1.定向井技術簡介

 

  1.1 定向井基本概念

 

  定向井就是使井身沿著預先設計的井斜和方位鉆達目的層的鉆井方法。其剖面主要有三類：（1）兩段型：垂直段+造斜段；（2）三段型：垂直段+造斜段+穩斜段；（3）五段型：上部垂直段+造斜段+穩斜段+降斜段+下部垂直段。

 

  定向井技術是當今世界最先進的鉆井技術之一，它是由無磁傳感控制鉆頭運動軌跡，使鉆頭沿著特定方向鉆達地下預定目標的鉆井工藝技術。采用定向井技術可以使地面和地下條件受到限制的地熱資源得到經濟、有效的開發，具有顯著的經濟效益和社會效益。定向井就是使井身沿著預先設計的井斜和方位鉆達目的層的鉆井方法。

 

  1.2 定向井基本應用

 

  （1）地面限制：埋藏在高山、城鎮、森林、沼澤海洋、湖泊、河流等地貌復雜的地下，或井場設置和搬家安裝碰到障礙時，通常在它們附近鉆定向井。

 

  （2）地下地質條件要求：用直井難以穿過的復雜層、鹽丘和斷層等，常采用定向井。

 

  （3）鉆井技術需要：遇到井下事故無法處理或不易處理時，常采用定向井技術。

 

  （4）其它需要：其它需要用到定向井時。

 

  1.3 定向井基本分類

 

  （1）按設計井眼軸線形狀可分為：①兩維定向井：井眼軸線在某個鉛垂平面上變化的定向井，井斜變化，方位不變化；②三維定向井：井眼軸線在三維空間變化的定向井，井斜變化，方位變化，包括：三維糾偏井和三維繞障井。

 

  （2）按設計最大井斜角可分為：①低斜度定向井：井斜小于15 度，鉆井時井斜、方位不易控制，鉆井難度大；②中斜度定向井：井斜在15-45 度之間，鉆井時井斜、方位易控制，鉆井難度相對較小，是使用最多的一種；③大斜度定向井：井斜在46-85 度之間，其斜度大，水平位移大，增加了鉆井難度和成本；④水平井：井斜在86-120 度之間，其鉆井相對較難，需要特殊設備、鉆具、工具、儀器。

 

  （3）按鉆井的目的可分為：救援井、多目標井、繞障井、多底井等等。

 

  （4）按一個井場或平臺的鉆井數可分為：①單一定向井；②雙筒井：

 

  一臺鉆機，鉆出井口相距很近的兩口定向井；③叢式井（組）：在一個井場或平臺上，鉆出幾口或幾十口定向井和一口直井。

 

  2.國內外定向井技術發展

 

  2.1 定向井技術往昔

 

  定向井通常采用的軌道剖面是“直—增—穩”和“直—增—穩—降—穩”或與之相近的剖面結構，在數量上以“直—增—穩”三段制結構占絕大多數。對于這種剖面，早期的定向井鉆井在造斜點以下井段是分三步施工的，即彎接頭+直螺桿定向造斜、轉盤鉆進增斜和轉盤鉆進穩斜。該施工步驟相對而言較為復雜，且由于定向井井眼軌跡的井斜變化和方位漂移量受地層巖性、鉆具結構、鉆進參數等諸多因素影響，如果沒有對相應區塊的鉆井施工經驗，判斷和量化分析井斜、方位變化規律存在一定的難度。

 

  2.2 國內定向井技術現狀與發展

 

  隨著彎殼體泥漿馬達、高效PDC 鉆頭的研制成功和無線隨鉆測量技術的發展，導向鉆井系統逐步發展，并成為定向井技術發展的最重大的成果。最初是彎殼體動力鉆具與MWD 組成的滑動導向鉆井系統，近年來又出現了旋轉導向鉆井系統。導向鉆井系統的最大優點是一套工具下入井內后，可以增斜、降斜和穩斜，可以根據需要鉆出不同曲率的井眼，從而大大提高了井眼軌跡控制能力。如英國BP 公司1999 年7 月在英國WytchFarm 油田完成的M16SPZ 井，完鉆井深11278m，垂深1637m，水平位移達10728.4m。1997 年6 月中國南海西江24-3-A14 井的水平位移達到了8060.7m。20 世紀90 年代末期，經過鉆井工作者的共同努力，國內定向井技術逐步發展成熟，相繼完成了一大批各種難度的定向井、叢式井、大位移井、三維多目標井、三維繞障井，形成了較為成熟、完善的特殊工藝井鉆井技術。盡管與國外技術相比還有一定的差距，但主要集中在鉆井裝備和測量儀器等硬件設施方面。

 

  2.3 國外定向井技術現狀與發展

 

  國外隨著導向鉆井技術、無線隨鉆測量技術的不斷發展，地質導向鉆井技術、旋轉導向鉆井技術等新技術的不斷涌現，推動了水平井技術應用規模的不斷擴大。20 世紀90 年后期，水平井鉆井技術發展迅速。

 

  1996 年之后，僅美國鉆水平井能力就達到600～1000 口/年。近年來，國外水平井鉆井技術不斷發展，突出的表現在地質導向技術、旋轉導向技術、自動化（閉環）鉆井技術以及配套工具的研制及使用。

 

  3.定向井技術在地熱井施工中的應用

 

  3.1 地熱井施工現狀

 

  地熱資源的開發利用需要采用“回灌開發”的模式。回灌開發是在同一施工地點開鑿兩口或兩口以上地熱井，一口作為開采井，另一口作為回灌井。受城市用地面積的限制以及運行管理的需要，多以定向“對井”的方式成井。對井井口直線距離在2.5～10m 之間，為防止開采、回灌地熱流體短時間內相互干擾，井底距離保持在600～800m，定向井技術很好的解決了這些問題。目前，國內各地地熱定向井成百上千，積累了低溫地熱定向井的施工經驗。

 

  3.2 地熱井施工方法

 

  地熱施工定向井多采用四段制剖面，包括直井段、造斜段、穩斜段、自然降斜段。直井段450～650m，設計最大井斜18°～35°，井底水平位移400～600m。鉆直井段采用塔式鉆具組合，定向井段采用井底動力鉆具，采用隨鉆測量技術，控制方位角和井斜角，鉆至井斜角9°左右，用增斜鉆具組合鉆至設計最大井斜角，換穩斜鉆具組合。全井根據取得的井眼軌跡數據，調整合理的鉆具組合和鉆進參數，來控制井斜和方位的變化，使井眼曲率變化平緩。自然降斜井段位于開采層，一般存在井漏，此時去掉扶正器，簡化鉆具結構鉆進至終孔。下面以某項目為例，說明定向井技術在地熱井施工中的應用。

 

  3.3 地熱井施工實例分析

 

  該項目甲方為了解決建筑供暖，擬開鑿一對地熱井。但由于場地限制，無法保證井底位移，故采用定向井技術。設計井口地面距離為5m，井身結構為四開定向井，具體見圖1。

 

  對井造斜基本數據如下：

 

  設計開采井：

 

  ①設計方位角：180°；

 

  ②最大井斜角：24°；

 

  ③井底水平位移：500m；

 

  ④井身剖面：

 

  垂深0～500m——直井段；

 

  斜深500～600m——造斜段；

 

  斜深600～900m——增斜段；

 

  斜深900～1895m——穩斜段；

 

  斜深1895～2495m——自然降斜段。

 

  設計回灌井：

 

  ①設計方位角：280°；

 

  ②最大井斜角：24°；

 

  ③井底水平位移：500m；

 

  ④井身剖面：

 

  垂深0～550m——直井段；

 

  斜深550～650m——造斜段；

 

  斜深650～970m——增斜段；

 

  斜深970～1895m——穩斜段；

 

  斜深1895～2495m——自然降斜段。

 

  通過使用定向井技術，該對井井底距離達到700m，不僅滿足了井底距離的要求，也滿足了甲方的要求。

 

  4.結論和建議

 

  定向井技術是當今世界最先進的鉆井技術，它可以使地面或地下條件受到限制的地熱資源得到經濟、有效的可持續開發利用。作為可再生能源，地熱能將納入“十二五”能源規劃，地熱資源開發利用將掀起一輪高潮，而定向井技術的應用將迎來一個前所未有的發展機遇，作為地質工作者一定要認真學習、科學使用這項技術，從而達到可持續開發利用地熱資源。