定向井钻井技术-2

SSTESS定向钻井技术一、定向井基本概念二、定向井轨道参数三、定向井轨道设计四、实钻轨迹测量计算五、轨迹控制技术定向井钻井技术定向井工具仪器内容

一、常用测量仪器二、几何导向井下工具仪器三、地质导向井下工具仪器第一节、定向井概述第二节、井眼轨迹基本概念内容第一章定向井基本概念第一章定向井基本概念第一节概述定向井技术是当今世界石油勘探开发领域最先进的钻井技术之一。采用定向井技术可以使地面和地下条件受到限制的油气资源得到经济、有效的开发，能够大幅度提高油气产量和降低开发成本，有利于环境保护，具有显著的综合经济效益。近年来,定向井的数量不断增加。井的分类

直井斜井定向井特殊工艺井（救援）普通定向井丛式井（组）多目标井开窗侧钻井水平井分支井大位移井井水平探井阶梯水平井三维多目标水平井开窗侧钻水平井连通水平井超薄油层水平井深层水平井短半径水平井大位移水平井

石油钻井的分类

直井定向井水平井大位移井开窗侧钻井定义：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。定向井概念：什么是定向井？α造斜点稳斜井段实际井筒轨迹计划井筒轨迹靶区水平位移α-井斜角垂深

定向井垂直投影图什么是定向井？定向井水平投影图β北东靶点NEβ-方位角井口设计轨迹实际轨迹定向井水平投影什么是定向井？条件的限制建筑物河流海洋地下油藏要求为什么要钻定向井？用于开发城市、古建筑、湖泊、

障碍物的油藏

为什么要钻定向井？用于山丘、沙漠、河流等油田开发为什么要钻定向井？地下油层的需要为什么要钻定向井？

丛式井就是一个平台上钻多口井（两口或两口以上），可能有直井、定向井、水平井或其它井。丛式井可分为：

陆地平台丛式井

海洋钻井平台丛式井什么是丛式井？

多目标井就是靶点在两口或两口以上，可以是定向井、水平井或其它井。什么是多目标井？

套管开窗井是指在原套管内开窗侧钻的井，它包括套管开窗内侧钻直井、定向井和水平井。什么是套管开窗侧钻井？钻套管开窗侧钻井的目的：

使老井复活,

使老油田恢复产能。充分利用原井场和原井的上部井眼，利用原来的输油输气管线，节省投资。利用侧钻技术，在事故井、报废井中侧钻成定向井、水平井，可节省钻井周期。利用侧钻井技术，可以钻成多底井、分支井。什么是套管开窗侧钻井？解决水锥问题什么是套管开窗侧钻井？水平位移水平位移/垂深≥2垂深造斜点

大位移井或大位移延伸井(Extendedreachwell)，早期，国外将大位移井定义为：垂深与水平位移之比大于或等于1的井。随着钻井的技术进步，通常将水平位移超过3000米、垂深与水平位移之比大于或等于2的井称之为大位移井。什么是大位移井？（1）寻找更大储量，扩大油气资源。（2）减少投资，节约成本。为什么要钻大位移井？3km5km1km位移1000米控制范围3.14平方公里位移3000米，控制范围为28.26平方公里位移5000米，控制范围为78.5平方公里海上丛式大位移井可减少海洋钻井平台的数量为什么要钻大位移井？用于开发浅海滩涂油田

我国有广阔的海岸线和丰富的浅海滩涂油气藏对于沿岸极浅海域，钻大位移井可以实现海油陆采、节省建平台或人工岛的投资。为什么要钻大位移井？1）多底井一个主井眼中钻出两个以上的井眼什么是分支井？2）分支井一个主井眼中侧钻出多个小井眼，大部分是指分支水平井，什么是大位移井？水平井属于定向井家族的分支，它的最基本特点是设计的井眼轨迹同油层的走向基本一致。其最大井斜度达到90°或水平段的井斜角达到85度以上。且在目的层内维持一定长度的水平的或近水平井段。水平井定义：八十年代以来水平井钻井技术的不断成熟主要归功于整个定向钻井技术的发展，它是定向钻井技术发展的重大进步。什么是水平井？水平井垂直剖面图造斜点水平位移垂深靶前位移水平段水平井的靶：圆柱型矩形什么是水平井？为什么要钻水平井？油层直井水平井水平井能够大幅度提高油井产量长半径：R>285mK<6°/30m中半径：R=285~86mK<6~20°/30m短半径：R=57~12mK<1~5°/m

根据造斜井段的曲率半径，水平井可以分为三种类型：长半径、中半径、短半径水平井。水平井有哪些类型？第二节井眼轨迹的基本概念目的：掌握有关参数的概念及这些参数之间的关系。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”。井深、井斜角和井斜方位角----轨迹的三个基本参数。(1)井深（或称为斜深、测深）

井口(通常以转盘面为基准)至测点的井眼长度。

以字母L表示，单位为米(m)。

井深增量（井段）：下测点井深与上测点井深之差。以ΔL表示。一．轨迹的基本参数(2)井斜角(α)：

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(Δα)：

下测点井斜角与上测点井斜角之差。Δα＝αB－αA

(3)井斜方位角φ（井眼方位角、方位角）：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Δφ：上下测点的井斜方位角之差。

Δφ＝φB－φA

井斜方位角的变化范围：0～360°。(3)井斜方位角φ：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：

0～90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－西磁偏角由基本参数计算得到的参数。(1)垂直深度Ｄ（垂深）：轨迹上某点至井口所在水平面的距离。垂深增量称为垂增（ΔＤ）。(2)水平投影长度Lp（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，即井深在水平面上的投影长度。水平长度的增量称为平增（ΔL）。(3)水平位移Ｓ（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，轨迹上某点至井口的距离）。平移方位线：在水平投影面上，井口至轨迹上某点的连线。我国将完钻时的水平位移称为闭合距。二．轨迹的计算参数(4)平移方位角θ：

平移方位线所在的方位角。(5)Ｎ坐标和Ｅ坐标：南北坐标轴，以正北方向为正；东西坐标轴，以正东方向为正。(6)视平移Ｖ：

水平位移在设计方位线上的投影长度。二．轨迹的计算参数NaAa’E二、轨迹的坐标参数NaAa’垂深D平长Lp平移S平移方位角θ视平移VN坐标E坐标计算参数：E－N三、狗腿角与井眼曲率NaAa’bE－N三、狗腿角与井眼曲率NaAa’bE－Nb’NaNbEaEb

井眼曲率定义:

K=γ/ΔDm

A.B.γ过井眼轴线相邻两测点所作的向井眼前进方向延伸的切线之间的夹角称为全角变化量。它反映了相邻两测点间井斜与方位的空间角度的变化量。又称狗腿角或全角变化量单位为(°)。全角变化量(γ)βABC第一套计算公式（空间曲线）ΔΦαcΔαγ第二套公式（平面曲线）第三套公式（近似公式）井眼曲率的计算1）井斜变化率方位角不变的井眼轴线此时：若AB弧有均匀曲率，则根据定义：KH

是指垂直剖面图上曲线的曲率KA是指水平投影图上曲线的曲率对于空间井眼轴线，可以用两个平面来表示垂直：水平：空间曲率的计算设有一空间曲线L，L上点A的定向要素为：DA、EA、NA、αA、φA、SA；井深增加到B点，设AB弧为dl水平投影面中：水平投影面中：由于：则：坐标参数与基本参数间的关系：平面曲线时：γABC方向线AC的方向数为：方向线AC的方向数为：方向线AC与CB的夹角为：Kα、Kφ对K都有影响。空间曲线时：对一条空间曲线可以有不同的表示方法。三维坐标法：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：井深、井斜角、垂深；作图简便。四、井眼轨迹的图示法1.三维坐标法

坐标系：0-D-N-E

借助辅助面，能形象直观地反映出井眼的形状和走向。但不能反映出真实的井身参数，且作图难度大。四、井眼轨迹的图示方法2.投影图示法

垂直投影图+水平投影图

轨迹在过井口和目标点的铅垂面上的投影。原点：井口纵坐标：横坐标：

轨迹在水平面上的投影。原点：井口坐标轴：缺点：垂直投影图不能真实地反映井深L

和井斜角α等轨迹参数。四、井眼轨迹的图示方法视平移

VEVDφα’SθNLPV目标点设计方位线3.柱面展开图示法（二图法）

垂直剖面图

+水平投影图

过轨迹上的每一点作铅垂线，所有铅垂线便构成一个曲面，称为柱面。将此柱面展开就形成垂直剖面图。原

点：井口纵坐标：垂深

D横坐标：优

点（1）容易想象轨迹形状（2）能真实反映井身参数（3）作图简便平长

LP１．水平投影图投影面：水平面坐标系：以井口为原点、Ｎ坐标轴、Ｅ坐标轴。表达的参数：Ｎ坐标值、Ｅ坐标值、水平位移S、

水平长度Lp、闭合距、井斜方位角φ、

平移方位角θ、闭合方位角。2．垂直剖面图垂直剖面：过井眼轴线上各点垂线组成的柱面展开图。坐标系：原点（井口）、横坐标（水平长度）、纵坐标（垂深）表达的参数：垂深D、水平长度Lp、井深Dm、井斜角α。3．垂直投影图垂直剖面：井眼轨道设计方位线所在的铅垂面坐标系：原点（井口）、横坐标（视平移）、纵坐标（垂深）表达的参数：垂深D、视平移V。第三节直井井斜及原因一、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）。二、井身质量标准探井井身质量标准井深(m)最大井斜角°）水平位移(m)全角变化°/25m≤1000≤2≤20≤1°1001～2000≤3≤30≤1°15‘2001～2500≤4≤40≤2°2501～3000≤5≤50≤2°3001～3500≤6≤65≤2°15‘3500～4000≤7≤80≤2°15‘三、井斜的原因

地质因素，钻具因素,钻进技术措施,设备安装等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。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45°～60°之间时，井斜方向属不稳定状态。（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。软地层硬地层硬地层软地层（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。2、钻具因素主要原因是钻具的倾斜和弯曲。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。“底部钻具组合”(BottomHoleAssembly)，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；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。4.斜井内钻柱的受力分析Fi=PsinβP0=PcosβFi为增斜力Fd=(Wsinα)/2Fd为降斜力Ff为地层造斜力αββFiαWFcFdFiFfT作用在钻头上的合力F=Fi+Ff-Fd>0增斜<0降斜=0稳斜影响因素F=Fi+Ff-Fd=Psinβ+Ff-(Wsinα)/21.当钻压增大时:

易产生井斜2.使用大尺寸钻杆:

有利于降斜;3.井斜角增大:

钟摆力增大4.加扶正器：第四节井斜控制钻具组合一满眼钻具

由钻具引起井斜的原因可归结为：①．钻头对井底的不对称切削；②．钻头轴线相对于井眼轴线发生倾斜；③．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3～4个扶正器。扶正器尺寸：Δd=dh-ds=1.0～2.0mm１．YXY组合的结构近钻头扶正器、中扶正器、上扶正器、第四扶正器。作用：近扶正器：抵抗侧向力，防止侧向切削和不对称切削。中扶正器：保证中扶正器与钻头之间的钻柱不发生弯曲。其安放位置需严格计算。上扶正器：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。第四扶正器：增大下部钻柱的刚度，协助中扶防止钻柱弯曲。2．满眼钻具的设计要求

最小间隙—间隙越小越好，245mm以下钻头为0.79mm254~381mm间隙1.58mm大于381mm间隙2.38mm适当长度—18~27米足够的支撑—软地层使用长型扶正器硬地层可使用段型扶正器最大刚度—尽量使用大尺寸钻铤3．YXY组合“中扶”位置的计算

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：Lp

--中扶距钻头的最优长度，m；C--扶正器与井眼的半间隙，C=(dh-ds)/2，m；dh－井眼直径，m；dm－扶正器外径，m；E--钻铤钢材的杨氏模量，kN/m2；J--钻铤截面的轴惯性矩，m4；qm--钻铤在钻井液中的线重，kN/m；α--允许的最大井斜角，(°)。4.

满眼钻具组合的使用(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Δd=dh-ds=0.8～1.6mm。当间隙Δd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。二、

钟摆钻具1.钟摆钻具组合的原理在下部钻柱的适当位置安装一个扶正器，当发生井斜时，该扶正器支撑在井壁上形成支点，使下部钻柱悬空。则该扶正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。2、YXY钟摆钻具组合设计钻头上的钟摆力：可产生最大钟摆力的最优扶正器安放位置计算：W----钻压，kN；dh----井径，m；dc----钻铤直径，m。

考虑到扶正器磨损和井径扩大，使用距离比计算距离适当减小。

LS=（0.9～0.95）Lz3.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。三.其它直井方斜技术1、塔式钻具（钟摆原理）。2、偏心钻铤（形成公转和钟摆力）。3、方钻铤（满眼钻具原理）。4、钻铤偏心短节（形成钻铤公转）。第三章轨迹测量及计算第一节、测斜方法及测斜仪简介第二节、对测斜数据的规定第三节、轨迹计算方法1.测量内容

井深Dm、井斜角α、方位角φ第一节、测斜方法及测斜仪简介

2.测斜仪分类

电源钟机相机测角装置密封减震扶正3.测斜仪结构

组成：井斜刻度盘、罗盘、十字摆锤、照明和照相系统。罗盘的N极始终指地磁北极。

（1）井斜角的测量

当测斜仪随井眼倾斜时，仪器轴线即为测点切线，而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。

（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，该井斜铅垂面与水平面的交线就是井斜方位线，即摆锤在罗盘面上的投影与罗盘中心的连线。

测斜方法及测斜仪简介4.磁性照相测斜仪的工作原理（3）井斜角和方位角的记录

底片成像，地面读取。

测斜底片图一、测斜方法及测斜仪简介

1．测点编号：测斜自下而上，测点编号则自上而下。第一个井斜角不等于零的测点作为第1测点。

2．测段编号：自上而下编号。第i-1测点与第i测点之间所夹的测段为第i测段。

3．第０测点：第１测点的井深大于25m时，第０测点的井深比第１测点的井深小25m，且井斜角规定为零。第１测点的井深小于或等于25m时，规定第０测点的井深和井斜角均为零。

4．若αi=0，对第i测段取：φi=φi-1；对第i+1测段取：φi=φi+1。5．在一个测段内，井斜方位角变化的绝对值不得超过180°。

φi-φi-1>180°时，Δφi=φi-φi-1-360°φc=(φi+φi-1)/2-180°φi-φi-1<-180°时，Δφi=φi-φi-1+360°φc=(φi+φi-1)/2+180°二、对测斜计算数据的规定ab二、对测斜计算数据的规定1.测点坐标值计算公式第三节轨迹计算方法(Ni，Ei)SiNE目标点方位线02.测段坐标增量的计算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空间斜平面圆弧，圆弧在两端处与上、下测点方向相切。计算测点坐标的关键：计算测段坐标增量（△D、△L、△N、△E）

计算测段坐标增量的关键：确定测段的几何形状如何确定测段的几何形状？

1）平均角法

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“和方向（矢量和）。

测段计算公式：

αc=（αi-1+αi）/2

φc=（φi-1+φi）/2

ΔD=ΔDm·cosαc

ΔLp=ΔDm·sinαc

ΔN=ΔDm·sinαc·cosφc

ΔE=ΔDm·sinαc·sinφc三、轨迹计算方法2.测段坐标增量的计算2)、平衡正切法

二测点间的井段为两段各等于长度一半的等长直线构成的折线，折线的方向分别与上下二测点的井眼方向一致。

ΔD=ΔDm·(cosα1+cosα2)/2

ΔLp=ΔDm(sinα1

+sinα2)/2ΔN=ΔDm·(sinα1·cosφ1+

sinα2·cosφ2)/2ΔE=ΔDm·(sinα1·sinφ1+sinα2·sinφ2)/23)、园柱螺线法（曲率半径法）

假设：两测点间的井段是一条等变螺旋角（d

/dL=常数）的园柱螺线，螺线在两端点处与上、下二测点处的井眼方向相切。

园柱螺线的水平投影图是园弧。 园柱螺线的垂直剖面图是园弧。将柱面展开为平面：NESHΔDmΔLp3)、园柱螺线法

SDm

LpNEHR

2

1

、

=0？

N

E该法假设：两测点间的井段是空间某一平面上的园弧，园弧在两端点处与上、下二测点处的井眼方向线相切。

1

2M

4)、最小曲率法①计算测段的狗腿角

和曲率半径R②据

、R求出弧线的切线长度1M和M2

1

2M

/2

③由二切线与重力线的夹角，计算测段的垂增

Dm和二切线的水平投影长1

2M

④据

Lp1与

Lp2的长及与正北方的夹角，求测段的N增

N和E增

E5.校正平均角法

修正的圆柱螺线法。

测段计算公式：

ΔD=fD·ΔDm·cosαcΔLp=fD·ΔDm·sinαcΔN=fH·ΔDm·sinαc·cosφcΔE=fH·ΔDm·sinαc·sinφc

fD=1-Δα2/24

fH=1-(Δα2+Δφ2)/24注意：Δα和Δφ的单位为弧度。圆柱螺线法的简化处理劳林级数：sinx=x-x3/3!+x5/5!-…取前两项:sinx≈x-x3/6将圆柱螺线法公式中的

sin(Δα/2)、sin(Δφ/2)展开:sin(Δα/2)=(Δα/2)(1-Δ2α/24)sin(Δφ/2)=(Δφ/2)(1-Δ2φ/24)将上两式代入圆柱螺线法公式中，便可的校正平均角法公式。

之所以称之为校正平均角法，因为其计算公式比平均角法只多一个“校正”系数。第三章定向井井眼轨道设计常规定向井：

b=15°～60°大斜度井：

b=60°～85°

b：最大稳斜角。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。第一节概述井眼轨道的类型二维井眼轨道三维井眼轨道

设计井眼轴线仅在设计方位线所在铅垂平面上变化的井眼轨道。

二维井眼轨道由垂直井段、增斜井段、稳斜井段和降斜井段组合而成。

在设计井眼轴线上，既有井斜角变化又有方位角变化的井眼轨道。三维井眼轨道设计用于绕障井和现场待钻修正井眼轨道设计。一．定向井轨道分类非常规二维定向井：除了直线和园弧曲线外，还有某种特殊曲线，如悬链线，二次抛物线等。常规二维定向井：二．常规二维定向井轨道设计１．设计原则(1)能实现钻定向井的目的。(2)有利于安全、优质、快速钻井。

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；15°～30°，小倾角定向井；30°～60°，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。

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。选择合适的井眼曲率；Kc小：造斜段长，钻速低；Kc大：摩阻大，起下钻、下套管等作业困难；保持Kc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。（4）在满足钻井目的的前提下，应尽可能选择比较简单的剖面类型，力求使设计的斜井深最短，以减小井眼轨道控制的难度和钻井工作量，有利于安全、快速钻井、降低钻井成本。

造斜点的选择原则2.井眼轨道设计中有关因素的选择1)造斜点的选择在比较稳定的地层，避免在岩石破碎带、漏失地层2）地层可钻性均匀，不应有硬夹层；3）要满足采油工艺要求；4)垂深大、水平位移小的井，造斜点应深，以简化井身结构、加快钻速；5)垂深小、水平位移大的井，造斜点应浅，以减少定向施工的工作量；6)在井眼方位漂移地区，应使斜井段避开方位漂移大的地层。(1)(3)井眼曲率井眼曲率过大会给钻井、采油和修井作业造成困难，因此，应根据具体情况，适当选择井眼曲率。(2)最大井斜角直井在规定井斜角内；常规井和水平井交斜角小于15°时，方位不稳定，因此，最大井斜角应大于15°。3.井眼轨道类型的选择

设计井眼轨道时，一般选择简单的二维轨道。二维轨道由垂直井段、造斜井段、稳斜井段、降斜井段组合而成，最常用的有四种类型。

轨道类型直井三段制双增式“S”型直井段—造斜—稳斜特点：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的中深井，也用于水平位移大的井和水平井。直井段—造斜段—稳斜段—增斜段—稳斜段一般用于水平井直井段—造斜段—稳斜段—降斜段—稳斜段特点：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。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。1)掌握原始资料主要是该地区的地质剖面、地表对井位的限制条件、目的层位的垂直井深和总水平位移、自然造斜规律、工具造斜能力、钻井技术水平以及故障提示等；2)根据井眼轨道确定原则，选定一个井眼轨道类型；3)根据原始资料选定造斜点的位置，并确定造斜率和降斜率的大小；4.二维定向井井眼轨道设计方法

4)确定最大井斜角；5)计算剖面上各井段的井斜角、方位角、垂直井深、

水平位移；6)核算井眼曲率，使其满足对它的各种限制条件，并做出井身的控制圆柱，即误差范围；

7)绘制井眼轨道图，标出安全圆柱。设计实例：已知某设计井的垂深D=3000m，水平位移Sh=1500m，方位角φ=30°，造斜点垂直深度Dkop=400m，造斜率Rb1=2°/30m，降斜率Rb2=1.5°/30m，油层垂直深度De=2700m，要求稳斜进入油层，井斜角不大于αe=8°.目前常用的设计方法查图法作图法解析法dDShShoSheDkopR1R2DoDeabcftego2o1hijkαmαeαmαmαeo最大井斜角αm的确定:在△kjf中：若令：She：油层内水平位移De：油层深度有:造斜率与曲率半径的关系：计算：井段：O—a最大井斜角:0方位角:0垂直井深增量ΔD(m):

ΔDa=ΔDkop=400垂直井深D(m):Da

=

Dkop

=400水平位移增量ΔSh

(m):ΔSha

=0

水平位移Sh(m):

Sh

=0

段长Δl(m):

Δla=Dkop

=0井深Dw(m):

Dw=Dkop

=0DShShoSheDkopR1R2DoDeabcftego2o1hijkαmαeαmαmαeo水平位移增量ΔSh

(m):ΔShab

=R1(1-cosαm)=206.03

水平位移Sh(m):

Shb

=ΔShab

=

206.03

段长Δl(m):Δlab=R1αm/57.3=607.65井深Dw(m):Dwb=Dwa+

Δlab

=1007.65井段：a—b最大井斜角:40.51°方位角:30°垂直井深增量ΔD(m):ΔDab=R1sinαm=558.31垂直井深D(m):Db=Da+ΔDab=958.31DShShoSheDkopR1R2DoDeabcftego2o1hijkαmαeαmαmαeo垂直井深D(m):Dc=

Db+

ΔDbc

=2115.07水平位移增量ΔSh

(m):ΔShbc

=ΔDbc

tgαm=988.32

水平位移Sh(m):

Shc

=Shb+ΔShbc

=

1194.35

段长Δl(m):Δlbc=ΔShbc

/sinαm=1521.47井深Dw(m)：Dwc=Dwb+

Δlbc

=2529.12井段：b—c;最大井斜角:40.51°方位角:30°垂直井深增量ΔD(m):ΔDbc=De-

Dkop

-ΔDab

-ΔDcd

=1156.76DShShoSheDkopR1R2DoDeabcftego2o1hijkαmαeαmαmαeo水平位移Sh(m):

Shd

=Shc+ΔShcd

=

1457.9

段长Δl(m):Δlcd=R2(αm-αe

)/57.3=1521.47井深Dw(m):Dwd=Dwc+

Δlcd

=3179.32井段：c—d最大井斜角:40.51°方位角:30°垂直井深增量ΔD(m):ΔDcd=R2(sinαm-sinαe)=584.93垂直井深D(m):Dd=

Dc+

ΔDcd

=2700水平位移增量ΔSh

(m):ΔShcd

=R2(cosαe-cos

αm)=263.35

DShShoSheDkopR1R2DoDeabcftego2o1hijkαmαeαmαmαeo水平位移Sh(m):

Sht

=Shd+ΔShdt

=

1500.06

段长Δl(m):Δldt=ΔShdt

/sinαe=302.93井深Dw(m):Dwt=Dwd+

Δldt

=3482.25井段：d—t最大井斜角:8°方位角:30°垂直井深增量ΔD(m):ΔDdt=D-De=300垂直井深D(m):Dt=Dd+ΔDdt=3000水平位移增量ΔSh(m):ΔShdt=ΔDdt

tgαe=42.16DShShoSheDkopR1R2DoDeabcftego2o1hijkαmαeαmαmαeo第二节常规轨道设计1.设计条件由地质、采油部门提供的要求：目标点位置：Dt、St、

0目标段位置：Dt、St、ΔDmm、αt、

0由钻井工程要求和设计原则确定的数据：

造斜点深度Dkop

井眼曲率K选择轨道形状；给定Dt、St、

0，选用三段式；给定Dt、St、ΔDmm、αt、

0，选用五段式或多靶三段式；给定Dt、St、ΔDmm、αt、

0，且αt较大，用双增式。确定造斜点位置Dkop；造斜率Kz，降斜率Kn，第二造斜率Kzz；计算关键参数：最大井斜角αb、稳斜段长度ΔDmw；计算各井段井身参数：ΔD、ΔS、ΔDm；绘制垂直剖面图和水平剖面图。2.设计内容及步骤3.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：（1）三段式Kc的单位是（°/30m），R（m）。给定Dt、St、

0、Dkop、Kz

时，计算αb、ΔDmw；给定Dt、St、

0、Kz

、αb

时，计算

Dkop

、ΔDmw；给定Dt、St、

0、Dkop、αb

时，计算Kz

、ΔDmw；（2）多靶三段式给定：Dt、Dkop、Kz、θo、αt、ΔDmm，计算：St、ΔDmw、αb；（倒推设计法）（4）五段式已知条件：Dt、St、ΔDmm、αt、

0、Dkop、Kz、Kn(5)双增式轨道给定条件：Dt、St、Dkop、Kz、θo、αt、ΔDmm、KzzDeSe增斜段：稳斜段：降斜段：双增轨道第二增斜段：目标稳斜段：4.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。第三节.待钻井眼轨道的设计当实钻井眼轨迹与设计轨迹相差较大时，需要重新设计待钻井眼。当实钻井眼的井斜方位与设计相差不大时属于二维轨道设计；当实钻井眼的井斜方位与设计轨迹相差较大时，应进行三维设计。待钻井眼轨迹设计分为：查图法和解析法两种解析法进行待钻井眼的设计解析法进行待钻井眼的设计

待钻井眼很短的情况△SPαp△DTTPαp△D△S常用方法是：采用均匀的增（降）斜率，改变井斜角钻达目的层须确定的参数是：待钻井眼的增斜率；待钻井眼长度；待钻井段的井斜角增量。Pαp△D△STo当前井底点P，其参数如下：ΔD—距目标点的垂深差，垂增，（m）；ΔS—距目标点的位移差，平增；（m）αP—P点的井斜角，（°）

K—待钻井眼的井斜变化率，（°/100m）R—待钻井眼曲率半径，（m）L—待钻井眼稳斜段长，（m）α—待钻井眼最终井斜角，（°）

则：

当选定K（R）时，可求得α和L。

令：E=ΔD+RsinαPF=ΔS-RcosαP

讨论：（一）

当E2+F2-R2=0时无稳斜段；（二）

当E2+F2-R2＜0时须降斜，取K为负值；（三）

当R-F=0时，

定向井轨迹常规绘图利用测斜计算结果可以绘出垂直剖面图(H,S)、水平投影图（N,E）、垂直投影图（H,V）垂直剖面图上井斜是真实的，垂直投影图上方位是真实的HH8、定向井轨迹质量评价

1).中靶计算已知条件：目标点坐标（Dt，Nt，Et）和实钻井眼轨迹数据。(1)计算中靶点p点的水平坐标：(2)靶心矩的计算：(3)中靶精度计算当DJ<0时，为脱靶；当DJ=0～0.6时，为合格井；当DJ=0.6～0.85时，为良好井；当DJ≥0.85时，为优质井；2).轨迹符合率计算已知条件：设计轨道数据和实钻井眼轨迹数据。(1)计算每个测点到设计轨道水平距离：测点井深(Li)L1L2L3……Ln水平距(Ji)J1J2J3……Jn

2.轨迹符合率计算(2)计算水平距离的加权平均值JJ：(3)轨迹符合率的计算：1)、计算资料准备相邻井的各测点测斜数据各测点计算N、E、H坐标，（换算成统一坐标系下）9、邻井距离计算2)、测点距离计算3)、邻井最近距离计算最近测点距离一般不等于两口井之间的最近距离，因其可能不在测点上，用插值法“加密”测点根据对应假设、算

点三要素。

“加密”点后，按2.步骤计算最近测点距离。不断重复，该步直到测段到需要安精度，此时的最近测点距即为邻井最近距离。%对于丛式井，特别是密集的丛式井，由于设计轨道与设计轨道、设计轨道与实钻轨迹，实钻轨迹与实钻轨迹之间的距离很近，因此，不论是在设计时的防碰考虑不周，还是在实钻时的防碰控制不及时，都有可能导致最后的正钻井与邻井的轨迹相碰，从而造成严重的工程事故。因此，丛式井防碰是一个非常关键的技术问题。%实钻井眼

安全井距

临界井距

预测轨迹

危险井距

临井轨迹

防碰井眼示意图想防止正钻井与邻井轨迹相碰，就需要找到一种有效的分析计算方法，计算出两井在不同井深时的相对距离。并对其相对的发展趋势作出准确的预测第四节

丛式井的防碰计算

%一)、计算方法常用的丛式井防碰分析计算方法有三种。水平面扫描法、法面扫描法最小距离扫描法。%扫描井轨迹

相关临井轨迹

扫描井轨迹

H

H

水平截面

水平面扫描法示意图水平面扫描法水平面扫描法计算的是扫描井与相关邻井之间在同一垂深截面上的相互位置关系。%在扫描井轨迹上任一井段按需要的精度间距，截取许多水平截面，求相关邻井与此水平面的截点座标。然后在各个水平截面上以扫描点为圆心，作极座标图，在图上对扫描点与邻井同一垂深点的相互距离和方位进行分析的方法称水平面扫描法。%扫描井轨迹

相关临井轨迹

扫描井轨迹

H

H

法面

法面扫描法示意图法面扫描法法面扫描是以扫描井轨迹上任一扫描点，作一垂直于井眼轨迹轴线的平面（即法面），然后计算该平面与周围相关邻井井眼轨迹在三维空间中的截点座标，截点到扫描点的相对距离和相对方向，即是扫描井在这一扫描点上与周围相关邻井在法面上的相互关系。以扫描点为圆心所绘制出的即是法面扫描图。

%法面扫描从另一个角度反映了扫描井与周围相关邻井的相互关系。法面扫描得到的距离，是周围相关邻井到扫描井的径向距离，而方向却是反映了相对扫描井来说：上、下、左、右的关系。%最小距离扫描原理及公式如图所示，用法面扫描方法和平面扫描方法，计算出的与周围相关邻井的距离，不一定是最小距离。最近点

投影点

扫描点

扫描井轨迹

相关临井轨迹

最小距离法计算出的是邻井轨迹的空间最近距离。%二）、具体应用这三种方法以不同的方式求解井与井之间的距离。它们各有所长。1、直井防碰用水平面扫描法在直井段或井斜较小的情况下，水平扫描可很清楚地看出各井眼轨迹之间的距离，若是对一口井直进行扫描，则用扫描结果所作的扫描图，与丛式井水平投影图一样。2、斜井的防碰用法面法和最小距离法在井斜角较大时，对于同方向井，用法面扫描法，对于异方向的井，用水平面扫描法。这是因为，在对同方向井扫描时，法面法计算出的井距，通常比平面法计算出的井距小，而在对异方向井扫描时，平面法计算出的井距，通常比法面法计算出的井距小。%3、法面法的进一步应用：法面扫描在计算井距的同时。还有一个功能。就是能计算出扫描井与邻井的相对方向。这个相对方向也可以得到一张扫描图。这张图揭示了两口井的相对发展趋势。如图所示，在方向图中，垂直中线代表邻井轨迹相对与正钻井左右变化的分界线。水平中线代表邻井轨迹相对与正钻井上下变化的分界线。当在某个扫描点时，方向图上的扫描点落在第一象限，则在井距扫描图中，下一点的发展趋势，必然会向右上方发展。法面扫描的这两个特点，可用在两个方面：%①应用在丛式井的防碰预测方面丛式井的防碰扫描，是在正钻井与邻井之间进行的。因此，在法面扫描的方向图上，显示出了两个井眼轨迹是逐渐靠拢，还是逐渐分开。这就提示了施工人员，看是否有井眼轨迹相碰的潜在危险，以便及时作出相应的防范措施。%②应用在单口井的轨迹控制方面在定向井的实施过程中，总是希望实钻轨迹尽量贴近设计线走。应用法面扫描原理，把实钻井眼作为正钻井，把设计轨道作为邻井来进行扫描，就能及时发现正钻井轨迹是否有偏离设计线的趋势。由此，就可作出是否采取措施进行调整。第五章井身轨迹控制第一节定向井造斜工具

造斜：由垂直井段开始钻出具有一定方位的斜井段的工艺过程。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；钻盘钻造斜工具。

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：在钻进过程中，动力钻具外壳和钻柱不旋转，有利于定向造斜。1、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0.5°～2.5°。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。（2）弯外壳马达（原理与弯接头类似）（3）偏心垫块杠杆原理，垫块作为支点。２．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，产生旋转扭矩，驱动转子和主轴旋转。特性：转速较快（1000rpm），扭矩较小；转速与扭矩随流量的增大而增大；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。空转时，转速达到最高，所以不应当用涡轮钻具进行划眼。3．螺杆钻具的结构与特性结构：定子（外壳内部浇铸橡胶）、转子（主轴）、万向轴。工作原理：钻井液流过由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（100~300rpm），扭矩较大；(2)转速与扭矩随流量的增大而增大；(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。二、转盘钻造斜工具变向器、射流钻头、扶正器组合。１、变向器结构及原理如图。早期造斜工具。现在仅用于套管内开窗侧钻，或不适宜用动力钻具的井内。2、射流钻头

钻头上安放1个大喷嘴、2个小喷嘴。靠大喷嘴射流冲击出斜井眼。3、扶正器钻具组合仅用于已有一定斜度的井眼内进行增斜、降斜或稳斜。(1).增斜组合（杠杆原理）：(2)．稳斜组合（刚性满眼钻具原理）：(3).降斜组合（钟摆原理）：◆类型

遥控型(排量、投球、钻压)

如：

法国的VARISTAB

自控型

(检测

+CPU+执行机构)

如：Halliburton的HVGS

◆功能

通过遥控或自控调整稳定器的

外径，达到不起下钻即可调整井

斜角的目的。

（4）可变径扶正器组合

扶正器组合工艺特点：

（1）在斜直井段和水平井段使用。（2）转盘钻用井斜调整式导向工具，只能改变井斜角，不能改变井眼方位角。

4.滑动造斜工具

◆

型式：

弯接头（弯钻杆）+动力钻具

弯外壳螺杆钻具

◆

原理：在钻头上产生侧向力

◆

用

途：全角调整式造斜工具，主要用于定向

造斜和轨迹控制弯外壳马达

5.滑动导向工具

◆

结构：弯外壳螺杆钻具

+欠尺寸稳定器

+MWD

直外壳动力钻具

+遥控弯接头

+MWD

◆

工作原理：

（1）滑动钻进——定向造斜

（2）旋转钻进——稳斜

（3）复合钻进——改变滑动和旋转钻进的相对比

例，可获得两种造斜率之间的

任何一种造斜率。

◆

用

途：

全角调整式导向工具，既可用于定向造斜，又可用

于轨迹调整。带单弯螺杆钻具的双稳定器滑动导向钻具组合

5.滑动导向工具

带异向双弯螺杆钻具的双稳定器滑动导向钻具组合

5.滑动导向工具

带同向双弯螺杆钻具的双稳定器滑动导向钻具组合

5.滑动导向工具

导向工具机构导

向机

构

6.旋转导向钻井系统

（1）系统组成（2）导向方式

几何导向——根据预先设计的井眼轨道和实时检测的井眼轨迹的偏差矢量控制井眼轨迹。

地质导向——利用随钻测井实时采集的近钻头处地质地层参数，超前预测和识别油气层，并根据需要调整井眼轨迹，引导钻头准确钻达油气富集区域。

6.旋转导向钻井系统

（3）三种典型的旋转导向钻井系统简介

●

AutoTrak

旋转闭环钻井系统（RCLS）1993年，意大利

AGIP公司和美国

BakerHughesINTEQ公司研制出旋转闭环系统；1996年在4口井中试验成功；1997年注册为AutoTrak；截至2002年7月，累计进尺1.6×106m。

●

PowerDrive旋转导向钻井系统（SRD）1994年，英国

Camco

公司研制出旋转导向钻井系统，并在英格兰Montrose地区试验成功；1999年，

Camco

公司与美国Schlumberger公司的Anadrill公司合并，SRD系统注册为PowerDrive；截至1999年底，累计进尺47780m。

●

Geo-Pilot旋转导向自动钻井系统

1999年，日本

JNOC公司与美国Sperry-Sun公司合作，以Halliburton公司的名义推出

Geo-Pilot旋转导向自动钻井系统。第二节定向井轨迹控制轨迹控制打直段：转盘钻+防斜钻具组合定向造斜跟踪控制概念：从垂直井段的造斜点处开始，使井眼沿一定的方位偏斜的工作。方法：先用动力钻具造斜工具沿一定方位钻出

8~10°的斜井段，然后用“转盘钻+扶正器组合”继续增斜至要求的井斜角。☆从造斜结束，到钻完全井，都属跟踪控制阶段。☆一般用转盘钻+扶正器组合进行增、稳、降钻进。☆当井斜偏差较大时，用动力钻具强力增斜或降斜。☆当出现方位偏差时，用动力钻具扭方位。一．扭方位计算

装置角计算、动力钻具反扭角计算、定向方位角计算。1、装置角的概念

OA线称为高边方向线。Ｃ点是钻头中心，OC线称为装置方向线。以高边方向线为始边，顺时针旋转到装置方向线上所转过的角度，称为造斜工具的装置角。用ω表示。工具面：造斜工具作用方向线与钻柱轴线构成的平面（弯接头的两条交叉轴线所在的平面）。装置角也称为工具面角。高边方向线：在井底平面上自井眼低边指向井眼高边的方向线。井斜铅垂面：过井斜方位线（高边方向线）的铅垂面。装置方位角：装置角与井斜方位角之和。以φω表示。

Φω=φ1+ω。ω、φω是装置角的两种不同表示形式，ω称为高边模式工具面角；φω称为正北（磁北）模式工具面角。ω是井底平面（斜面）上的角度，不易测量；φω为井口水平面上的角度，可以测量，用于定向。ω、φω在0°～360°内变化，顺时针为“+”，逆时针为“-”。1、基本概念：井斜铅垂面—井底井眼方向线所在的铅垂平面。井底平面—井底与井眼方向线垂直的平面。造斜工具面—造斜工具的作用方向线与井底井眼方向线构成的平面。水平面工具面井底平面井斜铅垂面井斜铅垂面—井底井眼方向线所在的铅垂平面。造斜工具面—造斜工具的作用方向线与井底井眼方向线构成的平面。井底平面—井底与井眼方向线垂直的平面。装置角定义:

井斜铅垂面顺时针与造斜工具面之间的夹角水平面工具面井底平面井斜铅垂面a.直井情况，b.水平井情况因井斜铅垂面、造斜工具面均与井底平面垂直、故

可在井底平面上量度。在井底平面上，造斜工具装置角等于以井斜铅垂面与井底平面的交线（高边方向线）为始边，顺时针转到造斜工具面与井底平面的交线所转过的角度。ab装置角对井斜角和方位角的影响

ω井斜铅垂面工具面

ω=0装置角对井斜角和方位角的影响

ω=90装置角对井斜角和方位角的影响

ω=180装置角对井斜角和方位角的影响造斜的两种操作方法：1装置角保持不变随时调整装置角使装置角不变井眼轴线为一螺旋线2装置方位角保持不变井眼轴线为一平面圆弧曲线装置角对井斜角和方位角的影响B点参数为：井斜角α2方位角φ2井深L2A点参数为：井斜角α1方位角φ1井深L1装置角对井斜角和方位角的影响2、装置角与井斜角、方位角的关系（1）基本关系装置角ω与AB两点参数的关系1.全力增斜：ω=0时

α2=α1+

γ；Δφ=02.全力降斜：ω=180时

α2=α1-

γ

；Δφ=03.全力扭方位：特例5.稳斜扭方位：4.90°扭方位：ω=±901.在图纸上划出方位线ON2.以ON为始边作OA，使∠NOA=φ,以OA长度表示α1NOAφα1装置角的图解法NOAφDΔφB4.以OA为始边，量取方位角增量Δφ作OB,连接AB.3.