定向井施工技术 定向井工程师是干什么的？
地热资源开发利用需要“回灌开发”模式。回灌开发是在同一施工地点开凿两眼或两眼以上地热井,一眼作为开采井,另一眼作为回灌井。受城市用地面积的限制以及运行管理的需要,多以“对井”的方式成井。对井井口直线距离在2.5～10m之间,为防止开采、回灌地热流体短时间内相互干扰,井底距离一般保持在800m以上,这就需要有定向井施工技术的支持。
(一)定向井设计
定向井设计原则是为实现钻井目的,合理选择目标点的层位、确定靶区半径,尽可能选择简单的井身剖面类型;设计的基本数据包括地面井位坐标、井底坐标、方位角、井底水平位移、造斜点位置、最大井斜角。定向井设计前要了解设计井区的地质条件,如地层、岩性、压力、倾角、倾向、断层等。还要了解地层造斜特性(以便利用地层的方位漂移规律),分析井区已有定向井资料等,从设计上避免井下复杂情况发生。
地热井不同于石油开采井。首先,地热井要有泵室,泵室为直井段;其次,以扶盆地热储层在一定范围内目的层可近似看作水平无限延伸(断裂型地热井除外),因此,定向井目标靶区半径可适当放大,这些都为定向井设计提供了方便。
1)井身剖面设计:定向井井身剖面类型多种多样,常见的有三段制(多目标、较浅井)和五段制(小位移、较深井),选用的原则是保证达到钻井目的;尽可能简单,利于安全、快速地进行作业以降低钻井成本。地热定向井多用五段制,即直井段、增斜段、稳斜段、降斜段、直井段。
2)造斜点设计:造斜点的选择是定向井成功的关键因素之一。一方面定向井施工要求造斜点岩石结构比较稳定、可钻性比较均匀,避免岩石破碎段、流砂层或易坍塌等复杂地层,同时岩石的硬度应能起到对造斜钻具的支撑作用。另一方面造斜点的深度应根据设计井的垂直井深、水平位移大小和选用的井身剖面类型而决定。实际工作中往往把造斜点选择在尽可能浅的地层中,以利于用尽量小的井斜达到理想的成井水平位移。
3)最大井斜角设计:井斜角是钻具行迹与垂直方向的夹角,主要依据钻井设备定向能力、垂直井深与目标水平位移确定。大量的钻井实践证明,井斜角小于15°,方位不稳定,容易漂移。井斜角大于45°,施工难度较大,井壁易失稳,所以,最大井斜角最好控制在15°～45°之间。
(二)定向井施工安全措施
由于定向井井眼形状复杂,水平位移较大,易发生井下复杂情况和产生井下事故。
1)压差卡钻。在定向井施工中,斜靠在井壁上的钻具与井壁的接触面积大,作用在井壁上的正压力也增大,易发生压差卡钻。预防措施主要是采用润滑性能优良的钻井液:①加入润滑剂使泥饼摩擦系数小于0.2;②采用混油泥浆、混油量8%～15%;③下套管及电测井之前加1.5%～2%的固体润滑剂,保证顺利施工。
2)键槽卡钻。定向井钻进和起下钻过程中,钻具长时间拉、摩、碰井壁,容易形成键槽。预防措施有:①在曲率较大的井段,定期下入键槽破坏器,破坏键槽;②认真记录起下钻遇阻遇卡位置,结合测斜资料分析,提前破坏处理。
3)其他防卡措施:钻井液应具有良好的净化系统,至少配备三级净化装置,保证钻井液含砂量不大于0.5%;控制钻井液,使其屈服值不小于6Pa,提高携带岩屑能力,保证井眼干净。
(三)定向井施工实例
目前,天津地区地热定向井有90对之多,积累了在中低温沉积盆地地热定向井的施工经验,下面以SR19D,SR20D基岩地热定向“对井”为例,对地热定向井施工工艺进行探讨。
1.地层及岩性
该“对井”钻遇地层为第四系平原组,新近系明化镇组、馆陶组,古生界寒武系,新元古界青白口系景儿峪组、龙山组,中元古界蓟县系雾迷山组(目的层),见表4-3。
2.定向井工艺
(1)定向工具的选择
该“对井”定向井段为Φ311mm(
表4-3 设计对井钻遇地层及岩性
(2)定向井设计
1)井身结构设计。根据钻井所在区域地质情况和地热钻井技术特点,设计为四开井,井身结构及套管程序为:一开钻头直径Φ444.5mm,套管直径Φ339.7mm,下深400m;二开钻头直径Φ311mm,套管直径Φ244.5mm,进入基岩2m左右封闭松散软地层;三开钻头直径Φ215.9mm,套管直径Φ177.8mm,进入取水目的层雾迷山组白云岩2m左右下管;所有套管必须符合美国石油协会指定的API标准。四开钻头直径为Φ152.4mm,裸眼成井,井身结构见表4-4。
表4-4 定向井井身结构表
2)井身剖面的设计。根据施工井地层特点和井身结构设计定向井为五段制井身剖面,即直井段、增斜段、稳斜段、自然降斜段和直井段。
3)造斜点的确定。根据施工设计和实际钻进地层分析,SR19D造斜点定在820m,SR20D造斜点定在765m的新近系胶结较好的泥岩中。
4)设计方位角、水平位移、造斜率和最大井斜角。根据地层产状、钻井深度和构造情况,设计SR19D井方位角为135°,水平位移为400m,SR20D井方位角为315°,水平位移为400m,井眼曲率为12°/100m以内,最大井斜角21°。
(3)定向井施工工艺措施和注意事项
1)直井段采用塔式钻具结构,严格按规定参数钻进,井斜角控制在1°以内。
2)定向造斜井段选在新近系上部的泥岩井段,采用有线随钻定向速度较快,但造斜率一般应控制在12°/100m以内,采用2.5°弯接头一般50～70m可达到8°井斜,完成定向工作,在定向造斜时还考虑了转盘增斜作用,使用的牙轮钻头钻进时方位多向顺时针方向漂移即右手漂移规律,因此该井在定向造斜过程中比设计方位提前6°～10°,目的是利用右手漂移规律在钻达目的层时中靶精度更高。
3)转盘钻增斜井段,每钻进30m要测斜一次,根据轨迹测量情况调节钻压和转速,以控制增斜速度和方位,井眼轨迹圆滑,钻至最大井斜角21°可以进行稳斜钻进。
4)斜井段700～1300m为Φ311mm大井眼,钻进过程中岩屑较多,要求泥浆泵排量要大,并根据井内情况和岩屑返出情况,每钻进100～200m进行一次短提下钻,以清理下井壁的“岩屑床”,起钻时要观察井口,防止出现“抽吸”,必要时接方钻杆循环。
5)稳斜段,按照设计要求采用3只扶正器稳斜钻具结构,就可满足新近系Φ311mm井段稳斜要求,每钻进50m要测斜一次,根据轨迹测量情况调节钻压和转速,控制增斜速度和方位,可以达到按所需轨迹施工的目的。而基岩地层Φ215.9mm井段稳斜时,情况相对较复杂,由于地层塑性小,刚性较大,因此钻井过程中受岩层倾角和走向影响,非常容易出现降斜和“跑方位”情况,施工中采用4只扶正器的稳斜钻具结构,并根据测量井斜和方位情况及时调整钻具结构,如采用微增结构或增斜结构进行稳斜, SR19D井遇到稳斜稳不住情况,利用增斜钻具稳斜较理想。
6)四开Φ152.4mm井段为工作的目的层,主要岩性是白云岩,裂隙发育、漏失严重,采用自然降斜钻具结构。
3.钻井液调配
一开井段:钻遇地层为第四系。岩性:粘土、砂层、砂质粘土。钻井液用搬土浆。
二开井段:钻遇地层为新近系。岩性:砂岩、泥岩、砂泥岩。井眼尺寸:Φ311mm,钻井液类型:聚合物防塌钻井液。本井段难点:稳定井壁、大井眼携砂、润滑防卡。
1)钻井液性能为:密度1.05～1.08g/cm3,黏度35～38s,API失水≤8mL,塑性黏度7～10mPa·s,动切力3～6Pa,10s切力0.5～1.0Pa,10min切力1.0～3.0Pa,pH8.5～9。
2)二开钻水泥塞时,加入适量的纯碱,避免水泥对钻井液的污染。定向钻进前,加入极压润滑剂、润滑防塌剂、胺盐等钻井液材料,保证钻井液性能稳定。上部地层机械钻速较快,及时排放沉砂,降低劣质固相对钻井液的污染。
3)完钻前50m调整好钻井液各项性能,保证电测和下套管施工的顺利进行。
三开井段:钻遇地层主要为古生界寒武系和新元古界。岩性:泥质灰岩、泥页岩、泥岩、灰岩。井眼尺寸:215.9mm。钻井液类型:抑制性防塌钻井液。本井段难点:泥岩防缩径、井眼净化、润滑防卡、防漏。
1)钻井液性能:密度1.10～1.15g/cm3,黏度38～48s,API失水≤12mL,塑性黏度8～15mPa·s,动切力5～8Pa,10s切力1.0～2.0Pa,10min切力2.0～4.0Pa,pH8.5～9.0。
2)钻水泥塞时,加入适量的纯碱,避免水泥对钻井液的污染。钻进过程中,补充极压润滑剂、防塌护壁剂、高温降滤失剂等钻井液材料,保证钻井液性能稳定。
四开井段:清水钻进。
4.根据地层情况采取的堵漏措施
SR19D,SR20D两井相距很近,但在施工中发现两井钻遇地层相差较大。尤以古生界寒武系最为突出。SR19D井寒武系厚度为164m,其中昌平组缺失,井底没有出现异常。SR20D井的寒武系厚度355m,其中昌平组厚78m。当钻进至1526m时进尺开始加快至3m/min,当钻进至1534m时出现大漏基本不返浆,上返的少量岩屑中含有大量的风化的灰岩,滴酸起泡剧烈,为防止井下重大事故发生,果断甩掉3个扶正器,继续钻进。1558m再次出现大漏不返浆,提钻,实施静止堵漏。3天的堵漏过程中,多次出现井下危险,但由于采取措施及时、方法得当,保证了生产的安全进行。
定向井的定向井的基本概念~
定向井技术是当今世界石油勘探开发领域最先进的钻井技术之一，它是由特殊井下工具、测量仪器和工艺技术有效控制井眼轨迹，使钻头沿着特定方向钻达地下预定目标的钻井工艺技术。采用定向井技术可以使地面和地下条件受到限制的油气资源得到经济、有效的开发，能够大幅度提高油气产量和降低钻井成本，有利于保护自然环境，具有显著的经济效益和社会效益。定向井就是使井身沿着预先设计的井斜和方位钻达目的层的钻井方法。其剖面主要有三类： (1)两段型：垂直段+造斜段；(2)三段型：垂直段+造斜段+稳斜段；(3)五段型：上部垂直段+造斜段+稳斜段+降斜段+下部垂直段。水平井是定向井的一种，一般的油井是垂直或倾斜贯穿油层，通过油层的井段比较短。而水平井是在垂直或倾斜地钻达油层后，井筒转达接近于水平，以与油层保持平行，得以长井段的在油层中钻进直到完井。这样的油井穿过油层井段上百米以至二千余米，有利于多采油，油层中流体流入井中的流动阻力减小，生产能力比普通直井、斜井生产能力提高几倍。胜利油田定向井技术闻名全国，胜利油田钻井院和胜利油田钻井工程技术公司已形成了普通定向井、多目标定向井、救援定向井、丛式定向井、水平井、分支井等几十种类型的定向井施工工艺。胜利油田黄河钻井总公司和渤海钻井总公司的定向井施工能力享誉国内外。
定向井工程师是石油钻井行业中一个技术工种，通俗说就是控制钻头拐弯的，现在的定向工具和仪器已经很发达，据说用的是军事上的导弹导航技术，地面控制井下钻头往期望的方位钻进，也就是说你随便想要打到哪里，定向工程师就能帮你实现，技术性很高。比如这块地方地下有油，但是地面是居民区不可能在居民区里钻井，那就从附近对环保要求不高的地方打井，定向工程师可以引导钻头准确钻到你所需要的油层靶点，顺利采油。或者地下好几个临近的地方都有油，每个地方打一口井成本太高，定向工程师可以通过打一口水平井把这几个油层贯穿，同时采油。又或者在大海边缘浅水大陆架地下有油，可是在水面上搭建钻井平台成本过高（通常以亿计算），定向工程师可以通过在附近的陆地打一口大位移水平井，实现海上油田陆地开采，大大节约成本。总之，定向是一项纯技术工种。打个比方，如果整个钻井过程就像开车去一个目的地，定向工程师相当于握着方向盘的司机，呵呵，我就是一名这样的司机，希望能给你有所启发！
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