定向钻进技术的现状与发展

张军

定向钻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。该文着重介绍了水平井钻井中的重点技术。

定向钻进技术的发展背景。地质勘探的一般方法：区域地质调查——物探与化探——普查勘探——布置勘探网进行详细勘探与开发——定点取样，提交储量报告。勘探开发的常规方法：根据地质或设计部门的要求——设计井眼位置、深度、轨迹形式，一般是各种类型的直线井（垂直井居多）——进行钻井技术方案设计——提出井眼弯曲等技术要求——采取防斜、保直措施保证井眼达到勘探要求。 我国70～80年代对普查井的规范：孔斜<1.5?～2.0?/100m。这也是根据当时的钻井技术水平而制定的。其精度到底如何？能否满足现代钻探与钻井的要求？70～80年代，随着我国的改革开放政策，机械、电子、测试、材料加工等技术的发展，研究、引进和开发受控定向钻进技术取得了巨大的进展，利用地层自然弯曲规律钻孔和采用人工强制手段改变井眼轨迹在此基础上迅速发展起来，钻探与钻井工程由过去的被动防斜转变为主动地人为控制，实现了钻探史上的一次飞跃。

我国定向钻进技术的发展。我国定向钻进始于50年代。1956年，玉门油田钻成第一口定向井。1977～1982年，全国共完成定向井316口，平均井深2478.9m。“八五”期间，重点攻关“石油水平井钻井成套技术研究”，到1997年钻成长、中、短半径三类水平井共153口，掌握了水平井井眼轨迹优化设计方法，建立了水平井下部钻拄大挠度受力分析模型，以及水平井井眼轨迹预测模型，定向钻进技术总体上达到了90年代国际先进水平。

关于“靶区”与“靶点”的含义。为了控制定向井轴线到达预定目标时偏离不大，在定向井设计时，对预定目标事先规定了一定的范围，该范围是井眼轴线到达预定目标时的允许偏差区域，称为靶区。

靶区的形状和大小可以是以靶点为圆心的一定半径的圆或圆筒，也可以是以靶点为中心，离靶心一定偏线距和沿线距的距形或正方形。目的层急倾时，靶区还可给定在垂直面或目的层倾斜面上。

预定的目标为靶点，一般为靶区的中心。井孔轴线钻到预定靶区称为“中靶”，反之则称之为“脱靶”。

定向钻井在水平井实际中的应用

水平井概述及轨迹控制。水平井是最大井斜角保持在90°左右，并在目的层中维持一定长度的水平井段的特殊井。水平井钻井技术是常规定向井钻井技术的延伸和发展。

水平井的突出特点是井眼穿过油层的长度长，所以油井的单井产量高；水平井的应用；天然垂直裂缝；水锥和气锥；低渗透地层；薄油层；溶解采矿；重油产层；不规则地层：油层互不关联、位置难以确定、垂直井难以钻到；扩大边界控制面积；层状油层。

水平井的轨迹控制要求高，难度大；水平井的目标是一扁平的立方体，不仅要求井眼准确进入窗口，而且要求井眼方位与靶区轴线一致，俗称“矢量中靶”。

“两个不确定性因素”：一是目标垂深预测有一定的误差；二是造斜工具的造斜率的不确定性。对直井和普通定向井不会有很大的影响，但水平井可能导致脱靶。

岩屑携带及完井电测中的困难。容易形成“岩屑床”。特别是在井斜角为45?～60?的井段，“岩屑床”沿井壁下侧下滑，形成堆积，堵塞井眼。

要求精心设计钻井液参数和水力参数。

仪器不可能依靠自重滑到井底。钻进中用钻柱送入仪器。射孔测试用油管送入，完井电测是裸眼，仪器难以送入。主要特点：①简化了井身结构，减少了套管层次，提高钻井速度，降低钻井成本②小井眼代替了大井眼，定向造斜和转盘增斜机械钻速提高③定向造斜时，排量相对较大，便于携岩，保证了施工安全，得到大面积推广应用。

水平控制的技术要点和动态监控：

钻具稳平。“钻具稳平”的含意是从钻具组合设计和选型方面来提高和加强稳平能力。

上下调整。“上下调整”主要表现为对钻头铅垂位置和井斜角（增降）的调整。在水平控制中，要求钻具组合有一定的纠斜能力。

多开转盘。开转盘的导向钻进可以：减少摩阻，易加钻压；破坏岩屑床，清洁井眼；提高机械钻速；增加水平段的钻进长度。一般，水平段开转盘的进尺应不小于水平段总进尺的75%。但转盘转速应不大于60r/min为宜。

注意短起。 为保证井壁质量，减少摩阻和避免发生井下复杂情况，在水平段中每钻进一段距离（ 如 50m左右，尤其是对定向纠斜井段），应进行一次短程起下钻。

动态监控。对已钻井段进行计算，并和设计轨道进行对比和偏差认定；对钻具组合的稳平能力（导向状态）和纠斜能力（定向状态）进行过后分析和评价；钻头位置距上、下、左、右4个边界的距离；待钻井眼设计计算与分析调整。留有余地

水平控制的实钻井眼轨道在竖直平面中是一条上、下起伏的波浪线，当钻头到达边界较近的一点D1时，由D1至D2继续下降，直至D2开始转折，如果不考虑这种滞后现象，很有可能造成井段出靶。“留有余地”就是分析计算这种滞后带来的增量，保证在转折点也不出靶。

水平井钻进过程中的动态监控在定向钻井过程中最重要的就是对井底的实时监测。这就要使用较好的随钻测量工具。

随钻测量定向（MWD）是定向钻进先进的技术手段，可以不间断定向钻进而测量孔底信息，并将信息传送到地表。随着技术的进步，现代随钻测量已发展为随钻测井（Logging While Drilling），简称LWD，不仅可以监控定向钻进，还可以进行综合测井，获取信息的种类有：定向数据（井斜角，方位角，工具面角）；地层特性（伽马射线，电阻率测井记录）；钻井参数（井底钻压，扭矩，每分钟转数）。

随钻测量中，传感器是装在作为下部钻具组合整体的 一部分的特殊井下仪器中。

定向钻井技术现在已经得到了广泛的应用，并在石油行业中占据了较高的地位。它的出现解决了以往很多较复杂油藏开采困难的问题，提高了油田的开发效率，水平井的成功应用也提高了油田的采收率。依靠现有的条件，改善目前的钻具，合理的使用地质导向技术，能大大加强定向钻井的命中率，也为定向钻井的进一步推广应用打下基础。

（作者单位：中国石油长城钻探工程有限公司国际业务保障部苏南项目部）