井加一点

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水平井钻井技术

钻井工艺研究所

2001年3月二十五日

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1、水平井根本术语

随着工业技术的开展和人们对水平井开采技术认识的不断加深，水平井钻井

可大幅度地增加油层的裸露面积，减缓水锥和气锥，提高钻遇裂缝的几率和有选

择的进入油气富集区，提高油藏的勘探开发效果优势得到进一步的表达，尤其是

最近用水平井开发油田受到广泛的重视，钻井数目以惊人的速度增长。水平井钻

井不仅提高了水平井钻井技术并降低其本钱,更重要的是可保证显著提高综合经

济效益。可以说,目前世界石油工业的重要开展战略转变之一,是由钻常规直井、

定向斜井向钻水平井勘探开发油气田的战略转变。

通常人们把进入油气层井眼的井斜角不低于86°的井段称为水平井段。能沿

油层走向形成这种水平位移的特殊定向井归纳为水平井。水平井可有效地增加油

气层的泄露面积,提高油气采收率。它是增加产油量的有效手段之一，它主要被广

泛应用到以下几方面。可减少油田开发过程中水锥,气锥问题，可开发低渗透致密

油藏和重油；可开发天然裂缝性油藏，边水驱动和气驱动油藏，不易钻探的油藏；

热采应用；低产能油藏；不规那么油藏与薄层油藏。对于江汉油田主要用于不盐

间非砂岩油藏特低渗透油藏。

1.1水平井根本术语

水平井除具有普通定向井的一些根底的技术术语外,其本身的特点仍有下面

的一些根本术语。

入靶点：是指地质设计规定的目标起始点。

终止点：是指地质设计规定的目标完毕点。

靶前位移：是指入靶点的水平位移。

水平段长：入靶点与终止点的轨道长度。

梯形靶：即纵向为土a米,横向土b米的夹角。

圆柱靶：即沿水平段设计井眼轴线的半径为R米的圆柱。

矩形靶：即纵向为士a米,横向为±b的长方体。

调整井段：用于施工中调整井眼轨迹的井段。

1.2水平井的根本类型

水平井的分类通常按造斜率〔或曲率半径)分为三种类型：

长半径水平井：造斜率K<6°/30m，曲率半径R>300m。

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中半径水平井：造斜率K=6°-20°/30m，曲率半径R=100-300m。

短半径水平井：造斜率K=5°-l0°/30m，曲率半径R=6-l2m。

1.3水平井常用剖面的根本类型

水平井常用的剖面主要有以下四种：

双增稳剖面，即直井段一增斜段一稳斜段一增斜段一水平段。

双增剖面，即直井段-增斜段-增斜段一水平段。

三段制剖面，即直井段一增斜段一水平段。

三增剖面，即直井段一增斜段一增斜段一增斜段一水平段。

2、水平井剖面设计

2.1水平井的剖面设计要求与类型

水平钻井技术与常规定向钻井技术最为为不同的两个特点是使用的造斜钻具

与其特别的剖面设计。造斜井段的剖面设计几乎与选择最好的定向钻井承包公司

一样重要。

单位井身长度的本钱最低时，水平井的长度为最正确长度。水平井在机械方面的

限制主要是钻井设备和钻柱的抗扭和抗拉力的能力。为了研究员到可能到达的最

大长度，必须使扭矩和上提拉力为最小，但是由于钻具在井眼的弯同和重力决定

着水平井的扭矩和上提拉力，因此最正确设计要求选择使用在钻井作业时不会弯

曲的尽可能轻的钻具。

可行的最简单造斜曲线是从造斜点井斜接近零度时开场，以单一连续的弧钻

进到90°井斜的单一均匀曲线。如果马达造斜钻具增斜特性的变化小于水平目标

区的容许误差，那么这一设计便是最正确设计。

但是，大多数马达造斜钻具增斜特性的变化性和误差都大超过水平目标区的允许

误码差。为了补偿这些变化性和误差，就有必要在造斜井段设计冲加一段调节用

的斜直井段。

2.2水平剖面设计类型

剖面设计根本上是简单的几何计算。造斜曲率可以分为以下三咱根本剖面类

型：

单曲率—斜直剖面的设计

单曲率—斜直剖面是最老、应用最为广泛的造斜曲线，这类剖面的特点是，整个

曲线由三段组成，造斜由上、下两个造斜率一样的造斜井段完成，中间为斜直的

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稳斜井段。这一造斜曲线的设计根底是：以工程计划中计划使用之造斜钻具的最

小预计造斜率和最短斜直井段来选择造斜点和计划的造斜曲线末端的位置。在设

计中使用造斜钻具可能的最小造斜率是关键。这样就要求造斜钻具先前已在类似

地层使用过，如果是在邻近地区使用过那么更理想。

变曲率一斜直剖面

变曲率一斜直造斜曲线的设计是为了进一步控制目标的垂直深度。变曲率一斜直

造斜曲线的设计方法是用上部造斜井段确定的马达造斜钻具组合的实际造斜能

力，但是并不根据这一造斜率，而是利用比实际造斜率要低的预计造斜率来选择

下部造斜井段的造斜点。

这种设计最适用于以构造位置为目标的水平井。尤其是终的构造位置是靠地层的

顶层来确定，而这个顶层在是下部造斜曲率井段，这类水平井采用这种方法设计

是最有用。

理想造斜曲率剖面设计

理想造斜曲率剖面就是没有斜直井段的弯曲率造斜剖面。钻这种剖面的水平

井，可以使用单斜式的造斜马达，除非由于钻头寿命的限制。这种设计虽然费用

最低，但它要求单斜式造斜马达的的性能变化围要小于下部造斜曲率井段所固有

的变化。这种方法也许是将来采用的或者可以作为在该地区的第三口水平井所使

用的设计。

3、水平井环空携砂效果分析

在水平井钻井过程中，因钻具靠近下井壁，形成了偏心环空，随着钻头破碎

岩石的不断进展，岩屑逐渐积聚起来形成岩屑床。岩屑床的形成就可能导致钻井

中的高扭矩高摩阻以与粘卡，泥包钻头等一系列不利因素，这一些都与井眼的清

洁状况有关。因此，水平井环空携岩效果的好坏对水平井钻井起着关键的作用。

影响环空携岩的因素很多，如环空返速、钻井液类型、钻井液流变性、钻井

液密度、环空尺寸、偏心度、钻具尺寸、钻速、转速、岩屑尺寸、井眼倾角等。

这些影响因素可分为可控因素与不可控因素，在机泵条件下给定的条件下，实际

地面上可控因素只有钻井液的流变性和环空返速。因此，在水平井钻井过程中对

钻井液的流变性能和环空返速进展探讨，对于减少复杂情况的发生，有效地提高

水平井钻井速度，降低钻井本钱都有非常重要的意义。

水平井技术是国家“八五〞期间重点科技攻关项目，从现场施工情况来看，

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在钻井过程中，因井眼不清洁而发生复杂情况也普遍存在，归纳起来主要有两条

主要原因：

实际环空返速小，满足不了携岩要求；

钻井液流变参数携岩能力差。

从直井段到斜井段至水平井段，岩屑在环空中运移规律表现出明显的不同，

根本上可用井斜角表示：即0°-30°，30°-60°，60°-90°。本文依次称为第

一洗井区，第二洗井区，第三洗井区。理论分析认为在三个冼井区中，第一洗井

区用层流携岩最正确。第三洗井区用紊流携岩最正确，第二洗井区层紊流和均可。

但对于现场实际情况，由于大斜度井段和水平井段钻进时使用动力钻具，而动力

钻具又受到大排量的限制，所以环空很难到达紊流流态。大量文献资料说明：环

空返速是影响环空携岩的主要因素。因此，对一口水平井来讲关键是合理设计返

速，也就是说要合理地根据地质，钻具结构，钻井流变性等一些特定条件控制好

排量，更好地解决携岩问题。对于第二洗井区，岩屑会下滑至井底，这一现象国

外称为“Boycott〞效应，此效应的后果是十分严重的，轻那么会起下钻遇阻，钻

进扭矩大，重那么会发生卡死，扭断钻具等重大事故。国外学者一致的观点使用

大排量洗井，诚然大排量洗井是清洗该洗井区的有效方法，但不是最正确的方法，

因为大排量有可能会造成冲垮井壁，形成大肚子，给以后钻进形成更大的隐患，

再者，地面设备或者钻具条件限制也可能实现不了这一措施，因此这就需要根据

具体条件来实行最好的水力方案。

从现场来看，水平井水力参数的设计缺乏充实的理论依据，根本还是套用直

井水力参数的设计方法。

4、水平井井眼轨迹控制工艺模式与技术

水平井钻井的技术关键是确立一个既能经济、平安钻成水平井，又能高精度控制

井眼轨迹的水平井钻井模式，形成适应不同钻井方式的水平井钻井工艺技术。不

同类型的水平井，其井身结构和设计轨道不同，所选择的钻井方式不同。而水平

井钻井方式确实立又要受到钻井设备、钻井工具、钻井工艺技术水平，测量仪器

装备等诸多因素的制约。目前国际上最先进的水平井轨迹控制方法和钻井方式是

采用导向钻井技术，用一套钻具组合一趟钻钻完整个增斜井段，这也是各个油田

水平井井眼轨迹控制技术需要努力的方向，但是，这一技术的实施必须具备组成

导向钻井系统的先进而且昂贵的钻井工具、仪器装备以与与之配套的钻井工艺技

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术。

充分利用现有的技术和装备，在实践中不断探索、完善和提高装备条件和技

术水平，使水平井的轨迹控制技术向高层次开展。水平井钻井根本上为两种方式：

一是与常规定向井比拟接近的以转盘钻为主的水平井井眼轨迹控制方式和钻井模

式；二是与导向钻井系统比拟接近的以动力钻具为主的水平井井眼轨迹控制方式

和钻井模式。

采用与常规定向井比拟接近的以转盘钻为主的水平井钻井模式，在长半径水

平井过调整钻具组合和钻井参数，可以有效地实现对强增斜、微增斜、水平段稳

平钻进的井眼轨迹进展控制，但在大斜度井段和水平段必须利用水平井的摩阻计

算程序进展钻具组合的倒装设计；通过使用高聚物水包油泥浆体系和正电胶泥浆

体系，配合强化的四级泥浆净化系统，采用大排量循环、穿插接力式短起下钻等

技术措施，可以满足水平井平安钻井的需要。对中半径水平井，在增斜率大手6°

/30m之后，尤其在由444.5mm大尺寸井眼中，用柔性的转盘钻钻具组合来实现比拟

稳定的增斜率是比拟困难的，而且不利于井下平安。因此，这种模式在中半径水

平井中的应用是有条件的，一般适用于中半径水平井的造斜率低限，并采用动力

钻具组合进展造斜能力和井段的调整。

采用两层技术套管的井身结构，虽然有利于井下平安,但是不经济。实践说明，

我们认识到采用这种井眼轨迹控制模式，应当简化井身结构，整个增斜井段采用

单一的31lmm井眼尺寸。在此根底上，将这种模式定型为：

①充分利用成功的高压喷射和防斜打直技术，严格的将造斜点前的直井段井眼轨

迹控制在允许围之，快速优质地钻完该井段。

②定向造斜段的施工用常规动力钻具、弯接头或单弯动力钻具的方式进展。应选

择适宜的弯接头或弯壳体度数，使实际造斜率尽可能地接近设计造斜率。井斜角

应到达10一l5°换转盘钻进，以利于待钻井段增斜和方位的稳定。

③根据设计增斜率选择适宜的转盘增斜钻具组合增斜钻进，并根据实际增斜率与

时调整钻井参数或更换钻具组合，必要时用动力钻具进展井斜角和方位角的修正，

使之满足轨迹点的位置和矢量方向的综合控制。

④在转盘钻钻具组合的钻进过程中，要经常短起下钻和穿插接力循环，以铲

除岩屑床和修理井壁，长半径水平井更应如此。

⑤长半径水平井的水平段相对较短，可以转盘钻具组合为主要钻进方式，但

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必须利用水平井的摩阻计算程序进展钻具组合的倒装设计，并采用大排量来提高

携岩能力。备用一套DTU导向钻具或者1°左右的单弯动力钻具，以弥补转盘钻钻

具组合的意外失控。用这种方式钻中半径水平井的水平段，由于摩阻和扭矩都比

长半径水平井小,可以更为平安地钻出更长的水平段。

4.2以转盘钻为主钻增斜井段的井眼轨迹控制工艺技术

以转盘钻为主进展增斜井段的井眼轨迹控制，其方法与普通定向井相似。对

于长半径水平井而言，其造斜率是可以用常规定向井的工具和工艺来实现的，但

井斜较大于70°井段的井眼轨迹控制是普通定向井尚未涉与的新领域。对于中半

径水平井而言，研究以转盘钻具组合实现高造斜率的技术手段和途径是钻增斜井

段的技术关键。

因此，以转盘钻为主钻增斜井段的井眼轨迹控制的主要技术难点是在大井斜

或高造斜率条件下，如何通过调整钻具组合与钻井参数，在保证井下平安的情况

下实现井眼轨迹的有效控制。

4.3以转盘钻为主钻水平井段的井眼轨迹控制工艺技术

水平井采用采用何种钻井方式来进展有效的井眼轨迹控制，并能到达经济平

安的目的，这对不同长度和不同靶区类型与精度要求的水平井段有不同的选择,

也是水平井井眼轨迹控制的技术关键之。

4.4以动力钻具为主的水平井井眼轨迹控制模式

实践证明，中半径水平井在钻进过程中的摩阻、扭矩远比长半径水平井小，

更有利于平安钻井和钻成更长的水平井段。而且通过提高造斜率、缩短靶前位移、

缩短斜井段长度，有利于进一步缩短水平井的钻井周期，降低钻井本钱，提高经

济效益。使用各种弯壳体的动力钻具组合可以实现高造斜率的稳定控制。

以动力钻具组合钻进为主，以转盘钻具组合进展通井、调整造斜率为铺，既

可以克制动力钻具循环排量小的缺乏，通过通井和大排量循环铲除岩屑床，调整

动力钻具造斜率的偏差和调整井眼垂深，又可以加大钻压钻掉可钻性差的地层，

是水平井平安钻井的有效措施。这一钻井模式的主要容是：

①直井段与转盘钻模式一样，充分利用成功的高压喷射和防斜打直技术，严格将

造斜点前的直井段井眼轨迹控制在允许围之，快速优质地钻完该井段。

②对入靶前地层较稳定的水平井，造斜段的施工以弯壳体动力钻具为主要钻进方

式，以转盘钻具组合通井铲除岩屑床和修整井眼，并完成稳斜段或造斜率较低的

调整段，以二至三套钻具组合在至而至三趟钻钻完0-90°造斜段。

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③对入靶前地层稳定性较差的水平井，造斜段的施工以单弯动力钻具与转盘钻具

组合相结合的钻进方式，用动力钻具在易造斜井段按设计先打出高造斜率，再用

转盘钻具组合钻掉可钻性差的井段〔即后打出低造斜率)。对设计造斜率较低的疏

松地层,在采用动力钻具或转盘钻具组合时，都应当使用比正常井段造斜率高一级

的钻具组合来完成。

④对地质设计靶区垂深误差要求在5一10m、而平面误差大于5m的水平探井和水平

开发井，以转盘钻钻具组合为主要钻进方式，可采用大排量来提高携岩能力，以

两套转盘钻钻具组合用二至三趟钻钻完500m左右的水平井段。应备用一套DTU导向

钻具或1°左右的单弯动力钻具，以弥补转盘钻钻具组合的意外失控。

⑤对地质设计靶区垂深误差要求在5m之、而平面误差也小于5m的水平穿巷道井，

采用DTU导向钻具或1°左右的单弯动力钻具与转盘钻钻具组合相结合的方式钻水

平段。

4.5以动力钻具为主钻增斜井段的井眼轨迹控制工艺技术

采用动力钻具为主钻增斜井段能获得高造斜率，并采用有线随钻测斜仪或MWD

无线随钻测斜仪严格监控井眼轨迹，通过调整和控制动力钻具的工具面，可以获

得较稳定的井眼全角变化率，几乎不存在出现方位漂移的问题。因此,造斜井段井

眼轨迹控制工艺技术研究的重点是在不同的井眼条件下，如何选择不同角度的单

弯动力钻具来获得需要的造斜率，并研究与之相关因素的影响规律。井眼轨迹控

制的对象是控制稳定的井眼全角变化率，使之得到与设计轨道相符合的连续的轨

迹点位置和矢量方向。

从提高水平井钻井速度和效益的角度来讲，针对水平井的井眼轨道设计，合

理选择动力钻具的角度与与之配合的钻头、测量工具与合理的钻进参数和技术措

施，使每套钻具组合到达设计的目，是水平井井眼轨迹控制工艺技术所攻关和研

究的方向之一。

5、轨道控制方案设计

从海上平台上所钻的世界第一口水平井，预计目的层上下边界地层深度为2552米

与2562米。但在实钻中，这两个层面分别在2541.5米与2552.5米深度下提前钻

到。还有，国南部油田的流花11-1-6井，华北油田任平1井在进潜山时的层位深

度变化，胜利油田的几口水平井亦遇到类似情况。

综观上述事实与实际钻井实践过程，深度的误差是难免的，它是影响轨道施工方

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案设计的重要因素之一，油中深度的不确定性将直接影响着轨道控制方案的选择

问题。目前常用的减少油中深度的不确定性的方法是通过标准层的比照来实现的。

另从施工本身而言，还存在着工具本身的实际造斜率与设计造斜率之间的偏差，

这种偏差也是难免的，每种工具在不同地层，不同的钻井条件下，其造斜率总会

表现出一定的差异，显然，偏差围越小，控制精度越高，对轨道的控制越有利。

这种偏差也是影响轨道控制方案设计的重要因素之一。

考虑施工中影响轨道控制方案的因素，设计出适当的轨道控制方案，以适应

这些因素在实钻中对轨道控制的影响，争取主动，是水平井尤其是薄油层水平井

井眼轨道控制工艺的重要容之一。本文总结出三种目前普遍采用的控制方案的设

计方法。树平1井的轨道控制实践充分说明了该方法在薄油层中半径水平井着陆

控制方案设计上具有普遍意义。

5.1单元弧法

该法是一单元弧造斜段从着陆控制过程的起始点直接钻至靶区着陆点的方法。适

用于油层厚度大，靶窗高度大，且油中的深度相对确定的情况。这样，仅需考虑

工具的造斜的误差，以选择适宜的造斜率和井斜角。为保证工具的造斜率存在误

差的情况下亦能顺利中靶着陆，那么必须要求以所选工具造斜率的上限造斜时不

高出靶窗上方，而以其造斜率的下限造斜时不低于靶窗下方。如图6所示。

设C点为着陆控制段始点，即当前井底位置，L为着陆点，T为设计靶点，I

L

为着

陆点井斜，C点与T点的垂直深度差为△H，水平位移差为△S，设计的靶窗高度

2h。单元弧法就是从C点设计一圆弧段，与靶中心线相切，设切点为L。这样便

能保证单圆弧着陆。但由于C点的位置与井斜I

C

与T点位置与井斜I

L

等条件的限

制，实际着陆点L与T点不一定重合，这样就必会出现一段距离，即着陆平差。

平差的大小在某种程度上也反映了轨道控制的准确程度。上图中设圆弧段造斜率

为B°/30m。靶区上限与下限着陆的造斜

率分别为Bmax°/30m和Bmin°/30m。那么有：

L

ctgISHH·△△(b)

B

H

COSII

SInIHSctgI

II

I

lC

ll

lC

L











1719117191()cos(()

sin

(c)

10/25

l

Cl

L

SInI

IICOS

hctgISH

B

)(1

1719

max









(d)

L

Cl

l

I

II

hctgISH

B

sin

)cos((1

1719

min







(e)

当设计靶区水平段井斜I

L

=90°时，H=△H，此时式(c)、(d)、(e)变为：

)sin1(

1719

L

I

H

B



(f)

)sin1(

1719

maxC

I

hH

B



(g)

)sin1(

1719

minC

I

hH

B



(h)

通过上述计算可知，应选择造斜率为B°/30m的工具从C点开场造斜着陆进

靶，且该工具的最大造斜率不应超出Bmax°/30m，也不应低于Bmin°/30m，设实

钻中工具的造斜率B。那么最终着陆点与设计着陆靶点T的平差

P

S为：

SII

B

S

LCp

coscos

1719

0

(i)

当

P

S〈0，表示实际着陆点的水平位移小于设计着陆点的位移，即提前着陆，当

P

S〉

0时表示实际着陆点的水平位移大于设计着陆点的水平位移，即延迟着陆。

单元弧法设计中的另一种情况是着陆段所用的工具的造斜率为B°/30m，其

上下限造斜率分别为Bmax°/30m与Bmin°/30m，选择适宜的着陆段初始井斜角

11/25

I

C

的问题，如上图所示，为使该工具能顺利陆着进靶，那么必须满足：

h

I

II

BB

L

CL2

sin

)cos(1

17191719

maxmin







































故着陆始点理想的井斜角应不小于：

)

)(1719

sin2

1arccos(

minmax

minmax

BB

BBIh

IIL

LC



(j)

否那么用该工具造斜将可能出靶。

5.2应变法

该法指在着陆控制中，为适应实钻过程中可能出现的各种误差而在两段增斜

段中设置一稳斜调整段的方法。设置调整段的目的，一方面是为了适应在实验中

油中浓度发生变化时，随着调整方案而不致于使轨道控处于被动地位，另一方面

可通过调整段补偿前段造斜时工具造斜率的误差所造成的轨道偏差，以使在最终

着陆时进靶能够更加准确、顺利。这是一种“以不变应万变〞的设计方法，见图

7。

应变段井斜

e

I的设计满足当以

e

I稳斜时，在钻遇并探测到真正的油顶之后，

有足够余地留待在轨道着陆控制段控制时，先以造斜率B

1

°/30m从当前井底位置

C点开场增斜到E点，即从井斜

c

I增至

e

I，进入应变段，之后一直稳斜，配合地

质与油层随钻参数显示，直至探到油顶位置，确定出确切油中深度之后，最后以

设计的造斜率B

2

°/30m增斜着陆进靶窗。该设计方法中，有三个参数需要确定：

①应变段的井斜

e

I；

②应变段的长度

y

L；

③第一增斜段增斜率B

1

°/30m。

12/25

应变井斜

e

I的计算

应变井斜

e

I的设计应满足当以

e

I稳斜时在钻遇并探测到真正的油顶之后，有足够

的余地留待造斜率为B

2

°/30m的工具着陆进靶而不致于错过靶窗，设油层靶中深

度离油顶以下距离d米，

r

L为钻具组合中地质参数仪器〔如随钻γ参数探测仪〕

离钻头的最大距离，如图8所示，那么

e

I应满足：

dII

B

II

eLec

)sin(sin

1719

cos

2

解上方程可得：

2

2

2

2

2

2

2

2

)

1719

(

sin

1719

arcsin

)

1719

(

1719

arccos

B

L

dI

B

B

L

B

I

r

L

r

e











上式求出的

e

I角还应根据B2

造斜率在实际应用时变化值的上、下限以与靶窗高度

依式〔j〕进展校核，取二者中的大者做为应变段井斜角

e

I。

13/25

二、应变段长度与造斜率B

1

确实定。

如下图，由于

e

I已求出，F点的相对位置便可确定。

)sin(sin

1719

2

eLF

II

B

HH－＝

)cos(cos

1719

2

eLF

II

B

SS－＝

式中：△H

F

－F点相对于C点的垂差。

F

S－F点相对于C点的水平距离。

为计算方便，在图中过F点作靶中心线的平行线KF交过C点的垂线于K点，CK

的距离为H。那么有：

LLeeL

ctgIII

B

SII

B

HH













)cos(cos

1719

)sin(sin

1719

22

从而可得稳斜段长Ly与B

1

的关系：

HctgIILII

B

ILII

BLeyLeeyeL















sin)cos(cos

1719

cos)sin(sin

1719

21

解上式得：



)sin(sin

)cos()cos(1719

1

eLyL

cLeL

IILIH

IIII

B





＝(k)

此时平增大小为：

14/25

Feyecp

SILII

B

Ssin)(cos

1719

1

(l)

从式(k)与(l)可知，

y

L减少时，

1

B也随之减少，此时造斜段和水平段的位移减少，

当

y

L减为0时，即为单圆弧，此时水平位移最短。如图9所示：(应变段末端必

须落在KF线上)。

显然，

y

L越长，

1

B越大，水平位移越远，可能造成的平差越大，为此，在设计时

应选择适宜的

y

L，不但要吸收误差，而且具有足够的长度使轨道穿过油顶，帮应

根据油顶实际可能存在的大小△E来设计稳斜段长

y

L，不但要吸收误差，而且具

有足够的长度使轨道穿过油顶，故应根据油顶实际可能存在的误差大小△E来设

计稳斜段长

y

L，从而最终确定

1

B。由图知稳斜段长度

y

L至少应为：

r

e

y

L

I

E

L





cos

(m)

可将式(m)代入式(k)求得第一造斜段造斜率B

1

°/30m。

从上面的设计可以看出，当用(m)式求得的

y

L与式(k)求得的

1

B进展计算水平

位移时，如果此时的水平位移比原设计的水平位移小时，可以适当增加

y

L的长度，

增加第一段造斜率，缩短平差，从而到达调整的目的。

5.3导眼法

15/25

所谓导眼法即在水平井着陆控制之前，先以一定的井斜直接稳斜钻入油层，探得

油顶与油中深度之后，回填到一定深度后以单元弧方式直接进展着陆。采用这种

方法，主要地对油层确实切深度把握不准，且在油层上部无适宜的标准层可做参

考，这样为确保水平井钻井目的，该法不失为行之有效的最直接的方法。

当决定要用导眼法且工程上可行时，在轨道控制方面，需要解决的问题是：

导眼段的井斜

d

I；

回填的井段长度

h

L。

由于该法与单圆弧法根本类似，在确定了造斜工具的造斜率B与其上、下限变化

围

minmax

,BB之后,根据所设计的靶区高度，可按式(j)直接求得，如下图。

















)(1719

sin2

1arccos

minmax

minmax

BB

BBIh

IIL

Ld

式中，

L

I：水平段设计井斜；

h:靶窗单边高度(靶窗总高为2h)。

如图10所示，设C点为回填到的井底那一点，作靶中心线的延长线交过C点的垂

线于K点。那么有：

L

dL

I

II

B

H

sin

)sin(1

1719

－

＝

)sin(

)cos(1

1719

dL

dL

hII

II

B

L



－

＝

16/25

即在导眼段钻遇油中后，回填米

h

L，便能保证在回填后，以单圆弧造斜，顺利着

陆进靶。

6、水平井复杂情况与事故预防处理

6.1由垂直井眼变成倾斜(水平)井眼带来的特性

6.1.l、钻具贴井壁，受力状况发生变化

从造斜段开场，钻具受力状况相对直井发生了根本的变化。

①造斜段：由于斜井段钻具的斜向拉力造成此处钻具被“拉向〞上井壁。造斜

点较高的井可明显在井口出现钻具向定向方向的“偏移〞。随着井深增加，造斜

点以下钻具重量随着造斜率的增大，在造斜段出现的侧向力F那么随之增大、起

下的摩阻增大，随着时间的延长，起下钻和转动在此处形成键槽。

②斜井段：由于钻具自重，钻具“躺在〞下井壁，对井壁侧压力的增大，带

来磨阻(起下)和扭矩的增大〈旋转〉。

③钻头的受力变化出现侧向分力，当使用增斜钻具结构时，由于近钻头扶

正器的“支点〞作用而产生向高边的侧向力；使用降斜组合时，由于“钟摆力〞

作用而向低边产生侧向力，由于下部钻具结构和钻头重力作用，始终产生降斜

趋势，需用刚性组合来保持井斜的稳定或大于此趋势产生增斜力。

6.1.2偏心环空和岩屑床

国外专家和“七五〞攻关项目中希圣教授等专家研究说明，由于斜井钻具

偏向下井壁而形成了“偏心环空〞，岩屑的沉降，运移与直井相比发生了根本

的变化，岩屑出现向井壁径向沉降的趋势，由于偏心环空流速的不均匀，在下

井壁形成岩屑床，在一定条件下还会发生岩屑床的滑移、堆积，给大斜度、水

平井施工带来威胁，如何正确认识此特点拼采取相应的措施是定向井，尤其是

大斜度井、水平井成功与否的关键。

研究的主要结论有：

①偏心环空场中，大环隙处流速大，小环隙处流速小，促使岩屑床的产生。

17/25

②岩屑床厚度随流速的减少和井眼斜度的增加而增加，但倾角大于一定值后，

其岩屑床厚度根本保持不变。

③环空岩屑浓度在临界角〔30°≤θ≤60°〕围最大。环空岩屑浓度随流速的

增加而降低。

注：对临界角的界限，有人认为35°~70°，但总的围是相近的。④当井

眼倾角处于临界倾角围时，由于岩屑床的形成与滑移，岩、屑势必下滑堆积。

容易造成钻具的阻卡。

⑤各倾角都存在一个“临界流速〞。当环空流速大于该临界流速时，理

论认为不会产生岩屑床。

⑥流体粘度升高导致岩屑床厚度降低，岩冒浓度降低，提高了岩屑输送

效果。

下面就斜井几种状态下的井屑运动方式做一分析：

以临界角为界把斜井分为三种类型：

第一种：小于临界角的围(<30°)，只有垂直沉降，而无径向沉降。VS

为垂直沉降速度，vsr为径向沉降速度，vsa为轴向沉降速度。

VS≈0Vsa≈VS6

θ升高那么vsa越大，该围最易形成岩屑床，越接近上界越易

产生岩屑床下海堆集，是大斜度井、水平井施工中主要去除岩屑床的井段。该种

情况可近似为直井状态，不易形成岩屑床。

第二种：临界围〔>30°，>60°)

Vsa=VS*COSθVSr≈Vs*SINθ

θ升高那么vsa越大，该围最易形成岩屑床，越接近上界越易产生岩屑床下

滑堆集，是大斜度井、水平井施工中主要去除岩屑床的井段。

第三种：大于临界角〈a>60°或有的认为а>65°)

Vsa≈0Vsr≈Vs

18/25

该情况可近似视为水平井段的状况，岩屑床受洗井液的冲刷厚度不再增加，

也不产生滑移，聚集，此井段的岩屑往往被洗井液带到临界角附近聚集(60°~70°

围)。

大斜度井和水平井的实践证实了以上理论是正确的，解决的方法是：①一般

的定向井井斜角度尽量选择在30°~35°，不易形成岩屑床，施工较平安。

②对已经形成岩属床的井或大井斜角度的井采用以下主种方法减少岩屑床厚

度，清洁井眼、保证施工平安。

A、在条件允许的情况下，尽可能提高循环排量，使其接近临界返速而消弱岩

屑床，但要注意防止井径扩大。

B、提高泥浆的屈服值(YP)，增强携岩能力，减缓岩屑的径向沉积，也是减少

岩屑床厚度的有效方法。

c、由于以上两种方法的限制，最有效的方法那么是利用机械方法除砂：有顶

部驱动手段的可利用边起钻边转动钻具的方法搅动岩屑床。同时循环泥浆，去除

岩屑床；在没有顶部驱动条件的施工中，那么采用定时定井段的短起下钻手段，

起一段，循环一段的方法去除大斜角(或水平段)的岩屑床。随着井斜的增大，大

斜度井段的塔长，短起下的时间间隙越短。现在施工中，可从振动筛返出岩屑量

的减少和扭矩、摩阻的增加来判断，是否需要短起下。

6.1.3被钻开的岩层受力状况发生变化在地层倾角较小的直井，被钻开的岩层层

面与井眼轴线是垂直的。由于岩层纵向的压实程度较高，钻开的井眼局部相对较

稳定。随着井斜角的增大，岩层层面与井眼轴线夹角变小，不定岩层(如易吸水膨

胀的泥岩层)暴露面积增大，受垂直压力影响，容易吸水膨胀，剥蚀掉块，造成井

壁不稳定；对于水平井来说，水平段那么完全在油层-中延伸，其稳定性大为值得

重视，这就提出了比直井更为严格的要求钻井液防塌性要好，失水要小。

6.1.4椭圆井限的形成和键槽的产生隆①由于斜井段钻具靠井壁，起下钻和旋转

使下井壁逐渐掏大，形成椭圆井眼；左右井壁根本保持近钻头的井眼R1，而上下

方向那么形成了长轴R2，在双井径测井曲线上可以明显的看到长短轴的存在，往

19/25

往在下井壁还存在钻具旋转磨出的直径与钻杆接头接近的槽沟R3，井眼倾角越大，

施工时间越长形成的椭圆井眼越严重。在大位斜井段，由于地层软硬交织和泥岩

井径的扩大，还容易在下井壁被旋转的钻具磨出硬地层凸出处的键槽。这些“键

槽〞与扩大的泥岩井径形成“台阶〞造成起钻时，稍大于钻杆接头的7"、8"钻绽

迂阻；严重时起不出钻(特点是定深迂阻，能下放单上体不过)。椭圆井眼带来的

影响有：

A、井径扩大，循环上返速度降低，不利于洗井。

B、形成“键槽〞和“台阶〞，造成复杂情况和事故。

C、影响固井质量。

②造斜点附近在上井壁提出“键槽〞

如前所述，造斜段由于下部钻具拉力作用，使钻具靠向“上井壁〞，产生侧

向力，在钻具旋转和起下钻的刮削作用下，逐渐形成直径与钻杆接头外径相近的

“键糟〞起钻时，易使稍大于钻杆接头尺寸的7"、8"钻绽被拉入槽面卡钻。一般

在槽深大于被卡钻具半径后发生。

键槽形成的程度与以下因素有关：

①造斜率(即造斜段狗腿度)越大，形成键槽越快、越严重。②造斜点以下井

段越长，钻具越重，形成键槽越严重。

③斜井段井斜角越大，侧向拉力越大，形成键槽越严重。

④随钻井作业时间而加深。

6.1.5对悬重和钻压的影响：

①躺在下井壁的钻具使悬重变“轻〞，上提钻具时摩阻使得悬重增加，下放

那么悬重减小。对正常井眼来说，悬重的增减是有规律的，超过正常增减围，那

么是有了阻卡。

②同样，“钻压〞确实定也要考虑摩阻的影响。

6.2由井身轨迹控制需要带来的特性

l、由于定向和方位角调整的需要，增加定向作业

20/25

①使用弯曲马达定向、调方位时，钻柱不旋转，定向测量时钻

具相对静止时间长，那么要求泥浆性能稳定、携岩性和润滑性良好。这就是为什

么在定向前要调整好泥浆和适当混油的理由。

②由于弯接头或弯外壳动力钻具的使用，使得下部钻具弯曲。要求定向前井

眼畅通，而且对弯接头的度数有限制(一般不大于3°)，防止钻头偏离井眼轴线

太大而下不去。

③由于弯曲钻具的方向性〔工具面方向)，决定了动力钻具在井不得随意开泵

和使用动力马达划眼。假设中途遇阻，必须起出换转盘钻具通井。

④动力马达的工作排量一般较小，又不允许长时间停在一处循环，所以定向

完后，通井是十分必要的。

2、增加测量工作量：

除定向(或方位调整时)要频繁单点测斜〔随钻那么每根起下电缆〕外，转盘

钻也需定点测斜监控。一般测量问隔不超过50米。为了保证测量的平安，规定每

次测量前要充分循环泥浆除砂〔一般一周以上〕。

3、轨迹控制需要带来了比直井更多的起下钻更换钻具组合。往往钻头用不到

家，定向井比直井多发生起下钻作业、多消耗钻头。

4、使用满眼扶正器〔稳定器〕的下部结构带来的“满眼〞问题：

①下钻易发生遇阻，螺旋稳定器还会在小井眼段造成钻柱的

“旋转〞。不严重的阻卡往往可以通过有控制的“下砸"和“提放"，通过。.

②起钻易带来抽吸〔拔活塞〕问题：

由于“满眼〞，在易吸水膨胀井段起钻拔活塞，胜利油田曾发生在斜井中拔

活塞引起的气层井喷失控，教训是惨痛的。正因为这样，要求斜井泥浆抑制性要

好，井壁泥饼要薄，操作中要十分小心拔活塞的发生，并正确处理。

③弯曲井眼对钻具刚度变化的敏感问题：已钻过的弯曲井眼曲率是一定的。

当钻具组合因轨迹控制需要刚性变大时〔增加扶正器只数和缩短扶正器问隔〕，易

遇阻遇卡，下钻要格外小心，划眼是必要的。

21/25

特别值得提醒注意的是，定向或调整完方位后，先用较“软〞的转盘钻具组

合通井，十分必要。

6.3、影响定向井(水平井)平安的因素

合理的剖面设计：

剖面类型的选择：

除了多目标经和开发有特殊要求的定向井〔如限定造斜点深度、要求垂直进

入油层等)外，剖面越简单，越平安易打。常常采用的是“三段制〞剖面。获得的

位移大，相对摩阻小，而“S〞形井跟(四、五段制)的摩阻较大，一般尽量防止。

国外有人认为变造斜率大出的“悬链式〞剖面使钻具受力最小、摩阻最小，

但这种“变造斜率〞在实施过程中难以实现，并使施工变得十分复杂。

6.3.2造斜点和造斜率的选择：

①造斜点高使得定向容易〔起下钻和测量快，容易定准，进尺快，动力钻具工作

时间短〕；上部地层软，形成的键槽软，易破坏掉；用较小的井斜获得的位移大。

其缺点是轨迹控制井段变长，后面井段长，钻具重，更容易形成键槽。通常到达

稳斜段后、下一层技套封固造斜段可防止键槽带来的麻烦。

②造斜点低那么定向困难，需要的造斜率和最大井斜相对要大。但需要控制

的井段大大缩短，为了准确，往往采用随钻测量工具定向。

③造斜率的选择：

高造斜点选用高造斜率是十分危险的。形成的狗腿角大，很容易在下部(长井

段)钻具重量作用下形成严重的键槽，造成卡钻。相反，为了减少轨迹控制的工作

量，提高定向井建井速度，在位移条件允许情况下，可采用低造斜点高造斜率施

工，全井的摩阻也会因斜井段短面变小。同样，需要随钻测量的手段保证定向的

准确。

井身结构的选择：

套管层次和井眼尺寸的选择原那么

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(l)尽可能下层技套封住造斜段和增斜段，有利于保护上部松软地层和造斜

狗腿。

(2)防止斜井裸眼段过长(尤其是大斜度和水平井)。

(3)防止17—l/2"以上井眼尺寸中定向造斜〔尤其是大斜度井和水平井)过

大的扭矩会带来钻具事故。

技套下深确实定原那么

(1)封住易垮易塌和其它特殊地层。

(2)一般为进入稳斜段50米，有利于保护套管鞋。

(3)有利于“岩屑床〞的消除和保护井眼。

(4)水平井一般在进入靶盒前下入技套。

对定向井泥浆的要求

良好的润滑原理

常混入6%-15%的原油或柴油做润滑剂，同时加乳化剂和提高PH值使之乳化

良好，有特殊要求的井可采用“无荧光类〞润滑类，在电测和下套管可参加少量

的固体润滑剂减阻。

良好的防塌性和低失水。

良好的流变性和较高的提岩能力要十分注意定向井泥浆的动切力〔YP〕保持

较高值，一般使PV：YP值接近1：l〔老计量单位〕

十分重视定向井泥浆的“净化〞工作

光滑，干净的泥饼是定向井防粘卡，低摩阻的关键，要求到达三级净化，有

条件的使用离心别离机降低有害的固相。

井眼轨迹控制因素

轨迹“光滑〞，防止来回扭动和井斜的上下摆动。

与时调整方位，防止“狗腿角〞过大。

①选择适宜的井段调整方位，使工作量最小；随着井深的增加地层变硬，方

位调整工作越困难，形成的狗腿角也越大。

23/25

②定向造斜段，方位不稳定，需要与时作图分析；方位出现偏

差时与时调整非常重要，方位漂移的同时，井斜角较快增加，调整越晚，狗腿严

重度越大，调整工作越困难，对井眼平安危害越大。

采用尽可能简化的钻具结构

〔1〕由于斜井钻具承压能力大大增加〔一次弯曲的临界值随井斜的增大而大

幅度提高〕为定向井少用钻铤提供了有利条件。

〔2〕防止下部结构井中，最上扶正器以上光钻链的使用，而用加重钻杆代替

(在大斜度情况下可用光钻杆代替)，可大大减少与井壁的接触面积而有效防止粘

卡。

(3)尽量防止在下部组合的最上端出现7"钻链，7"钻筷往往是最容易钻进健

槽到起卡钻的尺寸。

〔4)使用随钻震击器，一般放在钻链的上面，其尺寸不大于钻链的尺寸，上

部常加5~10加重钻杆做为震击的锤击力量。

〔5〕只要能有效的控制住井斜，方位，尽可能少用扶正器，以减少钻具组合

的刚度。

司钻操作要求：

严格控制钻具在斜井的静止时间，防止粘卡的发生过去规定静止时间不超过

3分钟，随着泥浆体系的进步和净化工作的加强，静止时间允许延长，为了养成

与时活动的好习惯，一般仍规定静止时间限制。

为防止沉砂和粘卡事故的发生，常规定三不接单根

(1)泵压不正常不接单根

(2)悬重压不正常不接单根

(3)井口准备工作不好不接单根

井口动作较慢的情况下，中途应强调司钻活动一下钻具〔或转动转盘)

要求在斜井段起钻一律采用低速，防止快速起车迂阻拔

24/25

死，一但迂卡后，严禁硬拔，而采用上提下砸加循环的方法消除阻卡，必要时倒

划眼通过。

由于斜井钻具走上井壁，常迂阻和碰到台阶(有时是扶正器受阻)，在划眼

方法上要讲究，采用“点拔法〞，即放一点，拨动几圈转盘，待悬重恢复后，再

压一点，再拔一下转盘，示返流的加压划眼，造成出新眼。轻微的迂阻时，可用

“点拨法〞'的方法，克制井壁摩擦防止划眼。

保护井眼的做法：

(l)循环泥浆或停钻时，活动钻具应以上提下放为主，每次活动幅度大于3米，防

止在原地刹车转动，防止划出台阶，大肚子。

(2)起钻正确判断“拔活塞〞与时循环消除，防拔垮井眼。

(3)保证轨迹控制的前提下，尽量提高机械钻速，缩短钻井周期，减少泥浆

侵泡时间。稳斜井段可采用高压喷射和新型喷嘴技术。

(4)减少一切不必要的划眼。

〔5〕保持井眼液柱压力的平衡，防止因液柱压力大幅度变化，井壁压力平衡

破坏；带来的塌垮和粘卡。

通过转盘扭矩仪〔或判断转盘，钻机负荷)判断井下扭矩大小，与时循环，

划眼处理防止扭断钻具。

深井，硬地层井段，经常有计划的倒换钻柱位置，一般取上倒到最下，防止

对钻具的“偏磨〞定期对下部组合的钻铤，扶正器，震击器，加重钻杆进展探伤，

防断。

关于防止键槽卡钻的要求

〔l〕造斜点裔的井，下技套管前应对短起下钻的间隔时间做明确规定，防止

时间过长，形成键槽卡钻，用短起下方法，拉掉槽子。

〔2〕短起下的行程规定：

A、定向后第一趟转盘钻矩起下时必须起到表层套管，

B、其它情况那么必须经常起过造斜点以上l00米。

25/25

〔3〕下部硬地层的短起下，也根据实际情况决定其时间间隔或进尺间隔，其

行程一般超过新打井段l00米以上，发现有易造成下井壁台阶的井段尽量起到技

套鞋。

(4)各次电测前裸眼井段必须短起下一次。

〔5〕键槽发生位置，每次起钻下部组合起到此位置，应十分小心操作，防止

拔死。

(6)起钻过程中因键槽造成阻卡的处理方法：

a、超过正常拉力情况下，采用每次少增力口几吨拉力〔条件是下放能砸开)

用上下大幅度活动的方法拉掉键槽，正常后继续上起。

b、用上述方法消除不了，必须接方钻汗用卡瓦倒划眼，每次上提少一点，

逐渐划掉，连免提得过多划不动或卡死。

c、倒划无效那么用键槽破坏器处理，其直径大于最大钻筷外径，井口接土

能下到键槽位置的，可破槽到起出，假设键槽位置过深，那么需倒扣后下钻破槽。

(7)主动破槽的方法：键槽位置，那么在钻具中接一破槽器(外径选择同上)，

使钻头下到井底附近时，它处于键槽位置以上30米左右；利用钻进条件，造斜钻

钻具被拉向上井壁，破槽器才能有效的工作，对于破稳斜段由于地层原因形成的

台阶类键槽那么需要算好位置，在破槽器两端加一定重量的加重钻杆，帮助破槽，

直至正常为至。

〔8〕用旧扶正器两端斜台肩上铺焊颗粒硬质合金做破槽器比专用破槽器更

平安可靠。