定向井技术(第四章第二节)

1、二维井眼轨道设计及计算实例二维井眼轨道设计及计算实例定向井的总体优化设计定向井的总体优化设计第4章 定向井井眼轨道优化设计4.2.4 悬链线剖面与抛物线剖面设计4.2.1 典型的二维井眼轨道模型4.2.2 典型圆弧形轨道剖面设计4.2.3 靶区内井眼轨道设计4.2二维井眼轨道模型与轨道设计4.2.1 典型的二维井眼轨道模型一、直线模型4.2二维井眼轨道模型与轨道设计4.2.1 典型的二维井眼轨道模型直线模型是最简单的直线模型是最简单的井眼轨道模型。用于井眼轨道模型。用于垂直井段、水平井段垂直井段、水平井段和稳斜井段。和稳斜井段。一、直线模型井眼轨道参数应该是井斜角、方位角均为常数。因此：000

2、0sincos0LAALHHcont4.2二维井眼轨道模型与轨道设计4.2.1 典型的二维井眼轨道模型二、圆弧线模型圆弧形模型是是最常用的井眼轨道模型。用于描述增斜井段和降斜井段。4.2二维井眼轨道模型与轨道设计4.2.1 典型的二维井眼轨道模型二、圆弧线模型增斜井段计算公式为： 降斜井段计算公式为：)cos(cos)sin(sin18000000RAARHHRL4.2二维井眼轨道模型与轨道设计4.2.1 典型的二维井眼轨道模型)cos(cos)sin(sin18000000RAARHHRL三、悬链线模型悬链线形模型是根据钻柱力学分析提出来的，目的是减少钻柱摩阻力。 4.2二维井眼轨道模型与轨

3、道设计4.2.1 典型的二维井眼轨道模型三、悬链线模型悬链线上任一点的井斜方程和弧长为： axaxaLaLsinhsinhtan11tan00式中：a为悬链线轨道特征参数。4.2二维井眼轨道模型与轨道设计4.2.1 典型的二维井眼轨道模型三、悬链线模型井眼轨道参数计算如下： xakxxaAAxxHHarx20000cosh1coshcoshtan1sinh特点：曲率在不断变化，现场不易解决。4.2二维井眼轨道模型与轨道设计4.2.1 典型的二维井眼轨道模型四、抛物线模型抛物线模型与悬链线形模型作井眼轨道的目的是一样的。只用于变井斜段。4.2二维井眼轨道模型与轨道设计4.2.1 典型的二维井眼轨

4、道模型四、抛物线模型井眼轨道参数的计算如下：300202000sin1)tan1tan1()tan1tan1(2)()(2PkPAAPHHffPLL4.2二维井眼轨道模型与轨道设计4.2.1 典型的二维井眼轨道模型特点：曲率在不断变化，现场不易解决。关于几种模型的比较及应用情况：直线模型和圆弧形模型直线模型和圆弧形模型是最常用的井眼轨道模型。应用简单，计算方便，也易于施工。悬链线形模型悬链线形模型主要考虑减阻，理论研究多，现场应用少。抛物线形模型抛物线形模型由悬链线形模型衍生而来，现场应用不多。4.2二维井眼轨道模型与轨道设计4.2.1 典型的二维井眼轨道模型组成二维井眼轨道井身的所有井段形状

5、分为四种两类 四种：铅垂井段、增斜井段、 稳斜井段和降斜井段。 五段式剖面三段式剖面常规两维定向井 悬链剖面双增稳剖面缓降稳剖面多增降剖面非常规两维定向井两类4.2二维井眼轨道模型与轨道设计二维井眼轨道模型与轨道设计4.2.2典型圆弧形轨道剖面设计一、二维井眼轨道剖面形状常常用用的的轨轨道道类类型型三段制三段制五段制五段制“S”型型直井段直井段造斜造斜稳斜稳斜特点：特点：造斜点浅，施工简单，在表层套管内达造斜点浅，施工简单，在表层套管内达最大井斜角。常用于不下中间套管的单一油层最大井斜角。常用于不下中间套管的单一油层的中深井，也用于水平位移大的井和水平井。的中深井，也用于水平位移大的井和水平井

6、。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多为中长半径，一般用于水平井。多为中长半径，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特点：特点：造斜深度浅，造斜完成后下表层套管，造斜深度浅，造斜完成后下表层套管，稳斜钻进，在达到一定水平位移后降斜，在达稳斜钻进，在达到一定水平位移后降斜，在达到油层时井斜角符合要求。通常还要下一层中到油层时井斜角符合要求。通常还要下一层中间套管，最后稳斜钻穿油层。间套管，最后稳斜钻穿油层。二、二维井身剖面设计的原则(1)选择合适的井限曲率井眼曲率不宜过小，也不宜过大。对于钻柱： 84.45)(728. 02rrm

7、LfDDK对于套管：CCmDCCK215105564. 04.2二维井眼轨道模型与轨道设计二维井眼轨道模型与轨道设计4.2.2典型圆弧形轨道剖面设计二、井身剖面设计的原则（2)选择易钻的井眼形状 4.2二维井眼轨道模型与轨道设计二维井眼轨道模型与轨道设计4.2.2典型圆弧形轨道剖面设计二、井身剖面设计的原则(3)选择恰当的造斜点在比较稳定的地层，岩石硬度不太高，不能有易坍塌、易膨胀的地层，也不能有别的复杂地层。丛式井造斜点要错开。 (4)设计井身剖面形状应考虑井身结构 4.2二维井眼轨道模型与轨道设计二维井眼轨道模型与轨道设计4.2.2典型圆弧形轨道剖面设计三、井身剖面设计的条件、内容及步骤(

8、1)选择剖面类型;(2)确定增斜率和降斜率，选择造斜点；(3)求得剖面上的未知参数，一般情况下这个未知参数是全井最大井斜角；(4)进行井身计算：包括各井段的井斜角、井斜方位角、垂深、水平位移及井深；(5)画垂直剖面图和水平投影图，并画出控制圆柱。 4.2二维井眼轨道模型与轨道设计二维井眼轨道模型与轨道设计4.2.2典型圆弧形轨道剖面设计四、常规二维定向井剖面设计1）用作图法设计常规剖面例l :已知总垂深 ，总平移 ,造斜点井深 和增斜段的增斜率 。试设计一三段式剖面。 、 、 的单垃均为米， 的单位为度/100米。 AHZH1KHAZH1K 根据 ，知增斜段的曲率半径 11578.5729KR

9、 1K作图方法和步骤如下： 4.2二维井眼轨道模型与轨道设计二维井眼轨道模型与轨道设计4.2.2典型圆弧形轨道剖面设计用作图法设计常规剖面的步骤(1)作垂直剖面图的坐标O-HA，并截H、A和Hz，找到造斜点a和目标点C。(2)过a点作H轴的垂线aO1 截aO1=R1 ，并以R1为半径、O1为圆心画弧，得圆O1。(3)连接O1 C ，并以O1 C为直径画圆，交圆O1于b点。4.2二维井眼轨道模型与轨道设计二维井眼轨道模型与轨道设计四、常规二维定向井剖面设计4.2.2典型圆弧形轨道剖面设计4.2二维井眼轨道模型与轨道设计二维井眼轨道模型与轨道设计用作图法设计常规剖面的步骤(4)连接 ，则 即为设计

10、的三段式井身剖面形状。(5)连接 用量角器量度 ,即得最大井斜角 。(6)用直尺量 的长度，即为稳斜段长度，b点和c点的垂深和平移也可以用直尺直接量得。(7)增斜段的长度 。可用一简单公式计算， ；全井井深 。 bcObcbO1baO1mbcbc29578.571RabmbcabHLZ四、常规二维定向井剖面设计步骤如下： 例2 欲设计一S形井身剖面。已知条件为,总垂深 ，总平移 造斜点井深 ，降斜后的稳斜段垂增 ,降斜后的稳斜段井斜角 ，增斜段的增斜率 和降斜段的降斜率 。 HAZHXZH 1K2K4.2二维井眼轨道模型与轨道设计二维井眼轨道模型与轨道设计4.2.2典型圆弧形轨道剖面设计四、常

11、规二维定向井剖面设计HAO HAZH(1)作垂直剖面图的坐标 , 并截 、 和 ，找到造斜点 和目标点 。(2)过 点作 轴的垂线 截 ,并以 为半径、 为圆心画弧，得圆 。(3)自 点作线段 ,使之与铅垂线的夹角为 、垂增为 ,得 点。aeaH1aO11RaO 1R1O1O(4)自 点作 的垂线并截 ，然后以 为圆心 为半径画弧，得圆 。 eed XZHdded22RdO 2O2R2O (5)连接 ,以 为直径作圆 。 (6)以 为半径,分别以 和 为圆心，画弧交圆 于 两点；分别连接 和 ， 交圆 和圆 于 两点。 (7)连接 ,则 为增斜后的稳斜段。用量角器量度 与铅垂线的夹角，即得最大

12、井斜角 。 (8) 和 的长度可用直尺直接量得； 三点的垂深和水平位移也可用直尺直接量得；增斜段 和 降斜段的长度可分别用下式计算。21OO21OO0O21RR 1O2O0Ofg、gO1fO21O2Ocb、bcbcbcmdebcdcb、abcd29578.571Rbam29578.57)(ZmRdc (9)全井井深 。 dedcbcbaHLZ用作图法设计常规剖面的步骤四、常规二维定向井剖面设计2）用解析法设计井身剖面 解析法的关键在于推导出最大井斜角的计算公式。 2000mmtgRHAkgfgtg其中：021RRR前式经过变换可得000020200222ARARAHHtgm sin20RHHH

13、HXZZ)cos1 (20 RAAAXZ其中：4.2二维井眼轨道模型与轨道设计二维井眼轨道模型与轨道设计二、常规二维定向井剖面设计2）用解析法设计井身剖面 （1）式中的恰好等于稳斜段的长度。 表示剖面有稳斜段存在，否则表示这种剖面不存在； 0020202ARAH02002020ARAH（2）对于没有稳斜段的剖面，即时，公式可以大大简化 。02002020ARAH（3）这时按罗彼塔法则定值，可得下式：0022HAtgm4.2二维井眼轨道模型与轨道设计二维井眼轨道模型与轨道设计3）用解析法设计井身剖面 计算出最大井斜角以后，就可以进行井身计算，计算时可遵从圆柱螺线法的原理。井身计算的内容是算出各井

14、段的垂增、平增和段长。例如对增斜段：mRHsin11)cos1 (11mRA29578.5711mRL其余稳斜段、降斜段类似。总井深：XZZLLLLHL3214.2二维井眼轨道模型与轨道设计二维井眼轨道模型与轨道设计五、水平井井眼轨道设计目前，水平井以中长半径为主，普遍采用“直增稳直增稳增平增平”剖面，又称剖面，又称“双增双增”剖面剖面。中间稳斜段的作用是调节工具造斜率误差而造成的轨道误差。设计步骤是由水平段开始，由下往上依次设计。水平段的设计十分重要，应考虑油层的特性、地层走向、地层倾角等。水平段以上的剖面设计同定向井的设计类似。4.2二维井眼轨道模型与轨道设计二维井眼轨道模型与轨道设计4.

15、2.2典型圆弧形轨道剖面设计设计两方面内容：靶区设计、轨道设计 4.2二维井眼轨道模型与轨道设计二维井眼轨道模型与轨道设计4.2.3靶区内井眼轨道设计靶区设计：控制的误差范围，与地层条件、钻井水平施工要求有关。靶区内轨道设计：应考虑砂体的展布形态、储层的裂缝情况、储层的物性条件等。必须满足：钻井、完井、测井、采油、修井等施工要求。4.2二维井眼轨道模型与轨道设计二维井眼轨道模型与轨道设计4.2.3靶区内井眼轨道设计一、水平井段的长度和方向水平井段长度：4.2二维井眼轨道模型与轨道设计二维井眼轨道模型与轨道设计4.2.3靶区内井眼轨道设计影响水平井产能的重要因素。对于裂缝开采油藏，水平段方向最好

16、与天然裂缝垂直，尽量多穿裂缝。对于底水或顶气油藏，水平井眼应远离底水或顶气，避免发生气顶或水锥。一般，理想的水平井眼应设计位于油层中部，且平行于油层。采油角度考虑，越长越好，采油指数越大； 钻井角度考虑，井眼越长，钻井成本增加快，复杂情况增多；因此，水平段水平段长度应适当，可以优选。长度应适当，可以优选。水平井段方向：水平井段的长度和方向4.2二维井眼轨道模型与轨道设计二维井眼轨道模型与轨道设计4.2.3靶区内井眼轨道设计4.2二维井眼轨道模型与轨道设计二维井眼轨道模型与轨道设计4.2.3靶区内井眼轨道设计二、水平井段的轨道设计常规的水平井段常规的水平井段一般设计成直线段，位于油层中部，穿越油

17、层。当然，还有非常规水平井段非常规水平井段设计。以单圆弧为过渡井段，用一口水平井开发两个具有不同井斜角的油气藏，因此具有两个靶点。拱形水平井段由2个稳斜段和 1个圆弧段组成，两个相邻靶点的位置确定后，它们的轨道参数就可以确定了。 该轨道一般是下拱形（或上凹形）。、拱形水平井段设计、拱形水平井段设计 该轨道一般是下拱形（或上凹形）。4.2二维井眼轨道模型与轨道设计二维井眼轨道模型与轨道设计4.2.3靶区内井眼轨道设计阶梯形水平井是用一个或多个阶梯形的井眼轨道，开发具具有一定高度差的两个或两个以上的油气藏，因此也具有两有一定高度差的两个或两个以上的油气藏，因此也具有两个或两个以上靶点。个或两个以上

18、靶点。阶梯形水平井段由2个稳斜段和 2个反向（降斜和增斜）圆弧段组成，两个相邻靶点的位置确定后，它们的轨道参数就可以确定了。4.2二维井眼轨道模型与轨道设计二维井眼轨道模型与轨道设计4.2.3靶区内井眼轨道设计、阶梯形水平井段设计阶梯形水平井段设计4.2二维井眼轨道模型与轨道设计二维井眼轨道模型与轨道设计4.2.3靶区内井眼轨道设计阶梯形水平井段设计4.2二维井眼轨道模型与轨道设计二维井眼轨道模型与轨道设计4.2.3靶区内井眼轨道设计 4.2二维井眼轨道模型与轨道设计二维井眼轨道模型与轨道设计4.2.4悬链线剖面与抛物线剖面设计悬链线和抛物线井眼轨道设计的特点：、绝大部分钻柱处于受拉状态，其产生的张力促使钻柱脱离下井壁，钻具居中，有利于减少摩阻和磨损。、井斜角随着井深的增加缓慢递增，可以施加高钻压，连续造斜，有利于提高钻速。、井眼曲率连续变化，且随井深的增加而缓慢增加，有利于改善钻柱的受力状况，减少疲劳破坏，减少产生键槽的几率。、悬链线和抛物线井眼有利于套管居中，为提高固井质量创造了有利的条件。一、悬链线剖面设计4.2