆钻具传给钻杆柱。为了保证螺杆钻具能正常钻进，需要装臵一个反扭矩装臵。

（6）、在螺杆钻下井后正常钻进过程中要注意泥浆的含砂量和润滑性能，充分利用除砂设备和泥浆槽的沉淀作用，尽可能使泥浆洁净，其含砂量应低于0.5‰，颗粒直径应小于0.3mm 。 3.7 螺杆钻具工作情况分析

3.8 螺杆钻具的不同造斜特性

螺杆钻具造斜主要靠螺杆钻具上的弯接头或弯外管，根据不同厂家的钻具结构及井身结构，钻具有不同的造斜率。

不同弯接头造斜率表(°/m)

不同弯外管造斜率表(°/m)

3.9螺杆钻具主要内容

• 根据螺杆钻具不同规格及性能要求，采用合适的泵量——使马达达到一定的转速；保持一定的泵压——使马达达到一定的扭矩。 • 根据井身结构选择合适的螺杆钻具规格及弯头类型。

五、无磁钻杆的选择

地球磁场是一个矢量场，由于地磁场的作用，钻井过程中，钻具被磁化，对磁性罗盘产生磁干扰。并且地球纬度的不同，产生的地磁场强度也不同，罗盘受干扰的强

弱就不同。另外，井眼倾斜角、井眼方位角也与磁源干扰有关。如果不采取相应有效措施，会直接影响仪器的测量精度。

为了将磁力影响降到最低程度，应对无磁钻铤的长度有一定的要求，并使用无磁加长杆来调整罗盘在无磁钻挺中的位臵，使罗盘最有效地远离上部钻杆和下部钻头的磁力干扰。

下图是国际磁场强度图：从图中可以看出：全球根据磁场强度不同，分了三个区域，我国大部分地区处在1区范围。

根据地磁场强度分区，利用井眼的倾斜角和方位角的关系曲线图，可以确定无磁钻铤的长度和罗盘所处的最佳位臵。

地磁场强度为一区，可根据图区

1图估算出无磁钻铤长度和磁罗盘的最佳位臵。地磁场强度为二区，可根据区2图估算出无磁钻铤长度和磁罗盘的最佳位臵。

地磁场强度为三区，可根据区3图估算出无磁钻铤长度和磁罗盘的最佳位臵。

六、定向仪器

二十世纪末，受成本控制和国内市场供应影响，用于定向对接井的仪器大多为国产有线随钻测斜仪和单多点测斜仪。但也有使用国外进口测井仪器的。进入二十一世纪，世界能源出现紧张局面，石油

行业发展极快，促进了石油钻井测量/测井技术的发展。

6.1国内定向仪器现状

国内厂商主要以航天系统为基础在二十世纪九十年代相继开发了有缆测井仪器，如北京普利门机电高新技术公司开发的DST有线随钻测斜仪、北京海蓝科技开发有限责任公司开发的YST有线随钻测斜仪等。进入二十一世纪中期，有线随钻仪得到迅猛发展，有十余家产品可供选用，但各家产品技术水平参差不齐。2005年后至今，已有厂家成功研制出无线随钻系统，目前已基本达到应用阶段。

6.2国内主要定向仪器性能

6.3 国外主要定向仪器性能

七、造斜钻头

• 具有中心锥形线——唇面近似来面，使钻头便于偏斜 • 钻头的外侧刃短——外侧刃不仅要保径，还要造斜 • 因岩心有导向作用，造斜钻头不取心 • 造斜钻头要避开中心死点

• 因不取心，岩屑多，钻头底部过水断面要大，水眼和水槽要宽且深，有利于排屑和冷却钻头

• 根据不同类型地层——合金、金刚石、牙轮 八、定向井的设计

目前定向井的设计主要采用直——弯——水平二维井身结构设计。

九、造斜率选择

• 大——钻具弯曲严重，易产生键槽，管材下入困难，泥浆要求高；但可快速由直变水平。

• 小——造斜工作量大，水平位移大。

一般连续造斜钻进，造斜率选0.35 -0.45°/m ; 后续需要回转钻进，造斜率选0.25-0.35 °/m 。 十、定向钻进工艺参数确定

• 仪器工具面角：仪器角差+反扭转角+造斜安装角+钻具装合差 • 10.1 仪器工具角的确定

以仪器的驴腿开口朝上，测斜定向仪器所显示的工具角为测斜仪器的角差。处理方式：

（1）、后面计算工具角时，直接将此值参与计算；

（2）、利用仪器设臵，将此时定为仪器的零点值。

10.2 反扭转角的确定

• 根据不同螺杆钻具的工作性能及井底工作情况。 • 一般取反扭角15-45度。 10.3 螺杆钻具装合差

• 自钻头向上看：以螺杆钻具弯外管（或弯接头）母线为中线，定向接头母线在左手边，则螺杆钻具装合差为正值；如在右手边，则钻具装合差为负值。

• 装合差值=360*L/（3.14*定向接头直径）

10.4 定向安装角计算

式中：γ-全弯曲角，R=57.3/γ;R-造斜半径

θ1-初始顶角；θ

2-下点顶角；Δα-方位增量，β-计算安装角 10.5定向安装角几何作图法

计算安装角与顶角、方位角关系

10.6 定向钻进轨迹计算

计算方法很多，现场施工主要采用平均角法：

• X=ΔL·SIN（（θ1+θ2）/2）·COS（（α1+α2）/2） • Y= ΔL·SIN（（θ1+θ2）/2）·SIN（（α1+α2）/2） • Z= ΔL·COS（（θ1+θ2）/2） 十一、定向钻进工艺技术 11.1 下钻前准备技术措施

• ⑴认真检查弯壳体的度数和定向键的方向是否与弯曲方向一致，并计算钻具的装合差。

• ⑵详细检查所下钻具并符合设计要求。

• ⑶根据动力钻具的转速、钻遇地层和井深选择合适的钻头，防止因钻头选型不合适引起钻头事故。

• ⑷安装钻头时，应采用钻头装卸器，避免人为损坏钻头切削齿。 • ⑸动力钻具必须在井口接方钻杆试动转，运转正常后方可下入井内。

• ⑹定向井的井下转矩及摩阻大，要尽量简化下部钻具组合，采用加重钻杆代替钻铤加压，减少钻具粘卡的机率。

11.2 起、下钻操作注意事项

• ⑴钻具要双钳紧扣并控制下放速度。

• ⑵下动力钻具如遇阻，不得用动力钻具划眼，不能开泵硬压，可转动几个方向试下，否则起钻通井。

• ⑶定向前的直井段钻完后，必须充分循环并调整好钻井液性能后，方可起钻下入定向造斜钻具。

• ⑷定向造斜后，应以开泵冲及循环为主，尽量不用转盘划眼。 • ⑸在裸眼井段要控制起、下钻速度，防止在曲率较大井段拉出键槽而导致键槽卡钻。

• ⑹起钻遇阻时，上提下放活动钻具逐渐脱离遇卡井段，不可硬提。 11.3 钻进技术措施

• ⑴启动螺杆钻具时，如果钻具处于井底，必须提起0.3～0.6m，开泵时记下压力表读数，并与计算的压力值进行比较，如果略有超也属正常，这是钻头侧钻引起的。

• ⑵钻进时严格按要求加压，使用螺杆钻具钻进时，钻进参数要和设计推荐值基本一致。螺杆钻具下入井底逐步加压，马达扭矩增加，泵压升高，这个升高的压力值应符合所使用型号螺杆钻具规定的马达压降值，此压力表增大的数值反映了马达的负载是否正常，也反映钻压加的是否合适，因此保持钻压基本稳定，把泵压限制在所用钻具推荐范围内。

• ⑶钻进过程中，如果循环压力明显低于计算值，可能是旁通阀处于开位或钻杆损坏、井漏等造成的。如果循环压力高于计算值，而且侧钻造成压力升高的因素已排除，循环压力仍高于计算值，则可能是钻头水眼堵或传动轴被卡死，此时循环压力要比计算压力高得多，如地表无法排除故障时，要立即起钻。

• ⑷接单根时不得用转盘卸扣，不得任意转动转盘，必须用双钳紧扣。

• ⑸定向井钻具组合和钻进参数要以设计为准。如需变动，必须由现场技术负责人员提出书面的技术措施申请，经批准后执行。 • ⑹定向钻进中，因各种原因停钻时，为防止卡钻，应以大幅度上下活动钻具为主，严禁用转盘循环，造成台阶。及时活动钻具，接单根要迅速，防止钻具粘卡。

11.4 定向操作与定向控制技术措施

• ⑴定向仪器座键后，不要回摇绞车，防止仪器出键。

• ⑵定向转动钻具时，钻头应离开井底一定距离（3～10m），防止井底沉砂或缩径致使转动钻具时地面与井下不同步而造成人为误差。

• ⑶定向转动钻具角度大时，要分段转动，每转动一段都要上下大幅度活动钻具，使储存在下部钻柱上的弹性扭转变形能释放。 • ⑷启动井下螺杆钻具钻进时，要注意因补心晃动而使方钻杆多倒转的角度并及时修正。

• ⑸随钻定向过程中应及时测量井斜角和方位角，并根据数据处理及时作出水平投影图和垂直剖面图，以掌握轨迹，制定下一步措施。

• ⑹钻水平段时，应严密监测井眼轨迹变化，保证不出靶区。 • ⑺定向造斜后，尽量缩短停留时间，做到连续施工，以免下钻遇阻划眼。

• ⑻定向井进行单点测斜时，注意活动钻具防卡，钻具静止时间间隔不超过3min。

• ⑼定向井进行单点测斜时，控制测斜仪的起下速度，同时要注意钢丝的记号。

• ⑽定向井在井斜超过45°的大斜度井段测斜定向时，仪器在钻具内下行困难，可利用泵送的方式将仪器推送到位。

• ⑾定向井在井斜与方位角变化大的井段易产生键槽，在施工过程中要严格控制井眼的全角变化率在要求范围内。

• ⑿定向井产生键槽后，要及时采取措施破坏键槽。

• ⒀在更换钻具下钻时，防出新眼是重中之重，在定向钻进后，必须对定向段进行认真扩划眼，扩眼时钻压不超过20kN；每次下钻至上一只钻头所钻进的井段，要减慢下放速度，有遇阻显示立即扩划眼。在扩划眼过程中，应注意活动钻具，防止粘卡事故发生。 • ⒁定向钻进井段每3m左右要扩划眼一次，每50～60m要短起下一次，特别在井斜45°～65°井段，必须多起下几次，及时活动钻具，防止岩屑沉积卡钻。采用短起下钻和分段循环钻井液的方法清除岩屑床。接单根前必须认真划眼，停泵无阻卡后方可接单根。并做到早开泵、晚停泵，减少岩屑下沉遇阻、遇卡不能硬压硬拔，应采取开泵循环，活动钻具冲通。

• ⒂定向井如增斜或稳斜井段井下情况复杂要划眼，必须使用钻该井段的原始钻具组合进行通井或划眼。

• ⒃每只定向钻头起钻后，要进行扩眼和对定向点进行修整。 • ⒄斜井段进行设备检修时，不要长时将钻具停在一处循环，以免井眼出现台阶。

• ⒅在定向造斜钻进过程中，如果出现泵压突然异常现象，包括泵压突然升高或降低，应立即停泵，在技术人员未到场分析查找问题以前，不得上提活动钻具。

• ⒆造斜过程中钻具总长校正误差不超过1‰。

11.5 钻井液性能要求

• ⑴确保泥浆性能良好，具有较强的携带能力和悬浮能力，钻进过程中注意观察岩屑返出的性况，如有异常，及时调整钻井液携岩粉能力和排量。

• ⑵定向井钻井液的含砂量要求全井控制在0.5%以下。定向井要严格控制钻井液的失水量和泥皮厚度：滤失量小于5ml/30min，泥皮厚度不大于0.5mm。

• ⑶针对容易吸钻的泥岩地层，进入造斜段之后，泥浆中的原油混入一不能低于10%。

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