井眼軌道設計與軌跡控制培訓教材習題集

1、井眼軌道設計與軌跡控制培訓教材習題集四、簡答題1井眼軌跡的基本參數(shù)有哪些？為什么將它們稱為基本參數(shù)？答：井眼軌跡基本參數(shù)包括：井深、井斜角、井斜方位角。這三個參數(shù)足夠表明井眼中一個測點的具體位置。2方位與方向的區(qū)別何在？請舉例說明。井斜方位角有哪兩種表示方法？二者之間如何換算？答：方位都在某個水平面上，而方向則是在三維空間內（當然也可能在水平面上）。方位角表示方法：真方位角、象限角。方位線位置真方位角與象限角關系第一象限真方位角象限角第二象限真方位角180象限角第三象限真方位角180象限角第四象限真方位角360象限角3水平投影長度與水平位移有何區(qū)別？視平移與水平位原創(chuàng)內容 侵權必究移有何區(qū)別?

2、答：水平投影長度是指井眼軌跡上某點至井口的長度在水平面上的投影，即井深在水平面上的投影長度。水平位移是指軌跡上某點至井口所在鉛垂線的距離，或指軌跡上某點至井口的距離在水平面上的投影。在實鉆井眼軌跡上，二者有明顯區(qū)別，水平長度一般為曲線段，而水平位移為直線段。視平移是水平位移在設計方位上的投影長度。4狗腿角、狗腿度、狗腿嚴重度三者的概念有何不同？答：狗腿角是指測段上、下二測點處的井眼方向線之間的夾角（注意是在空間的夾角）。狗腿嚴重度是指井眼曲率，是井眼軌跡曲線的曲率。5垂直投影圖與垂直剖面圖有何區(qū)別？答：垂直投影圖相當于機械制造圖中的側視圖，即將井眼軌跡投影到鉛垂平面上；垂直剖面圖是經過井眼軌跡

3、上的每一點做鉛垂線所組成的曲面，將此曲面展開就是垂直剖面圖。6為什么要規(guī)定一個測段內方位角變化的絕對值不得超過180？實際資料中如果超過了怎么辦？答：因為假設一個測段內方位角沿順時針變化超過180o時，沿逆時針其變化則小于180o，所以一個測段內方位角變化的絕對值不得超過180o。實際資料中超過了，則可用如下方法計算：當i-i-1180o時，i=i-i-1-360o當i-i-1-180o時，i=i-i-1+360o7測斜計算，對一個測段來說，要計算那些參數(shù)？對一個測點來說，需要計算哪些參數(shù)？測段計算與測點計算有什么關系？答：測斜時，對一個測段來說，需要計算的參數(shù)有五個：垂增、平增、N坐標增量、

4、E坐標增量和井眼曲率；對一個測點來說，需要計算的參數(shù)有七個：五個直角坐標值（垂深、水平長度、N坐標、E坐標、視平移）和兩個極坐標（水平位移、平移方位角）。軌跡計算時，必須首先算出每個測段的坐標增量，然后才能求得測點的坐標值。8平均角法與校正角法有什么區(qū)別？實際計算結果可能有什么差別？答：平均角法假設測段是一條直線，該直線的方向是上下二測點處井眼方向的“和方向”（矢量和）。校正平均角法假設測段形狀為一條圓柱螺線。校正平均角法的計算公式是在平均角計算公式的基礎上加入了校正系數(shù)。9直井軌跡控制的主要任務是什么？答：直井軌跡控制的主要任務就是要防止實鉆軌跡偏離設計的鉛垂直線。一般來說實鉆軌跡總是要偏離

5、設計軌道的，問題在于能否控制井斜的度數(shù)或井眼的曲率在一定范圍之內。10引起井斜的地質原因中最本質的兩個因素是什么？二者如何起作用？答：最本質的兩個因素是地層可鉆性的不均勻性和地層的傾斜。沉積巖都有這樣的特征：垂直層面方向的可鉆性高，平行層面方向的可鉆性低。在地層傾斜的情況下，當?shù)貙觾A角小于45時，鉆頭前進方向偏向垂直地層層面的方向，于是偏離鉛垂線；當傾角超過60以后，鉆頭前進方向則是沿著平行地層層面方向下滑，也要偏離鉛垂線；當?shù)貙觾A角在4560之間時，井斜方向屬不穩(wěn)定狀態(tài)。11引起井斜的鉆具原因中最主要的兩個因素是什么？他們又與什么因素有關？答：鉆具導致井斜的主要因素是鉆具的傾斜和彎曲。導致鉆

6、具傾斜和彎曲的主要因素：首先，由于鉆具直徑小于井眼直徑，鉆具和井眼之間有一定的間隙。其次，由于鉆壓的作用，下部鉆具受壓后必將靠向井壁一側而傾斜。12井徑擴大如何引起井斜？如何防止井徑擴大？答：井眼擴大后，鉆頭可在井眼內左右移動，靠向一側，也可使受壓彎曲的鉆柱撓度加大，于是轉頭軸線與井眼軸線不重合，導致井斜。要防止井徑擴大，首先要有好的鉆井液護壁技術；其次可以搶在井徑擴大以前鉆出新的井眼。13滿眼鉆具組合控制井斜的原理是什么?它能使井斜角減小嗎？答：滿眼鉆具組合采用在鉆鋌上適當安裝扶正器（近鉆頭扶正器、中扶正器、上扶正器、第四扶正器），采用扶正器組合的辦法解決井斜問題。滿眼鉆具組合并不能減小井斜

7、角，只能做到使井斜角的變化（增斜或將斜）很小或不變化。14鐘擺鉆具組合控制井斜的原理是什么？為什么使用它鉆速很慢？答：鐘擺鉆具組合在鉆柱的下部適當位置加一個扶正器，該扶正器支撐在井壁上，使下部鉆柱懸空，則該扶正器以下的鉆柱就好像一個鐘擺，也要產生一個鐘擺力。此鐘擺力的作用是使鉆頭切削井壁的下側，從而使新鉆的井眼不斷降斜。鐘擺鉆具組合的性能對鉆壓特別敏感。鉆壓加大，則增斜力加大，鐘擺力減小。鉆壓再增大，還會將扶正器以下的鉆柱壓彎，甚至出現(xiàn)新的接觸點，從而完全失去鐘擺組合的作用。所以鐘擺鉆具組合在使用中必須嚴格控制鉆壓，故鉆速很慢。15定向井如何分類？常規(guī)二維定向井包括哪些？答：根據(jù)軌道的不同，定

8、向井可分為二維定向井和三維定向井兩大類，按照井斜角的大小，可將定向井分為三類：井斜角在1530的屬小傾斜角定向井；井斜角在3060的屬中傾斜角定向井；井斜角超過60的屬大傾斜角定向井。常規(guī)二維定向井軌道有四種類型：三段式、多靶三段式、五段式和雙增式。16從鉆井工藝的角度看，定向井的最大井斜角是大點好還是小點好？答：在可能的條件下，盡量減小最大井斜角，以便減小鉆井的難度。但最大井斜角不得小于15，否則井斜方位不易穩(wěn)定。17多靶三段式與三段式有何區(qū)別？軌道設計方法有何不同？答：多靶三段式的軌道給定條件中，沒有目標的水平位移。多靶三段式在設計中需要求出目標點的水平位移，確定地面上的井位，所以被稱為“

9、倒推設計法”。18軌道設計的最終結果包括哪些內容？答：設計結果包括：井斜角/、垂增/m、垂深/m、平增/m、平移/m、段長/m和井深/m。19動力鉆具造斜工具有哪幾種形式？他們的造斜原理有何共同之處？答：動力鉆具又稱井下馬達，包括渦輪鉆具、螺桿鉆具、電動鉆具三種。動力鉆具接在鉆鋌之下，鉆頭之上。在鉆井液循環(huán)通過動力鉆具時，驅動動力鉆具轉動并帶動鉆頭旋轉破碎巖石。動力鉆具以上的整個鉆柱都可以不旋轉。這種特點對于定向造斜非常有利。20螺桿鉆具在定向井造斜方面有何優(yōu)點？答：螺桿鉆具的扭矩與壓力降成正比。壓力降可從泵壓表上讀出，扭矩則反映所加鉆壓的大小，所以可以看著泵壓表打鉆。根據(jù)泵壓表上的壓力降還可

10、以換算出鉆頭上的扭矩，從而可以較為準確的求得反扭矩。這是螺桿鉆具在定向鉆井應用中的突出優(yōu)點。21變向器與射流鉆頭造斜原理有什么不同？它們能連續(xù)造斜嗎？答：變向器是鉆出小井眼擴眼并增斜來鉆井的，射流鉆頭是利用一個大噴嘴中噴出的強大射流形成的沖擊來造斜的，它們不能連續(xù)造斜。22BHA是什么意思？它有什么用途？答：BHA（BottomHoleAssembly）為靠近鉆頭的那部分鉆具，稱為“底部鉆具組合”。BHA是定向造斜的關健，通過它進行定向井軌跡控制。23軌跡控制的三個階段的主要任務各是什么？答：（1）打好垂直井段。在鉆垂直井段時要求實鉆軌跡盡可能接近鉛垂線，也就是要求井斜角盡可能小。（2）把好定

11、向井造斜關。如果定向造斜段的方位有偏差，則會給以后的軌跡控制造成巨大困難。所以定向造斜是關鍵。（3）跟蹤控制到靶點。從造斜段結束，至鉆完全井，都屬于跟蹤控制階段。這一階段的任務是在鉆進過程中，不斷了解軌跡的變化發(fā)展情況，不斷地使用各種造斜工具或鉆具組合，對井眼軌跡進行控制，原則就是既要保證中靶，又要加快鉆速。24高邊方向與裝置方向線各是怎樣形成的？這兩條線是否處在同一平面上?答：我們假設造斜工具放在井內時不受井眼地限制，鉆頭將在井底地外面。旋轉鉆柱，則鉆頭中心點將畫出一個與井底圓同心地圓。井底圓上地最高點與圓心的連線稱為“高邊方向線”，轉頭中心與圓心的連線稱為“裝置方向線”。兩條線都在井底平面

12、上。25裝置角有什么重要意義？當裝置角等于240時，井眼軌跡將如何發(fā)展？答：可以根據(jù)裝置角算出鉆具的高邊，確定鉆頭的位置。26有了裝置角為什么還要有裝置方位角？它們之間有什么關系？答：裝置方位角可以正確指出彎接頭在井下的裝置角的大小。裝置方位角是裝置角與井斜方位角之和。27動力鉆具反扭角是如何產生的？為什么反扭角總是使裝置角減小？答：動力鉆具在工作中，液流作用于轉子并產生扭矩，傳給鉆頭去破碎巖石。液流同時也作用于定子，使定子受到一反扭矩。此反扭矩將有使鉆柱旋轉的趨勢，但由于鉆柱在井口處是被鎖住的，所以只能扭轉一定的角度，此角度稱為反扭角。28什么是定向？定向的目的和意義是什么？答：定向就是把造

13、斜工具的工具面擺在預定的定向方位線上。在扭方位計算中，我們可以算出造斜工具的定向方位角，定向可以知道造斜工具在井下的狀況，以及使造斜工具的工具面正好處在預定的定向方位。29井下定向的工藝過程有哪些？答：井下定向法是先用正常下鉆法將造斜工具下到井底，然后從鉆柱內下入儀器測量工具面在井下實際方位；如果實際方位與預定方位不符，亦可在地面上通過轉盤將工具面扭到預定的定向方位上。30定向鍵法是如何使測量儀器中羅盤的”發(fā)線”與造斜工具的工具面對準？答：在測量儀器的羅盤面上有一個“發(fā)線”，在測量儀器的最下面有一個“定向鞋”，定向鞋上有一個“定向槽”，在儀器安裝時使“發(fā)線”與“定向槽”在同一個母線上對齊。當儀

14、器下到井底時，定向鞋的特殊曲線將使定向槽自動卡在定向鍵上，從而使羅盤面上的發(fā)線方位能表示造斜工具的工具面方位。31無磁鉆鋌在定向中的作用是什么？什么情況下需要使用無磁鉆鋌？答：使用無磁鉆鋌是為了消除鉆鋌磁性對磁性測斜儀的影響。在安裝磁性測量裝置的位置，應使用無磁鉆鋌。32水平井分類的依據(jù)是什么?為什么要分類？答：水平井的分類是根據(jù)從垂直井段向水平井段轉彎時的轉彎半徑（曲率半徑）的大小進行的。因為各類水平井的曲率半徑不同，鉆井所用的設備、工具和方法不同，固井、完井方法也不一樣。33水平井的難度主要表現(xiàn)在哪些方面？引起這些難度的原因是什么?答：（1）水平井的軌跡控制要求高，難度大。要求高，是指軌跡

15、控制的目標區(qū)要求高。水平井的目標區(qū)是一個扁平的立方體，不僅要求井眼準確進入窗口，而且要求井眼的方位與靶區(qū)軸線一致，俗稱“矢量中靶”。難度大，是指在軌跡控制過程中存在“兩個不確定性因素”。一是目標垂深的不確定性；二是造斜工具的造斜率的不確定性。這兩個不確性的存在，對直井和普通定向井來說，不會有很大的影響，但對水平井來說，則可能導致脫靶。（2）管柱受力復雜。由于井眼的井斜角大，井眼曲率大，管柱在井內運動將受到巨大的摩阻，致使起下鉆困難，下套管困難，給鉆頭加壓困難；在大斜度和水平井段需要使用“倒裝鉆具”，下部的鉆桿將受軸向壓力，壓力過大將出現(xiàn)失穩(wěn)彎曲，彎曲之后摩阻更大；摩阻力、摩扭矩和彎曲應力將顯著

16、增大，使鉆柱的受力分析、強度設計和強度校核比直井和普通定向井更為復雜；由于彎曲應力很大，在鉆柱旋轉條件下應力交變,將加劇鉆柱的疲勞破壞。（3）鉆井液密度選擇范圍變小，容易出現(xiàn)井漏和井塌。地層的破裂壓力和坍塌壓力隨井斜角和井斜方位角而變化；在水平井段，地層破裂壓力不變，而隨著水平井段的增長，井內鉆井液液柱的激動壓力和抽吸壓力將增大，也將導致井漏和井塌。（4）巖屑攜帶困難。由于井眼傾斜，巖屑在上返過程中將沉向井壁的下側，堆積起來，形成“巖屑床”。特別是在井斜角4560的井段，已形成的“巖屑床”會沿井壁下側向下滑，形成嚴重的堆積，從而堵塞井眼。（5）井下纜線作業(yè)困難。在大斜度和水平井段，測井儀器不可

17、能依靠自重滑到井底。（6）保證固井質量的難度大。一方面由于大斜度和水平井段的套管在自重下貼在下井壁，居中困難；另一方面鉆井液在凝固過程中析出的自由水將集中在井眼上側，從而形成一條沿井眼上側的“水槽”，大大影響固井質量。（7）完井方法選擇和完井工藝難度大。水平井井眼曲率較大時，套管將難以下入，無法使用射孔完井法，將不得不采用裸眼完井或篩管完井法等。這將使完井方法不能很好地與地層特性相適應，將給采油工藝帶來難度。34定向井方位與方向的區(qū)別何在？井斜方位角有那兩種表示方法？二者之間如何換算？答：“方向”與“方位”是有區(qū)別的。方位線是水平面上的矢量，而方向線則是空間的矢量。只要講到方位、方位線、方位角

18、，都是在某個水平面上；而方向和方向線則是在三維空間內（當然也可能在水平面上）。井眼方向線是指井眼軸線上某一點處井眼前進的方向線。該點的井眼方位線則指該點井眼方向線在水平面上的投影。目前廣泛使用的磁性測斜儀是以地球磁北方位為基準的。磁北方位與正北方位并不重合而是有個夾角，稱為磁偏角。磁偏角又分為東磁偏角和西磁偏角。東磁偏角指磁北方位線在正北方位線的東面，西磁偏角指磁北方位線在正北方位線的西面。用磁性測斜儀測得的井斜方位角稱為磁方位角，并不是真方位角，需要經過換算求得真方位角。這種換算稱為磁偏角校正。換算的方法如下：真方位角磁方位角東磁偏角真方位角磁方位角西磁偏角35分析造成井斜的原因，簡述控制井

19、斜的基本方法和原理。答：造成井斜的原因主要有：（1）地質因素a. 地層可鉆性的各向異性，即地層可鉆性在不同方向上的不均勻性。b. 地層可鉆性的縱向變化。C.地層可鉆性的橫向變化。（2）鉆具原因下部鉆具的傾斜和彎曲，引起鉆頭傾斜，在井底形成不對稱切削；或使鉆頭受到側向力的作用，迫使鉆頭進行側向切削。（3）井眼擴大井眼擴大,鉆頭可在井眼內左右移動，靠向一側，也可使受壓彎曲的鉆柱撓度加大，于是鉆頭軸線與井眼軸線不重合，導致井斜?？刂凭钡幕痉椒ㄓ校海?）滿眼鉆具組合控制井斜如果鉆具直徑與鉆頭直徑完全相等，上述三個井斜原因就都會被克服。（2）鐘擺鉆具組合控制井斜鉆柱的下部適當位置加一個扶正器，該扶正

20、器支撐在井壁上，使下部鉆柱懸空，則該扶正器以下的鉆柱就好像一個鐘擺，產生一個鐘擺力，其作用是使鉆頭切削井壁的下側，從而使新的井眼不斷降斜。36分析（圖示）斜井內下部鉆柱的受力情況，指出作用在鉆頭上的力中哪些力為造斜力，哪些力為減斜力？各項同性地層中，井斜平衡角數(shù)值主要取決哪些因素？答：如圖所示為下部鉆柱在斜井內的受力情況。井斜角為，鉆鋌靠在井壁W2T處與井壁接觸，的低邊，并在切點FfW作用在鉆頭上的力有：FiFd（1）鉆壓PPPo鉆壓分解為:平行于井眼軸線的力PO=Pcos對井斜無影響垂直于井眼軸線的力Fi=Psin是增斜力（2）鐘擺力Fd1Wsin是減斜力2（3）地層造斜力FfFf是增斜還是

21、減降斜取決于地層傾角大小和各向異性因素。井斜平衡角的數(shù)值主要取決于三個因素：鉆壓、鉆鋌尺寸和井眼尺寸。37簡述定向井剖面的具體設計方法。所設計的井眼曲率要受到哪些因素的制約，為什么？答：具體方法：0 1）掌握原始資料主要是該地區(qū)的地質剖面，地表對井位的限制條件，目的層位的垂直井深和總的水平位移，自然造斜規(guī)律，工具的造斜能力，鉆井技術水平以及故障提示等。0 2）根據(jù)井身剖面確定原則，選定一個井身剖面類型。0 3）根據(jù)原始資料選定造斜點的位置，并確定造斜率和將斜率的大小。0 4）確定最大井斜角0 5）計算剖面上各井段的井斜角，方位角，垂直井深，水平位移。（6）校核井眼曲率，使其滿足對各種條件的限制

22、，并作出井身的控制圓柱。井眼曲率的限制：0 1）井下動力鉆具的限制,應力問題。0 2）套管的限制，應力問題。0 3）測井及完井的限制，下入問題。0 4）起下鉆阻卡及鍵槽的限制，高摩阻問題。38簡述定向井扭方位作業(yè)中裝置角的定義及其對方位和井斜的影響。答：井底平面上以高邊方位線為始邊順時針旋轉到造斜工具裝置方向線所轉過的角度。00增斜增斜減方位增方位2700900降斜降斜減方位增方位1800五、計算題39井斜方位角與象限角的換算：（1）將下列方位角用象限角表示：50，90，175，200，315，0；（2）將下列象限角用方位角表示：S13.5E，S70W，N50E，N33W。答：（1）N50oE

23、N90oES5oES20oWN45oWN0oE（2）166.5o250o50o327o40試用兩種井眼曲率公式分別計算表中所列三個測斜的井眼曲率。測段段長/m井斜角1/井斜角2/方位角1/方位角2/曲率（方法1）曲率（方法）答：41求下列各測段的井斜方位角增量和平均井斜方位角c。測段123413001853452102535523070200352185c155105179137.5答：42請分別用平均角法和校正平均角法完成下表數(shù)據(jù)的測斜計算。已知設計方位角022。L/m/N/mE/mD/mV/mDLS/30m1524.6.111.06241532.17.340.89241542.19.003

24、58.2891551.20.120.9994答：43驗算表5-1中某些測段及測點的計算結果。答：44鐘擺鉆具組合扶正器最優(yōu)距離的計算。已知條件為：Dh216mm，D扶214mm,Dc178mm（內徑75mm）,E=20.5941010Pa，d=1.33kg/L，設計允許最大井斜角3，鉆壓P=120kN。試求該組合的中扶正器距離鉆頭的最優(yōu)距離。45某定向井設計目標點垂深800m，水平位移為200m，造斜點垂深500m，造斜率1.8/30m，設計軌道形狀為三段式。試設計該井軌道，并按表列項目計算有關未知參數(shù)。節(jié)點井斜角垂深水平位移井深O0000K0500050013.46722.2726.2372

25、4.33t13.468002001226.3346某井擬設計為雙增軌道，設計條件如下：造斜點垂深Dkop500m，完鉆點垂深Dd2930m，完鉆點位移Sd1830m，目標段長td400m，第一造斜率Kz3/30m，第二造斜率Kz2.5/30m。試設計該軌道，并按表列項目計算有關未知參數(shù)。節(jié)點井斜角垂深水平位移井深OK47某井擬設計為多靶三段式軌道，已知設計條件為造斜點垂深Dkop350m，目標點垂深Dt2930m，目標段井斜角t55，目標段長td400m，給定造斜率Kz3.3/30m。試設計該軌道，并按表列項目計算有關未知參數(shù)。節(jié)點井斜角垂深水平位移井深OK48某井鉆至2000m深處，井斜方位角102。根據(jù)軌跡控制要求，希望鉆進100m使井斜角達到33，井斜方位角達到7