（石油与天然气工程专业论文）涠西南油田定向井轨道设计及轨迹控制技术.pdf

lr，_， 、l 、r硝 ， ， w e l l p a t hd e s i g na n d c o n t r o lt e c h n o l o g y o fd i r e c t i o n a lw e u si nw ds o u t h w e s to i l f i e l d at h e s i ss u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo fe n g n e e r i n gm a s t e r c a n d i d a t e ：z h o ut a 0 s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rg u a n g z h i c h u a n s e n i o re n g i n e e rc h e nq i u y a n c o l l e g eo f p e t r o l e u me n g i n e e r i n g c h i n au n i v e r s i t yo fp e t r o l e u m ( e a s t c h i n a ) 、罐 ； ； ? 0 ， f 二 产 戈 二 ， 。，、。i： a：111tb滂j甲n钎r、 ， 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名；j 璐日期：山年厂月z 日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版 和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和 复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他 复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签 指导教师签名： 日期：立一ff 年，月舌日 日期：山ff 年，月2 日 一f 卜 y要 一1 l r l 譬 铋l古；，二 5 一_i。 摘要 北部湾涠西南油田群是中海石油近年来的重点开发区域。由于该区域地质构造复 杂，钻井复杂情况及故障多，造成该区域钻井成功率降低，钻井成本增加，制约了该油 田群的开发效率和效益。该油田群钻井难度大的主要原因是地层复杂、断层多、地层破 碎、泥页岩地层水敏性强，极易发生井壁坍塌、漏失等复杂情况和卡钻故障。 针对涸西南油田群钻井地质及工程特点，研究并形成了一套适合于涠西南油田群钻 井地质及工程特点的定向井轨道设计及轨迹控制技术，达到了降低钻井风险、提高经济 效益的目的。主要研究内容及成果包括：( 1 ) 提出了一套针对穿越断层及破碎带的定向 井及侧钻定向井轨道设计方法，完成了穿越断层及破碎带的定向井轨道设计模型及轨道 设计方法建立、程序编制工作，对涠1 2 1 油田b 平台第二批2 0 口井进行了重新设计 对比及程序测试工作。( 2 ) 选择最有代表性的b l l 井、b 1 2 井，应用现有的摩阻扭矩计 算程序，对两口井各开次的钻井摩阻和下套管摩阻进行了模拟计算分析。模拟分析表明， 涸西南油田一些水平位移较大的定向井采用“五段式轨道 ( “s ”形轨道) 是可行的， 钻完井过程中不会出现严重的摩阻扭矩问题。( 3 ) 结合涠西南油田群定向井轨道设计方 案，择钻井现场比较典型的井及钻具组合，应用b h a 钻进趋势预测方法及配套程序， 模拟分析b h a 力学特性参数及钻趋势进规律，并与实钻效果进行对比，形成了配套的 涠西南油田群定向井轨迹控制技术方案。( 4 ) 应用本研究成果，对涠1 2 1 n 油田第二批 井在轨道设计进行优化，提高钻井速度、降低复杂故障率效果明显，并协助制定了 w z l l - 4 n 油田钻井工程技术方案。 关键词：涠西南油田；定向井；轨道设计；摩阻扭矩；轨迹控制 ，砩，” ，、 ：w e l l p a t hd e s i g na n dc o n t r o lt e c h n o l o g y o f d i r e c t i o n a lw e l l si nw e is o u t h w e s to i l f i e l d z h o u t a o ( p e t r o l e u me n g i n e e r i n g ) directed b yp r o f g u a nz h i c h u a n a b s t r a c t n o r t hb a yw e is o u t h - w e s ts a t e l l i t ec l u s t e ro i l f i e l d sa r et h ek e yd e v e l o p m e n ta r e a si n r e c e n ty e a r sb yc n o o c a st h er e g i o n a lg e o l o g i c a ls t r u c t u r ei sc o m p l i c a t e d ，c o m p l e xd r i l l i n g c o n d i t i o n sa n da c c i d e n t s ，r e s u l t i n gi nl o w e rs u c c e s sr a t eo fd r i l l i n gi nt h er e g i o n , d r i l l i n gc o s t s ， w h i c hr e s t r i c t st h ed e v e l o p m e n to ft h eo i lf i e l d st h ee f f i c i e n c ya n de f f e c t i v e n e s s t h ef i e l d g r o u pi sm a i n l yd u et od i f f i c u l td r i l l i n gs t r a t ac o m p l e x ，m u l t i - f a u l t s ，s t r a t i g r a p h i cb r o k e n w a t e rs e n s i t i v es h a l ef o r m a t i o n sa r es t r o n g l yp r o n et ow a l lc o l l a p s e ，l e a k a g ea n do t h e r c o m p l i c a t i o n sa n ds t i c k i n gi n c i d e n t s i nc o n n e c t i o n 、析也w e is o u t h - w e s to i l f i e l d sf o r d r i l l i n gg e o l o g i c a la n de n g i n e e r i n g c h a r a c t e r i s t i c s ，t h es t u d ya n df o r m e dab a s ef o ro i ld r i l l i n gw e is o u t h - w e s tg e o l o g i c a la n d e n g i n e e r i n gc h a r a c t e r i s t i c so ft h ed i r e c t i o n a lw e l lt r a j e c t o r yd e s i g na n dt r a j e c t o r yc o n t r o l t e c h n o l o g yt or e d u c ed r i l l i n gr i s k sa n di m p r o v ee c o n o m i ce f f i c i e n c y t h em a i nc o n t e n t sa n d r e s u l t si n c l u d e ：( 1 ) b r i n gf o r w a r das e to fc r o s sf a u l t sa n df r a c t u r ez o n e sf o rd i r e c t i o n a l s i d e t r a c kw e l l sa n dd i r e c t i o n a lw e l lt r a j e c t o r yd e s i g nm e t h o d s ，a n dc o m p l e t e dt h r o u g ht h e f a u l ta n df r a c t u r ez o n e sm o d e la n dt r a c kd e s i g nd i r e c t i o n a lw e l lt r a j e c t o r yd e s i g nm e t h o d s ， p r o g r a m m i n gw o r k ，w e i12 - 1o i lf i e l do nt h es e c o n db a t c ho f 2 0w e l l sa tbp l a t f o r mw a s r e d e s i g n e dc o n t r a s tw e l la n dp r o c e d u r et e s t i n g ( 2 ) s e l e c tt h em o s tr e p r e s e n t a t i v ew e l l sn o bll ，b12 ，a p p l i c a t i o no ff r i c t i o nt o r q u eo fe x i s t i n gc o m p u t e rp r o g r a m ，t h eo p e n i n gt i m e so f t h et w ow e l l sd r i l l i n ga n dc a s i n gf r i c t i o ns i m u l a t i o na n a l y s i sc a r r i e do u t s i m u l a t i o ns h o w e d t h a tt h eh o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n tw e is o u t h - w e s ts o m eo ft h el a r g e ro i l f i e l dd i r e c t i o n a lw e l l u s i n gt h e ”f i v e - s t a g eo r b i t a l c s ”s h a p e dr a i l ) i sf e a s i b l e ，d r i l l i n ga n dc o m p l e t i o np r o c e s s d o e sn o ta p p e a rs e r i o u sp r o b l e mo ft h ef r i c t i o nt o r q u e ( 3 ) c o m b i n e dw i t hd i r e c t i o n a lw e l l s w e is o u t h - w e s to i l f i e l d st r a c kd e s i g n , s e l e c t i o no ft y p i c a lw e l ld r i l l i n gs i t ea n dd r i l l i n g a s s e m b l y , d r i l l i n gb h a t r e n df o r e c a s t i n ga p p l i c a t i o na n ds u p p o r t i n gp r o g r a m st os i m u l a t et h e m e c h a n i c a lp a r a m e t e r so fb h aa n dd r i l l i n t ot h el a wo ft r e n d sa n dc o m p a r e dw i t ht h ea c t u a l d r i l l i n gr e s u l t s ，s u p p o r t i n gt h ef o r m a t i o no fad i r e c t i o n a lw e l lw e is o u t h - w e s to i l f i e l d s t r a j e c t o r yc o n t r o ls c h e m e ( 4 ) t h ea p p l i c a t i o no ft h er e s e a r c hr e s u l t s ，w e i12 1 ns e c o n db a t c h o i lw e l li nt h et r a c kd e s i g nt oo p t i m i z ea n di m p r o v e d r i l l i n gs p e e da n dr e d u c et h ea c c i d e n t r a t ee 舵c tw 缌c o m p l e x ，a n da s s i s ti nt h ed e v e l o p m e n to ft h e w e i11 _ 4 no i la r i l l i n g e n g i n e e r i n gt e c h n o l o g yp r o g r a m k 码啊o r d s ：w e is o u t h - w e s to i l f i l e d s ，d i r e c t i o n a lw e l l ，t r a e kd e s i g n ，t o r q u ea n dd r a g ，p a t h c o n t r o l 0 i i 、 、 q 孥i 气 目录 第一章前言1 1 1 研究的目的意义1 1 2 国内外技术现状1 1 3 本文主要研究内容3 、i 第二章适合涠西南油田钻井地质特点的轨道设计方法4 2 1 轨道设计模型4 2 1 1 轨道设计模型一4 2 1 2 轨道设计模型二j 5 2 1 3 轨道设计模型三6 2 1 4 轨道设计模型四8 2 1 5 轨道设计模型五9 2 1 6 轨道设计模型六1 1 2 2 轨道设计程序1 2 2 2 1 程序总体结构1 2 2 2 2 程序的主要功能1 3 2 3 应用实例及分析1 5 2 4 本章小结1 9 第三章摩阻扭矩预测分析及轨道设计方案评价2 0 3 1 摩阻扭矩计算方法2 0 3 2 模拟计算条件；2 2 3 3 模拟结果分析2 4 ， 3 4 本章小结3 2 第四章适合涠西南油田特点的定向井轨迹控制技术3 3 4 1b i - i a 钻进趋势预测模型及方法3 3 4 1 1b h a 力学特性分析模型3 3 4 1 2 钻头与地层相互作用模型3 4 4 1 3 钻进趋势预测方法3 5 4 1 4 钻进趋势判别指标3 5 4 2 应用实例分析3 7 4 2 1b 11 井钻具组合分析3 7 4 2 2b 1 3 井钻具组合分析4 5 4 3 本章小结5 1 第五章应用效果分析5 3 5 1 涠1 2 - 1 n 油田第二批井钻井工程设计优化内容5 3 5 1 1 井眼轨道设计方案优化5 3 5 1 2 井身结构设计方案优化5 6 5 1 3 方案优化后风险分析5 8 5 2 涠1 2 一l n 油田第二批井钻井工程优化方案的实施效果5 8 结论5 9 参考文献6 0 致谢6 1 v 。夕 ： 箩 q 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 1 1 研究的目的意义 第一章前言 北部湾涠西南油田群是中海石油近年来的重点开发区域。由于该区域地质构造复 杂，钻井复杂情况及故障多，造成该区域钻井成功率降低，钻井成本增加，制约了该油 田群的开发效率和效益。该油田群钻井难度大的主要原因是地层复杂、断层多、地层破 碎、泥页岩地层水敏性强，极易发生井壁坍塌、漏失等复杂情况和卡钻故障。 从目前世界范围内的技术水平来看，规避风险、提高效率、降低成本的主要技术手 段主要包括以下几个方面：一是充分认识开发区域的地层。包括断层、破碎带、裂缝的 精确描述，不同层位地应力的大小、方向的确定，地层孔隙压力、破裂压力、坍塌压力、 漏失压力剖面和合理的泥浆密度窗口的建立等。二是在充分认识地层的基础上对钻井工 程及施工进行合理的设计。包括能够尽量规避高风险地层、合理利用地层自然造斜规律、 合理匹配井眼与地应力的方向最大限度保持井壁稳定、尽可能使井眼轨道简单等内容的 井眼轨道优化设计；尽量避免钻井过程中发生漏、喷、塌、卡等井下复杂的合理井身结 构和钻井液设计；施工过程中以提高钻进效率为目的钻具组合设计、钻头选型、水力参 数设计等内容。三是采用先进的技术装备、工具和措施。 针对涠西南油田群钻井地质及工程特点，本文旨在建立一套穿越断裂带、破碎带及 水敏性的泥页岩等复杂层段的定向井轨道设计方法，并应用摩阻扭矩预测分析模型对轨 道设计方案进行优化，应用底部钻具组合钻进趋势预测模型及方法对钻具组合设计及钻 进参数进行优化，最终形成一套适合于涠西南油田群钻井地质及工程特点的定向井轨道 设计及轨迹控制技术，从而达到降低钻井风险、提高经济效益的目的。 1 2 国内外技术现状 ( 1 ) 定向井轨道设计方法 国内外许多学者【1 开展过定向井轨道设计方法研究，在常规定向井轨道及非常规 定向井轨道设计方面取得了重要研究成果，目前已经形成了成熟的二维及三维定向井轨 道设计方法，包括常规二维轨道设计、三维绕障轨道设计，多目标点井轨道设计等。 其中，韩志勇教授系统研究了定向井轨道设计与轨迹计算方法【6 】，包括常规二维定 向井轨道设计、多造斜率二维定向井轨道设计、绕障井轨道设计，多目标点井轨道设计 等。其他学者也建立过一些复杂定向井轨道设计方法及关键参数计算公式【3 硎。但是， 第一章前言 在穿越或绕避断层或破碎带的轨道设计方面，现有轨道设计方法均较复杂且效率较低。 著名软件公司l a n d m a r k 之c o m p a s s 定向井软件也需要多次试算才行。 ( 2 ) 摩阻扭矩预测分析方法 摩阻扭矩计算是定向井、水平井、大位移井中一个重要的研究课题。在设计阶段对 设计轨道进行预测分析能够评价其施工可行性，在施工阶段进行预测分析能够优选钻具 组合，以达到降低摩阻扭矩、减小施工难度之目的。 国内外学者对摩阻扭矩问题进行了大量的研究工作【7 1 4 】。1 9 8 3 年，j o h a n s i c k 首先提 出了在定向井中预测钻柱拉力和扭矩的软杆模型【9 】。之后，韩志勇教授对软杆模型进行 了发展，软杆模型为改进井眼轨道设计与钻柱设计、现场故障诊断和预防提供了理论依 据【1 2 】。m lp a y n e 考虑钻柱刚度的影响，提出了改进的摩阻扭矩模型，该模型考虑钻柱 的刚性对摩阻、扭矩的影响，被称为刚杆模型1 4 】。目前，软杆模型通常用于井眼曲率变 化较小的井眼，刚杆模型则在井眼曲率变化较大的井眼中具有较高的精度 1 5 1 6 】。 涠西南油田定向井轨道设计需要绕避断层或穿越断裂带、破碎带等复杂层段，势必 会增加设计轨道的复杂性，需要优选摩阻扭矩模型并进行摩阻扭矩预测分析。 ( 3 ) 钻进趋势预测方法 钻进趋势预测分析是进行钻具组合优化设计、定向井轨迹控制的基础工作之一。国 内外学者针对该问题，在底部钻具组合( b h a ) 力学特性分析、钻头地层交互作用模 型、钻进趋势预测方法等方面开展了大量的研究工作【1 7 2 2 。 其中，h s h o 指出，完整的钻进趋势预测程序应该包含三个要素刈h a 力学 特性分析程序、岩石钻头交互作用模型、钻前分析特征，并建立了一种能够考虑地层 和钻头的各向异性钻进特性影响的岩石一钻头交互作用模型【2 l 】。 国内外学者建立了多种b h a 力学特性分析模型和求解方法，包括静力学分析模型 和动力学分析模型。其中，自家祉、苏义脑建立了b h a 力学特性的纵横弯曲连续梁求 解方法，具有计算简单、精度高、运算快的优点，目前已经能够应用该方法求解普通稳 定器钻具组合，以及含有定向弯接头或弯螺杆钻具组创1 睨o 】。 国内学者以h s h o 建立的岩石一钻头交互作用模型为基础，在钻进趋势预测方 法方面进行了较深入探讨。其中，2 0 0 3 年以来，管志川、夏焱、史玉才等人【2 l2 2 1 建立 了不同钻具组合的力学模型、钻头与地层相互作用模型，提出了采用钻进方向角作为判 据预测钻具造斜能力的观点，并推导出了钻进趋势角的计算表达式，从而建立了一种能 够综合考虑钻压、钻头侧向力、钻头转角、井斜角、地层倾角及钻头和地层各向异性指 2 鼋夕 q t 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 数等影响因素的钻进趋势预测模型及方法。 1 3 本文主要研究内容 为了最终形成一套适合于涠西南油田群钻井地质及工程特点的定向井轨道设计及 轨迹控制技术，本文重点开展以下研究工作： ( 1 ) 穿越断裂带、破碎带及水敏性泥页岩等复杂层段的定向井轨道设计方法 在涠西南油田钻井施工中，以低于钻入角的井斜穿越断裂带、破碎带及水敏性泥页 岩等复杂层段能够有效降低钻井故障率。为了使穿越断层及破碎带的定向井轨迹优化设 计更方便、易操作，需要开展穿越断层及破碎带的定向井轨道设计方法研究。 ( 2 ) 复杂轨道条件下摩阻扭矩预测分析及其可行性评价 结合上述穿越断层及破碎带的定向井轨道设计方法，应用现有的摩阻扭矩预测分析 模型，对涠西南油田群定向井轨道设计方案进行评价和优选。 ( 3 ) 不同钻具组合钻进趋势及定向工具优选研究 结合涠西南油田群定向井轨道设计方案，应用现有的底部钻具组合( b h a ) 钻进趋 势预测模型及方法，对涠西南油田群定向井轨迹控制技术方案进行优化。 3 第二章适合涠两南油田钻井地质特点的轨道设计方法 第二章适合涠西南油田钻井地质特点的轨道设计方法 在涠西南油田钻井施工中，以低于钻入角的井斜穿越断裂带、破碎带及水敏性的泥 页岩等复杂层段能够有效降低钻井故障率。为了使穿越断层及破碎带的定向井轨迹优化 设计更方便、易操作，需要开展穿越断层及破碎带的定向井轨迹设计方法研究。 2 1 轨道设计模型 采用l a n d m a r k 设计软件能解决任意情况下的定向井轨道设计问题，但需要设计人 员通过试凑的方法进行逐段设计才能保证按一定要求穿越断层及破碎带，对设计人员素 质要求高且设计效率低下。此处借鉴l a n d m a r k 设计软件的自由设计思想，将穿越断层 及破碎带的定向井轨道设计分成若干步来完成，但是在设计当前点至某一靶点的轨道 时，新方法能够同时考虑穿越断层及破碎带的要求，从而大大提高了设计效率。 新方法的关键在于建立各种满足穿越断层及破碎带要求的当前点至某一靶点的轨 道设计模型。根据靶点处是否有井眼方向要求和穿越断层及破碎带的方式不同，当前点 至某一靶点的轨道设计模型有以下6 种。 2 1 1 轨道设计模型一 ( 1 ) 轨道模型组成 井段组成是“斜面圆弧段+ 稳斜段 。 图2 - 1 第1 种轨道模型 f i g u r e2 - 1f a s tw e l l p a hm o d e l 4 v 奇 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 ( 2 ) 适用条件 适用于没有或不考虑穿越断层及破碎带问题且靶点处无井眼方向要求的情况。 ( 3 ) 轨道模型的求解 求解该模型需要的己知参数有：当前点的各种轨迹参数( 包括井深厶、井斜角、 方位角仇、垂深皿、n 坐标m 、e 坐标反、水平长度足) 、目标点的有关参数( 包括垂 深岛、n 坐标m 、e 坐标且) 、斜面圆弧段曲率半径r 。 ， 通过分析，可以得到以下轨道设计约束方程： 尺t 撇( 訇( c o s 口。+ c o s 引也c o s 西= q 一日。 尺t a n ( 考) ( s m 口。c 。s 纯+ s ；n q c o s 仍+ l w s i n a t c o s 吼= m 一札 r t a n ( 考) ( s m 口。s ；n 吼+ s m q s ；n 仍) + l w s i n a t s i n g 二e 一匪 式中：厂= a c c o s c o s 。c o s 口t + s i n g 。s i n c r fc o s 娩一仍) 】 利用方程组( 1 1 ) 可以求解出稳斜段的井斜角磁、方位角伽和稳斜段段长厶，由此可 以设计出整个轨道。 2 1 2 轨道设计模型二 ( 1 ) 轨道模型组成 井段组成是“第1 斜面圆弧段+ 第1 稳斜段+ 第2 斜面圆弧段+ 第2 稳斜段”；其中“第 1 稳斜段 为穿越复杂层井段。 图2 - 2 第2 种轨道模型 。 f i g u r e2 - 2s e c o n dw e u p a hm o d e l 5 第二章适合涠西南油田钻井地质特点的轨道设计方法 ( 2 ) 适用条件 适用于考虑穿越断层及破碎带问题且靶点处无井眼方向要求的情况。 ( 3 ) 轨道模型的求解 求解该模型需要的已知参数有：当前点的各种轨迹参数( 包括井深厶、井斜角、 方位角、垂深思、n 坐标m 、e 坐标e 、水平长度& ) 、目标点的有关参数( 包括垂 深岛、n 坐标m 、e 坐标日) 、复杂层的有关参数( 包括顶面垂深玩，底面垂深， 钻入角a d ) 、第1 斜面圆弧段曲率半径r l 和第2 斜面圆弧段曲率半径r 2 。 通过分析，可以得到以下轨道设计约束方程： 即协陪) s 乙。+ c o s ) + “c o s 口w l = 日疆一风 r ：t a n ( 等) ( c 。s 口。+ c o s 口。) + 三，：c o s 口。= 皿一。 r t t a n ( 蔓i ：c 曲s 纯+ s i n 口w c o s t ) + “s i n 口w c o s 武- + 三w ：s i n 口t c o s t + 。2 2 ， 尺：t a n ( 譬) ( s i n 口。? s q ，1 + s i n o t c o s 红) = ，一c 。 即t a n 蛳即i n 仇+ s i n o r , , , t s i n + 钾i n s i n 地：s i n 叩i n 。 r 切n ( 等) ( s t n 口。s i n 妒。+ s ；n 吼s t n 缈。) = e 一臣 l t 2 。1 = 口d 式中： y l = a r c c o s c o s o l cc o s o r w l + s i n o ! cs i n o ! _ w lc o s ( 呼p w l 一纯) 】 【7 2 = a l c c o s c o so f w lc 0 s 口t + s i no ! 。ls i nc r tc o s ( q , t t o w l ) 】 方程组( 2 2 ) 中有5 个未知数( 包括第1 稳斜段的段长厶l 、方位角l 和第2 稳斜段 的段长厶2 、井斜角方位角研) ，而方程只有4 个，无法给出确定解，因此可以附加 一个优化条件，即： 掣：o ( 2 - 3 ) d 伊埘 、7 联立方程组( 2 - 2 ) 和方程( 2 3 ) 可以求解出其中的5 个未知数，由此可以设计出 整个轨道。 2 1 3 轨道设计模型三 ( 1 ) 轨道模型组成 6 v 、乒 囊 幺 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 井段组成是“第1 斜面圆弧段+ 第1 稳斜段+ 第2 斜面圆弧段+ 第2 稳斜段 ，其中“第 2 稳斜段”为穿越复杂层井段。 ， 图2 3 第3 种轨道模型 f i g u r e2 - 3t h i r dw e l l p a hm o d e l ( 2 ) 适用条件 适用于考虑穿越断层及破碎带问题且靶点处无井眼方向要求的情况。 ( 3 ) 轨道模型的求解 求解该模型需要的己知参数有：当前点的各种轨迹参数( 包括井深厶、井斜角、 方位角、垂深皿、n 坐标m 、e 坐标臣、水平长度& ) 、目标点的有关参数( 包括垂 深岛、n 坐标m 、e 坐标日) 、复杂层的有关参数( 包括顶面垂深玩，底面垂深如， 钻入角a a ) 、第1 斜面圆弧段曲率半径尺l 和第2 斜面圆弧段曲率半径r 2 。 通过分析，可以得到以下轨道设计约束方程： 即a n ( 等) s 口。+ c o s ) + “c o s c r w l + r 2 t m ( ) s o r w l + c o s 口。) = 也一风 尺。协( ) ( s i n 口。c o s 仇+ s i n c r w l c o s + l , , , l s i n c r w ! c o s i + l , , , 2 s i n 口t c o s 纯+ ， r z ( 鲁j ( s i n 口w - c o s + s i n c r t c o s 吼) = ，一c ( 2 - 4 ) r 。伽( 訇( s i n a c s i n 纸+ s i n c r , , , , t s i n + k s m s m + k s ；n 叩i n ” r ：t a n ( 鲁) ( s i n 口。s t n 缈。，+ s ；n 口t s i n 纸) = e e 7 第二章适合涠西南油田钻井地质特点的轨道设计方法 i 口t = 口d 式中： 7 l = a r c c o s c o s a 。c o s t ： 。l + s i n a 。s i n c r w lc o s ( 缈w l 一仍) 】 【儿= a l c c o s c o s w ic 0 $ 0 f _ t + s i na 。ls i na tc o s ( 呼o t 一1 ) 】 方程组( 2 4 ) 中有5 个未知数( 包括第l 稳斜段的段长l w l 、井斜角卜方位角l 和第2 稳斜段的段长、方位角纺) ，而方程只有4 个，无法给出确定解，因此可以附 加一个优化条件，即： a ( t 1 + 7 2 ) ：o 0 9 t ( 2 5 ) 联立方程组( 2 4 ) 和方程( 2 5 ) 可以求解出其中的5 个未知数，由此可以设计出 整个轨道。 2 1 4 轨道设计模型四 ( 1 ) 轨道模型组成 井段组成是“第1 斜面圆弧段+ 第1 稳斜段+ 第2 斜面圆弧段”。 图2 _ 4 第4 种轨道模型 f i g u r e2 - 2f o u r t hw e l l p a hm o d e l ( 2 ) 适用条件 适用于没有或不考虑穿越断层及破碎带问题且靶点处有井眼方向要求的情况。 ( 3 ) 轨道模型的求解 求解该模型需要的已知参数有：当前点的各种轨迹参数( 包括井深厶、井斜角、 方位角、垂深思、n 坐标m 、e 坐标易、水平长度& ) 、目标点的有关参数( 包括垂 深总、n 坐标m 、e 坐标易、井斜角孙方位角c t ) 、第1 斜面圆弧段曲率半径r l 和第 8 、，rt， 羹 k 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 2 斜面圆弧段曲率半径r 2 。 通过分析，可以得到以下轨道设计约束方程： 即a n ( 拿) s 吼+ c o s ) + “c o s a w , + r 2 伽( 譬) s 口。+ c o s 口。) = 风一风 尺，洫( ) ( s i n 口。c o s q ，, + s i n a i c o s ，+ l , , 1 s i n a w l c o s t + l r ：协( 鲁) 陆c o s l + s i n a t c o s 柏= m _ c ( 2 - 6 ) r ，协( 鲁) ( s 协口。s ；n 纯+ s 血口。s ；n 。) + l 。s t n 口w s 妯缈，t + 砧趾( 等) ( s i i l s m “n 叩m 砧= 包一疋 。 式中：饮三黜a i c c o c o s s p c o 瞰s ( z 篡c 螂o s ( z ：s s 粤m 口o ：二葛s i n 麓：鬈? 鬟1 召 【y 22 w l t +w l口tc o s 妒t 一呼月 由方程组( 2 6 ) 可以求解出其中的3 个未知数( 第1 稳斜段的段长k l 、井斜角l 和方位角1 ) ，由此可以设计出整个轨迹。 2 1 5 轨道设计模型五 ( 1 ) 轨道模型组成 井段组成是“第1 斜面圆弧段+ 第1 稳斜段+ 第2 斜面圆弧段+ 第2 稳斜段，其中“第 1 稳斜段”为穿越复杂层井段。 ( 2 ) 适用条件 图2 5 第5 种轨道模型 f i g u r e2 - 5f i f t hw e l i p a hm o d e l 9 第二章适合涠两南油f n 钻井地质特点的轨道设计方法 适用于考虑穿越断层及破碎带问题且靶点处有井眼方向要求的情况。 ( 3 ) 轨道模型的求解 求解该模型需要的已知参数有：当前点的各种轨迹参数( 包括井深厶、井斜角、 方位角、垂深乜、n 坐标m 、e 坐标易、水平长度岛) 、目标点的有关参数( 包括垂 深凰、n 坐标m 、e 坐标局、井斜角a t 、方位角仇) 、复杂层的有关参数( 包括顶面垂 深凰，底面垂深月鲁，钻入角a d ) 、第1 斜面圆弧段曲率半径r i 和第2 斜面圆弧段曲率 半径r 2 。 通过分析，可以得到以下轨道设计约束方程： 即a n ( 拿) ( c o s ”c o s ) 也，c o s + k c 砧a n ( 鲁) ( c o s + c o s 引= 皿一风 砧肌睁卜啷 s i n c o s 肌一m w - c o s “劬p 哦+ 陪7 ， r ：t a n ( 拿) ( s t n 口。c o s i + s i n a i c o s 伊。) = m 一c 尺。t a n ( 譬) ( s t n 口。s ；n 纸+ s 址口。s ；n 。) + l w t s i n a w 。s i n + k s t n 口t s i n 织+ 尺：t a n ( ) ( s i n 口。s i n i + s i n 。! t s i n ( p t ) = e 一疋 热饮三一s p 她篡鲫w ：+ + s i na,sina,cos(呼o,-tp,。,alceosteos o c o sa s i ns i nc o s 据 【厂2 2 。lt +口w lc h咿t 一呼，w l 刀 方程组( 2 7 ) 中有4 个未知数( 包括第1 稳斜段的段长l ，1 、井斜角l 、方位角铷1 和第2 稳斜段的段长l w 2 ) ，而方程只有3 个，无法给出确定解。同时，方程组( 2 7 ) 也没 有考虑穿越断层及破碎带时的约束条件，因此可以附加一个约束优化条件，即： m i n ( r l + 儿) 口w l 口d r 。t a n ( 譬) ( c 。s 口。+ c o s 口。，) 日。一以 2 - 8 即a n ( ( c o s c o s ) + “c o s 比一以 联立方程组( 2 7 ) 和约束优化条件( 2 8 ) 可以求解出其中的4 个未知数，由此可 弋眇 p a 曩， 、_ l 螺 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 以设计出整个轨迹。 2 1 6 轨道设计模型六 ( 1 ) 轨道模型组成 井段组成是“第1 斜面圆弧段+ 第1 稳斜段+ 第2 斜面圆弧段+ 第2 稳斜段”，其中“第 2 稳斜段”为穿越复杂层井段。轨道模型示意图可参考图2 - 5 。 ( 2 ) 适用条件 适用于考虑穿越断层及破碎带问题且靶点处有井眼方向要求的情况。 ( 3 ) 轨道模型的求解 求解该模型需要的已知参数有：当前点的各种轨道参数( 包括井深厶、井斜角、 方位角、垂深乜、n 坐标肛、e 坐标臣、水平长度& ) 、目标点的有关参数( 包括垂 深岛、n 坐标m 、e 坐标局、井斜角嘶、方位角仇) 、复杂层的有关参数( 包括顶面垂 深玩，底面垂深风，钻入角a d ) 、第l 斜面圆弧段曲率半径月l 和第2 斜面圆弧段曲率 半径r 2 。 通过分析，可以得到以下轨道约束方程： 尺。伽( ) ( c o s c o s ) + k c o s 口。j + kc o s 砧a n ( 刳( c o s + t ) 川以 r 哆卜螂”s i n c o s 肌一砒州c o s “i n 吼唧t p 9 ， r ：t a n ( 等) ( s i n 口。c o s i + s i n c t t c o s 吼) = m 一虬 卜叫 尺。协( s i n a 。s i n 纸+ s i n a m s i n 地。s i i l s i n 地z s m 叩i n r 协( 等) ( s i n a w 。s i n ( a , a + s i n a t s i n f a t ) = 墨一疋 斗小j y i 2 a r c x o s c o scc o s 口w 1 + s m 口c $ 1 nw lc o s l 一纯月 【7 2 = a r c c o s o , o so f w ic o s 口t + s i n 口w ls i no f te o s t 缈t 一1 月 方程组( 2 9 ) 中有4 个未知数( 包括第1 稳斜段的段长厶l 、井斜角t 7 - 。, i 、方位角伽l 和第2 稳斜段的段长l w 2 ) ，而方程只有3 个，无法给出确定解。同时，方程组( 2 - 9 ) 也没 有考虑穿越断层及破碎带时的约束条件，因此可以附加一个约束优化条件，即： 第二章适合涠西南油【丌钻j 地质特点的轨道设计方法 m i n f y l + 7 2 ) i 口t o f d 对 砷a n ( 拿) ( c o s 皈+ c o s ) + c 。s + 即a n ( 鲁 + c 。s ) 以_ 以 【h 麒日 ( 2 1 0 ) 联立方程组( 2 9 ) 和约束优化条件( 2 1 0 ) 可以求解出其中的4 个未知数，由此可 以设计出整个轨道。 2 2 轨道设计程序 根据以上穿越断层及破碎带的定向井轨道设计方法，编制了相应的轨道设计程序， 可以快速、方便地解决穿越断层及破碎带的定向井轨道设计问题。 2 2 1 程序总体结构 穿越断层及破碎带的定向井轨道设计程序结构如图2 - 6 所示。 图2 - 6 穿越断层及破碎带的定向井轨道设计程序结构图 f i g u r e2 - 6t h ec h a r t o fd i r e c t i o n a lw e l lt r a j e c t o r yd e s i g n p r o c e s st oc r o s st h ef a u l ta n df r a c t u r e z o n e 1 2 匕 。 、i 拳 t 中国石油大学( 华东) - f 程硕士学位论文 2 2 2 程序的主要功