定向钻进原理与应用-200904

定向钻进原理与应用
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⑶ 钻头轴向和径向同时受力，轴向压力沿钻头轴向垂直作用到孔底， 侧向力FA沿钻头径向作用到孔壁。钻头在轴向破碎孔底的同时，又进行侧 向切削孔壁，钻头轴线的实际切削方向为轴向破碎速度VP与侧向破碎速度VA、 的矢量合成方向VC，因此钻头轴线的实际破碎方向偏离原钻孔轴线。
Hale Waihona Puke Baidu
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第三节 定向钻孔的受控方法
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二、受控定向钻进的控制方法----孔底动力机
孔底动力机是一种新型钻探设备，它以钻井液为动力传递介质，通过 将水泵泵送的高压液体的能量转化为回转机械能，直接驱动钻头破碎岩石。 使用孔底动力机进行钻进有以下优点：
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第三节 定向钻孔的受控方法
2. 钻头
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第三节 定向钻孔的受控方法
3. 稳定组合钻具
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二、工艺技术因素
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1、钻进工艺参数是指钻压（P）、转速（n）和冲洗液量（Q）。 2、一般情况下，大推力、高转速可实现钻孔向上弯曲；反之，小推力、
低转速则使钻孔向下弯曲。另外冲洗液量的大小也会影响钻孔的弯曲， 在孔内岩粉能返出孔外的前提下，冲洗液量过大钻孔会有下斜趋势， 过小则会使钻孔相对上仰。 3、钻进工艺因素将改变孔底钻具产生的侧向力和受到的地层自然定向力， 通过调节钻进工艺参数来控制钻孔轨迹，这也是受控定向钻进的一个 重要手段。
一、地质因素：主要是钻进地层的硬度及结构构造。
1、用相同直径的钻头、钻具组合以及钻探工艺钻进不同硬度地层时，
一般在硬岩中成孔直径较小，而软岩层更有利于钻孔弯曲。
2、地层的层理、片理、裂隙、断层、软硬互层、溶洞、卵砾石等结构
构造使岩层具有不均质性，在这种地层中钻进时，钻头在孔底受力不平衡， 容易引起钻孔弯曲。其中层理、片理和软硬互层对钻孔轨迹弯曲影响最大。
钻具沿层面下滑的临界遇层角主要与岩石对钻头 的摩擦系数有关，这取决于岩石的性质，一般临界遇 层角的值δ≤20°。
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第一节 定向钻孔的弯曲机理
遇层角大于临界角,钻头由软岩层进入硬岩 层时，靠层面上硬岩一端孔底反力的合力大， 靠软岩一端孔底反力的合力小，不仅钻头两端 存在钻速差和孔底不对称不均匀破碎，而且将 产生一倾倒力矩M使钻头扭转，并沿着地层上 倾方向，即垂自于层面方向弯曲(称为“顶层 进”)；
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第二节 受控定向钻进应用
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二、在煤层、煤层气钻井工程中应用 1、在煤层中施工定向钻孔抽瓦斯
1）煤层硬度系数大于1，煤层条件好，煤层中易成孔，主要在煤层中 施工钻孔进行瓦斯抽放，抽放方式主要分： a 单孔抽放； b 主孔与分支孔联合抽放。
遇层角大于临界角时钻头由硬岩层进入软 岩层时，钻头靠层面上软岩一侧的钻速快，靠 硬岩一侧的钻速慢，加之产生的倾倒力矩，使 钻孔有向地层下倾方向弯曲的趋势（称为“顺 层跑”）。
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第一节 定向钻孔的弯曲机理
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第二节 受控定向钻进应用
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4、避开地表障碍物。勘探和开发障碍物下方的油气田。 5、纠正已斜的井眼或绕过井内堕落物而进行侧钻。（g） 6、打定向井探采盐丘突起下部的油气层。含油构造有时与盐丘构造共 生，部分盐丘可能直接覆盖在油藏上面，直井钻遇盐层可能导至冲蚀、钻 井液漏失和腐蚀等问题(d)。
井下千米定向钻进装备与工艺培训
定向钻进原理与应用
煤炭科学研究总院西安研究院 钻探技术与装备研发中心 2020/11/25
第一章 概述
一、定向钻进技术 二、受控定向钻进应用 三、受控定向钻进关键技术
第一节 定向钻进技术
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一、定向钻进与定向钻井（孔）的含义 1、定向钻进的含义
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第二节 定向钻孔的弯曲条件
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钻孔弯曲，实现定向钻进，必须满足三个条件：力学条件、空间条 件和位置条件。力学条件和空间条件是实现定向钻进的必要条件；位置 条件是实现定向钻进的充分条件。
1、力学条件
⑴ 钻头与孔底接触时，钻头唇面的轴向受力不均衡，孔底平面轴向 破碎速度有快有慢，即孔底平面产生不均匀、不对称破碎，存在速度差， 使钻头中心线可能偏离钻孔轴线。
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1）单底定向井（孔）。只有一个主干井眼的定向井。
2）多底定向井（孔）。主干井(首先完成的钻井)钻进后，再从主干 井内开出其他分支井的定向井。它又分一级和多级分支定向井。
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第二节 受控定向钻进应用
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3、位置条件
位置条件是指钻头作用力的方向固定、相对大小固定以及钻头歪倒方向 固定。钻孔过程中，只有同时具备力学条件、空间条件和位置条件，才会最 终发生钻头中心线与原钻孔轴线的偏离。
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第三节 定向钻孔的受控方法
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石油钻井中对定向钻进技术的定义为沿着预先设计的井眼轴线钻达目 的层位的钻井方法。
地质勘探中对定向钻进技术的定义是指利用钻孔自然弯曲规律或采用 人工造斜工具使钻孔按设计要求进行延伸钻到预定目标的一种钻进方法。
国外有文献认为是为了钻达到一个预定的地下目标，使井眼在特定方 向偏斜的工艺和科学。
煤矿井下对定向钻进技术的定义：是指利用钻孔自然弯曲规律或采用 专用工具使近水平钻孔轨迹按设计要求延伸钻进至预定目标的一种钻探方 法，即有目的地将钻孔轴线由弯变直或由直变弯。
1 P
2
钻头作用力方向偏离钻孔轴线示意图
FA A
vc vA
P
vp c
钻头轴向和径向同时受力示意图
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第二节 定向钻孔的弯曲条件
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2、空间条件
空间条件是指孔底钻具组合与孔壁之间存在的间隙。它是上述力学条件 下使钻头中心线偏离原钻孔轴线的前提条件。
c.与层理斜交方向岩层的硬度、破碎阻力、破碎速度以及钻孔弯 曲程度介于两者之间。
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第一节 定向钻孔的弯曲机理
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（2）软硬互层构造的影响
遇层角指钻孔轴线与岩层层面法线的夹角的余角， 钻孔轴线的遇层点的切线与其在层面上的射影所夹的 锐角。
一、根据已知地质条件，合理设计定向钻孔轴线轨迹。
二、能可靠地控制人工弯曲工具改变钻孔轨迹，且造斜强 度稳定、可调。
三、能准确、可靠地对造斜工具定向和测量钻孔的倾角和 方位角。
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第二章 定向钻进的受控机理
一、定向钻孔的弯曲机理 二、定向钻孔的弯曲条件 三、定向钻孔的受控方法
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第二节 受控定向钻进应用
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2、探测煤层构造，煤层顶板、底板等地质信息。 3、用于煤矿井下探放水钻孔施工。
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第三节 受控定向钻进关键技术
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第一节 定向钻进技术
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二、定向钻孔的类型 1、按施工技术方法分类
1）自然弯曲定向孔。利用地层在一定钻进条件下的自然弯曲规律设 计钻孔轴线，通过移动孔位或改变开孔顶角、方位角，采用常规钻进技术 工艺，必要时利用井斜控制理论辅以一般的增斜、减斜措施，达到基本按 设计的钻孔轴线钻达目的层的钻孔。自然弯曲定向孔又称初级定向孔。
（1）层理的影响
平行层理
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与层理斜交
垂直层理
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第一节 定向钻孔的弯曲机理
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A . 钻头垂直于层面，钻孔为圆形，不发生弯曲；
B . 钻头与地层面斜交，钻头轴线力图向垂直于地层层面方向偏斜，钻孔呈 椭圆形；
C . 钻头平行于层面硬度较小，孔壁易岩石易破碎，形成的钻孔较大，孔壁 间隙大，钻头稳定性差，钻孔容易弯曲。
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第一节 定向钻孔的弯曲机理
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a.垂直于层理方向，硬度最小，破碎阻力小，破碎速度快，孔壁 间隙最小，不易发生弯曲；
b.平行于层理方向的硬度最大，破碎阻力最大，破碎速度最慢， 孔壁间隙最大，使钻头稳定量差，钻孔容易弯曲；
⑵ 孔底钻具组合歪倒，钻头中心线偏离原钻孔轴线一定角度，钻压P 不再沿钻孔轴线方向，而是偏离一个角度施加给钻头，使钻头破碎方向 不垂直于原孔底平面，而是同时破碎孔底(轴向分力作用)和孔壁(径向分 力作用)的一部分，使孔底破碎不对称，从而有可能导致孔斜。
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第二节 定向钻孔的弯曲条件
一、在石油、天然气钻井工程中应用
1、海洋钻井平台上钻丛式定向井。控制较大面积的油气构造。生产 设施集中在平台上，节省建造平台费用。 2、勘探和开发近海岸油气田。使钻井定向弯曲，钻达海底油气层， 节约海上钻井平台的建设费用(b)。 3、用定向井控制断层。查明油水界面或断层面位置(c)。
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a、钻杆不转动，充分利用功率，既有利于发挥钻头切削性能，又减少钻 杆的疲劳和磨损，防止孔径扩大、坍塌掉块及卡埋钻等孔内事故；
b、结构简单，工作可靠；与高精度定向仪配合，可精确控制钻孔轴线方 向，进行随钻测量定向钻进，实现遥控钻进；
c、对地层的适应性广，既可在硬、坚硬的完整地层造斜，又可在破碎地 层、第四系地层、松软以及中硬、软硬不均的地层中造斜。
第一节 定向钻孔的弯曲机理
定向钻进原理与应用
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钻
孔
地质因素
弯
曲
影
响
因
工艺技术
素
因素
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硬度 结构构造
客观因素
孔底钻具组合 钻进工艺参数
其他因素
主观因素
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第一节 定向钻孔的弯曲机理
定向钻进原理与应用
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第二节 受控定向钻进应用
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2）煤层硬度系数小于1，煤质松软，在煤层中难以成孔，采用梳状 钻孔进行瓦斯抽放。
梳状钻孔技术是通过在目标煤层上（下）较稳定岩层施工水平长钻 孔，并进行分支穿入煤层实现难成孔软煤层的瓦斯有效长期抽采。
2）人工弯曲定向孔。采用人工造斜工具与技术强制进行人工弯曲， 并克服钻孔自然弯曲的影响，或者利用钻孔自然弯曲规律与人工造斜工具 强制进行人工弯曲相结合，使钻孔按设计轨迹钻达目的层的钻孔。又称受 控定向孔。
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第一节 定向钻进技术
2、按钻井井底结构分类
定向钻进原理与应用
掌握了定向钻孔的弯曲机理和弯曲条件，为实现定向钻进提供必要的理 论支持，使定向钻孔的控制方法有针对性、科学性和可行性。
一、初级定向钻孔的控制方法
1. 根据施钻区域地层赋存变化情况，结合常规钻具和一定工艺技术，摸 索钻孔由地质因素引起的变化规律，实现钻孔定向。该方法简单易行，但必 须做好前期准备：准确掌握区域地质资料；对区域已完成的钻孔进行分析归 纳，找出其变化规律。