钻井工第十章井眼轨道设计与轨迹控制

1、海油陆探、海油陆采2西江24-3海上平台西江24-1边际油田34水平井技术适合于薄层的开采扩大泄油面积增加控制储量提高油井产能0.6万吨直井的5倍以上（L=300m）5需要有合适的角度，才能达到矢量入靶薄油层开发油层薄，中靶难角度偏大角度偏小67薄油层开发井眼轨迹在油层最佳位置穿行难层薄，地层倾角变化，有时上翘或下倾精确控制几千米远的钻头走向难度大891011121314概述：井眼轨道：一口井开钻之前，预先设计的井眼轴线形状。设计的井眼轴线形状。井眼轨迹：一口井的实际井眼轴线的形状。定向井轨道：二维定向井：过井口和目标点的铅垂面上的曲线。三维定向井：具有不同曲率的空间曲线。轨道设计：定向井、水

2、平井、侧钻井、大位移井等。井眼轨迹：一口井实际钻成后的井眼轴线形状。轨迹控制：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。15二维三维16直井用途：油田开发和勘探。有井斜限制要求。定向井用途：1.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。2.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。3.处理井下事故的特殊手段井下落物侧钻、打救援井等。4.提高油藏采收率的手段钻穿多套油气层、老井侧钻等。1718轨迹控制技术的发展： 20世纪20年代末，发现井斜，直井防斜技术。 20世纪30年代初，在海边向海里打定向井取得成功，定向井技术迅速发

3、展和广泛应用。 20世纪30-40年代，转盘钻井经验预测定向钻井法。 20世纪50-70年代，井底动力钻具经验预测定向钻井法。 20世纪80年代，滑动导向钻井法，MWD技术。 20世纪90年代至今，旋转导向钻井法，轨迹自动控制技术，几何导向与地质导向技术MWD、LWD、FEWD技术。19本章内容提要第一节 井眼轨迹的基本概念第二节 轨迹测量及计算第三节 直井防斜技术第四节 定向井轨道设计第五节 定向井造斜工具及轨迹控制第六节 水平井钻井技术简介20第一节井眼轨迹的基本概念Section 1 Basic concepts of well trajectory目的：掌握有关参数的概念及这些参数之间

4、的关系。一、轨迹的基本参数测量方法：非连续测量，间断测量。“测段”，“测点”。测深、井斜角和井斜方位角-轨迹的三个基本参数。(1) 测深：井口(通常以转盘面为基准)至测点的井眼长度。以字母 D m表示，单位为米(m)。测深增量（井段）：下测点测深与上测点测深之差。以 D m 表示。21(2) 井斜角( )：指井眼方向线与重力线之间的夹角。单位为度()。井眼方向线：过井眼轴线上某测点作井眼轴线的切线，该切线向井眼前进方向延伸的部分称为井眼方向线。井斜角增量( )：下测点井斜角与上测点井斜角之差。 B A22第一节 井眼轨迹的基本概念 一、轨迹的基本参数(3) 井斜方位角 （井眼方位角、方位角）：

5、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方位线上所转过的角度。井眼方位线（井斜方位线）：某测点处的井眼方向线在水平面上的投影。井斜方位角增量 ：上下测点的井斜方位角之差。 B A井斜方位角的变化范围：0360 。23第一节 井眼轨迹的基本概念 一、轨迹的基本参数井斜方位角的另一种表示方式：象限角：指井斜方位线与正北方位线或与正南方位线之间的夹角。象限角的变化范围：090之间。磁偏角：磁北方位与正北方位之间的夹角。磁偏角校正：真方位角磁方位角东磁偏角真方位角磁方位角西磁偏角24第一节 井眼轨迹的基本概念 一、轨迹的基本参数r二、轨迹的计算参数因为实际井眼轨道是一条ON（i）E（j

6、）空间曲线，所以可以用空间直角坐标系来描述。一般选取直角笛卡尔坐标系 。原点 选在井口处； 轴指向正北，单位矢量为i； 轴指向正东，单位矢量为j； 轴垂直向下，单位矢量为k 。如果K b 和K n分别表示r 点的曲率和挠率,则有D（k）25第一节 井眼轨迹的基本概念ll2223(000r = N i + E j + D kN ( l ) = sin cos d l l E ( l ) = sin sin d l D ( l ) = cos d l d 2 r d r K b = 2 2 d l d ld r d r d r , 2 , 3 ) K n = d l d l 2 d l K b 2

7、6第一节 井眼轨迹的基本概念 二、轨迹的计算参数三、井眼轨迹的图示法对一条空间曲线可以有不同的表示方法。三维坐标法：如前面所示。柱面图示法：垂直剖面图（柱面展开图）+水平投影图柱面：设想经过井眼轨迹上每一个点作一条铅垂线，所有这些铅垂线构成的曲面称为柱面。将柱面展平，就形成了垂直剖面图。可以反映出真实的井身参数，如：测深、井斜角、垂深；作图简便。27第一节 井眼轨迹的基本概念28在测量过程中，需借助三种媒介：大地的重力场、大地磁场、天体坐标系。借助重力场测量井斜角、高边工具面，测量的基准是测点与地心的连线，即铅垂线。（测角器、罗盘重锤、重力加速度计）借助地磁场测量方位角和磁性工具面。测量基准是

8、磁北极。（罗盘、磁通门）。借助天体坐标测量方位角或工具面。（陀螺仪：是一种惯性测量仪器、不以地球上任何参照物为基准，下井前对自转轴进行地理北极的方位标定。）第二节 轨迹测量及计算Section 2 Measurement and calculation of trajectory 钻井过程测量具有如下特点： 1、间接测量，要有专用工具和仪器。 2、测量仪器的尺寸受井眼尺寸和钻井工具的限制。 3、受地层和钻井液高压的影响，要有安全系数。 4、抗高温性能。（耐温小于125度为常温仪器，182度以下为高温仪器。） 5、能承受震动、冲击等。第二节 轨迹测量及计算Section 2 Measuremen

9、t and calculation of trajectory定向井技术发展主要依赖于先进的测量仪器和先进的井下工具。测量仪器的基本用途：测量轨迹的几何参数、定向参数、地质参数（自然伽玛、电阻率、岩石密度、中子孔隙度）、钻井工艺参数。一、测斜方法1、测斜仪分类按工作方式分：单点式、多点式、随钻测量（有线、无线）。按工作原理分：液面原理仪器：虹吸测斜仪、氢氟酸测斜仪；磁性测斜仪（罗盘）、陀螺测斜仪（高速陀螺空间指向恒定）2、测量内容测深 D m 、井斜角 、方位角 。2930第二节 轨迹测量及计算 一、测斜方法一、液面原理：液面是水平的，井眼轴线是倾斜的。液面与井眼轴线法面的夹角，即为该点处的井

10、斜角。二、重力原理：重锤罗盘照相。重力加速度计。三、磁北原理。磁通门。四、陀螺原理。（高速旋转的陀螺具有定向性或定轴性。）利用磁罗盘和磁通门，要求测量点附近无磁干扰。陀螺仪不受磁干扰，可用于套管内、丛式井、没有无磁钻铤等，但存在陀螺漂移。3、磁性测斜仪的工作原理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。罗盘的S极始终指北。（1）井斜角的测量当测斜仪随井眼倾斜时，十字摆锤始终指向重力线方向，重力线与仪器轴线的夹角即为井斜角。由摆锤在井斜刻度盘底片上的位置读取。31第二节 轨迹测量及计算 一、测斜方法（2）井斜方位角的测量摆锤所在铅垂线与仪器轴线（井眼方向线）构成井斜铅垂面，该井

11、斜铅垂面与水平面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放射线与罗盘N极之间的夹角即为井斜方位角。（注意：在井下,罗盘标志方位与实际地理方位相反。）（3）井深测量根据电缆长度或钻柱长度 。32第二节 轨迹测量及计算 一、测斜方法冲洗出的单点测斜仪像片实例。10角装置 50角装置井斜角：5.5 井斜角：30方位角：N43E 方位角：N38W 井斜角、重力高边由重力加速度计测出，与磁通门无关，故不受磁干扰。 磁性工具面由磁通门测出，与重力加速度计无关。 方位角与磁通门、重力加速度计均有关。测量数据的记录方式有照相底片、电子数字记录。传输方式：取底片（磁罗盘单多点等）、有线通过电缆传输、

12、无线通过压力脉冲、电磁波和声波等方式参数。压力脉冲：正脉冲、负脉冲、连续波。负脉冲传输速率低，不能满足更多参数的需要，正逐渐被正脉冲所代替。连续波不会产生明显得脉冲，传输速度更高，但技术难度大。电磁波：信号衰减太厉害。声波：信号衰减太厉害、干扰大。无线转盘钻进时，钻具的转动、震动等原因，立管压力数据波动大，数据不准，测量时要静止。负脉冲系统 连续波系统正脉冲系统 电子单多点测斜仪ESS（Electronic Survey Slope) 该仪器可作为多点使用，也可作为单点使用。 电子多点测斜仪的外筒总成同磁性单点测斜仪。 测角总成又称探管,主要有电池筒、探管总成、接口箱等。测量参数为井斜角、方位

13、角、及磁性工具面角、高边工具面角、磁倾角、温度、重力加速度计总值、磁通门总值等。 精度为井斜0.5，方位1。5，工作温度125。 井斜测量范围0180，方位测量范围0360。 测量原理为：利用安装在测斜仪器内的加速度计和磁通门磁力计可测量出x、y、z方向地球重力加速度分量，测量出x、y、z方向的地磁分量，并可由这些测量值计算出井斜角、方位角以及工具面角等参数。安装在测斜仪器内的加速度计和磁通门 使用ESS时的要求：（1）检查水眼，不能小于仪器外径。（2）井下正常才能测斜。投测时，钻具内必须灌满泥浆。（3）根据井下测量时间及温度，选用合适的电池。（4）当仪器在地面组装并开动定时器时，秒表也要同时

14、开动，秒表与定时器同步以使操作人员准确地知道何时测量和测量的次数。起钻时在起出一柱卸扣时，要卡紧液压大钳的下钳头，保证井下钻具静止，同时记准时间，以方便读取数据。（5）每次测量时，对仪器检查。应检查一下磁磁倾角、重力加速度计总值、磁通门总值是否正常。若不正常，则可能仪器损坏或仪器未进无磁，受到钻具的磁干扰。（6）要算准井深。(7)投测多点时，探管底部要放置弹簧，防止悬挂胶棒震断损坏仪器。（8）测完后，取出电磁筒中的电磁，清洁仪器各部分。 有线随钻测量仪SST(Steering Survey Tool) 有线随钻测量仪用加速度计和磁通门磁力计测量井斜和方位。 井下的井斜、方位测量数据经电缆传至地

15、面计算机处理后进行记录和显示。多数有线随钻测量仪可在钻井过程中不断地检测井斜，方位和工具面角。这些数据能由装在司钻旁的显示器实时显示。因此，有线随钻测量仪能为定向钻井者提供更多、更及时的信息，以帮助操作者调整工具面角、控制泥浆马达。由于有连续稳定的工具面角读数，使操作人员无需再对预定的反扭矩修正工具面角。 有线随钻测量仪的探管由电缆下入井内并坐入斜口管鞋定向套内。电缆密封机构有循环头、侧入接头二种。 使用循环头时，则每钻30m井眼要起下电缆一次，有线随钻测斜仪收回放入最上面的立柱，然后接上另一柱。，再接上这个带有有线随钻测斜仪的立柱后，将有线随钻测斜仪的仪器下入到定向接头并复位。 使用侧入接头

16、时，在接头的侧面装有防止泥浆泄漏的密封套结构。 有线随钻测量仪按常规下入，座放到定向套内。电线在侧入接头内被卡紧，从侧边出来。随着连续钻进，按常规操作，新的钻杆立根不断地用方钻秆接上。随着越来越多的钻杆被加到钻柱上，电缆被钳紧在钻杆侧面，注意，用这种方法可钻进上百米而无需把仪器提到地面。使用侧入接头时有线随钻示意图使用循环头时有线随钻示意图 有线随钻使用要求： 1、无磁钻铤长度应根据地区、井斜角和方位角的不同，按要求选配。 2、最小钻具内径必须大于仪器外径。 3、斜口管鞋与定向键相配。 4、使用循环头时，吊环长度要长。 5、井眼畅通，泥浆性能好，含砂量低。 6、使用前检查。 7、注意不要超过最

17、高温度使用。 8、井斜角大于6度，用高边工作方式，小于6度，用磁性工具面。 （四）无线随钻测量仪MWD(Measurement While Drilling):井下测量部分、信号传输部分、地面接收部分等组成。 无线随钻测量系统：它的井下部分包括加速度计和磁通门磁力计传感部件，由传感器转换到信号的部件，脉冲发生器部件和动力部件。在地面由压力传惑器接收信号并传输到计算机进行处理。把这些信息转换成井斜角，方位角和工具面角的数据。这些信息被传输到终端打印，并传输到钻台显示，类似于有线随钻测斜工具那样显示井斜角，方位角和工具面角。 无线的优点是：对井眼轨迹实时监测、实时调整、控制更加精确。简化施工程序，

18、节约时间。可滑动钻进与复合钻井相结合；可随时活动钻具、转动转盘，测斜不需长时间停泵，降低粘卡的几率。克服了有线起下电缆时间长、断钢丝、井口密封失效等故障，进一步提高了时效。 无线使用要求：1、井下温度、压力满足仪器的使用要求。 2、复合钻井时，转盘转速低于70RPM。 3、仪器工作扭矩和螺纹上紧扭矩不得超过仪器的许用值。 4、钻井液满足仪器要求，特别是含沙量要低，气泡不能多。 5、泵工作正常。 6、下井前做检查。井口作浅层测试。 无线随钻测井仪LWD（Logging While Drilling) LWD用途：1、随钻地质测井（与电缆测井相比，更接近地层的真实情况。）2、地质导向。3、风险回避

19、。4、提高钻井效率。 MWD磁干扰分析判断方法：1、井下仪器测得的磁场强度、地磁倾角等与我们计算出的值比较。 2、Bx/By/Bz。Bxoy=(Bx2+By2)1/2 Bx/By:径向磁场异常（邻井套管、铁矿石等） Bz：轴向磁场异常（无磁钻铤被磁化）。 分析是否有异常，判断。 同一地区，无磁干扰，井斜、方位角相同时，三个参数相同。 陀螺测斜仪 在已下套管的井内使用磁性罗盘时，钢套管的影响会得出错误的测量结果。在附近有下过套管的井的裸眼井内测量时也会如此。丛式井平台上一口定向井初始造斜时，由于紧靠已下套管的各邻井使用磁性测斜仪是不可靠的。 在这种情况下必须用不受磁场影响的陀螺罗盘代替磁罗盘陀螺

20、测量仪主要是在有磁干扰的情况下，定向造斜、扭方位，在套管内测量方位。使用时，不需无磁钻铤。当陀螺转子绕转子轴高速旋转时，二自由度陀螺仪的转子轴具有一个重要特性，即定轴性。所谓定轴性，是当作用于陀螺仪的外力矩为零时，陀螺转子轴I相对惯性空间具有方向不变的特性。因此可以利用它来作为运动物体的惯性基准。这是陀螺测斜仪在钻井测量中，利用二自由度万向支架自由陀螺仪确定方位的主要依据。二、对测斜计算数据的规定1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零的测点作为第一测点。2测段编号：自上而下编号。第 i -1 个点与第 i 点之间所夹的测段为第 i测段。3第测点：第测点的测深大于25m

21、 时，第测点的测深比第测点的测深小25m，且井斜角规定为零。第测点的测深小于或等于25m时，规定第测点的测深和井斜角均为零 。33第二节 轨迹测量及计算4若若 i = 0，则计算第，则计算第i 测段时，测段时， i = i-1 ；计算第；计算第i+1测段时测段时， i = i+1 。（同谁去计算，就同谁的一样。）5在一个测段内，井斜方位角变化的绝对值不得超过在一个测段内，井斜方位角变化的绝对值不得超过180。 i i 1 180 时， i = c =34 第二节 轨迹测量及计算二、对测斜计算数据的规定三、轨迹计算方法需计算三个坐标增量值。必须知道测段的几何形状。测斜只提供上下两点的参数。测段形

22、状未知，计算时只能假设测段形状。假设不同，计算方法不同。国内外测段计算方法正切法假设测段为直线，其方向与下测点方向一致。平衡正切法假设测段为两段等长度的折线，其方向分别与上、下测点方向一致。平均角法假设测段为直线，其方向为上、下测点方向的“和方向”。圆柱螺线法假设测段为圆柱螺线，螺线在两端点处与上、下两测点方向相切。最小曲率法假设测段为平面圆弧，圆弧在两端处与上、下测点方向相切。35第二节 轨迹测量及计算36 必须记住平均角法的公式。书175页。（计算表） 熟悉圆柱螺线法、曲率半径法、校正平均角法的公式。书176、177页。 校正平均角法的公式也要记住。 测点计算的其它公式。（定向井钻井技术6

23、3页。） 定向井靶心距计算。（定向井钻井技术64页。）第三节 直井防斜技术Section 3 Deviation control井斜的危害：1、在地质勘探方面：造成地质资料失真；打乱合理的地下井网和开发方案。2、在钻井施工方面：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；纠斜侧钻增加成本。3、在开发采油方面：影响分层开采；影响修井工作；影响采收率（死油区）。37一、井斜的原因地质因素，钻具因素。1、地质因素地层倾斜和地层可钻性不均匀性两个方面。（1）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。钻头总是有向着容易钻进的方向前进

24、的趋势。地层倾角小于45时，钻头偏向垂直地层层面的方向。地层倾角超过60时，钻头沿着平行地层层面方向下滑，地层倾角在4560之间时，井斜方向属不稳定状态 。38第三节 直井防斜技术。（2）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（即沿着地层的上倾方向。）软地层硬地层硬地层软地层39第三节 直井防斜技术 一 井斜的原因 当钻头由硬地层进入软地层时，开始时由于地层在软地层一侧吃入多，钻速快，而在硬地层一侧吃入少，钻速慢，井眼有向地层下倾方向倾斜的趋势。但当钻头快钻出硬地层时，此处岩石不能再支承钻头的重负荷，岩石将沿着垂直于层面方向发生破碎，在硬地层一侧留下一个台肩，迫使钻头

25、回到地层上倾方向。所以钻头由硬地层进入软地层也有可能仍然向地层上倾方向发生倾斜。（3）地层可钻性的横向变化垂直于钻头轴线方向上可钻性的变化。如：在钻头的一侧下面钻遇溶洞或较疏松的地层，而另一侧则钻遇较致密的地层。40第三节 直井防斜技术 一 井斜的原因2、钻具因素主要原因是钻具的倾斜和弯曲。结果：引起钻头倾斜，在井底形成不对称切削。使钻头受侧向力的作用，产生侧向切削。影响最大的是：影响最大的是：“底部钻具组合底部钻具组合”( Bottom Hole Assembly )，简称，简称BHA。导致钻具倾斜和弯曲的原因：钻具和井眼之间有一定间隙。钻压的作用，钻柱受压靠近井壁或发生弯曲。钻具本身弯曲；

26、转盘安装不平、井架安装不正等。3、井眼扩大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。41第三节 直井防斜技术 一 井斜的原因地质原因是客观存在的，井眼也不会一钻就扩大，钻具是可以控制的，要应用防斜钻具组合：满眼、钟摆等。二、满眼钻具组合控制井斜由钻具引起井斜的原因可归结为：钻头对井底的不对称切削；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。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。基本原理：增大下部钻具组合的尺寸和刚度，近似“填满井眼”，防止钻柱弯曲和倾斜。方法：在下部钻具适当位置上安装34个稳定器。稳定器尺寸： d = d h

27、 - d s =1.0 2.0 mm42第三节 直井防斜技术满眼钻具组合的基本结构：近钻头稳定器、中稳定器、上稳定器、第四稳定器。作用：近稳定器：抵抗侧向力，防止侧向切削和不对称切削。中稳定器：保证中稳定器与钻头之间的钻柱不发生弯曲。其安放位置需严格计算。中扶位置的计算是满眼钻具组合设计的核心，存在一个最优距离。上稳定器：保证钻具上至少有3个稳定点与井壁接触，从而保证井眼的直线性。第四稳定器：增大下部钻柱的刚度，协助中扶防止钻柱弯曲。43 第三节 直井防斜技术二、满眼钻具组合控制井斜满眼钻具组合的使用，要注意以下问题:(1)只能控制井眼曲率，不能控制井斜角的大小。不能纠斜。(2)“以快保满，以

28、满保直”。间隙对满眼钻具组合性能影响显著。设计间隙一般为 d = d h - d s =0.8 1.6mm。当间隙d达到或超过两倍的设计值时，应及时更换或修复稳定器。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。(3)不宜在井眼曲率大的井段使用。防止卡钻。(4)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“狗腿”。(5)为了发挥满眼钻具的防斜作用，在钻具上至少要有3个稳定点。即：至少要安放3个稳定器。44 第三节 直井防斜技术二、满眼钻具组合控制井斜三、钟摆钻具组合控制井斜1.钟摆钻具组合的原理在下部钻柱的适当位置安装一个稳定器，当发生井斜时，该稳

29、定器支撑在井壁上形成支点，使下部钻柱悬空。则该稳定器以下的钻柱就好象一个钟摆，产生一个钟摆力。钻头在此钟摆力的作用下切削下井壁。从而使新钻的井眼不断降斜。45第三节 直井防斜技术1L z =r =2. 钟摆钻具组合设计，关键在于第一个稳定器到钻头距离的计算，存在一个最优距离。钻头上的钟摆力：F d = q m L z sin 2可产生最大钟摆力的最优稳定器安放位置计算：W -钻压，kN；d h -井径， m；d c-钻铤直径，m。考虑到稳定器磨损和井径扩大，使用距离比计算距离适当减小。L S =（0.9 0.95） L zB 2 + 4 AC B2 AA = 2 q m sin B = 82

30、. 04 WrC = 184 . 6 2 EJrd h d c246 第三节 直井防斜技术三、钟摆钻具组合控制井斜3.钟摆钻具组合的使用(1)多数用于井斜角较大的井纠斜。直井内无防斜作用。(2)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。(3)只能使用小钻压“吊打”。如果使用大钻压,可能形成新的支点。(4)不能有效控制井眼曲率，易形成“狗腿”。(5)间隙对钟摆钻具组合性能的影响比较明显。47 第三节 直井防斜技术三、钟摆钻具组合控制井斜1.2.3.4.四、其它直井方斜技术塔式钻具（钟摆原理）。偏心钻铤（形成公转和钟摆力）。方钻铤（满眼钻具原理）。钻铤偏心短

31、节（形成钻铤公转）。48第三节 直井防斜技术第四节 定向井井眼轨道设计Section 4 Well path design of directional well常规定向井： b = 15 60 b -最大稳斜角。大斜度井： b = 60 85水平井： b = 90上翘井： b = 90 120大位移井： 水平位移与垂深之比大于2.0。一、定向井轨道分类二维定向井常规二维定向井：井段形状由直线和圆弧曲线组成。非常规二维定向井：除了直线和圆弧曲线外，还有某种特殊曲线，如悬链线，二次抛物线等。三维定向井纠偏三维定向井、绕障三维定向井。49二、常规二维定向井轨道设计设计原则(1) 能实现钻定向井的目

32、的(地面、地质、处理事故、提高经济效益等。）。(2) 有利于安全、优质、快速钻井。A.轨道形状简单，尽量保持较长的直井段，容易实现钻进；尽量减小最大井斜角，以便减小钻井难度。1530，小倾角定向井；3060，中倾角定向井；大于60，大倾角定向井。最大井斜角不得小于15，否则井斜方位不易稳定。50 第四节 定向井井眼轨道设计B.选择合适的造斜点位置。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。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。C.选择合适的井眼曲率。K c 小：造斜段长，钻速低；K c 大：摩

33、阻大，起下钻、下套管等作业困难；保持 K c均匀，避免急弯，防止阻卡。保证钻具顺利通过；保证下套管顺利；(3) 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。尽量以具有较小井斜角的直井段（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。51 第四节 定向井井眼轨道设计二、常规二维定向井轨道设计轨道类型常规二维定向井轨道有四种类型：三段式，多靶三段式，五段式和双增式。52 第四节 定向井井眼轨道设计二、常规二维定向井轨道设计53 第四节 定向井井眼轨道设计二、常规二维定向井轨道设计3设计条件、内容及步骤（1）设计条件由地质、采油部门提供的要求：目标点位

34、置： D t 、S t 、 0目标段位置： D t 、 S t 、D mm 、 t 、 0由钻井工程要求和设计原则确定的数据：造斜点深度 D kop井眼曲率 K c54 第四节 定向井井眼轨道设计二、常规二维定向井轨道设计（2）设计内容及步骤选择轨道形状：给定 D t 、S t 、 0 ，选用三段式；给定 D t 、S t 、D mm 、 t 、 0 ，选用五段式或多靶三段式；给定 D t 、S t 、D mm 、 t 、 0 ，且 t 较大，用双增式。确定造斜点位置 D kop ；造斜率 K z ，降斜率 K n ，第二造斜率 K zz计算关键参数：最大井斜角 b 、 稳斜段长度 D mw

35、。计算各井段井身参数： D、S、D m 。绘制垂直剖面图和水平剖面图。55 第四节 定向井井眼轨道设计二、常规二维定向井轨道设计S t D mm sin t + R n ( 1 cos t )= D D D bz 2 24. 轨道的设计计算（以五段式轨道为例）（1）计算关键参数 b 、 D mw （如图）t a mm cos t + R n sin t ( R z + R n ) tan 256 第四节 定向井井眼轨道设计二、常规二维定向井轨道设计令： S e = S t D mm sin t + R n ( 1 cos t )D e = D t D a D mm cos t + R n si

36、n tR e = R z + R n则： tan b =由： tan b =S eD e R e tan b22 tan b21 tan 2 ( b )2tan b2=D e D e 2 + S e 2 2 R e S e2 R e S e得： D mw = D e 2 + S e 2 2 R e S e57 第四节 定向井井眼轨道设计二、常规二维定向井轨道设计增斜段：稳斜段：降斜段：目标段：58 第四节 定向井井眼轨道设计二、常规二维定向井轨道设计5.不同轨道类型的关键参数计算造斜段井眼曲率半径 R 的计算公式：R =30K c180=1719K cK c 的单位是（/30m）， R （m）

37、。（1）三段式给定D t 、 S t 、 0、 D kop 、 K z时，计算 b、D mw59 第四节 定向井井眼轨道设计二、常规二维定向井轨道设计 bS t tan b D mw =给定D t 、 S t 、 0 、 K z 、 b时，计算 D kop 、 D mwR z =K z =D t D kop tan(21719R zS ttan b) D mw =D t D kop R z sin bcos b给定D t 、 S t 、 0、 D kop 、 b 时，计算K z 、 D mw60 第四节 定向井井眼轨道设计二、常规二维定向井轨道设计 t D mw =（2）多靶三段式 b = t

38、2D t D kop R z sin bcos b61 第四节 定向井井眼轨道设计二、常规二维定向井轨道设计（3）五段式62 第四节 定向井井眼轨道设计二、常规二维定向井轨道设计（4）双增式轨道R e = R z R zz63 第四节 定向井井眼轨道设计二、常规二维定向井轨道设计双增轨稳斜段：z z bzz zz tm mm6、井段计算及设计结果对每个井段计算出段长、垂增、平增三个参数。 D z = R z sin b增斜段： S = R ( 1 cos ) D mz = R z b / 180 D w = D mw cos b S w = D mw sin b D n = R n (sin

39、b sin t )降斜段： S n = R n (cos t cos b ) 第四节 定向井井眼轨道设计二、常规二维定向井轨道设计 如果已知第一稳斜角的角度及造斜率、靶点参数等设计参数，一般可以反推出相关参数，不必死记公式。如书上三段式的第二、第三种情况及多靶三段式。 要根据剖面简单的原则，灵活套用公式设计剖面。记公式时，必须记住各参数代表的意义，最好根据图来记。65 第四节 定向井井眼轨道设计二、常规二维定向井轨道设计第五节 定向井造斜工具及轨迹控制Section 5 Building tool and trajectory control造斜： 由垂直井段开始钻出具有一定方位的斜井段的工艺

40、过程。造斜点： 开始造斜时的深度。垂直井段开始倾斜的起点。造斜工具： 井底动力钻具造斜工具；转盘钻造斜工具;混合钻进造斜工具 导向式马达。一、井底动力钻具造斜工具动力钻具（井下马达）：涡轮钻具、螺杆钻具、电动钻具。工作特点：在造斜钻进过程中，动力钻具外壳和钻柱不旋转，有利于定向造斜。661.动力钻具造斜工具的种类三种：弯接头、弯外壳马达、偏心垫块。(1)弯接头(斜接头)影响弯接头造斜率的因素：弯角越大，造斜率越大；一般为 0.52.5。弯曲点以上钻柱的刚度越大，造斜率越大；弯点至钻头的距离越小且重量越小，造斜率越大；钻速越小，造斜率越高。此外：造斜率大小还与井眼间隙、地层因素、钻头结构有关。(

41、2)弯外壳马达 （原理与弯接头类似），有单弯、同向双弯（FAB)、异向双弯（DTU)(3)偏心垫块杠杆原理，垫块在井壁下侧作为支点，在上部钻柱重力作用下使钻头受到一个杠杆力，从而产生侧向切削。垫块偏心度越高，造斜率越高。67第五节 定向井造斜工具及轨迹控制 一、井底动力钻具造斜工具 弯接头造斜原理：钻具中接弯接头，迫使钻头倾斜，对井底造成不对称切削。另外井壁迫使钻具弯曲部分伸直，使钻头受到钻柱的弹性力的作用，从而产生侧向切削，改变井眼方向。 检查弯接头（定向直接头，用于单弯）定向套安装是否正确：定向套固定牢靠，不转动，定向键与固定螺钉相差180度，定向键的间隙合适，用定向杆试座键顺利。 丈量弯

42、接头度数是否符合要求：定向键在短边上，固定螺钉在长边上。弯接头度数（长边短边）/直径57.3(度)。 单弯螺杆度数是否符合要求、表示弯曲方向的标记是否清晰，准确。稳定器外径要符合要求，216井眼小于212mm不得入井。 为精确测量方位角，选择好无磁钻铤的长度及调整好罗盘（传感器）在无磁钻铤内的位置。使用磁测量工具时必须特别注意磁干扰的影响。这种干扰是由于紧靠钢钻铤引起的，也可能是由邻近的套管和具有磁性的地层所至。 磁通门感应的是大地磁场。利用无磁钻铤可以把罗盘和罗盘上下的磁钢和磁场分开，防止对地磁场的干扰，能让大地磁场穿过。无磁钻铤是一种由蒙乃尓合金或不锈钢制成的不易磁化的钻铤，其用途是为磁性

43、测斜仪提供一个不受钻柱磁场影响的测量环境，傍边的干扰不能屏蔽。 所需要的无磁钻铤长度取决于几个因素，包括井眼的方位和井斜角、地理位置。在高纬区，分磁场强度很小，罗盘读数易受附近其它磁流的影响。因而应当下入较多的无磁钻铤将其它磁源的影响减至最底限度。可以利用图表估算出应下入的无磁钻铤数量和钻铤内罗盘的位置。地球水平磁场强度分布图方位角由磁北或南，度。无磁钻铤长度确定 1区井斜角与象限方位角的交点在曲线A下用18钻铤；25钻铤曲线B下；30钻铤曲线C下；串联18+25钻铤曲线C上； 2区30钻铤曲线A下；60钻铤曲线B下（加找中器）；60钻铤曲线C下（近钻头稳定器）；90钻铤曲线C上； 3区60钻

44、铤曲线A下（加找中器）；60钻铤曲线B下（近钻头稳定器）；90钻铤曲线C下。 关于仪器在无磁钻铤中的位置，推荐如下： 1区：6m钻铤中心以下，0.30.6m； 8m钻铤中心以下，0.61m； 10m钻铤中心以下，11.3m。 2区：10m钻铤中心以下，11.3m； 20m钻铤中心以下，2.33m； 30m钻铤中心。 3区：20m钻铤中心(曲线A)； 20m钻铤中心以下，2.33m(曲线B)； 30m钻铤中心。 我国大部分地区处于一区。磁场区磁场强度越高，需要的无磁钻铤越长。 因此为尽可能减少磁干扰，罗盘（传感器）在无磁钻铤内的位置是有讲究的， 施工时按照规定应配好测斜加长杆。 切不可测斜时去掉

45、加长杆、拉多点时带一段钢丝绳，而且应根据各个测量仪器的长短配不不同长度的加长杆。 单点测量时，仪器到底后，尽量不要让钢丝绳下垂过多。当无磁钻铤间需要用扶正器时，最好加工成无磁扶正器。加重钻杆的加重钻杆的作用：作用： 用在钻具组合底部来代替钻铤加压，能在受压状态下用在钻具组合底部来代替钻铤加压，能在受压状态下工作。与钻铤比，在导向钻具定向作业中减少与井壁的工作。与钻铤比，在导向钻具定向作业中减少与井壁的接触面积，减小摩阻力，利于滑动作业，增加井下安全接触面积，减小摩阻力，利于滑动作业，增加井下安全且有利于定向井参数的控制，特别是且有利于定向井参数的控制，特别是18度斜坡加重钻杆。度斜坡加重钻杆。

46、还用作钻铤与钻杆之间的过渡段，以减缓刚度变化。增还用作钻铤与钻杆之间的过渡段，以减缓刚度变化。增加了环空。在井眼曲率变化大的井段，减少摩阻，减少加了环空。在井眼曲率变化大的井段，减少摩阻，减少挂卡及复杂情况的出现。挂卡及复杂情况的出现。为减少钻具因弯曲造成的破坏，钻铤与钻杆连接处的截面为减少钻具因弯曲造成的破坏，钻铤与钻杆连接处的截面模量比应小于模量比应小于5.5。钻杆的钻杆的作用：作用： 主要作用为传递扭矩和输送泥浆，并将地面发出的功率传递给钻头，并主要作用为传递扭矩和输送泥浆，并将地面发出的功率传递给钻头，并靠钻杆的逐渐加长使井眼不断加深。靠钻杆的逐渐加长使井眼不断加深。扶正器的分类扶正器

47、的分类扶正器的作用扶正器的作用扶正器的形状扶正器的形状使用扶正器的使用扶正器的一些技巧一些技巧螺旋扶正器结构ID 扶正器 Stabilizer扶正器作用扶正器作用 在现场作业中，无论是在转盘钻具组合在现场作业中，无论是在转盘钻具组合中，还是在中，还是在导向导向钻具中，扶正器都具有很钻具中，扶正器都具有很大的作用。大的作用。 在增斜钻具组合和降斜钻具组合中，扶在增斜钻具组合和降斜钻具组合中，扶正器起支点作用，通过改变扶正器在下部正器起支点作用，通过改变扶正器在下部钻具组合中的位置，可改变下部钻具组合钻具组合中的位置，可改变下部钻具组合的受力状态，从而进行增斜、稳斜或者降的受力状态，从而进行增斜、

48、稳斜或者降斜来达到控制井眼轨迹的目的斜来达到控制井眼轨迹的目的, ,还可以增加还可以增加下部钻具组合的刚性，修整井眼，防止粘下部钻具组合的刚性，修整井眼，防止粘卡等。卡等。 非磁钻铤非磁钻铤非磁钻铤作用作用 在使用在使用MWD或者电子多或者电子多点测斜仪等仪器时，在钻具组点测斜仪等仪器时，在钻具组合中使用非磁钻铤可以有效防合中使用非磁钻铤可以有效防止由于钻具所带来的磁干扰，止由于钻具所带来的磁干扰，使测量结果准确有效。使测量结果准确有效。 8 非磁钻铤：非磁钻铤： 扣型：扣型：631*630 外径：外径：8 （203.2mm） 内径：内径：3-1/4 （82.55mm）6-1/2 非磁钻铤：非

49、磁钻铤： 扣型：扣型：411*410 外径：外径：165.1mm 内径：内径：3-1/4 或或 2-13/16 （71.4mm）非磁钻铤ID非磁钻铤 Non-magnetic Drilling Collar S/N悬挂短节悬挂短节悬挂短节作用作用 将将MWDMWD仪器坐在其中，为仪器坐在其中，为MWDMWD提供一个提供一个安全稳定的测量环境。安全稳定的测量环境。 悬挂短节外壁上有一高边刻度线，其悬挂短节外壁上有一高边刻度线，其作用是校正马达高边及量作用是校正马达高边及量MWDMWD到马达到马达OFFSETOFFSET值。内壁有一凸出的键，为值。内壁有一凸出的键，为MWDMWD座座封时使用。在不

50、使用封时使用。在不使用MWDMWD时，一定要注意时，一定要注意先甩掉悬挂短节，以避免排量过大冲掉该先甩掉悬挂短节，以避免排量过大冲掉该键，造成井下事故。键，造成井下事故。短非磁钻铤 短非磁钻铤的作用：短非磁钻铤的作用： 与非磁钻铤的作用类似，只是长度不同与非磁钻铤的作用类似，只是长度不同。 短非磁钻铤尺寸、内外径及扣型：短非磁钻铤尺寸、内外径及扣型： 8 短非磁钻铤：短非磁钻铤： 扣型：扣型：631*630 外径：外径：8 （203.2mm） 内径：内径：3-1/4 （82.55mm） 6-1/2 短非磁钻铤：短非磁钻铤： 扣型：扣型：411*410 外径：外径：165.1mm 内径：内径：3

51、-1/4 “ 或或 2-13/16 ” （71.4mm）浮阀和定向接头浮阀的浮阀的作用：作用： 主要作用是防止泥浆倒流损害井下测量工具，以及防止钻头水眼被堵。定向接头的定向接头的作用：作用： 主要作用是为定向仪器（陀螺等）提供一个稳定的座封环境，便于准确地知道马达等井下工具的方向，保障下部作业顺利进行。浮阀和定向接头结构IDID浮阀接头 Float ValveIDID定向接头 Orienting Sub震击器和挠性接头震击器的震击器的作用：作用： 主要作用是保持钻头和钻柱的工作平衡，在卡钻时帮助解卡。 挠性接头的挠性接头的作用：作用： 主要作用是保护震击器，增加震击时的弹力。 震击器和挠性接头

52、震击器 Drilling Jar S/NID挠性接头 Flex Sub短钻铤短钻铤的短钻铤的作用：作用： 其作用可以参看转盘扶正器其作用可以参看转盘扶正器组合。组合。 其它的一些定向工具：其它的一些定向工具： 承托环承托环 配合接头配合接头 减震器减震器 键槽破坏器（见定向钻井技术键槽破坏器（见定向钻井技术72页）页） 循环头循环头 变向器变向器 打捞杯打捞杯 开窗工具常见开窗工具常见开窗工具：斜向器斜向器洗锥洗锥锻洗工具锻洗工具 68第五节 定向井造斜工具及轨迹控制 一、井底动力钻具造斜工具涡轮钻具的结构与特性结构：定子和转子（叶片）、外壳、压紧短节、主轴。工作原理：钻井液冲击 叶片，产生旋

53、转扭矩，驱动转子和主轴旋转。特性：(1)转速较快（1000rpm），扭矩较小；(2)转速与扭矩随流量的增大而增大；(3)在一定流量下，转速随扭矩增大而减小；扭矩增高时，地面压力并不增高，难判断失速。(4)空转时，转速达到最高，所以不应当用涡轮钻具进行划眼。69第五节 定向井造斜工具及轨迹控制 一、井底动力钻具造斜工具 （1）转速与流量成正比，扭矩、压力降与流量的平方成正比，功率与流量的三次方成正比。足够的流量是涡轮钻具发出足够功率和扭矩的前提。 （2）存在一个最优转速，使功率最大。3螺杆钻具的结构与特性结构：旁通阀、定子（外壳内部浇铸橡胶）、转子（主轴）、万向轴、传动轴。工作原理：钻井液流过由

54、定子与转子相互啮合形成的螺旋形空腔时，迫使转子转动，产生扭矩。特性：(1)转速较慢（100-300 rpm ），扭矩较大；转速、扭矩、压力降、功率与流量的关系，同涡轮。(2)转速与扭矩随流量的增大而增大；转速也随压力降而变化，但在一定范围内转速变化很小，略微下降（硬转速特性），到要制动时，急剧下降，直至转速为零。(3)扭矩与压力降成正比。可根据泵压大小了解钻头扭矩和钻压。可以看着泵压表打钻。根据泵压表上的压力降还可以换算出钻头上的扭矩，从而可以较为准确地求得反扭角。70第五节 定向井造斜工具及轨迹控制 一、井底动力钻具造斜工具 马达是一种马达是一种 螺杆钻具（螺杆钻具（SCREW DRILLS

55、SCREW DRILLS），），它是以泥浆作为动力的一种井下动力钻具。它是以泥浆作为动力的一种井下动力钻具。 马达工作原理：泥浆泵产生的高压泥浆流，马达工作原理：泥浆泵产生的高压泥浆流，经旁通阀进入马达时，转子在压力泥浆的驱经旁通阀进入马达时，转子在压力泥浆的驱动下，绕定子的轴线旋转，马达产生的扭矩动下，绕定子的轴线旋转，马达产生的扭矩和转速，通过万向轴和传动轴传递给钻头，和转速，通过万向轴和传动轴传递给钻头，来实现钻井作业。来实现钻井作业。旁通阀结构及工作原理：旁通阀结构及工作原理： 旁通阀有旁通和关闭两个位置，在起下钻旁通阀有旁通和关闭两个位置，在起下钻时位于旁通位置，下钻时匀许环空的泥浆

56、由旁时位于旁通位置，下钻时匀许环空的泥浆由旁通阀阀体侧面的阀口孔流向钻杆内孔，起钻时通阀阀体侧面的阀口孔流向钻杆内孔，起钻时使钻杆内孔的泥浆从阀体侧面的阀口流入环空，使钻杆内孔的泥浆从阀体侧面的阀口流入环空，减少井台溢出泥浆，当泥浆流量及压力达到一减少井台溢出泥浆，当泥浆流量及压力达到一定值时，旁通阀关闭，泥浆流经马达，将泥浆定值时，旁通阀关闭，泥浆流经马达，将泥浆能量转换为机械能。能量转换为机械能。马达总成的结构及工作原理：马达总成的结构及工作原理： 马达总成由转子和定子两部分马达总成由转子和定子两部分组成。定子与转子之间形成若干组成。定子与转子之间形成若干个密封腔，在泥浆动力作用下，个密封

57、腔，在泥浆动力作用下，密封腔不断的形成与消失，完成密封腔不断的形成与消失，完成能量交换从而推动转子在定子中能量交换从而推动转子在定子中旋转。马达可形成几个密封腔就旋转。马达可形成几个密封腔就称几级马达。称几级马达。万向轴总成的结构及工作原理：万向轴总成的结构及工作原理： 万向轴总成未于转子下端，其万向轴总成未于转子下端，其作用是把马达产生的扭矩和转速作用是把马达产生的扭矩和转速传递到传动轴上。由于转子作的传递到传动轴上。由于转子作的是偏心运动，因此要求万向轴具是偏心运动，因此要求万向轴具有较好的挠性功能，能将偏心运有较好的挠性功能，能将偏心运动转换成传动轴的定轴转动。动转换成传动轴的定轴转动。

58、 传动轴总成的工作原理：传动轴总成的工作原理： 传动轴总成传动轴总成(drive shaft assembly)(drive shaft assembly)，它的作，它的作用是将马达的旋转动力（扭矩和转速）传递给钻用是将马达的旋转动力（扭矩和转速）传递给钻头，同时承受钻压所产生的轴向和径向负荷。头，同时承受钻压所产生的轴向和径向负荷。它的上下止推轴承承受轴向力。径向轴承起对传动它的上下止推轴承承受轴向力。径向轴承起对传动轴起扶正作用，保证传动轴平稳工作。轴起扶正作用，保证传动轴平稳工作。一般有一般有5 51010的钻井液流经轴承组，起润滑和冷却的作的钻井液流经轴承组，起润滑和冷却的作用。用。国

59、内常用的螺杆钻具传动轴有国内常用的螺杆钻具传动轴有7MPA（钻头最大水眼压降）（钻头最大水眼压降）和和14MPA二种结构。二种结构。 14MPA的寿命更长，承载力更大。的寿命更长，承载力更大。 常用马达厂家：常用马达厂家： NADRILLNADRILL、BAKERBAKER、立林、立林、 大港、大港、 德州德州 泥浆马达操作参数及注意事项泥浆马达操作参数及注意事项工作压力工作压力循环压力循环压力工作压差工作压差马达井口试验应注意的问题马达井口试验应注意的问题不同马达所允许的轴向间隙不同马达所允许的轴向间隙 马达使用结束后应马达使用结束后应注意的问题注意的问题马达到达井场后先要作什么马达到达井场

60、后先要作什么地面处理系统MWD连接短节正脉冲发生器驱动器短节上稳定器电池筒短节马达可调弯壳体自然伽马、井斜仪向上发射线圈定向仪短节数据连接总成发射线圈纽扣电极接收线圈下稳定器钻头71第五节 定向井造斜工具及轨迹控制 一、井底动力钻具造斜工具定子温度：125度、150度等。为了保证螺杆钻具的密封效果，应合理地选择转子与定子之间的配合尺寸。中空马达可增加流量，增加钻头的水马力及钻井液的上返速度。每种规格的螺杆钻具均有最大流量值。过大，会超速运转，易先期损坏转子与定子。过小，不转动或慢。定子的头数总比转子多一头。规格上标明的是转子的头数。一般，螺杆钻具在相同的规格下，转子头数越少，转速越高，扭矩越小