文档介绍：第二章定向井、丛式井、水平井设计与计算分析

第一节定向井、水平井二维轨道设计
一口定向井的实施,首先要有一个轨道设计,才能以此设计为依据进行具体的定向井钻井施工。对于不同的勘探、开发目的和不同的设计限制条件,定向井的设计方法有多种多样。而每种设计方法,都有一定的设计原则。
定向井设计是一个非常重要的环节。“好的设计是成功的一半”。因此,合理地设计好井身轨道,是定向井成功的保证。
一、设计原则:
一口定向井的总设计原则,应该是能保证实现钻井目的,满足采油工艺及修井作业的要求,有利于安全、优质、快速钻井。在对各个设计参数的选择上,在自身合理的前提下,还要考虑相互的制约。要综合地进行考虑。
(一)选择合适的井眼形状
复杂的井眼形状,势必带来施工难度的增加,因此井眼形状的选择,力求越简单越好。
从钻具受力的角度来看:目前普遍认为,降斜井段会增加井眼的摩阻,引起更多的复杂情况。如图所示(2-1-1),增斜井段的钻具轴向拉力的径向的分力,与重力在轴向的分力方向相反,有助于减小钻具与井壁的摩擦阻力。而降斜井段的钻具轴向分力,与重力在轴向的分力方向相同,会增加钻具与井壁的摩擦阻力。因此,应尽可能不采用降斜井段的轨道设计。

图2-1-1
(二)选择合适的井眼曲率
井眼曲率的选择,要考虑工具造斜能力的限制和钻具刚性的限制,结合地层的影响,留出充分的余地,保证设计轨道能够实现。
在能满足设计和施工要求的前提下,应尽可能选择比较低的造斜率。这样,钻具、仪器和套管都容易通过。当然,此处所说的选择低造斜率,没有与增斜井段的长度联系在一起进行考虑。
另外,造斜率过低,会增加造斜段的工作量。因此,要综合考虑。
常用的造斜率范围是4°-10°/100米
(三)选择合适的造斜井段长度
造斜井段长度的选择,影响着整个工程的工期进度,也影响着动力钻具的有效使用。
若造斜井段过长,一方面由于动力钻具的机械钻速偏低,使施工周期加长,另一方面由于长井段使用动力钻具,必然造成钻井成本的上升。所以,过长的造斜井段是不可取的。
若造斜井段过短,则可能要求很高的造斜率,一方面造斜工具的能力限制,不易实现,另一方面过高的造斜率给井下安全带来了不利因素。所以,过短的造斜井段也是不可取的。
因此,应结合钻头、动力马达的使用寿命限制,选择出合适的造斜段长,一方面能达到要求的井斜角,另一方面能充分利用单只钻头和动力马达的有效寿命。
(四)选择合适的造斜点
造斜点的选择,应充分考虑地层稳定性、可钻的限制。尽可能把造斜点选择在比较稳定、均匀的硬地层,避开软硬夹层、岩石破碎带、漏失地层、流沙层、易膨胀或易坍塌的地段,以免出现井下复杂情况,影响定向施工。
造斜点的深度应根据设计井的垂深、水平位移和选用的轨道类型来决定。并要考虑满足采油工艺的需求。
应充分考虑井身结构的要求,以及设计垂深和位移的限制,选择合理的造斜点位置。
(五)选择合适的稳斜段井斜角和入靶井斜角
井斜角的大小,直接影响了轨迹的控制。
井斜角太小时,方位不好控制。而井斜角太大时,施工难度却又增加。因此,稳斜段井斜角和入靶井斜角的选择,应充分满足轨迹控制的需要。另外,它对方位控制、电测、钻速都有明显的影响。
一般来讲,井斜角的大小与轨迹控制的难度有下面的关系:
井斜角小于15°时,方位难以控制;
井斜角在15°--40°时,既能有效地调整井斜角和方位,也能顺利地钻井、固井和电测。是较理想的井斜角控制范围;
井斜角在40°--50°时,钻进速度慢,方位调整困难;
井斜角大于60°,电测、完井作业施工的难度很大,易发生井壁垮塌。
二、设计方法
定向井的设计方法分为常规设计方法和特殊井的设计方法。
常规设计方法指的是在两维平面内作的轨道设计,即设计的井眼轴线只在某个给定的铅垂面内变化,也就是说,只有井斜角的变化,没有方位角的变化。
把常规设计之外的所有设计方法都叫做特殊设计方法。
常用两维轨道设计方法
目前常用的两维定向井轨道设计,采用的是恒定造斜率的设计,设计轨道由铅垂面内的圆弧和直线组成。对于这种恒定造斜率的设计,通常有下列三种设计方法。
查图法
这是国外以前常用的设计方法之一。使用这种方法设计定向井轨道,需要事先将每种造斜率钻达不同最大井斜角的数据作在同一张图上。这样,各种不同的造斜率下作出的图形,就可得到一套图表。在进行轨道设计时,根据设计造斜率的不同选择一套适用的图表。在该图上,就可查出未知的设计数据。
下面就是2°/ 30米标准造斜率曲线图。
图2-1-2 查图法图表
几何作图法
这种设计方法是根据已知的设计条件,应用平面几何作图的原理,用圆规和直尺,按比例画出符合设计要求的设计轨道的图形。然后用比例尺和量角规