王家強(qiáng)

定向井鉆井技術(shù)作為一項(xiàng)新型實(shí)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(shí)驗(yàn)裝置等手段進(jìn)行綜合分析，從而能對(duì)該技術(shù)有一個(gè)清晰的認(rèn)識(shí)。

1.定向井剖面設(shè)計(jì)

定向井的剖面設(shè)計(jì)工作，作業(yè)人員必須提供靶點(diǎn)水平位移和提供井口、及方位角與靶點(diǎn)的坐標(biāo)位置，計(jì)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(jì)資料。設(shè)計(jì)人員應(yīng)根據(jù)定向井不同的鉆探情況對(duì)設(shè)計(jì)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(jì)，以利于快完整潔、優(yōu)質(zhì)、快速鉆井。同時(shí)，盡可能利用方位角的變化規(guī)律，統(tǒng)計(jì)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(shì)，進(jìn)行確定設(shè)計(jì)的角度。以此不斷提高投資效益，達(dá)到作業(yè)要求。

設(shè)計(jì)原則。設(shè)計(jì)人員要根據(jù)不同的鉆探目的對(duì)設(shè)計(jì)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(jì)，以利于高效、優(yōu)質(zhì)、安全鉆井這是定向井設(shè)計(jì)的目的，和設(shè)計(jì)最基本的原則。

靶點(diǎn)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(jiǎn)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(shí)鉆資料，統(tǒng)計(jì)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(shí)，方位角的變化往往有向右增加的趨勢(shì)，因此要合乎右手漂移規(guī)律。 層傾角小、巖性穩(wěn)定時(shí)，鉆頭具有方位左漂的趨勢(shì)，因此，要使用PDC鉆頭鉆進(jìn)的定向井，提前角要根據(jù)實(shí)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(diǎn)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(dòng)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(jià)格較低，但它對(duì)鹽水鉆井液的腐蝕較敏感。非磁鉆鋌間應(yīng)用時(shí)，必須注意穩(wěn)定器對(duì)羅盤的影響，這樣可以降低對(duì)羅盤的影響，又可以節(jié)省價(jià)格昂貴的非磁鋼材。

井下馬達(dá)：井下動(dòng)力鉆具它分為渦輪鉆具、容積式馬達(dá)和電動(dòng)鉆具三大類。容積式馬達(dá)具有下列優(yōu)點(diǎn)：鉆井眼尺寸與原井眼完全相同；井內(nèi)有橋塞時(shí)，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(dòng)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(dòng)軸四部分組成。螺桿鉆具的工作動(dòng)力來自循環(huán)鉆井液，在壓力一定時(shí)，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(dòng)，然后經(jīng)萬向軸傳遞到傳動(dòng)軸和鉆頭上。當(dāng)無鉆井液循環(huán)或低泵沖循環(huán)時(shí)，在彈簧的作用下，閥心處于上部位置，此時(shí)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(jì)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(duì)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(shí)，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(shí)，必段認(rèn)真測(cè)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(guó)進(jìn)行定向井、水平井注水泥頂替模擬實(shí)驗(yàn)研究具有很重要的實(shí)際意義。在現(xiàn)有的油田鉆井現(xiàn)場(chǎng)，我們對(duì)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(duì)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(shí)和研究。因此，我們經(jīng)過建立實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)裝置能夠有效在反映真實(shí)效果，所以，我們研制的“混漿密度擬連續(xù)測(cè)量法”測(cè)試頂替效率，配合觀測(cè)，系統(tǒng)地研究了井斜角、雷諾數(shù)、密度差、因素對(duì)注水泥過程中頂替效率、效果的影響規(guī)律和評(píng)價(jià)分析。

在井斜角和偏心度相對(duì)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(duì)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(shí)，密度差會(huì)隨之增大，頂替的液體沿環(huán)外空低邊進(jìn)入的趨勢(shì)越加明顯，如果偏心度增加嚴(yán)重，頂替液會(huì)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(shí)，隨著偏心程度的增加，密度差增大的同時(shí)，有目的地減小雷諾數(shù)，會(huì)對(duì)于環(huán)空頂替有效果；雷諾數(shù)的相應(yīng)增大同樣會(huì)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(huì)使頂替效果更加明顯。

當(dāng)井斜角比較小或井眼相對(duì)垂直、層流注入水泥的時(shí)候，套管居中時(shí)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(shí)，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(shí)，套管居中小的密度差頂替效果會(huì)比較明顯，密度差無論正與負(fù)，在頂替時(shí)都容易產(chǎn)生分層流動(dòng)的現(xiàn)象；而當(dāng)套管出現(xiàn)偏移中心時(shí)，正密度差會(huì)在重力的作用下和對(duì)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(shí)隨雷諾數(shù)的增加頂替效果逐漸變好。

井斜角對(duì)層流注水泥影響很大。當(dāng)負(fù)密度差頂替時(shí)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(shí)通常發(fā)生明顯的分層流動(dòng)現(xiàn)象。隨著井斜角的增大，正密度差頂替時(shí)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(shí)甚至發(fā)生明顯的分層流動(dòng)現(xiàn)象；

采用“混漿密度擬連續(xù)測(cè)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(cè)試過程快速而且簡(jiǎn)單，采用這種方法時(shí)，我們建立的實(shí)驗(yàn)裝置成本也比較低，特別是當(dāng)正密度差進(jìn)行頂替時(shí)，偏心度對(duì)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(shí)，套管居中時(shí)的頂替效果優(yōu)于套管偏心時(shí)的頂替效果。當(dāng)頂替流態(tài)為層流、且負(fù)密度差頂替時(shí)，套管居中時(shí)的頂替效果優(yōu)于套管偏心時(shí)的頂替效果。

（作者單位：中國(guó)石油長(zhǎng)城鉆探工程有限公司鉆井一公司）