定向井轨迹控制技术

[摘 要]本文就我国定向井钻井技术的发展进行了分析探讨，并重点对定向井轨道控制技术和定向井轨道控制的影响因素进行了介绍，对促进定向井钻井技术的发展具有一定的参考作用。

[关键词]定向井 ；钻具组合 ；地质因素 ；轨迹控制； 螺杆 ；轨迹调整

中图分类号：TE243.9 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）14-0105-01

1 前言

定向钻井就是使井身沿着预先设计的井斜和方位钻达目的层的钻井方法。定向钻井技术是当今世界石油勘探开发领域最先进的钻井技术之一，它是由特殊井下工具、测量仪器和工艺技术有效控制井眼轨迹，使钻头沿着特定方向钻达地下预定目标的钻井工艺技术，目前在油田开发中广泛使用。采用定向钻井技术可以使地面和地下条件受到限制的油气资源得到经济、有效的开发，能够大幅度提高油气产量和降低钻井成本，有利于保护自然环境，具有显著的经济效益和社会效益。

2 井底钻具组合的选择和调整

2.1.1 井底钻具组合的类型

根据井底钻具组合的设计目的或作用效果的不同，可分为以下三类：即增斜、降斜和稳斜。而增斜钻具又可分为马达增斜（或造斜）和转盘增斜。所以，实际上常规定向井的最基本钻具组合有四个，即马达造斜钻具、转盘增斜、转盘降斜和稳斜。

下面是12-1/4”井眼中，四套基本钻具组合：

① 造斜，12-1/4”Bit+9-1/2”马达+1.5°弯接头+8”NM・DC（1）+5”HWDP（14）预计 BOR=3°/30m

② 转盘增斜12-1/4”Bit+12-1/4”STB+8”NMDC（1）+8”DC（2）+12-1/4”STB

+8”DC（1）+12-1/4”STB+8”DC（5）+5”HWDP（20）

预计 BOR=2～4°/30m

③ 降斜，12-1/4”Bit+8”NMDC（1）+12-1/4”STB+8”DC（1）+12-1/4”STB+8”DC（5）+5”HWDP（20）

预计BOR=-（2～3）°/30m

④ 稳斜，12-1/4”Bit+12-1/4”STB+8”S・DC（2）+12-1/4”STB+8”DC（1）+12-1/4”STB+8”DC（5）+5”HWDP（20）

在上述组合中，如需要可加一些配合接头，扰性接头、震击器、键槽破坏器等。

前面已说过，从钻具组合的效果上看，可分为四种基本类型。但是实际井眼轨迹控制时，对钻具组合性能的要求远非如此简单。它还要求钻具组合产生的效果，在幅度上能够控制，这就是所谓的微增、微降钻具组合，这也是较难掌握的一点。比如说，BOR=±0.3°/30m的增斜率或降斜率。

拿某一套稳斜钻具（如上述④号）来说，通过调整钻铤、短钻铤的根数和位置、扶正器的位置和尺寸、或者调整钻进参数，④号钻具能变成具有任何性能的钻具，即增斜、稳斜、降斜、微增、微降。

下面是两套微增、微降钻具组合。

⑤ 微降，12-1/4”Bit+S・DC（1）（3m）+12-1/4”STB+8”DC（1）+12-1/4”STB+8”DC（5）+5”HWDP（20）

通过钻压和转速的调整，降斜率范围可达：0.3～0.6°/30m。

⑥ 微增，12-1/4”Bit+12-1/4”STB+8”DC（1）（9m）+12-1/4”STB+8”DC（1）12-1/4”STB+8”DC（5）

通过钻压的调整，增斜范围可达：0.3～0.8°/30m。

另外，通过调整扶正器尺寸，也可得到多种微增、微降钻具组合。

2.1.2 调整钻具组合的原则与方式

如果钻头不是按照预定的井眼轨迹前进，就需要在适当的时候，起钻调整钻具组合。调整钻具的原因有三个：一是井斜不合适；二是方位不合适；三是井斜、方位都不合适。

① 钻具组合调整一般在稳斜段进行，调整钻具组合时应考虑如下几点：

A：确认调整后的钻具入井后，具有预料的性能；

B：一般情况下，采用微调的形式，以避免大幅度增斜/降斜导致稳斜段狗腿太大；

C：尽量争取调整后的钻具能钻较长的井段，以避免反复起下钻调整钻具。一是保证快速钻进，二是避免波浪形井眼轨迹；

D：如果要进行调方位作业（纠方位），应考虑使用较小度数的弯接头，避免大狗腿；如果裸眼井段太长，还应考虑马达纠斜时的安全性，考虑是否可以在下完套管后进行纠方位或者提前在较浅井段进行。总之，调整钻具组合要准确、及时并且全面考虑井身质量和整个钻井作业。

② 从调整钻具的目的看，调整钻具组合的方式有两种：一是调方位，这需要下动力钻具或组装方位变向器；二是调整井斜。

用井下马达调方位即下入造斜钻具组合（弯接头+井下马达）。所谓变向器调方位，是在转盘钻组合中，加方位变向器，通过方位变向器的作用在钻头处产生一个横向侧向力，钻头横向漂移，从而达到增减方位的目的。

井斜的调整则较简单。通过对转盘钻具的钻铤根数和位置、扶正器的位置与尺寸的调整来改变钻具的性能，达到轨迹控制目的。

3 地层因素对井眼轨迹的影响

目前，对地层力的定量分析，还很不理想。对地层因素对井眼轨迹影响的认识，还只是定性阶段或半定量阶段。由于地下情况异常复杂，地层力的分析目前暂局限于具有一定规律性的地层，其目的在于确定出地层反作用在钻头上的侧向力。在定量分析中至少应考虑以下一些影响因素：

① 地层倾角；

② 地层各向异性；

③ 井眼方位与地层上倾方位之间的夹角；

④ 钻压；

⑤ 井斜角。

此外，转速、钻头类型等也对地层力发生影响。

结合地层力分析和钻具三维力学分析，通过侧向切削模型和轴向钻速模型，确定三维分位移，从而预测井眼轨迹。这是理论上轨迹预测的总体思路。勘探院的苏义脑博士在这方面做了一些研究，但预测结果只是动力钻具造斜部分。而最关键的转盘钻具组合的轨迹预测以及如何利用和控制地层因素影响等方面的工作还有待下一步进行。下面就地层因素的几个方面说明它们对井眼轨迹的影响。

① 通过软、硬交错的地层，通常钻头倾向于垂直地层层面钻进；

② 如果层状地层倾角大于45°，通常钻头倾向与地层层面钻进；

③ 如果预计钻进方向同于地层上倾方向，方位将按钻头自然漂移趋势漂移，而井斜将增加很快；如果预计钻进方向在地层上倾方向的左边，钻头将向右漂移；如果预计钻进方向在地层上倾方向的右边，钻头将向左漂移。

④ 一般来说，上部地层倾角不大，比较疏松，方位漂移不大；而下部地层有一定倾角，且结构致密，方位漂移较大。钻头钻遇砾石层，方位漂移较严重。

总而言之，对地层因素对钻头漂移的影响的认识，还很不充分。一般来说，对某一地区地层自然漂移影响的认识有一个摸索的过程，只有多实践、勤思考、善总结，才能做到较好地利用地层因素为轨迹控制服务。

4、总结

随着全球油气资源的可持续利用问题的日益突出，定向井技术发展和创新已迫在眉睫，我们应该依靠现有的条件，充分利用其它学科先进的技术，改善目前的钻具，合理的使用地质导向技术，加快新技术如自动化、智能化技术的应用水平与程度，为定向井技术的发展开拓更为广阔的空间。

参考文献

[1]王岳.石油钻井技术智能化发展研究[J].知识经济，2011（08）.

[2]岳小骐. 定向井轨道设计与控制技术研究[J].技术研究，2006（12）.