定向井水平井軌跡控制技術(shù)

1、1 第二章第二章 定向井井眼軌跡控制技術(shù)定向井井眼軌跡控制技術(shù) 前言前言 定向井是指按照預(yù)先設(shè)計(jì)的井斜方位和井眼軸線形狀進(jìn)行鉆進(jìn)的井，是相對(duì)于直井而言的，而 且是以設(shè)計(jì)的井眼軸線形狀為依據(jù)。直井的井斜角為零度，沒有井斜方位角。盡管實(shí)鉆的直井都有 一定的井斜角，有的井斜角甚至很大，但仍然屬于直井。定向井又可分為二維定向井和三維定向井。 也是以設(shè)計(jì)的井眼軸線形狀為依據(jù)劃分的。凡是井眼軸線形狀只在某個(gè)鉛垂平面上變化的定向井， 稱為兩維定向井，它們的井斜角是變化的，而井斜方位角則是不變的。三維定向井則是既有井斜角 的變化，又有井斜方位角的變化。實(shí)鉆的兩維定向井，其井眼軸線都是既有井斜角的變化，又有井

2、斜方位角的變化，但它仍然屬于兩維定向井。 定向井在石油勘探與開發(fā)中得到了廣泛的應(yīng)用。在地面上難以建立或不允許建立井場和安裝鉆 井設(shè)備進(jìn)行鉆井的地區(qū)，要勘探開發(fā)地下的石油，唯一的辦法是從該地區(qū)附近打定向井，在海洋或 湖泊等水域上勘探開發(fā)石油，最好是建立固定平臺(tái)或從岸邊打定向井和叢式定向井。當(dāng)在鉆達(dá)油氣 層所經(jīng)過的地層中，有難以穿過的復(fù)雜地層時(shí)，用定向井可以繞過這些復(fù)雜地層。為了擴(kuò)大勘探效 果和增加油井產(chǎn)量，可以打多底井、水平井以及叢式水平井、分支井或徑向水平井等。在發(fā)生斷鉆 具、卡鉆以及井噴著火等惡性鉆井事故的情況下，鉆側(cè)鉆井、救援井是處理此類事故的有效方法。 我國的定向井鉆井開始于 1956

3、年，在 60 年代，曾達(dá)到了相當(dāng)高的水平，鉆出了許多高難度的 定向井，與當(dāng)時(shí)世界先進(jìn)水平的差距并不大。我國是世界上第二個(gè)鉆成水平井的國家。但在 60 年 代中期以后，我們與世界先進(jìn)水平的差距拉大了，直到 70 年代中后期，開始大力研究和發(fā)展定向 井，80 年代以后，我國積極地學(xué)習(xí)國外先進(jìn)技術(shù)，二十多年來，國外在定向井鉆井技術(shù)最主要的 進(jìn)展是隨鉆測量儀器的出現(xiàn)和發(fā)展，螺桿鉆具、金剛石鉆頭、可控彎接頭和旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井等工具發(fā) 展，以及近幾年來，自動(dòng)化鉆井系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)地質(zhì)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的出現(xiàn)與發(fā)展，都顯著地提高了定向 井鉆井的技術(shù)水平。目前我國定向井鉆井的主要差距仍然是儀器、工具和設(shè)備方面。 第一節(jié)第一節(jié)

4、 定向井基礎(chǔ)定向井基礎(chǔ) 一、一、 定向井的基本概念定向井的基本概念 定向井是指按照預(yù)先設(shè)計(jì)的井斜方位和井眼軸線形狀進(jìn)行鉆進(jìn)的井，有三大井身要素，即： 井深，井斜角、井斜方位角。 （1）井深：指井口（轉(zhuǎn)盤面）至井底的井眼實(shí)際長度，人們通常稱為斜深，單位為米，用小 寫字母 m 表示。 （2）測深：指井口（轉(zhuǎn)盤面）至測點(diǎn)間的井眼實(shí)際長度，人們常稱為測深。國外稱為測量井 深（Measure Depth），通常是以鉆柱長度或電纜來量測的，也可說是測點(diǎn)的井深，通常是以測量 裝置（Angle Unit）的中點(diǎn)所在井深為準(zhǔn)。單位為米，用小寫字母 m 表示。 （3）井斜角：測點(diǎn)處的井眼方向線與重力線之間的夾角，

5、稱為該點(diǎn)的井斜角（見圖 2.1.1）。 井斜角常常用希臘字母 表示。單位為度，用符號(hào)（）表示。 （4）井斜方位角：是指以正北方位線為始邊，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)至井斜方位線所轉(zhuǎn)過的角度（見圖 2.1.2）。井斜方位角常以希臘字母 表示。單位為度，用符號(hào)（）表示。實(shí)際應(yīng)用過程中常 常簡稱為方位角。 2 （5）磁方位角：磁力測斜儀測得的井斜方位角是以地球磁北方位線為準(zhǔn)的，稱磁方位角。 （6）磁偏角：磁北方位線與真北方位線并不重合，兩者之間有一個(gè)夾角，這個(gè)夾角稱為磁偏 角。磁偏角又有東磁偏和西磁偏角之分，當(dāng)磁北方位線在正北方位線以東時(shí)，稱為東偏角；當(dāng)磁北 方位線在正北方位線以西時(shí)稱為西偏磁偏角。進(jìn)行磁偏角校正時(shí)

6、按以下公式計(jì)算： 真方位角磁方位角東偏磁偏角 真方位角=磁方位角西偏磁偏角 （7）井斜變化率：是指井斜角隨井深變化的快慢程度，常以 K表示，精確的講井斜變化 率是井斜角度（）對(duì)井深（L）的一階導(dǎo)數(shù)。 K L 井斜變化率的單位為每米度，表示為（/m），應(yīng)用過程中常以（/100m）或（/30m）。 （8）井斜方位變化率：是指井斜方位角隨井深變化的快慢程度，常用 K表示。實(shí)際應(yīng)用中 簡稱方位變化率，計(jì)算公式如下： L 井斜方位變化率的單位為每米度，表示為（/m），應(yīng)用過程中常以（/100m）或（ /30m）。 （9）全角變化率：是指井眼前進(jìn)方向變化的快慢或井眼彎曲的程度。從一個(gè)點(diǎn)到另一個(gè)點(diǎn)， 重力線

7、 井眼方向線 A B A B 圖 2.1.1 井斜角示意圖 真北極 真北極方位線 圖 2.1.3 磁偏角示意圖 西磁偏角 東磁偏角 磁北方向線 B 地 A 地 B 井口 圖 2.1.2 井斜方位角示意圖 井底 井斜方位線 正北方位線 B A A 3 井眼前進(jìn)方向變化的角度（兩點(diǎn)處井眼前進(jìn)方向線之間的夾角），該角度既反映了井斜角度的變 化又反映了方位角度的變化，通常稱為全角變化值。兩點(diǎn)間的全角變化值 相對(duì)與兩點(diǎn)間井眼長 度 L 變化的快慢稱為井眼的全角變化率，也叫井眼曲率。用公式表達(dá)如下： L 實(shí)際鉆井中，井眼曲率的計(jì)算方法：目前計(jì)算井眼曲率的方法有很多。主要有三套： 第一套公式：在某一個(gè)測段內(nèi)

8、，計(jì)算公式如下： K（K2K2sin2c）， =（22sin2c） 在某一個(gè)測段內(nèi)，井眼曲率圖解見圖 2.1.4。 此第一套公式是根據(jù)空間微分幾何原理推導(dǎo)出來的，公式推導(dǎo)嚴(yán)密，具有普遍性，適合于各種 形狀的井眼。 第二套公式：（由于誤差較大，現(xiàn)場使用少略） 第三套公式： 1222212COS B a2 0 A a1 圖 2.1.5 第三套公式的圖解法 （10）垂深：即垂直深度，某測點(diǎn)的垂直深度，以 H 表示。是指井身任意一點(diǎn)至轉(zhuǎn)盤面所在 平面的鉛垂距離。 B a A 0 c C 圖 2.1.4 第一套公式的圖解 4 （11）水平投影長度：是指自井口至某一點(diǎn)的井眼長度在水平投影面上的曲線長度。以

9、 S表 示。 （12）水平位移：簡稱平移，是指在水平投影面上，井眼曲線上某一點(diǎn)到井口的距離。在國外 又稱為閉合距( Closure Distance)。 （13）平移方位角：又稱為閉合方位角（Closure Azimuth），常用 表示，是指在水平面 投影面上，以正北方位線為始邊順針方向轉(zhuǎn)至平移方位線上所轉(zhuǎn)過的角度。 （14）視平移：又稱為投影位移，井眼曲線某一點(diǎn)在垂直投影面上的投影與井口的距離。在實(shí) 際應(yīng)用過程中，這個(gè)垂直投影面往往選在設(shè)計(jì)方位線上。所以視位移也可以定義為水平位移在設(shè)計(jì) 線上的投影。 （15）高邊：在斜井段用一個(gè)垂直于井眼軸線的平面與井眼（這時(shí)的井眼不能理解為一條線， 而是一

10、個(gè)具有一定直徑的圓）相交，由于井眼是傾斜的故井眼在該平面上有一個(gè)最高點(diǎn)，最高點(diǎn)與 井眼圓心所形成的直線及為井眼的高邊。 （16）工具面角：工具面就是造斜工具彎曲方向的平面，通常稱作工具面。 （17）磁性工具面角：造斜工具彎曲的平面與正北方位所在平面的夾角。 （18）高邊工具面角：造斜工具彎曲方向的平面與井斜方位角所在平面的夾角。 （19）裝置角：造斜工具彎曲方向的平面與原井斜方向所在平面的來夾角，通常用 表 示。 （20）反扭矩：在用井底動(dòng)力鉆具鉆進(jìn)時(shí)，都存在一個(gè)與鉆頭轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反的扭矩，該扭矩被 稱為反扭矩。 （21）反扭角：使用井底動(dòng)力鉆具鉆進(jìn)時(shí)，都存在一個(gè)與鉆頭轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反的扭矩，由于該

11、扭 矩的作用，使得井底鉆具外殼向逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，該角度被稱為反扭角。 （22） 貯層頂部：水平井段控制油層的頂部 （23）貯層頂部：水平井段控制油層的底部 （24）設(shè)計(jì)入口角度：進(jìn)入儲(chǔ)層頂部的井斜角度 （25）著陸點(diǎn)：井眼軌跡中井斜角達(dá)到 90的點(diǎn) （26）入口窗口高度：入靶點(diǎn)垂直方向上下誤差之和 （27）入口窗口寬度：入靶點(diǎn)水平方向左右誤差之和 （28）出口窗口高度：出靶點(diǎn)垂直方向上下誤差之和 （29）出口窗口寬度：出靶點(diǎn)水平方向左右誤差之和 （30）著陸點(diǎn)允許水平偏差：著陸點(diǎn)允許水平方向前后的誤差 （31）單彎殼體動(dòng)力鉆具：動(dòng)力鉆具殼體上具有一個(gè)彎曲角度的動(dòng)力鉆具，特點(diǎn)是造斜率較彎

12、 接頭組合高，鉆頭偏移較小 （32）雙彎殼體動(dòng)力鉆具：同向雙彎，動(dòng)力鉆具殼體上具有兩個(gè)彎曲方向相同的彎曲角度的動(dòng) 力鉆具，具有比單彎動(dòng)力鉆具更高的造斜率 （33） 異向雙彎殼體動(dòng)力鉆具（DTU）：動(dòng)力鉆具殼體上具有兩個(gè)彎曲方向相反的彎曲角度的 動(dòng)力鉆具，鉆頭偏移最小，不僅可以導(dǎo)向鉆進(jìn)，而且可以配合轉(zhuǎn)盤鉆進(jìn)；附：常用單彎動(dòng)力鉆具、 雙彎動(dòng)力鉆具、DTU（異向雙彎）造斜率表。 二、定向井的分類二、定向井的分類 按不同的條件可以把定向井分以下類型： （1）按設(shè)計(jì)井身剖面在空間坐標(biāo)系中的幾何形狀可分為：兩維定向井和三維定向井。 （2）按設(shè)計(jì)井身剖面不同類型井段可分為：一段制、兩段制、三段制、四段制、五

13、段制和多段 制。 （3）按定向井的用途可分為：多目標(biāo)井、多底井、分支井、救援井； （4）按井斜角的大小可分為：大斜度井、水平井； （5）按水平位移的大小可分為：大位移井； （6）按平臺(tái)上井口數(shù)可分為：單口定向井、叢式井。 根據(jù)水平井曲率半徑的大小分為：長半徑水平井（小曲率水平井）；中半徑水平井（中曲率水 平井）；短半徑水平井（大曲率水平井）。不同曲率水平井的基本特征及優(yōu)缺點(diǎn)見下表 2.1、表 2.2、表 2.3、表 2.4。 5 表 2.1 不同曲率水平井的基本特征 井型 項(xiàng)目 長半徑水平井 中半徑水平井 短半徑水平井 造斜率 15/100m 使用抗壓鉆 桿 鉸接驅(qū)動(dòng)鉆桿 測量工具 無限制有線

14、隨鉆測斜儀，MWD， 但井眼1000m） 2、使用標(biāo)準(zhǔn)的鉆具及套管 3、井眼曲率最小 4、可用常規(guī)鉆井設(shè)備 5、可使用多種完井方法 6、可采用多種舉升采油工藝 7、測井及取芯方便 8、井眼及工具尺寸不受限制 1、井眼軌道控制段最長 、全井斜深增加最多 、鉆井費(fèi)用增加 、各種下部鉆具組合較長 、不適合薄油層和淺油層 、轉(zhuǎn)盤扭矩較大 、套管用量最大 、穿過油層長度與總水平位移比最小 表 2.3 中半徑水平井的優(yōu)缺點(diǎn) 優(yōu) 點(diǎn)缺 點(diǎn) 1、進(jìn)入油層時(shí)無效井段較短 2、使用的井下工具接近常規(guī)工具 3、使用動(dòng)力鉆具或?qū)蜚@井系統(tǒng) 4、離構(gòu)造控制點(diǎn)較近 5、可使用常規(guī)的套管及完井方法 6、井下扭矩及阻力較小

15、7、較高及較穩(wěn)定的造率 8、井眼軌跡控制井段較短 9、井眼尺寸不受限制 10、可以測井及取芯 11、從一口直井可以鉆多口水平分支井 12、可實(shí)現(xiàn)有選擇的完井方案 表 2.4 短半徑水平井的優(yōu)缺點(diǎn) 優(yōu) 點(diǎn)缺 點(diǎn) 6 1、井段最短 2、側(cè)鉆容易 3、能夠準(zhǔn)確擊中油層目標(biāo) 4、從一口直井可以鉆多口水平分枝井 5、直井段與油層距離最小 6、可用于淺油層 7、全井斜深最小 8、不受地表?xiàng)l件的影響 1、非常規(guī)的井下工具 2、非常規(guī)的完井方法 3、穿透油層段短 4、井眼尺寸受到限制 5、起下鉆次數(shù)多 6、井斜、方位控制受到限制 7、電測困難 三、三、 定向井的工程設(shè)計(jì)初步與要求定向井的工程設(shè)計(jì)初步與要求 1

16、、井位的確定 井位坐標(biāo)實(shí)際上目的層的基本參數(shù)，是根據(jù)地質(zhì)要求確定的，包括目的層的大地坐標(biāo)和海拔深 度。實(shí)際應(yīng)用中標(biāo)注目的層的坐標(biāo)和距離地面的垂直深度、井位所在地區(qū)、位置和構(gòu)造圖。設(shè)計(jì)人 員根據(jù)井位坐標(biāo)進(jìn)行初步計(jì)算。 2、地面井口位置的選擇及井口坐標(biāo)的確定 設(shè)計(jì)部門依據(jù)井位坐標(biāo)察看地面情況，確定井架安放位置，選定井口位置，測量井口坐標(biāo)，在 這個(gè)過程中，設(shè)計(jì)人員、地面工程人員、以及坐標(biāo)測量人員，要根據(jù)地面實(shí)際條件與井位坐標(biāo)來確 定井口位置和井架方向（叢式井），并進(jìn)行測量，最終選定井口做好標(biāo)記（如打樁）。 對(duì)于多目標(biāo)井或水平井，井口位置要選擇在第一靶點(diǎn)和最后一個(gè)靶點(diǎn)連線的延長線上。 待井架立好后要進(jìn)

17、行井口坐標(biāo)的復(fù)測，最后形成定向井的設(shè)計(jì)井口坐標(biāo)。 3、定向井的工程設(shè)計(jì)初步 地質(zhì)設(shè)計(jì)在坐標(biāo)初測后提出初步設(shè)計(jì)，在坐標(biāo)復(fù)測后提出正式設(shè)計(jì)。地質(zhì)設(shè)計(jì)除包括一般井內(nèi) 容外，在工程施工中要求必須說明靶點(diǎn)相對(duì)與井口的位移和方位，多目標(biāo)井說明靶點(diǎn)之間的穩(wěn)斜角 度。附最新井位構(gòu)造圖、油藏剖面圖、設(shè)計(jì)軌跡水平投影圖和垂直投影圖。 工程設(shè)計(jì)必須符合地質(zhì)設(shè)計(jì)要求。井身軌跡設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)表，特殊工藝技術(shù)措施。井身結(jié)構(gòu)及分段 鉆具組合和鉆井參數(shù)等。 4、鉆機(jī)選擇 根據(jù)定向井的井深、垂深、水平位移、井身結(jié)構(gòu)和井眼曲率選擇鉆機(jī)類型。推薦標(biāo)準(zhǔn)（適用于 位移垂深0.4 的定向井: 垂深2800m、水平位移600m， 選用 3200

18、m 鉆機(jī)； 垂深3500m、水平位移1200m，選用 4500m 鉆機(jī)； 垂深4500m、水平位移2000m，選用 6000m 鉆機(jī)； 垂深4500m、水平位移1500m，選用 7000m 鉆機(jī)。 第第二二節(jié)節(jié) 定向井的發(fā)展定向井的發(fā)展 定向井首先是從美國發(fā)展起來的，在十九世紀(jì)后期，美國的旋轉(zhuǎn)鉆井代替了頓鉆鉆井。當(dāng)時(shí)沒 有考慮控制井身軌跡的問題，認(rèn)為鉆出來的井必定是鉛垂的，但通過后來的井筒測試發(fā)現(xiàn)，那些垂 直井遠(yuǎn)非是垂直的，并且出現(xiàn)了由于井斜原因造成了侵犯別人租界而造成被起訴的案例。最早采用 定向井鉆井技術(shù)是在井下落物無法處理后的側(cè)鉆。早在 1895 年美國就使用了特殊的工具和技術(shù)達(dá) 到了這一

19、目的。有記錄的定向井實(shí)例是在二十世紀(jì)三十年代初，美國在加利福尼亞享廷灘油田鉆成 第一口定向井。 1、國外定向井鉆井技術(shù)發(fā)展情況 1934 年美國在東德克薩斯康羅油田鉆成第一口救援井。其定向井與失控井具有一定距離，在 設(shè)計(jì)和實(shí)際鉆進(jìn)一口救援井，讓救援井和失控井井眼相交，然后自救援井內(nèi)注入重泥漿壓死失控井。 7 目前最深的定向井是由 BP 勘探公司鉆成的 M-16Z，井深達(dá)到 11277.22m；水平位移最大的定向 井是 BP 公司于 1997 年在英國北海的 Rytch Farm 油田鉆成的 M16SPZ 井，水平位移達(dá) 10728.4m。 垂深與水平位移比最高的 Amoco 公司在加拿大 Wa

20、basca 油田完成的一口井，位移 2988.3m、垂深 411.9m，垂深位移比達(dá)到 7.25 叢式井口數(shù)最多是海上平臺(tái)達(dá)到 96 口；而人工島上鉆井達(dá)到 170 口。 表 2.2.1 國外定向井發(fā)展簡況 年代 內(nèi)容 50 年代 60 年代 70 年代 80 年代90 年代2000 年以 后 剖面設(shè) 計(jì)及軌 跡計(jì)算 方法 誤差較大的 正切法，進(jìn) 行定向井設(shè) 計(jì)軌跡計(jì)算 18 種二維 計(jì)算方法， 如更精確 的曲率半 徑法 發(fā)展到三維 設(shè)計(jì)和大組 叢式井整體 設(shè)計(jì) 計(jì)算機(jī)專家 系統(tǒng)進(jìn)行定 向井的設(shè)計(jì) 和指導(dǎo)定向 井施工 發(fā)展了大 型集成設(shè) 計(jì)軟件包 大型集成設(shè) 計(jì)軟件及井 下計(jì)算機(jī) 井斜控 制理

21、論 斜直井段的 二維分析 考慮了井 眼的曲率 及滿眼組 合的特性 三維數(shù)據(jù)分 析，由靜態(tài) 發(fā)展到動(dòng)態(tài) 發(fā)展了多種 分析計(jì)算方 法并編制了 計(jì)算機(jī)程序 在原來多 種分析的 基礎(chǔ)上引 入了數(shù)學(xué) 及其它邊 沿學(xué)科 井下閉環(huán)控 制 定向造 斜工藝 渦輪加彎接 頭斜向器配 合轉(zhuǎn)盤鉆 使用效率 更高的螺 桿動(dòng)力鉆 具，專用 工具的定 型配套 渦輪、螺桿 動(dòng)力鉆具向 低速大扭矩 發(fā)展。各種 專用井下工 具系列化 發(fā)展了復(fù)合 式動(dòng)力鉆具， 導(dǎo)向鉆井系 統(tǒng)，長壽命 PDC 鉆頭等 發(fā)展成熟 多分枝井 回接工藝， 地質(zhì)導(dǎo)向 鉆井系統(tǒng) 地質(zhì)導(dǎo)向鉆 井 及自動(dòng)化鉆 井系統(tǒng) 測量方 式 氫氟酸玻璃 管刻線法和 地面定向

22、法 機(jī)械式羅 盤，精度 較高的單 多點(diǎn)照相 測斜儀 有線隨鉆測 斜儀投入工 業(yè)性使用， 無線隨鉆測 斜儀研制 成功 多種無線隨 鉆測斜系統(tǒng) 投入工業(yè)使 用和發(fā)展了 電子測量系 統(tǒng)和陀螺測 量系統(tǒng) 發(fā)展成熟 帶地質(zhì)參 數(shù)的無線 隨鉆測斜 儀 隨鉆測量測 井及數(shù)字成 像系統(tǒng) 定向井 鉆井水 平 精度要求不 高的中深定 向井 可打準(zhǔn)確 度較高的 定向井和 小組叢式 定向井 可打準(zhǔn)確度 較高的定向 救援井和大 組叢式井 鉆成大量水 平井，從長 半徑到短半 徑，多底井 鉆成位移 過萬米的 大位移井， 多分支井， 向徑水平 井可在 0.3m 之內(nèi) 完成增斜 過程 大位移，分 支井，向徑 水平井，垂 直鉆井

23、 2 2、我國定向井鉆井技術(shù)發(fā)展情況 8 我國自 1959 年開始鉆定向井，一開始就從理論、實(shí)踐發(fā)展迅速，尤其是理論上取得了巨大突 破，60 年代初，鄭基英教授，推出了彎接頭裝置角的部分計(jì)算公式。70 年代，石油大學(xué)的韓志勇 教授研究井身軌跡計(jì)算方法：圓柱螺線法和校正平均角法。白家祉教授研究了井底鉆具組合力學(xué)分 析。寧秀旭教授研究了各種定向井剖面設(shè)計(jì)以及三維定向井的設(shè)計(jì)方法與計(jì)算。我國定向井鉆井技 術(shù)的發(fā)展可以分為四個(gè)階段， 5060 年代為起步階段，首先在玉門和四川油田鉆成定向井及水平井:玉門油田的 C215 井 和磨三井，其中磨三井井深 1685m，垂直井深 1350m，水平位移 444.

24、2m，最大井斜 92，水平段長 160m； 60 年-82 年為擴(kuò)大實(shí)驗(yàn)階段，推廣定向井鉆井技術(shù)，完成了一批定向井，如 1973 年 7 月 17 日， 勝利油田第一口定向井辛 11-33 井開鉆，標(biāo)志勝利油田從此開始了定向井技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展的歷程。 辛 11-33 井完鉆井深 2600m（垂深 2371m），水平位移 766.5m，最大井斜 45 ，沿一 45 斷層穿過 三組油層，是一口多目標(biāo)定向井。至 1982 年累計(jì)完成定向井 10 口，最大水平位移 840m（辛 1-4 井）。在這一期間定向井工藝主要是渦輪鉆具+ 彎接頭，全部鉆桿打印，用電測+ 氟氫酸測斜儀的 方法進(jìn)行定向，鈣處理混油鉆

25、井液，后來發(fā)展有羅盤測斜儀，聚丙烯酰胺鉆井液，水力噴射鉆頭定 向等。 19831985 年為學(xué)習(xí)階段，引進(jìn)了美國單、多點(diǎn)照相測斜儀、有線隨鉆測斜儀、無磁鉆鋌、單 頭螺桿鉆具，借鑒了國外先進(jìn)的操作技術(shù)，學(xué)習(xí)了相應(yīng)的操作技術(shù)，開始向現(xiàn)代定向井技術(shù)邁進(jìn)的 重要階段。鉆井工藝技術(shù)有了較大地改觀，定向井軟件與硬件得到一個(gè)較大的發(fā)展，鉆成一批定向 井和叢式井組。如勝利油田在這一階段 40 口定向井，21 組叢式井。 19861990 年為成熟階段，最初是與國外合作培養(yǎng)了一批專業(yè)技術(shù)骨干，從設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用、 軌跡控制、軌跡測量、泥漿技術(shù)、取心技術(shù)、固井與完井以及事故處理各方面進(jìn)行全面的學(xué)習(xí)，逐 步掌握了國

26、際上當(dāng)時(shí)最新的技術(shù)和最先進(jìn)的管理經(jīng)驗(yàn)，如勝利油田 1985 1987 年與美國帕克公司、 斯派里森和白勞德公司合作鉆成兩口高難度定向井，86 年引進(jìn)有線隨鉆測斜儀 SST、 MS3，陀螺測 斜儀 SRO 和 BOSS 電子陀螺，以及 ESS 電子多點(diǎn)測斜儀，各油田相繼成立了定向井專業(yè)化公司，主 要有勝利油田的鉆井技術(shù)公司，大港油田的定向井公司，以及相應(yīng)的井下工具制造廠，為后來的技 術(shù)發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。鉆成定向井、叢式井、側(cè)鉆井累計(jì)達(dá)到 561 口，我國石油部門組織了全 國各大油田進(jìn)行科技攻關(guān)，完成了一大批科研攻關(guān)課題，遼河油田完成一大批叢式井，勝利油田完 成了河 50 大組叢式井組，叢式井

27、組長 384m，寬 115m，平臺(tái)共鉆定向井 42 口，是目前國內(nèi)最大的 叢式井組。通過“七五”攻關(guān)，完成的定向井/叢式井鉆井技術(shù)獲國家科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)，標(biāo)志著定 向井鉆井技術(shù)邁入成熟階段。 19902000 年為提高階段 1990 年 9 月 23 日，勝利油田第一口水平井埕科 1 井開鉆、1991 年 1 月 13 日交井，是定向井 技術(shù)與國際接軌的重要標(biāo)志。1991 年 7 月與國家計(jì)委簽訂“八五”水平井攻關(guān)項(xiàng)目，自此揭開了 水平井技術(shù)大發(fā)展的序幕，大港油田和勝利油田相繼從美國引進(jìn)了世界上先進(jìn)的 MWD 無線隨鉆，我 國組織了由勝利、大港、遼河、中原等油田參加的“八五”國家重點(diǎn)項(xiàng)目攻關(guān)，9

28、2 年完成國家科 研計(jì)劃任務(wù)，比計(jì)劃提前三年，形成了長、中半徑成套水平井鉆井技術(shù)，涉及“水平井設(shè)計(jì)技術(shù) （地質(zhì)、油藏、鉆井、測井”；“井眼軌跡控制技術(shù)”，“鉆井液技術(shù)”，“完井技術(shù)”，“測井 射孔”等五大技術(shù)領(lǐng)域 31 個(gè)專題研究，在理論研究、實(shí)驗(yàn)技術(shù)、軟件技術(shù)、工具儀器研制和工藝 方法等方面取得了 16 項(xiàng)重大科技成果，先后在勝利油田完成水平井 30 口，大港油田 15 口，中原 油田 1 口，遼河油田 1 口。95 年 7 月項(xiàng)目通過國家鑒定，項(xiàng)目被列為“八五”國家級(jí)重大科技成 果。“八五”攻關(guān)計(jì)劃完成后，水平井鉆井技術(shù)迅速轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，很快形成大規(guī)模推廣應(yīng)用，截 止 96 年底，完成水平

29、井 62 口，新增原油 78 萬噸，新增產(chǎn)值 9.52 億元，直接經(jīng)濟(jì)效益 6.46 億元， 更為重要的是：水平井鉆井技術(shù)成為增加原油產(chǎn)量，提高采收率，開發(fā)特殊油氣藏的最有效手段， 帶動(dòng)了與水平井有關(guān)的地質(zhì)、油藏、采油、測井等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，推動(dòng)了石油科技進(jìn)步，97 年 石油水平井鉆井成套技術(shù)獲國家科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)，被評(píng)為“八五”國民經(jīng)濟(jì)貢獻(xiàn)巨大的十大攻 關(guān)成果。 這期間，定向井的井深、水平位移大幅度提高，以及應(yīng)用范圍和廣度得到進(jìn)一步擴(kuò)展，水平井 鉆井技術(shù)在全國各油田得到廣泛推廣應(yīng)用，全國完成水平井累計(jì)達(dá)到 200 余口，完成最深的水平井 是塔里木油田的 JF128 井，井深達(dá)到 5750.3m

30、，垂深 5341.76m，DH-H1 井水平井完鉆井深 6452.00m，垂深 5784.m，是目前亞洲垂深最深的水平井；垂深位移比最大的井是勝利油田的郭斜 9 11 井，其垂深位移比達(dá)到 1：1.16；水平位移最大的井是大港油田的 K18 井，水平位移達(dá)到 2666m。 2000 年至今為科學(xué)發(fā)展階段 定向井理論踐技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展，出現(xiàn)井下控制理論研究出現(xiàn)了新高潮，以信息化、智能化為特 點(diǎn)，向自動(dòng)化鉆井方向發(fā)展，早在 90 年代末，國內(nèi)各大石油公司、大專院校和各研究機(jī)構(gòu)紛紛研究， 力圖突破。近幾年，出現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)地質(zhì)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)研究，液壓偏心器工具研究以及各種井下使用工 具研究，取得了長足的進(jìn)步，

31、但均為投入實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用。 定向井研究向深度和廣度發(fā)展，引進(jìn)了國外能夠測量地層參數(shù)的先進(jìn)儀器，測量技術(shù)由單一的 軌跡測量向多功能測量發(fā)展，如勝利油田于 1999 年末引進(jìn)了美國哈里波頓公司斯派里森的 FEWD 地 質(zhì)評(píng)價(jià)無線隨鉆測量系統(tǒng)，渤海技術(shù)服務(wù)公司也相繼引進(jìn) FEWD，大慶油田在 2000 年以后也引進(jìn)了 FEWD。同時(shí)國產(chǎn)無線隨鉆測量儀器研制取得突破，相繼出現(xiàn)了北京海藍(lán)公司的 YST-48X 無線隨鉆測 斜儀，拓寬了定向井技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。 定向井工藝技術(shù)發(fā)展迅速，出現(xiàn)了在定向井施工中大面積應(yīng)用導(dǎo)向鉆井技術(shù)、地質(zhì)導(dǎo)向鉆井技 術(shù)，走出了一條由油藏、地質(zhì)、鉆井、錄井聯(lián)合技術(shù)應(yīng)用，鉆井速度大大加

32、快，實(shí)現(xiàn)了一口井一只 鉆頭一種鉆具的連續(xù)施工作業(yè)。向地質(zhì)導(dǎo)向鉆井施工模式轉(zhuǎn)變后，一些難以動(dòng)用的邊際油藏和薄油 藏的開發(fā)能力大大加強(qiáng)；大位移井取得進(jìn)展，如勝利油田完成了埕北 21-平 1 井，水平位移突破 3000m，達(dá)到 3167.34m；分支井得到突破，勝利、遼河、西部完成了一批分支井，如勝利的樁 1-支 平 1 和梁 46-1 支平 1 兩分支，海 14-20 三分支井等。 表 2.2.2 我國定向井鉆井技術(shù)發(fā)展情況 年 代 內(nèi)容 60 年代80 年代90 年代2000 年以后 剖面設(shè)計(jì) 及軌跡計(jì) 算方法 設(shè)計(jì)采用查表 法、圖解法等 精度不高的方 法 曲率半徑法，最小 曲率半徑法等多種 軌

33、跡計(jì)算和設(shè)計(jì)方 法，能進(jìn)行軌跡預(yù) 測和防碰掃描的計(jì) 算。 引入人工智能和專 家系統(tǒng)，專用設(shè)計(jì) 軟件。 智能和專家系統(tǒng) 大型專業(yè)化軟件。 井斜控制 理論 進(jìn)行了鉆具的 二維靜態(tài)分析 主要使用有限 元法 發(fā)展了多種新的分 析計(jì)算方法，例如： 平衡梁法、加權(quán)余 量法等，并編制了 計(jì)算機(jī)分析程序 理論分析模型由靜 態(tài)發(fā)展到動(dòng)態(tài)，由 二維發(fā)展到三維 井下控制理論研究 定向造斜 工藝 使用地面定向 法（鉆桿打鋼 ?。?。數(shù)據(jù)測 量使用電測井 數(shù)據(jù)。 使用精度高的磁性 單多點(diǎn)測斜儀進(jìn)行 定向和軌跡數(shù)據(jù)測 量，發(fā)展了有線隨 鉆測斜儀定向。 發(fā)展了導(dǎo)向鉆井系 統(tǒng)，初步研制出徑 向水平井造斜工藝 導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)研究，

34、 地質(zhì)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng) 測量方式氫氟酸測斜儀， 機(jī)械式羅盤的 電測井方法。 多種引進(jìn)的有線隨 鉆測斜系統(tǒng)投入工 業(yè)使用和發(fā)展了電 子測量系統(tǒng)及陀螺 測量系統(tǒng) 發(fā)展了無線隨鉆測 斜系統(tǒng)，引進(jìn)了帶 地質(zhì)參數(shù)的 MWD 系 統(tǒng) 無線隨鉆測量、隨鉆 測井，數(shù)字成像測井。 10 定向井鉆 井水平 簡單的單口定 向井、水平井 位移小，精度 低 鉆成大量高難度定 向井、大組叢式井、 多目標(biāo)井、套管定 向開窗井、水平井 長半徑水平井發(fā)展 到了中、短半徑水 平井 在水平井方面取得 大量突破，鉆成了 長、中、短半徑水 平井，大位移井 水平井、分支井、大 位移井方面取得突破 第三節(jié)第三節(jié) 定向井軌道設(shè)計(jì)及軌跡計(jì)算定向井

35、軌道設(shè)計(jì)及軌跡計(jì)算 一、二維定向井軌道設(shè)計(jì) （一）軌道設(shè)計(jì)考慮因素 一口定向井的實(shí)施，首先要有一個(gè)軌道設(shè)計(jì)，才能以此設(shè)計(jì)為依據(jù)進(jìn)行具體的定向井鉆井 施工。對(duì)于不同的勘探、開發(fā)目的和不同的設(shè)計(jì)限制條件，定向井的設(shè)計(jì)方法有多種多樣。而每種 設(shè)計(jì)方法，都有一定的設(shè)計(jì)原則。 定向井設(shè)計(jì)是一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)?！昂玫脑O(shè)計(jì)是成功的一半”。因此，合理地設(shè)計(jì)好井身軌 道，是定向井成功的保證。 設(shè)計(jì)原則：一口定向井的總設(shè)計(jì)原則，應(yīng)該是能保證實(shí)現(xiàn)鉆井目的，滿足采油工藝及修井作業(yè) 的要求，有利于安全、優(yōu)質(zhì)、快速鉆井。在對(duì)各個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇上，在自身合理的前提下，還要 考慮相互的制約,要綜合地進(jìn)行考慮。 1、選擇合適的

36、井眼形狀 復(fù)雜的井眼形狀，勢必帶來施工難度的增加，因此井眼形狀的選擇，力求越簡單越好。從鉆具 受力的角度來看：目前普遍認(rèn)為，降斜井段會(huì)增加井眼的摩阻，引起更多的復(fù)雜情況。如圖 2.3.1 所示，增斜井段的鉆具軸向拉力的徑向的分力，與重力在軸向的分力方向相反，有助于減小鉆具與 井壁的摩擦阻力。而降斜井段的鉆具軸向分力，與重力在軸向的分力方向相同，會(huì)增加鉆具與井壁 的摩擦阻力。因此，應(yīng)盡可能不采用降斜井段的軌道設(shè)計(jì)。 2、選擇合適的井眼曲率 井眼曲率的選擇，要考慮工具造斜能力的限制和鉆具剛性的限制，結(jié)合地層的影響，留出充分 的余地，保證設(shè)計(jì)軌道能夠?qū)崿F(xiàn)。 在能滿足設(shè)計(jì)和施工要求的前提下，應(yīng)盡可能選

37、擇比較低的造斜率。這樣，鉆具、儀器和套管 都容易通過。當(dāng)然，此處所說的選擇低造斜率，沒有與增斜井段的長度聯(lián)系在一起進(jìn)行考慮。 另外，造斜率過低，會(huì)增加造斜段的工作量。因此，要綜合考慮。 圖 2.3.1 11 常用的造斜率范圍是 4-10/100m 3、選擇合適的造斜井段長度 造斜井段長度的選擇，影響著整個(gè)工程的工期進(jìn)度，也影響著動(dòng)力鉆具的有效使用。 若造斜井段過長，一方面由于動(dòng)力鉆具的機(jī)械鉆速偏低，使施工周期加長，另一方面由于長井 段使用動(dòng)力鉆具，必然造成鉆井成本的上升。所以，過長的造斜井段是不可取的。 若造斜井段過短，則可能要求很高的造斜率，一方面造斜工具的能力限制，不易實(shí)現(xiàn)，另一方 面過高

38、的造斜率給井下安全帶來了不利因素。所以，過短的造斜井段也是不可取的。 因此，應(yīng)結(jié)合鉆頭、動(dòng)力馬達(dá)的使用壽命限制，選擇出合適的造斜段長，一方面能達(dá)到要求的 井斜角，另一方面能充分利用單只鉆頭和動(dòng)力馬達(dá)的有效壽命。 4、選擇合適的造斜點(diǎn) 造斜點(diǎn)的選擇，應(yīng)充分考慮地層穩(wěn)定性、可鉆的限制。盡可能把造斜點(diǎn)選擇在比較穩(wěn)定、均勻 的硬地層，避開軟硬夾層、巖石破碎帶、漏失地層、流沙層、易膨脹或易坍塌的地段，以免出現(xiàn)井 下復(fù)雜情況，影響定向施工。 造斜點(diǎn)的深度應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)井的垂深、水平位移和選用的軌道類型來決定。并要考慮滿足采油工 藝的需求。 應(yīng)充分考慮井身結(jié)構(gòu)的要求，以及設(shè)計(jì)垂深和位移的限制，選擇合理的造斜點(diǎn)位

39、置。 5、選擇合適的穩(wěn)斜段井斜角和入靶井斜角 井斜角的大小，直接影響了軌跡的控制。 井斜角太小時(shí)，方位不好控制。而井斜角太大時(shí)，施工難度卻又增加。因此，穩(wěn)斜段井斜角和 入靶井斜角的選擇，應(yīng)充分滿足軌跡控制的需要。另外，它對(duì)方位控制、電測、鉆速都有明顯的影 響。 一般來講，井斜角的大小與軌跡控制的難度有下面的關(guān)系： （1）井斜角小于 15時(shí)，方位難以控制； （2）井斜角在 15-40時(shí)，既能有效地調(diào)整井斜角和方位，也能順利地鉆井、固井和電測。 是較理想的井斜角控制范圍； （3）井斜角在 40-50時(shí)，鉆進(jìn)速度慢，方位調(diào)整困難； （4）井斜角大于 60，電測、完井作業(yè)施工的難度很大，易發(fā)生井壁垮塌

40、。 （二）設(shè)計(jì)方法 定向井的設(shè)計(jì)方法分為常規(guī)設(shè)計(jì)方法和特殊井的設(shè)計(jì)方法。 常規(guī)設(shè)計(jì)方法指的是在兩維平面內(nèi)作的軌道設(shè)計(jì)，即設(shè)計(jì)的井眼軸線只在某個(gè)給定的鉛垂面內(nèi) 變化，也就是說，只有井斜角的變化，沒有方位角的變化。 把常規(guī)設(shè)計(jì)之外的所有設(shè)計(jì)方法都叫做特殊設(shè)計(jì)方法。 1、用兩維軌道設(shè)計(jì)方法 目前常用的兩維定向井軌道設(shè)計(jì)，采用的是恒定造斜率的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)軌道由鉛垂面內(nèi)的圓弧和 直線組成。對(duì)于這種恒定造斜率的設(shè)計(jì)，通常有下列三種設(shè)計(jì)方法。 （1）查圖法 這是國外早期的常用的設(shè)計(jì)方法之一，是在圖表上查出未知的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的。 （2）幾何作圖法 這種設(shè)計(jì)方法是根據(jù)已知的設(shè)計(jì)條件，應(yīng)用平面幾何作圖的原理，用圓規(guī)和直

41、尺，按比例畫出 符合設(shè)計(jì)要求的設(shè)計(jì)軌道的圖形，然后用比例尺和量角規(guī)量出需要的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。 由于計(jì)算機(jī)在石油鉆井領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，查圖法和幾何作圖法已很少在我國采用。目前使用最 多的是下面將要介紹的解析計(jì)算法。 （3）解析計(jì)算法 解析計(jì)算法是根據(jù)已知設(shè)計(jì)條件，應(yīng)用解析計(jì)算公式求解出設(shè)計(jì)軌道的各個(gè)未知參數(shù)的方法。 這種方法由于計(jì)算復(fù)雜、工作量太大，在計(jì)算機(jī)普及之前，未能得到廣泛的應(yīng)用。而在現(xiàn)在，已經(jīng) 廣泛應(yīng)用于定向井的設(shè)計(jì)之中。這種計(jì)算方法的最大特點(diǎn)是計(jì)算準(zhǔn)確、求解對(duì)象可靈活改變。 下面以“直增穩(wěn)”三段制軌道類型，介紹解析計(jì)算法的設(shè)計(jì)步驟。 已知條件：Kop造斜點(diǎn) Kb-造斜率 Tv-設(shè)計(jì)垂深 Tb-

42、設(shè)計(jì)位移 求：m-求最大井斜角 12 H-穩(wěn)斜段長度 求解步驟： 求造斜段的曲率半徑：R=1/Kb 求 的角度值： S=Tb-R V=Tv-Kop =arctg(S/V) 求 的角度值: =arccos(R/L) 求最大井斜角:am=- 求穩(wěn)斜段段長度: KOP R S L V m TV TB 圖 2.3.2 解析計(jì)算法圖形 2、特殊定向井軌道設(shè)計(jì)方法 對(duì)于特殊定向井的軌道設(shè)計(jì)，則根據(jù)其鉆井目的和設(shè)計(jì)條件的限制，采用了各種不同的方法。 如： （1）多增降軌道設(shè)計(jì) （2）緩降軌道設(shè)計(jì) （3）緩降軌道設(shè)計(jì) （4）懸鏈軌道設(shè)計(jì) （5）三維軌道設(shè)計(jì) （三）特殊要求的定向井的軌道設(shè)計(jì) 1、多目標(biāo)井設(shè)計(jì)

43、22 VSL 22 RLH 13 圖 2.3.3 多目標(biāo)井示意圖 如圖 2.3.3 所示，在斷塊油田內(nèi)，由于非垂直斷層的封閉，沿?cái)鄬泳奂纬闪艘淮亩嗵缀汀?氣層。 多目標(biāo)井的鉆探目的是為了讓定向井井眼軌跡按規(guī)定的井斜角和方位角鉆穿這一串油、氣藏， 以使該井眼軌跡能代替多口直井的作用，發(fā)揮更大的經(jīng)濟(jì)效益，因此，地質(zhì)方面給出了兩個(gè)靶點(diǎn)。 分別代表井眼貫穿油層的開始點(diǎn)和終止點(diǎn)。 該如何設(shè)計(jì)這樣的井呢？ 如圖 2.3.4 所示，這種井的設(shè)計(jì)是這樣進(jìn)行的：由兩個(gè)靶點(diǎn)計(jì)算出入靶井斜角和方位角，然后 反推井口位置。其中包括了對(duì)造斜率的選擇、穩(wěn)斜段長和造斜點(diǎn)的選擇。 KOP R m m H TVTB 圖

44、2.3.4 已知條件： m-求最大井斜角 Kb-造斜率 Tv-設(shè)計(jì)垂深 Tb-設(shè)計(jì)位移 求： 14 Kop-造斜點(diǎn) H-穩(wěn)斜段長度 求解步驟： 求造斜段的曲率半徑：R=1Kb 求穩(wěn)斜段段長度： 求造斜點(diǎn) Kop=Tv-H*cosm-R*sinm 多目標(biāo)井的設(shè)計(jì)靶區(qū)仍然是水平面上的圓形區(qū)域，其軌跡控制難度較一般定向井略難。 2、二維水平井軌道設(shè)計(jì) 水平井的軌道設(shè)計(jì)在算法上類似于多目標(biāo)井，但其設(shè)計(jì)思想有根本的不同。它的鉆探目的是要 在油層內(nèi)水平鉆進(jìn)一段距離，盡量增加油層的暴露面積，以提高單井的產(chǎn)量。 水平井的設(shè)計(jì)靶區(qū)是一垂直于設(shè)計(jì)入靶線的平面（稱作法面）上的矩形區(qū)域。也稱作入靶窗口。 由于入靶窗口

45、有上下限，通常在幾米之內(nèi)，因此其控制難度很大，在軌跡控制時(shí)的一點(diǎn)疏忽，都有 可能導(dǎo)致最后的脫靶。常用的水平井二維軌道設(shè)計(jì)類型有三種： 單圓弧型設(shè)計(jì)軌道-從造斜點(diǎn)到入靶點(diǎn)，由一段圓弧組成。適用于中曲率半徑和短曲率半 徑的水平井。 雙增穩(wěn)型設(shè)計(jì)軌道-從造斜點(diǎn)到入靶點(diǎn)，由兩圓弧段和連接這兩圓弧段的穩(wěn)斜段組成，適 用于中半徑和長半徑水平井。 三段增斜型設(shè)計(jì)軌道-這種設(shè)計(jì)類型是由雙增穩(wěn)型發(fā)展而來的，設(shè)計(jì)軌道從造斜點(diǎn)到入靶 點(diǎn)，由三個(gè)圓弧段組成。適用于中半徑和長半徑水平井。 將穩(wěn)斜段改為增斜段，是因?yàn)殂@雙增穩(wěn)型水平井時(shí)，在第一增斜段鉆完后，首先要下一趟柔性 鉆具組合通井，然后再下剛性穩(wěn)斜鉆具組合鉆進(jìn)。這就

46、帶來了兩個(gè)方面的不利。一方面多下一趟通 井鉆具組合卻不能多打進(jìn)尺。另一方面，再下入剛性鉆具組合鉆進(jìn)時(shí)，鉆具組合不容易通過造斜段。 改成穩(wěn)斜段后，下同一趟鉆具組合，既可通井，又可打進(jìn)尺，簡化了鉆具組合，節(jié)約了時(shí)間， 同時(shí)也減小了事故發(fā)生的可能性。 下面，介紹雙增類型水平井軌道設(shè)計(jì)的計(jì)算方法： H0 R1 S1 1 m H3 H H1 L R2 H2 2 S Sn 圖2.3.5 m mb RT H sin )cos1 ( 15 如圖所示，圖2.3.5 已知：H-設(shè)計(jì)垂深 S-入靶點(diǎn)位移 S0-水平段長 a1-第一增斜終點(diǎn)井斜角 確定：H0-造斜點(diǎn) K1-第一增斜率 K2-第二增斜率 a2-第二增斜

47、終點(diǎn)井斜角 L-穩(wěn)斜段長度 則： 曲率半徑為： R1=1/ K1 R2=1/ K2 R0= R1- R2 H3=H- H0- R2sina2 S2=S+ R2cosa2- R1 第一段增斜終點(diǎn)井斜角為： 穩(wěn)斜段長度為： 二、三維定向井軌道設(shè)計(jì) 三維軌道設(shè)計(jì)主要應(yīng)用于以下幾個(gè)方面： 第一，對(duì)于方位漂移嚴(yán)重的地區(qū)，為了有效利用地層的自然造斜規(guī)律，減少井眼軌道控制和造 斜的工作量，可將井眼軌道設(shè)計(jì)成考慮方位漂移的三維軌道。這樣的設(shè)計(jì)對(duì)指導(dǎo)現(xiàn)場施 工會(huì)更有意義。這種設(shè)計(jì)稱為方位漂移設(shè)計(jì)。 第二，若地面井位和目標(biāo)點(diǎn)固定，而在由它們所確定的鉛垂面內(nèi)，存在著不允許通過或難以穿 過的障礙物，如已鉆井眼、復(fù)雜的

48、地層（鹽丘、金屬礦床、斷層、氣頂?shù)龋?，要設(shè)計(jì)一 口定向井使其繞過障礙物鉆達(dá)目標(biāo)點(diǎn)，這樣的定向井稱之為繞障定向井。繞障定向井在 密集叢式井和油田開發(fā)后期，用定向鉆井方法打調(diào)整井時(shí)會(huì)遇到。 第三，在鉆井過程中，要使實(shí)鉆軌道與設(shè)計(jì)軌道完全吻合幾乎是不可能的，二者之間總會(huì)有一 定的偏差。很小的偏差是允許的，有時(shí)也許對(duì)鉆進(jìn)參數(shù)或鉆具組合稍作調(diào)整，仍可繼續(xù) 鉆進(jìn)；如果偏差很大，就需要以原設(shè)計(jì)軌道為依據(jù)，對(duì)下一段未鉆井眼作出新的設(shè)計(jì)。 另外，由于地質(zhì)勘探等方面的原因，需要中途改變目標(biāo)點(diǎn)的位置時(shí)，也需要設(shè)計(jì)出一條 新的井眼軌道。這種修正設(shè)計(jì)在鉆進(jìn)過程中是隨時(shí)可能發(fā)生的，因此稱之為隨鉆修正設(shè) 計(jì)。 第四，在老井

49、側(cè)鉆尤其是定向井的側(cè)鉆中，往往是要鉆達(dá)的油層位置不在原來定向井的剖面上， 這就需要調(diào)整井斜和方位鉆三維井眼才能到達(dá)目的層。 2 3 2 2 HSM M R H S arctg 0 3 2 1 arcsin 2 0 2 RML 16 空間繞障定向井的設(shè)計(jì)方法 1、剖面類型的判別 由于三維定向井的設(shè)計(jì)和施工都比二維定向井難度大，所以，如果條件允許應(yīng)首選二維剖面。 在設(shè)計(jì)繞障定向井時(shí)，除需要一般定向井的設(shè)計(jì)條件外，還應(yīng)該有對(duì)障礙物的具體描述。障 礙物的形態(tài)描述依賴于它們各自的特點(diǎn)，如已鉆井眼的一般模型為曲圓臺(tái)或直圓臺(tái)；復(fù)雜地層可假 設(shè)為斜直圓臺(tái)或球體等。盡管它們的表達(dá)形式可能是多種多樣的，但是其一般

50、模型都可以用如下的 通式來表示 g(X，Y，Z)=0 （2.31） 過所設(shè)計(jì)井的井口點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)作一個(gè)鉛垂平面，則該平面就是二維繞障定向井的設(shè)計(jì)平面,如 圖 2.3.6 所示 繞礙定向井的剖面類型判別設(shè)計(jì)平面與障礙物邊界的交線是平面曲線。為了描述這條平面曲線， 建立一個(gè)二維坐標(biāo)系 0-SH。 圖2.3.6繞障定向井的剖面類型判別 因?yàn)?（2.32） X = Scos Y = Ssin Z = H 0 0 式中 0井口至目標(biāo)點(diǎn)連線的方位角。 所以，將（2.32）式代入（2.31）式，可以得到障礙物的邊界在設(shè)計(jì)平面內(nèi)的二維表達(dá)形 式: h（H，S）=0 （2.33） 假設(shè)先不考慮障礙物的存在，那么選

51、定一個(gè)剖面類型并且確定出造斜點(diǎn)位置、增斜率等相應(yīng)的 參數(shù)之后，應(yīng)用2.2 給出的方法，就可以得到一種二維剖面的設(shè)計(jì)結(jié)果。此時(shí)，設(shè)計(jì)軌道方程可 表示為： f（H，S）=0 （2.34） 當(dāng)然，根據(jù)設(shè)計(jì)軌道的特點(diǎn)，（223）式往往是某種分段函數(shù)。 17 聯(lián)立（2.32）和（2.33）式，得： （2.35） hHS= 0 fHS= 0 （ ， ） （ ， ） 求解（2.44）式時(shí)，只有兩種可能的結(jié)果： 無解。表示設(shè)計(jì)軌道不通過障礙物的控制范圍。此時(shí)，井眼軌道設(shè)計(jì)成二維剖面就可實(shí)現(xiàn)繞 障。 有解。說明設(shè)計(jì)軌道已通過障礙物的控制范圍。此時(shí)，可以調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)或剖面類型。重新 設(shè)計(jì)出井眼軌道，然后再對(duì)（2.

52、35）式進(jìn)行求解。如此重復(fù)設(shè)計(jì)、求解和判斷。如果在可供選擇 的剖面類型和允許的設(shè)計(jì)參數(shù)范圍內(nèi)，（2.35）式均有解，則該井需要設(shè)計(jì)成三維繞障定向井。 否則，可以不必進(jìn)行三維繞障設(shè)計(jì)。 下面結(jié)合實(shí)例給出（2.35）式的具體表達(dá)形式和求解方法。交點(diǎn)為 P 點(diǎn)，則 P 點(diǎn)的坐標(biāo) （XP，YP，ZP）以及井斜角 P、方位角 P等參數(shù)可以通過測斜計(jì)算（若 P 點(diǎn)不是測點(diǎn)，可采用插 值法）求得。在 P 點(diǎn)以已鉆軌道的切線方向?yàn)?軸，以井眼高邊為 軸，建立右手坐標(biāo) P- 。如圖 2.3.7 所示。 由于 、 軸在 0-XYZ 坐標(biāo)系下的方向余弦分別為 O X Y P Z 圖2.3.7 障礙物的描述 (2.3

53、6) T = cos T= cos T= -sin T = -sin T= cos T= 0 T = sin T= sinsin T= cos 11PP12PP13P 21P22P 23 31PP32PP 33P 式中 Tij表示 i 軸（i=1，2，3。分別代表 軸）對(duì)于 j 軸（j=1，2，3。分別代表 X，Y，Z 軸）的方向余弦。 所以，P- 與 0-XYZ 坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系為 = （2.37） T11 T12 T13 T21 T22 T23 T31 T32 T33 X-X Y-Y Z-Z P P P 即 (2.38) = ( X-X )coscos +( Y-Y )cossinP-(

54、Z-Z )sin = -( X-X )sin +( Y-Y )cos = ( X-X )sincos +( Y-Y )sinsin+( Z-Z )cos PPPPPPP PPPP PPPPPPPP 如果將 P 點(diǎn)附近已鉆井眼的控制范圍用半徑為 RP的空間圓柱體來描述，則有： 2+2R2P （2.39） 由（2.37）和（2.38）式可以得到控制體邊界的方程為： 18 g(X，Y，Z)=（X-XP）2+（Y-YP）2+( Z-ZP)2-( X-XP)sinPcosP+（ Y-YP)sinPsinP+（Z-ZP）cosP）2- R2P=0 （2.310） 將（221）式代入（229）式，得 h(H

55、,S)=aH2-2bHS+cS2-2dH-2eS+f=0 (2.311) 其中 (2.312) a = sin b = sin cos cos(- ) c =1-sin cos (- ) d = Z -cos e = X cos+ Y sin-sin cos(- ) f = X+ Y + Z - - R = X sincos+ Y sinsin+ Z cos 2 P PPP0 2 P 2 P0 PP P0P0PP0 2 P 2 P 2 P 2 P 2 P PPPPPP PP O S O S iMi L f i Mi Mf i H Mf a b 圖2.3.8 設(shè)計(jì)軌道的描述 假設(shè)給定一種剖面類型

56、以及相應(yīng)的設(shè)計(jì)參數(shù)，那么就可以設(shè)計(jì)出一條二維的井眼軌道。如果設(shè) 計(jì)軌道各段起始點(diǎn) MI處的井深、井斜角和坐標(biāo)值分別為 Li、i和 Hi、Si，則設(shè)計(jì)軌道可描述如下： 參見圖 2.3.8 對(duì)于圓弧井段 (2.313) aa LL R i i 180 H = H + R(sina -sina) S=S + R(cosa -cosa) ii ii 式中，R圓弧段的曲率半徑。增斜時(shí)取正值，降斜時(shí)取負(fù)值。 對(duì)于斜直井段 （2.314） H = H +(L-L)cosa S = S +(L-L)sina iii iii 將（2.313）式和（2.314）式代入（2.311）式，求出 L 值。若在整個(gè)設(shè)計(jì)軌

57、道上至少 有一點(diǎn)的 L 值有實(shí)根且滿足 LiLLf（Lf是某井段終點(diǎn) Mf處的井深），則說明有解。否則，無解。 2、三維繞障定向井的設(shè)計(jì) 當(dāng)采用二維剖面不能實(shí)現(xiàn)繞障時(shí)，就需要進(jìn)行三維繞障設(shè)計(jì)。為敘述方便，仍以已鉆定向井作 為障礙物的情況為例。 如上所述，過井口點(diǎn) 0 和目標(biāo)點(diǎn) T 作一鉛垂平面，該平面與已鉆井眼交于 P 點(diǎn)，則 P 點(diǎn)處的參 數(shù)可以確定。過 P 點(diǎn)垂直于已鉆井眼的切線作一空間斜平面，交 Z 軸于 F 點(diǎn)，則已鉆井眼的控制邊 界在該斜平面上可認(rèn)為是圓形。如圖 2.3.9 所示。 19 O X A F B YC D 圖2.3.9空間斜平面示意圖 空間斜平面的方程可由下式表達(dá)： (

58、X-XP)sinPcosP+（ Y-YP）sinPsinP+（Z-ZP）cosP=0 （2.315） 交點(diǎn) F 的坐標(biāo)為 (2.316) X = 0 Y = 0 Z = X tgcos+ Y tgsin+ Z F F FPPPPPPP 由于目標(biāo)點(diǎn) T 一般不在這個(gè)斜平面上，所以根據(jù)給定的最終井斜角 T和最終方位角 T，可 以求出過 T 點(diǎn)的直線與斜平面的交點(diǎn) E 處的坐標(biāo) (2.317) X = X -tsincos Y = 0 Z = X tgcos+ Y tgsin+ Z EPTT E EPPPPP PP 其中 t= (sincos()sinsin()cos coscossinsincos

59、() )XXaYTYPaZTZPa aaaa TPppppp pTpTTP 將（2.316）式和（2.315）式分別代入（2.317）式，便可求出 E 點(diǎn)和 F 點(diǎn)在 P-坐 標(biāo)系下的坐標(biāo)（E，E，0）和（F，F(xiàn)，0）。這樣，就可以設(shè)計(jì)斜平面上的井眼軌道了。如圖 2.3.10 所示。 H0 A0 C C D F E 圖2.3.10 斜平面上的軌道設(shè)計(jì) 對(duì)于由閉合曲線圍成的障礙物，應(yīng)首先判別設(shè)計(jì)軌道的繞行方向。 若令 F FE FE F SNGq 20 式中 SGN符號(hào)函數(shù)。 則 q= (2.319) 1 0 1 , , , 繞井眼高邊設(shè)計(jì) 井眼高邊或低邊設(shè)計(jì) 繞井眼低邊設(shè)計(jì) 當(dāng)確定出繞行方向后

60、，則有 q0。 設(shè)線段 FP、PE 和 EF 的長度分別為 D1、D2和 D3，則 （2.320） D D D FF EE EFEF 1 22 2 22 3 2 ()() 于是 sin=sinCFP= (2.321) R D P 1 cos=cosEFP= (2.322) DDD D D 2 1 2 3 2 2 13 2 H0=D3cos(-)-D1cos (2.323) A0=D3sin(-) (2.324) 因此，井眼軌道的彎曲角可由下式計(jì)算 tg= (2.325) 2 HHAR A RA P P 02 2 2 0 2 0 0 0 C 點(diǎn)的坐標(biāo)為 (2.326) CP CP C R R c