定向井水平井教材

1、百度文库第一章 定向井（水平井）钻井技术概述第一节定向井、水平井的基本概念1定向井丛式井发展简史定向井钻井被（英） T A 英格利期定义为： “使井筒按特定方向偏斜，钻遇地下预定目标的一门科学和艺术。 ”我国学者则定义为，定向井是按照预先设计的井斜角、方位角和井眼轴线形状进行钻进的井。定向井相对与直井而言它具有井斜方位角度而直井是井斜角为零的井，虽然实际所钻的直井它都有一定斜度但它仍然是直井。定向井首先是从美国发展起来的，在十九世纪后期，美国的旋转钻井代替了顿钻钻井。当时没有考虑控制井身轨迹的问题，认为钻出来的井必定是铅垂的，但通过后来的井筒测试发现，那些垂直井远非是垂直的。并由于井斜原因造成

2、了侵犯别人租界而造成被起诉的案例。最早采用定向井钻井技术是在井下落物无法处理后的侧钻。早在1895 年美国就使用了特殊的工具和技术达到了这一目的。有记录定向井实例是美国在二十世纪三十年代初在加利福尼亚享廷滩油田钻成的。第一口救援井是1934 年在东德克萨斯康罗油田钻成的。救援井是指定向井与失控井具有一定距离，在设计和实际钻进让救援井和失控井井眼相交，然后自救援井内注入重泥浆压死失控井。目前最深的定向井由BP 勘探公司钻成，井深达10， 654 米；水平位移最大的定向井是BP 勘探公司于己于1997 年在英国北海的Rytch Farm油田钻成的M11 井，水平位移高达1，0114 米。垂深水平位

3、移比最高的是Statoil 公司钻成的的33/9 C2 达到了 1:3.14 ；丛式井口数最多，海上平台：96 口；人工岛：170 口；我国定向井钻井技术发展情况我国定向井钻井技术的发展可以分为三个阶段，50 60 年代开始起步，首先在玉门和四川油田钻成定向井及水平井: 玉门油田的C2 15 井和磨三井，其中磨三井总井深 1685 米，垂直井深表遗憾350 米，水平位移444.2 米，最大井斜92，水平段长 160 米； 70 年代扩大实验，推广定向井钻井技术；80 年代通过进行集团化联合技术攻关，使得我国从定向井软件到定向井硬件都有了一个大的发展。我国目前最深的水平井是胜利定向井公司完成的D

4、H1-H1井，完钻井深达到：6452.00 米。水平位移最大的大位移井是胜利定向井公司完成的埕北21- 平 1 井，水平位移达到3167.34 米，最大的丛式井组是胜利石油管理局的河50 丛式井组，该丛式井组长 384 米，宽 115 米，该丛式井平台共有钻定向井42 口。2定向井的分类按定向井的用途分类可以分为以下几种类型：普通定向井多目标定向井定向井丛式定向井救援定向井水平井多分枝井（多底井）1百度文库国外定向井发展简况（表一）年代50年代60年代70年代80年代90年代内容剖面设计及误差很大的正18 种二维计算轨迹计算方切法，进行定方法，如更精法向井设计轨迹确的曲率半径计算法发展到三维设

5、计和大组丛式井整体设计计算机专家系发展了大型集统进行定向井 成设计软件包的设计和指导定向井施工井 斜 控 制 理斜直井段的二考虑了井眼的论维分析曲率及满眼组合的特性三维数据分析，发展了多种分由静态发展到析计算方法并动态编制了计算机程序在原来多种分析的基础上引入了数学及其它边沿学科定向造斜工涡轮加弯接头艺斜向器配合转盘钻测量方式氢氟酸玻璃管刻线法和地面定向法使用效率更高涡轮、螺杆动力发展了复合式发展成熟多分的螺杆动力钻钻具向低速大动力钻具，导枝井回接工艺具，专用工具扭矩发展。各种向钻井系统，地质导向钻井的定型配套专用井下工具长寿命 PDC 钻系统系列化头等机械式罗盘，有线随钻测斜多种无线随钻发展

6、成熟带地精度较高的单仪投入工业性测斜系统投入质参数的无线多点照相测斜使用，无线随工业使用和发随钻测斜仪仪钻测斜仪研制展了电子测量成功系统和陀螺测量系统定 向 井 钻 井精度要求不高可打准确度较水平中深定向井高的定向井和小组定向井可打准确度较高的定向救援井和大组丛式井钻成大量水平钻成位移过万井从大半径水米的大位移井平井到小半径径向水平井可水平井多底泄在 0.3 米之内完油井成增斜过程2百度文库我国定向井钻井技术发展情况（表二）年60年代80年代90年代代内容剖面设计及轨设计采用查表法、发展了曲率半径法，最小曲率半径法等多引入人工智能和专家系统迹计算方法图解 法等精度 不精确的轨迹计算和设计方法，

7、编制了能进高的方法预测和防碰扫描的计算机软件包。井斜控制理论进行了钻具的二发展了多种新的分析计算方法，例维静态分析主要如：平衡梁法、加权余量法等，并编使用有限元法制了计算机分析程序定向造斜工艺使用地面定向法使用精度高的磁性单多点测斜仪进（钻杆打钢印）。行定向和轨迹数据测量，发展了有线数据测量使用电随钻测斜仪定向。测井数据。理论分析模型由静态态发展到动态，由二维发展到三维发展了导向钻井系统初步研制出径向水平井造斜工艺测量方式氢氟酸测斜仪， 机多种引进的有线随钻测斜系统投入发展了无线随钻测斜系统， 引械式罗盘的电测工业使用和发展了电子测量系统及进了带地质参数的MWD 系井方法。陀螺测量系统统定向井

8、钻井水简单的单口定向钻成大量高难度定向井、大组丛式在水平井方面取得大型突破，平井、水平井位移井、多目标井、套管定向开窗井、水钻成了长、中、短半径水平井小，精度低平井也从大半径水平井发展到了中半径水平井第二节水平井钻井技术简介所谓水平井，是指一种井斜角大于或等于86，并保持这种角度钻完一定长度水平段的定向井。1水平井钻井技术发展概况1863 年，瑞士工程师首先提出钻水平井的建议；1870 年，俄国工程师在勃良斯克市钻成井斜角达60的井；瑞典和美国研制出测量井眼空间位置的仪器，1888 年俄国也设计出了测斜仪器；1929 年，美国国加利福尼亚州钻成了几米长的水平分支井筒；30 年代，美国开始用挠性

9、钻具组合在垂直井内钻曲率半径小的水平井分支井眼；1954年苏联钻成第一口水平位移；1964年 1965 年我国钻成两口水平井，磨3 井、巴 24 井；自来80 年代以来，随着先进的测量仪器、长寿命马达和新型PDC 钻头等技术的发展，水平井钻井大规模高速度的发展起来。3百度文库我国水平井钻井在 90 年代以来也取得了很大发展，胜利油田已完成各种类型水平井近 400 口，水平井钻井水平和速度不断提高。水平井的类型及各种类型水平井的特点1）水平井的类型：根据水平井曲率半径的大小分为：长曲率半径水平井（小曲率水平井）；中曲率半径水平井（中曲率水平井）；短曲率半径水平井（大曲率水平井）。2 ）不同曲率水

10、平井的基本特征及优缺点（ 1）不同曲率水平井的基本特征表井型长半径水平井中半径水平井短半径水平井项目造斜率15 /100 米使用抗压钻铰接驱动钻杆杆无限制有线随钻测斜仪，MWD，转盘钻井时使用多点测测量工具但井眼 1000 米）1井眼轨道控制段最长2使用标准的钻具及套管全井斜深增加最多3“狗腿严重度”最小钻井费用增加4使用常规钻井设备各种下部钻具组合较长5可使用多种完井方法不适合薄油层和浅油层6可采用多种举升采油工艺转盘扭矩较大7测井及取芯方便套管用量最大8井眼及工具尺寸不受限制穿过油层长度与总水平位移比最小（）中曲率半径水平井的优缺点优点缺点1 进入油层时无效井段较短1要求使用 MWD 测量

11、系统2 使用的井下工具接近常规工具要求使用加重钻杆或抗压缩钻杆3 使用动力钻具或导向钻井系统4 离构造控制点较近5 可使用常规的套购及完井方法6 井下扭矩及阻力较小7 较高及较稳定的造率8 井眼轨迹控制井段较短9 穿透油层段较长（ 1000 米）10 井眼尺寸不受限制11 可以测井及取芯12 从一口直井可以钻多口水平分枝井13 可实现有选择的完井方案（ 4）短曲率半径水平井的优缺点优点缺点1 井眼曲线段最短1非常规的井下工具2 侧钻容易非常规的完井方法3 能够准确击中油层目标穿透油层段短（120 180 米）4 从一口直井可以钻多口水平分枝井井眼尺寸受到限制5 直井段与油层距离最小起下钻次数多

12、6 可用于浅油层要求使用顶部驱动系或动力水龙头7 全井斜深最小井眼方位控制受到限制8 不受地表条件的影响目前还不能进行电测第三节定向井的基本术语解释5百度文库1）井深：指井口（转盘面）至测点的井眼实际长度，人们常称为斜深。国外称为测量深度（Measure Depth ）。2 ）测深：测点的井深，是以测量装置（ Angle Unit）的中点所在井深为准。真北极3) 井斜角：该测点处的井眼方向线与重力线之间的夹角（见图1.2 ）。?井斜真北方位线角常以希腊字母表示，单位为度。4?）井斜方位角：是指以正比方位线为始东磁偏角边，顺时针旋转至井斜方位线所转过的角度（见图1.3 ）。?井斜方位角常以希腊字

13、母表示，单位为度。实际西磁偏角应用过程中常常简称为方位角。?A地B地图 1.1 磁偏角示意图5 ）磁方位角：磁力测斜仪测得的井斜方位角是以地球磁北方位线为准的，称磁方位角。井口AB正北方位线A井斜方向线井底B井斜方位角 B重力线 B井斜方位线图 1.2井斜角示意图图 1.3 井斜方位角示意图6 ）磁偏角：磁北方位线与真北方位线并不重合，两者之间有一个夹角，这个夹角称为磁偏角。磁偏角又有东磁偏和西磁偏角之分，当磁北方位线在正北方位线以东时，称为东偏角；当磁北方位线在正北方位线以西时称为西偏磁偏角。?进行磁偏角校正时按以下公式计算：真方位角磁方位角东偏磁偏角真方位角 =磁方位角西偏磁偏角7?）井斜

14、变化率：是指井斜角随井深变化的快慢程度，常以K表示， ?精确的讲井斜变化率是井斜角度（）对井深（L?）的一阶导数。dKdL井斜变化率的单位常以每100 米度表示。8）井深方位变化率：实际应用中简称方位变化率，?是指井斜方位角随井深变化的快慢程度，常用K表示。计算公式如下：d6百度文库dL井斜方位变化率的单位常以每100 米度进行表示。9）全角变化率（狗腿严重或井眼曲率）：从井眼内的一个点到另一个点，井眼前进方向变化的角度 （两点处井眼前进方向线之间的夹角），?该角度既反映了井斜角度的变化又反映了方位角度的变化，通常称为全角变化值。?两点间的全角变化值相对与两点间井眼长度L 变化的快慢及为全角变

15、化率。用化式表达如下：L实际钻井中，井眼曲率的计算方法：目前计算井眼曲率的方法有很多。有公式法、查表法、图解法、查图法和尺算法五种。后四种办法皆来源于公式法。计算井眼，曲率的公式计有三套：第一套公式：对于一个测点：K SQR（ K 2K 2sin 2）对于一个测段：K SQR（ ( L) 2 ( L) 2SIN2 c）B cA0Ca图 1.4 第一套公式的图解法第一套公式的图解法（参见图1.4 ）：（ 1）作水平射线 OA；（ 2）作 BOA c（两测点平均角） ；（ 3） . 以一定长度代表单位角度，量OB（两测点方位角差） ；（ 4）自 B点向 OA作垂线，垂足为 C点；（ 5）按步骤 (

16、3) 中的比例，量 CA；（ 6）连接 A、 B，并量 AB长度，按步骤 (3) 比例换算成角度，此角度及狗腿角。第二套公式： （由于误差较大，现场使用少略）第三套公式： SQR（ 12 22 2 1 2COS）B7百度文库a20Aa1图 1.5 第三套公式的图解法第三套公式图解法（参见图1.5 ）：（1）选取一定比例，经一定长度代表单位角度，作线段OA，使其长度代表1；（ 2）作 OB线段，使 BOA；（ 3）按步骤 (1) 的比例，量 OB 2；（ 4）连接 A、 B，并量邓 AB的长度，按步骤 (1) 的比例换算成角度，既为10）垂深（垂直井深） ：即某测点的垂直深度，以H 表示。 ?是

17、指井身任意一点至转盘面所在平面的距离。11）水平投影长度：是指自井口至测点的井眼长度在水平面上的投影长度。以S?表示。12）水平位移： 简称平移， 是指测点到井口垂线的距离。在国外又称为闭合距( ClosureDistance ）。13）平移方位角：又称为闭合方位角（Closure Azimuth），常用表示，?是指以正北方位线为始边顺针方向转至平移方位线上所转过的角度。14）视平移：又称为投影位移，井身上的某点在垂直投影面上的水平位移。在实际定向井钻井过程中，这个投影面选在设计方位线上。所以视不移也可以定义为水平位移在设计线上的投影。15）高边：在斜井段用一个垂直于井眼轴线的平面于井眼（这时

18、的井眼不能理解为一条线，而是一个具有一定直径的圆）相交，由于井眼是倾斜的故井眼在该平面上有一个最高点，最高点与井眼圆心所形成的直线及为井眼的高边。16）工具面：工具面就是造斜工具弯曲方向的平面。17）磁性工具面角：造斜工具弯曲的平面与正北方位所在平面的夹角。18）高边工具面角：造斜工具弯曲方向的平面与井斜方位角所在平面的夹角。19）装置角：造斜工具弯曲方向的平面与原井斜方向所在平面的来夹角，通常用?表示。20）反扭矩：在用井底动力钻具钻进时，都存在一个与钻头转动方向相反的扭矩，该扭矩被称为反扭矩。21）反扭角：使用井底动力钻具钻进时，都存在一个与钻头转动方向相反的扭矩，由于该扭矩的作用，使得井

19、底钻具外壳向逆时针方向转动一个角度，该角度被称为反扭角。22) 贮层顶部：水平井段控制油层的顶部23) 贮层顶部：水平井段控制油层的底部24) 设计入口角度：进入储层顶部的井斜角度25) 着陆点：井眼轨迹中井斜角达到90的点26) 入口窗口高度：入靶点垂直方向上下误差之和27) 入口窗口宽度：入靶点水平方向左右误差之和8百度文库28) 出口窗口高度：出靶点垂直方向上下误差之和29) 出口窗口宽度：出靶点水平方向左右误差之和30) 着陆点允许水平偏差：着陆点允许水平方向前后的误差31) 单弯动力钻具： 动力钻具壳体上具有一个弯曲角度的动力钻具， 特点是造斜率较弯接头组合高，钻头偏移较小32) 双

20、弯动力钻具： 同向双弯， 动力钻具壳体上具有两个弯曲方向相同的弯曲角度的动力钻具，具有比单弯动力钻具更高的造斜率33) DTU 动力钻具（异向双弯） ：动力钻具壳体上具有两个弯曲方向相反的弯曲角度的动力钻具，钻头偏移最小，不仅可以导向钻进，而且可以配合转盘钻进；附：常用单弯动力钻具、双弯动力钻具、 DTU（异向双弯）造斜率表。第四节定向井、水平井基本施工步骤简介1 ）定向井井位的确定井位坐标要求：基本数同一般直井。丛式井坐标需一同下发，以便作出丛式井整体设计。注明各中靶点的坐标及垂直深度，提供最新井位构造图。2 ）地面井口位置的选择工程、地质设计及测量人员根据井位坐标和地面实际条件确定井口位置

21、和井架整托方向（丛式井） 。井口位置选择尽量利用地层自然造斜规律。多目标井井口位置在第一靶点和最后一个靶点联线的延长线上。井架立好后需要进行井口坐标的复测。3 ）定向井设计地质设计在坐标初测后提出初步设计，在坐标复测后提出正式设计。地质设计除包括一般井内容外，在工程施工中要求必须说明靶点相对与井口的位移和方位，多目标井说明靶点之间的稳斜角度。附最新井位构造图、油藏剖面图、设计轨迹水平投影图和垂直投影图。工程设计必须符合地质设计要求。井身轨迹设计数据表，特殊工艺技术措施。井身结构及分段钻具组合和钻井参数等。4 ）设备要求（钻机）根据定向井垂直井深、水平位移、井身结构和井眼曲率选择设备类型。推荐设

22、备标准（使用于位移垂深 0.4 的定向井）：垂深 2800 米、水平位移600 米，选用3200 米钻机；垂深 3500 米、水平位移1200 米，选用4500 米钻机；垂深 4500 米、水平位移2000 米，选用6000 米钻机；垂深 4500 米、水平位移1500 米，选用7000 米钻机。5）定向井靶区半径标准不同井深靶区半径要求（总公司标准）：靶区垂深（米）靶区半径（米）靶区垂深（米）靶区半径（米） 1000 30 3000 80 150 40 3500 100 2000 50 4000 120 2500 65 4500 1409百度文库第二章定向井、丛式井、水平井设计与计算分析第一

23、节定向井、水平井二维轨道设计一口定向井的实施，首先要有一个轨道设计，才能以此设计为依据进行具体的定向井钻井施工。对于不同的勘探、开发目的和不同的设计限制条件，定向井的设计方法有多种多样。而每种设计方法，都有一定的设计原则。定向井设计是一个非常重要的环节。 “好的设计是成功的一半” 。因此，合理地设计好井身轨道，是定向井成功的保证。一、设计原则：一口定向井的总设计原则，应该是能保证实现钻井目的，满足采油工艺及修井作业的要求，有利于安全、优质、快速钻井。在对各个设计参数的选择上，在自身合理的前提下，还要考虑相互的制约。要综合地进行考虑。(一 ) 选择合适的井眼形状复杂的井眼形状，势必带来施工难度的

24、增加，因此井眼形状的选择，力求越简单越好。从钻具受力的角度来看：目前普遍认为，降斜井段会增加井眼的摩阻，引起更多的复杂情况。如图所示 (2-1-1) ，增斜井段的钻具轴向拉力的径向的分力，与重力在轴向的分力方向相反，有助于减小钻具与井壁的摩擦阻力。而降斜井段的钻具轴向分力，与重力在轴向的分力方向相同，会增加钻具与井壁的摩擦阻力。因此，应尽可能不采用降斜井段的轨道设计。图 2-1-1( 二 ) 选择合适的井眼曲率井眼曲率的选择，要考虑工具造斜能力的限制和钻具刚性的限制，结合地层的影响，留出充分的余地，保证设计轨道能够实现。在能满足设计和施工要求的前提下，应尽可能选择比较低的造斜率。这样，钻具、仪

25、器和套管都容易通过。当然，此处所说的选择低造斜率，没有与增斜井段的长度联系在一起进行考虑。另外，造斜率过低，会增加造斜段的工作量。因此，要综合考虑。10百度文库常用的造斜率范围是4-10 /100 米（三）选择合适的造斜井段长度造斜井段长度的选择，影响着整个工程的工期进度，也影响着动力钻具的有效使用。若造斜井段过长，一方面由于动力钻具的机械钻速偏低，使施工周期加长，另一方面由于长井段使用动力钻具，必然造成钻井成本的上升。所以，过长的造斜井段是不可取的。若造斜井段过短，则可能要求很高的造斜率，一方面造斜工具的能力限制，不易实现，另一方面过高的造斜率给井下安全带来了不利因素。所以，过短的造斜井段也

26、是不可取的。因此，应结合钻头、动力马达的使用寿命限制，选择出合适的造斜段长，一方面能达到要求的井斜角，另一方面能充分利用单只钻头和动力马达的有效寿命。（四）选择合适的造斜点造斜点的选择， 应充分考虑地层稳定性、 可钻的限制。 尽可能把造斜点选择在比较稳定、均匀的硬地层，避开软硬夹层、岩石破碎带、漏失地层、流沙层、易膨胀或易坍塌的地段，以免出现井下复杂情况，影响定向施工。造斜点的深度应根据设计井的垂深、 水平位移和选用的轨道类型来决定。 并要考虑满足采油工艺的需求。应充分考虑井身结构的要求，以及设计垂深和位移的限制，选择合理的造斜点位置。（五）选择合适的稳斜段井斜角和入靶井斜角井斜角的大小，直接

27、影响了轨迹的控制。井斜角太小时，方位不好控制。而井斜角太大时，施工难度却又增加。因此，稳斜段井斜角和入靶井斜角的选择，应充分满足轨迹控制的需要。另外，它对方位控制、电测、钻速都有明显的影响。一般来讲，井斜角的大小与轨迹控制的难度有下面的关系：1井斜角小于15时，方位难以控制；2井斜角在15-40 时， 既能有效地调整井斜角和方位，也能顺利地钻井、固井和电测。是较理想的井斜角控制范围；3井斜角在40-50 时，钻进速度慢，方位调整困难；4井斜角大于60，电测、完井作业施工的难度很大，易发生井壁垮塌。二、设计方法定向井的设计方法分为常规设计方法和特殊井的设计方法。常规设计方法指的是在两维平面内作的

28、轨道设计， 即设计的井眼轴线只在某个给定的铅垂面内变化，也就是说，只有井斜角的变化，没有方位角的变化。把常规设计之外的所有设计方法都叫做特殊设计方法。（一）常用两维轨道设计方法目前常用的两维定向井轨道设计， 采用的是恒定造斜率的设计， 设计轨道由铅垂面内的圆弧和直线组成。对于这种恒定造斜率的设计，通常有下列三种设计方法。1查图法这是国外以前常用的设计方法之一。 使用这种方法设计定向井轨道， 需要事先将每种造斜率钻达不同最大井斜角的数据作在同一张图上。这样，各种不同的造斜率下作出的图形，就可得到一套图表。在进行轨道设计时，根据设计造斜率的不同选择一套适用的图表。在该图上，就可查出未知的设计数据。

29、11百度文库下面就是2 / 30米标准造斜率曲线图。图 2-1-2查图法图表2几何作图法这种设计方法是根据已知的设计条件，应用平面几何作图的原理，用圆规和直尺，按比例画出符合设计要求的设计轨道的图形。然后用比例尺和量角规量出需要的设计数据。H0aRHbSC图 2-1-3几何作图法12百度文库由于计算机在石油钻井领域的广泛应用，查图法和几何作图法已很少在我国采用。目前使用最多的是下面将要介绍的解析计算法。3解析计算法解析计算法是根据已知设计条件，应用解析计算公式求解出设计轨道的各个未知参数的方法。这种方法由于计算复杂、工作量太大，在计算机普及之前，未能得到广泛的应用。而在现在，已经广泛应用于定向

30、井的设计之中。这种计算方法的最大特点是计算准确、求解对象可灵活改变。下面以“直 增 稳”三段制轨道类型，介绍解析计算法的设计步骤。已知条件： Kop 造斜点Kb-造斜率Tv-设计垂深Tb-设计位移求： m- 求最大井斜角H-稳斜段长度求解步骤：求造斜段的曲率半径：R=1/Kb求的角度值：S=Tb-RV=Tv-Kop =arctg(S/V)求的角度值:LS2V2 =arccos(R/L)求最大井斜角:am= - 求稳斜段段长度:HL2R2KOPRSLV mTVTB图 2-1-4 解析计算法图形以前在采用查图法和几何作图法进行轨道设计时，通常都是只能求解某个固定的未知参数，由于计算机在石油钻井领域

31、的广泛应用，现在的定向井轨道设计已经基本上采用了计算机设计，这就使得轨道设计的灵活性得到了充分的体现，配合解析几何设计方法，能13百度文库够对任何两个未知参数进行求解，这就使得定向井轨道设计变得更加灵活，更加多样化了。（二）特殊定向井轨道设计方法对于特殊定向井的轨道设计，则根据其钻井目的和设计条件的限制，采用了各种不同的方法。如：1多增降轨道设计2.缓降轨道设计3. 缓降轨道设计4.悬链轨道设计5. 三维轨道设计三、特殊要求定向井的轨道设计（一）多目标井设计图 2-1-5多目标井示意图如图 2-1-5 所示，在断块油田内，由于非垂直断层的封闭，沿断层聚集形成了一串的多套含油、气层。多目标井的钻

32、探目的是为了让定向井井眼轨迹按规定的井斜角和方位角钻穿这一串油、气藏，以使该井眼轨迹能代替多口直井的作用，发挥更大的经济效益，因此，地质方面给出了两个靶点。分别代表井眼贯穿油层的开始点和终止点。该如何这样的井设计呢？如图 2-1-6 所示，这种井的设计是这样进行的：由两个靶点计算出入靶井斜角和方位角，然后反推井口位置。其中包括了对造斜率的选择、稳斜段长和造斜点的选择。14百度文库KOPR m m HTVTB图 2-1-6已知条件：m-求最大井斜角Kb-造斜率Tv-设计垂深Tb-设计位移求：Kop-造斜点H-稳斜段长度求解步骤：求造斜段的曲率半径：R=1 Kb求稳斜段段长度：TbR(1cosm

33、)Hsinm求造斜点Kop=Tv-H*cos m-R*sin m多目标井的设计靶区仍然是水平面上的圆形区域，其轨迹控制难度较一般定向井略难。（二）二维水平井轨道设计水平井的轨道设计在算法上类似于多目标井，但其设计思想有根本的不同。它的钻探目的是要在油层内水平钻进一段距离，尽量增加油层的暴露面积，以提高单井的产量。水平井的设计靶区是一垂直于设计入靶线的平面（称作法面）上的矩形区域。也称作入靶窗口。由于入靶窗口的上下限通常在十米之内，因此其控制难度很大，在轨迹控制时的一点失误，都有可能导致最后的脱靶。常用的水平井二维轨道设计类型有三种：单圆弧型 设计轨道从造斜点到入靶点，由一段圆弧组成。适合中曲率

34、半径和短曲率半径的水平井。双增稳型 设计轨道从造斜点到入靶点，由两圆弧段和连接这两圆弧段的稳斜段组成，适合中半径和长半径水平井。三段增斜型 这种设计类型是由双增稳型发展而来的，设计轨道从造斜点到入靶点，由三个圆弧段组成。适合中半径和长半径水平井。15百度文库将稳斜段改为增斜段，是因为钻双增稳型水平井时，在第一增斜段钻完后，首先要下一趟柔性钻具组合通井，然后再下刚性稳斜钻具组合钻进。这就带来了两个方面的不利。一方面多下一趟通井钻具组合却不能多打进尺。另一方面，再下入刚性钻具组合钻进时，钻具组合不容易通过造斜段。改成稳斜段后，下同一趟钻具组合，既可通井，又可打进尺，简化了钻具组合，节约了时间，同时

35、也减小了事故发生的可能性。下面，介绍双增类型水平井轨道设计的计算方法：H0R1S1 1mH3HH1LR2H2 2SSn图 2-1-7如图所示，图2-1-7已知： H-设计垂深S-入靶点位移S0-水平段长a1-第一增斜终点井斜角确定： H0-造斜点K1-第一增斜率K2-第二增斜率a2-第二增斜终点井斜角L-稳斜段长度则：曲率半径为：16百度文库R1=1/ K1R2=1/ K2R0=R1-R 2H=H-H -R sina2302S2=S+ R2 cosa 2- R 1MS22H 32第一段增斜终点井斜角为：S2R01 arctgarcsinH 3M稳斜段长度为：L M2 R02第二节定向井、水平井

36、的三维轨道设计三维轨道设计主要应用于以下几个方面：第一，对于方位漂移严重的地区，为了有效利用地层的自然造斜规律，减少井眼轨道控制和造斜的工作量，可将井眼轨道设计成考虑方位漂移的三维轨道。这样的设计对指导现场施工会更有意义。这种设计称为方位漂移设计。第二，若地面井位和目标点固定，而在由它们所确定的铅垂面内，存在着不允许通过或难以穿过的障碍物，如已钻井眼、复杂的地层（盐丘、金属矿床、断层、气顶等），要设计一口定向井使其绕过障碍物钻达目标点，这样的定向井称之为绕障定向井。绕障定向井在密集丛式井和油田开发后期，用定向钻井方法打调整井时会遇到。第三，在钻井过程中，要使实钻轨道与设计轨道完全吻合几乎是不可

37、能的，二者之间总会有一定的偏差。很小的偏差是允许的，有时也许对钻进参数或钻具组合稍作调整，仍可继续钻进；如果偏差很大，就需要以原设计轨道为依据，对下一段未钻井眼作出新的设计。另外，由于地质勘探等方面的原因，需要中途改变目标点的位置时，也需要设计出一条新的井眼轨道。这种修正设计在钻进过程中是随时可能发生的，因此称之为随钻修正设计。第四，在老井侧钻尤其是定向井的侧钻中，往往是要钻达的油层位置不在原来定向井的剖面上，这就需要调整井斜和方位钻三维井眼才能到达目的层。一、空间绕障定向井的设计方法1）剖面类型的判别由于三维定向井的设计和施工都比二维定向井难度大， 所以，如果条件允许应首选二维剖面。17百度

38、文库在设计绕障定向井时，除需要一般定向井的设计条件外，还应该有对障碍物的具体描述。障碍物的形态描述依赖于它们各自的特点，如已钻井眼的一般模型为曲圆台或直圆台；复杂地层可假设为斜直圆台或球体等。尽管它们的表达形式可能是多种多样的，但是其一般模型都可以用如下的通式来表示g(X ，Y ， Z)=0（ 21）过所设计井的井口点和目标点作一个铅垂平面，则该平面就是二维绕障定向井的设计平面 ,如图 2-2-1 所示绕碍定向井的剖面类型判别设计平面与障碍物边界的交线是平面曲线。为了描述这条平面曲线，建立一个二维坐标系0-SH。图 2-2-1 绕障定向井的剖面类型判别因为X = Scos 0Y = Ssin

39、0（ 22）Z = H式中 0井口至目标点连线的方位角。所以，将（ 2 2）式代入（ 2 1）式，可以得到障碍物的边界在设计平面内的二维表达形式h（ H， S） =0（2 3）假设先不考虑障碍物的存在，那么选定一个剖面类型并且确定出造斜点位置、增斜率等相应的参数之后，应用 2.2 给出的方法，就可以得到一种二维剖面的设计结果。此时，设计轨道方程可表示为：f（ H， S） =0（ 24）18百度文库当然，根据设计轨道的特点，（ 2 23）式往往是某种分段函数。联立（ 222）和（ 2 23）式，得：h（H，S） = 0（25）f （H，S） = 0求解（ 224）式时，只有两种可能的结果：无解。

40、表示设计轨道不通过障碍物的控制范围。此时，井眼轨道设计成二维剖面就可实现绕障。有解。说明设计轨道已通过障碍物的控制范围。此时，可以调整设计参数或剖面类型。重新设计出井眼轨道，然后再对（2 5）式进行求解。如此重复设计、求解和判断。如果在可供选择的剖面类型和允许的设计参数范围内，（ 2 5）式均有解，则该井需要设计成三维绕障定向井。否则，可以不必进行三维绕障设计。下面结合实例给出 （ 2 5）式的具体表达形式和求解方法。交点为 P 点，则 P 点的坐标 （XP，Y ， Z ）以及井斜角 、方位角P等参数可以通过测斜计算（若P 点不是测点，可采用插PPP值法）求得。在P 点以已钻轨道的切线方向为轴，以井眼高边为轴，建立右手坐标P-。如图2-2-2 所示。由于、轴在0-XYZ 坐标系下的方向余弦分别为OXYP Z图 2-2-2障碍物的描述T11= cosT= cosT= -sin PP12PP13 PT= -sinTT= 021P22P23(2 6)T TT31PP32PP33P式中 T ij 表示 i轴（ i=1 ，2，3。分别代表轴）对于j 轴（ j=1 ，2，3。分别代表 X，Y， Z 轴）的方向余弦。所以， P- 与 0-XYZ 坐标系的转换关系为T11T12T13X-XP