第五章井眼軌道設計與軌跡控制

1、概概 述述 軌道與軌跡的概念軌道與軌跡的概念 軌道軌道設計的井眼軸線 軌跡軌跡實鉆的井眼軸線 定向井用途定向井用途1.1.地面環(huán)境條件的限制地面環(huán)境條件的限制 高山、湖泊、沼澤、河流、溝壑、海洋、農田或重要的建筑物等。2.2.地下地質條件的要求地下地質條件的要求 斷層遮擋油藏、薄油層、傾角較大的地層鉆進等。3.3.處理井下事故的特殊手段處理井下事故的特殊手段 井下落物側鉆、打救援井等。4.4.提高油藏采收率的手段提高油藏采收率的手段 鉆穿多套油氣層、老井側鉆等。 軌道設計與軌跡控制的發(fā)展軌道設計與軌跡控制的發(fā)展 1859年，美國 E.H.Drake 在賓夕法尼亞用鋼繩沖擊鉆鉆出第一口石油井。

2、1900年，旋轉鉆井問世，開創(chuàng)了石油鉆井新紀元。但仍認為旋轉鉆井的井眼軌跡與頓鉆一樣，為一條鉛垂直線。 20世紀20年代末，意外發(fā)現(xiàn)井斜，開始發(fā)展直井防斜技術。 20世紀30年代初，在海邊向海里打定向井取得成功。此后，定向井技術得到了迅速發(fā)展和廣泛應用。井軌道設計與軌跡控制技術便應運而生。第一節(jié)第一節(jié) 井眼軌跡的基本概念井眼軌跡的基本概念一軌跡的基本參數(shù)（測斜參數(shù)）一軌跡的基本參數(shù)（測斜參數(shù)） 井深、井斜角、井斜方位角井深、井斜角、井斜方位角-三個基本參數(shù)。 （1 1）井深）井深（或稱為斜深、測深） 井口(通常以轉盤面為基準)至軌跡上某點（測點）的井眼長度。 井深以字母 D m 表示，單位為米

3、(m)。井深增量（井段長度）以Dm 表示。（2 2）井斜角）井斜角 軌跡上某點的切線（稱井眼方向線）與重力線（鉛垂線）的夾角。 井斜角以字母表示，單位為度（）。井斜角增量用表示。 （3 3）井斜方位角）井斜方位角 軌跡上某點的切線在水平面上的投影（稱為井斜方位線）與正北方向線的夾角。以正北方線為始邊，順時針旋轉為正，逆時針為負。 方位角以字母表示，單位為度（）。方位角增量用表示。第一節(jié)第一節(jié) 井眼軌跡的基本概念井眼軌跡的基本概念二軌跡的計算參數(shù)二軌跡的計算參數(shù) 垂直深度、水平長度、水平位移、平移方位角、坐標和垂直深度、水平長度、水平位移、平移方位角、坐標和坐標、視平移、井眼曲率等。坐標、視平移

4、、井眼曲率等。 （1）垂直深度（垂深）垂直深度（垂深） 軌跡上某點至井口所在水平面的距離（D)。垂深增量稱為垂增（）。 （2）水平投影長度（水平長度、平長）水平投影長度（水平長度、平長） 軌跡上某點至井口的長度（井深）在水平面上的投影（LP)，水平長度的增量稱為平增（LP）。 （3 3）水平位移（平移）水平位移（平移） 軌跡上某點至井口所在鉛垂線的距離（S）。 或軌跡上某點至井口的距離在水平面上的投影。此投影線又稱為平移方平移方位線。位線。 國外將水平位移稱作閉合距。我國將完鉆時的水平位移稱為閉合距。第一節(jié)第一節(jié) 井眼軌跡的基本概念井眼軌跡的基本概念二軌跡的計算參數(shù)二軌跡的計算參數(shù)（4 4）平

5、移方位角）平移方位角以正北方線為始邊順時針轉至平移方位線上所轉過的角度（）。國外將平移方位角稱作閉合方位角閉合方位角。國內指完鉆時的平移方位角為閉合方位角閉合方位角。 （5 5）坐標和坐標）坐標和坐標 軌跡上某點在以井口為原點，南北方向和西東方向為坐標軸的水平面坐標系里的坐標。分別用字母 N、E 表示，相應的增量用N、E 表示。 （6）視平移）視平移 水平位移在設計方位線上的投影長度。用字母 V 表示。(7) (7) 井眼曲率井眼曲率K（狗腿嚴重度、全角變化率）（狗腿嚴重度、全角變化率） 指井眼軌跡曲線的曲率。 平均曲率: Kc=/Dm Dm 軌跡上兩點間的井眼長度（段長）。軌跡上兩點間的井眼

6、長度（段長）。 稱為狗腿角或全角變化，指軌跡上兩點間的井眼方向變化稱為狗腿角或全角變化，指軌跡上兩點間的井眼方向變化的角度（兩點的井眼方向線的夾角）。的角度（兩點的井眼方向線的夾角）。 Lubinski公式： cos=coscos=cosA AcoscosB B + sin+ sinA AsinsinB Bcoscos(B B-A A) ) 行業(yè)標準計算公式： =(=(2 2+2 2sinsin2 2c c) )0.5 0.5 井段的狗腿角，()； c c井段的平均井眼曲率，()/m； c c井段的平均井斜角， （） ，c c=(=(A A+B B)/2)/2第一節(jié)第一節(jié) 井眼軌跡的基本概念井

7、眼軌跡的基本概念二軌跡的計算參數(shù)二軌跡的計算參數(shù)三井眼軌跡的圖示法三井眼軌跡的圖示法 1.1.三維坐標法三維坐標法 坐標系：0-D-N-E第一節(jié)第一節(jié) 井眼軌跡的基本概念井眼軌跡的基本概念 能形象直觀地反映出井眼的形狀和走向。但不能反映出真實的井身參數(shù)，且作圖難度大。第一節(jié)第一節(jié) 井眼軌跡的基本概念井眼軌跡的基本概念三、井眼軌跡的圖示法三、井眼軌跡的圖示法 2. 投影圖示法投影圖示法 垂直投影投影圖 + 水平投影圖 軌跡在設計方位線所在的鉛垂面上的投影。原點：井口橫坐標：視平移 V縱坐標：垂深 D 軌跡在水平面上的投影。原點：井口坐標軸：N，E缺點：垂直投影圖不能真實地反映井深L、 井斜角和水

8、平位移S 等軌跡參數(shù)。VEDSNLPV目標點設計方位線第一節(jié)第一節(jié) 井眼軌跡的基本概念井眼軌跡的基本概念三、井眼軌跡的圖示法三、井眼軌跡的圖示法 3. 柱面展開圖示法（二圖法）柱面展開圖示法（二圖法） 垂直剖面圖垂直剖面圖 + 水平投影圖水平投影圖 過軌跡上的每一點作鉛垂線，所有鉛垂線便構成一個曲面，稱為柱面。將此柱面展開就形成垂直剖面圖。原 點：井口橫坐標：平長 LP縱坐標：垂深 D優(yōu)優(yōu) 點點（1）容易想象軌跡形狀（2）能真實反映井身參數(shù)（3）作圖簡便第二節(jié)第二節(jié) 軌跡測量及計算軌跡測量及計算 1.1.測量內容測量內容 井深Dm、井斜角 、方位角目的：目的：掌握井眼軌跡參數(shù)的測量、計算、軌跡

9、繪圖方法。一、測斜方法及測斜儀簡介一、測斜方法及測斜儀簡介 2.2.測斜儀分類測斜儀分類 按工作方式分：按工作方式分：單點式、多點式、隨鉆測量（有線、無線） 按工作原理分：按工作原理分：磁性測斜儀（羅盤）、陀螺測斜儀（高速陀螺空間指向 恒定）。 電源鐘機相機測角裝置密封減震扶正3.3.測斜儀結構測斜儀結構一、測斜方法及測斜儀簡介一、測斜方法及測斜儀簡介 4.4.磁性測斜儀的工作原理磁性測斜儀的工作原理 儀器內主要由井斜刻度盤、羅盤、十字擺錘、照明和照相系統(tǒng)組成。羅盤的S極始終指北。 第二節(jié)第二節(jié) 軌跡測量及計算軌跡測量及計算 （1 1）井斜角的測量）井斜角的測量 當測斜儀隨井眼傾斜時，十字擺錘

10、始終指向重力線方向，重力線與儀器軸線的夾角即為井斜角。由擺錘在井斜刻度盤底片上的位置讀取。 （2 2）井斜方位角的測量）井斜方位角的測量 擺錘所在鉛垂線與儀器軸線（井眼方向線）構成井斜鉛垂面，該井斜鉛垂面與水平面的交線就是井斜方位線。擺錘在羅盤面上的投影位置所在的放射線與羅盤N極之間的夾角即為井斜方位角。 注意注意：羅盤標志方位與實際地理方位相反。第二節(jié)第二節(jié) 軌跡測量及計算軌跡測量及計算一、測斜方法及測斜儀簡介一、測斜方法及測斜儀簡介 4.4.磁性測斜儀的工作原理磁性測斜儀的工作原理（3 3）井深測量）井深測量: :根據(jù)電纜長度或鉆柱長度。EEWW第二節(jié)第二節(jié) 軌跡測量及計算軌跡測量及計算一

11、、測斜方法及測斜儀簡介一、測斜方法及測斜儀簡介 5.5.磁偏角及校正磁偏角及校正東磁偏角西磁偏角地北極磁北極磁方位角AB磁偏角示意圖真方位角=磁方位角 + 東磁偏角真方位角=磁方位角 - 東磁偏角 二對測斜計算數(shù)據(jù)的規(guī)定二對測斜計算數(shù)據(jù)的規(guī)定 1 1測點編號：測點編號：測斜自下而上，測點編號則自上而下。第一個井斜角不等于零的測點作為第1測點。 2 2測段編號：測段編號：自上而下編號。第i-1 測點與第i 測點之間所夾的測段為第i測段。 3 3第測點：第測點：第測點的井深大于25m 時，第測點的井深比第測點的井深小25m，且井斜角規(guī)定為零。第測點的井深小于或等于25m時，規(guī)定第測點的井深和井斜角

12、均為零。 4 4若若i i= 0= 0，對第i測段?。篿=i-1；對第i+1測段取：i=i+1 。 5 5在一個測段內，井斜方位角變化的絕對值不得超過在一個測段內，井斜方位角變化的絕對值不得超過180180。 i-i-1180時， i=i-i-1-360 c=(i+i-1)/2-180 i-i-1180 由a點逆時針到b點： 180 在不太長的測段內，應該是由a點逆時針鉆到b點。因此，井斜方位角增量為：= b-a-360 平均方位角為：c= (i+i-1)/2-180ab三軌跡計算方法三軌跡計算方法 1.1.計算參數(shù)及計算順序計算參數(shù)及計算順序 測點： D , LP ,N , E , V，S

13、, 測段： D，Lp，N，E，c 計算程序計算程序第二節(jié)第二節(jié) 軌跡測量及計算軌跡測量及計算第0測點參數(shù)00000000ENLDDPm，F(xiàn)ORmi，1計算：iiiPiENLD，計算：NEXTiiiiiPiiSVENLD,設計方位線LPDDOOVNEO40S4D4V4LP41234567123456747目標點第二節(jié)第二節(jié) 軌跡測量及計算軌跡測量及計算三軌跡計算方法三軌跡計算方法2.2.測點坐標值計算公式測點坐標值計算公式)cos()0)/(tan180)0)/(tan011221111iiiiiiiiiiiiiiiiiiiiPiPiPiiiiSVNNENNEENSEEENNNLLLDDD（第二

14、節(jié)第二節(jié) 軌跡測量及計算軌跡測量及計算三、軌跡計算方法三、軌跡計算方法3.3.測段計算方法測段計算方法 （1）計算方法多樣性）計算方法多樣性 根據(jù)測斜參數(shù)計算測段的四個坐標增量，就必須知道測段的幾何形狀。而測斜只能測上下兩點的參數(shù)，測段形狀未知。計算時只能假設測段形狀。假設不同，計算方法不同。國內外測段計算方法國內外測段計算方法正切法正切法假設測段為直線，其方向與下測點方向一致。平衡正切法平衡正切法假設測段為兩段等長度的折線，其方向分別與上、下測點方向一致。平均角法平均角法假設測段為直線，其方向為上、下測點方向的“和方向”。圓柱螺線法圓柱螺線法假設測段為圓柱螺線，螺線在兩端點處與上、下兩測點方

15、向相切。最小曲率法最小曲率法假設測段為平面圓弧，圓弧在兩端處與上、下測點方向相切。三軌跡計算方法三軌跡計算方法 3.3.測段計算方法測段計算方法 （2 2）平均角法）平均角法 假設:測段是一條直線，該直線的方向是上下二測點處井眼方向的“和方向（矢量和）。 測段計算公式：測段計算公式： D = Dmcosc Lp = Dmsinc N = Dmsinccosc E = Dmsincsinc c =（i-1+i）/2 c =（i-1+i）/2第二節(jié)第二節(jié) 軌跡測量及計算軌跡測量及計算三軌跡計算方法三軌跡計算方法 3.3.測段計算方法測段計算方法 （2 2）圓柱螺旋線法）圓柱螺旋線法 假設測段形狀為

16、一條等變螺旋角的圓柱螺線；其兩端與上下兩測點處井眼方向向切。在水平投影圖上是圓弧。在垂直剖面圖上也是圓弧。 測段計算公式：測段計算公式： D=2Dmsin(/2) cosc / Lp=2Dmsin(/2) sinc / N=4Dmsin(/2) sinc sin(/2) cosc/() E=4Dmsin(/2) sinc sin(/2) sinc/() 第二節(jié)第二節(jié) 軌跡測量及計算軌跡測量及計算注意：，單位為弧度。三軌跡計算方法三軌跡計算方法 3.3.測段計算方法測段計算方法 （3 3）校正平均角法）校正平均角法 圓柱螺線法計算公式的分母上有、 ，一旦有一個增量為零就無法計算。鄭基英教授在“圓

17、柱螺線法”基礎上，經過數(shù)學處理數(shù)學處理提出了“校正平均角法”。 測段計算公式：測段計算公式： D = fD = fD DDDm mcoscosc c L Lp p = f = fD DDDm msinsinc c N = f N = fH HDDm msinsinc ccoscosc c E = f E = fH HDDm msinsinc csinsinc c f fD D = 1 - = 1 - 2 2 / 24/ 24 f fH H = 1 - ( = 1 - (2 2 + + 2 2) / 24) / 24注意：注意：和的單位為弧度弧度。第二節(jié)第二節(jié) 軌跡測量及計算軌跡測量及計算圓柱螺

18、線法的簡化處理圓柱螺線法的簡化處理勞林級數(shù)：sinx=x-x3/3!+x5/5!-取前兩項: sinxx-x3/6將圓柱螺線法公式中的 sin(/2)、sin(/2)展開:sin(/2)=(/2)(1- 2/24)sin( /2)=( /2)(1- 2/24)將上兩式代入圓柱螺線法公式中，便可的校正平均角法公式。 之所以稱之為校正平均角法，因為其計算公式比平均角法只多一個“校正”系數(shù)。第三節(jié)第三節(jié) 直井防斜技術直井防斜技術概 述 井斜的概念井斜的概念 實鉆井眼軌跡偏離設計鉛垂線的情況。 井斜的危害井斜的危害 （1）打亂油田井網布置 （2）影響勘探開發(fā)的準確性 （3）影響采油工藝：封隔器坐封不嚴

19、；抽油桿磨損、疲勞等；泵等下入困難 （4）影響鉆井工藝：鉆柱磨損、疲勞；鍵槽卡鉆；起下鉆、下套管困難；固井質量差 直井防斜技術的發(fā)展直井防斜技術的發(fā)展 20世紀20年代末，發(fā)現(xiàn)井斜 50年代，Lubinski等首次提出鐘擺鉆具防斜 60年代，Hoch首次提出滿眼鉆具防斜 20世紀末，垂直導向鉆井系統(tǒng)第三節(jié)第三節(jié) 直井防斜技術直井防斜技術一、井斜的原因一、井斜的原因1）地質因素：）地質因素：地層可鉆性的不均勻性和地層的層理與傾斜2）鉆具因素：）鉆具因素：鉆具的傾斜和彎曲3）井眼因素：）井眼因素：井眼擴大第三節(jié)第三節(jié) 直井防斜技術直井防斜技術一、井斜的原因一、井斜的原因 1. 地質因素地質因素 （

20、1）地層可鉆性的各向異性）地層可鉆性的各向異性 沉積巖特性：沉積巖特性：垂直層面方向可鉆性高，易鉆；平行層面方向可鉆性低，難鉆 井井 斜斜 趨趨 勢：勢：鉆頭總是有向鉆井阻力小的方向前進的趨勢。 地層傾角60 ，鉆頭沿平行地層層面方向下滑； 地層傾角在45 60 之間，井斜方向不穩(wěn)定。第三節(jié)第三節(jié) 直井防斜技術直井防斜技術一、井斜的原因一、井斜的原因 1. 地質因素地質因素 （2）地層軟硬交錯）地層軟硬交錯 硬軟v2v1 鉆頭兩側地層軟硬不同，切削速度不同，鉆頭向地層上傾方向偏斜。 鉆頭鉆至交界面時，壓垮硬薄層，留下小臺肩，把鉆頭推向地層上傾方向。硬軟小斜向器第三節(jié)第三節(jié) 直井防斜技術直井防斜

21、技術一、井斜的原因一、井斜的原因 1. 地質因素地質因素 （3）地層可鉆性的橫向變化）地層可鉆性的橫向變化 在井眼的一側鉆遇溶洞或較疏松的地層，而在另一側則鉆遇較致密的地層，則導致鉆頭在井眼兩側切削速度不同，從而造成井斜。下部鉆具的傾斜和彎曲將產生兩種后果：下部鉆具的傾斜和彎曲將產生兩種后果：1）引起鉆頭傾斜，在井底形成不對稱切削。2）使鉆頭受側向力的作用，產生側向切削。第三節(jié)第三節(jié) 直井防斜技術直井防斜技術一、井斜的原因一、井斜的原因2. 鉆具傾斜和彎曲鉆具傾斜和彎曲 導致鉆具傾斜和彎曲的原因導致鉆具傾斜和彎曲的原因： （1）鉆具和井眼之間有一定間隙。 （2）鉆壓的作用，鉆柱受壓靠近井壁或發(fā)

22、生彎曲。 （3）鉆具本身彎曲；轉盤安裝不平、井架安裝不正等。第三節(jié)第三節(jié) 直井防斜技術直井防斜技術一、井斜的原因一、井斜的原因2. 鉆具傾斜和彎曲鉆具傾斜和彎曲3.3. 井眼擴大井眼擴大（1）鉆頭在井眼內左右移動，靠向一側，導致井斜。（2）受壓彎曲的鉆柱的撓度加大，鉆頭偏斜加劇。WWsin鉆頭受側向力作用二、滿眼鉆具組合控制井斜二、滿眼鉆具組合控制井斜 第三節(jié)第三節(jié) 直井防斜技術直井防斜技術 1. 原理原理 地質因素和下部鉆具傾斜與彎曲對井斜的影響可歸納為以下兩個方面： 1）鉆頭軸線相對于井眼軸線發(fā)生偏斜； 2）鉆頭受側向力作用，發(fā)生橫移。 采用大尺寸下部鉆具組合（BHA)，“填滿”井眼。這種

23、滿眼鉆具具有剛度大、與井眼的間隙?。ɡ硐肭闆r下為0）的特點，可以： （1）有效限制下部鉆具的彎曲和傾斜，抵制鉆頭偏轉； （2）承受較大 的鉆壓而不發(fā)生彎曲； （3）支撐在井壁上，抵抗鉆頭上的側向力，限制鉆頭橫移。 鉆頭鉆頭“偏斜偏斜”和和“橫移橫移”的必要條件：下部鉆具與井眼之間存在間隙。的必要條件：下部鉆具與井眼之間存在間隙。 2. 2.結構結構 YXYYXY組合組合：鉆挺 + 34個扶正器 近扶：近扶：支撐井壁，抵抗側向力，限制鉆頭偏斜。 中扶：中扶：保證中扶正器與鉆頭之間的鉆柱不發(fā)生彎曲。 上扶：上扶：增大下部鉆柱剛度，協(xié)助中扶防止鉆柱彎曲 四扶：四扶：增大下部鉆柱的剛度，協(xié)助中扶防止鉆

24、柱彎曲。 中扶位置的計算：中扶位置的計算：二、滿眼鉆具組合控制井斜二、滿眼鉆具組合控制井斜 第三節(jié)第三節(jié) 直井防斜技術直井防斜技術4sin16mqJECpL64)(44cicoddJ（5-30）Lp例題：例題： 已知鉆頭直徑216mm ，扶正器直徑215mm ，鉆鋌鋼材的楊氏模量為 .0594108kN/m2 ，鉆鋌外徑178mm ，內徑71.4mm ，鉆井液密度1.25 g/cm3 ，鉆鋌線重1.6 kN/m ，允許的最大井斜角3，求YXY組合的中扶距鉆頭的最優(yōu)長度。解：解：根據(jù)給定條件，可求得： J =J = （d dcoco4 4-d-dcici4 4）/64 = 0.48/64 = 0

25、.481010-4-4 m m4 4 , , q qm m = =（1-1- d d/ / s s）q = 1.34 kNq = 1.34 kN/m , /m , c = c =（d dh h-d-ds s）/2 = 0.0005 m/2 = 0.0005 m L Lp p = (16C = (16CE EJ)/(qJ)/(qm m sin) sin)0.250.25 = 5.789 m = 5.789 m 。二、滿眼鉆具組合控制井斜二、滿眼鉆具組合控制井斜 第三節(jié)第三節(jié) 直井防斜技術直井防斜技術 3.3.滿眼鉆具組合的使用滿眼鉆具組合的使用 （1）用于防斜和穩(wěn)斜，不能糾斜。 （2）可有效地控

26、制井眼曲率，不能控制井斜角的大小。 （3）“以快保滿，以滿保直”。使用滿眼鉆具的關鍵在于一個 “滿滿”字。間隙對滿眼鉆具組合性能影響顯著。設計間隙一般為d=dh-ds=0.81.6mm。當間隙d達到或超過兩倍的設計值時，應及時更換或修復扶正器。在易坍塌井段，要搶在井徑擴大以前鉆出新的井眼。 （4）在井眼曲率大的井段使用，容易卡鉆。 （5）在鉆進軟硬交錯，或傾角較大的地層時，要注意適當減小鉆壓，勤劃眼，以便消除可能出現(xiàn)的“狗腿”。二、滿眼鉆具組合控制井斜二、滿眼鉆具組合控制井斜 第三節(jié)第三節(jié) 直井防斜技術直井防斜技術三、鐘擺鉆具組合控制井斜三、鐘擺鉆具組合控制井斜 第三節(jié)第三節(jié) 直井防斜技術直井

27、防斜技術 1. 原理原理 在下部鉆柱的適當位置安裝一個扶正器。當發(fā)生井斜時，該扶正器支撐在井壁上形成支點，并保證以下鉆柱不再與井壁接觸。則該扶正器以下的鉆柱就好象一個鐘擺，在鉆頭上產生一個最大的鐘擺力。鉆頭在此鐘擺力的作用下切削下井壁。從而使新鉆的井眼不斷降斜。切點GGc=Gsin鐘擺力增大鐘擺力的途徑：1）加大鉆挺尺寸，增加重力；2）減小鉆壓，提高切點高度；3）安裝扶正器，提高切點高度。三、鐘擺鉆具組合控制井斜三、鐘擺鉆具組合控制井斜 第三節(jié)第三節(jié) 直井防斜技術直井防斜技術 2. 扶正器位置的計算扶正器位置的計算222246.18404.82sin2chddmABACBzrrJECrWBqA

28、L（2）YXY計算模式計算模式 （1）扶正器位置對鐘擺力的影響）扶正器位置對鐘擺力的影響 偏高，扶正器以下鉆挺將與井壁接觸形成新切點，鐘擺力減??； 偏低，鐘擺力小； 最優(yōu)位置應該是，扶正器以下鉆柱彎曲后剛要接觸井壁，但尚未形成新切點，此時鐘擺力達到最大。 3. 3. 鐘擺鉆具組合的使用鐘擺鉆具組合的使用(1) 主要用于糾斜或降斜。在直井內無防斜作用。(2) 其性能對鉆壓特別敏感。鉆壓增大，則增斜力增大，鐘擺力減小。使用時必須嚴格控制鉆壓。(3) 在直井內無防斜作用。要防斜，只能使用小鉆壓“吊打”。 (4) 不能有效控制井眼曲率，易形成“狗腿”。(5) 間隙對鐘擺鉆具組合性能的影響比較明顯，因此

29、扶正器直徑磨損時要及時更換。三、鐘擺鉆具組合控制井斜三、鐘擺鉆具組合控制井斜 第三節(jié)第三節(jié) 直井防斜技術直井防斜技術第四節(jié)第四節(jié) 定向井井眼軌道設計定向井井眼軌道設計 2. 定向井的類型定向井的類型 一、概一、概 述述 1. 定向井的概念定向井的概念 按照一定的目的要求，有控制地使井身沿著設計的方向和路線鉆達預定的目的層段和井下目標（靶位）的井。常規(guī)定向井： m = 15 6060大斜度井： m = 60 8585水平井： m = 90上翹井： m = 90 120120大位移井： 水平位移與垂深之比大于 2.0。按井斜角分：三維定向井：糾偏、繞障，既有井斜角變化，又有方位變化按軌道類型分二維

30、定向井常規(guī)：由直線和圓弧組成的鉛垂平面鉛垂平面上的曲線。非常規(guī)：由直線、圓弧和變曲率曲線（懸鏈線、 拋物線）等組成的鉛垂平面鉛垂平面上的曲線。第四節(jié)第四節(jié) 定向井井眼軌道設計定向井井眼軌道設計一、概一、概 述述 井身剖面的概念井身剖面的概念 井身剖面是指軌道的垂直剖面圖。 二維定向井軌道的水平投影圖為一條直線，只需要設計垂直剖面圖。故軌道設計又常稱為井身剖面設計。 3. 井身剖面及術語井身剖面及術語第四節(jié)第四節(jié) 定向井井眼軌道設計定向井井眼軌道設計二常規(guī)二維定向井軌道設計二常規(guī)二維定向井軌道設計1 1常用軌道類型常用軌道類型第四節(jié)第四節(jié) 定向井井眼軌道設計定向井井眼軌道設計二常規(guī)二維定向井軌道

31、設計二常規(guī)二維定向井軌道設計 2. 設計內容設計內容 （1）選擇軌道類型 （2）選擇造斜點：Dkop （3）確定造斜工具的造斜率：Kz，Kn （4）計算關鍵參數(shù)（最大井斜角b和穩(wěn)斜段長度Dmw等） （5）計算軌道參數(shù)：D，D， LP，LP， Dm，Dm （6）繪制垂直剖面圖和水平投影圖。 3. 設計依據(jù)設計依據(jù) 1）地質部門提供的分層地質情況； 2）采用部門的靶位和中靶要求：Dt，St，0，t，Dmm 3）鉆井條件：造斜工具的造斜率（14/30m）。第四節(jié)第四節(jié) 定向井井眼軌道設計定向井井眼軌道設計二常規(guī)二維定向井軌道設計二常規(guī)二維定向井軌道設計 4 4設計原則設計原則 (1) (1) 能實現(xiàn)

32、鉆定向井的目的：能實現(xiàn)鉆定向井的目的：順利中靶，滿足中靶要求。 (2) (2) 有利于安全、優(yōu)質、快速鉆井有利于安全、優(yōu)質、快速鉆井 1）在能實現(xiàn)定向鉆井目的的前提下，盡可能選擇簡單的軌道類型。 2）造斜點要選擇巖性穩(wěn)定、硬度適中的地層；垂深大、水平位移小時， 造斜點深一些，可快速鉆進直井段；垂深小，水平位移大時，造斜點淺一些， 減少定向造斜工作量。 3）盡量減小最大井斜角，以減少定向造斜工作量；但最大井斜一般不小于15，否則方位不穩(wěn)定，容易漂移。一般取1535。 4）選擇造斜率時，要考慮造斜工具的能力。造斜率過大（大于4/30m） ，起下鉆、下套管困難；造斜率過小，造斜段長，造斜工作量大。

33、(3) (3) 有利于采油工藝有利于采油工藝 1）井眼曲率不宜過大。 2）盡可能以垂直井段或井斜角較小的斜直段進入油層。第四節(jié)第四節(jié) 定向井井眼軌道設計定向井井眼軌道設計二常規(guī)二維定向井軌道設計二常規(guī)二維定向井軌道設計 （1）剖面類型的選擇）剖面類型的選擇 根據(jù)靶點參數(shù)和中靶要求、設計原則選擇剖面類型。 只給定靶點參數(shù)（Dt、St，0），無其它要求，選用三段式。 給定 Dt、St、0、t、Dmm，目標段井斜角較小的井選用五段式，大斜度井和水平井則選用雙增式。 給定Dt、0、t、Dmm，無井位要求，采用多靶三段式。 5. 設計計算方法設計計算方法 （2）造斜點及造斜率的確定）造斜點及造斜率的確定

34、 依據(jù)設計原則確定造斜點（Dkop）和造斜率（Kz，Kn）。 第四節(jié)第四節(jié) 定向井井眼軌道設計定向井井眼軌道設計二常規(guī)二維定向井軌道設計二常規(guī)二維定向井軌道設計5. 設計計算方法設計計算方法 （3）關鍵參數(shù)計算）關鍵參數(shù)計算 五段式和三段式軌道：五段式和三段式軌道：)2/()(tan2)2(15 . 022eemwebeeeemwSRDDSRSDD nzetntetnkopteRRRRSSRDDD )cos1(sin 五段式：zetekopteRRSSDDD 三段式：DmwRzb第四節(jié)第四節(jié) 定向井井眼軌道設計定向井井眼軌道設計二常規(guī)二維定向井軌道設計二常規(guī)二維定向井軌道設計5. 設計計算方法

35、設計計算方法 （3）關鍵參數(shù)計算）關鍵參數(shù)計算 多靶三段式軌道：多靶三段式軌道：)cos1 (tan)2tan(tztmwttzkopttRSDRDDS 第四節(jié)第四節(jié) 定向井井眼軌道設計定向井井眼軌道設計二常規(guī)二維定向井軌道設計二常規(guī)二維定向井軌道設計5. 設計計算方法設計計算方法 （3）關鍵參數(shù)計算）關鍵參數(shù)計算 雙增式軌道：雙增式軌道：OzOzzReSeDebzzzetzzztetzzkopteeemwebeeemwRRRRRSSRDDDSRDDRSDD cossintan2)(15 . 0222第四節(jié)第四節(jié) 定向井井眼軌道設計定向井井眼軌道設計二常規(guī)二維定向井軌道設計二常規(guī)二維定向井軌道

36、設計5. 設計計算方法設計計算方法（4）井身參數(shù)計算）井身參數(shù)計算增斜段：穩(wěn)斜段：降斜段：雙增軌道第二增斜段：目標穩(wěn)斜 段：180/)cos1(sin bzmzbzzbzzRDRSRD bmwwbmwwDSDD sincos 180/)()cos(cos)sin(sin tbnmnbtnntbnnRDRSRD 180/)()cos(cos)sin(sin btzzmzztbzzzzbtzzzzRDRSRD bmmmbmmmDSDD sincos 第五節(jié)第五節(jié) 造斜工具及軌跡控制造斜工具及軌跡控制一、造斜工具一、造斜工具（一）概（一）概 述述造斜工具滑動鉆進造斜工具旋轉鉆進造斜工具混合鉆進造斜工

37、具 導向式馬達彎接頭彎外殼偏心墊塊變向器射流鉆頭扶正器組合固定扶正器組合可調扶正器組合第五節(jié)第五節(jié) 造斜工具及軌跡控制造斜工具及軌跡控制（二）動力鉆具造斜工具（二）動力鉆具造斜工具一、造斜工具一、造斜工具 （1）渦輪鉆具）渦輪鉆具 結結 構：構：定子和轉子（葉片）、外殼、壓緊短節(jié)、主軸。 工作原理：工作原理：鉆井液沖擊 葉片，產生旋轉扭矩，驅動轉子和主軸旋轉。 工作特性：工作特性： 1）轉速較快（1000 rpm ），扭矩較小； 2）轉速與扭矩隨流量的增大而增大； 3）在一定流量下，轉速隨扭矩增大而減小；扭矩增高時，地面壓力并不增高，難判斷失速。 1. 動力鉆具簡介動力鉆具簡介第五節(jié)第五節(jié) 造

38、斜工具及軌跡控制造斜工具及軌跡控制（二）動力鉆具造斜工具（二）動力鉆具造斜工具一、造斜工具一、造斜工具 （2）螺桿鉆具）螺桿鉆具 結結 構：構：定子（外殼內部澆鑄橡膠）、轉子（主軸）、萬向軸。 工作原理：工作原理：鉆井液流過由定子與轉子相互嚙合形成的螺旋形空腔時，迫使轉子轉動，產生扭矩。 工作特性：工作特性： 1）轉速較慢（100300 rpm ），扭矩較大； 2）轉速與扭矩隨流量的增大而增大； 3）扭矩與壓力降成正比?？筛鶕?jù)泵壓大小了解鉆頭扭矩和鉆壓。1. 動力鉆具簡介動力鉆具簡介第五節(jié)第五節(jié) 造斜工具及軌跡控制造斜工具及軌跡控制（二）動力鉆具造斜工具（二）動力鉆具造斜工具一、造斜工具一、造

39、斜工具 2. 造斜工具的型式造斜工具的型式 （1）彎接頭、彎外殼馬達）彎接頭、彎外殼馬達 造斜原理： 1）鉆柱彎曲使鉆頭偏斜； 2）鉆柱彈性使鉆頭獲得一個造斜力。 彎外殼造斜能力大于彎接頭。 造斜率的概念： 造斜工具在單位長度井眼內使井眼方向改變的角度。造斜工具的實際造斜率等于所鉆井段的井眼曲率。 第五節(jié)第五節(jié) 造斜工具及軌跡控制造斜工具及軌跡控制（二）動力鉆具造斜工具（二）動力鉆具造斜工具一、造斜工具一、造斜工具 2. 造斜工具的型式造斜工具的型式 影響造斜率的因素影響造斜率的因素 彎曲角越大，造斜率越大； 鉆柱剛度越大，造斜率越大； 彎點至鉆頭的距離越小且重量越小，造斜率越大； 鉆速越小，

40、造斜率越大。第五節(jié)第五節(jié) 造斜工具及軌跡控制造斜工具及軌跡控制（二）動力鉆具造斜工具（二）動力鉆具造斜工具一、造斜工具一、造斜工具 2. 造斜工具的型式造斜工具的型式 （2）偏心墊塊）偏心墊塊 在井斜角較大的井眼中，墊塊處在下井壁，形成支點，上部鉆柱重力使鉆頭受到一個杠桿力。 主要用于井斜角大于45的斜井眼。 影響造斜率的因素影響造斜率的因素 偏心墊塊的高度越大，造斜率越 大； 偏心墊塊距離鉆頭的距離越近， 造斜率越大； 原井斜角越大，造斜率越大。第五節(jié)第五節(jié) 造斜工具及軌跡控制造斜工具及軌跡控制一、造斜工具一、造斜工具（三）轉盤鉆造斜工具（三）轉盤鉆造斜工具 1. 槽式變向器槽式變向器 最早

41、使用的造斜工具。 不能連續(xù)造斜，需要多次起下鉆，工藝復雜，效率低。 目前主要用于套管開窗側鉆。第五節(jié)第五節(jié) 造斜工具及軌跡控制造斜工具及軌跡控制一、造斜工具一、造斜工具（三）轉盤鉆造斜工具（三）轉盤鉆造斜工具 2. 射射 流流 鉆鉆 頭頭 早期使用的造斜工具。 僅適用于較軟地層。 目前僅在缺少動力鉆具的情況下使用。第五節(jié)第五節(jié) 造斜工具及軌跡控制造斜工具及軌跡控制一、造斜工具一、造斜工具（三）轉盤鉆造斜工具（三）轉盤鉆造斜工具 3. 扶正器組合扶正器組合 （1）增斜組合杠桿原理 第五節(jié)第五節(jié) 造斜工具及軌跡控制造斜工具及軌跡控制一、造斜工具一、造斜工具（三）轉盤鉆造斜工具（三）轉盤鉆造斜工具

42、3. 扶正器組合扶正器組合 （2）穩(wěn)斜組合滿眼原理 第五節(jié)第五節(jié) 造斜工具及軌跡控制造斜工具及軌跡控制一、造斜工具一、造斜工具（三）轉盤鉆造斜工具（三）轉盤鉆造斜工具 3. 扶正器組合扶正器組合 （3）降斜組合鐘擺原理 第五節(jié)第五節(jié) 造斜工具及軌跡控制造斜工具及軌跡控制一、造斜工具一、造斜工具（三）轉盤鉆造斜工具（三）轉盤鉆造斜工具 3. 扶正器組合扶正器組合 （4）可調扶正器組合 通過改變鉆壓或流量來調節(jié)扶正器直徑，可實現(xiàn)從增斜到降斜的變化。第五節(jié)第五節(jié) 造斜工具及軌跡控制造斜工具及軌跡控制一、造斜工具一、造斜工具（三）轉盤鉆造斜工具（三）轉盤鉆造斜工具 3. 扶正器組合扶正器組合 （5）應

43、用 1）只能用來改變井眼斜度，不能用來改變方位； 2）在斜井眼或水平井眼內使用； 第五節(jié)第五節(jié) 造斜工具及軌跡控制造斜工具及軌跡控制一、造斜工具一、造斜工具（四）（四）導向式馬達導向式馬達 彎外殼馬達 + 兩個以上扶正器 兩種工作方式 多種造斜率滑動鉆進定向造斜旋轉鉆進改變扶正器外徑 ， 實現(xiàn)增、降、穩(wěn)馬達本身可提供兩種造斜率改變滑動和轉動的相對比例，可獲得兩種造斜率之間的任何一種造斜率。第五節(jié)第五節(jié) 造斜工具及軌跡控制造斜工具及軌跡控制二、軌跡控制過程及方法二、軌跡控制過程及方法軌跡控制軌跡控制打打 直直 段：段：轉盤鉆+防斜鉆具組合定向造斜定向造斜跟蹤控制跟蹤控制概念：從垂直井段的造斜點處

44、開始，使井眼沿一 定的方位偏斜的工作。方法：先用動力鉆具造斜工具沿一定方位鉆出 810的斜井段，然后用“轉盤鉆+扶正器 組合”繼續(xù)增斜至要求的井斜角。 從造斜結束，到鉆完全井，都屬跟蹤控制階段。 一般用“轉盤鉆+扶正器組合”進行增、穩(wěn)、降鉆進。 當井斜偏差較大時，用動力鉆具強力增斜或降斜。 當出現(xiàn)方位偏差時，用動力鉆具扭方位扭方位。第五節(jié)第五節(jié) 造斜工具及軌跡控制造斜工具及軌跡控制三、扭方位計算三、扭方位計算計算內容：計算內容：裝置角、動力鉆具反扭角、定向方位角、扭方位井段長度、井斜角1. 裝置角的概念裝置角的概念 裝置角用來描述鉆頭在井底圓周上的位置。 在井底圓周上，由井眼低邊指向井眼高邊的

45、射線，稱為高邊方向線高邊方向線。過高邊方向線的鉛垂面即為井斜鉛垂面井斜鉛垂面。 造斜工具軸線構成的平面稱為工具面工具面。 工具面與井底平面的交線稱為裝置方向裝置方向線線，它指示造斜工具的作用方向。 以高邊方向線為始邊，順時針轉至裝置方向線所轉過的角度，稱為裝置角裝置角。它是井底平面上的角度。用表示。第五節(jié)第五節(jié) 造斜工具及軌跡控制造斜工具及軌跡控制三、扭方位計算三、扭方位計算1. 裝置角的概念裝置角的概念 裝置角與井斜方位角的和，稱為裝置方位角裝置方位角：=1+ 。 它給地面上的人們指出造斜工具在井底的裝置角。 工具面角工具面角的概念 高邊模式的工具面角，即裝置角。 正北（磁北）模式的工具面角，即裝置方位角。 注意：裝置角為井底斜平面上的角度；裝置方位角為井口水平面上的角度。 第五節(jié)第五節(jié) 造斜工具