定向井工程知识讲义一.定向井历史定向井引入石油钻井界约在19世纪后期，当时的定向井是在落鱼周围侧钻。
世界上第一口真正有记录的定向井是1932年美国人在加利福尼亚亨延滩油田完成，当时浅海滩下油田的开发是在先搭的栈桥上竖井架钻井。
美国一位有创新精神的钻井承包商改变了选种做法，他在陆地上竖井架，使井眼延伸到海床下，开创了钻井新纪元。
我国的第一口定向井是1955年在玉门油田钻成，井号为C2—15井。
1965年在四川油田钻成了我国第一口水平井，磨三井，水平延伸160m，是世界上第二个钻成水平井的国家。
1.初始地面定向法（1960～1973年）最初的海洋定向井工作者，使用简陋的计算和测量工具钻定向井。
●定向方式：地面定向法。
●计算工具：算盘和三角板。
●计算方法：平均角法、沙尼金作图法。
●测量工具：HF酸腐蚀玻璃容器法测斜。
●定向工具：涡轮钻具。
●优点：定向费用低，简单易操作。
●缺点：定向误差大，周期长。
2.磁性单点定向法（1973～1982年）随着海洋石油事业的不断发展，地面定向法已丛式钻井的精度要求，73年引进单点（east men）。
●定向方式：磁性单点定向法。
●计算工具：算盘和三角板。
●计算方法：平均角法、沙尼金作图法。
●测量工具：磁性单点测写仪。
●定向工具：涡轮钻具。
●优点：解决了HF酸测斜的误差、不用在钻杆上打记号、造斜点由300米左右增加到1000米、单平台有2～4口增加到8口。
●缺点：不能随钻测量。
3.SST有缆随钻测斜仪（1982 ～1989年）渤海继海1至海十二平台之后，又在埕北BZ28-1、BZ34-2、SZ36-1发现大油田，单点已不适用于开发大规模丛式井的需要，渤海一方面利用外资钻丛式井，另一方面在86年3月筹建单独的定向井公司。
●定向方式：SST定向。
●计算工具：PC计算机。
●计算方法：最小曲率半径法。
●测量工具：SST有缆随钻测斜仪、单点。
●定向工具：涡轮钻具。
●优点：定向时不考虑反扭角、准确快捷、定向深度可任意选择、连续测斜，计算误差大大减少。
●缺点：不能旋转4.MWD无缆随钻测斜仪（1989年～现在）进入90年代，由于勘探开发的需要，对于多构造的薄油层，为增加采收率采用大斜度井、水平井。
同时，对于异常压力地层、复杂地层，为尽快穿越事故井段，减少事故的产生，定向井测量必须快速、准确。
我公司于89年进口Sperry-sun公司MWD。
●定向方式：MWD定向。
●计算工具：计算机。
●计算方法：最小曲率半径法。
●测量工具：MWD。
●定向工具：直马达、弯壳体容积马达。
●优点（与SST比较）：可无缆传输--数据可读性好、避免了卡电缆、可旋转钻--滑动定向并进、最大限度降低钻进摩阻和井下事故。
●发展方向：继续研制MWD会完全代替电测。
二.定向井用途1.地面环境条件的限制：当地面上是高山，湖泊，沼泽，河流，沟壑，海洋，农田或重要的建筑物等，难以安装钻机，进行钻井作业时，或者安装钻机和钻井作业费用很高时，为了勘探和开发它们下面的油田，最好是钻定向井。
2.地质条件的要求：对于断层遮挡油藏，定向井比直井可发现和钻穿更多的油层；对于薄油层，定向井和水平井比直井的油层裸露面积要大得多。
另外，侧钻井，多底井，分支井，大位移井，侧钻水平井，径向水平井等定向井的新种类，显著地扩大了勘探效果，增加了原油产量，提高了油藏的采收率。
3.处理井下事故的特殊手段：当井下落物或断钻事故最终无法捞出时，可从上部井段侧钻打定向井；特别是遇到井喷着火常规方法难以处理时，在事故井附近打定向井(•称作救援井)，与事故井贯通，进行引流或压井，从而可处理井喷着火事故。
三.定向井相关定义1.定向钻井是使井眼沿预先设计的井眼轴线（井眼轨迹）钻达预定目标的钻井过程。
2.井斜控制是使井眼按规定的井斜、狗腿严重度、水平位移等限制条件的钻井过程。
3.所谓井眼轨迹，实指井眼轴线。
4.一口实钻井的井眼轴线乃是一条空间曲线。
为了进行轨迹控制，就要了解这条空间曲线的形状，就要进行轨迹测量，这就是“测斜”。
5.目前常用的测斜方法并不是连续测斜，而是每隔一定长度的井段测一个点。
这些井段被称为“测段”，这些点被称为“测点”。
6.测斜仪器在每个点上测得的参数有三个，即井深、井斜角和井斜方位角。
这三个参数就是轨迹的基本参数。
7.井斜角：过井眼轴线上某测点作井眼轴线的切线，该切线向井眼前进方向延伸的部分称为井眼方向线。
井眼方向线与重力线之间的夹角就是井斜角。
显然，井眼方向线与重力线都是有向线段。
井斜角表示了井眼轨迹在该测点处倾斜的大小。
井斜角常以希腊字母α表示，单位为度(°)。
一个测段内井斜角的增量总是下测点井斜角减去上测点井斜角，以Δα表示。
8.井斜方位角：某测点处的井眼方向线投影到水平面上，称为井眼方位线，或井斜方位线。
以正北方位线为始边，顺时针方向旋转到井眼方位线上所转过的角度，即井眼方位角。
注意，正北方位线是指地理子午线沿正北方向延伸的线段。
所以正北方位线和井眼方位线也都是有向线段，都可以用矢量表示。
9.磁偏角：目前广泛使用的磁性测斜仪是以地球磁北方位为基准的。
磁北方位与正北分位并不重合而是有个夹角，称为磁偏角。
磁偏角又分为东磁偏角和西磁偏角。
东磁偏角指磁北方位线在正北分位线的东面，西磁偏角指磁北方位线在正北分位线的西面。
用磁性测斜仪测得的井斜方位角称为磁方位角，并不是真方位角，需要经过换算求得真方位角。
这种换算称为磁偏角校正。
换算的方法如下：真方位角＝磁方位角＋东磁偏角真方位角＝磁方位角－西磁偏角10.垂直深度：简称垂深，是指轨迹上某点至井口所在水平面的距离。
垂深的增量称为垂增。
垂深常以字母Ｄ表示，垂增以ΔＤ表示。
11.水平投影长度：简称水平长度或平长，是指井眼轨迹上某点至井口的长度在水平面上的投影，即井深在水平面上的投影长度。
水平长度的增量称为平增。
平长以字母Ｐ表示，平增以ΔＰ表示。
12.Ｎ坐标和Ｅ坐标：是指轨迹上某点在以井口为原点的水平面坐标系里的坐标值。
13.水平位移：简称平移，指轨迹上某点至井口所在铅垂线的距离，或指轨迹上某点至井口的距离在水平面上的投影。
此投影线称为平移方位线。
水平位移常以字母Ｓ表示。
14.平移方位角：指平移方位线所在的方位角，即以正北方位为始边顺时针转至平移线上所转过的角度，常以字母θ表示。
15.闭合距与闭合方位：国外将水平位移称作闭合距(Closure Distance)，将平移方位角称作闭合方位角(Closure Azimuth)。
我国现场常特指完钻时的水平位移为闭合距，平移方位角为闭合方位角。
16.狗腿严重度：描述井眼轨迹全角变化的尺度。
狗腿严重度大，易产生键槽卡钻、钻具易产生疲劳破坏。
四.定向井工具和仪器1.定向井井下工具：泥浆马达、稳定器、单流阀、非磁钻铤、MWD短节、定向接头、弯接头、短钻铤、开窗工具。
2.定向井仪器：MWD(SPEERY SUN、GERODATA、SLIM)、SST、multi-shot(ESI、ESS、海蓝、SHAREL WELL)、single-shot 、GYRO(BOSS、SRO、KEEPER)。
3.泥浆马达1)泥浆马达的功用2)组成：驱动头、轴承总成、万向轴、转子、定子和旁通阀①定子和转子：头数、转速、扭矩、螺旋方向、导程旁通阀：作用、活塞关闭排量②轴承总成：用轴承支撑驱动头，将马达的转动和扭矩传给钻头。
约有2～5%的泥浆排量通过并润滑径向轴承③万向轴：将转子的非同心转动转变为驱动头的同心转动。
④导程旁通阀：作用、活塞关闭排量4.其他定向井工具开窗工具配合接头打捞杯循环头柔性接头承托环旁通头振击器变向器键槽破坏器承托环减振器5.造斜工具1)动力钻具造斜工具●动力钻具又称井下马达，包括涡轮钻具、螺杆钻具、电动钻具三种。
常用前两种。
●位置：在钻铤和钻头之间。
钻井液循环驱动。
●动力钻具以上整个钻柱都不旋转，对定向造斜非常有利。
●结构由三种：动力钻具带弯接头；弯外壳动力钻具；动力钻具带偏心垫块；2)槽式变向器造斜过程：●定向安置槽式变向器；●加压剪断销钉，旋转钻进钻出导眼；●起钻并起出槽式变向器；●更换扩眼钻头，扩大导眼；每安置一次，只能使井斜增加一个导斜角大小的角度6.稳定器：利用稳定器调整和钻头的距离和数量来达到调整井斜。
五.定向井轨迹控制1.造斜点的选择●选择地层均一，可钻性好的地层●KOP在前一层套管鞋以下50米，套以免损坏套管鞋●初始造斜的准确性非常重要●大于25度的定向井方位易控制2.造斜率选择●大斜度大位移定向井：2～3度/30米●一般丛式井3 ～5度/30米●造斜率要均匀3.降斜率●对于“S”井眼，通常降斜率1～2度/30米●如降斜后仍然要钻长的井段，降斜率还要小，以免键槽卡钻4.预测井眼轨迹要考虑的方面●底部钻具组合的受力分析●地层的因素：岩性、均匀性、走向、倾向、倾角●钻头结构、形状●侧向切削模型和轴向切削模型，确定侧向力5.钻具组合影响轨迹：底部钻具组合表现不同的效果，是由于不同的钻具有各自的力学特性，产生钻头侧向力的方向和大小不同。
●1#STB和2#STB的距离●（刚度）钻铤内外径、材料●扶正器尺寸●钻头类型和冠部形状6.井眼方向控制内容：●井斜角的控制：增斜、降斜、稳斜；●井斜方位角控制：增方位、降方位、稳方位；7.定向井轨迹控制的主要做法1)第一阶段：打好垂直井段●垂直井段打不好，将给造斜带来很大的困难。
●要求实钻轨迹尽可能接近铅垂线，也就是要求井斜角尽可能小。
定向井的垂直井段可以按照打直井的方法进行轨迹控制，而且比打直井要求更高，因为定向井垂直井段的施工质量是以后轨迹控制的基础。
2)第二阶段：把好定向造斜关●这是增斜井段的一部分，但它是从垂直井段开始增斜的。
由于垂直井段井斜角等于零，所以称为“造斜”；由于垂直井段没有井斜方位角，所以开始造斜时需要“定向”。
如果定向造斜段的方位有偏差，则会给以后的轨迹控制造成巨大困难。
所以，定向造斜是关键，一定要把好这一关。
●现代的定向造斜，除套管开窗侧钻还使用变向器外，几乎全使用动力钻具造斜工具。
造斜井段的长度，一般是以井斜角达到可以使用转盘钻的扶正器钻具组合继续增斜为准。
这个井斜角大约为8°至10°。
3)第三阶段：跟踪控制到靶点从造斜段结束，至钻完全井，都属于跟踪控制阶段。
人们常说的轨迹控制实际多指这一阶段。
跟踪控制的主要工作内容：●适时进行轨迹测量和轨迹计算：●做好造斜工具的装置方位计算：●精心选择、使用造斜工具和下部钻具组合：六.装置角1.装置角定义●井斜铅垂面与造斜工具面的夹角；●以井斜铅垂面为基准，顺时针旋转到造斜工具面上所转过的角度；●在井底平面上，以高边方向线位基准，顺时针旋转到工具面与井底圆的交线上所转过的角度；2.反扭角的存在1)当我们将动力钻具带弯接头下到井底，并将工具面摆到装置方位线上，然后启动，工具面将要向反时针方向旋转一个角度，此角度称为反扭角。
