水平井井眼軌道設計畢業(yè)論文

1、水平井井眼軌道設計目錄任務書 開題報告 指導教師審查意見 評閱教師評語 答辯會議記錄 中文摘要 1 緒論11.1課題的研究背景及意義11.2國外水平井井眼軌道設計發(fā)展狀況11.3國內水平井井眼軌道設計發(fā)展狀況12 優(yōu)化井眼軌道剖面設計32.1影響因素32.2 優(yōu)化方法33 基本參數(shù)的工程解釋及優(yōu)化方法53.1參數(shù)解釋53.2優(yōu)化方法74 二維軌道設計模型及其精確解104.l問題的提出104.2設計模型104.3模型求解124.4應用134.5 結論135三維軌道設計145.1問題的提出145.2數(shù)學模型的建立155.3井眼軌道計算175.4計算模型的應用195.5結 論206實例分析237結論

2、和建議257.1結論257.2 建議25參考文獻25致謝271 題目來源老師指定2 研究目的和意義目的：水平井鉆井技術是在定向井技術基礎上發(fā)展起來的一項鉆井新技術。 由于定向井水平井能夠擴大油氣層裸露面積，對于提高油氣井單井產量，油氣采收率效果顯著，特別是對于薄層油氣藏，高壓低滲油藏以及井間剩余油等特殊油氣藏。應用水平井開發(fā)具有明顯的優(yōu)勢，所以水平井鉆井技術已經成為當今重要的鉆井技術。今后也必將作為勘探開發(fā)的重點技術得到進一步發(fā)展。意義：針對油氣井發(fā)生損壞甚至報廢不斷增加的情況以及降低鉆井投入的實際需要，老井的修復和側鉆將不斷受到重視，水平井作為提高油氣開發(fā)效率的重要手段在側鉆井中將會得到新的

3、發(fā)展。與此同時，超短半徑水平井，徑向水平井 也將會取得新的進展以至形成配套技術，為老井修復，死井復活提供重要技術支撐。針對油氣井發(fā)生損壞甚至報廢不斷增加的情況以及降低鉆井投入的實際需要 老井的修復和側鉆將不斷受到重視，水平井作為提高油氣開發(fā)效率的重要手段。 在側鉆井中將會得到新的發(fā)展與此同時超短半徑水平井徑向水平井也將會取得新的進展以至形成配套技術，為老井修復，死井復活提供重要技術支撐。3 國內外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢在世界范圍內，每年所鉆成水平井的數(shù)量基本上呈逐年增長的趨勢。隨著水平鉆井技術的不斷發(fā)決，鉆井成本逐年下降。作為水平井鉆井成套技術的重要組成部分，水平井鉆井井眼軌道設計近年來也取得了十分重

4、大的進展。下面就把國外和國內的不同發(fā)展情況分析如下：國外水平井井眼軌道設計發(fā)展狀況進入20世紀90年代以來，世界水平井軌道設計以更快的速度推廣和普及，成為提高油田勘探開發(fā)綜合效益的重要途徑。1990年國外鉆成水平井1290口，是1989年的5.2倍；1995年鉆成水平井2590口，又比1990年增加一倍以上。在1990-1995年的6年中，世界上共鉆成水平井12590口，是1984-1989的6年中所鉆水平井總數(shù)的近15倍。據(jù)國外某公司介紹，截止1994年美國所鉆的7000余口井中，中半經，長半徑和短半徑水平井各占總數(shù)70%，23%和7%;在加拿大所鉆的3000余口水平井中，中半經、長半徑、短

5、半徑水平井的比例各占88%，9%和3%。國內水平井井眼軌道設計發(fā)展狀況水平井鉆井技術是上世紀80年代國際石油界迅速發(fā)展并日臻完善的一項綜合 技術，它包括水平井油藏工程和優(yōu)化設計技術、水平井井眼軌道控制技術、水平井鉆井液與油層保護技術、水平測井技術和水平完井技術等一系列重要技術，它綜合了多種學科的一些先進技術成果。由于水平井鉆井主要以提高老油區(qū)、薄油層、邊際油區(qū)等油氣產量或油氣采收率為根本目標，所以，已經投產的水乎井絕大多數(shù)帶來了十分巨大的經濟效益，因此水平井技術被譽為石油工業(yè)發(fā)展過程中的一項“重大突破”。近日，由我國第二大油田一勝利油田鉆井工程技術公司所屬單位完成的分支水平井tk908dh井順

6、利完鉆，并創(chuàng)出了我國分支水平井523988米的最深新記錄，標志著我國分鉆井技術跨人世界先進行列。70年代末到80年代，我國新發(fā)現(xiàn)的大多數(shù)油氣地質儲量，基本上都是邊緣地區(qū)低壓，低滲透油藏和稠油藏，采用常規(guī)方法開采巳變得很不經濟；處于開發(fā)中后期的東部老油田含水上升問題非常突出，嚴重影響油氣產量。開發(fā)剩余可開采儲量已成為當務之急。但薄油層、低壓滲透油層采用常規(guī)方法開采所帶來的高投入和低產出已成為不可忽視的問題。國外的實踐證明，水平井技術正是解決這些問題的重要途徑。4 主要研究內容，重點研究的關鍵問題及解決思路主要研究內容：定向井的設計軌道一般是由四總井段組成：垂直井段、增斜井段、穩(wěn)斜井段和降斜井段。

7、顯然，不同的井段將使用不同的工具，將有不同的軌跡控制方法?？偟恼f，一口定向井的軌跡控制過要分三個階段。需要研究的關鍵問題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.把好定向造斜關這是增斜井段的一部分，但它是從垂直井段開始增斜的。由于垂直井段井斜角等于零，所以稱為“造斜”；由于垂直井段沒有井斜方位角，所以開始造斜時需要“定向”。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，使井眼軌跡離開設計軌道“不要太遠”。 解決思路：（1）使用轉盤鉆扶正器

8、組合已難以滿足增斜或降斜要求時，改用動力鉆具造斜工具進行強力增斜或降斜。（2）轉盤鉆扶正器組合不能控制方位，而且在鉆進中常常出現(xiàn)方位偏角。當井眼方位有較大偏差，有可能造成脫靶時，必須使用動力鉆具造斜工具來完成扭方位。5 完成畢業(yè)設計（論文）所必須具備的工作條件及解決的辦法所需條件：5.1.所需條件：要求學生了解和補習軌跡的基本參數(shù)及計算參數(shù)，軌跡測量及方法，定向井造斜工具及軌跡控制，造斜工具，扭方位計算，及水平井鉆井技術簡介等方面的內容。重點掌握水平井的基本概念，水平井鉆井的難度所在，以及垂直段、增斜段、穩(wěn)斜段、降斜段、目標段等方面的內容。要求在網(wǎng)絡數(shù)字期刊中檢索有關國內外參考文獻，目前我校圖

9、書館已經開通此項服務；資料條件：已收集了大量的所研究的油田水平井井眼軌道鉆井資料、油田地質資料、鉆井液及處理劑分析和應用資料；計算機條件：計算機1臺及圖文打印設備與相應計算軟件；計劃機時：200機時。5.2 解決辦法：1、認真復習書本水平井軌道設計基礎知識，鞏固知識點。2、認真查閱資料，在已有的知識上著重掌握新的知識，結合實際資料進行分析；3、在掌握系統(tǒng)知識的基礎上，根據(jù)實際情況，進行水平井軌道設計技術分析，不懂要主動問老師，做到多學多問。6 主要參考文獻及資料名【1】蘇義腦，孫寧。我國水平井鉆井技術的現(xiàn)狀與展望。是由鉆采工藝。1996,18（6）:14-20【2】劉修善，井眼軌道設計理論與描

10、述方法。黑龍江科學教育出版社，1993【3】孫振純，許岱文。國內外水平井鉆井技術現(xiàn)狀初探。石油鉆采工藝。1997,19（4）：6-12 【4】倪新鋒,陳洪德,韋東曉. 礁灘復合型氣藏物質聚集分布及儲層特征研究以川東北地區(qū)普光氣田長興組飛仙關組為例j中國地質, 2007,(06).【5】孫來喜,武楗棠,劉啟國. 利用試井資料描述塔河裂隙油藏儲層非均質特征j. 西安石油大學學報(自然科學版), 2007,(02).【6】蔡勛育,朱揚明,黃仁春. 普光氣田瀝青地球化學特征及成因j石油與天然氣地質, 2006,(03). 【7】馬永生,蔡勛育. 四川盆地川東北區(qū)二疊系三疊系天然氣勘探成果與前景展望j石

11、油與天然氣地質, 2006,(06).【8】曾德銘,王興志,王思儀. 溶蝕在川東北飛仙關組儲層演化中的意義j西南石油大學學報, 2007,(01).【9】李國軍,鄭榮才,唐玉林,汪洋,唐楷. 川東北地區(qū)飛仙關組層序-巖相古地理特征j巖性油氣藏, 2007,(04).【10】賀勝寧,馮異勇,賈永祿. 考慮變井筒儲存的雙重介質復合油氣藏試井分析模型j. 西南石油學院學報, 1996,(01).【11】賀勝寧，馮異勇，賈永祿. 雙重介質復合油氣藏試井分析模型及壓力動態(tài)特征j. 天然氣工業(yè), 1995,(05). 【12】杜尚明，胡光燦，李景明，天然氣資源評價與儲能計算j.天然氣資源勘探，2003【1

12、3】希爾科夫斯基 a 著,李忠榮譯.氣田和凝析氣田開發(fā)與開采m.哈爾濱:黑龍江科學技術出版社,1993:3170.【14】李汝勇,李中鋒,何順利,冉盈志,門成全氣井產能的影響參數(shù)敏感性分析j大慶石油地質與開發(fā)2006；25（2）：3437【15】岡秦麟 藏開發(fā)應用基礎技術方法 m 北京: 石油工業(yè)出版社, 1999【16】余志剛 然氣井口日產能力遞減與年產量遞減計算分析 j 天然氣工業(yè) 1995； 15（6）: 4647【17】唐洪俊,鐘水清,徐永高,趙金洲,熊繼有,涂中用不穩(wěn)定試井確定氣井產能方法的評價與研究j2006；29（3）:3134.【18】潘昭才，孫雷，陽廣龍，吳文濤，孫紅海，肖云

13、，馮鵬洲氣井二項式與指數(shù)式產能方程偏差分析j油氣井測試2007；16（4）:810【19】李曉平 ,劉啟國主編.試井分析m.北京:石油工業(yè)出版社 ,19997 工作的主要階段進度與時間安排第一階段：4月1 日4月15 日 外文資料翻譯第二階段：4月 15日4月30 日 開題報告及文獻綜述、資料查閱、整理第三階段：4月30日5月25 日 編制繪圖、論文設計、提交報告第四階段：5月25日6月8 日 準備答辯8指導教師審查意見水平井井眼軌道設計摘要 水平井鉆井施工常受到地下復雜地質條件、井下儀器安全要求、工具造斜率能力，入靶條件等因素的限制在水平井實際施工過程中，往往需要對原軌道設計進行優(yōu)化，使之能

14、夠更加符合現(xiàn)場實際施工要求又好又快的完成施工。優(yōu)化設計技術在勝利油田實際水平井施工中，得到了廣泛的運用，取得了很好的效果。大大提高了水平井施工的成功率。合理的井眼軌道設計是成功控制井眼軌道的關鍵。準確、快速、合理地設計多約條件下的三維井眼軌道是人們期待解決的問題。文中建立了給定目標點位置和井眼方向的三維軌道設計的一般數(shù)學模型， 利用矢量分析理論得到了約束變量間的解析表達式和井眼軌道計算式。這種方法避免了求解多維非線性方程組，設計計算簡單、精確。應用該模型成功地解決了復雜的多約束條件下的三維井眼軌道設計這一難題，具有普遍適用性，可廣泛用于設計各種類型的水平井、定向井和多目標井，為井眼軌道控制提供

15、了更為準確的理論依據(jù)。關鍵詞 水平井，定向井，多目標井，三維井眼軌道，設計，數(shù)學模型，精確解，計算horizontal well trajectory designabstract the horizontal well drilling often complicated by the underground geological conditions, mine safety requirements for equipment, tools, ability to create the slope, into the target conditions and other factors

16、. horizontal well in the actual construction process, often need to optimize the design of the original track, to enable more in line with the actual construction site requirements. fast completion of construction. optimal design ofhorizontal wells in shengli oil field actual construction, has been

17、widely used and achieved very good results. greatly improved the success rate of construction of horizontal wells. abstract: the reasonable success of well trajectory design is the key to control the well trajectory. accurate, fast, rational design of more than about three-dimensional hole under the

18、 track is to be expected to solve the problem. the paper established the position of a given target point and the direction of three-dimensional borehole general mathematical model of track design, vector analysis theory has been constrained variables and the analytical expression of well trajectory

19、 formula. this method avoids the solution of multidimensional nonlinear equations, design and calculation is simple and precise. the model was applied successfully to solve complex multi-dimensional constraint conditions of the well trajectory design problem has general applicability, can be widely

20、used in the design of various types of horizontal wells, directional wells and multi-target well, the borehole orbit control provides a more accurate theoretical basis.keywords horizontal wells,directional well,multiple target well,three well trajectory; design,mathematical model,exact solution,calc

21、ulation 水平井井眼軌道設計1 緒論1.1課題的研究背景及意義水平井鉆井涉及許多關鍵技術，軌道設計是其中之一，它直接影響水平井的經濟效益及成敗。有人認為水平井軌道設計只是簡單的幾何問題，這種觀點是完全錯誤的。實際上，水平井軌道的優(yōu)化設計必須綜合考慮油藏、鉆井、采油的具體條件，涉及流體力學、滲流力學、巖石力學、管柱力學等多學科。水平井軌道優(yōu)化設計就是能夠優(yōu)質、快速、低成本地完成鉆井作業(yè)，并且能最大限度地提高水平井產能。常見的兩維水平軌道有單增和雙增軌道兩種。對于單增水平井來說，需確定的參數(shù)有造斜點井深、造斜率、水平段長、方位角和目標段的穩(wěn)斜角；對于雙增水平井來說，除了需要確定上述參數(shù)外還必

22、須確定第一穩(wěn)斜段的井斜角，上述參數(shù)中可根據(jù)地層及造斜工具確定造斜點井深和造斜率第一穩(wěn)斜段井斜角可根據(jù)造斜工具和油藏位置來確定因此直接影響水平井經濟效益關系到水平井成敗只有三個參數(shù)：即水平段長度方位角和目標段井斜角，所謂水平井軌道優(yōu)化設計也就是如何確定這三個參數(shù)。1.2國外水平井井眼軌道設計發(fā)展狀況進入20世紀90年代以來，世界水平井軌道設計以更快的速度推廣和普及，成為提高油田勘探開發(fā)綜合效益的重要途徑。1990年國外鉆成水平井1290口，是1989年的5.2倍；1995年鉆成水平井2590口，又比1990年增加一倍以上。在1990-1995年的6年中，世界上共鉆成水平井12590口，是1984

23、-1989的6年中所鉆水平井總數(shù)的近15倍。據(jù)國外某公司介紹，截止1994年美國所鉆的7000余口井中，中半徑，長半徑和短半徑水平井各占總數(shù)70%，23%和7%；在加拿大所鉆的3000余口水平井中，中半徑、長半徑、短半徑水平井的比例各占88%，9%和3%。1.3國內水平井井眼軌道設計發(fā)展狀況水平井鉆井技術是上世紀80年代國際石油界迅速發(fā)展并日益完善的一項綜合 技術，它包括水平井油藏工程和優(yōu)化設計技術、水平井井眼軌道控制技術、水平井鉆井液與油層保護技術、水平測井技術和水平完井技術等一系列重要技術，它綜合了多種學科的一些先進技術成果。由于水平井鉆井主要以提高老油區(qū)、薄油層、邊際油區(qū)等油氣產量或油氣

24、采收率為根本目標，所以，已經投產的水平井絕大多數(shù)帶來了十分巨大的經濟效益，因此水平井技術被譽為石油工業(yè)發(fā)展過程中的一項“重大突破”。近日，由我國第二大油田勝利油田鉆井工程技術公司所屬單位完成的分支水平井tk908dh井順利完鉆，并創(chuàng)出了我國分支水平井5239.88米的最深新記錄，標志著我國分鉆井技術跨人世界先進行列。70年代末到80年代，我國新發(fā)現(xiàn)的大多數(shù)油氣地質儲量，基本上都是邊緣地區(qū)低壓，低滲透油藏和稠油藏，采用常規(guī)方法開采已變得很不經濟；處于開發(fā)中后期的東部老油田含水上升問題非常突出，嚴重影響油氣產量。開發(fā)剩余可開采儲量已成為當務之急。但薄油層、低壓滲透油層采用常規(guī)方法開采所帶來的高投入

25、和低產出已成為不可忽視的問題。國外的實踐證明，水平井技術正是解決這些問題的重要途徑。2 優(yōu)化井眼軌道剖面設計2.1影響因素1地質條件從造斜點到入靶，實控井眼軌跡要穿遇多種地層。不同的地層造斜率也不盡相同。一般來講，造斜點處地層相對松軟，不易起井斜，造工中往往達不到設計造斜率要求；入靶前要穿越油蓋層，油蓋層的特點是堅硬，定向時易大幅度的增斜。很難控制井斜和方位變化率，施工時應盡量采取復合鉆進方式。2井下儀器安全要求水平井井眼曲率比較大，為確保隨鉆測斜儀器及井下安全，必須考慮mwd儀器的彎屈能力和地質導向承受能力。一般來說，現(xiàn)有的mwd測量儀器能滿足中曲率半徑水平井的測量要求；fewd儀器則要求最

26、大造斜率小于等于25l00m。3工具造斜能力原軌道設計造斜率基本是上下穩(wěn)定的數(shù)值。特別是入靶時設計的造斜率很高。但是在實際施工過程中一旦進入油層，這個造斜率往往無法實現(xiàn)，很容易打沉。4入靶條件現(xiàn)在大部分老油區(qū)的水平井施工并不是通過打導眼的方法來確定油層深度，而是通過臨井資料對比和該區(qū)塊的地震剖面圖來確定油層深度，往往實際油頂垂深和設計垂深有差別，實鉆過程中必須留出下探或上調的余量。2.2 優(yōu)化方法 針對以上現(xiàn)實情況。可以對井眼軌道剖面設計進行優(yōu)化。設計出似圓弧狀軌跡控制剖面。直一增一增一增一增一穩(wěn)，從造斜點到入油層分為四段：第一增斜段：開始造斜時。由于井斜小，地層淺。地層較軟，往往是實際造斜率

27、達不到設計造斜率的要求。所以優(yōu)化時應把開始造斜時的造斜率設計小一點，符合實際施工要求。第二增斜段：該段是井斜，方位穩(wěn)定后至下fewd儀器之前段，該段一般相對下部地層相對松軟易定向，起井斜相對容易。設計該段的造斜率要偏大一點，這樣有利于壓低下地質導向后的軌道造斜率，更大限度地保證地質導向儀器在井下的施工安全。第三增斜段：下地質導向井深距a靶前50米段，該段優(yōu)化設計造斜率要相對第二增斜段小，既可以有效降低軌跡的全角變化率，又可以提高fewd儀器的安全系數(shù)。 第四增斜段：入a靶前50米左右到a靶應設計為第四增鉆進過程中測得的井斜和方位明位超出正常范圍值，這種情況首先應考慮探管問題或是磁干擾問題。如果

28、探管正常，可能是無磁鉆鋌被磁化，儀器所在的無磁環(huán)境遭到破壞，致使測量數(shù)據(jù)不穩(wěn)定或不準確。這種問題出現(xiàn)時要針對具體情況可通過更換探管或無磁鉆鋌來解決。2.2.1專用機顯爪異常波形作者在草13一平16井施工期間。曾遇到：壓力傳感器先漏漿，電焊絲扣后專用機波形倒立，司顯全部顯示小雜波，泵壓表有壓差，更換壓力傳感器后，波形恢復正常。2.2.2泵壓突然升高及蹩泵儀器在井下工作正常的情況泵壓突升高23個兆帕，可能驅動頭活塞帽沖壞。下鉆到底開泵有蹩泵現(xiàn)象，沒有壓差的情況時。首先考慮蘑菇頭塞死或者驅動頭y型密封圈沖壞。2.2.3司顯出現(xiàn)雜波這也是一種常見故障，當雜波的波峰明顯低于正常波波峰并明顯低于壓力門限，

29、且數(shù)量也不多時，并不影響儀器的正常工作。只有當不正常波的波峰位于壓力門限之上時，才會影響到儀器的正常工作，一般會導致司顯解碼錯誤，如果數(shù)量太多甚至還會導致司顯不解碼。遇到這種問題，首先要調整壓力門限，使其界于正常波與雜波的波峰之間(最好盡量靠近正常波的波峰遠離雜波波峰)，并適當?shù)恼{整信號的放大值。如果調整后雜波仍然存在，那就要檢查壓力傳感器是否有松懈現(xiàn)象，壓力傳感器長期處于振動狀態(tài)很容易松動，壓力傳感器的絲扣小緊將會導致雜波的出現(xiàn)。另外，泵的性能也與雜波的出現(xiàn)有關。需要說明的一點就是如果這種現(xiàn)象出現(xiàn)于“短起下”結束于重新開泵或新一趟鉆開泵時(這些情況下一般都會出現(xiàn)此現(xiàn)象)，一般是正常的。只要充

30、分循環(huán)好泥漿后波形就會恢復正常。3 基本參數(shù)的工程解釋及優(yōu)化方法3.1參數(shù)解釋(1)非直井，非直井是相對直井而言的，是指井斜角不為零的井。定向井、側鉆井、水平井、側鉆水平井、分支井、大位移井都屬于非直井的范疇。(2)井跡，顧名思義，“井跡”或“軌跡”是一個具有較強的物理、力學或工程含義的詞。本文中“井跡”是指一種具有強烈的工程含義的空間(平面)曲線，或者說是以石油工程中的側鉆水平井、水平井、定向井、大位移井、分支井中鉆頭運行的軌道為背景的。(3)井跡計算(設計)是指根據(jù)明確的含義及已知的要滿足的條件求一條平面(空間)光滑曲線。它可以視為靜態(tài)的，亦可以視為動態(tài)的。當視為靜態(tài)時，它就需要靜態(tài)模型來

31、刻畫并由適于計算靜態(tài)的模型與算法來計算(設計)它，如目前流行的軌道參數(shù)計算方法、軌道設計方法等都屬于井跡的靜態(tài)方法。同樣地，當將井跡視為動態(tài)時，它就需要用動態(tài)模型來刻畫并由相應的算法來計算與求解。(4)井跡描述參數(shù)，描述井跡的參數(shù)大體上可分為基本參數(shù)、坐標參數(shù)、撓曲參數(shù)、井間關系參數(shù)與施工參數(shù)。本文中將要用到如下參數(shù)：a)井深：井跡(井眼軌道)上任意一點到井口的曲線長度，也稱為斜深或測量深度。b)井斜角：井跡上任意一點的切線方向與鉛垂面(鉛垂線)之間的夾角，單位為度或弧度。c)方位角：井跡上任意一點方向線(切線方向)在水平面上投影與正北的夾角，單位為度或弧度。d)空間坐標：井跡上任意一點的空間

32、位置可用北坐標(x或n)、東坐標(y或e)、真垂深(z或tvd或h)，坐標系符合右手規(guī)則。e)水平位移(disp)：井跡上任意一點至井口或井跡上另外一點所在鉛垂線的距離，單位為m。f)視平移或垂直段長(vs)：水平位移在設計方位線上的投影，單位為in。視平移是繪制垂直投影圖的重要參數(shù)。g)造斜點：在非直井施工中，開始定向造斜或扭方位的位置，單位為m。h)z具面角：沿非直井跡切線方向所構成的平面順時針轉向造斜工具彎曲平面而形成的夾角，單位為度或弧度。它是非直井施工中最重要的施工參數(shù)。i)井斜變化率與方位變化率：井跡上任意一點單位長度上井斜角與方位角變化量，它分別反映了井斜角與方位角隨井深變化的程

33、度。j)彎曲角：非直井跡前進方向上二任意兩個切線矢量之間的夾角，單位為度或弧度。k)井眼曲率：非直井跡切線矢量對于弧長的旋轉程度，它反映了井跡的彎曲程度。1)曲率半徑：井眼曲率的倒數(shù)，單位為m。(5)井跡圖示法在非直井現(xiàn)場施工中，通常采用三維圖、投影圖與柱面圖來直觀描述井跡的變化規(guī)律。m)三維視圖表示法。采用右手系，以非直井井口為坐標原點，以正北fn)作為x軸的正向，以正東(e)方向作為y軸的正向，z軸鉛垂向下指向地心。三維視圖的優(yōu)點是在一個坐標系中可以完整描述井跡，但它不能反映井斜角、方位角、視平移等參數(shù)，直觀性差。n)投影陶表示法。它需要兩張圖垂直投影圖與水平投影圖，垂直投影圖是將井跡投影

34、到某個平鉛垂面(一般為設計方位線所通過的鉛垂面)上所形成的井跡圖，水平投影圖是將井跡投影到水平面上所形成的井跡圖。p)柱面圖表示法。它也需要兩張圖垂直剖面圖與水平投影圖。由通過井跡上無窮點鉛垂線構成的柱面展成平面后形成的井跡圖稱為垂直剖面圖，它可反映井跡大多數(shù)參數(shù)如井深、井斜角、方位角、坐標等?；炯僭O根據(jù)水平井井眼軌道控制及施工特點，作如下假設：(1)水平井曲線段主要由動力鉆具以滑動鉆進方式完成。(2)隨鉆軌道由幾段定曲率曲線光滑連接而成，且曲線的曲率主要由動力鉆具的廣義造斜率決定。(3)任一定曲率曲線段內，動力鉆具的造斜能力及工具面角保持不變。為了建立三維水平井井眼軌道最優(yōu)控制系統(tǒng)我們作如

35、下假設：n：表示三維水平井井眼軌道由光滑曲線連接而成的段數(shù)。s：表示從造斜點處開始的軌道弧長。3.2優(yōu)化方法3.2.1地質及油藏工程因素從地質及油藏工程的角度主要是根據(jù)油藏的具體條件，在盡量降低鉆井成本的前提下使產量最高。主要考慮以下因素：油藏的厚度、滲透率、地層的各向異性。joshi(1988)提出水平井的產量公式為： (3-1) (3-2) (3-3)直井的產量計算公式為：（ (3-4)上述直井和水平井產量計算公式都沒有考慮表皮系數(shù)的影響。3.2.2滲透率的各向異性對水平井產量的影響假設：滲透率的各向異性對水平井產量的影響如圖所示，其中縱坐標為水平井產量與直井產量之比。從圖可以看出垂向滲透

36、率越大，在水平段長相同的情況下，水平井的產量越高。把水平井與直井產量相同時的水平段長定義為水平井的最小段長l， 則滲透率的各向異性與水平井最短水平段長的關系由圖可以看出，隨著垂向滲透率減小，增大最短水平段長，因此在垂向滲透率很小的地層，水平井的優(yōu)越性也就難以體現(xiàn)，這一點與文獻的結論是完全相符。儲層厚度與水平井與直井產量之比的關系如圖3-3所示：從圖3-3可以看出-水平段長度相同時，隨著儲層厚度的增大，產量比減小。儲層厚度對最短水平段長的影響見圖3-4。由圖3-4可以看出隨著儲層厚度的增大，最大水平段長也增大。這就是說對厚度比較大的儲層，要想達到利用水平井提高產量的目的，必須增大水平段長。這說明

37、水平井比較適用于厚度較小的儲層。這與文獻的結論完全吻合。圖3-1滲透率的各相異性對水平井產量的影響圖3-2 滲透率各向異性對最短水平段長的影響圖3-3 儲層厚度對產量的影響圖3-4 儲層厚度對最短水平段長的影響3.2.3 鉆井工程的限制從油藏工程的角度，水平段越長，產量越高，但是鉆井工程能否實現(xiàn)呢？從鉆井工程考慮，水平段長度可能會受到以下條件的限制：1）動力鉆具鉆進時鉆壓的施加鉆柱的屈曲及“自鎖”；2)下鉆時鉆柱的屈曲及“自鎖”；3）正劃眼時轉盤的扭矩及鉆柱的扭曲；4）下套管時套管的“自鎖”；5）轉盤鉆進時轉盤的扭矩及鉆柱的扭曲；6）起鉆時鉆柱的拉伸載荷及大鉤負荷。上述限制條件，其核心有兩點，

38、即管柱的強度和剛度。分析表明：從強度方面考慮，在倒劃眼和轉盤鉆進工況下，鉆柱受載最大，可以計算出最大載荷。根據(jù)鉆柱的最大載荷和鉆柱鋼材的極限強度就可以計算出最大水平段長；從剛度方面考慮，在定向鉆進和旋轉鉆進工況下鉆柱易發(fā)生失穩(wěn)，根據(jù)臨界條件可以得出極限載荷。根據(jù)極限載荷可以求出最大水平段長。再在兩個值中選一個較小值，并用該值來進行鉆機載荷校核，如果鉆機負荷滿足其強度要求，該值即為最大的水平段長；如不滿足，再根據(jù)鉆機負荷來進行水平段長的設計。從油藏和鉆井工程綜合考慮，可以先根據(jù)鉆井工程要求，計算出最大水平段長再將其與從油藏工程中得到的相比。4 二維軌道設計模型及其精確解4.l問題的提出二維井眼軌

39、道設計是指設計軌道只在同一鉛垂平面內變化，即只有井斜角的變化，而沒有井斜方位的變化。常規(guī)二維軌道設計由直線段和圓弧段組成，其形式多種多樣，但典型的有三段制(直+增+穩(wěn))、五段制(直+增+穩(wěn)+降+直)和雙增型(直+增+穩(wěn)+增+直)3種類型，如圖4-1所示常規(guī)二維井眼軌道其控制簡單，在油氣鉆井中得到了廣泛的應用在設計二維井眼軌道時，常用上面3種典型的軌道形式，其求解方式是圖4-1典型的二維井眼軌道形式給定軌道設計參數(shù)，求解穩(wěn)斜段的井斜角和穩(wěn)斜段長。但針對不同的問題和要求，有時需要更靈活的軌道組合形式，以及靈活地求解軌道設計參數(shù)，這時就難以滿足要求。如根據(jù)軌道控制工藝或采油生產的要求，需要限定穩(wěn)斜段

40、井斜角和穩(wěn)斜段長，這時就需要反復進行試算來達到設計目的。文獻建立了兩種典型的三維井眼軌道設計模型，可組成多種軌道形式，且求得了模型的精確解，可用于各種類型井的井眼軌道設計。由于二維井眼軌道設計沒有方位的變化，可以有更多和更靈活的求解方式。本文將借鑒文獻的建模方法，合理選取軌道設計變量，建立二維軌道設計的一般數(shù)學模型，以組成多種軌道形式，并作到靈活地求解軌道設計參數(shù)，以滿足不同的設計需求，使井眼軌道設計方法和理論分析更趨完善。4.2設計模型二維井眼軌道設計模型如圖4-2所示。圖4-2中d為原點，設在井口或設計起始點，h為垂深，s為位移，t為目標點。設計軌道由圖中的l1、s2、l2、s2、l3五段

41、組成，即直線段+圓弧段+直線段+圓弧段十直線段。hr、sr為目標點垂深和位移，為給定已知參數(shù)，l1,l2,l3和a1、a2、a3分別為直線段的長度和井斜角，r1、r2為兩個圓弧段的曲率半徑。設計變量圓弧段對應的井眼曲率k1、k2，直線段長度和井斜角8個參數(shù)。圖4-2一般二維圓弧型井眼軌道設計模型由圖4-2可知，二維井眼軌道設計模型的約束方程為 (4-1)方程(4-1)是根據(jù)雙增型軌道形式列出。對增降五段制(s型)軌道，方程相同，但r2取負值。約束條件：雙增型為a2a3,s型為a2a3對三段制(j)型軌道，取方程(4-1)中的前三項，或令r2=0，l3=0，即為 (4-2) 曲率半徑和井眼曲率的

42、換算關為,單位變換系數(shù)，即曲率單位kck值，一般為30m。在設計軌道時，根據(jù)實際需要可令直線段長度為零，可選取一個或兩個圓弧段，以及兩個圓弧段同向(雙增斜段)或反向(增降斜段)，由此可組成多種不同的設計軌形式，滿足各種設計要求。由此可見，所建立的=維井跟軌道設計模型具有一般性，具有普遍適用性，可很好地滿足常規(guī)定向井、水平井和多目標井的井眼軌道設計要求。下面討論模型的求解問題。4.3模型求解由約束方程(4-1)可知，8個軌道設計變量，任意給定6個參數(shù)，即可判定方程是否有解。在有解的情況下，可唯一確定另外2個設計參數(shù)+對8個變量，任選2個進行求解組合，可得到28種求解方式。以求解和為例。由方程(4

43、-1)可得 (4-3)其中，。解方程(4-3)可得 (4-4) (4-5)計算井斜角的另一公式為 (4-6)方程(4-3)有解的條件是對s型軌道，計算公式相同，r2取負值。當a1=a3時，不能同時求解r1和r2，以及l(fā)1和l3，此時方程元解或有多種組合解。為了滿足軌道設計的求解的靈活性，避免在設計過程中進行反復試算，通過求解約束方程(4-1)，能得到不同設計變量的組合解，且全部為精確解。這樣，軌道設計計算簡單、快速、精確，能很好地適應各種設計需要。二維井眼軌道設計模型有28種求解公式。4.4應用本文建立的二維井眼軌道設計模型具有代表性和普遍適用性，設計模型不僅包含了常規(guī)的三段制(j型)、五段制

44、(s型)和雙增型軌道，而且還可令直線段長度為零，由此組成多種軌道剖面型式：1)直線段+圓弧段+直線段+圓弧段+直線段(llo，l2o，l3=0)；2)直線段+圓弧段+直線段+圓弧段(l10，l20，l3=0)；3)直線段+圓弧段+圓弧段+直線段(l10，l2=0，l30)；4)圓弧段+直線段+圓弧段+直線段(l1=0，l20，l0)；5)直線段+圓弧段+圓弧段(l10，l2=0，l3=0)；6)圓弧段+直線段十圓弧段(l1=0，l20，l3=0)；7)圓弧段+圓弧段+直線段(l1=0，l2=0，l30)；8)圓弧段+圓弧段(l1=0，l2=0，l3=0)；9)直線段+圓弧段+直線段(l10，l

45、20，r2=0,l3=0)；10)直線段+圓弧段(l10，l2=0，r2=0,l3=0)；11)圓弧段+直線段(l1=0，l20，r2=0,l3=0)12)圓弧段(l1=0，l2=0，r2=0,l3=0)。應用所建立的二維井眼軌道設計模型和求解公式，開發(fā)了井眼軌道設計軟件。在設計時，可作到靈活、快速、精確的設計，能滿足用戶多種設計需求，在實踐中得到了很好的應用，同時也驗證了模型的正確性和有效性。本文建立的軌道設計模型和求解公式在定向井、水平井及多目標井的軌道設計、優(yōu)化設計及鉆進過程中的軌道調整設計方面有著廣泛的應用，完善了井眼軌道設計方法。4.5 結論1)本文建立的二維井眼軌道設計模型具有代表

46、性和普遍適用性，在井眼軌道設計方面有著廣泛的應用，完善了井眼軌道設計方法。2)求得了設計模型的全部精確解，且給出了有解的判別式，因此，設計計算簡單、精確、快速，避免了在設計過程中進行試算的麻煩，提高了設計效率和設計靈活性。3)設計模型在實踐中得到了很好的應用，驗證了該設計模型和方法的正確性、合理性及有效性。5三維軌道設計5.1問題的提出隨著鉆井技術的發(fā)展， 對井眼軌道設計提出了更高的要求。多目標井、 側鉆井等的井眼軌道設計及調整軌道設計都是三維的。對目標點無方向限制的定向井三維井眼軌道的設計已得到了較好的解決，對目標點有方向限制的水平井三維軌道設計取得了一定的進展 ，但還有待于發(fā)展和完善。水平

47、井按井眼軌道設計造斜率k的不同，可分為長半徑k8/(30m)，中半徑 k=830/(30m) 和短半徑（ k=110/m）3種基本類型，每類水平井各有其特點及適用范圍。在3種基本類型水平井的基礎上，又繁衍形成多種應用類型，如大位移水平井、側鉆水平井、階梯水平井等。不同類型的水平井對軌道設計的要求不同，如三維大位移水平井的井眼曲率小、 位移大，可供調整設計的空間位置大，在軌道控制上可用普通導向鉆具來實現(xiàn)；而側鉆中短半徑水平井的井眼曲率大、位移小，可供調整設計的空間位置有限，在軌道控制上卻要用高造斜率的雙彎鉆具sxy（s 時,取正值;當 時，wi 取負值；當=， =0 。造斜工具面指向在井底平面投影的單位矢量可由裝置角和該點切線的單位矢量求得，由此可計算造斜工具面的方位，即通常所說的 “彎方”，其計算 （5-18）5.4計算模型的應用應用所建立的三維井眼軌道設計數(shù)學模型和軌道計算公式，開發(fā)了三維井眼軌道設計通用軟件。用戶可根據(jù)需要給定l1、k1、lh、k