(整理)定向井、丛式井的基本概念.

（一）定向井、丛式井钻井技术
1.1、定向井、丛式井的基本概念
定向井的基本概念
定向井是指按照预先设计的井斜方位和井眼的轴线形状进行钻井的井；沿着预先设计的井眼轴线钻达目的层位的钻井方法，称为定向钻井。

定向井井身的基本参数，也称为定向井井身的基本要素。

了解实钻定向井的井身轴线在三维空间的位置和形状，目前唯一的办法就是沿井身进行测斜。

在每个测点上所取得的测斜有三项数据，即该点处的测深、井斜角、井斜方位角，我们称这三项测斜数据为井身的基本要素。

测深（Measure depth）:井身轴线上任一点到井口的井身长度，称为该点的测深，也称为该点的测量斜深。

其测量单位为米。

井斜角(Hole inclination or Hole angle):井测点处的井眼方向线与通过该点的重力线之间的夹角称为该点处的井斜角。

井眼方向线和重力线都是有向直线。

其测量单位为度。

井斜方位角（Hole direction）：井斜方位角是指以正北方位线为始边，顺时针旋转至井斜方位线所转过的角度。

凡所讲到的方位线，都是在水平面上。

正北方位线和井斜方位线都是有向直线。

正北方位线是沿着该测点处的地理子午线向正北方向延伸的直线。

井斜方位线是指该测点处的井眼方向线在水平面上的投影线。

其测量单位为度。

有了井身的基本要素后，我们还不能进行准确的计算，还有两个概念必须清楚。

磁偏角（Deinclinnation）的校正：我们在定义井斜方位角时，是以地球正北方位线为准，而使用磁力测斜仪测得的井斜方位角则是以地球磁北方位线为准，称为磁方位角。

由于磁北极偏离地球北极，使绝大多数区域磁北方位线与正北方位线并不重合，二者间的夹角即为磁偏角。

磁偏角有偏东、偏西之分，若磁北方位线在正北方位线以东称偏东磁偏角，若磁北方位线在正北方位线以西称偏西磁偏角。

进行井斜方位角校正时，可使用如下简单公式：
井斜方位角＝磁方位角－西磁偏角
井斜方位角＝磁方位角＋东磁偏角
大地坐标的的确定：大地坐标是以英国的格林威治天文台为坐标原点而构建的全球通用的大地坐标体系，地球上的任一点都可以通过卫星定位在该坐标系中找到自己的唯一位置。

当定向井的井口位置测定后，该井井身的任一点的大地坐标都可以确定。

有了以上定向井的基本参数和相应的结构参数，经过相应的计算，我们就可以非常清楚地确定实钻定向井的井身轴线在三维空间的位置和形状。

对井身轴线在三维空间的位置和形状的描述除了测深、井斜角、井斜方位角及大地坐标之外，还有其它井身参数参与描述，下面介绍其中几个参数。

垂深（Vertical depth or True vertical depth）:垂深即测点的垂直
深度，是指井身上任一点至井口所在水平面的距离。

其测量单位为米。

水平位移（Displacement or Closure distance）：即井眼轴线某点在水平面上的投影至井口的距离，也称闭合距。

其测量单位为米。

闭合方位角或总方位（closure azimuth）:是指以正北方位线为起点，顺时针转至闭合距方位线上所转过的角度。

其测量单位为度。

N（北）坐标和E坐标：是指测点在以井口为原点的水平坐标系里的坐标值。

其测量单位为米。

视平移（Vertical section）：是井身上某点在某一垂直投影面上的水平位移，这个“水平位移”不是真实的水平位移，所以我们称之为视平移。

显然，垂直投影面的在的位置不同，视平移也就不同。

实际工作中，对于正在钻进的井作垂直投影图时，都是将垂直投影面选在设计方位线上。

其测量单位为米。

造斜点(Kick off point):在定向井中，开始定向造斜的位置叫造斜点。

通常以开始定向造斜的井深来表示，其测量单位为米。

造斜率：造斜率表示了造斜工具的造斜能力，其值等于用该造斜工具所钻出的井段的井眼曲率。

增（降）斜率：指的是增（降）斜井段的井斜变化率。

其井斜变化为正值时为增斜率，负值为降斜率。

全角变化率（Dogleg severity）：“全角变化率”、“狗腿严重度”、“井眼曲率”，都是相同的意义，指的是在单位井段内三维空间
的角度变化。

它既包含了井斜角的变化，又包含着方位角的变化。

其常用单位为：度30/M。

增斜段：井斜角随井深增加的井段，称为增斜段。

稳斜段：井斜角保持不变的井段称为稳斜段。

降斜段：井斜角随着井深的增加而逐渐减小的井段称为降斜段。

目标点（Target）：设计规定的，必须钻达的地层位置，称为目标点。

通常是以地面井口为坐标原点的空间坐标系的坐标值来表示。

靶区半径：允许实钻井眼轨迹偏离设计目标点的水平距离，称为靶区半径。

靶心距：在靶区平面上，实钻井眼轴线与目标点之间的距离，称为靶心距。

上述井身参数基本能够描述一口定向井井身轴线的形状和和空间位置，但在施工过程中还必须引入以下施工参数：
工具面（Tool face）在造斜钻具组合中，由弯曲工具的两个轴线所决定的那个平面，称为工具面。

反扭角：使用井下马达进行定向造斜或扭方位时，因动力钻具反扭矩的作用，启动前的工具面与启动后的工具面之间的夹角，称为反扭角。

反扭角总是使工具面逆时针转动。

高边（Hight side）：有斜度的井段其井眼的横断面是呈倾斜状态的圆平面，若干个这样的圆平面上最高点的连线称为高边。

工具面角(Tool face angle)：工具面角是表示造斜工具下到井底后，工具面所在位置的参数。

工具面角有两种表示方法。

一种是以高边的基准（Hight side mode）,一般情况下当井斜角大于6度可用高边工具面；一种是以磁北为基准（Magnetic mode），在井斜角较小时使用。

高边基准工具面角简称高边工具面角，它是指高边方向线与工具面方向线在所处井眼断面上投影所形成的夹角。

定向角：定向角是定向工具面角的简称。

在定向造斜或扭方位钻进时工具厕所处的位置，用工具面角表示。

工具厕所处位置有工作位置与非工作位置之分。

当造斜钻具下到预定位置时，因动力钻具在开泵后将产生反扭角，并影响到工具面的位置，工具面的非工作位置是指不启动井下马达时的工具面角，而工具面的工作位置是马达启动后正常钻进的工具面角。

安置角(Tool face setting)：安置角是安置工具面角的简称，在定制造斜和扭方位作业时，根据井身控制的有关计算，将工具面安放的位置。

丛式井的基本概念
凡在一个井场或平台上，有计划的钻几口可几十口定向井和一口直井，这些井统称为丛式井（组）。

丛式井要涉及到合理的井距及布井的先后顺序及防碰跟踪等问题。

1.2定向井井身剖面设计
定向井井身剖面设计是定向井最关键的问题。

组成定向井井身的所有井段形状不外乎有四种，即铅垂井段、增斜井段、稳斜井段和隐斜井段，由这四种井段可以组成多种剖面。

常规两维定向井井身剖面设计
两维定向井是指设计的井眼轴线只是在某一个给定的负重铅垂面内变化，即设计的井眼轴线只有井斜角的变化，没有方位角的变化。

井身剖面的设计原则：1、应能实现钻定向井的目的；2、应尽可能利用地层的自然造斜规律；3、应有利于采油工艺的要求；4、应有利于安全、快速、优质钻井。

这就需要考虑以下几个问题：1、选择合适的井眼曲率；2、选择易钻的井眼形状；3、选择恰当的造斜点；4、设计井身剖面形状应与井身结构同时考虑
井身剖面设计的条件、内容和步骤
设计条件：一般情况下，给定的设计条件有：地面井位坐标、地下目标点坐标、目的层垂直深度和井底位置。

根据这些基本数据，通过坐标换算，可计算出设计方位和设计水平位移。

井身剖面设计的内容和步骤：1、选择剖面类型；2、确定增斜率和降斜率，选择造斜点；3、求得剖面上的未知参数，一般情况下这个未知参数是全井最大井斜角；4、进行井身计算，包括各井段的井斜角、垂深、水平位移、井斜方位角（三维剖面）及井深；5、作垂直剖面图和水平投影图，必要时绘出控制安全圆柱。

常规两维定向井井身剖面设计：常规两维定向井的剖面形状主要有两种，一种是“直－增－稳”剖面，在我国现场上称为“三段制剖面”。

此种剖面又可分为低造斜点和高造斜点两类，稳斜段的长度也可长可短，甚至没有稳斜段，这都要根据设计的条件和要求而定。

另一种是“直－增－稳－降－稳”剖面，现场上称之为“S形井眼”或“五段制剖面”虽然实际所用的剖面类型很多，但它们都只是这两种剖面演变而来的，我们也可以说“三段制”剖面是“S”型剖面的一种特殊情况。

这样，能够设计出来“S 型剖面”，其它常规剖面都可以迎刃而解。

S形剖面的设计方法目前主要有三种：作图法、查图法和解析法。

1.3定向井的现场施工
为了实现定向井的设计意图，做到安全、优质，快速钻成一口定向井，需要定向施工技术人员正确有效地组织现场施工。

因此要求施工人员加强责任心，认真搜集邻井的资料，仔细理解消化设计内容，严格执行作业规程，重视施工的每个环节，密切与各工种的配合协作，同时，对施工应进行及时分析和总结，以不断积累经验，提高施工水平。

随着科学技术水平的迅速发展，各种先进的仪器如有线随钻测斜仪、MWD无线随钻测斜仪在现场中的使用已越来越广泛，大大提高了井身轨迹控制精度与质量。

然而采用磁性单点照像测斜仪的井下定向施工方法仍在其很大的优势，同时也是每个定向井现场技术人员的基本功，因此了解和掌握其方法是十分重要的。

定向前的准备工作
设计分析
地质设计分析：1、掌握了解该井的地理位置和构造位置、井号及施工井队。

2、掌握井深、方位和位移，并用坐标校对位移及方位，掌握进入油层的位置和质量要求。

3、了解地层的分层和岩性，对地层岩性在施工中的影响做到心中有数，防患于未然。

4、查看构造图了解地层的倾角、走向、断层情况。

工种设计分析：1、掌握设计中的基本数据，包括设计剖面类型；全井井深、垂深、水平位移；目标点井深、垂深、水平位移；设计方位、造斜点、最大井斜角、靶区半径、是否校正磁偏角及特殊工艺技术要求。

2、计算方位角的允许偏差。

3、掌握增（降）斜钻具的增（降）斜率；增（降）斜井段的起点和终点井深、垂深和水平位移。

4、掌握各井段各种井眼的钻具组合和钻井参数配合及各井段深度。

5、掌握全井的井身结构，下入套管的深度和尺寸；并了解其目的和要求。

6、对于防碰井，注意防碰位置的基本数据，认真分析施工井和防碰井的相对位置，并在垂直剖面图和水平投影图上标明。

7、对于绕障井，掌握绕障井段前后的井深、垂深、水平位移、方位角和井斜角，并掌握安全圆柱半径。

查邻井资料：1、了解邻井的构造图，各层位的分层和岩性。

2、了解邻井的各种钻具组合和钻井参数配合；各井段钻进情况；钻头选型和水眼装配；出现的各种复杂情况和处理各种复杂情况的
经验。

3、了解邻井的基本数据，井斜角和方位角的变化情况，及其采取的相对措施。

4、了解邻井的定向造斜情况；造斜深度，动力钻具的类型及反扭角的大小，弯接头的造斜能力，使用的钻头情况，及定向时间和钻速。

5、了解与邻井的防碰情况
经过以上三个方面对设计的分析后，我们就应该做出施工井的水平投影图和垂直剖面图，然后制定出施工井的施工方案。

并按设计准备所需的仪器和工具准备施工
定向钻井工具和仪器的准备与检查
准备：1、施工前准备定向测斜工具和仪器及定向钻具，见表。

2、定向工程师开钻前对准备情况负责落实。

检查：1、定向施工人员检查好以下钻具：动力钻具的类型、尺寸、扣型；无磁钻铤的尺寸、扣型；弯接头的度数、尺寸、扣型，定向键方向与弯曲方向是否一致；稳定器的外径、扣型、长度，外径不得小于钻头直径3ｍｍ，并在稳定器上标明外径尺寸；短钻铤的长度、外径和扣型；配合接头的尺寸、扣型；测斜绞车，应经试运转正常后方可使用。

2、仪器的检查：仪器部分的定时器、照相机上井前测试正常，罗盘、电池筒完好，各连接螺纹完好；仪器外筒及加长杆不能弯曲，扣型相配，各连接螺纹和密封圈良好；胶片、显像液的数量足够，选用罗盘的量程不小于测量深度处预计的最大井斜角；测斜绞车的钢丝记号足够长（≥30M）并带有绳帽，绳套完好；定向杆悬挂器与引鞋槽在一条直线上。

施工前技术交底和垂直井段的施工
定向前技术交底
了解钻井队的施工进度，设备情况是否符合要求，尤其是泥浆泵、指重表和泵压表及泥浆净化系统必须运转良好，预计开钻时间
了解井场道路，复杂天气可能出现的问题
必须交清设计内容及各蟛段要求，对有特殊要求的井将特殊要求特别提出
交清对泥浆性能的要求，主要包括泥浆密度、粘度、含砂量、失水量、摩擦系数
交清直井段的要求
了解钻头，钻具及工具的准备情况，对定向造斜使用的钻头类型、个数特别交待，交清钻头的型号、确定钻头压降及水眼尺寸
交清动力钻具的使用方法和钻具组合及下钻时的注意事项：交清动力钻具的尺寸、扣型，使用排量、压降有及水眼尺寸；下动力钻具时，必须认真检查钻具水眼，弯接头水眼，保证清洁干净，并双钳紧扣；下动力钻具时，必须控制下放速度；下动力钻具前，必须在井口对动力钻具试运转正常后方可下钻；下动力钻具如遇阻，不得用动力钻具划眼，不能开泵硬压，可转几个方向试下，否则起出动力钻具，通井正常后，再下动力钻具；动力钻具在井下时，不能启动转盘卸扣。

对施工中可能出现的问题要充分分析交清
重点井要向司钻以上干部交清
按井队进度，预计定向时间
写出交底单，双方签字。

直井段的防斜打直：垂直井段施工的最基本要求是严格控制井斜角，以便为定向造斜做好准备。

因各地区地层条件和钻井经验不同，防斜打直采取的相应措施会有差异，一般采用塔式钻具或钟摆钻具组合，严格控制钻压。

同时制定合理的测斜计划，及时对靶点进行修正设计。

定向造斜施工
单点测斜仪定向方法：单点测斜仪定向方法是利用单点测斜仪从钻杆内下入造斜工具处，测出造斜工具的弯曲方向与磁北或井眼高边方向间的夹角以及井眼倾斜方向，然后根据要求的方位，进行地面校正与控制来完成定向工作，其工艺流程如下：
定向井斜井段的施工
转盘钻增斜段的施工
常用增斜钻具组合
施工要求：1、按照设计钻井参数钻进，送钻均匀，使井眼曲率变化平缓，轨迹圆滑。

2、及时测斜，随钻作图。

掌握井斜方位
的变化趋势，如达不到设计要求时，可通过改变钻进参数或钻具结构来进行调整。

3、控制好井斜方位的变化。

因地层等因素造成方位严重漂移，影响中靶或侵入邻井安全限定区域时，应使用造斜钻具及时调整井眼方位。

技术措施及注意事项：1、下井的增斜钻具结构要符合设计要求或定向施工技术人员的技术要求。

2、增斜钻具下入的稳定器尺寸必须进行测量，严格执行近钻头稳定器直径摩损超过3mm不得入井使用的技术要求。

3、当发现下井的增斜钻具不合理时要及时地进行调整变换，当调整了增斜钻具结构时，要根据钻具结构特点缩短测斜间距，掌握其实际结果。

4、定向结束下入增斜钻具时，钻头台肩和第一稳定器的扶正块下端之间的距离范围应在1～1.2m内，以保证有一定的增斜力矩，否则，不得使用。

5、必须严格执行设计或定向技术人员制定的钻井参数。

6、斜钻进时，泵压适中并满足增斜的要求。

7、定向或扭方位后增斜井段不超过50米应测斜检查。

8、在掌握地区地层的增斜率的前提下，测斜间距不超过100米，特殊要求的井或复杂进中（如侧钻进井、绕障井等）应缩短测斜间距。

9、预计最大井斜角的井段长度不超过50米，即增斜井段测斜结束后必须在50米增斜井段之内达到要求的最大井斜角。

稳斜井段的施工
常用稳斜钻具组合
施工措施：1、在方位漂移严重的地层钻进，为了稳定井斜方位，
可在钻头上方接2～3个足尺寸稳定器，加强下部钻具组合的刚性。

2、因地层因素影响，采用稳斜钻具出现降斜趋势时，可用微增斜钻具组合实现稳斜效果。

技术要求及注意事项：1、下井的稳斜钻具结构要符合定向施工技术人员的要求。

2、在稳斜井段，由于地层倾角及走向，造成常规钻具结构起增斜或降斜效果时，钻具结构应根据具体情况变换为微降或微增钻具结构，以保证稳斜效果。

3、稳斜井段的单点测斜间距最大不超过150米，特殊地层或有特殊要求时，测斜间距应缩短。

4、当稳斜井优下入特殊的钻具结构时，必须制定相应的技术措施，并测斜间距不超过50米。

5、稳斜井段的钻井参数可根据测斜情况作合理的调整。

6、定向井稳斜井段扭方位后，要下入单稳定器增斜钻具通井并钻进10～20米，使井眼轨迹圆滑，并充分洗井后方可起钻下入稳斜钻具。

降斜井段的施工
常用降斜钻具组合
降斜井段的技术要求及注意事项：1、降斜井段要求选择合理的降斜结构，钻头和稳定器之间的距离应根据井斜角的大小和要求的降斜率来确定。

2、降斜井段的测斜间距不超过50米。

3、降斜井段的钻压选择原则上以满足降斜井段井眼轨迹为前提，同时兼顾提高机械钻速。

4、大斜度井段降斜时，要选择合理的钻具结构，严防井眼产生较大的全角变化率而不利于以后的钻进及完井工作。

5、降斜井段井斜角在3°以下井段可视为直井段，
钻压可适当加大，可按直井管理，但要定期测斜检查井眼轨迹变化情况。

6、降斜井段要控制好降斜率，确保全角变化率不超标。

7、降斜后直井段每300米要测斜检查，特殊要求的井，测斜间距要缩短。

8、降斜段由于地层操作等原因出现降斜钻具不降斜或增斜等异常情况时要及时采取措施。

定向井管理的其它技术要求
定向井扭方位施工（大致和定向造斜施工相同）。

定向井轨迹计算及绘图
井眼轨迹的计算是定向井井身控制的基础工作，是及时掌握轨迹动态及变化情况的核心工作，从而指导待钻井眼的设计与施工，以便准确的钻达目的层。

通过井眼轨迹的计算及绘图，我们可以了解到在不同地区的自然造斜能力和工具造斜能力，为该地区今后的定向钻井提供宝贵的数据资料。

一口井的井眼轨迹本身就是一项重要资料，对于钻井事故的处理，测井、固井完井、测试、采油、修井以及今后老区钻调整井等也都是必不可少的资料。

井身轨迹的计算
到目前为止，国内外提出的计算方法共有二十余种，其中主要方法有：正切法、平均角法、圆柱螺线法（曲率半径法）、校正平均角法、最小曲率法及弦步法等。

目前国内外应用较广泛的是最小曲率法。

因此我们着重介绍最小曲率法和平均角法。

最小曲率法：最小曲率法假设两测点间的井段是一段平面上的圆弧圆弧在两端点与上下二测点处的井眼方向线相切。

在上下测点
处井眼方向一定的情况下，把测段看成圆弧曲线，乃是所有曲线中曲率最小曲线，所以这种方法被定名为最小曲率法。

最小曲率法推导公式的思路如图
先计算测段的狗腿角γ和井眼曲率K；由K求出测段的曲率半径R；根据R和γ求出弧处线长度1M和M2；由二切线的长度及其重力线的夹角，计算测段的△H，并计算二切线分别在水平面上的投影长度1′M′和M′2′；根据1′M′和M′2′的长度及其与正北方位线的夹角，求得测段的△N和△E。

具体所得测段公式如下：
平均角法
平均角法又称角平均法，此法认为两测点间的测段为一直线，该直线的方向为上下两测点处井眼方向的矢量和。

平均角法的测段计算公式为
垂深增量△H＝△Lcosαc
东投增量△E＝△LsinαcsinΦc
北投增量△N＝△LsinαccosΦc
αc—平均井斜角，αc＝（α1＋α2）÷2
Φc――平均方位角，Φc＝（Φ1＋Φ2）÷2
两测点间增量计算完后，每个测点的参数，垂深，平移，N坐标，E坐标，视平移及平移方位角就可以算出来，方法同最小曲率法。

井眼轴线的绘图：有了实钻井眼的测斜资料和测斜计算数据，再按照一定和绘图规则和方法与比例，就可以绘制出关于井眼轴线
的许多图幅，其中，最常见和最大量使用的是水平投影图和垂直剖面图（或垂直投影图），以及邻井距离图和井底位置不定椭圆图。

水平投影图和垂直剖面的绘制
井眼轴线水平投影图和垂直剖面图的绘制，是定向井工作者的重要工作之一。

特别是在一口定向井的实钻过程中，要随时掌握井底的位置和井眼前进的方向，以便及时采取调整措施。

实际井眼轴线水平投影图和垂直剖面的绘制方法，可分为直接作图法和坐标作图法两类。

直接作图法：直接作图法又称为矢量作图法或折线作图法，它是根据测斜所得的井深、井斜角和方位角三项数据，利用直尺、量角器和分规等绘图工具，选定适当的比例，直接画出井眼轴线的垂直投影图和水平投影图。

坐标作图法：根据测斜所得井深、井斜角和方位角三项数据，计算出每个测点的参数，垂深，平移，N坐标，E坐标，视平移，在水平投影图和垂直剖面图中找出对应的坐标点，将这些坐标点连线即获得水平投影图和垂直剖面图。

定向井井下复杂及事故的预防与处理
定向井特别是高难度的定向井，因其井斜角大，水平位移长，井眼形状及钻具受力复杂，钻具紧贴下井壁，加至地层因素及钻井措施不当等方面的原因，容易引起井下复杂或井下事故。

因此，在钻井过程中，必须制订出相应的安全措施，预防发生井下复杂。