钻井工程理论与技术第五章

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重点：重点： 1 1、井眼轨迹的概念；、井眼轨迹的概念； 2 2、井斜角和井斜方位角的概念；井斜角和井斜方位角的概念； 3 3、井眼轨迹的表示方法；、井眼轨迹的表示方法； 4 4、井眼轨迹的参数计算；、井眼轨迹的参数计算； 5 5、常用的防斜与纠斜钻具组合；、常用的防斜与纠斜钻具组合； 6 6、定向井轨道设计方法；、定向井轨道设计方法； 7 7、装置角、装置方位角与反扭角的概念；、装置角、装置方位角与反扭角的概念； 8 8、井眼轨迹控制方法。、井眼轨迹控制方法。 难点：难点： 1 1、装置角的概念；、装置角的概念； 2 2、定向井轨道设

2、计方法；定向井轨道设计方法； 3 3、井眼轨迹控制计算、井眼轨迹控制计算 。 概概 述述 井眼轨道：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。井眼轨迹：井眼轨迹：实钻井的井眼轴线形状。实钻井的井眼轴线形状。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。 轨迹控制

3、：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。 二维二维 三维三维直井用途：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，农田或重要的建高山，湖泊，沼泽，河流，沟壑，海洋，农田或重要的建筑物等。筑物等。 2 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。 3 3. .处理井下事故的特

4、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、打救援井等。 第一节第一节 井眼轨迹的基本概念井眼轨迹的基本概念一轨迹的基本参数一轨迹的基本参数 测量方法：测量方法：非连续测量，间断测量；非连续测量，间断测量；“测段测段”，“测点测点”。 轨迹的三个基本参数：轨迹的三个基本参数：井深、井斜角和井斜方位角井深、井斜角和井斜方位角1 1、井深（或称为斜深、测深）、井深（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(m)(m)。 井深增量（井段）：井深增量（井

5、段）：下测点井深与上测点井深之差。下测点井深与上测点井深之差。 以以DDm m表示。表示。 2.2.井斜角井斜角()()： 指井眼方向线与重力线之间的夹角。单位为度指井眼方向线与重力线之间的夹角。单位为度( () )。 n井眼方向线：井眼方向线： 过井眼轴线上某测点作过井眼轴线上某测点作 井眼轴线的切线，该切线向井眼轴线的切线，该切线向 井眼前进方向延伸的部分称井眼前进方向延伸的部分称 为井眼方向线。为井眼方向线。 n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 3.3. 井斜方位角井斜方位角（井眼方位角、方位角）：（井眼

6、方位角、方位角）： 在水平投影图上，以正在水平投影图上，以正 北方位线为始边，顺时针方北方位线为始边，顺时针方 向旋转到井眼方位线上所转向旋转到井眼方位线上所转 过的角度。过的角度。 n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。 n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 井斜方位角的变化范围：井斜方位角的变化范围：0 0360360 。磁偏角：磁偏角：磁北方位与正北方位之间的夹角。磁北方位与正北方位之间的夹角。 磁偏角校正：磁偏角校正： 真方位

7、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 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：指井斜方位线与指井斜方位线与 正北方位线或与正南方位正北方位线或与正南方位 线之间的夹角。线之间的夹角。 象限角的变化范围：象限角的变化范围：0 09090之间之间。 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.垂直深度垂直深度（垂深）（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。 垂深增量称为垂深增量称为垂增（垂增（）。 2.2.水平投影长度

8、水平投影长度LpLp（水平长度、平长）：（水平长度、平长）： 井眼轨迹上某点至井口的长度在水平面上的投影，即井深在井眼轨迹上某点至井口的长度在水平面上的投影，即井深在水平面上的投影长度。水平长度的增量称为水平面上的投影长度。水平长度的增量称为平增（平增（LL）。 3. 3. 水平位移（平移）：水平位移（平移）： 轨迹上某点至井口所在铅垂线的距离（或：在水平投影面上，轨迹上某点至井口所在铅垂线的距离（或：在水平投影面上，轨迹上某点至井口的距离）。轨迹上某点至井口的距离）。 n平移方位线：平移方位线：在水平投影面上，井口至轨迹上某点的连线。国在水平投影面上，井口至轨迹上某点的连线。国外将水平位移称

9、作外将水平位移称作闭合距闭合距。我国将完钻时的水平位移称为。我国将完钻时的水平位移称为闭合距闭合距。4. 4. 平移方位角平移方位角 ： 平移方位线所在的方位角。平移方位线所在的方位角。国外国外，将平移方位角称作，将平移方位角称作闭合闭合方位角方位角。国内国内，指完钻时的平移方位角为，指完钻时的平移方位角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；东西坐标轴，以正东方向南北坐标轴，以正北方向为正；东西坐标轴，以正东方向为正。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上的 投影长度。投影长度。 7. 7.

10、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”）：）： 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/D=30/Dm m “ “狗腿角狗腿角”或或“全角变化全角变化”（）：）：上、下二测点的两条方上、下二测点的两条方向线之间的夹角向线之间的夹角( (空间夹角空间夹角) )。 n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) ) n钻井行业标准计算公式：钻井行业标准计算公式： =

11、(=(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，（）。）。 三井眼轨迹的图示法三井眼轨迹的图示法 对一条空间曲线可以有不同的表对一条空间曲线可以有不同的表示方法。示方法。 ( (一一) )三维坐标法：三维坐标法： ( (二二) )投影图示法：投影图示法： 垂直投影图垂直投影图+ +水平投影图水平投影图 n垂直投影图：垂深垂直投影图：垂深D+D+视平移视平移V Vn

12、水平投影图：水平投影图：N N坐标坐标+E+E坐标坐标n不能反映出真实的井深和井斜不能反映出真实的井深和井斜角。角。 ( (三三) )柱面图示法：柱面图示法：垂直剖面图（柱面垂直剖面图（柱面展开图）展开图）+ +水平投影图水平投影图 柱面：柱面：设想经过井眼轨迹上每一设想经过井眼轨迹上每一个点作一条铅垂线，所有这些铅垂个点作一条铅垂线，所有这些铅垂线构成的曲面称为柱面。将柱面展线构成的曲面称为柱面。将柱面展平，就形成了垂直剖面图。平，就形成了垂直剖面图。 n可以反映出真实的井身参数，如：可以反映出真实的井身参数，如：井深、井斜角、垂深；井深、井斜角、垂深； n作图简便。作图简便。 水平投影图水

13、平投影图 投影面：投影面：水平面水平面 坐标系：坐标系：原点：井口原点：井口 横坐标：坐标横坐标：坐标 纵坐标：坐标轴。纵坐标：坐标轴。 表达的参数：表达的参数：坐标值、坐标值、 坐标值、坐标值、 水平位移水平位移S S、 水平长度水平长度LpLp、 闭合距、闭合距、 井斜方位角井斜方位角、 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，即过设计方位线的铅垂面，即井口和目标点所在的铅垂面。井口和目标点所在的铅垂面。 坐标系：坐标系：原点：井口原点：井口 横坐标：视平移横坐标：视平移V V 纵坐标：垂深纵坐标：垂深D D 表达的参数

14、：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。 3 3垂直剖面图垂直剖面图 垂直剖面：垂直剖面：过井眼轴线上各点垂线过井眼轴线上各点垂线组成的柱面展开图。组成的柱面展开图。 坐标系：坐标系：原点：井口原点：井口 横坐标：水平长度横坐标：水平长度LpLp、 纵坐标：垂深纵坐标：垂深D D 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。 第二节第二节 轨迹测量及计算轨迹测量及计算目的：目的：掌握井眼轨迹参数的测量、计算、轨迹绘图方法掌握井眼轨迹参数的测量、计算、轨迹绘图方法一、测斜方法及测斜仪

15、简介一、测斜方法及测斜仪简介 ( (一一) )测斜仪分类测斜仪分类 n按工作方式分：按工作方式分：单点式、多点式、随钻测量（有线、无线）。单点式、多点式、随钻测量（有线、无线）。 n按工作原理分：按工作原理分：磁性测斜仪（罗盘）、磁性测斜仪（罗盘）、 陀螺测斜仪（高速陀螺空间指向恒定）。陀螺测斜仪（高速陀螺空间指向恒定）。 ( (二二) )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 。 ( (三三) )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、仪器内主要由井斜刻度盘、罗盘、十字摆锤、照明和照相系罗盘、十字摆锤、照明和照相系统组成。罗盘的统组成。罗

16、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，十当测斜仪随井眼倾斜时，十字摆锤始终指向重力线方向，重字摆锤始终指向重力线方向，重力线与仪器轴线的夹角即为力线与仪器轴线的夹角即为井斜井斜角角。由摆锤在井斜刻度盘底片上。由摆锤在井斜刻度盘底片上的位置读取。的位置读取。 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。摆锤在罗盘面上的投影位置所在的在罗盘面上的投影位置

17、所在的放射线与罗盘放射线与罗盘N N极之间的夹角即极之间的夹角即为为井斜方位角井斜方位角。（注意：在井。（注意：在井下下, ,罗盘标志方位与实际地理方罗盘标志方位与实际地理方位相反。）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。二对测斜计算数据的规定二对测斜计算数据的规定 ( (一一) )测点编号：测点编号： 测斜自下而上，测点编号自上而下。第一个井斜角不等于测斜自下而上，测点编号自上而下。第一个井斜角不等于零的测点作为第一测点。零的测点作为第一测点。 ( (二二) )测段编号：测段编号： 自上而下编号。第自上而下编号。第i-1 i-1 个点与第个

18、点与第 i i 点之间所夹的测段为第点之间所夹的测段为第i i测段。测段。 ( (三三) )第测点：第测点： 第测点的井深大于第测点的井深大于25m 25m 时，第测点的井深比第测点时，第测点的井深比第测点的井深小的井深小25m25m，且井斜角规定为零。第测点的井深小于或等于，且井斜角规定为零。第测点的井深小于或等于25m25m时，规定第测点的井深和井斜角均为零。时，规定第测点的井深和井斜角均为零。 ( (四四) )若若i= 0i= 0 则计算第则计算第i i测段时，测段时，i i= = i-1i-1；计算第；计算第i+1i+1测段时，测段时，i i=i+1i+1 。 ( (五五) )在一个测

19、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)/2-180 i i-i-1i-1-18000，=arccosC=arccosC；当当01 1时，取时，取“”；当；当2 21 1时，取时，取“” ” 。 求实际反扭角求实际反扭角nn： n n = = s s - - 1 1 实实八八. . 造斜工具的定向造斜工具的定向 定向：定向：使造斜工具作用方位指向预定方位的工艺。使造斜工具作用方位指向预定方位的工艺。 (

20、(一一) )地面定向法地面定向法 1.1.地面摆工具面：地面摆工具面：造斜工具下井之前，在地面调整好工具面下井。造斜工具下井之前，在地面调整好工具面下井。 2.2.打印标记（打印标记（“+”+”）：）：在钻杆同一母线的两端接头上打印在钻杆同一母线的两端接头上打印“+ +”标记。标记。 3.3.定向下钻：定向下钻：记录每两根钻杆的角度偏差，计算总偏差，根据总偏差扭方记录每两根钻杆的角度偏差，计算总偏差，根据总偏差扭方位。位。 ( (二二) )井下定向法井下定向法 井下定向的关键是要知道原井斜方位和工具面方位。井下定向的关键是要知道原井斜方位和工具面方位。 1.1.定向齿刀法定向齿刀法 氢氟酸测斜

21、仪氢氟酸测斜仪 + + 铅模铅模 + + 定向齿刀定向齿刀 氢氟酸液瓶的液面倾斜方向指示井斜方位。氢氟酸液瓶的液面倾斜方向指示井斜方位。 铅模上留下的齿刀印痕指示造斜工具的工具面方位。铅模上留下的齿刀印痕指示造斜工具的工具面方位。2.2.磁铁定向法（双罗盘定向法）磁铁定向法（双罗盘定向法） 双罗盘测斜仪双罗盘测斜仪 + + 定向磁铁（安装在无磁钻铤上）定向磁铁（安装在无磁钻铤上） 上罗盘处在定向磁铁位置，指针标志工具面方位；上罗盘处在定向磁铁位置，指针标志工具面方位； 下罗盘远离定向磁铁，指针指向正北方位。下罗盘远离定向磁铁，指针指向正北方位。 3.3.定向键法（螺鞋定向法）定向键法（螺鞋定向

22、法） 磁性或陀螺测斜仪磁性或陀螺测斜仪 + + 螺鞋（定向鞋）螺鞋（定向鞋） + + 定向键定向键 定向键安装在造斜工具上，其所在母线指示工具面方位。定向键安装在造斜工具上，其所在母线指示工具面方位。 测斜仪螺鞋上的定向槽所在母线与罗盘上的测斜仪螺鞋上的定向槽所在母线与罗盘上的“发线发线”对齐对齐测量时，定向槽卡在定向键上，测量时，定向槽卡在定向键上，“发线发线”的方位就是工具的方位就是工具面方位。面方位。( (三三) )各种定向方法及其使用各种定向方法及其使用 1.1.双罗盘定向仪定向磁铁双罗盘定向仪定向磁铁 需使用无磁钻铤，可用于直井定向和斜井定向。需使用无磁钻铤，可用于直井定向和斜井定向。 2.2.陀螺仪定向键陀螺仪定向键 无需使用无磁钻铤，可用于直井定向和斜井定向。无需使用无磁钻铤，可用于直井定向和斜井定向。 3.3.磁罗盘测斜仪定向键磁罗盘测斜仪定向键 目前使用最多的定向方法。目前使用最多的定向方法。 必须使用无磁钻铤。可用于直井定向和斜井定向。必须使用无磁钻铤。可用于直井定向和斜井定向。 4.4.氟氢酸测斜仪定向齿刀氟氢酸测斜仪定向齿刀 只能在斜井内使用。方法