大斜度定向井技術研究概述

張立天

[摘 要]定向井就是使井眼軌跡沿著預先設計的井斜和方位鉆達目的層的鉆井方法，定向井技術可以使地面和地下條件受限制的油氣資源得到經(jīng)濟、有效的開發(fā)，大幅度提高油氣產(chǎn)量、降低鉆井成本，具有顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。油田埋藏在高山、城鎮(zhèn)、森林、沼澤海洋、湖泊、河流等地貌復雜的地下，或井場設置和搬家安裝碰到障礙時，通常在他們附近鉆定向井。所以對大斜度定向井技術的研究已成為石油行業(yè)發(fā)展的關鍵問題，亟需高度引起重視。

[關鍵詞]大斜度 定向井 技術

中圖分類號：P634.7 文獻標識碼：B 文章編號：1009-914X（2017）38-0129-01

1、前言

定向井技術是當今世界石油勘探開發(fā)領域最先進的鉆井技術之一，它是由特殊井下工具、測量儀器和工藝技術有效控制井眼軌跡，使鉆頭沿著特定方向鉆達地下預定目標的鉆井工藝技術。采用定向井技術可以使地面和地下條件受到限制的油氣資源得到經(jīng)濟、有效的開發(fā)，能夠大幅度提高油氣產(chǎn)量和降低鉆井成本，有利于保護自然環(huán)境，具有顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。定向井就是使井身沿著預先設計的井斜和方位鉆達目的層的鉆井方法。

2、定向井基本應用

定向鉆井目前已成為陸地和海上油田開發(fā)的主要手段。定向井在石油勘探與開發(fā)中得到了廣泛的應用。在地面上難以建立井場和安裝鉆井設備進行鉆井的地區(qū)，要勘探開發(fā)地下的油氣資源，唯一的辦法就是從該地區(qū)附近打定向井。在海洋或湖泊等水域上勘探開發(fā)石油，最好是建立固定平臺，或采用移動式鉆井平臺，或從岸邊打定向井、叢式定向井。當在鉆達油氣層所經(jīng)過的地層中有難以穿過的復雜地層時，用定向井可以繞過這些復雜地層，稱為繞障定向井。在發(fā)生斷鉆具、卡鉆以及井噴著火等惡性事故的情況下，采用側鉆井、救援井是處理此類事故的有效方法。近年來，各類水平井、大位移井、多分支井和二維及三維多目標井的出現(xiàn)和發(fā)展，更是把定向井的應用推進到了優(yōu)化油藏開發(fā)方案，增加產(chǎn)量，提高釆收率的范圍。另外，在非石油勘探開發(fā)領域，例如煤層氣、鹵水、地熱、天然氣水合物、固體礦產(chǎn)等的勘探和開采，以及地下核試驗的采樣等，定向鉆井技術也有著非常廣泛的應用

水平井是定向井的一種，一般的油井是垂直或傾斜貫穿油層，通過油層的井段比較短。而水平井是在垂直或傾斜地鉆達油層后，井筒轉達接近于水平，以與油層保持平行，得以長井段的在油層中鉆進直到完井。這樣的油井穿過油層井段上百米以至二千余米，有利于多采油，油層中流體流入井中的流動阻力減小，生產(chǎn)能力比普通直井、斜井生產(chǎn)能力提高幾倍。

所謂“體積跟蹤法”是指對井口返出巖屑的體積進行跟蹤。一般來說，除裂縫發(fā)育地層外，每鉆進一米地層返出巖屑體積是一定的，可以采取理論上每米破碎的巖石量（體積）與巖屑的實際返出量（體積）之比，來判斷巖屑床的形成與否。

如果每米實際返出的巖屑量遠遠小于理論上每米破碎的巖石量，就說明井筒中有巖屑床形成，鉆井液攜巖能力差，不足以把新破碎的巖屑全部帶出井口，更不會破壞原有巖屑床，此時只要有巖屑返出，都可認為是真巖屑；

反之，如果每米實際返出的巖屑量遠遠大于理論上每米破碎的巖石量，就說明當時鉆井液的能量足以破壞井筒中原有的巖屑床，此時返出的巖屑中有相當一部分是假巖屑，巖屑描述時，要參考鉆時、氣測、OFA等資料，綜合判斷；

第三種情況，如果每米實際返出的巖屑量與理論上每米破碎的巖石量大至相當，此時無論井筒中是否有巖屑床存在，返出的巖屑，都可認為是真巖屑。由于泥巖膨脹，造成的巖屑體積增加，可忽略不計。

3、定向井基本分類

（1）按其剖面主要有三類：

Ⅰ兩段型：垂直段+造斜段；

Ⅱ三段型：垂直段+造斜段+穩(wěn)斜段；

Ⅲ五段型：上部垂直段+造斜段+穩(wěn)斜段+降斜段+下部垂直段

（2）按設計井眼軸線形狀分

Ⅰ兩維定向井：井眼軸線在某個鉛垂平面上變化的定向井，井斜變化，方位不變化。

Ⅱ三維定向井：井眼軸線在三維空間變化的定向井，井斜變化，方位變化?？煞譃椋喝S糾偏井和三維繞障井。

（3）按設計最大井斜角分

Ⅰ低斜度定向井：井斜小于15度，鉆井時井斜、方位不易控制，鉆井難度大。

Ⅱ中斜度定向井：井斜在15-45度之間，鉆井時井斜、方位易控制，鉆井難度相對較小，是使用最多的一種。

Ⅲ大斜度定向井：井斜在46-85度之間，其斜度大，水平位移大，增加了鉆井難度和成本。

Ⅳ水平井：井斜在86-120度之間，其鉆井相對較難，需要特殊設備、鉆具、工具、儀器。

（4）按鉆井的目的分：救援井、多目標井、繞障井、多底井等

（5）按一個井場或平臺的鉆井數(shù)分

Ⅰ單一定向井

Ⅱ雙筒井：一臺鉆機，鉆出井口相距很近的兩口定向井。

Ⅲ叢式井（組）：在一個井場或平臺上，鉆出幾口或幾十口定向井和一口直井

（6）根據(jù)Tomren等人的研究成果，巖屑運移規(guī)律按井斜角可分為以下三種類型

①井斜角0～θα之間井段

巖屑在環(huán)空中受重力作用而下滑的方向是垂直于水平面，巖屑在井眼中，當鉆井液上返速度稍微大于巖屑在鉆井液中的下滑速度時，只要不停止循環(huán)，巖屑總會慢慢地被帶出井簡，不存在巖屑床。

②井斜角在θα～θβ之間井段

當井斜角增大至θα時，徑向分量（Vsr）增大至足以使巖屑脫離鉆井液流，滯留井眼底側并滑向液流的反向而形成巖屑床，而且當鉆井液停止循環(huán)時，巖屑床受重力作用而存在下滑趨勢。

③井斜角在θβ～90°之間井段

井斜角超過θβ，軸向分量（Vsa）將逐漸降至零，巖屑沉淀并聚集在鉆桿周圍的井眼底側，即使鉆井液停止循壞，巖屑床也不再向下滑動。這里θα、θβ稱為臨界井斜角。

4、發(fā)展前景和發(fā)展趨勢

（1）油氣資源供應的緊缺形勢和目前油氣生產(chǎn)遇到的問題，為定向鉆井技術提供了廣闊的發(fā)展空間。

（2）中靶精度和軌跡符合率將大大提髙。軌道設計曲線、軌跡控制模式和軌跡計箅方法，將趨向于三者高度統(tǒng)一。

（3）未來定向鉆井工作的重心將由靶前井段向靶區(qū)井段轉移。工作重心的轉移，有可能引出新的定向井類型。

（4）隨鉆技術和導向鉆井技術的發(fā)展，最終將被引導到提高采收率的方向，可能會出現(xiàn)剩余油導向鉆井技術。

參考資料

[1] 蔣長春，李毅.《采氣員工技術問答》：石油工業(yè)出版社，2011.

[2] 趙相澤、魏學敬.《定向鉆井技術與作業(yè)指南》：石油工業(yè)出版社，2012.

[3] 陳建兵.《深水探井鉆井工程設計方法》：石油工業(yè)出版社，2014.

[4] 王福生，崔樹清.《鉆井地質》：石油工業(yè)出版社，2008.endprint