5 井眼轨道设计与轨迹控制1

1、1第五章第五章 井眼轨道设计与轨迹控制井眼轨道设计与轨迹控制2第五章第五章 井眼轨道设计与轨迹控制井眼轨道设计与轨迹控制第一节第一节 井眼轨迹的基本概念井眼轨迹的基本概念第二节第二节 轨迹测量及计算轨迹测量及计算第三节第三节 直井防斜技术直井防斜技术第四节第四节 定向井井眼轨道设计定向井井眼轨道设计第五节第五节 定向井造斜工具及轨迹控制定向井造斜工具及轨迹控制第六节第六节 水平井钻井技术简介水平井钻井技术简介3概概 述述 轨道设计与轨迹控制的发展轨道设计与轨迹控制的发展 18591859年，美国年，美国 E.H.Drake E.H.Drake 在宾夕法尼亚用钢绳冲击钻钻出第在宾夕法尼亚用钢绳冲

2、击钻钻出第一口石油井。一口石油井。 19001900年，旋转钻井问世，开创了石油钻井新纪元。但仍认为年，旋转钻井问世，开创了石油钻井新纪元。但仍认为旋转钻井的井眼轨迹与顿钻一样，为一条铅垂直线。旋转钻井的井眼轨迹与顿钻一样，为一条铅垂直线。 2020世纪世纪2020年代末，意外发现井斜，开始发展直井防斜技术。年代末，意外发现井斜，开始发展直井防斜技术。 2020世纪世纪3030年代初，在海边向海里打定向井取得成功。此后，年代初，在海边向海里打定向井取得成功。此后，定向井技术得到了迅速发展和广泛应用。定向井技术得到了迅速发展和广泛应用。井轨道设计与轨迹控制井轨道设计与轨迹控制技术便应运而生。技术

3、便应运而生。4概概 述述 直井轨道：直井轨道：过井口的铅垂线。过井口的铅垂线。 定向井轨道：定向井轨道： 二维定向井：二维定向井：过井口和目标点的铅垂面上的曲线。过井口和目标点的铅垂面上的曲线。 三维定向井：三维定向井：具有不同曲率的空间曲线。具有不同曲率的空间曲线。 轨道设计：轨道设计：定向井、水平井、侧钻井、大位移井等。定向井、水平井、侧钻井、大位移井等。 井眼轨迹：井眼轨迹：一口井实际钻成后的井眼轴线形状。一口井实际钻成后的井眼轴线形状。 轨迹控制：轨迹控制：直井防斜打直。直井防斜打直。 特殊工艺井控制井斜和方位，使轨道与轨迹相一致。特殊工艺井控制井斜和方位，使轨道与轨迹相一致。井眼轨道

4、：井眼轨道：一口井开钻之前，预先设计的井眼轴线形状。一口井开钻之前，预先设计的井眼轴线形状。5直井用途：直井用途：油田开发和勘探。有井斜限制要求。油田开发和勘探。有井斜限制要求。定向井用途：定向井用途： 1.1.地面环境条件的限制地面环境条件的限制 高山，湖泊，沼泽，河流，沟壑，海洋，农田或重要的建筑物等。高山，湖泊，沼泽，河流，沟壑，海洋，农田或重要的建筑物等。 62.2.地下地质条件的要求地下地质条件的要求断层遮挡油藏、薄油层、倾角较大的地层钻进等。断层遮挡油藏、薄油层、倾角较大的地层钻进等。73.3.处理井下事故的特殊手段处理井下事故的特殊手段井下落物侧钻、打救援井等。井下落物侧钻、打救

5、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钻穿多套油气层、老井侧钻等。钻穿多套油气层、老井侧钻等。8第一节第一节 井眼轨迹的基本概念井眼轨迹的基本概念测量方法：非连续测量，间断测量。测量方法：非连续测量，间断测量。“测段测段”，“测点测点”。 井深、井斜角和井斜方位角井深、井斜角和井斜方位角-轨迹的三个基本参数。轨迹的三个基本参数。 一轨迹的基本参数一轨迹的基本参数 (1) (1) 井深井深（或称为斜深、测深）（或称为斜深、测深） 井口井口( (通常以转盘面为基准通常以转盘面为基准) )至测点的井眼长度。至测点的井眼长度。 以字母以字母D Dm m表示，单位为米表示，单位为米(

6、m)(m)。 井深增量（井段）：井深增量（井段）： 下测点井深与上测点井深之差。以下测点井深与上测点井深之差。以DDm m表示。表示。9(2) (2) 井斜角井斜角()()：井斜角增量井斜角增量()()： 下测点井斜角与上测点下测点井斜角与上测点井斜角之差。井斜角之差。 B BA A 指指井眼方向线井眼方向线与重力线之间的夹角。单位为度与重力线之间的夹角。单位为度( () )。 井眼方向线：井眼方向线： 过井眼轴线上某测点作井眼轴线的切线，该切线向井眼过井眼轴线上某测点作井眼轴线的切线，该切线向井眼前进方向延伸的部分称为井眼方向线。前进方向延伸的部分称为井眼方向线。10(3) (3) 井斜方位

7、角井斜方位角井眼方位线（井斜方位线）：井眼方位线（井斜方位线）： 某测点处的井眼方向线某测点处的井眼方向线在水平面上的投影。在水平面上的投影。 井斜方位角增量井斜方位角增量 ：上下测点的井斜方位角之差。：上下测点的井斜方位角之差。 B BA A 在水平投影图上，以正北方位线为始边，顺时针方向旋转到在水平投影图上，以正北方位线为始边，顺时针方向旋转到井眼井眼方位线方位线上所转过的角度。上所转过的角度。井斜方位角的变化范围井斜方位角的变化范围：0 0360360。11(3)(3)井斜方位角井斜方位角：井斜方位角的另一种表示方式井斜方位角的另一种表示方式-象限角：象限角：磁偏角校正磁偏角校正： 真方

8、位角磁方位角东磁偏角真方位角磁方位角东磁偏角 真方位角磁方位角西磁偏角真方位角磁方位角西磁偏角象限角的变化范围：象限角的变化范围： 0 09090之间。之间。磁偏角磁偏角： 磁北方位与正北方位之间磁北方位与正北方位之间的夹角。的夹角。西磁偏角西磁偏角东磁偏角东磁偏角12二轨迹的计算参数二轨迹的计算参数由基本参数计算得到的参数。由基本参数计算得到的参数。(1) (1) 垂直深度（垂深）：垂直深度（垂深）：轨迹上某点至井口所在水平面的距离。轨迹上某点至井口所在水平面的距离。垂深增量称为垂增垂深增量称为垂增() )。(2) (2) 水平投影长度水平投影长度L Lp p（水平长度、平长）：（水平长度、

9、平长）： 井眼轨迹上某点至井口的井眼轨迹上某点至井口的长度长度在水平面上的投影，即井深在在水平面上的投影，即井深在水平面上的投影长度。水平面上的投影长度。 水平长度的增量称为平增（水平长度的增量称为平增（LL）。）。13(4) (4) 平移方位角平移方位角：平移方位平移方位线所在的方位角。线所在的方位角。 国外，将平移方位角称作国外，将平移方位角称作闭合闭合方位角。方位角。 国内，指完钻时的平移方位角国内，指完钻时的平移方位角为为闭合方位角闭合方位角。 (5) (5) 坐标和坐标：坐标和坐标：南北坐标轴，以正北方向为正；南北坐标轴，以正北方向为正； 东西坐标轴，以正东方向为正。东西坐标轴，以正

10、东方向为正。 (6) (6) 视平移：视平移： 水平位移在水平位移在设计方位线设计方位线上的投上的投影长度。影长度。14靶点靶点VA设计方位线设计方位线15(7) (7) 井眼曲率井眼曲率K K（“狗腿严重度狗腿严重度”、“全角变化率全角变化率”）：）：狗腿角的计算：狗腿角的计算：LubinskiLubinski公式：公式： cos=coscos=cosA AcoscosB B+sin+sinA AsinsinB Bcos(cos(B B-A A) )指井眼轨迹曲线的曲率。指井眼轨迹曲线的曲率。平均曲率平均曲率: : K Kc c=30/Dm=30/Dm“狗腿角狗腿角”或或“全角变化全角变化”

11、（）：）： 上、下二测点的两条方向线之间的夹角上、下二测点的两条方向线之间的夹角( (空间夹角空间夹角) )。我国钻井行业标准计算公式：我国钻井行业标准计算公式： =(=(2 2+2 2sinsin2 2c c) )0.50.5 c c=(=(A A+B B)/2)/2 该测段的狗腿角，该测段的狗腿角，( () )； c c该测段的平均井眼曲率，该测段的平均井眼曲率，( ()/30m)/30m； c c该测段的平均井斜角，（该测段的平均井斜角，（）。）。 16、水平投影图、水平投影图投影面：投影面：水平面水平面 坐标系：坐标系：以井口为原点、坐标轴、坐标轴；以井口为原点、坐标轴、坐标轴； 表达

12、的参数：表达的参数：坐标值、坐标值、水平位移坐标值、坐标值、水平位移S S、 水平长度水平长度L Lp p、闭合距、井斜方位角、闭合距、井斜方位角、 平移方位角平移方位角、闭合方位角。、闭合方位角。 、垂直投影图、垂直投影图投影面：投影面：过设计方位线的铅垂面，即井口和目标点所在的铅垂面；过设计方位线的铅垂面，即井口和目标点所在的铅垂面； 表达的参数：表达的参数：垂深垂深D D、视平移、视平移V V、井斜的增减趋势；、井斜的增减趋势；坐标系：坐标系：原点原点( (井口井口) )、横坐标、横坐标( (视平移视平移) )、纵坐标、纵坐标( (垂深垂深) )。173 3、垂直剖面图垂直剖面图垂直剖面

13、：垂直剖面：过井眼轴线上各点垂线组成的柱面展开图；过井眼轴线上各点垂线组成的柱面展开图； 坐标系：坐标系：原点原点( (井口井口) )、横坐标、横坐标( (水平长度水平长度) )、纵坐标、纵坐标( (垂深垂深) )； 表达的参数：表达的参数：垂深垂深D D、水平长度水平长度L Lp p、井深井深D Dm m、井斜角井斜角 。 18垂直投影图与水平投影图垂直投影图与水平投影图19垂直剖面图与水平投影图垂直剖面图与水平投影图20第二节第二节 轨迹测量及计算轨迹测量及计算1 1、随钻监测实钻井眼轨迹以保证钻达既定目标；、随钻监测实钻井眼轨迹以保证钻达既定目标；2 2、当需用造斜工具定向钻进时，将造斜

14、工具按要求的方向定向；、当需用造斜工具定向钻进时，将造斜工具按要求的方向定向；3 3、确保正钻进的井没有与附近已钻成的井相交的危险；、确保正钻进的井没有与附近已钻成的井相交的危险；4 4、确定钻遇的各地层的真垂深、以绘制出准确的地质剖面图；、确定钻遇的各地层的真垂深、以绘制出准确的地质剖面图；5 5、为了监测油层特性及钻进救险井要确定准确的井底位置；、为了监测油层特性及钻进救险井要确定准确的井底位置；6 6、沿井身计算出井眼曲率以评价井身质量；、沿井身计算出井眼曲率以评价井身质量；7 7、为完井工程提供井眼轨迹数据。、为完井工程提供井眼轨迹数据。井眼轨迹测量的目的：井眼轨迹测量的目的：21第二

15、节第二节 轨迹测量及计算轨迹测量及计算一、测斜方法及测斜仪简介一、测斜方法及测斜仪简介 1 1、测斜仪分类、测斜仪分类按工作原理分：磁性测斜仪按工作原理分：磁性测斜仪( (罗盘罗盘) )、 陀螺测斜仪陀螺测斜仪( (高速陀螺空间指向恒定高速陀螺空间指向恒定) )。按工作方式分：单点式、多点式、随钻测量按工作方式分：单点式、多点式、随钻测量( (有线、无线有线、无线) )。2 2、测量内容、测量内容 井深井深DmDm、井斜角、井斜角、方位角、方位角。223 3、磁性测斜仪的工作原理、磁性测斜仪的工作原理仪器内主要由井斜刻度盘、罗盘、仪器内主要由井斜刻度盘、罗盘、十字摆锤、照明和照相系统组成。十字

16、摆锤、照明和照相系统组成。罗盘的罗盘的S S极始终指北。极始终指北。 （1 1）井斜角的测量）井斜角的测量当测斜仪随井眼倾斜时，十字摆锤当测斜仪随井眼倾斜时，十字摆锤始终指向重力线方向，重力线与仪始终指向重力线方向，重力线与仪器轴线的夹角即为器轴线的夹角即为井斜角井斜角。由摆锤。由摆锤在井斜刻度盘底片上的位置读取。在井斜刻度盘底片上的位置读取。23（2 2）井斜方位角的测量）井斜方位角的测量 摆锤所在铅垂线与仪器轴摆锤所在铅垂线与仪器轴线（井眼方向线）构成井斜铅线（井眼方向线）构成井斜铅垂面，该井斜铅垂面与水平面垂面，该井斜铅垂面与水平面的交线就是井斜方位线。摆锤的交线就是井斜方位线。摆锤在罗

17、盘面上的投影位置所在的在罗盘面上的投影位置所在的放射线与罗盘放射线与罗盘N N极之间的夹角极之间的夹角即为井斜方位角。（即为井斜方位角。（注意：在注意：在井下井下, ,罗盘标志方位与实际地罗盘标志方位与实际地理方位相反理方位相反。）。） （3 3）井深测量：）井深测量： 根据电缆长度或钻柱长度。根据电缆长度或钻柱长度。24MWD / LWD整套仪器由整套仪器由井下数据测量系统、井下数据测量系统、数据传输系统、数据传输系统、地面数据采集和处理地面数据采集和处理系统系统组成。组成。MWD Measurement While Drilling .LWD Logging While Drilling.

18、FEWD Formation Evaluation While Drilling.25国内国内MWDMWD配备现状配备现状单单 位位配套仪器类型配套仪器类型胜利定向井公司胜利定向井公司斯派里森公司斯派里森公司MWDMWD、通用公司、通用公司QDT-MWDQDT-MWD、科学钻井、科学钻井SDI-MWDSDI-MWD胜利油田钻井院胜利油田钻井院英国吉奥林公司英国吉奥林公司OrienteerOrienteer大港定向井公司大港定向井公司斯派里森公司斯派里森公司MWDMWD、通用公司、通用公司QDT-MWDQDT-MWD、哈里伯顿公司的探路者系统、哈里伯顿公司的探路者系统中海油技术服务公司中海油技术

19、服务公司斯派里森公司斯派里森公司MWDMWD、斯伦贝榭、斯伦贝榭SLIM-ONESLIM-ONE、大庆油田钻井院大庆油田钻井院贝克休斯公司贝克休斯公司Navi-GatorNavi-Gator江汉油田钻井院江汉油田钻井院科学钻井科学钻井SDI-MWDSDI-MWD、英国吉奥林公司、英国吉奥林公司OrienteerOrienteer长庆油田钻井院长庆油田钻井院英国吉奥林公司英国吉奥林公司OrienteerOrienteer华北油田钻井院华北油田钻井院科学钻井科学钻井SDI-MWDSDI-MWD、通用公司、通用公司QDT-MWDQDT-MWD克拉玛依油田钻井院克拉玛依油田钻井院通用公司通用公司QDT

20、-MWDQDT-MWD中原油田钻井院中原油田钻井院科学钻井科学钻井SDI-MWDSDI-MWD、通用公司、通用公司QDT-MWDQDT-MWD辽河油田钻井院辽河油田钻井院通用公司通用公司QDT-MWDQDT-MWD四川油田四川油田斯派里森公司斯派里森公司MWDMWD、通用公司、通用公司QDT-MWDQDT-MWD新星公司德州地质所新星公司德州地质所通用公司通用公司QDT-MWDQDT-MWD26国内国内LWDLWD配备现状配备现状单单 位位配套仪器类型配套仪器类型胜利定向井公司胜利定向井公司斯派里森公司斯派里森公司FEWD胜利油田钻井院胜利油田钻井院英国吉奥林公司英国吉奥林公司Orientee

21、r大港定向井公司大港定向井公司贝克休斯公司贝克休斯公司MPR中海油技术服务公司中海油技术服务公司斯派里森公司斯派里森公司FEWD / 贝克休斯公司贝克休斯公司On-Track大庆油田钻井院大庆油田钻井院贝克休斯公司贝克休斯公司MPR长庆油田钻井院长庆油田钻井院英国吉奥林公司英国吉奥林公司Orienteer27二对测斜计算数据的规定二对测斜计算数据的规定5 5在一个测段内，在一个测段内，井斜方位角变化的绝对值不得超过井斜方位角变化的绝对值不得超过180180。i i-i-1i-1180180时，时， i i=i i-i-1i-1-360-360 c c=(=(i i+i-1i-1)/2-180)

22、/2-180 i i-i-1i-1-180180 由由a点逆时针到点逆时针到b点：点： 180 在不太长的测段内，应在不太长的测段内，应该是由该是由a点逆时针钻到点逆时针钻到b点点。因此，井斜方位角增量。因此，井斜方位角增量为：为：= b-a-360 平均方位角为：平均方位角为：c= (i i+i-1i-1)/2-180)/2-180ab二对测斜计算数据的规定二对测斜计算数据的规定29三轨迹计算方法三轨迹计算方法1 1、计算顺序：、计算顺序：计算的目的是算出每个测点的坐标值。计算的目的是算出每个测点的坐标值。 从第个测段开始，逐段向下进行；从第个测段开始，逐段向下进行； 算出每个测段的坐标增量

23、；累加求得测点的坐标值。算出每个测段的坐标增量；累加求得测点的坐标值。 第第0 0测点的坐标值，测点的坐标值，D D0 0=D=Dm0m0 , L , Lp0p0=0, N=0, N0 0=0, E=0, E0 0=0 =0 。 2 2、计算内容：、计算内容： 测点：五个直角坐标值测点：五个直角坐标值( D , L( D , Lp p ,N , E , V ) ,N , E , V )， 两个极坐标值两个极坐标值( S ,) ( S ,) 。 测段：四个坐标增量测段：四个坐标增量( D( D，LLp p，NN，E )E )， 井眼曲率井眼曲率c c 。 30三、轨迹计算方法三、轨迹计算方法3

24、3、计算方法的多样性、计算方法的多样性需计算四个坐标增量：需计算四个坐标增量：DD，LLp p，NN，E E ；必须知道测段的几何形状；必须知道测段的几何形状；测斜只提供上下两个测点的参数；测斜只提供上下两个测点的参数；测段形状未知，计算时只能假设测段形状；测段形状未知，计算时只能假设测段形状；假设不同，计算方法不同。假设不同，计算方法不同。正切法正切法假设测段假设测段为直线，为直线，其方向与其方向与下测点方下测点方向一致向一致平衡正切法平衡正切法假设测段为假设测段为两段等长度两段等长度的折线，其的折线，其方向分别与方向分别与上、下测点上、下测点方向一致方向一致平均角法平均角法假设测段假设测段

25、为直线，为直线，其方向为其方向为上下测点上下测点方向的和方向的和方向方向圆柱螺线法圆柱螺线法假设测段为假设测段为圆柱螺线，圆柱螺线，螺线在两端螺线在两端点处与上下点处与上下两测点方向两测点方向相切相切曲率半径法曲率半径法假设测段为假设测段为平面圆弧，平面圆弧，圆弧在两端圆弧在两端处与上下测处与上下测点方向相切点方向相切国内外测段计算方法国内外测段计算方法314 4、计算方法、计算方法测段计算公式：测段计算公式：D=D=D Dm mcoscosc c L Lp p= =D Dm msinsinc c N=N=D Dm msinsinc ccoscosc cE=E=D Dm msinsinc cs

26、insinc c c c= =(i-1i-1+ +i i) )/2 /2 c c= =(i-1i-1+ +i i) )/2/2(1)(1)、平均角法：、平均角法：假设测段是一条直线，该直线的方向假设测段是一条直线，该直线的方向是上下二测点处井眼方向的是上下二测点处井眼方向的“和方向和方向”( (矢量和矢量和) )。 324 4、计算方法、计算方法测段计算公式：测段计算公式：D=2Dmsin(/2)cosc/ Lp=2Dmsin(/2)sinc/ N=4Dmsin(/2)sinc sin(/2)cosc/() E=4Dmsin(/2) sinc sin(/2)sinc/() （2 2）圆柱螺线法

27、）圆柱螺线法假设测段形状为一条等变螺旋角的圆假设测段形状为一条等变螺旋角的圆柱螺线；其两端与上下两测点处井眼柱螺线；其两端与上下两测点处井眼方向向切。在水平投影图上是圆弧。方向向切。在水平投影图上是圆弧。在垂直剖面图上也是圆弧。在垂直剖面图上也是圆弧。注意：注意：公式中的公式中的和和的单位，求三角函数时用的单位，求三角函数时用度度，其它情况下用，其它情况下用弧度弧度。334 4、计算方法、计算方法曲率半径法曲率半径法测段计算公式：测段计算公式： D = DD = Dm m(sin(sini i - sin - sini-1i-1) / ) / L Lp p= D= Dm m(cos(cosi-

28、1i-1 - cos - cosi i) / ) / N = D N = Dm m(cos(cosi-1i-1 - cos - cosi i) ) (sin (sini i - sin - sini-1i-1) / () / () ) E = D E = Dm m(cos(cosi-1i-1 - cos - cosi i) ) (cos (cosi-1i-1 - cos - cosi i) / () / () ) （3 3）曲率半径法）曲率半径法美国人也曾提出了以圆柱螺旋线为模型的测段参数计算方法，称之美国人也曾提出了以圆柱螺旋线为模型的测段参数计算方法，称之为曲率半径法。其计算结果与圆柱螺旋

29、线法相同。只是计算公式的为曲率半径法。其计算结果与圆柱螺旋线法相同。只是计算公式的表达形式不同。表达形式不同。 注意：注意：圆柱螺旋线法和曲率半径法圆柱螺旋线法和曲率半径法的公式，在分母位置上都有的公式，在分母位置上都有和和（单位为（单位为弧度弧度）。这两个增量中任一个或同时为零时，都需要另）。这两个增量中任一个或同时为零时，都需要另选公式计算。选公式计算。为解决这一问题，提出了为解决这一问题，提出了校正平均角法。校正平均角法。344 4、计算方法、计算方法测段计算公式：测段计算公式： D= fD= fD DDDm mcoscosc c L Lp p= f= fD DDDm msinsinc

30、c N= f N= fH HDDm msinsinc ccoscosc c E= f E= fH HDDm msinsinc csinsinc c其中：其中： f fD D =1- =1-2 2 / 24 / 24 f fH H =1-( =1-(2 2 + + 2 2) / 24) / 24（4 4）校正平均角法）校正平均角法我国钻井行业标准规定使用的方法（我国钻井行业标准规定使用的方法（校正平均角法校正平均角法）测段计算公式与平均角法公式的形式相似，只是在平均角法公式测段计算公式与平均角法公式的形式相似，只是在平均角法公式的基础上乘以校正系数的基础上乘以校正系数f fD D和和f fH H

31、，因而称之为，因而称之为校正平均角法校正平均角法。注意：注意：以上二式中的以上二式中的和和的单位为的单位为弧度弧度。 35关于校正平均角法的推导：关于校正平均角法的推导：在曲率半径法的基础上，进行三角变换：在曲率半径法的基础上，进行三角变换： 将三角函数用幂级数表示：将三角函数用幂级数表示： 取前两项：取前两项：ciiciiiiiiiiiisinsin2sinsin2coscoscossin2cossin2sinsin222122211111!552!33222sin4822482233sinsin36 将以上几式代入曲率半径法公式，即可得到校正平均将以上几式代入曲率半径法公式，即可得到校正平

32、均角法的计算表达式角法的计算表达式ccmccmcmpcmDEDNDLDDsinsin)1 (cossin)1 (sin)1 (cos)1 (24242424222222关于校正平均角法的推导：关于校正平均角法的推导：37第三节第三节 直井防斜技术直井防斜技术3 3、在开发采油方面：、在开发采油方面：影响分层开采；影响修井工作；影响影响分层开采；影响修井工作；影响采收率（死油区）。采收率（死油区）。井斜的危害：井斜的危害：1 1、在地质勘探方面：、在地质勘探方面：造成地质资料失真；打乱合理的地下造成地质资料失真；打乱合理的地下井网和开发方案。井网和开发方案。2 2、在钻井施工方面：、在钻井施工方

33、面：恶化钻柱工作条件；易造成井壁坍塌恶化钻柱工作条件；易造成井壁坍塌和卡钻；易造成固井下套管困难和注水泥窜槽；纠斜侧钻和卡钻；易造成固井下套管困难和注水泥窜槽；纠斜侧钻增加成本。增加成本。 38一井斜的原因一井斜的原因地质因素，钻具因素地质因素，钻具因素1 1、地质因素、地质因素 地层倾斜地层倾斜和和地层可钻性不均匀性地层可钻性不均匀性两个方面。两个方面。 地层倾角小于地层倾角小于4545时，钻头偏向垂直地层层面的方向；时，钻头偏向垂直地层层面的方向； 地层倾角超过地层倾角超过6060时，钻头沿着平行地层层面方向下滑；时，钻头沿着平行地层层面方向下滑；地层倾角在地层倾角在45456060之间时

34、，井斜方向属不稳定状态。之间时，井斜方向属不稳定状态。（1 1）地层可钻性的各向异性因素）地层可钻性的各向异性因素沉积岩特性：垂直层面方向的可钻性高，平行层面方向的可钻性低。沉积岩特性：垂直层面方向的可钻性高，平行层面方向的可钻性低。 钻头总是有向着容易钻进的方向前进的趋势钻头总是有向着容易钻进的方向前进的趋势。 391 1、地质因素、地质因素(2)(2)、地层可钻性的纵向变化、地层可钻性的纵向变化地层倾斜且软硬交错，钻头偏向垂直地层层面方向。地层倾斜且软硬交错，钻头偏向垂直地层层面方向。 硬软v2v1 钻头两侧地层软硬不同，钻头两侧地层软硬不同，切削速度不同，钻头向地切削速度不同，钻头向地层

35、上倾方向偏斜。层上倾方向偏斜。 钻头钻至交界面时，压垮钻头钻至交界面时，压垮硬薄层，留下小台肩，把硬薄层，留下小台肩，把钻头推向地层上倾方向。钻头推向地层上倾方向。硬软小斜向器40（3 3）地层可钻性的横向变化）地层可钻性的横向变化垂直于钻头轴线方向上可钻垂直于钻头轴线方向上可钻性的变化。性的变化。 如：如：在钻头的一侧下面钻遇在钻头的一侧下面钻遇溶洞或较疏松的地层，而另溶洞或较疏松的地层，而另一侧则钻遇较致密的地层。一侧则钻遇较致密的地层。1 1、地质因素、地质因素钻头对井底的不对称切削，使钻头轴线相对于井眼轴线发生倾钻头对井底的不对称切削，使钻头轴线相对于井眼轴线发生倾斜，导致新钻井眼偏离

36、原井眼斜，导致新钻井眼偏离原井眼412 2、钻具因素、钻具因素_引起钻头倾斜，在井底引起钻头倾斜，在井底形成不对称切削。形成不对称切削。使钻头受侧向力的作用，使钻头受侧向力的作用，产生侧向切削。产生侧向切削。 p导致钻具倾斜和弯曲的原因：导致钻具倾斜和弯曲的原因：钻具和井眼之间有一定间隙。钻具和井眼之间有一定间隙。 钻压的作用，钻柱受压靠近井壁或发生弯曲。钻压的作用，钻柱受压靠近井壁或发生弯曲。 钻具本身弯曲；转盘安装不平、井架安装不正等。钻具本身弯曲；转盘安装不平、井架安装不正等。钻具的倾斜和弯曲钻具的倾斜和弯曲“底部钻具组合底部钻具组合”(BHA)(BHA)423 3、井眼扩大、井眼扩大钻

37、头在井眼内左右移动，靠向一侧，钻头轴线与井眼轴线不钻头在井眼内左右移动，靠向一侧，钻头轴线与井眼轴线不重合，导致井斜。重合，导致井斜。井斜的原因井斜的原因地质因素地质因素钻具因素钻具因素井眼扩大井眼扩大不可控不可控满眼钻具组合满眼钻具组合钟摆钻具组合钟摆钻具组合43二、满眼钻具组合控制井斜二、满眼钻具组合控制井斜方法：方法：在下部钻具适当位置上安装在下部钻具适当位置上安装3 34 4个扶正器。个扶正器。 扶正器尺寸：扶正器尺寸：d=dd=dh h-d-ds s=1.0 =1.0 2.0 mm2.0 mm钻具引起井斜原因：钻具引起井斜原因： 钻头对井底的不对称切削；钻头对井底的不对称切削； 钻头

38、轴线相对于井眼轴线发生倾斜；钻头轴线相对于井眼轴线发生倾斜； 钻头上的侧向力导致对井底的侧向切削。钻头上的侧向力导致对井底的侧向切削。 基本原理：基本原理： 增大下部钻具组合的增大下部钻具组合的尺寸尺寸和和刚度刚度，近似，近似“填满井眼填满井眼”，防止钻柱弯曲和倾斜。防止钻柱弯曲和倾斜。解决这些问题的方法之一是让钻具填满井眼，即：解决这些问题的方法之一是让钻具填满井眼，即：满眼钻具组合。满眼钻具组合。44、YXYYXY组合的结构组合的结构近扶正器：近扶正器：抵抗侧向力，防止侧向切削和抵抗侧向力，防止侧向切削和不对称切削。不对称切削。 中扶正器：中扶正器：保证中扶正器与钻头之间的钻保证中扶正器与

39、钻头之间的钻柱不发生弯曲。其安柱不发生弯曲。其安放位置需严格计算。放位置需严格计算。 上扶正器：上扶正器：保证钻具上至少有保证钻具上至少有3 3个稳定点个稳定点与井壁接触，从而保证井眼的直线性。与井壁接触，从而保证井眼的直线性。 第四扶正器：第四扶正器：增大下部钻柱的刚度，协助增大下部钻柱的刚度，协助中扶防止钻柱弯曲。中扶防止钻柱弯曲。二、满眼钻具组合控制井斜二、满眼钻具组合控制井斜Lp45二、满眼钻具组合控制井斜二、满眼钻具组合控制井斜4sin16mqJECpLL Lp p - -中扶距钻头的中扶距钻头的最优长度最优长度，m m ； C-C-扶正器与井眼的半间隙，扶正器与井眼的半间隙，C=(

40、dC=(dh h-d-ds s)/2)/2，m m ； d dh h井眼直径，井眼直径，m m ；d ds s扶正器外径，扶正器外径，m m ； E-E-钻铤钢材的杨氏模量，钻铤钢材的杨氏模量，kN/mkN/m2 2 ； J-J-钻铤截面的轴惯性矩，钻铤截面的轴惯性矩，m m4 4 ； q qm m-钻铤在钻井液中的线重，钻铤在钻井液中的线重，kN/m kN/m ； -允许的最大井斜角，允许的最大井斜角，( () )。 根据等截面梁纵横弯曲理论中的挠度计算公式和压杆稳根据等截面梁纵横弯曲理论中的挠度计算公式和压杆稳定的临界载荷计算公式，并进行处理求导可得最优位置：定的临界载荷计算公式，并进行处

41、理求导可得最优位置：2 2、YXY YXY 组合组合“中扶中扶”位置的计算位置的计算64)(44cicoddJ基本物理模型：基本物理模型：一端固定、一端铰支的纵横弯曲梁。一端固定、一端铰支的纵横弯曲梁。46例题：例题：已知钻头直径已知钻头直径216mm216mm，扶正器直径，扶正器直径215mm215mm，钻铤钢材的杨氏，钻铤钢材的杨氏模量为模量为2.05942.059410108 8kN/mkN/m2 2，钻铤外径，钻铤外径178mm178mm，内径，内径71.4mm71.4mm，钻井液密度钻井液密度1.25 g/cm1.25 g/cm3 3，钻铤线重，钻铤线重1.6 kN/m1.6 kN/

42、m，允许的最大，允许的最大井斜角井斜角3 3，求中扶距钻头的最优长度。，求中扶距钻头的最优长度。 解：解：根据给定条件，可求得：根据给定条件，可求得： J=J= (d(dcoco4 4-d-dcici4 4)/64 =0.48)/64 =0.481010-4-4m m4 4 , , q qm m=1.6(1-=1.6(1- d d/ / s s)=1.34 kN/m , )=1.34 kN/m , c=(d c=(dh h-d-ds s)/2 = 0.0005 m )/2 = 0.0005 m L Lp p=(16CEJ)/(Q=(16CEJ)/(Qm msin)sin)0.250.25 =

43、5.789 m = 5.789 m 。47二、满眼钻具组合控制井斜二、满眼钻具组合控制井斜3 3、满眼钻具组合的使用、满眼钻具组合的使用(1).(1).只能控制井眼曲率，不能控制井斜角的大小只能控制井眼曲率，不能控制井斜角的大小, ,不能纠斜。不能纠斜。 (2).(2).“以快保满，以满保直以快保满，以满保直”。间隙对满眼钻具组合性能影响。间隙对满眼钻具组合性能影响显著。设计间隙一般为显著。设计间隙一般为d=dd=dh h-d-ds s=0.8=0.81.6mm1.6mm。当间隙。当间隙dd达到达到或超过两倍的设计值时，应及时更换或修复扶正器。在井径扩或超过两倍的设计值时，应及时更换或修复扶正

44、器。在井径扩大井段不适用。要抢在井径扩大以前钻出新的井眼。大井段不适用。要抢在井径扩大以前钻出新的井眼。 (3).(3).不宜在井眼曲率大的井段使用。防止卡钻。不宜在井眼曲率大的井段使用。防止卡钻。 (4).(4).在钻进软硬交错，或倾角较大的地层时，要注意适当减小在钻进软硬交错，或倾角较大的地层时，要注意适当减小钻压，勤划眼，以便消除可能出现的钻压，勤划眼，以便消除可能出现的“狗腿狗腿”。 (5).(5).为了发挥满眼钻具的防斜作用，在钻具上至少要有为了发挥满眼钻具的防斜作用，在钻具上至少要有3 3个稳定个稳定点。即：至少要安放点。即：至少要安放3 3个稳定器。个稳定器。48三、钟摆钻具组合

45、控制井斜三、钟摆钻具组合控制井斜 在下部钻柱的适当位在下部钻柱的适当位置安装一个扶正器，当发置安装一个扶正器，当发生井斜时，该扶正器支撑生井斜时，该扶正器支撑在井壁上形成支点，使下在井壁上形成支点，使下部钻柱悬空。则该扶正器部钻柱悬空。则该扶正器以下的钻柱就好象一个钟以下的钻柱就好象一个钟摆，摆，产生一个钟摆力产生一个钟摆力。钻。钻头在此钟摆力的作用下切头在此钟摆力的作用下切削下井壁。从而使新钻的削下井壁。从而使新钻的井眼不断降斜。井眼不断降斜。1 1、钟摆钻具组合的原理、钟摆钻具组合的原理49三、钟摆钻具组合控制井斜三、钟摆钻具组合控制井斜2 2、YXYYXY钟摆钻具组合设计钟摆钻具组合设计

46、 钻头上的钟摆力：钻头上的钟摆力：最优扶正器安放位置计算：最优扶正器安放位置计算： W W-钻压，钻压，kNkN； d dh h-井径，井径，m m； d dc c-钻铤直径，钻铤直径，m m。 sinzmdLqF 222246 .18404.82sin2chddmABACBzrrJECrWBqAL考虑到扶正器磨损和考虑到扶正器磨损和 井径扩大，使用距离井径扩大，使用距离比计算距离适当减小。比计算距离适当减小。 LS=(0.90.95)Lz50三、钟摆钻具组合控制井斜三、钟摆钻具组合控制井斜(1)(1)、多数用于井斜角较大的井纠斜。直井内无防斜作用、多数用于井斜角较大的井纠斜。直井内无防斜作用

47、. . (2)(2)、其性能对钻压特别敏感。钻压增大，则增斜力增大，钟、其性能对钻压特别敏感。钻压增大，则增斜力增大，钟 摆力减小。使用时必须严格控制钻压。摆力减小。使用时必须严格控制钻压。 (3)(3)、只能使用小钻压只能使用小钻压“吊打吊打”。如果使用大钻压。如果使用大钻压, ,可能形成可能形成 新的支点。新的支点。 (4)(4)、不能有效控制井眼曲率，易形成、不能有效控制井眼曲率，易形成“狗腿狗腿”。 (5)(5)、间隙对钟摆钻具组合性能的影响比较明显。、间隙对钟摆钻具组合性能的影响比较明显。3 3、钟摆钻具组合的使用、钟摆钻具组合的使用51四、其它直井防斜技术四、其它直井防斜技术1 1

48、、塔式钻具、塔式钻具( (钟摆原理钟摆原理) )； 2 2、偏心钻铤、偏心钻铤( (形成公转和钟摆力形成公转和钟摆力) )；3 3、方钻铤、方钻铤( (满眼钻具原理满眼钻具原理) )；4 4、钻铤偏心短节、钻铤偏心短节( (形成钻铤公转形成钻铤公转) )。 52反钟摆钻具结构图反钟摆钻具结构图 1)1)第一稳定器抵上井壁；第一稳定器抵上井壁； 2)2)第一跨挠度向上；第一跨挠度向上；3)3)钻压产生降斜力，钻压越大，钻压产生降斜力，钻压越大， 降斜力越大；降斜力越大；4)4)钻头倾角向下钻头倾角向下(At0)(At0)有助于降斜。有助于降斜。 结构特点：第一稳定器以下采用柔性钻具结构特点：第一

49、稳定器以下采用柔性钻具 四、其它直井防斜技术四、其它直井防斜技术53反钟摆钻具钻头侧向力随钻压关系图 从图示可以看出，钻压越大，降斜力越大，说明反钟摆钻具比钟摆从图示可以看出，钻压越大，降斜力越大，说明反钟摆钻具比钟摆钻具更能控制井斜，同时在钻进过程中，能够加上足够大的钻压快钻具更能控制井斜，同时在钻进过程中，能够加上足够大的钻压快速钻进，实现防斜打快的目的。速钻进，实现防斜打快的目的。 四、其它直井防斜技术四、其它直井防斜技术54四、其它直井防斜技术四、其它直井防斜技术55第四节第四节 定向井井眼轨道设计定向井井眼轨道设计常规定向井：常规定向井： b b = 15 = 15 6060 b b

50、 - -最大稳斜角。最大稳斜角。大斜度井：大斜度井： b b = 60 = 60 8585 水平井：水平井： b b = 90 = 90上翘井：上翘井： b b = 90 = 90 120120大位移井：大位移井： 水平位移与垂深之比大于等于水平位移与垂深之比大于等于2.02.0。 一定向井轨道分类一定向井轨道分类 二维定向井二维定向井三维定向井三维定向井常规二维定向井：常规二维定向井：非常规二维定向井：非常规二维定向井：纠偏纠偏三维定向井三维定向井绕障绕障三维定向井三维定向井直线圆弧曲线直线圆弧曲线直线圆弧曲线直线圆弧曲线特殊曲线特殊曲线56二、常规二维定向井轨道设计二、常规二维定向井轨道设

51、计、设计原则、设计原则(1) (1) 能实现钻定向井的目的。能实现钻定向井的目的。(2) (2) 有利于安全、优质、快速钻井。有利于安全、优质、快速钻井。 A A、轨道形状简单，尽量保持较长的直井段，容易实现钻进；、轨道形状简单，尽量保持较长的直井段，容易实现钻进； B B、尽量减小最大井斜角，以便减小钻井难度；、尽量减小最大井斜角，以便减小钻井难度；15153030，小倾角定向井；，小倾角定向井； 30306060，中倾角定向井；，中倾角定向井； 大于大于6060，大倾角定向井。，大倾角定向井。 57二、常规二维定向井轨道设计二、常规二维定向井轨道设计C C、选择合适的造斜点位置：、选择合适

52、的造斜点位置： 地层：硬度适中，无坍塌、缩径、高压、易漏。地层：硬度适中，无坍塌、缩径、高压、易漏。 深度：根据垂深、水平位移、剖面类型等确定。深度：根据垂深、水平位移、剖面类型等确定。 垂深大、位移小，造斜点应深一些，避免长稳斜段；垂深大、位移小，造斜点应深一些，避免长稳斜段； 垂深小、位移大，造斜点应浅一些，减小定向施工工作量。垂深小、位移大，造斜点应浅一些，减小定向施工工作量。、设计原则、设计原则D D、选择合适的井眼曲率、选择合适的井眼曲率lK Kc c小：造斜段长，钻速低；小：造斜段长，钻速低； lK Kc c大：摩阻大，起下钻、下套管等作业困难；大：摩阻大，起下钻、下套管等作业困难

53、； l保持保持K Kc c均匀，避免急弯，防止阻卡；均匀，避免急弯，防止阻卡； l保证钻具顺利通过。保证钻具顺利通过。 58(3) (3) 有利于采油工艺的要求；有利于采油工艺的要求；尽量减小井眼曲率，以改善油管和抽油杆的工作条件。尽量减小井眼曲率，以改善油管和抽油杆的工作条件。 尽量以具有较小井斜角的平直井段（斜直或垂直）进入尽量以具有较小井斜角的平直井段（斜直或垂直）进入油气层。以利于安装电潜泵，坐封封隔器及其他井下作业。油气层。以利于安装电潜泵，坐封封隔器及其他井下作业。、设计原则、设计原则59、轨道类型、轨道类型 三段式，多靶三段式，五段式和双增式。三段式，多靶三段式，五段式和双增式。

54、特点：特点：最常用和最简单的井眼轨迹，造斜点浅，施工简单，最常用和最简单的井眼轨迹，造斜点浅，施工简单，水平位移较大时常用；水平位移较大时常用；轨迹容易控制，一般井斜角为轨迹容易控制，一般井斜角为15154545。直井段直井段造斜段造斜段稳斜段稳斜段60常用于靶点较深、水平位移常用于靶点较深、水平位移较小，入靶点有井斜要求的较小，入靶点有井斜要求的定向井。定向井。一般用于水平井。一般用于水平井。直井段直井段造斜段造斜段稳斜段稳斜段降斜段降斜段稳斜段稳斜段直井段直井段造斜段造斜段稳斜段稳斜段增斜段增斜段稳斜段稳斜段61轨道设计给定的条件轨道设计给定的条件623 3、设计条件、内容及步骤、设计条件

55、、内容及步骤由地质、采油部门提供的要求：由地质、采油部门提供的要求：l目标点位置：目标点位置：D Dt t、S St t、 0 0l目标段位置：目标段位置：D Dt t、 S St t、DDmmmm、t t、 0 0 由钻井工程要求和设计原则确定的数据：由钻井工程要求和设计原则确定的数据： l 造斜点深度造斜点深度 D Dkopkopl 井眼曲率井眼曲率K Kc c （1 1）设计条件）设计条件633 3、设计条件、内容及步骤、设计条件、内容及步骤1 1、选择轨道形状：、选择轨道形状： 给定给定D Dt t、S St t、 0 0，选用三段式；选用三段式； 给定给定D Dt t、S St t、

56、DDmmmm、t t、 0 0，选用五段式或多靶三段式；选用五段式或多靶三段式； 给定给定D Dt t、S St t、DDmmmm、t t、 0 0，且，且t t较大，用双增式。较大，用双增式。2 2、确定造斜点位置、确定造斜点位置D Dkopkop；造斜率；造斜率K Kz z，降斜率，降斜率K Kn n，第二造斜率，第二造斜率K Kzzzz； 3 3、计算关键参数：、计算关键参数：稳斜段井斜角稳斜段井斜角b b、稳斜段长度、稳斜段长度DDmwmw； 4 4、计算各井段井身参数：、计算各井段井身参数：DDm m 、DD 、SS； 5 5、绘制垂直剖面图和水平剖面图。、绘制垂直剖面图和水平剖面图

57、。（2 2）设计内容及步骤）设计内容及步骤644 4、轨道的设计计算、轨道的设计计算曲率半径曲率半径: : ccKKR171930180单位单位: :K Kc c（/30m/30m），），R R（m m）（1 1）三段式）三段式 给定给定D Dt t、S St t、D Dkopkop、K Kz z 、 0 0时，时，计算计算b b、DDmwmw；)2/()arctan(2)2(5 . 022eemwebeeeemwSRDDSRSDDzetekopteRRSSDDD 65（1 1）三段式）三段式 bbzkoptmwzzbbtkoptzRDDDRKSDDRcos/ )sin(/1719)2/tan

58、()tan/(给定给定D Dt t、S St t、 0 0、D Dkopkop、 b b 时，计算时，计算K Kz z 、DDmwmw； bbzkoptmwbzbttkopRDDDRSDDcos/ )sin()2/tan(tan/给定给定D Dt t、S St t、 0 0、K Kz z 、b b 时，计算时，计算 D Dkopkop、DDmwmw； 66（2 2）多靶三段式）多靶三段式 tbzkoptmwttzkopttRDDDRDDScos/ )sin(tan)2tan(给定：给定：D Dt t、D Dkopkop、K Kz z、o o、t t、D Dmmmm， 计算：计算：S St t、

59、DDmwmw；（倒推设计法）；（倒推设计法）（3 3）五段式）五段式 已知条件：已知条件：D Dt t、S St t、DDmmmm、t t、 0 0、D Dkopkop、K Kz z、K Kn n中间参数：中间参数：D De e=D=Dt t-D-Dkopkop+R+Rn nsinsint t S Se e=S=St t+R+Rn n(1-cos(1-cost t) ) R Re e=R=Rz z+R+Rn n )2/()arctan(2)2(5 . 022eemwebeeeemwSRDDSRSDD67（4 4）双增式轨道）双增式轨道给定条件：给定条件：D Dt t、S St t、D Dkop

60、kop、K Kz z、o o、t t、DDmmmm、K Kzzzz注意：以上各轨道类型计算公式中所有符号的含义见教材图注意：以上各轨道类型计算公式中所有符号的含义见教材图5-205-20、5-215-21、5-225-22、5-235-23中的标注。尤其是应注意不同轨道时中的标注。尤其是应注意不同轨道时D Dt t和和S St t的取值。的取值。eemwebeeemwzzzetzzztetzzkopteSRDDRSDDRRRRRSSRDDDarctan2)(cossin5 . 0222685 5、井段计算及设计结果表述、井段计算及设计结果表述对每个井段计算出段长、垂增、平增三个参数。对每个井段