第三章 定向井、水平井井身軌跡控制技術
第一節 定向井、水平井井眼軌跡控制理論
無論是定向井，還是水平井，控制井眼軌跡的最終目的都是要按設計要求中靶。但因水平井的井身剖面特點、目的層靶區的要求等與普通定向井和多目標井不同，在井眼軌跡控制方面具有許多與定向井、多目標井不同的新概念，需要建立一套新的概念和理論體系來作為水平井井眼軌跡控制的理論依據和指導思想。
我們在長、中半徑水平井的井眼軌跡控制模式的形成和驗證過程中，針對不斷出現的軌跡控制問題，建立了適應于水平井軌跡控制特點的幾個新概念。
一、水平井的中靶概念
地質給出的水平井靶區通常是一個在目的層內以設計的水平井眼軌道為軸線的柱狀靶，其橫截面多為矩形或圓。我們可以把這個柱狀靶看成是由無數個相互平行的法面平面組成，因此，控制水平井井眼軌跡中靶，與普通定向井、多目標井是個截然不同的新概念，主要體現是:
井眼軌跡中靶時進入的平面是一個法平面（也稱目標窗口），但中靶的靶區不是一個平面，而是一個柱狀體，因此，不僅要求實鉆軌跡點在窗口平面的設計范圍內，而且要求點的矢量方向符合設計，使實鉆軌跡點在進入目標窗口平面后的每一個點都處于靶柱所限制的范圍內。也就是說，控制水平井井眼軌跡中靶的要素是實鉆軌跡在靶柱內的每一點的位置要到位（即入靶點的井斜角、方位角、垂深和位移在設計要求的范圍內），也就是我們所講的矢量中靶。
二、水平井增斜井段井眼軌跡控制的特點及影響因素
對一口實鉆水平井，從造斜點到目的層入靶點的設計垂深增量和水平位移增量是一定的，如果實鉆軌跡點的位置和矢量方向偏離設計軌道，勢必改變待鉆井眼的垂深增量和位移增量的關系，也直接影響到待鉆井眼軌跡的中靶精度。
水平井鉆井工程設計中所給定的鉆具組合是在一定的理論計算和實踐經驗的基礎上得出的，隨著理性認識的深化和實踐經驗總結，設計的鉆具組合鉆出實際井眼軌跡與設計軌道曲線的符合程度會不斷提高。但是，由于井下條件的復雜性和多變性，這個符合程度總是相對的。實鉆井眼軌跡點的位置相對于設計軌道曲線總是會提前、或適中、或滯后，點的井斜角大小也可能是超前、適中、或滯后。
實鉆軌跡點的位置和點的井斜角大小對待鉆井眼軌跡中靶的影響規律是：
① 實鉆軌跡點的位置超前，相當于縮短了靶前位移。此時若井斜角偏大，會使穩斜鉆至目的層所產生的位移接近甚至超過目標窗口平面的位置，必將延遲入靶，且往往在窗口處脫靶。
② 軌跡點位置適中，若此時井斜角大小也適中，是實鉆軌跡與設計軌道符合的理想狀態。但若井斜角大小超前過多，往往需要加長穩斜段，可能造成延遲入靶，或在窗口處脫靶。
③ 軌跡點的位置滯后，相當于加長靶前位移。此時若井斜角偏低，就需要提高造斜率以改變待鉆井眼垂深和位移增量之間的關系，往往要采用較高的造斜率而提前入靶。
實踐表明，控制軌跡點的位置接近或少量滯后于設計軌道，并保持合適的井斜角，有利于井眼軌跡的控制。點的井斜角偏大可能導致脫靶或入靶前所需要的造斜率偏高。實際上，水平井造斜段井眼軌跡控制也是軌跡點的位置和矢量方向的綜合控制，這對于沒有設計穩斜調整段的井身剖面更是如此。
在實際井眼軌跡控制過程中，我們根據造斜段井眼軌跡控制的新概念和實鉆軌跡點的位置、點的井斜角大小對待鉆井眼軌跡中靶的影響規律，將造斜井段井眼軌跡的控制程度限定在有利于入靶點矢量中靶的范圍內。也就是說，在軌跡預測計算結果表明有余地、并有后備工具條件時，應當充分發揮動力鉆具的一次造斜能力，以提高工作效率，減少起下鉆次數。
三、井身剖面的特點及廣義調整井段的概念
根據長、中半徑水平井常用井身剖面曲線的特點，剖面類型大致可分為單圓弧增斜剖面、具有穩斜調整段的剖面和多段增斜剖面（或分段造斜剖面）幾種類型，不同的剖面類型在軌跡控制上有不同的特點，待鉆井眼軌跡的預測和現場設計方法也有所不同。
1、 水平井常用井身剖面曲線的特點
① 單圓弧增斜剖面
單圓弧增斜剖面是最簡單的剖面，它從造斜點開始，以不變的造斜率鉆達目標,勝利油田的樊 13- 平 1 井采用了這種剖面。這種剖面要求靶區范圍足夠寬，以滿足鉆具造斜率偏差的要求，除非能夠準確地控制鉆具的造斜性能，否則需要花較大的工作量隨時調整和控制造斜率，因而一般很少采用這種剖面。
② 具有切線調整段的剖面
具有切線調整段的剖面，它又可分為：
（a）單曲率—切線剖面：具有造斜率相等的兩個造斜段，中間以穩斜段調整。
（b）變曲率—切線剖面：由兩個（或兩個以上）造斜率不相等的造斜段組成，中間用一個（或一個以上）穩斜段來調整。如永35—平 1 井、草 20—平 1 井、草 20—平 2 井等就屬于這種剖面。
這是最常用的剖面類型，因為多數造斜鉆具的造斜特性不可能保持非常穩定，常常產生一定程度的偏差，這就需要在造斜井段之間增加一斜直井段來調節補償這種偏差。單曲率—切線剖面后一段的造斜率可以在鉆第一造斜段的過程中比較精確地預測出來，然后及時計算修改穩斜段的長度，以補償第一段造斜率與設計的偏差，使井眼軌跡準確地鉆達目標點的垂深。
③ 多造斜率剖面
多造斜率剖面（或分段造斜剖面），造斜曲線由兩個以上不同造斜率的造斜段組成，是一種比較復雜的井身剖面。
在水平 4 井攻關和試驗過程中，我們根據勝利油田地質地層特點，采用了三段增斜方法設計水平井井眼軌道，在實鉆過程中可以充分發揮動力鉆具和轉盤鉆具各自的優勢，提高鉆井速度。將常規設計的穩斜井段改為第二增斜段，通過調整該段的造斜率和段長，同樣可以彌補鉆具造斜能力的偏差，而且還可以實現用一套鉆具組合完成第一造斜段的通井和第二造斜段的鉆進，并減少了起下鉆次數。轉盤增斜鉆具組合與穩斜的剛性鉆具組合比較，其剛性小，摩阻力小，不易出新井眼，有利于井下安全。采用轉盤鉆具鉆進可以使用較大的鉆壓以提高機械鉆速，縮短鉆井周期。
2、 廣義的調整井段概念
據國外水平井資料介紹，在多數水平井設計中習慣采用具有穩斜調整段的剖面，用穩斜段作為軌跡控制的調整井段。通過實踐我們認識到，水平井的調整井段還有更為廣泛的含義。
首先，我們知道，目的層入靶點位置的準確性和目的層厚度是影響水平井中靶的重要因素之一。如何利用穩斜調整井段來提高中靶精度，對目的層是薄產層的水平井尤為重要。由于在井斜角較大時，增斜率的偏差主要影響水平位移，而對垂深的影響很小，可以在大井斜角度下提高垂深的精度。因此，在入靶前的大井斜角井段增加一穩斜調整段，既可調整垂深精度，又有助于及時辨別地質標準層，以便及時準確地確定目的層入靶點的相對位置。
其次，由于目前的硬件條件不十分完善，在鉆中半徑水平井的兩趟動力鉆具組合井段之間選擇一調整井段，采用柔性的轉盤增斜鉆具組合來鉆進，不僅可以鉆出較小的造斜率井段以緩解第一和第三段造斜率，滿足對井眼軌跡控制的需要，而且對改變井眼的清潔狀況、防止出新眼都具有十分重要的作用。
因此，調整井段的廣義概念不僅是調整井眼軌跡，同時可以調整鉆井過程中井眼的清潔凈化狀況；不僅調整井眼軌跡的中靶精度，還可根據地質要求及時調整目的層入靶點的相對位置；不僅可以是穩斜井段，還可以是適當造斜率的增斜井段。
四、水平井待鉆井眼軌跡的現場設計預測模式
在水平井井眼軌跡的控制過程中，由于地質因素、鉆具的造斜能力、鉆井參數等發生變化，往往使實際的造斜率與設計或理論造斜率不同，或者由于地質設計目的層發生變化等，這都需要根據實鉆情況在現場隨時預測待鉆井眼的鉆進趨勢，及時調整和修改設計方案，采取相應措施。
現場待鉆井眼的設計和預測，在不同的條件和具有不同的中靶要求下具有不同的計算模式，但水平井待鉆井眼軌跡設計和預測的目的都是要計算在一定前提條件下鉆至入靶窗口時的垂深、投影位移、井斜角和井斜方位角是否合符要求（也即控制實鉆軌跡點的位置和矢量方向在設計精度范圍內中靶）。
對設計的二維剖面水平井，控制井眼軌跡的中心任務是控制其造斜率Kα（也即控制剖面曲率半徑 Rv），中半徑水平井更是如此。在這類水平井中雖然控制方位變化率也是非常重要的，但通過我們的現場實踐和分析比較后認為有下列幾方面的原因，在待鉆井眼軌跡現場設計預測時可以先不考慮方位變化率 KФ，待造斜率 Kα設計完成后（由 Kα=5730/Rv 求得），再根據所需方位變化量△Ф求出待鉆井眼的方位變化率KФ，或求出單位水平投影位移的方位變化量 KvФ。
① 造斜率 Kα 遠比方位漂移率 KФ高，Kα 非常接近井眼曲率 K（即狗腿嚴重度），因而在作待鉆井眼軌跡設計時可以先忽略KФ。
② 一般在大井斜角情況下的井斜方位角變化很小，趨于穩定。
③ 在以動力鉆具為主控制井眼軌跡時，隨時可以修正調整方位角Ф。
④ 入靶窗口和靶區往往對橫距 △d 的要求范圍較大，因而對方位角Ф 的允許誤差范圍 △Ф 也較大。
因此，我們所建立的待鉆井眼設計模式主要以設計 Rv 為主，對待鉆井眼的三維設計和預測，我們也建立了相應的設計預測模式。
1 按位置和矢量方向準確中靶的現場設計模式
如圖 3-1 所示的曲線 ab cd 在 d 點按設計的目的層垂深 Hm、靶前位移 Am 和井斜角αm 準確中靶，即中靶時滿足的條件∶H=Hm，V=Am，α=αm，我們根據圖示的幾何關系可以導出下式:
△L＝（n △H － m △V）／（1 － cos△α） .......（3-1）
Rv＝（△H tg αb－△V）／（m tgαb＋cosαm）.....（3-2）
其中: △H＝Hm－Hb
△V＝Am－Vb
△α＝αm－αb
m＝sinαm－sinαb
n＝cosαb－cosαm
式中:△L ---------- 切線穩斜段段長
Rv ---------- 第二增斜段的垂直曲率半徑
αb ---------- 設計的始點（b點）井斜角
Hb ---------- 設計的始點（b點）垂深
Vb ---------- 設計的始點（b點）投影位移
αm ---------- 目的層（水平段）的穩斜角
若求出 △L＝0 表示穩斜段長為 0，即不存在穩斜段
若求出 △L＜0 表示按 Hm、Am、αm 三要素準確中靶的剖面不存在，應更換計算模式按中靶精度范圍進行設計。
若計算出的 Rv 不合理（即現場條件不可能實現），也應更換計算模式按設計精度范圍進行設計。
圖 3-1 按位置和矢量方向中靶設計模式示意圖
2 在入靶窗口上下允許范圍內按矢量方向中靶的設計模式
如圖 4-2 所示，靶區允許縱向誤差范圍 △Hm（△Hm＝2△h），也就是允許在垂深 H1 和 H2 之間入靶并使造斜終點的井斜角等于水平段井斜角 αm，即中靶時滿足的條件是：H＝Hm±△h 并在 V＝Aa～Ab 之間使α＝αm。根據圖示關系我們可以導出:
Rvmin＝（H1－Hb）／m ..........................（3-3）
Rvmax＝（H2－Hb）／m ..........................（3-4）
然后根據 Rvmin 和 Hvmax 求:
V1＝ n Rvmin ..................................（3-5）
V2＝ n Rvmax ..................................（3-6）
式中: Rvmin 是按允許最小垂深求出的最小曲率半徑
Rvmax 是按允許最大垂深求出的最大曲率半徑
H1 是中靶允許的最小垂深
H2 是中靶允許的最大垂深
V1、V2是井斜角達到 αm 時的投影位移
若求出 V2＞Am 這時井眼軌跡在入靶窗口平面的垂深 H＝Hm＋h（h＜0），我們要校核是否滿足│h│＜△h，否則要調整 Rv 重新設計。
（3-3）和（3-4）表明，只要待鉆井眼所采用的 Rv 在 Rvmin 和Rvmax 之間，即可以滿足在 H1 和 H2 之間中靶的條件（即在 △Hm范圍內中靶）。

此模式的不足是在入靶窗口軌跡點的矢量方向往往都不合適。
圖 3-2 按靶區精度范圍中靶設計模式示意圖

3 在入靶窗口前后一定范圍內按矢量方向中靶的現場設計模式
如圖 3-2 所示，我們可以在入靶窗口平面的前后位置點 3 或點4達到設計目的層垂深 Hm 和井斜角αm，即滿足條件為：在 H＝Hm 時α=αm，此時入靶窗口平面內 H=Hm+h（h≤0），根據圖示條件我們可以簡單地求出：
Rv＝（Hm－Hb）／m ...............................（3-7）
但此種方法只能求出唯一的 Rv 值，而且往往與現場條件不相符，因此我們在待鉆井眼中增設一穩斜段作調整，這在現場應用非常方便，這樣我們可以導出：
△L＝（Hm－Hb－m Rv）／cosαb ..................（3-8）
然后再求出:
V＝Vb＋△L sinαb＋n Rv .........................（3-9）
式中的 Rv 可以用第一增斜段的平均造斜率求得，也可以根據待鉆井眼準備使用鉆具組合的造斜特性來假設。
若計算出 △L＜0 表明剖面不存在，應調整 Rv 另行設計。
若計算出 △L＝0 從（3-8）式中我們可以看出此時 Rv＝（Hm－Hb）／m，與（3-7）式完全相同，即沒有穩斜段。
若計算出 V＞Am 表明在入靶窗口之后達到 H＝Hm、α=αm，我們稱之為延遲入靶，這時在窗口平面的 H＝Hm＋h（h＜0），需要校核是否滿足│h│＜△h，否則要重新調整 Rv 值再設計。
若 V＝Am 表明在入靶窗口平面按矢量方向準確中靶（即H＝Hm、V=Am、α=αm），相當于（3-1）式和（3-2）式求出的情況。
若 V＜Am 表明在目標窗口平面之前達到 H＝Hm、α＝αm，我們稱為提前入靶，這種情況在鉆達平面時也可以達到 H=Hm、α=αm、V=Am，但所需的 Rv 往往小于設計的 Rs，甚至小于第一造斜段 Rvb。

五、水平井鉆具的受力分析
水平井鉆具的受力分析是一個比較復雜的力學問題，在水平井摩阻與扭矩分析和計算的基礎上，我們可以定性的分析在一定井眼條件和一定鉆井參數情況下，不同鉆具組合對井眼軌跡控制的能力。
鉆柱與井壁產生的摩阻和扭矩, 用滑動摩擦理論計算如下:
Ｆ ＝μ×Ｎ
Ｔr＝μ×Ｎ×Ｒ
式中:Ｆ 一 摩擦力
μ 一 摩擦系數
Ｎ 一 鉆柱和井壁間的正壓力
Ｒ 一 鉆柱的半徑
Ｔr一 摩擦扭矩
從上式可以看出，μ 和 N 是未知數，通過大量現場數據的回歸計算求出：μ＝0.21（鉆柱與套管）
μ＝0.28～0.3（鉆柱與裸眼）
同時我們對正壓力也進行了分析和計算。
1、 正壓力大小的計算
(1) 彎曲井眼內鉆具重量和井眼曲率引起的正壓力Ｎ1
現有的摩阻和扭矩計算模式是根據"軟繩"假設建立起來的，即鉆具的剛度相對于井眼曲率可忽略不計．設一彎曲井眼上鉆柱單位長度的重量為Ｗ，兩端的平均井斜角為Ｉ，兩端的平均方位角為 A。
如果假定Ｙ軸在垂直平面內,Ｘ軸在側向平面內,把Ｎ1沿Ｘ和Ｙ軸分解,則:
Ｎ1y=Ｔ×sinＩ + Ｗ×sinＩ
Ｎ1x=Ｔ×sinＡ×sinＩ


(2) 鉆柱彎曲產生的彎曲正壓力Ｎ2
鉆柱通過彎曲井段時,由于鉆柱的剛性和鉆柱的彎曲,便產生了一種附加的正壓力Ｎ2。如圖所示:
Ｒ ＝ 18000/Ｋ/pi (m)
Ｌ ＝ Ｒ×2×Φ
Φ ＝ 2×Ｌ/Ｒ
Ｌ1 ＝ 2×Ｒ×sinΦ (m)
根據力學原理:
Ｍ ＝ Ｅ×Ｉm×Ｋ/18000*pi
Ｍ ＝ Ｎ2×(Ｌ1/2)-Ｔ×Ｌ1×sinΦ
則有:
Ｎ2 ＝ 2×Ｔ×sinΦ +2×Ｅ×Ｉm×Ｋ/1719×Ｌ1
這里:
Ｋ － 井眼曲率 (°/100米)
Ｌ － 井段長度 (米)
Ｌ1 － Ｌ的直線長度 (米)
Ｎ2 － 附加正壓力 (KN)
Ｅ － 彈性模量 (KN/m)
Ｉm － 截面慣性矩 (m^4)
2、 摩擦系數的確定
在設計一口水平井時,我們可以利用鄰井摩擦系數來預算摩阻和扭矩。在實鉆過程也可以實求摩擦系數的大小,其方法如下:
(1)用轉盤鉆至某一井深時,均勻反復上提下放活動鉆具,記錄上提懸重Ｑ上和下放懸重Ｑ下。
(2) 在同一井深，轉動鉆具，記錄此時的懸重Q轉。
(3) 上提摩擦力 Ｆ上=Ｑ上-Ｑ轉,
下放摩擦力 Ｆ下=Ｑ下-Ｑ轉。
(4) 計算出相應井深的上提正壓力Ｎ上和下放正壓力Ｎ下。
(5) 求上提／.下放摩阻系數μ上和μ下:
μ上＝Ｆ上/Ｎ上＝(Ｑ上-Ｑ轉)/ Ｎ上
μ下＝Ｆ下/Ｎ下＝(Ｑ下-Ｑ轉)/ Ｎ下
水平井摩阻和扭矩的計算:
在確定了正壓力的大小和摩擦系數的大小以后,就可對水平井的摩阻和扭矩進行計算。
拉力增量 T＝W×cosI ±μ×N
扭矩增量 Tr＝μ×N×R
起鉆時:
T2＝T1+W×cosI + μ×N
下鉆時:
T2＝T1+W×cosI - μ×N
鉆具只轉動時:
T2＝T1+W×cosI
Tr2＝Tr1+ μ×N×R
使用上面的計算模式，我們編制了摩阻扭矩的計算機程序。該程序主要有兩種工作方式，即摩阻扭矩計算方式和確定摩阻系數計算方式。在確知摩擦系數的前提下，可對摩阻扭矩進行鉆前預測和實鉆校正，在這一過程中，可對各種水平井不同井段工作情況的鉆具組合進行受力分析，由此可進行鉆柱設計。在實鉆過程中，也可根據實測的摩阻值反推摩擦系數。
力學分析模式建立起來后，我們對其正確性進行了驗證。在現場施工過程中，我們將理論懸重等計算值與現場實測值進行比較，其結果比較接近，誤差僅為 1～2 % 左右，說明這一模式能夠較準確地反映出長、中半徑水平井的鉆具受力的情況。
3、 水平井鉆具的力學分析
使用該計算模式和計算機程序可對長、中半徑水平井的各種鉆具組合及各種工作狀態進行力學分析。這一工作可以作為組合下井鉆具的理論依據，也可以在實際井眼軌跡控制過程中進行現場分析，具體講來，可分為下面幾種情況。
A、起下鉆工作狀態：
可以對給定井深、給定鉆具結構在起下鉆過程進行力學分析，包括起下鉆過程中鉆柱在各處所受的軸向載荷、正壓力、摩阻。這些分析可以用繪圖或列表的形式表示出來。
B、轉盤鉆進工作狀態：
在轉盤旋轉鉆進時，可以對給定井深、鉆具結構、鉆井參數條件下的鉆柱進行力學分析，其中包括鉆柱在各處所受的張力、正壓力、扭矩。分析結果可以用繪圖或列表的形式表示出來。
C、動力鉆具鉆進工作狀態：
在動力鉆具滑動定向鉆進時，可以對給定井深、鉆具結構、鉆井參數條件下的鉆柱進行力學分析，其中包括鉆柱在各處所受的張力、正壓力、扭矩。分析結果可用繪圖或列表的形式表示出來。
利用這些分析方法，對水平井的鉆具組合進行鉆前設計、鉆進過程及鉆后分析，總結出一套適應水平井井眼軌跡控制的鉆具結構。它一般有六部分組成。
其中第一部分為井底鉆具組合，主要由鉆頭、穩定器、動力鉆具及無磁鉆鋌等組成，其主要作用是控制井眼軌跡，使之滿足軌道設計的要求。該部分鉆具單位重量相對較大，且一般處于大斜度井段或水平段，對產生鉆壓所起的作用很小甚至不起作用，因此在滿足井眼軌跡控制要求的前提下，應盡可能地縮短該部分的長度，這對于我們減小摩阻和扭矩來說是非常必要的。
第二部分是鉆壓傳遞段，其作用是將鉆壓和旋轉運動傳遞給井底鉆具組合，對它的要求是在負荷傳遞過程中不受破壞，加鉆壓后不產生彎曲，且能使產生的摩阻和扭矩最小。第三部分為增斜段下部，通常井斜角在60～90度的井段，該部分鉆柱主要承受剪切負荷、軸向負荷及由于井眼曲率而產生的彎曲負荷，因為該井段井斜大，鉆柱的重量不僅不能產生多大的鉆壓，反而會產生較大的正壓力，為減小摩阻和扭矩，在滿足剪切負荷、軸向負荷及彎曲負荷的前提下，在該井段井使用較輕的鉆具。
第四部分為增斜段上部，井斜角一般小于 60 度，對該段要求主要是在加壓時不發生失穩彎曲。
第五部分是重量累積段，要求該井段鉆具能產生第四部分以外的鉆壓。通常在增斜段上方下入鉆鋌或加重鉆桿來產生要求的鉆壓。
第六部分為直井段，該段鉆具通常處于受拉狀態，所承受的拉伸負荷及剪切負荷相對較大，要能夠滿足其強度要求。概括地講就是抗拉、抗剪、抗彎與鉆具重量間的平衡。
對于長半徑水平井來說，在井斜角α∠ ATN（1/μ）時，其鉆柱設計與普通定向井一樣，只在井斜角α≥ ATN（1/μ）或水平段時，主要要簡化井底鉆具組合使之滿足井眼軌跡控制的要求即可，這在減小摩阻扭矩的同時，還減小了粘附卡鉆的可能性。通常我們在井斜角大于 60 度以后采用 G105 斜臺肩鉆桿，其強度高、重量輕，能滿足傳遞負荷減小摩阻的要求。在此上面的鉆具為鉆壓產生段，經理論分析得知，繼續使用 G105 鉆桿就能滿足加壓的要求，鉆具不需要倒置（即不需要在上部井段下入鉆鋌或加重鉆桿以推動井底鉆具組合）。但在鉆進過程中，有時使用倒置鉆具，不是為了產生鉆壓，而是在中和點附近使用強度較高的鉆鋌，使鉆桿免遭交變載荷的作用，這對保護鉆桿來說是有益的。具體作法是在中和點附近加約 80 m 的鉆鋌，上下兩端用加重鉆桿進行過渡，在整個鉆進過程中確保中和點不落在鉆桿上，這樣倒置的另一個作用就是增加了鉆柱的儲備重量。
對于中半徑水平井來說，由于其造斜率高，增斜井段短，并且通常利用動力鉆具進行滑動定向鉆進狀態，所受摩阻較大，通常采用該分析方法并且進行倒置是非常必要的，具體鉆柱結構如前所述，各段具體長度隨井身剖面不同而異，通過該分析是不難確定的。
第二節 定向井、水平井直井段井身軌跡控制技術
1、定向井、水平井直井段井身軌跡控制技術
1)定向井、水平井直井段井斜對定向井施工的危害
定向井、水平井直井段的井身軌跡控制原則是防斜打直。有人認為普通定向井(是指單口定向井)如果直井段鉆不直影響不大，這種想法是不對的，因為當鉆至造斜點KOP時，如果直井段不直，不僅造斜點KOP處有一定井斜角而影響定向造斜的順利完成，還會因為上部井段的井斜造成的位移影響下一步的井身軌跡控制。假如KOP處的位移是負位移，為了達到設計要求，會造成在實際施工中需要比設計更大的造斜率和更大的最大井斜角度，如果是正位移情況恰好相反。如果KOP處的位移是向設計方向兩側偏離的，這是就將一口兩維定向井變成了一口三維定向井了，同時也造成下一步井身軌跡控制的困難。由于水平井的井身軌跡控制精度要求高，所以水平井直井段的井斜及所形成的位移相對與普通定向井來講更加嚴重。
如果叢式井的直井段發生井斜，不僅會造成普通定向井中所存在的危害，還會造成叢式井中兩口定向井的直井段井眼相碰的施工事故，造成新老井眼同時報廢。
2)定向井、水平井直井段井身軌跡控制及防碰繞障技術措施
①、叢式井設計是應根據本地區情況選擇好井口地面距離根據一次開鉆井眼大小及下步生產時所選用采油設備，井口地面距離一般不小于2米。
②、選擇好鉆具組合及鉆進參數
普通定向井直井段施工中，應采用本地區認為最不易發生井斜的鉆具組合，勝利油田一般在12-1/4″井眼采用塔式鉆具組合，結構是：12-1/4″鉆頭+9″鉆鋌*3根+8″鉆鋌*6根+6-1/4″鉆鋌*9根+5″鉆桿。8-1/2″井眼通常采用光鉆鋌結構或鐘擺鉆具組合，結構是：光鉆鋌組合：8-1/2″鉆頭+6-1/4″鉆鋌*9根+5″鉆桿；鐘擺組合：8-1/2″鉆頭+6-1/4″鉆鋌*2根+215.9mm鉆柱穩定器+6-1/4″鉆鋌*9根+5″鉆桿。
鉆進參數：鉆水泥塞是宜采用輕壓吊打方式穿過，以防止出水泥塞就發生井斜；鉆進參數：12-1/4″井眼，正常鉆進鉆壓常采用180-200KN，吊打時常采用50-80KN；8-1/2″井眼正常鉆進鉆壓常采用120-140KN，吊打時常采用30-50KN；
③、及時進行井斜角的監測發現井斜立即采取相應措施
在直井段鉆進過程中根據實際情況及時進行井斜角的中途監測，發現井斜立即采取措施，對于叢式井，第一口井由于沒有磁干擾，可以使用磁性測量儀器進行軌跡數據的測量，單是為了方便下一步施工和具有較強的對比性，建議第一口井就使用陀螺測斜儀測取數據，以便和下一步施工井進行數據對比。在中途監測過程中，如果發現井斜，根據實際井斜情況，可以采用減壓吊打糾斜；彎接頭反方位側鉆糾斜或填井側鉆等措施。


第三節 定向井、水平井定向造斜井段井身軌跡控制技術
1、定向造斜的鉆具組合及方法
1)、目前鉆井現場常用的定向造斜鉆具組合
①、定向彎接頭造斜鉆具組合
A、鉆具結構：鉆頭+螺桿動力鉆具+定向彎接頭+無磁鉆鋌+鉆桿
8-1/2″井眼常用組合：
8-1/2″鉆頭+6-1/2″或6-3/4″螺桿動力鉆具+6-1/4″ 1°～3°定向彎接頭+6-1/4″無磁鉆鋌*9～18米(根據實際情況選擇)+5″鉆桿
B、鉆進參數：鉆壓 30～50KN
排量 根據選用螺桿動力鉆具參數確定
C、適用范圍：造斜率要求不高的定向井(造斜率在5°～10°/100米)。
D、優缺點：
優點：鉆具結構簡單，可以通過更換不同彎曲角度定向彎接頭來改變鉆具的造斜率，以達到設計要求。
缺點：造斜率較彎殼體螺桿動力鉆具低，鉆頭偏離位移大，下鉆困難等。
②、單彎螺桿動力鉆具定向造斜鉆具組合
圖3-3 常用DTU、單彎動力鉆具、雙彎動力鉆具示意圖
A、鉆具結構：鉆頭+單彎螺桿動力鉆具+定向頭+無磁鉆鋌+鉆桿
8-1/2″井眼常用組合：
8-1/2″鉆頭+6-1/2″或6-3/4″1°～2°單彎螺桿動力鉆具+6-1/4″定向接頭+6-1/4″無磁鉆鋌*9～18米(根據實際情況選擇)+5″鉆桿
B、鉆進參數：鉆壓 30～50KN
排量 根據選用螺桿動力鉆具參數確定
C、適用范圍：造斜率要求高的定向井、水平井的定向造斜或普通定向井的救急(造斜率在15°～25°/100米)。
D、優缺點：
優點：造斜率高、鉆頭偏離小、下鉆容易。
缺點：萬向軸受力情況復雜，壽命短。
③、雙彎螺桿動力鉆具定向造斜鉆具組合(同單彎螺桿動力鉆具定向造斜鉆具組合)適用造斜率更高的定向井或水平井，通過改變上下彎度的大小，造斜率可在25°～65°/100米之間調整。
2)、目前鉆井現場常用的定向造斜方法
隨著定向井鉆井技術和測量儀器的發展，定向造斜的方法也不斷向著更科學更精確的方向發展變化，從最早使用的轉盤鉆井定向鉆進，發展到目前的井底動力鉆具定向鉆進，從地面定向法，經過氫氟酸井底定向法、磁力測斜儀井底定向法、有線隨鉆測斜儀定向法發展到今天的MWD隨鉆測斜儀配合動力鉆具的導向鉆井系統。
下面分別介紹如下：
由于地面定向法(例如鉆桿打印法)和氫氟酸井底定向法工藝復雜、誤差大、測算復雜、精度低等原因，已經被淘汰。這里不作介紹。
①、磁力單點測斜儀配合斜口管鞋(圖5.3)(Muleshoe)磁工具面角定向法(是井底定向法，目前現場開始定向造斜時普遍采用的方法。
這種方法是使用磁性單點測斜儀與斜口管鞋裝置配合使用，斜口管鞋分為兩部分，上部為儀器懸掛頭部分，懸掛頭插入測量儀器中羅盤的T形槽內，下部為斜口管鞋；使用時必須配合定向接頭或定向彎接頭一起使用，儀器懸掛頭和斜口管鞋的斜口在同一母線上，定向接頭內的定向鍵和定向彎接頭的彎曲方向是一致的，羅盤內部有一條刻線與羅盤T形槽在同一母線上，當儀器被測斜鋼絲送入無磁鉆鋌時，斜口管鞋的鍵槽在斜口的導向作業下騎入定向彎接頭中的定向鍵，這是時盤內的刻度線就和定向鍵在同一母線上了，儀器照相時，坐在轉盤上的鉆桿接頭作一個記號和轉盤面上的某一記號重合，這是彎接頭彎曲方向就被記錄在測斜膠片上了，測斜膠片上共計記錄了三個數據，分別是：井斜角度、井斜方位角和磁性工具面角。這樣通過轉動鉆桿就可以把工具轉到要求的方位上去了。這種方法僅使用與井斜角度小于5°的井。
②、磁力單點測斜儀配合斜口管鞋(Muleshoe)高邊工具面角定向法(是井底定向法，目前現場井眼需要調整方位普遍采用的方法)
當井斜角大于5°，測斜膠片上的工具面角度就不能使用磁性工具面角了，而要使用高邊工具面角進行彎接頭的定向。
③、SST有線隨鉆測斜儀定向法
通過使用有線隨鉆測斜儀可以在地面直接讀出工具面所在方位，通過轉動轉盤就會很方便的將彎接頭彎曲方向轉到所要求的方位上，該方法同樣有磁力和高邊兩種方式，它和磁力單點測斜儀相比具有精度高、準確、不用估算反扭角(可以測量出反扭角的大小)等優點，但存在施工工序較磁力單點測斜儀復雜等缺點。
④、MWD無線隨鉆測斜儀定向法
該法和SST有線隨鉆測斜儀定向法一樣，只是井下信號不通過電纜傳送，而是通過泥漿脈沖傳送至地面的。它操作使用方便，但設備費用昂貴。
⑤、間接定向法(該法適用與井斜角度超過5°的定向井)：又名高邊定向法，用測斜儀器測出工具面相對井眼高邊的角度，通過調整這個角度，達到調整井眼軌跡的目的。
2、定向井定向工序
1)、首先必須熟悉設計數據，定向時必須掌握的主要有以下幾個：
①、造斜點KOP深度，在什么井深定向造斜；
②、設計造斜率，選擇何種定向造斜組合；
③、設計井斜方位角；
④、本地區磁偏角；
⑤、為了減少方位調整次數，還需要掌握地區方位漂移情況，合理確定定向初始方位。
2)、合理造斜鉆具組合的選擇：
根據設計造斜率選擇定向彎接頭定向造斜組合；
3)、定向造斜步驟同上；
4)、一般鉆至井斜角5°～10°，方位符合設計要求時，起出定向造斜組合，更換轉盤造斜鉆具組合。

附圖1：定向用斜口管鞋示意圖
附圖2：定向接頭示意圖
第四節 定向井、水平井轉盤造斜井段軌跡控制技術

1、轉盤造斜井段的鉆具結構及鉆進參數
1)、8-1/2″井眼：
A、鉆具結構：
a、常規鉆具組合
8-1/2″鉆頭+Φ215.9mm雙母穩定器(放入測斜擋板)+6-1/4″無磁鉆鋌1.3-2根+
Φ215.9mm穩定器+6-1/4″鉆鋌1根+Φ214.9mm穩定器+6-1/4″鉆鋌6根+5″加重鉆桿15根+5″鉆桿
b、吉利杠(GILLIGAN)鉆具組合(強力增斜組合)：
8-1/2″鉆頭+Φ215.9mm雙母穩定器(放入測斜擋板)+4-1/2″無磁鉆鋌1.3-2根+
Φ215.9mm穩定器+6-1/4″鉆鋌1根+Φ215.9mm穩定器+6-1/4″鉆鋌6根+5″加重鉆 桿15根+5″鉆桿
B、鉆進參數：
a、常規鉆具組合
鉆壓：120-140KN
轉速：80-100rpm
排量：24-26l/m
造斜率：5°-7°/100米
b、吉利杠(GILLIGAN)鉆具組合：
鉆壓：80-10KN
轉速：80-100rpm
排量：24-26l/m
造斜率：9°-11°/100米
2)、12-1/4″井眼：
A、鉆具結構：
a、常規鉆具組合
12-1/4″鉆頭+Φ311.1mm雙母穩定器(放入測斜擋板)+8″無磁鉆鋌1.3-2根+
Φ311.1mm穩定器+8″鉆鋌1根+Φ311.1mm穩定器+8″鉆鋌6根+5 ″加重鉆桿15根+5″鉆桿b、吉利杠(GILLIGAN)鉆具組合：12-1/4″鉆頭+Φ311.1mm雙母穩定器(放入測斜擋板)+6-1/4″無磁鉆鋌1-1.5根+Φ311.1mm穩定器+8″鉆鋌1根+Φ311.1mm穩定器+8″鉆鋌6根+5″加重鉆桿 15根+5″鉆桿
B、鉆進參數：
a、常規鉆具組合
鉆壓：200-220KN
轉速：80-100rpm
排量：33-38 l/m
造斜率：5°-7°/100米
b、吉利杠(GILLIGAN)鉆具組合：
鉆壓：160-180KN
轉速：80-100rpm
排量：33-38l/m
造斜率：15°-17°/100米
普通增斜組合與強力增斜組合的對比：
普通增斜組合造斜率低，方位穩定性好，漂移量小；
強力增斜組合造斜率高，方位穩定性差，漂移量大；
2、轉盤造斜段的具體施工步驟及注意事項
1)、由于鉆具剛度變大，下鉆時注意迂阻情況，地層較軟時防止出新眼；
2)、鉆進一單根后，測量定向完成時井底的數據(井斜角和井斜方位角)，為分析增斜組合的性能提供數據。
3)、鉆進2～3單根后，使用磁性單點測斜儀進行井斜角和井斜方位角的測量，及時分析該鉆具組合造斜率和方位漂移率是否符合設計要求，如果符合繼續鉆進，如果不符合，調整鉆進參數或更換鉆具組合。
4)、根據測量數據及時作圖分析井身軌跡情況。
5)、鉆至最大井斜角度后起鉆，更換穩斜鉆具組合。
6)、提高造斜率和降低造斜率的方法，一般來說，在一定鉆壓2范圍內，提高鉆壓可以增大造斜率，反之降低鉆壓可以降低造斜率。鉆完一單根后，提起方鉆桿對剛鉆完單根的上部進行劃眼可以提高造斜率；如果對剛鉆完單根的下部進行劃眼則降低造斜率。
7)、測斜間距一般不大于50米。由于吉利杠鉆具組合的造斜率和方位漂移率較普通鉆具組合都大所以測斜間距一般不大于30米。

第五節 定向井、水平井轉盤穩斜井段井身軌跡控制技術

1、轉盤穩斜井段的鉆具結構及鉆進參數
1)、8-1/2″井眼：
A、鉆具結構(圖5.1B)：
a、井斜角度小于30°
8-1/2″鉆頭+Φ215.9mm雙母穩定器+6-1/4″短鉆鋌*1根+Φ215.9mm 穩定器(放入測斜擋板)+6-1/4″無磁鉆鋌1-2根+Φ215.9mm穩定器+6-1/4″鉆鋌1根+Φ215.9mm穩定器+6-1/4″鉆鋌6根+5″加重鉆桿15根+5″鉆桿
b、井斜角度大于30°
8-1/2″鉆頭+Φ215.9mm雙母穩定器(放入測斜擋板)+6-1/4″無磁鉆鋌*1根+
Φ215.9mm穩定器+6-1/4″鉆鋌1根+Φ215.9mm穩定器+6-1/4″鉆鋌1根+Φ215.9mm穩定器+6-1/4″鉆鋌6根+5″加重鉆桿15根+5″鉆桿
B、鉆進參數：
鉆壓：120-140KN
轉速：80-100rpm
排量：24-26l/m
穩斜效果：-1°～1°/100米
2)、12-1/4″井眼：
A、鉆具結構：
a、井斜角度小于30°
12-1/4″鉆頭+Φ311.1mm雙母穩定器(放入測斜擋板)+8″短鉆鋌*1根+Φ311.1mm穩定器+8″無磁鉆鋌1-2根+Φ311.1mm穩定器+8″鉆鋌1根+Φ311.1mm穩定器+8″鉆鋌6根+5″加重鉆桿15根+5″鉆桿
b、井斜角度大于30°
12-1/4″鉆頭+Φ311.1mm雙母穩定器一只(放入測斜擋板)+6-1/4″無磁鉆鋌1-1.5根+Φ214.9mm穩定器一只+6-1/4″鉆鋌1根+Φ214.9mm穩定器一只+6-1/4″鉆鋌6根+5″加重鉆桿15根+5″鉆桿
B、鉆進參數：
鉆壓：200-220KN
轉速：80-100rpm
排量：33-38l/m
穩斜效果：-1°～1°/100米
2、轉盤穩斜段的具體施工步驟及安全注意事項
1)、由于鉆具結構較增斜鉆具組合剛度更大，下鉆時同樣注意迂阻情況，地層較軟時防止出新眼；
2)、鉆進一單根后，測量造斜完成時井底的數據(井斜角和井斜方位角)，為分析穩斜組合的性能提供數據。
3)、鉆進2～3單根后，使用磁性單點測斜儀進行井斜角和井斜方位角的測量，及時分析該鉆具組合井斜角變化率和方位漂移率是否符合設計要求，如果符合繼續鉆進，如果不符合，調整鉆進參數或更換鉆具組合。
4)、根據測量數據及時作圖分析井身軌跡情況。
5)、鉆完穩斜段后根據設計更換鉆具組合或鉆至完鉆。
6)、測斜間距一般不大于50米。
7)、注意搞好中靶預測，發現井斜角、井斜方位角不符合設計時，及時下入調方位組合進行調整。

第六節 定向井、水平井轉盤降斜井段井身軌跡控制技術

1、轉盤降斜井段的鉆具結構及鉆進參數
1)、8-1/2″井眼：
A、鉆具結構(圖5、1D)：
8-1/2″鉆頭(放入測斜擋板)+6-1/4″無磁鉆鋌*1-2根+Φ215.9mm穩定器+6-1/4″鉆鋌1根+Φ215.9mm穩定器+6-1/4″鉆鋌1根+Φ215.9mm穩定器+6-1/4″鉆鋌6根+5″加重鉆桿15根+5″鉆桿
B、鉆進參數：
首使用30～50KN的鉆壓鉆進20～30米，使的井眼形成一個降斜趨勢，而后使用以下參數鉆進。
鉆壓：120-140KN
轉速：80-100rpm
排量：24-26l/m
降斜效果3°～5°/100米
2)、12-1/4″井眼：
A、鉆具結構：
Φ12-1/4″鉆頭+(放入測斜擋板)+8″無磁鉆鋌*1-2根+Φ311.1mm穩定器+8″鉆鋌1根+Φ311.1mm穩定器+8″鉆鋌1根+Φ311.1mm穩定器+8″鉆鋌6根+5″加重鉆桿15根+5″鉆桿
B、鉆進參數：
首使用50～70KN的鉆壓鉆進20～30米，使的井眼形成一個降斜趨勢，而后使用以下參數鉆進。
鉆壓：200-220KN
轉速：80-100rpm
排量：33-38l/m
降斜效果：4°～6°/100米
2、轉盤降斜段的具體施工步驟及安全注意事項基本同轉盤穩斜井段。

第七節 定向井、叢式井方位調整井段井身軌跡控制技術

1)、什么時候需要下入動力鉆具調整井身軌跡：
①、井眼的井斜方位角不符合設計要求；
②、井眼的井斜角不符合設計要求；
③、利用轉盤鉆已經達不是到合理調整井眼井斜角和井斜方位角的要求；
2)、下入什么樣的鉆具組合進行井身軌跡調整：
根據井眼軌跡調整需要的造斜率K來決定下入什么樣的鉆具組合，一般來說需要按造斜率的大小選擇鉆具組合：
造斜率K在10°～15°/100米之間可以下入彎接頭組合來完成；
造斜率K在15°～25°/100米之間可以下入單彎動力鉆具完成；
造斜率K在25°～45°/100米之間可以下入雙彎動力鉆具完成；
造斜率要求不高，為了減少起下鉆次數(在配合高效PDC鉆頭的情況下)，可以下入DTU組合來完成；
3)、怎樣確定造斜組合的裝置角：
①、裝置角對井眼軌跡的影響規律：
②、根據井眼軌跡的需要，利用沙尼金圖解法確定工具裝置角的方法：
A、選擇一定長度的線段，代表角度值。
B、選原點O，作N、E坐標，根據Φ1作井斜方位線OQ。量OA=α1(長度代表角度)，以A點為圓心，以γ為半徑畫圓。
C、作線段OB，使∠AOB=ΔХ，交圓于B、B'兩點，連接AB和AB'。
注意，ΔХ是有正負之分的。ΔХ為正時，是方位增加，以OA為始邊順時針旋轉作出OB線。
D、用量角器量得∠QAB和∠QAB'兩角，即得贈斜扭方位的裝置角ω=∠QAB，減斜扭方位的裝置角ω'=∠QAB'。
E、用直尺量OB和OB'的長度，換算成角度，則是增斜扭方位的井斜角α2=OB，減斜扭方位的井斜角α2=OB'。
③、動力鉆具反扭角的確定
A、公式法計算反扭角(由于誤差太大，故略去)。
B、經驗數據法確定反扭角
表３－１ 鉆具反扭角經驗數據表(使用于方位調整)
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裝置┃ 井斜角┃2～5°┃10°┃15°┃20°┃25° ┃ 30° ┃ 35° ┃〉35°
角┃井深 ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃
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95° ┃ 〈1000 ┃ 45° ┃40°┃35°┃30°┃25° ┃ 20° ┃ 15° ┃10°
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95° ┃ 〈2000 ┃ 60° ┃45°┃40°┃35°┃30° ┃ 25° ┃ 20° ┃15°
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95° ┃ 〉2000 ┃ 85° ┃75°┃70°┃50°┃30° ┃ 25° ┃ 20° ┃15°
━━━╋━━━━━╋━━━╋━━╋━━╋━━╋━━━╋━━━╋━━━╋━━━
265°┃ 〈1000 ┃ 55° ┃65°┃80°┃85°┃90° ┃ 95° ┃100° ┃100°
━━━╋━━━━━╋━━━╋━━╋━━╋━━╋━━━╋━━━╋━━━╋━━━
265°┃ 〈2000 ┃ 65° ┃75°┃85°┃90°┃95° ┃100° ┃100° ┃105°
━━━╋━━━━━╋━━━╋━━╋━━╋━━╋━━━╋━━━╋━━━╋━━━
265°┃ 〉2000 ┃ 70° ┃80°┃90°┃95°┃100° ┃100° ┃100° ┃105°
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表３－２ 直井段中的反扭角(井斜角<2° 定向時使用)
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┃造斜點深度(英尺)┃0-500 ┃-1000 ┃-1500 ┃-5000 ┃>5000 ┃
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┃反扭角 ┃20° ┃25° ┃35° ┃50° ┃10°/1000 ┃
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第八節 水平井井眼軌跡控制工藝模式與技術

水平井鉆井的技術關鍵是確立一個既能經濟、安全鉆成水平井，又能高精度控制井眼軌跡的水平井鉆井模式，形成適應不同鉆井方式的水平井鉆井工藝技術。不同類型的水平井，其井身結構和設計軌道不同，所選擇的鉆井方式不同。而水平井鉆井方式的確立又要受到鉆井設備、鉆井工具的裝備情況，鉆井工藝技術水平，測量儀器裝備等諸多因素的制約。目前國際上最先進的水平井軌跡控制方法和鉆井方式是采用導向鉆井技術，用一套鉆具組合一趟鉆鉆完整個增斜井段，這也是我油田水平井井眼軌跡控制技術需要努力的方向，但是這一技術的實施必須具備組成導向鉆井系統的先進而且昂貴的鉆井工具、儀器裝備以及與之配套的鉆井工藝技術。
充分利用現有的技術和裝備，在實踐中不斷探索、完善和提高裝備條件和技術水平，使水平井的軌跡控制技術向高層次發展。水平井鉆井基本上為兩種方式：
一是與常規定向井比較接近的以轉盤鉆為主的水平井井眼軌跡控制方式和鉆井模式。
二是與導向鉆井系統比較接近的以動力鉆具為主的水平井井眼軌跡控制方式和鉆井模式。
一、以轉盤鉆為主的水平井井眼軌跡控制模式
采用與常規定向井比較接近的以轉盤鉆為主的水平井鉆井模式，在長半徑水平井中通過調整鉆具組合和鉆井參數，可以有效地實現對強增斜、微增斜、水平段穩平鉆進的井眼軌跡進行控制，但在大斜度井段和水平段必須利用水平井的摩阻計算程序進行鉆具組合的倒裝設計；通過使用高聚物水包油泥漿體系和正電膠泥漿體系，配合強化的四級泥漿凈化系統，采用大排量循環、交叉接力式短起下鉆等技術措施，可以滿足水平井安全鉆井的需要。對中半徑水平井，在增斜率大于 6°／30 m 之后，尤其在 Φ444.5 mm 大尺寸井眼中，用柔性的轉盤鉆鉆具組合來實現比較穩定的增斜率是比較困難的，而且不利于井下安全。因此，這種模式在中半徑水平井中的應用是有條件的，一般適用于中半徑水平井的造斜率低限，并采用動力鉆具組合進行造斜能力和井段的調整。
1 模式的內容
采用兩層技術套管的井身結構，雖然有利于井下安全，但是不經濟。通過總結實踐經驗，我們認識到：采用這種井眼軌跡控制模式應當簡化井身結構，整個增斜井段采用單一的 Φ311 mm 井眼尺寸。在此基礎上，我們將這種模式定型為：
① 充分利用成功的高壓噴射和防斜打直技術，嚴格的將造斜點前的直井段井眼軌跡控制在允許范圍之內，快速優質地鉆完該井段。
② 定向造斜段的施工用常規動力鉆具、彎接頭或彎套動力鉆具的方式進行。應選擇合適的彎接頭或彎殼體度數，使實際造斜率盡可能地接近設計造斜率。井斜角應達到 10～15°換轉盤鉆進，以利于待鉆井段增斜和方位的穩定。
③ 根據設計增斜率選擇合適的轉盤增斜鉆具組合增斜鉆進，并根據實際增斜率及時調整鉆井參數或更換鉆具組合，必要時用動力鉆具進行井斜角和方位角的修正，使之滿足軌跡點的位置和矢量方向的綜合控制。
④ 在轉盤鉆鉆具組合的鉆進過程中，要經常短起下鉆和交叉接力循環，以鏟除巖屑床和修理井壁，長半徑水平井更應如此。
⑤ 長半徑水平井的水平段相對較短，可以轉盤鉆具組合為主要鉆進方式，但必須利用水平井的摩阻計算程序進行鉆具組合的倒裝設計，并采用大排量來提高攜巖能力。備用一套 DTU 導向鉆具或者 1°左右的單彎動力鉆具，以彌補轉盤鉆鉆具組合的意外失控。用這種方式鉆中半徑水平井的水平段，由于摩阻和扭矩都比長半徑水平井小，可以更為安全地鉆出更長的水平段。
3 以轉盤鉆為主鉆增斜井段的井眼軌跡控制工藝技術
以轉盤鉆為主進行增斜井段的井眼軌跡控制，其方法與普通定向井相似。對于長半徑水平井而言，其造斜率是可以用常規定向井的工具和工藝來實現的，但井斜角大于 70° 井段的井眼軌跡控制是普通定向井尚未涉及的新領域。對于中半徑水平井而言，研究以轉盤鉆具組合實現高造斜率的技術手段和途徑是鉆增斜井段的技術關鍵。
因此，以轉盤鉆為主鉆增斜井段的井眼軌跡控制的主要技術難點是在大井斜或高造斜率條件下，如何通過調整鉆具組合與鉆井參數，在保證井下安全的情況下實現井眼軌跡的有效控制。
① 長半徑水平井使用常規定向井工具，用轉盤鉆方式進行增斜井段的井眼軌跡控制，通過精心設計鉆具組合，合理調整鉆井參數，可以實現有控制的強增斜、微增斜以及比較穩定的增斜率，調整鉆井參數的核心是鉆壓。
② 在 Φ444.5 mm 的大井眼中，采用 Φ228.6 mm 和 Φ203.2 mm鉆鋌組成的增斜鉆具組合，能夠獲得 4.5°／30 m 的比較穩定的增斜率。但若用柔性更強的組合來實現更高的增斜率，其增斜率很難控制穩定，最高增斜率曾達到 11.3°／30m，而且因轉盤扭矩過大，極易造成鉆具事故。
③ 在 Φ311 mm 井眼中，用轉盤鉆具組合能得到 6°／30m 的最高穩定增斜率。因此，在 Φ311 mm 井眼中以轉盤鉆的方式進行長半徑水平井的軌跡控制是經濟可行的，而用這種方式進行中半徑水平井的軌跡控制是比較困難的。
4 以轉盤鉆為主鉆水平井段的井眼軌跡控制工藝技術
水平井段采用何種鉆井方式來進行有效的井眼軌跡控制，并能達到經濟安全的目的，這對不同長度和不同靶區類型及精度要求的水平井段有不同的選擇，也是水平井井眼軌跡控制的技術關鍵之一。
二、以動力鉆具為主的水平井井眼軌跡控制模式
實踐證明，中半徑水平井在鉆進過程中的摩阻、扭矩遠比長半徑水平井小，更有利于安全鉆井和鉆成更長的水平井段。而且通過提高造斜率、縮短靶前位移、縮短斜井段長度，有利于進一步縮短水平井的鉆井周期，降低鉆井成本，提高經濟效益。使用各種彎套的動力鉆具組合可以實現高造斜率的穩定控制。
以動力鉆具組合鉆進為主，以轉盤鉆具組合進行通井、調整造斜率為輔，既可以克服動力鉆具循環排量小的不足，通過通井和大排量循環鏟除巖屑床，調整動力鉆具造斜率的偏差和調整井眼垂深，又可以加大鉆壓鉆掉可鉆性差的地層，是水平井安全鉆井的有效措施。
這一鉆井模式的主要內容是：
① 直井段與轉盤鉆模式相同，充分利用成功的高壓噴射和防斜打直技術，嚴格將造斜點前的直井段井眼軌跡控制在允許范圍之內，快速優質地鉆完該井段。
② 對入靶前地層較穩定的水平井，造斜段的施工以彎殼體動力鉆具為主要鉆進方式，以轉盤鉆具組合通井鏟除巖屑床和修整井眼，并完成穩斜段或造斜率較低的調整段，以二至三套鉆具組合在二至三趟鉆內鉆完 0～90°造斜段。
③ 對入靶前地層穩定性較差的水平井，造斜段的施工以彎套動力鉆具與轉盤鉆具組合相結合的鉆進方式，用動力鉆具在易造斜井段按設計先打出高造斜率，再用轉盤鉆具組合鉆掉可鉆性差的井段（即后打出低造斜率）。對設計造斜率較低的疏松地層，在采用動力鉆具或轉盤鉆具組合時，都應當使用比正常井段造斜率高一級的鉆具組合來完成。
④ 對地質設計靶區垂深誤差要求在 5～10 m、而平面誤差大于5 m的水平探井和水平開發井，以轉盤鉆鉆具組合為主要鉆進方式，可采用大排量來提高攜巖能力，以兩套轉盤鉆鉆具組合用二至三趟鉆鉆完 500 m左右的水平井段。應備用一套 DTU 導向鉆具或 1°左右的單彎動力鉆具，以彌補轉盤鉆鉆具組合的意外失控。
⑤ 對地質設計靶區垂深誤差要求在 5m 之內、而平面誤差也小于 5m 的水平穿巷道井，采用 DTU 導向鉆具或 1°左右的單彎動力鉆具與轉盤鉆鉆具組合相結合的方式鉆水平段。
1 以動力鉆具為主鉆增斜井段的井眼軌跡控制工藝技術
采用動力鉆具為主鉆增斜井段能獲得高造斜率，并采用有線隨鉆測斜儀或 MWD 無線隨鉆測斜儀嚴格監控井眼軌跡，通過調整和控制動力鉆具的工具面，可以獲得較穩定的井眼全角變化率，幾乎不存在出現方位漂移的問題。因此，造斜井段井眼軌跡控制工藝技術研究的重點是在不同的井眼條件下，如何選擇不同角度的彎套動力鉆具來獲得需要的造斜率，并研究與之相關因素的影響規律。井眼軌跡控制的對象是控制穩定的井眼全角變化率，使之得到與設計的井眼軌道相符合的連續的軌跡點位置和矢量方向。
從提高水平井鉆井速度和效益的角度來講，針對水平井的井眼軌道設計，合理選擇動力鉆具的角度及與之配合的鉆頭、測量工具以及合理的鉆進參數和技術措施，使每套鉆具組合達到設計的目的，是水平井井眼軌跡控制工藝技術所攻關和研究的方向之一。
2 以動力鉆具為主鉆水平井段的井眼軌跡控制工藝技術
以動力鉆具為主鉆水平井段的技術在國外應用較為廣泛，比較典型的是采用 DTU 異向雙彎動力鉆具組合組成的導向鉆井系統。
實踐表明，作為一項工藝技術，采用動力鉆具組合進行水平段井眼軌跡的精確控制有其重要的應用價值，根據目前國內的工具和裝備情況，我們認為：在大多數水平井中采用以轉盤鉆為主鉆水平井段的井眼軌跡控制模式和工藝技術更有利于提高鉆井速度、降低鉆井成本。
第九節 幾種特定水平井軌跡控制技術及應用
§９.１稠油礫石油藏水平井軌跡控制技術
一、稠油礫石油藏的地質地層特點
草橋油田的目的油層為館陶組底部稠油層，該油層是披露于第三系及老地層之上的構造。為沖積體系的砂礫巖體，巖性主要是灰巖，礫狀砂巖，含礫砂巖及細砂巖。礫石成分主要是灰巖、石英巖、玄武巖等。顆粒為園狀和次棱角狀。充填物為 Φ2 mm 左右的小礫石和石英、長石砂粒巖石，膠結疏松成巖性極差，基本為散礫、散砂，造斜能力極差。礫巖孔隙度為9.17%。含礫砂巖孔隙度為 30%。儲層物性變化大，非均質性嚴重，其地層分層和巖性特點如下表：


表 3-3 稠油油藏的地層分層和巖性特點
┏━━━━┯━━━┯━━━━━━┯━━━━━━━━━━━━┓
┃層 位│垂 深│ 基 本 巖 性│ 軌 跡 控 制 特 點 ┃
┠────┼───┼──────┼────────────┨
┃平原組 │0～197│粘土 │ ┃
┠────┼───┼──────┼────────────┨
┃ │ │上部：砂巖 │ 增斜能力好 ┃
┃明化鎮組│～ 717│下部：玄武巖│ 穩斜能力差，可鉆性極差 ┃
┠────┼───┼──────┼────────────┨
┃館陶組 │～926 │礫石 │ 可鉆性好，造斜能力差 ┃
┗━━━━┷━━━┷━━━━━━┷━━━━━━━━━━━━┛
二、設計、試驗及施工概況
① 直井段：采用塔式鉆具鉆進到井深 600～700 米井斜控制在0.5°之內，有利于井眼軌跡的控制。
② 增斜段：根據草橋稠油地層特點采用倒置的三段增斜剖面。在正常剖面中 K3＞K1＞K2，而在倒置的增斜井段剖面中 K1＞K3＞K2，第一增斜段造斜點在 600～700 米之間。地層較軟采用彎套動力鉆具鉆進鉆速快，造斜率高。在垂深 850～900 之間，是堅硬致密的玄武巖地層，動力鉆具鉆井速度慢，增斜困難，采用較低的造斜率用鉆盤鉆進至井段，能很快地完成這一井段的施工。提高水平井鉆井速度。而在鉆達目的層時，其巖性為稠油膠結的礫石層，鉆進速度快增斜能力差。在剖面設計時盡量使該井段曲率較低。采用增斜能力大的動力鉆具鉆進，而實際只能得到較小的造斜率。
③ 采用轉盤鉆進的方式鉆完水平段。

草橋油田較典型的幾口稠油水平井基本數據 （表 3-4 ）
┏━━━━━━━┯━━━━━━┯━━━━━━┯━━━━━━┓
┃ 井 號 │草20-平 5 井 草南試平 1井│草南平 10 井┃
┠───────┼──────┼──────┼──────┨
┃ 造斜點深度 │ 710.56 │ 640.70 │ 621.50 ┃
┠─┬─────┼──────┼──────┼──────┨
┃第│造 斜 率 │ 9°/ 30 m │ 9°/ 30 m │10.5°/ 30 m┃
┃一├─────┼──────┼──────┼──────┨
┃增│造斜段長 │ 166.67 │ 156.29 │ 157.14 ┃
┃斜├─────┼──────┼──────┼──────┨
┃段│最大井斜角│ 50 │ 50 │ 55 ┃
┞─┼─────┼──────┼──────┼──────┨
┃第│造 斜 率 │ 4.5°/30 m │ 4.5°/30 m │ 3.6°/ 30 m┃
┃二├─────┼──────┼──────┼──────┨
┃增│造斜段長 │ 177.64 │ 185.71 │ 202.79 ┃
┃斜├─────┼──────┼──────┼──────┨
┃段│最大井斜角│ 76.64 │ 76 │ 79.33 ┃
┠─┼─────┼──────┼──────┼──────┨
┃第│造 斜 率 │ 5.1°/30 m │5.12°/30 m │ 9°/ 30 m ┃
┃三├─────┼──────┼──────┼──────┨
┃增│造斜段長 │ 75.18 │ 64.42 │ 35.55 ┃
┃斜├─────┼──────┼──────┼──────┨
┃段│最大井斜角│ 89.43 │ 86.99 │ 90 ┃
┠─┴─────┼──────┼──────┼──────┨
┃ 入靶點垂深 │ 942.97 │ 869.11 │ 837.0 ┃
┠───────┼──────┼──────┼──────┨
┃ 終 點 垂 深 │ 960.85 │ 890.82 │ 837.0 ┃
┠───────┼──────┼──────┼──────┨
┃ 水 平 段 長 │ 334.10 │ 439.70 │ 200.0 ┃
┠───────┼──────┼──────┼──────┨
┃ 水 平 位 移 │ 711.70 │ 730.58 │ 490.57 ┃
┗━━━━━━━┷━━━━━━┷━━━━━━┷━━━━━━┛
三、長裸眼水平井井眼軌跡控制技術
1 長裸眼水平井的井身結構
采用長裸眼水平井井身結構的設計和施工方法的提出，是為了滿足采油和開發部門要求全井下 Φ177.8 mm 油層套管，以提高稠油熱采注汽的熱效率，延長轉注周期，提高單井產量。
按常規設計的水平井的井身結構是：
Φ339.7mm 表層套管×250～400m ＋ Φ244.5mm 技術套管× 入靶點深度 ＋Φ137.7mm 油層套管×井底深度
按長裸眼設計的水平井的井身結構是：
Φ339.7mm 表層套管×250～400m ＋ Φ177.8mm 油層套管× 井底深度
圖 3- 常規設計的水平井的井身結構

2 采用三段增斜軌道設計方法
采用三段增斜軌道設計方法，是長裸眼水平井鉆井施工安全高效的重要技術措施之一。根據地質地層的特點，采用三段增斜方法設計的井眼軌道，在實鉆過程中可以充分發揮動力鉆具和轉盤鉆具各自的優勢，提高鉆井速度。將常規設計的穩斜井段段改為第二增斜段，通過調整該段的造斜率和段長，同樣可以彌補鉆具造斜能力的偏差，而且還可以實現用一套鉆具組合完成第一造斜段的通井和第二造斜段的鉆進，并減少了起下鉆次數。轉盤增斜鉆具組合與穩斜的剛性鉆具組合比較，其剛性小，摩阻力小，不易出新井眼，有利于井下安全。采用轉盤鉆具鉆進，可以使用較大的鉆壓，以提高機械鉆速，縮短鉆井周期。
在草橋油田稠油礫石層油藏鉆探水平井的目的層是館陶組底部的砂體油層，是稠油膠結的砂礫巖層，膠結十分疏松，成巖性極差，在這樣的地層中增斜相當困難。而目的層的上面是堅硬致密的玄武巖地層，其可鉆性極差，鉆時慢，用動力鉆具鉆進比較困難，一般都使用轉盤鉆鉆穿這段玄武巖地層，所以該井段設計的造斜率也不能太高。根據以上特點，我們采用三段增斜軌道設計方法，即第一造斜段采用高造斜率，在 150～170 米井段內將井斜角增至 50 度左右。第二造斜段設計采用較低的造斜率，即使用轉盤鉆鉆穿玄武巖地層，在 120～150 米井段內將井斜角增至 76～78 度。第三造斜段也設計采用較低的造斜率，主要是考慮鉆進目的油層時，由于地層原因增斜困難所采取措施之一，同時考慮這一井段采用高造斜率的單彎和雙彎套動力鉆具鉆進，鉆進 60～80 米井段將井斜角增至90 度左右。采用這種設計方法在草橋油田設計并實施了 14 口長裸眼水平井，在單家寺油田設計并實施了 1 口長裸眼水平井。
3 鉆具組合與井眼軌跡的控制
在稠油礫石層油藏中鉆進長裸眼水平井時，首先采用塔式鉆具組合或用 Φ203.2 毫米鉆鋌吊打鉆進到造斜點，控制井斜角小于 0.5度。由于上部地層是泥巖，而且較均質，彎殼體動力鉆具的造斜能力可以得到發揮，所以在第一造斜段使用 1.5 度低速單彎動力鉆具，配合使用有線隨鉆測斜儀監控井眼軌跡，其動力鉆具的造斜率可以達到 9°/30 米～10°/30米，能夠滿足第一造斜段的造斜率要求。
第一造斜段完成之后，首先采用轉盤增斜鉆具組合通井，并測取ESS電子多點數據。第二造斜井段所鉆進的地層基本上是玄武巖，可鉆性極差，使用這套轉盤增斜鉆具鉆進這段地層，可采用 180～200 KN 的鉆壓和 50～65 rpm 轉盤轉速，并采用 ESS 電子多點測斜儀監控井眼軌跡。為了達到較高的造斜率，滿足第二造斜段造斜率要求，采用"柔性"鉆具組合是非常必要的。
第三造斜井段是控制井眼軌跡入靶的增斜段,地層巖性為砂泥巖和稠油膠結的砂礫巖層，其機械鉆速高達 1～2 米/秒，但在該井段內鉆具的造斜能力極差，需采用造斜率較高的彎套動力鉆具來保證這一井段得到適當的造斜率。實際施工中使用了在一般地區造斜率高達15°/30 米的 1.5°×1°雙彎動力鉆具組合，配合使用有線隨鉆測斜儀監控井眼軌跡，實際使該井段的造斜率達到 5.2°/30 米，有效地控制了井眼軌跡達到入靶的要求。
造斜井段完成之后，地質上為了卡準目的油層的層位需要進行中間電測，待地質確定層位后再繼續鉆進水平段。鉆進水平井段采用一套轉盤穩平鉆具組合，在鉆進過程中通過調整鉆進參數，采用 ESS電子多點測斜儀監控井眼軌跡，使用一趟鉆具完成全部水平井段。
長裸眼水平井井眼軌跡控制技術的成功應用，大大提高了水平井的鉆井速度和效益。采用長裸眼水平井鉆井技術可以使稠油水平井的鉆井周期由原來的平均 44.7 天縮短為平均 17 天，每口井節省技術套管、固井和測井等費用 137 萬元，15 口井累計可節約 2000 余萬元的資金投入。草南平 10 井創出鉆井周期 12 天 20 小時、建井周期 17 天 12小時的全國水平井施工速度最快記錄，草 20-平 5 井創出稠油礫石油藏水平井裸眼長度 1150.77 米的記錄。而且長裸眼水平井的實施，滿足了采油下 Φ177.8 mm 油層套管的要求，提高了稠油熱采注汽的熱效率，延長了轉注周期，提高了單井產量。
采用規范化的長裸眼水平井井眼軌跡控制技術整體設計和開發草南油田，在 3 個月的時間內完成了整體設計的 26 口叢式井、2 口直井和 8口長裸眼水平井，為合理、高效開發稠油油藏探索了一條新的途徑，使本專題研究成果達到了國際九十年代初水平。

§９.２多靶水平井井眼軌跡控制技術及應用

地質開發部門設計的水平井段的位置是由入靶點（A 點）、終點（B點）的坐標和垂深數據來確定的。一般來講，水平井的靶區是一個圓形、矩形或梯形的靶柱，A、B 兩點之間的連線（設計軌道）為一直線。有這樣一種情況使水平井段的設計軌道不是一條直線，而是折線，例如某些油田由于地質構造的原因，目的油層不在同一個平面內，設計水平井時為了獲得最佳的開發效果，需要沿油層的最佳層位將水平井段的軌道設計成兩段或兩段以上的折線，雖然從水平井軌道設計的理論上講這種設計的數學模型不存在，但工程上需要解決這類水平井的軌道設計和井眼軌跡控制與調整問題。實例如下：
草橋油田草南平 7 井位于濟陽坳陷東營凹陷金家-柳橋構造帶東部草37 斷塊南部草南 104 平臺上。該平臺由兩口水平井、4口定向井共 6 口井組成。主要產油層是館陶組底部的沙礫巖層，屬稠油油層。
① 靶點相對位置：
表 3-5 草南平 7 井靶點相對位置數據
┏━━━━━┳━━━━━┳━━━━━━━┳━━━━━━━━┓
┃ 靶 點 ┃ 靶點垂深 ┃ 距井口方位 ┃ 距井口水平位移 ┃
┣━━━━━╋━━━━━╋━━━━━━━╋━━━━━━━━┫
┃ 入靶點 A ┃ 849.00 m ┃ 224.18° ┃ 289.93 m ┃
┣━━━━━╋━━━━━╋━━━━━━━╋━━━━━━━━┫
┃ 中 點 B ┃ 843.00 m ┃ 224.25° ┃ 409.32 m ┃
┣━━━━━╋━━━━━╋━━━━━━━╋━━━━━━━━┫
┃ 終 點 C ┃ 841.00 m ┃ 224.26° ┃ 489.44 m ┃
┗━━━━━┻━━━━━┻━━━━━━━┻━━━━━━━━┛
② 中靶要求：
A 靶—B 靶：方位 224.4°，段長 120 米，井斜角 92.86°
B 靶—C 靶：方位 224.38°，段長 80.12 米，井斜角:91.43°
③ 實際中靶數據：
A 點：斜深 1019.1 米，井斜角 84.08°，方位角 224.65°
垂深 850.54 米，位移 289.31 米，閉合方位角 223.8°
縱距 -1.54 米，橫距 -1.77 米，靶心距 2.35 米
B 點：斜深 1133.45 米，井斜角 92.5 °，方位角 225.28°
垂深 842.77 米，位移 409.32 米，閉合方位角 224.13°
縱距 +0.23 米，橫距 -1.45 米，靶心距 1.46 米
C 點：斜深 1219.75 米，井斜角 91.9 °，方位角 224.68°
垂深 842.01 米，位移 489.31 米，閉合方位角 224.21°
縱距 -1.01 米，橫距 -1.56 米，靶心距 1.86 米

草南平 7 井的設計和實施，反映了某些特殊油藏構造對水平井井軌道設計和軌跡控制所提出的特殊要求。從工程的角度講，首先應對地質設計的兩段直線之間的拐點（B 點）進行設計上的圓滑處理，施工過程中應充分考慮鉆具組合的增斜和降斜能力，并根據實測軌跡數據及時進行待鉆軌跡預測。對于井斜角變化不大的井眼軌道，可采用轉盤鉆變換鉆具組合在地質要求的靶區范圍內完成，如兩段直線的井斜角相差較大，可根據井眼狀況及靶區的限制范圍，選擇不同度數的彎動力鉆具來完成。對于井斜角變化較大的水平井段，應特別注意三點：① 在井斜角變化較大的水平井段鉆進可能引起轉盤鉆具組合的增斜或降斜能力的失控，應加強測斜監控；② 可能導致井眼凈化困難；③ 可能增加下套管摩阻。
在水平 4 井井斜角 90°的水平井段鉆進過程中，根據中間電測分析，應將設計軌道的水平段中點垂深提高 2.5 米，現場通過調整鉆具組合和鉆進參數，嚴格控制井眼軌跡，精確地實現了修改的井眼軌道設計。

§９.３ 多層水平井軌跡控制技術及應用

隨著水平井技術的發展，特別是水平井軌跡控制技術的提高，地質勘探、開發部門為了以最少的投資獲得最佳的開發效果，對水平井的施工提出了越來越高的要求。例如臨 2—平1 水平井，就是利用一口水平井完成被一泥巖夾層隔開的上下兩個油層的開發任務。我們稱這種，一口水平井穿過兩個不相連接并具有一定的垂直高差的“Ｓ”型水平井為多層水平井。
對于多層水平井層與層(水平段與水平段)之間的連聯過渡段，我們稱它為水平段中的調整井段。從第一層的第一個水平段的入靶點到最后一層水平段的終靶點之間的連線，我們稱它為多層水平井的水平段，連線的長度為水平段長，連線的水平投影長度為水平段的水平
通過對臨2－平2多層水平井的研究和攻關，我們研究出了多層水平井的剖面設計技術和井身軌跡控制技術以及與相適應的鉆井液技術和固井完井技術，并總結出了一系列的施工安全措施。
一. 臨2－平2多層水平井的設計情況：
１. 靶點相對位置如表3-5：
表3-5 臨2－平1井靶點相對位置數據

┏━━━━━┯━━━━━┯━━━━━━━━┯━━━━━━┓
┃ 靶 點 │ 靶點垂深 │距井口水平位移 │距井口方位 ┃
┠─────┼─────┼────────┼──────┨
┃入靶點Ａ │1398 │241.7 │263.16 ┃
┠─────┼─────┼────────┼──────┨
┃終靶點Ｂ │1391 │374.7 │263.16 ┃
┠─────┼─────┼────────┼──────┨
┃入靶點Ｃ │1400 │483.7 │263.16 ┃
┠─────┼─────┼────────┼──────┨
┃終靶點Ｄ │1394.5 │616.7 │263.16 ┃
┗━━━━━┷━━━━━┷━━━━━━━━┷━━━━━━┛
２. 中靶要求：
A靶－B靶：方位：263.16°；段長：133米；井斜角：92.82°
C靶－D靶：方位：263.16°；段長：133米；井斜角：92.37°
３. 剖面的設計情況：
根據地質提供的情況，上下兩個油層被一厚度為3-7m的泥巖夾隔開，并且造成上部油層自A點向B點處逐漸變薄。中間的泥巖夾層可做為分隔層，對上下兩個油層進行分別開采，但要求穿過泥巖的井段盡量短�？紤]到使用常規的中半徑水平井的現有工具、儀器、以及電測、下套管完井作業的能夠完成，和確保井下施工的安全進行。確定出了水平段中調整井段的增、降斜和穩斜角，既滿足了地質開發部門的要求，又確保了軌跡控制和完井作業的順利完成。造斜點深為1179.56米；第一增斜率為32°/100m，增至井斜角48°；第二增斜率15°/100m，增至井斜角70.49°；第三增斜率為35°/100m，增至井斜角92.82°到A點；A點至B點的穩斜角為92.82°，段長為133米。然后自B點用35°/100m的降斜率把井斜降到80°，然后以80°的穩斜角鉆穿泥巖夾層，穿過泥巖的井段長度可用下面公式求出：
△L=h/cosα°
式中：△L－鉆穿泥巖所需的井段長度，單位米；
h－兩水平段之間泥巖夾層的垂直厚度，單位米，設計為5－7米；
α－穿過泥巖夾層的穩斜角，單位度。
由此可以得出，實際鉆過的泥巖夾層的井段長度僅有28.8－40.3米，進入第二油層的35°/100m的增斜率把井斜角增至92.37°，最后穩斜鉆完第二個水平段。


二. 多層水平井的完成情況：
該井于1996年6月24日15時一開，96年7月23日8時完鉆，8月4日8時交井，鉆井周期28天17小時，建井周期40天17小時。全井無事故，井身質量、固井質量合格。
造斜點井深：1185.78米，完鉆井深1959米，總水平位移640.22米，水平段長：423.90米，最大井斜角：97°，最大造斜率：39.92°/100米，共鉆穿油層長度：390.50米。
中靶情況：
A點：井深1558.32米；垂深1398.33米；水平位移241.72米；
縱距-0.04米；橫距+2.13米；靶心距2.13米。
B點：井深1691.69米；垂深1400.29米；水平位移374.70米；
縱距+1.09米；橫距-3.36米；靶心距3.56米。
C點：井深1801.59米；垂深1400.29米；水平位移483.70米；
縱距-0.29米；橫距-1.21米；靶心距1.24米。
D點：井深1935.46米；垂深1393.87米；水平位移616.83米；
縱距-0.63米；橫距-6.21米；靶心距6.21米。

§９.４ 定向井開窗側水平井井眼軌跡控制技術

一. 概述
草20-12-側平13水平井，是在原草20-12-斜13定向井的基礎上，進行套管開窗側鉆段銑的一口水平井。原草20-12-斜13定向井油層套管直徑φ177.8mm，套管在791.00mm處變形，經多次處理無效，造成該定向井報廢。
草20-12-側平13水平井位于濟陽凹陷樂安－純化斷裂鼻狀構造帶草20斷塊。草20塊的主要油層是館陶組底部的砂礫巖層，為稠油層。井區內受地面條件的限制，無法再部井位，而直井或普通定向井，對油層的動用程度也較差，只有鉆水平井才能充分地動用其儲量，故在地質論證的基礎上，決定在報廢的草20-12-斜13定向井油層套管內，打一口定向井套管開窗側鉆水平井，開發地下油層。
館陶組的砂巖體厚度大，含油性好，是本井的鉆探目的層。本區塊91－95年先后投產的十幾口稠油熱采水平井，均見到良好的開采效果，開采動態表明：水平井，可有效地擴大泄油面積，擴大注汽后的熱輻射，熱采溫度高，回采收率高，油汽比高等特點。我油田現有幾百口因種種原因而報廢的直井、定向井，還具有較好的開采價值，為使這些井復活，使用套管開窗側鉆水平井技術，可改善油田的開發效果，提高經濟效益。
二. 設計技術及基礎數據
１. 地質設計基本數據：
① 靶點相對位置
表3-6 靶點相對位置
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┃ 靶 點 │靶點垂深(米)│位于井口方位(度) │距井口水平距離(米)┃
┠────┼──────┼─────────┼─────────┨
┃入靶點 A│ 914.40 │ 104.15 │ 258.86 ┃
┠────┼──────┼─────────┼─────────┨
┃終靶點 B│ 913.20 │ 102.31 │ 343.92 ┃
┗━━━━┷━━━━━━┷━━━━━━━━━┷━━━━━━━━━┛
② 中靶要求
A點至B點：方位96度47分，距離85.60m，穩斜角90度48分。
水平段精度范圍：上下擺動3米，左右擺動10米。
２. 剖面設計技術
原定向井的軌跡情況：造斜點井深260米；260～550米為增斜段；550～790米為穩斜段，穩斜角＝22.6°～23°，水平位移＝176.67米。
為了滿足采油的需要，充分利用原井眼的油層套管，應盡量壓低側鉆點的位置。由于原井眼的造斜點較高，在原井眼700米以下的井段，水平位移已經超過130多米，而且在此井段的井斜角已達23度。如采用增斜側鉆的方法，若地質的設計不變，剖面不存在，如把入靶點A點向終靶點B點方向后移30～50米，又滿足不了開采的需要，考慮到現有工具的造斜能力和完井技術，入靶段的增斜率控制在60度/100米左右為好。由于該側鉆水平井的軌跡設計和施工增加較大的南度。這樣，經過反復的計算和論證，只有在700米以上，首先采用降斜增方位的側鉆方案，然后，再穩斜鉆進一段，入靶段先降方位增斜，調整好方位后再全力增斜入靶，以此來縮短靶前位移，按地質的設計完成三維軌跡的設計，準確入靶，這樣設計的軌跡剖面為最佳。
在該側鉆水平井的剖面設計上，原有的水平井剖面設計程序已遠遠不能滿足定向井開窗側鉆水平井的剖面設計要求。為此，我們做了這樣的處理，先根據地質設計，利用現有的水平井剖面設計程序，進行理想的假設剖面設計。然后，對原定向井的軌跡，從選擇的側鉆點處，對待鉆井眼進行理想的中靶預測，優選出一個與地質設計相吻合并且現有的工具和完井技術能夠完成的理想數據，利用預測的結果，再計算出側鉆水平井的軌跡剖面。
最后設計出的草20-12-側13水平井的剖面類型為七段制剖面，即：直井段－增斜段－穩斜段－穩斜段(原井眼的)－降斜增方位段(側鉆)－穩斜段－增斜段－水平段。
３. 剖面設計基本數據
該井方位修正角6.74°，磁偏角54.65°，磁場強度52.47(uT)。
① 側鉆點的基本數據：
側鉆點井深：680.00米；井斜角：22.62度；方位角：102.60度；垂深：658.41米；閉合距：125.22米；閉合方位：95.38度；投影位移：123.51米。
② 側鉆點以下的剖面基本數據：
側鉆點以下的剖面類型：降斜增方位段(側鉆段)－穩斜段－增斜降方
位段－水平段。
靶前位移：258.38米。
從側鉆點計靶前位移：134.87米。
造斜點＝680.00米。
井底垂深＝913.20米；井底位移＝344.80米。
入靶方位＝97.79度。
第一段：降斜增方位段
降斜率： -20.00度/100米 井斜變化：22.62-10.00度
方位變化率：22.000度/100米 方位變化：101.20-132.00度
井段：680.00-760.00米；段長：80.00米；垂深：734.74米。
第二段：穩斜段
井段：760-849.00米；段長：89.00米；垂深：822.39米。
第三段①：增斜降方位段 增斜率： 20.00度/100米 井斜變化：10.00-14.00度
方位變化率：-135.00度/100米 方位變化：132.00-105.00度
井段：849.00-869.00米：段長：20.00米：垂深：841.94米。
第三段②：增斜降方位段
增斜率： 59.92度/100米 井斜變化：14.00-90.82度
方位變化率：-72.10度/100米 方位變化：105.00-97.79度
井段：869.00-1006.99米；段長：137.99米；垂深：914.29米。
第一靶：
垂深＝914.42米；位移＝257.61米；靶半寬＝10米；靶半高＝3米。
第二靶：
垂深＝913.20米；位移＝342.88米；靶半寬＝10米；靶半高＝3米。

四、軌跡控制技術
⒈、定向側鉆井段
側鉆井段：679.50米～713.10米；段長：33.6米。
井斜變化：23.4°～10.6°；平均井斜變化率：-38.09°／100米。
方位變化：105.2°～136.76°；平均方位變化率：93.93°／100米。
定向側鉆時，嚴禁轉動轉盤，首先讓鉆頭在同一位置空轉 20--30分鐘，使鉆頭能在井壁造出臺階。再加壓 2噸均勻下放鉆具，并隨時調整工具面方向，使其一直在預定方位鉆進。并隨時撈取砂樣，分析砂樣中地層巖屑含量，判斷側鉆情況，當砂樣全為地層巖屑時鉆頭已全部進入地層，側鉆基本成功。從軌跡控制來看，首先大力降斜微增方位，過下窗口后再調整工具面方向主要增方位和降斜，使所鉆井眼方向與預定方位相吻合，井斜角方位角達到設計要求，為以后的軌跡控制和提前入靶奠定了良好的基礎。
⒉、轉盤穩斜井段
鉆進井段：713.10米～864.51米；段長：151.41米。
井斜變化：10.6°～13.0°； 平均井斜變化率：1.59°／100米。
方位變化：136.76°～140.66°；平均方位變化率：2.58°／100米。
轉盤鉆穩斜段，一趟鉆完成 151.41 米的進尺，效果比較理想。
⒊、入靶增斜段
鉆進井段：864.51～986.56米；段長：122.05米。
井斜變化：13.0°～90.5°； 平均井斜變化率：63.79°／100米。
方位變化：140.66°～98.26°；平均方位變化率：－33.75°／100米。
最大井斜變化率：103.97°／100米， （井段：935.41-955.32米）
最大全角變化率：Κ＝111.0°／100米。（井段：935.41-955.32米）
本段井段 122.05 米，用一套動力鉆具一趟鉆完成。井斜、方位控制的比較理想，提前按地質要求準確中靶，入靶縱距僅 0.07 米，靶心距1.03米。但對于該井段的施工應特別以下兩個方面：一是根據隨鉆數據隨時預測軌跡情況，發現問題及時采取措施進行處理，始終控制實鉆軌跡與設計軌跡基本相吻合；二是隨時觀察井下安全情況，泥漿性能滿足井下安全的要求，凈化設備處于良好的運轉狀態，對于高造斜率的井段，采取必要的劃眼措施是完全必要的。
⒋、水平段鉆進
井段： 986.56-1113.57m； 段長： 127.01m。
井斜變化：86.6-89.5°， 井斜變化率：2.28°/100m；
方位變化：98.26-97.56°， 方位變化率：-0.55°/100m；
由于水平段地層膠結比較疏松，屬于稠油膠結礫石層，轉盤鉆控制井斜比較困難。特別是對于動力鉆具增斜入靶進入油層這—段，井底的井斜與預測的井斜往往相差較大，所以造成該井水平段下入動力鉆具進行增斜。整個水平段共用了三趟鉆完成，一趟動力鉆具，兩趟轉盤鉆。

五、測量技術
采用 BOSS 測量技術，在原井眼套管內復測、校核原井眼軌跡數據，保證了設計剖面和實鉆軌跡的準確性。采用高邊工具面和 SRO陀螺定向相結合的辦法，保證了側鉆的成功率和側鉆軌跡的準確性。全井采用 SST有線隨鉆和 ESS電子多點相結合的辦法，保證了全井測量數據精度和軌跡控制的準確性。
測斜桿件作了技術改進，滿足了小鉆具內定向桿件的使用要求。并根據不同井段和不同的鉆具組合，采用不同的測量技術和不同的測斜桿件組配方法，滿足了軌跡控制的要求。

六、鉆井液及固井技術
使用正電膠混油鉆井液，并配以安全有效的技術措施和凈化設備，保證了全井的順利施工，取得良好的效果。由于目的層為稠油膠結礫石，破碎的礫石巖屑較大，有的巖屑直徑達 10～20 毫米，為了提高鉆井液的攜帶能力，保證井下安全，同時又能有效的保護油層，我們適當的提高鉆井液粘度，調整鉆井液的塑性粘度和動切力，以提高鉆井液的懸浮能力和攜帶能力，同時又能保證泥漿具有較好的流動性。
入靶電測和完井電測采用引進的哈里布頓，效果比較好。利用旁通接頭對接鉆桿送的方法，均—次電測成功。
強化套管柱設計，尤其校核抗彎曲強度，根據井眼軌跡和油層位置來確定套管扶整器的位置和數量，采用特制的鋼質引鞋，雙球彈簧式自動回位全鋼回壓凡爾。使用無游離水、低失水、低密度水泥漿配方，大排量紊流固井技術。研究了在Φ152.4mm 井眼內下入Φ127mm 油層尾管和尾管固井的技術措施，保證了尾管的順利下入和固井質量的合格。

七、全井基本數據
1996年 2月 10日13：30開始段銑，21日 20：30開始側鉆，于 3月 5日14：30完鉆，3 月 8日 20：00交井。鉆井周期：27天 6小時 30分，建井周期：37天 12小時。純鉆時間：69.5小時（從側鉆點計算），平均機械鉆速：6.25米/100米（從側鉆點計算）。
完鉆井深：1113.57米，完鉆井斜角：89.5度，完鉆方位角：97.56度，
完鉆垂深：911.65米，完鉆水平位移：367.75米，閉合方位角：102.09度。
中靶情況：
Α點：
斜深 981.65米，垂深 914.33米，井斜角 86度，方位角 99度
水平位移 236.24米（從側鉆點計 112.92米）閉合方位 104.21度
縱距 -0.07米，橫距 1.02米， 靶心距 1.03米。
Β點：
斜深1089.68米，垂深 911.79米，井斜角 91.2度，方位角 98.06度
水平位移 343.89米（從側鉆點計 218.28米）閉合方位 102.38度
縱距 1.41米，橫距 0.30米， 靶心距 1.45米。
最大井斜角：95度（1038.93米）
最大井斜角變化率：103.97度/100米（935.41-955.32米）
最大全角變化率： 111.00度/100米（935.41-955.32米）
水平段長 131.92米（自A點計算），穿過油層厚度 148.57米。
尾管下深1113.57米，尾管頭位置 624.11米。
尾管井段 624.11-1113.57米。重合井段 624.11-679米。

八、體會和認識
⒈、定向井開窗側鉆水平井的設計問題：
(1).剖面的優選，應根據現有的工具、儀器能力盡量壓低側鉆點的位置，充分利用原井眼的套管，盡量壓縮新鉆斜井段的長度和靶前位移。這樣可以降低摩阻、減少工作量和縮短鉆井周期，從而提高經濟效益。
(2).應編寫出一套適合定向井開窗側鉆水平井的剖面設計程序。但也可以利用現有的水平井設計程序及預測程序，進行反復試算的方法，很繁鎖的設計出剖面，再利用假想的水平井剖面進行預測。
(3).采用正電膠泥漿，提高泥漿的懸浮能力和攜帶巖屑和能力，并配以良好凈化設備，除砂器、離心機的使用，保證了井眼的凈化和安全。
(4).對于中軟地層，由于井徑的易于擴大，配合正確的技術措施，在Φ152.4mm 井眼下入Φ127mm 油層套管還是能夠實現的。
⒉、開窗鍛銑的施工
(1).斜井段的段銑和直井段銑有著很大的區別，在定向井斜井段段銑，用于直井的鍛銑工具必須加以改進，保證段銑工具的居中效果和便于段銑工具起出后再下入到原位置操作。
(2).定向井斜井段的鍛銑，刀片的使用效果和使用壽命都要比直井的低。
(3).鍛銑位置的選擇，應盡量避開套管扶正器位置。
⒊、軌跡控制方面
(1).窗口內，側鉆點的選擇，應盡量靠近上窗口。條件允許的情況下，應以降斜側鉆出去為好，這樣即可以減少掛碰套管的可能性，又便于側成功。
(2).如屬于三維側鉆水平井，應把調整方位的工作盡量放在上部來完成。
(3).對于高造斜率的井段，每 5￣10m 的井斜、方位的變化情況，都要及時處理，認真預測，如和提前預計的誤差較大，應及時采取措施。如造斜率偏低應及時更換與設計相吻合的高造斜率的工具，如造斜率偏高，也應及時采取措施，來降低造斜率。
(4).認真檢查、量取動力鉆具，定向接頭，定向桿件及儀器的工具面的方向，確保測取工具面的準確性，減少各部件之間的誤差。
(5).嚴格管好鉆具，確保井深無誤，卡住每趟鉆的起鉆井深，做到 1米不多打，1 米不少打，否則對下部的施工影響非常大。特別是對于下入用彎動力鉆具增斜中靶前的一趟鉆，一定要卡好起下鉆井深。因為它決定著下一步彎動力鉆具增斜率的大小和是否能夠完成。
(6).對于剛鉆過的高造斜的井段，應先用柔性好的鉆具組合、通井，然后再逐步增強鉆具組合的剛度。

⒋、工具儀器方面
(1).現用的小尺寸單彎動力鉆具，在不同的條件下，使用效果相差較大。其原因：一是小尺寸單彎動力鉆具剛性較小，容易變形；二是地層軟硬的不同和井徑的變化對造斜率有一定的影響。因此，在現場的使用中，可根據不同的情況調整彎動力鉆具的度數或對彎動力鉆具加以改進或對下部組合進行調整。
(2).要有合理結構的定向接頭和定向引鞋，保證定向桿坐鍵準確好用。高造斜率的情況下，應盡量縮短儀器桿件的長度，以便于坐鍵。
(3).對于上井的儀器，要精確好用，確保誤差在允許的范圍內。測斜系統應配備完好的深度計數器和拉力器，以便于校核井深和判斷定向桿坐鍵是否正確。
⒌、完井作業方面
從本井下套管的情況看，Φ152.4mm 井眼下入Φ127mm 套管并不困難。這是因為在高造斜率井段，由于中、軟地層，井徑更容易擴大，特別是多次通井，劃眼更容易造成井徑擴大。由于本井電測儀器不能測井徑（因為井眼尺寸太小），使得固井灰量不好確定，即使能夠測井徑，可能測出的誤差也較大，因為縱向上要比橫向上測出的井徑擴大的多。這是今后急需要研究的問題。

九、取得的技術成果
①、定向井斜井段中段銑與直井中的段銑有著非常大的差別。通過該井的探索和研究，完善和配套了斜井中段銑開窗側鉆的各種工具，總結出了施工中的技術措施和最優化的各種技術參數。
②、掌握了定向井開窗側鉆水平井剖面設計和整體設計的優選技術，本井為了滿足開采的需要，采用了多段制的井身剖面，本井的設計剖面為（原井眼）直——增——穩——（新井眼）降—穩—增—平七段制剖面。
③、能熟練地掌握多段制剖面側鉆水平的軌跡控制技術。該井的入靶增斜段采用一 套動力鉆具，使井斜角由 13度增至90.5度一次完成。并能夠使實鉆軌跡與設計相吻合。
④、全井的最大造斜率達到了 111度／100米，并且按設計提前39.24米中靶，共鉆穿油層 148.57 米，取得了理想的開發效果。
⑤、采用 BOSS 技術復測、校核原井眼軌跡數據，采用高邊工具面和SRO陀螺定向相結合的辦法，保證了側鉆的成功率和側鉆軌跡的準確性，全井采用 SST有線隨鉆和 ESS電子多點相結合的辦法，保證了全井測量和軌跡控制的準確性。
⑥、使用正電膠混油泥漿，并配以安全有效的技術措施，保證了全井的順利施工。
⑦、掌握了在Φ152.4mm 井眼內順利下入Φ127mm 油層尾管技術和尾管固井技術。

草20-12-側平13水平井的軌跡
垂深=913.20米；位移=342.88米；靶半寬=10米；靶半高=3米。