鉆井工程_濮陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院_第三章井眼軌道設(shè)計與控制.ppt

1、第三章 井眼軌道設(shè)計與軌跡控制,1、學(xué)時分配：11學(xué)時。 2、重點(diǎn)： （1）井眼軌跡的概念； （2）井斜角和井斜方位角的概念； （3）井眼軌跡的表示方法； （4）井眼軌跡的參數(shù)計算； （5）常用的防斜與糾斜鉆具組合； （6）定向井軌道設(shè)計方法； （7）裝置角、裝置方位角與反扭角的概念； （8）井眼軌跡控制方法。 3、 難點(diǎn)： （1）裝置角的概念； （2）定向井軌道設(shè)計方法； （3）井眼軌跡控制計算 。 4、解決方法： （1）利用多媒體圖片和動畫進(jìn)行展示； （2）利用教學(xué)模具； （3）對井眼軌跡設(shè)計和控制的計算，講解清楚各公式的應(yīng)用條件和相互關(guān)系，并加強(qiáng)習(xí)題訓(xùn)練。 5、作業(yè)： P211，1；10

2、；11；12；13；14；P212，19；25；28；39；44；45。,海油陸探、海油陸采,西江24-3海上平臺,西江24-1邊際油田,水平井技術(shù)適合于薄層的開采,油層薄，中靶難,需要有合適的角度，才能達(dá)到矢量入靶,角度偏大,角度偏小,薄油層開發(fā),井眼軌跡在油層最佳位置穿行難,精確控制幾千米遠(yuǎn)的鉆頭走向難度大,薄油層開發(fā),層薄，地層傾角變化，有時上翹或下傾,Vertical Injection Wells and Horizontal Production Well,Horizontal Well Pair,Horizontal Well Pair,概述,井眼軌道：一口井開鉆之前，預(yù)先設(shè)計的

3、井眼軸線形狀。 直井軌道：過井口的鉛垂線。 定向井軌道： 二維定向井：過井口和目標(biāo)點(diǎn)的鉛垂面上的曲線。 三維定向井：具有不同曲率的空間曲線。 軌道設(shè)計：定向井、水平井、側(cè)鉆井、大位移井等。 井眼軌跡：一口井實際鉆成后的井眼軸線形狀。 軌跡控制： 直井防斜打直。 特殊工藝井控制井斜和方位，使軌道與軌跡相一致。,二維,三維,直井用途：油田開發(fā)和勘探。有井斜限制要求。 定向井用途： 1.地面環(huán)境條件的限制 高山，湖泊，沼澤，河流，溝壑，海洋，農(nóng)田或重要的建筑物等。 2.地下地質(zhì)條件的要求 斷層遮擋油藏、薄油層、傾角較大的地層鉆進(jìn)等。 3.處理井下事故的特殊手段 井下落物側(cè)鉆、打救援井等。 4.提高油

4、藏采收率的手段 鉆穿多套油氣層、老井側(cè)鉆等。,地面環(huán)境條件限制,地下地質(zhì)條件要求,處理井下事故,第一節(jié) 井眼軌跡的基本概念,目的：掌握有關(guān)參數(shù)的概念及這些參數(shù)之間的關(guān)系。 一軌跡的基本參數(shù) 測量方法：非連續(xù)測量，間斷測量?！皽y段”，“測點(diǎn)”。 井深、井斜角和井斜方位角-軌跡的三個基本參數(shù)。 (1) 井深（或稱為斜深、測深） 井口(通常以轉(zhuǎn)盤面為基準(zhǔn))至測點(diǎn)的井眼長度。 以字母Dm表示，單位為米(m)。 井深增量（井段）：下測點(diǎn)井深與上測點(diǎn)井深之差。 以Dm表示。,(2) 井斜角()： 指井眼方向線與重力線之間的夾角。單位為度()。 井眼方向線： 過井眼軸線上某測點(diǎn)作 井眼軸線的切線，該切線向

5、井眼前進(jìn)方向延伸的部分稱 為井眼方向線。 井斜角增量( )： 下測點(diǎn)井斜角與上測點(diǎn) 井斜角之差。 BA,(3) 井斜方位角 （井眼方位角、方位角）： 在水平投影圖上，以正 北方位線為始邊，順時針方 向旋轉(zhuǎn)到井眼方位線上所轉(zhuǎn) 過的角度。 井眼方位線（井斜方位線）： 某測點(diǎn)處的井眼方向線 在水平面上的投影。 井斜方位角增量 ：上下測點(diǎn)的井斜方位角之差。 BA 井斜方位角的變化范圍：0360 。,(3) 井斜方位角： 井斜方位角的另一種表示方式： 象限角：指井斜方位線與 正北方位線或與正南方位 線之間的夾角。 象限角的變化范圍： 090之間。 磁偏角： 磁北方位與正北方位 之間的夾角。 磁偏角校正：

6、 真方位角磁方位角東磁偏角 真方位角磁方位角西磁偏角,二軌跡的計算參數(shù) 由基本參數(shù)計算得到的參數(shù)。 (1) 垂直深度（垂深）：軌跡上某點(diǎn)至井口所在水平面的距離。垂深增量稱為垂增（）。 (2) 水平投影長度Lp（水平長度、平長）： 井眼軌跡上某點(diǎn)至井口的長度在水平面上的投影，即井深在水平面上的投影長度。 水平長度的增量稱為平增（L）。 (3) 水平位移（平移）：軌跡上某點(diǎn)至井口所在鉛垂線的距離（或：在水平投影面上，軌跡上某點(diǎn)至井口的距離）。 平移方位線：在水平投影面上，井口至軌跡上某點(diǎn)的連線。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。,(4) 平移方位角 ：平移方位線所在的方

7、位角。 國外，將平移方位角稱作閉合方位角。 國內(nèi)，指完鉆時的平移方位角為閉合方位角。 (5) 坐標(biāo)和坐標(biāo)：南北坐標(biāo)軸，以正北方向為正； 東西坐標(biāo)軸，以正東方向為正。 (6) 視平移： 水平位移在 設(shè)計方位線上的 投影長度。,(7) 井眼曲率K（“狗腿嚴(yán)重度”、“全角變化率”）： 指井眼軌跡曲線的曲率。平均曲率 Kc=30/Dm “狗腿角”或“全角變化”（）： 上、下二測點(diǎn)的兩條方向線之間的夾角(空間夾角)。 狗腿角的計算： Lubinski公式： cos=cosAcosB+sinAsinBcos(B-A) 鉆井行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)計算公式： =(2+2sin2c)0.5 c=(A+B)/2 該測段的狗腿角

8、，()； c該測段的平均井眼曲率，()/30m； c該測段的平均井斜角，（）。,三井眼軌跡的圖示法 對一條空間曲線可以有不同的表示方法。 三維坐標(biāo)法： 投影圖示法：垂直投影圖+水平投影圖 不能反映出真實的井深和井斜角。 柱面圖示法：垂直剖面圖（柱面展開圖）+水平投影圖 柱面：設(shè)想經(jīng)過井眼軌跡上每一個點(diǎn)作一條鉛垂線，所有這些鉛垂線構(gòu)成的曲面稱為柱面。將柱面展平，就形成了垂直剖面圖。 可以反映出真實的井身參數(shù)，如：井深、井斜角、垂深； 作圖簡便。,水平投影圖 投影面：水平面 坐標(biāo)系：以井口為原點(diǎn)、坐標(biāo)軸、坐標(biāo)軸。 表達(dá)的參數(shù)：坐標(biāo)值、坐標(biāo)值、水平位移S、 水平長度Lp、閉合距、井斜方位角、 平移方

9、位角、閉合方位角。 垂直投影圖 投影面：過設(shè)計方位線的鉛垂面，即井口和目標(biāo)點(diǎn)所在 的鉛垂面。 坐標(biāo)系：原點(diǎn)（井口）、橫坐標(biāo)（視平移）、縱坐標(biāo)（垂深） 表達(dá)的參數(shù)：垂深D、視平移V、井斜的增減趨勢。,3垂直剖面圖 垂直剖面：過井眼軸線上各點(diǎn)垂線組成的柱面展開圖。 坐標(biāo)系：原點(diǎn)（井口）、橫坐標(biāo)（水平長度）、 縱坐標(biāo)（垂深） 表達(dá)的參數(shù)：垂深D、水平長度Lp、井深Dm、井斜角 。,第二節(jié) 軌跡測量及計算,目的：掌握井眼軌跡參數(shù)的測量、計算、軌跡繪圖方法。 一測斜方法及測斜儀簡介 1、測斜儀分類 按工作方式分：單點(diǎn)式、多點(diǎn)式、隨鉆測量（有線、無線）。 按工作原理分：磁性測斜儀（羅盤）、 陀螺測斜儀（高

10、速陀螺空間指向恒定）。 2、測量內(nèi)容 井深Dm、井斜角 、方位角 。,3、磁性測斜儀的工作原理 儀器內(nèi)主要由井斜刻度盤、羅盤、十字?jǐn)[錘、照明和照相系統(tǒng)組成。羅盤的S極始終指北。 （1）井斜角的測量 當(dāng)測斜儀隨井眼傾斜時，十字?jǐn)[錘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）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(gòu)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：在井下,羅盤標(biāo)志方位與實際地理方位相反。） （3）井深測量： 根據(jù)電纜長度或鉆柱

11、長度。,二對測斜計算數(shù)據(jù)的規(guī)定 1測點(diǎn)編號：測斜自下而上，測點(diǎn)編號自上而下。第一個井斜角不等于零的測點(diǎn)作為第一測點(diǎn)。 2測段編號：自上而下編號。第i-1 個點(diǎn)與第i 點(diǎn)之間所夾的測段為第i測段。 3第測點(diǎn)：第測點(diǎn)的井深大于25m 時，第測點(diǎn)的井深比第測點(diǎn)的井深小25m，且井斜角規(guī)定為零。第測點(diǎn)的井深小于或等于25m時，規(guī)定第測點(diǎn)的井深和井斜角均為零。 4若i= 0，則計算第i測段時，i= i-1；計算第i+1測段時，i=i+1 。 5在一個測段內(nèi)，井斜方位角變化的絕對值不得超過180。 i-i-1180時， i=i-i-1-360 c=(i+i-1)/2-180 i-i-1-180時，i=i-

12、i-1+360 c=(i+i-1)/2+180,三軌跡計算方法 1、計算順序：計算的目的是算出每個測點(diǎn)的坐標(biāo)值。 從第個測段開始，逐段向下進(jìn)行； 算出每個測段的坐標(biāo)增量；累加求得測點(diǎn)的坐標(biāo)值。 第0測點(diǎn)的坐標(biāo)值，D0=Dm0 , Lp0=0, N0=0, E0=0 。 2、計算內(nèi)容： 測點(diǎn)：五個直角坐標(biāo)值( D , Lp ,N , E , V )， 兩個極坐標(biāo)值( S ,) 。 測段：四個坐標(biāo)增量( D，Lp，N，E )， 井眼曲率c 。 3、計算方法的多樣性 要計算測段的四個坐標(biāo)增量，就必須知道測段的幾何形狀。而測斜只能測上下兩點(diǎn)的參數(shù)，測段形狀未知。計算時只能假設(shè)測段形狀，假設(shè)不同，計算方

13、法不同。,4、計算方法 （1）平均角法：假設(shè)測段是一條直線；該直線的方向是 上下二測點(diǎn)處井眼方向的“和方向”（矢量和）。 測段計算公式： D = Dmcosc Lp = Dmsinc N = Dmsinccosc E = Dmsincsinc c =（i-1+i）/2 c =（i-1+i）/2,（2）圓柱螺線法 假設(shè)測段形狀為一條等變螺旋角的圓柱螺線；其兩端與上下兩測點(diǎn)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： D=2Dmsin(/2) cosc / Lp=2Dmsin(/2) sinc / N=4Dmsin(/2) sincsin(/2) cosc/()

14、E=4Dmsin(/2) sincsin(/2) sinc/() 注意：公式中的和的單位，求三角函數(shù)時用度， 其它情況下用弧度。,（3）曲率半徑法 美國人也曾提出了以圓柱螺旋線為模型的測段參數(shù)計算方法，稱之為曲率半徑法。其計算結(jié)果與圓柱螺旋線法相同。只是計算公式的表達(dá)形式不同。 曲率半徑法測段計算公式： D = Dm(sini - sini-1) / Lp = Dm(cosi-1 - cosi) / N = Dm(cosi-1 - cosi) (sini - sini-1) / () E = Dm(cosi-1 - cosi) (cosi-1 - cosi) / () 注意：圓柱螺旋線法和曲率

15、半徑法的公式，在分母位置上都有和（單位為弧度）。這兩個增量中任一個或同時為零時，都需要另選公式計算。為解決這一問題，提出了校正平均角法。,（4）校正平均角法 我國鉆井行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定使用的方法（校正平均角法）： 測段計算公式： D = fDDmcosc Lp = fDDmsinc N = fHDmsinccosc E = fHDmsincsinc 其中： fD = 1 - 2 / 24 fH = 1 - (2 + 2) / 24 注意：以上二式中的和的單位為弧度。 測段計算公式與平均角法公式的形式相似，只是在平均角法公式的基礎(chǔ)上乘以校正系數(shù)fD和fH，因而稱之為校正平均角法。,關(guān)于校正平均角法的推

16、導(dǎo)： 在曲率半徑法的基礎(chǔ)上，進(jìn)行三角變換： 將三角函數(shù)用冪級數(shù)表示： 取前兩項：,將以上幾式代入曲率半徑法公式，即可得到校正平均角法的計算表達(dá)式：,第三節(jié) 直井防斜技術(shù),井斜的危害： 1、在地質(zhì)勘探方面：造成地質(zhì)資料失真；打亂合理的地下井網(wǎng)和開發(fā)方案。 2、在鉆井施工方面：惡化鉆柱工作條件；易造成井壁坍塌和卡鉆；易造成固井下套管困難和注水泥竄槽；糾斜側(cè)鉆增加成本。 3、在開發(fā)采油方面：影響分層開采；影響修井工作；影響采收率（死油區(qū)）。,一井斜的原因 地質(zhì)因素，鉆具因素。 1、地質(zhì)因素 地層傾斜和地層可鉆性不均勻性兩個方面。 （1）地層可鉆性的各向異性因素 沉積巖特性：垂直層面方向的可鉆性高，平

17、行層面方向 的可鉆性低。 鉆頭總是有向著容易鉆進(jìn)的方向前進(jìn)的趨勢。 地層傾角小于45時，鉆頭偏向垂直地層層面的方向。 地層傾角超過60時，鉆頭沿著平行地層層面方向下滑，地層傾角在4560之間時，井斜方向?qū)俨环€(wěn)定狀態(tài)。,1、地質(zhì)因素 （2）地層可鉆性的縱向變化 地層傾斜且軟硬交錯，鉆頭偏向垂直地層層面方向。,（3）地層可鉆性的橫向變化 垂直于鉆頭軸線方向上可鉆性的變化。 如：在鉆頭的一側(cè)下面鉆遇溶洞或較疏松的地層，而另一側(cè)則鉆遇較致密的地層。,2、鉆具因素 主要因素是鉆具的傾斜和彎曲。 引起鉆頭傾斜，在井底形成不對稱切削。 使鉆頭受側(cè)向力的作用，產(chǎn)生側(cè)向切削。 “底部鉆具組合”( Bottom

18、Hole Assembly )，簡稱BHA。 導(dǎo)致鉆具傾斜和彎曲的原因： 鉆具和井眼之間有一定間隙。 鉆壓的作用，鉆柱受壓靠近井壁或發(fā)生彎曲。 鉆具本身彎曲；轉(zhuǎn)盤安裝不平、井架安裝不正等。 3、井眼擴(kuò)大 鉆頭在井眼內(nèi)左右移動，靠向一側(cè)，鉆頭軸線與井眼軸線不重合，導(dǎo)致井斜。,二滿眼鉆具組合控制井斜 由鉆具引起井斜的原因可歸結(jié)為： 鉆頭對井底的不對稱切削； 鉆頭軸線相對于井眼軸線發(fā)生傾斜； 鉆頭上的側(cè)向力導(dǎo)致對井底的側(cè)向切削。 解決這些問題的方法之一是讓鉆具填滿井眼，即：滿眼鉆具組合。 基本原理： 增大下部鉆具組合的尺寸和剛度，近似“填滿井眼”，防止鉆柱彎曲和傾斜。 方法：在下部鉆具適當(dāng)位置上安裝

19、34個扶正器。 扶正器尺寸：d=dh-ds=1.0 2.0 mm,YXY 組合的結(jié)構(gòu) 近鉆頭扶正器、中扶正器、上扶正器、第四扶正器。 作用： 近扶正器：抵抗側(cè)向力，防止側(cè)向切削和不對稱切削。 中扶正器：保證中扶正器與鉆頭之間的鉆柱不發(fā)生彎曲。其安 放位置需嚴(yán)格計算。 上扶正器：保證鉆具上至少有3個穩(wěn)定點(diǎn)與井壁接觸，從而保 證井眼的直線性。 第四扶正器：增大下部鉆柱的剛度，協(xié)助中扶防止鉆柱彎曲。,二滿眼鉆具組合控制井斜-第二次課- YXY 組合“中扶”位置的計算 基本物理模型：一端固定、一端鉸支的縱橫彎曲梁。 鉆頭方向與井眼軸線的偏移角：= c+q。 Lp增大，C減小，q增大； Lp減小，C增大

20、，q減小。 存在一個最優(yōu)的Lp可使最小。,二滿眼鉆具組合控制井斜 YXY 組合“中扶”位置的計算 根據(jù)等截面梁縱橫彎曲理論中的撓度計算公式和壓桿穩(wěn)定的臨界載荷計算公式，并進(jìn)行處理求導(dǎo)可得最優(yōu)位置： Lp -中扶距鉆頭的最優(yōu)長度，m ； C-扶正器與井眼的半間隙，C=(dh-ds)/2 ，m ； dh井眼直徑，m ；dm扶正器外徑，m ； E-鉆鋌鋼材的楊氏模量，kN/m2 ； J-鉆鋌截面的軸慣性矩，m4 ； qm-鉆鋌在鉆井液中的線重，kN/m ； -允許的最大井斜角，() 。,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2.0594108kN/m2 ，鉆鋌

21、外徑178mm ，內(nèi)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，求中扶距鉆頭的最優(yōu)長度。 解：根據(jù)給定條件，可求得： J =（dco4-dci4）/64 = 0.4810-4 m4 , qm =1.6（1-d/ s）= 1.34 kN/m , c =（dh-ds）/2 = 0.0005 m Lp = (16CEJ)/(Qmsin)0.25 = 5.789 m 。,二滿眼鉆具組合控制井斜 3. 滿眼鉆具組合的使用 (1).只能控制井眼曲率，不能控制井斜角的大小。不能糾斜。 (2).“以快保滿，以滿保直”。間隙對滿眼鉆具組合性能影響顯著。設(shè)計

22、間隙一般為d=dh-ds=0.81.6mm。當(dāng)間隙d達(dá)到或超過兩倍的設(shè)計值時，應(yīng)及時更換或修復(fù)扶正器。在井徑擴(kuò)大井段不適用。要搶在井徑擴(kuò)大以前鉆出新的井眼。 (3).不宜在井眼曲率大的井段使用。防止卡鉆。 (4).在鉆進(jìn)軟硬交錯，或傾角較大的地層時，要注意適當(dāng)減小鉆壓，勤劃眼，以便消除可能出現(xiàn)的“狗腿”。 (5).為了發(fā)揮滿眼鉆具的防斜作用，在鉆具上至少要有3個穩(wěn)定點(diǎn)。即：至少要安放3個穩(wěn)定器。,三. 鐘擺鉆具組合控制井斜 1.鐘擺鉆具組合的原理 在下部鉆柱的適當(dāng)位置安裝一個扶正器，當(dāng)發(fā)生井斜時，該扶正器支撐在井壁上形成支點(diǎn)，使下部鉆柱懸空。則該扶正器以下的鉆 柱就好象一個 鐘擺，產(chǎn)生一 個鐘

23、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。,三. 鐘擺鉆具組合控制井斜 2、YXY鐘擺鉆具組合設(shè)計 鉆頭上的鐘擺力： 可產(chǎn)生最大鐘擺力的最優(yōu)扶正器安放位置計算： W-鉆壓，kN； dh-井徑， m； dc-鉆鋌直徑，m。 考慮到扶正器磨損和 井徑擴(kuò)大，使用距離比計 算距離適當(dāng)減小。 LS=（0.9 0.95）Lz,三.鐘擺鉆具組合控制井斜 3. 鐘擺鉆具組合的使用 (1).多數(shù)用于井斜角較大的井糾斜。直井內(nèi)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(yán)格控制鉆壓。 (3).只能使用小鉆壓“吊打”。如果使用大鉆壓,可

24、能形成新的支點(diǎn)。 (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。,四.其它直井方斜技術(shù) 1、塔式鉆具（鐘擺原理）。 2、偏心鉆鋌（形成公轉(zhuǎn)和鐘擺力）。 3、方鉆鋌（滿眼鉆具原理）。 4、鉆鋌偏心短節(jié)（形成鉆鋌公轉(zhuǎn)）。,第四節(jié) 定向井井眼軌道設(shè)計,常規(guī)定向井：b = 15 60 大斜度井： b = 60 85 b -最大穩(wěn)斜角。 水平井： b = 90 上翹井： b = 90 120 大位移井： 水平位移與垂深之比大于2.0。 一定向井軌道分類 二維定向井： 常規(guī)二維定向井：井段形狀由直線和園弧曲線組成。 非常規(guī)二維定向井：除了直線和園弧曲線外，還

25、有某種特殊 曲線，如懸鏈線，二次拋物線等。 三維定向井：糾偏三維定向井、繞障三維定向井。,二常規(guī)二維定向井軌道設(shè)計 設(shè)計原則 (1) 能實現(xiàn)鉆定向井的目的。 (2) 有利于安全、優(yōu)質(zhì)、快速鉆井。 軌道形狀簡單，盡量保持較長的直井段，容易實現(xiàn)鉆進(jìn)； 盡量減小最大井斜角，以便減小鉆井難度； 1530，小傾角定向井； 3060，中傾角定向井； 大于60，大傾角定向井。 最大井斜角不得小于15，否則井斜方位不易穩(wěn)定。 選擇合適的造斜點(diǎn)位置； 地層：硬度適中，無坍塌、縮徑、高壓、易漏。 深度：根據(jù)垂深、水平位移、剖面類型等確定。垂深大、位移小，造斜點(diǎn)應(yīng)深一些，避免長穩(wěn)斜段；垂深小、位移大，造斜點(diǎn)應(yīng)淺一些

26、，減小定向施工工作量。,選擇合適的井眼曲率； Kc?。涸煨倍伍L，鉆速低； Kc大：摩阻大，起下鉆、下套管等作業(yè)困難； 保持Kc均勻，避免急彎，防止阻卡。 保證鉆具順利通過； Km-起下鉆允許的最大曲率，度/100米； LT-動力鉆具長度，m； db-鉆頭直徑，mm； dT-動力鉆具直徑，mm； f-安全間隙值，軟地層f=0；硬地層f=36mm。,保證下套管順利及考慮套管的彎曲強(qiáng)度： Kcm-下套管允許的最大曲率，度/100米； E-鋼材彈性模量，Pa； dc-套管外徑，mm； s-套管鋼材屈服極限，Pa； c1-安全系數(shù)，1.2 1.25； c2-絲扣應(yīng)力集中系數(shù),1.7 2.5； (3) 有

27、利于采油工藝的要求； 盡量減小井眼曲率，以改善油管和抽油桿的工作條件。 盡量以具有較小井斜角的直井段（斜直或垂直）進(jìn)入油氣層。以利于安裝電潛泵，坐封封隔器及其他井下作業(yè)。,軌道類型 常規(guī)二維定向井軌道有四種類型： 三段式，多靶三段式，五段式和雙增式。,-第三次課-,3設(shè)計條件、內(nèi)容及步驟 （1）設(shè)計條件 由地質(zhì)、采油部門提供的要求： 目標(biāo)點(diǎn)位置：Dt、St、0 目標(biāo)段位置：Dt、 St、Dmm、t、0 由鉆井工程要求和設(shè)計原則確定的數(shù)據(jù)： 造斜點(diǎn)深度 Dkop 井眼曲率 K,（2）設(shè)計內(nèi)容及步驟 選擇軌道形狀； 給定Dt、St、0，選用三段式； 給定Dt、St、Dmm、t、0，選用五段式或多靶

28、三段式； 給定Dt、St、Dmm、t、0，且t較大，用雙增式。 確定造斜點(diǎn)位置Dkop；造斜率Kz，降斜率Kn，第二造斜率Kzz； 計算關(guān)鍵參數(shù)：最大井斜角b、穩(wěn)斜段長度Dmw； 計算各井段井身參數(shù)：D、S、Dm； 繪制垂直剖面圖和水平剖面圖。,4、軌道的設(shè)計計算 （以五段式軌道為例） 已知條件： Dt、St、Dmm、t、0、Dkop、Kz、Kn （1）計算關(guān)鍵參數(shù) b、Dmw（如圖）,令： 則： 由： 得：,（2）計算各井段參數(shù) 增斜段： 穩(wěn)斜段： 降斜段： 目標(biāo)段：,5、不同軌道類型的關(guān)鍵參數(shù)計算 造斜段井眼曲率半徑R的計算公式： Kc的單位是（/30m），R（m）。 （1）三段式 給定D

29、t、St、0、Dkop、Kz 時，計算b、Dmw； De=Dt-Dkop Se=St Re=Rz Dmw=(De2+Se2-2ReSe)0.5 b=2arctan(De-Dmw)/(2Re-Se),（1）三段式 給定Dt、St、0、Dkop、 b 時，計算Kz 、Dmw； Rz=(Dt-Dkop-St/tanb)/tan(b/2) Kz=1719/Rz Dmw=(Dt-Dkop-Rzsinb)/cosb 給定Dt、St、0、Kz 、b 時，計算 Dkop 、Dmw； Dkop=Dt-St/tanb-Rztan(b/2) Dmw=(Dt-Dkop-Rzsinb)/cosb,（2）多靶三段式 給定

30、：Dt、Dkop、Kz、o、t、Dmm， 計算：St、Dmw、b；（倒推設(shè)計法） St=Dt-Dkop-Rztan(t/2)tant Dmw=(Dt-Dkop-Rzsinb)/cosb （3）五段式 已知條件：Dt、St、Dmm、t、0、Dkop、Kz、Kn 中間參數(shù)：De=Dt-Dkop+Rnsint Se=St+Rn(1-cost) Re=Rz+Rn Dmw=(De2+Se2-2ReSe)0.5 b=2arctan(De-Dmw)/(2Re-Se),（4）雙增式軌道 給定條件：Dt、St、Dkop、Kz、o、t、Dmm、Kzz 中間參數(shù)： De=Dt-Dkop-Rzzsint Se=St-

31、Rz+Rzzcost Re=Rz-Rzz Dmw=(De2+Se2-Re2)0.5 b=2arctan(De-Dmw)/(Re-Se) 注意：以上各軌道類型計算公式中所有符號的含義見教 材圖5-20、5-21、5-22、5-23中的標(biāo)注。尤其是 應(yīng)注意不同軌道時Dt和St的取值。,6、井段計算及設(shè)計結(jié)果表述對每個井段計算出段長、垂增、平增三個參數(shù)。,(1)增斜段 Dz=Rzsinb Sz=Rz(1-cosb) Dmz=Rzb/180 (2)穩(wěn)斜段 Dmw（關(guān)鍵參數(shù)）已求出。 Dw=Dmwcosb Sw=Dmwsinb (3)降斜段 Dn=Rn(sinb-sint) Sn=Rn(cost-cos

32、b) Dmn=Rn(b-t)/180,(4)雙增軌道的第二增斜段 Dzz=Rzz(sint-sinb) Szz=Rzz(cosb-cost) Dmzz=Rzz(t-b)/180 (5)目標(biāo)段 Dmm（已知條件） Dm=Dmmcost Sm=Dmmsint,第五節(jié) 定向井造斜工具 及軌跡控制,造斜：由垂直井段開始鉆出具有一定方位的斜井段的工 藝過程。 造斜點(diǎn)：開始造斜時的深度。垂直井段開始傾斜的起點(diǎn)。 造斜工具：井底動力鉆具造斜工具； 鉆盤鉆造斜工具。 一、井底動力鉆具造斜工具 動力鉆具（井下馬達(dá)）： 渦輪鉆具、螺桿鉆具、電動鉆具。 工作特點(diǎn)：在鉆進(jìn)過程中，動力鉆具外殼和鉆柱不旋 轉(zhuǎn)，有利于定向

33、造斜。,1、動力鉆具造斜工具的種類 三種：彎接頭、彎外殼馬達(dá)、偏心墊塊。 (1)彎接頭(斜接頭) 造斜原理： 迫使鉆頭傾斜，造成對井底的不對稱切削； 井壁迫使彎曲部分伸直，由鉆柱的彈性力使鉆頭產(chǎn)生側(cè)向切削。 影響彎接頭造斜率的因素： 彎角越大，造斜率越大；一般為 0.52.5。 彎曲點(diǎn)以上鉆柱的剛度越大，造斜率越大； 彎點(diǎn)至鉆頭的距離越小且重量越小，造斜率越大； 鉆速越小，造斜率越高。 （2）彎外殼馬達(dá)（原理與彎接頭類似） （3）偏心墊塊 杠桿原理，墊塊作為支點(diǎn)。,渦輪鉆具的結(jié)構(gòu)與特性 結(jié)構(gòu)：如圖。 特性： 轉(zhuǎn)速與流量成正比， 扭矩與流量的平方成正比， 壓降與流量的平方成正比， 功率與流量的三

34、次方成正比。 流量一定時，轉(zhuǎn)速隨扭矩的減小而增大。 空轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)速達(dá)到最高，所以不應(yīng)當(dāng)用渦輪鉆具進(jìn)行劃眼。,螺桿鉆具的結(jié)構(gòu)與特性 結(jié)構(gòu)：如圖。 特性： (1)螺桿鉆具的轉(zhuǎn)速、扭矩、壓力降、功率與流量之間的關(guān)系，與渦輪鉆具相同。 (2)螺桿鉆具的扭矩與壓力降成正比。壓力降可從泵壓表上讀出，扭矩則反映所加鉆壓的大小，所以可以看著泵壓表打鉆。根據(jù)泵壓表上的壓力降還可以換算出鉆頭上的扭矩，從而可以較為準(zhǔn)確地求得反扭角。,二、轉(zhuǎn)盤鉆造斜 工具 變向器、射流鉆頭、 扶正器組合。 、變向器 結(jié)構(gòu)及原理如圖。 早期造斜工具。 現(xiàn)在僅用于套管內(nèi)開窗側(cè)鉆，或不適宜用動力鉆具的井內(nèi)。,2、射流 鉆頭 鉆頭上安放1個大

35、噴嘴、2個小噴嘴?？看髧娮焐淞鳑_擊出斜井眼。,3、扶正器鉆具組合 僅用于已有一定斜度的井眼內(nèi)進(jìn)行增斜、降斜或穩(wěn)斜。 (1).增斜組合（杠桿原理）： 分為強(qiáng)、中、弱三種增斜組合。 鉆壓越大，增斜能力越大；L1越長，增斜能力越??； 近鉆頭扶正器直徑減小，增斜能力也減小。 使用時應(yīng)保持低轉(zhuǎn)速。,(2)穩(wěn)斜組合（剛性滿眼鉆具原理）： 分為強(qiáng)、中、弱三種穩(wěn)斜組合。 使用中要注意保持正常鉆壓和較高轉(zhuǎn)速。 可使用雙扶正器串聯(lián)代替近鉆頭扶正器增強(qiáng)穩(wěn)斜效果。,(3).降斜組合（鐘擺原理）： -第四次課- 分為強(qiáng)、弱兩種降斜組合。 使用時要注意保持小鉆壓和較低轉(zhuǎn)速。 對于強(qiáng)降斜組合，L1越長，降斜能力越強(qiáng)，但不能

36、與井壁有新的接觸點(diǎn)。,三定向井軌跡控制的基本方法 垂直段、造斜段、增斜段、穩(wěn)斜段、降斜段、扭方位井段。 1、垂直井段 利用防斜打直技術(shù)（滿眼鉆具、鐘擺鉆具）。 2、定向造斜段 使用動力鉆具造斜工具造斜。套管開窗側(cè)鉆用變向器。 造斜段長度一般以井斜角達(dá)到810為準(zhǔn)。 3、增斜井段 一般用動力鉆具定向造斜到一定角度（810）后，換用轉(zhuǎn)盤鉆利用增斜鉆具組合繼續(xù)增斜。 4、穩(wěn)斜井段 盡可能使用轉(zhuǎn)盤鉆扶正器鉆具組合進(jìn)行控制。 5、扭方位井段 轉(zhuǎn)盤鉆扶正器組合不能控制井斜方位。必須用動力鉆具造斜工具扭方位。,四扭方位計算 裝置角計算、動力鉆具反扭角計算、定向方位角計算。 1、裝置角的概念 OA線稱為“高邊

37、方向線”。點(diǎn)是鉆頭中心，OC線稱為“裝置方向線”。 以高邊方向線為始邊，順時針旋轉(zhuǎn)到裝置方向線上所轉(zhuǎn)過的角度，稱為造斜工具的裝置角。用表示。,工具面：造斜工具作用方向線與鉆柱軸線構(gòu)成的平面（彎接頭的兩條交叉軸線所在的平面）。裝置角也稱為工具面角。 井斜鉛垂面：過井斜方位線的鉛垂面。 高邊方向線：在井底平面上自井眼低邊指向井眼高邊的方向線。 裝置方位角：裝置角與井斜方位角之和。以表示。 、是裝置角的兩種不同表示形式， 稱為高邊模式工具面角；稱為正北（磁北）模式工具面角。 是井底平面（斜面）上的角度，不易測量； 是水平面上的角度，可以測量，用于定向。 、在0360內(nèi)變化，順時針為“+”，逆時針為“

38、-”。,2、裝置角與井斜角、方位角的關(guān)系 （1）基本關(guān)系 cos2=cos1cos-sin1sincos cos=cos1cos2+sin1sin2cos tan=（sinsin）/ （sin1cos+cos1sincos）,（2）對、的影響 =0，cos2=cos（1+），2=1+， （全增斜） =180，cos2=cos（1-），2=1-， （全降斜） =90，cos2=cos1cos，21， （近似穩(wěn)斜，90扭方位） 1=2，已知，cos=-tan（/2）/tan1， （穩(wěn)斜扭方位） 090+，增斜增方位。 90+180，降斜增方位。 180270-，降斜減方位。 270+360，增斜減

39、方位。,3、裝置角的計算 已知條件：目前井斜角1、方位角1；欲達(dá)到的井斜角 2、方位角2；工具造斜率c。 求解內(nèi)容：造斜工具的裝置角；達(dá)到要求需要鉆進(jìn)的 井段長度Dm 。 （1）解析法 cos= cos1 cos2 + sin1 sin2cos cos= (cos1 cos- cos2) / ( sin1 sin) Dm = 30 / K 注意：求時反余弦的定義域為0180。 設(shè)cos= C， 當(dāng)0，=arccosC ；當(dāng)0，= -arccosC 上述三個公式中，共有個參數(shù)：1，2，Dm 。顯然若已知其中個就可求的另外三個，可根據(jù)扭方位的實際情況靈活應(yīng)用。,（2）圖解法 (1)選擇比例尺，用單

40、位線段長度表示單位角度，例如，以厘米代表。 (2)選原點(diǎn)O，做射線OQ作為目前井底方位線，在OQ上量取OA = 1。 (3)以點(diǎn)為圓心，以為半徑畫圓。 (4)作線段OB，使AOB = ，為正時，OB線在OA線的下方；為負(fù)時，OB線在OA線的上方。線段OB交圓于B、B兩點(diǎn)，聯(lián)結(jié)AB和AB。 (5)QAB即為增斜扭方位的裝置角；QAB即為降斜扭方位的裝置角。 (6)OB長度（換算成角度），即為增斜扭方位之后的井斜角2；OB長度（換算成角度），即為降斜扭方位之后的井斜角2。,例題1：已知1= 15，K = 10/ 100m ，= 22，要求扭完方位以后的井斜角為18。試求裝置角和扭方位的井段長度Dm。 解：由解析公式可求得： = 6.88，= 75.19，Dm= 68.77m。 由圖解法可從圖中量得： =7.9，=75；并計算出Dm=79m ；,例題2：已知1= 15，K = 10/ 100m ，=-22，要求扭完方位以后的井斜角為18。試求裝置角和扭方位的井段長度Dm 。 解：由解析公式可求得： = 6.88，=-75.19=284.19，Dm= 68.77m。