定向井鉆井技術

王家強

定向井鉆井技術作為一項新型實用技術，在鉆井技術領域具有廣泛的應用前景，該文將圍繞以上內容，通過資料分析、建立實驗裝置等手段進行綜合分析，從而能對該技術有一個清晰的認識。

1.定向井剖面設計

定向井的剖面設計工作，作業人員必須提供靶點水平位移和提供井口、及方位角與靶點的坐標位置，計算出方位角和水平位移。還要通過資料查找地理位置和井身結構等情況。

設計資料。設計人員應根據定向井不同的鉆探情況對設計井的井身剖面類型、鉆井液類型、完井方法等進行合理設計，以利于快完整潔、優質、快速鉆井。同時，盡可能利用方位角的變化規律，統計出方位漂移率。還要根據層傾角度、巖性穩定性，PDC鉆頭具有方位的趨勢，進行確定設計的角度。以此不斷提高投資效益，達到作業要求。

設計原則。設計人員要根據不同的鉆探目的對設計井的井身井身結構、剖面類型、完井方法等進行合理設計，以利于高效、優質、安全鉆井這是定向井設計的目的，和設計最基本的原則。

靶點的層位選擇合理；井身結構、井控措施等應滿足要求；盡可能選擇簡單的剖面類型，以減小井眼軌跡控制和施工難度，加快鉆井速度；是靶區半徑要合乎操作要求。

根據地區的實鉆資料，統計出方位漂移率。盡可能利用方位的自然漂移規律在使用牙輪鉆頭鉆進時，方位角的變化往往有向右增加的趨勢，因此要合乎右手漂移規律。 層傾角小、巖性穩定時，鉆頭具有方位左漂的趨勢，因此，要使用PDC鉆頭鉆進的定向井，提前角要根據實際情況來確定。

2、定向井專用工具

定向井專用工具包括彎接頭、非磁鉆鋌、井下馬自達等主要工具。

彎接頭：彎接頭是定向鉆井中定向造斜、扭方位的一種專用井下工具，它能使造斜鉆具產生側向力。目前，彎接頭內通常安裝循環套，殼體上劃有彎曲方向的標線，用作單點或有線隨鉆側斜儀確定工具面的方向。

通常使用固定角度型 和可調角度彎接頭。調角度彎接頭根據調節方式和工作原理的不同可分為機械式、液壓式、電動式等幾種類型。它們可以通過地面控制把彎接頭調到需要的角度進行連續進行定向、和扭方位降斜、增斜。通可可調彎接頭可以使高井眼減少起鉆次數、加快鉆井速度、降低鉆井成本。

非磁鉆鋌：主要由蒙乃爾鋼、鉻/鎳鋼、奧氏體鋼，錳含量和鉻鐵銅合金組成。這是一種不易磁化的鉆鋌，它價格較低，但它對鹽水鉆井液的腐蝕較敏感。非磁鉆鋌間應用時，必須注意穩定器對羅盤的影響，這樣可以降低對羅盤的影響，又可以節省價格昂貴的非磁鋼材。

井下馬達：井下動力鉆具它分為渦輪鉆具、容積式馬達和電動鉆具三大類。容積式馬達具有下列優點：鉆井眼尺寸與原井眼完全相同；井內有橋塞時，可以在開始造斜前將井底循環干凈；空轉轉速與工作轉速相差的幅度較小有利于鉆頭選型。其中螺桿鉆具和迪那鉆具最常用。

迪那鉆具。 可分為 Mach 1型單頭螺桿馬達、Mach 2型多頭螺桿馬達 、Mach 3型單頭螺桿馬達。它由納維鉆具由旁通閥、定子、轉子、萬向軸、軸承總成和傳動軸組成

螺桿鉆具。由萬向軸（節）、旁通閥、馬達（轉子、定子）、和傳動軸四部分組成。螺桿鉆具的工作動力來自循環鉆井液，在壓力一定時，鉆井液泵入鉆具，進入馬達的螺旋形空腔使轉子轉動，然后經萬向軸傳遞到傳動軸和鉆頭上。當無鉆井液循環或低泵沖循環時，在彈簧的作用下，閥心處于上部位置，此時旁通孔開啟，鉆井液可灌入鉆柱或自鉆柱泄出，所有鉆井液流經馬達所作的功轉換為機械能。

3、定向井鉆進穩定器的應用

定向井主要指沿著預先設計的井眼軌道，按既定方向偏離井口垂線一定距離，鉆達一定目標的井。定向井分為普通定向井、大斜度井、徑向水平叢式井等。目前，定向井其中的穩定器有螺旋式穩定器和滾子式穩定器兩種，定向鉆井中，目前最常用螺旋式穩定器。

穩斜鉆具組合，可以減小鉆頭與穩定器之間，穩定器與穩定器之間的相對距離，增強下部鉆具的剛性，以限制下部鉆具受壓變形，達到穩斜效果，同時，可以增加下部鉆具組合的剛性達到穩定井斜和方位的目的。

通過改變穩定器下部鉆具組合中的位置，可以達到改變下部鉆具組合的受力狀態，改變達到控制井眼軌跡的目的。

穩定器出、入井口時，必段認真測量穩定器的外徑，檢查磨損情況和穩定器在鉆具組合中的安放位置，一般情況下，穩定器的外徑磨損不大干2毫米。通過修整井眼，可以使井眼曲率變化平緩、圓滑，有利于減少井下復雜情況。

4、定向井的水泥注入

目前，在我國進行定向井、水平井注水泥頂替模擬實驗研究具有很重要的實際意義。在現有的油田鉆井現場，我們對于如何提高定向井、水平井注水泥的頂替效率等方面，并沒有完整的系統配套措施，原因是我們對于定向井、水平井等注水泥的頂替機理缺乏全面的認識和研究。因此，我們經過建立實驗設備，綜合分析研究，發現利用自行研制的水平井及定向井注水泥模擬實驗裝置能夠有效在反映真實效果，所以，我們研制的“混漿密度擬連續測量法”測試頂替效率，配合觀測，系統地研究了井斜角、雷諾數、密度差、因素對注水泥過程中頂替效率、效果的影響規律和評價分析。

在井斜角和偏心度相對穩定的情況下，水泥的密度差與相應的頂替排量之間，存在著相對穩定的配比，合理地搭配密度與雷諾數可以得到較好的頂替效果。具體地說，就是當井斜角度比較大時，密度差會隨之增大，頂替的液體沿環外空低邊進入的趨勢越加明顯，如果偏心度增加嚴重，頂替液會容易沿著環外空高邊率先行進行頂替；而當井斜度角偏小時，隨著偏心程度的增加，密度差增大的同時，有目的地減小雷諾數，會對于環空頂替有效果；雷諾數的相應增大同樣會使頂替液趨于沿著高邊率先頂替，所以，配比合理的密度差和雷諾數，將會使頂替效果更加明顯。

當井斜角比較小或井眼相對垂直、層流注入水泥的時候，套管居中時大的正密度差有利于頂替效率的提高；而當油井套管在井內的中心出現偏移時，正密度差的增大，有利于克服偏心的影響，從而有利于頂替效率的進一步提高。所以當井斜角較大或水平時，套管居中小的密度差頂替效果會比較明顯，密度差無論正與負，在頂替時都容易產生分層流動的現象；而當套管出現偏移中心時，正密度差會在重力的作用下和對頂替效率產生影響。

頂替液是沿著高邊突進，還是低邊突進取決于井斜角、密度差、偏心度以及雷諾數而起作用。 一般而言，紊流注水泥頂替效果要優于層流注水泥；層流注水泥時隨雷諾數的增加頂替效果逐漸變好。

井斜角對層流注水泥影響很大。當負密度差頂替時輕的頂替液越來越傾向于沿環空高邊突進，水平井注水泥時通常發生明顯的分層流動現象。隨著井斜角的增大，正密度差頂替時重的頂替液越來越傾向于沿環空低邊突進，水平井注水泥時甚至發生明顯的分層流動現象；

采用“混漿密度擬連續測量法”可以有效地探索不同環境影響規律，這種方法的測試過程快速而且簡單，采用這種方法時，我們建立的實驗裝置成本也比較低，特別是當正密度差進行頂替時，偏心度對于頂替過程的影響規律較復雜，頂替效果取決于井斜角、密度差、偏心度以及雷諾數的共同作用。當頂替流態為紊流時，套管居中時的頂替效果優于套管偏心時的頂替效果。當頂替流態為層流、且負密度差頂替時，套管居中時的頂替效果優于套管偏心時的頂替效果。

（作者單位：中國石油長城鉆探工程有限公司鉆井一公司）