定向井鉆井技術(shù)

王家強(qiáng)

定向井鉆井技術(shù)作為一項新型實用技術(shù)，在鉆井技術(shù)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，該文將圍繞以上內(nèi)容，通過資料分析、建立實驗裝置等手段進(jìn)行綜合分析，從而能對該技術(shù)有一個清晰的認(rèn)識。

1.定向井剖面設(shè)計

定向井的剖面設(shè)計工作，作業(yè)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(biāo)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(jié)構(gòu)等情況。

設(shè)計資料。設(shè)計人員應(yīng)根據(jù)定向井不同的鉆探情況對設(shè)計井的井身剖面類型、鉆井液類型、完井方法等進(jìn)行合理設(shè)計，以利于快完整潔、優(yōu)質(zhì)、快速鉆井。同時，盡可能利用方位角的變化規(guī)律，統(tǒng)計出方位漂移率。還要根據(jù)層傾角度、巖性穩(wěn)定性，PDC鉆頭具有方位的趨勢，進(jìn)行確定設(shè)計的角度。以此不斷提高投資效益，達(dá)到作業(yè)要求。

設(shè)計原則。設(shè)計人員要根據(jù)不同的鉆探目的對設(shè)計井的井身井身結(jié)構(gòu)、剖面類型、完井方法等進(jìn)行合理設(shè)計，以利于高效、優(yōu)質(zhì)、安全鉆井這是定向井設(shè)計的目的，和設(shè)計最基本的原則。

靶點的層位選擇合理；井身結(jié)構(gòu)、井控措施等應(yīng)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(qū)半徑要合乎操作要求。

根據(jù)地區(qū)的實鉆資料，統(tǒng)計出方位漂移率。盡可能利用方位的自然漂移規(guī)律在使用牙輪鉆頭鉆進(jìn)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(guī)律。 層傾角小、巖性穩(wěn)定時，鉆頭具有方位左漂的趨勢，因此，要使用PDC鉆頭鉆進(jìn)的定向井，提前角要根據(jù)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(dá)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(chǎn)生側(cè)向力。目前，彎接頭內(nèi)通常安裝循環(huán)套，殼體上劃有彎曲方向的標(biāo)線，用作單點或有線隨鉆側(cè)斜儀確定工具面的方向。

通常使用固定角度型 和可調(diào)角度彎接頭。調(diào)角度彎接頭根據(jù)調(diào)節(jié)方式和工作原理的不同可分為機(jī)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(diào)到需要的角度進(jìn)行連續(xù)進(jìn)行定向、和扭方位降斜、增斜。通可可調(diào)彎接頭可以使高井眼減少起鉆次數(shù)、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(yīng)用時，必須注意穩(wěn)定器對羅盤的影響，這樣可以降低對羅盤的影響，又可以節(jié)省價格昂貴的非磁鋼材。

井下馬達(dá)：井下動力鉆具它分為渦輪鉆具、容積式馬達(dá)和電動鉆具三大類。容積式馬達(dá)具有下列優(yōu)點：鉆井眼尺寸與原井眼完全相同；井內(nèi)有橋塞時，可以在開始造斜前將井底循環(huán)干凈；空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速與工作轉(zhuǎn)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(dá)、Mach 2型多頭螺桿馬達(dá) 、Mach 3型單頭螺桿馬達(dá)。它由納維鉆具由旁通閥、定子、轉(zhuǎn)子、萬向軸、軸承總成和傳動軸組成

螺桿鉆具。由萬向軸（節(jié)）、旁通閥、馬達(dá)（轉(zhuǎn)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(huán)鉆井液，在壓力一定時，鉆井液泵入鉆具，進(jìn)入馬達(dá)的螺旋形空腔使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，然后經(jīng)萬向軸傳遞到傳動軸和鉆頭上。當(dāng)無鉆井液循環(huán)或低泵沖循環(huán)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(jīng)馬達(dá)所作的功轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。

3、定向井鉆進(jìn)穩(wěn)定器的應(yīng)用

定向井主要指沿著預(yù)先設(shè)計的井眼軌道，按既定方向偏離井口垂線一定距離，鉆達(dá)一定目標(biāo)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(wěn)定器有螺旋式穩(wěn)定器和滾子式穩(wěn)定器兩種，定向鉆井中，目前最常用螺旋式穩(wěn)定器。

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

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

穩(wěn)定器出、入井口時，必段認(rèn)真測量穩(wěn)定器的外徑，檢查磨損情況和穩(wěn)定器在鉆具組合中的安放位置，一般情況下，穩(wěn)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(fù)雜情況。

4、定向井的水泥注入

目前，在我國進(jìn)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(xiàn)有的油田鉆井現(xiàn)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(tǒng)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(jī)理缺乏全面的認(rèn)識和研究。因此，我們經(jīng)過建立實驗設(shè)備，綜合分析研究，發(fā)現(xiàn)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(xù)測量法”測試頂替效率，配合觀測，系統(tǒng)地研究了井斜角、雷諾數(shù)、密度差、因素對注水泥過程中頂替效率、效果的影響規(guī)律和評價分析。

在井斜角和偏心度相對穩(wěn)定的情況下，水泥的密度差與相應(yīng)的頂替排量之間，存在著相對穩(wěn)定的配比，合理地搭配密度與雷諾數(shù)可以得到較好的頂替效果。具體地說，就是當(dāng)井斜角度比較大時，密度差會隨之增大，頂替的液體沿環(huán)外空低邊進(jìn)入的趨勢越加明顯，如果偏心度增加嚴(yán)重，頂替液會容易沿著環(huán)外空高邊率先行進(jìn)行頂替；而當(dāng)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(shù)，會對于環(huán)空頂替有效果；雷諾數(shù)的相應(yīng)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(shù)，將會使頂替效果更加明顯。

當(dāng)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(dāng)油井套管在井內(nèi)的中心出現(xiàn)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(jìn)一步提高。所以當(dāng)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(fù)，在頂替時都容易產(chǎn)生分層流動的現(xiàn)象；而當(dāng)套管出現(xiàn)偏移中心時，正密度差會在重力的作用下和對頂替效率產(chǎn)生影響。

頂替液是沿著高邊突進(jìn)，還是低邊突進(jìn)取決于井斜角、密度差、偏心度以及雷諾數(shù)而起作用。 一般而言，紊流注水泥頂替效果要優(yōu)于層流注水泥；層流注水泥時隨雷諾數(shù)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(dāng)負(fù)密度差頂替時輕的頂替液越來越傾向于沿環(huán)空高邊突進(jìn)，水平井注水泥時通常發(fā)生明顯的分層流動現(xiàn)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(huán)空低邊突進(jìn)，水平井注水泥時甚至發(fā)生明顯的分層流動現(xiàn)象；

采用“混漿密度擬連續(xù)測量法”可以有效地探索不同環(huán)境影響規(guī)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(dāng)正密度差進(jìn)行頂替時，偏心度對于頂替過程的影響規(guī)律較復(fù)雜，頂替效果取決于井斜角、密度差、偏心度以及雷諾數(shù)的共同作用。當(dāng)頂替流態(tài)為紊流時，套管居中時的頂替效果優(yōu)于套管偏心時的頂替效果。當(dāng)頂替流態(tài)為層流、且負(fù)密度差頂替時，套管居中時的頂替效果優(yōu)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）