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1、定 向 钻 进Directional Drilling2012年9月本课程主要讲述内容绪论 第一章 定向钻孔轨迹设计第三章 定向钻井技术手段第二章 定向钻孔施工工艺第四章 造斜工具定向方法第五章 定向钻孔轨迹预测李世忠 钻探工艺学 地质出版社吴光琳 定向钻进原理 成都科大出版社江天寿、周铁芳 受控定向钻探技术 地质出版社苏义脑 井下控制工程学研究进展 石油工业出版社苏义脑 螺杆钻具研究及应用 石油工业出版社王亚伟等 分枝井钻井完井技术 石油工业出版社本课程主要参考书主要参考书中文期刊 探矿工程、西部探矿工程、地质 与勘探、煤田地质与勘探 国外钻井技术、石油钻采工艺、石油钻探技 术、矿大学报、地
2、大学报、石油大学学报、 吉林大学学报等 外文期刊 Drilling Industrial Diamond Review IDR Mining Journal 有关会议论文集 绪 论定向钻井的发展情况定向钻进的特点定向钻进的使用范围绪 论一、定向钻井的发展情况1930年，美国California Huntington Beach 施工 两口深入海底的定向井；1933年，美国California Long Beach Signal Hill 油田又打了几口定向井，开采Sunnyside Cemetery 下方的石油；定向钻进技术在美国近海油田油井 钻进中获得广泛应用； 1941年，出现涡轮钻tur
3、bodrill，前苏联成功打出定向井；50年代，丛式钻井技术大大地发展；绪 论一、定向钻井的发展情况60年代，海上平台定向井迅速发展，Gulf of Mexico、 North Sea 等油田勘探与开发，一个平台钻1836口井；70年代，多品种螺杆钻具出现，如戴纳钻（Dyna drill）、 纳维钻（Navi drill）、贝壳钻（Baker drill）、克里斯坦森 （Christensen）、Smith等公司螺杆钻具；80年代，为准确控制定向井井身轨迹，提高中靶精度， 随钻测量技术（Measurement While Drilling）出现， 并广泛应用。由于电子计算机广泛应用，出现计算机
4、 辅助钻进（Computer Aids Drilling）。绪 论一、定向钻井的发展情况固体矿产定向钻进50年代，美国才使用造斜楔whipstock；60年代，前苏联成功研制各类型连续造斜器。 绪 论一、定向钻井的发展情况我国定向钻进始于五十年代。 1956年，玉门油田钻成第一口定向井； 60年代，四川油田采用多种型式涡轮钻定向钻进试验；70年代，海洋定向钻进迅速发展，渤海油田打丛式井， 一个平台施工多达12口定向井。 绪 论一、定向钻井的发展情况国内固体矿产勘探方面 1956年，江西德兴铅锌矿施工一批初级定向孔； 6070年代，原地矿部广东705队、黑龙江四队、 云南三队等单位打了更多的自然
5、定向孔和部分人工 定向孔；80年代，分别在安徽、江西、贵州等的矿区试验 获得成功。 定向钻进技术起源于上世纪三十年代的美国。 海上石油的勘探开发 陆地矿产勘探 各种工程施工 材料科学 电子计算机 传感器技术 计算机辅助钻进(CAD) 孔底动力机(down-hole motor) 随钻测量(MWD)绪 论绪 论二、定向钻进的特点1、定向钻进定义采用一定的技术手段，按照一定的设计轨迹， 达到预定的钻探目标，叫定向钻进。 技术手段地层自然造斜规律 人工造斜工具 地层自然造斜和人工造斜工具结合 绪 论二、定向钻进的特点1、定向钻进定义采用一定的技术手段，按照一定的设计轨迹， 达到预定的钻探目标，叫定向
6、钻进。 设计轨迹直线 曲线 直线+曲线 平面型 空间型 绪 论二、定向钻进的特点1、定向钻进定义采用一定的技术手段，按照一定的设计轨迹， 达到预定的钻探目标，叫定向钻进。 目标即靶区。靶区的形状可以是圆形、正方形、长方形。绪 论二、定向钻进的特点2、定向钻进优点（1）缩短钻探周期，节省钻探工作量；（6）多采集岩矿心，补取岩矿心。（2）确保地质质量；（3）实现一基多孔、一孔多枝，大大节省准备费用；（4）减少在复杂地层中钻进，避免重复穿过复杂地层；（5）减少控制孔斜费用；绪 论二、定向钻进的特点3、定向钻进存在问题（5）增加管理难度。（1）造斜时间长增加工序；（2）降低钻进速度；（3）增加钻杆柱磨
7、损，钻杆柱易折断；（4）造斜费用高；绪 论三、定向钻进的使用范围1、地表条件要求（3）高山、深谷等无法平整场地。 （1）勘探埋藏在湖泊、沼泽、城镇、大型建筑物下部物体；（2）海上进行钻探，充分利用平台；绪 论三、定向钻进的使用范围2、地下条件要求（3）在强造斜地层中将斜就斜；（1）勘探陡斜矿体；（2）避免重复穿过复杂地层；（5）孔深、勘探网度密。（4）矿层与围岩产状相反，必须采用人工强制措施；绪 论三、定向钻进的使用范围3、工程技术需要 （3）增加矿心量、出水量、出油量或出气量；（1）补取岩矿心；（2）避免孔报废，绕过孔内事故孔段；（5）敷设地下电缆或管道；（4）打控井喷、灭火等救援井；（7）
8、地下核爆破取样。（6）特殊要求的注浆孔；第一章 定向钻孔轨迹设计第一章 定向钻孔轨迹设计第一节 定向钻孔的空间要素第二节 定向钻孔的类型和孔身轨迹形式 第三节 定向钻孔孔身轨迹设计的原则和内容第四节 初级定向孔孔身轨迹设计方法第五节 受控定向孔孔身轨迹设计方法第一章 定向钻孔轨迹设计第一节 定向钻孔的空间要素一、空间要素 定向钻孔的空间要素 钻孔轴线各点的顶角、方位角、孔深 见矿点（靶点）的垂深和水平位移 曲线段的曲率和弯曲强度 钻孔轴线的遇层角 第一章 定向钻孔轨迹设计第一节 定向钻孔的空间要素一、空间要素 1、基本要素定向钻孔轴线各点的顶角、方位角和孔深称为基本要素。在三维坐标系中，原点O
9、代表开孔点；X轴代表南北方向；Y轴代表东西方向；Z轴指地一下方向。第一章 定向钻孔轨迹设计第一节 定向钻孔的空间要素一、空间要素 1、基本要素定向钻孔轴线各点的顶角、方位角和孔深称为基本要素。顶角 drift angle 钻孔轴线上某点沿轴线延伸方向的切线与铅垂线之间的夹角。 方位角 azimuth 钻孔轴线上某点沿轴线延伸方向切线水平投影与正北方向之间的 夹角，并从正北方向起按顺时针方向计算。 孔深 depth of hole 钻孔轴线延伸的长度 。第一章 定向钻孔轨迹设计第一节 定向钻孔的空间要素一、空间要素 2、垂深和水平位移 垂深 目标点在Z轴上的投影长度。水平位移 目标点在水平面上投
10、影点与孔口距离。 靶点垂深和水平位移： 把目标点改成靶点即可。第一章 定向钻孔轨迹设计第一节 定向钻孔的空间要素二、孔身轴线形式 1、变化；也变化孔身轴线为空间曲线。 特例：倾斜平面内曲线。 2、变化；不变化孔身轴线为平面曲线。 垂直平面内曲线3、 不变；变化孔身轴线为螺旋线。 特例：水平平面内曲线 4、 不变；也不变孔身轴线为直线。 第一章 定向钻孔轨迹设计第一节 定向钻孔的空间要素三、孔身轴线弯曲强度或曲率 弯曲强度与曲率概念相同，都反映单位长度上角度变化。 是为了说明定向孔曲线段的弯曲程度。 1、顶角弯强 drift deviation intensity 单位孔身长度上顶角的变化量。
11、表征钻孔顶角弯曲的强烈程度。 （/m）A、B两点顶角的增量 A、B两点弯曲孔段的长度 第一章 定向钻孔轨迹设计第一节 定向钻孔的空间要素三、孔身轴线弯曲强度或曲率 弯曲强度与曲率概念相同，都反映单位长度上角度变化。 是为了说明定向孔曲线段的弯曲程度。 2、方位弯强 deviation intensity of azimuth 单位孔身长度的方位角变化量。 表征钻孔方位弯曲的强烈程度。 （/m）A、B两点方位角的增量 A、B两点弯曲孔段的长度 第一章 定向钻孔轨迹设计第一节 定向钻孔的空间要素三、孔身轴线弯曲强度或曲率 弯曲强度与曲率概念相同，都反映单位长度上角度变化。 是为了说明定向孔曲线段的
12、弯曲程度。 2、全弯强 total deviation intensity 单位孔身长度的全弯曲角变化量。 （/m）第一章 定向钻孔轨迹设计第一节 定向钻孔的空间要素四、钻孔轴线遇层角 angle of penetration 钻孔轴线靶点（见矿点）的切线与其在矿层面上的投影所夹的锐角。 地质要求钻孔遇层角一般不小于30。 第一章 定向钻孔轨迹设计第二节 定向钻孔的类型和孔身轨迹形式 一、定向钻孔的类型 1、按施工技术和方法不同分类 （1）初级定向孔 （自然造斜定向孔 ）preliminary directional hole 特点：常规技术和工艺钻进；利用岩层自然造斜趋势；移动孔口位置；改变
13、开孔顶角或方位角。 适应于岩层强造斜作用，孔斜趋势明显矿区。 第一章 定向钻孔轨迹设计第二节 定向钻孔的类型和孔身轨迹形式 一、定向钻孔的类型 1、按施工技术和方法不同分类 （2）受控定向孔 controlled directional hole 适应于岩层无造斜作用或造斜作用不够， 以及克服造斜影响的矿区。 特点：采用人工造斜手段和工艺措施，钻达目的层的钻孔，需采用专门的定向造斜工具和配套技术。 （人工造斜定向孔 ）第一章 定向钻孔轨迹设计第二节 定向钻孔的类型和孔身轨迹形式 一、定向钻孔的类型 2、按钻孔轴线不同分类 （1）直线型定向孔 孔身按直线轨迹延伸，顶角、方位角受严格控制的钻孔。
14、（2）平面弯曲型定向孔孔身轨迹在某一个平面内延伸的钻孔。 （3）空间弯曲型定向孔孔身轨迹某段在某一个曲面上延伸的钻孔。 此类钻孔适应于岩层造斜作用强烈，钻孔顶角和方位角 自然弯曲都很明显矿区。第一章 定向钻孔轨迹设计第二节 定向钻孔的类型和孔身轨迹形式 一、定向钻孔的类型 3、按钻孔有无分枝分类 （1）单孔底定向孔 只有主孔而无分枝孔的定向孔。 常用于自然造斜的初级定向孔，利用小顶角开孔获得较大 的遇层角、绕开孔内障碍物、纠斜。 第一章 定向钻孔轨迹设计第二节 定向钻孔的类型和孔身轨迹形式 一、定向钻孔的类型 3、按钻孔有无分枝分类 （2）多孔底定向孔既有主孔、又有一个以上的分枝孔的定向孔。
15、如：单向羽状孔、双向羽状孔、多向集束孔、多级分枝定向孔。 第一章 定向钻孔轨迹设计第二节 定向钻孔的类型和孔身轨迹形式 一、定向钻孔的类型 3、按钻孔有无分枝分类 （2）多孔底定向孔多级分枝定向孔单向羽状孔双向羽状孔多向集束孔第一章 定向钻孔轨迹设计第二节 定向钻孔的类型和孔身轨迹形式 二、孔身轨迹形式 初级定向孔 平面曲线或空间曲线 受控定向孔 平面曲线 垂直平面 倾斜平面 水平平面 轨迹由直线段、曲线段、折线段组成。 垂直线、直线段、斜直线 半径单一圆弧或曲率半径不同的圆弧组成的弧线 第一章 定向钻孔轨迹设计第二节 定向钻孔的类型和孔身轨迹形式 二、孔身轨迹形式 孔身轨迹常见形式： （1）
16、直线曲线形式 上直下弯状 曲线段，利用自然造斜或人工造斜钻达靶区。 开孔施工直线段第一章 定向钻孔轨迹设计第二节 定向钻孔的类型和孔身轨迹形式 二、孔身轨迹形式 孔身轨迹常见形式： （2）直线曲线直线形式 直弯直型 稳斜钻进到靶点是往下打直线段 稳斜段造斜段第一章 定向钻孔轨迹设计第二节 定向钻孔的类型和孔身轨迹形式 二、孔身轨迹形式 孔身轨迹常见形式： （3）直线曲线曲线形式 直弯弯型 第一造斜段第二造斜段人工造斜分成两次或后一次 造斜利用自然造斜打目的层。 这种轨迹可获得较大的终孔顶角。 第一章 定向钻孔轨迹设计第二节 定向钻孔的类型和孔身轨迹形式 二、孔身轨迹形式 孔身轨迹常见形式： （4）直线曲线直线曲线直线形式 直弯直弯直型 增斜孔段 稳斜孔
