定向井水平井教材

1、百度文庫第一章 定向井（水平井）鉆井技術(shù)概述第一節(jié)定向井、水平井的基本概念1定向井叢式井發(fā)展簡史定向井鉆井被（英） T A 英格利期定義為： “使井筒按特定方向偏斜，鉆遇地下預(yù)定目標(biāo)的一門科學(xué)和藝術(shù)。 ”我國學(xué)者則定義為，定向井是按照預(yù)先設(shè)計(jì)的井斜角、方位角和井眼軸線形狀進(jìn)行鉆進(jìn)的井。定向井相對(duì)與直井而言它具有井斜方位角度而直井是井斜角為零的井，雖然實(shí)際所鉆的直井它都有一定斜度但它仍然是直井。定向井首先是從美國發(fā)展起來的，在十九世紀(jì)后期，美國的旋轉(zhuǎn)鉆井代替了頓鉆鉆井。當(dāng)時(shí)沒有考慮控制井身軌跡的問題，認(rèn)為鉆出來的井必定是鉛垂的，但通過后來的井筒測試發(fā)現(xiàn)，那些垂直井遠(yuǎn)非是垂直的。并由于井斜原因造成

2、了侵犯別人租界而造成被起訴的案例。最早采用定向井鉆井技術(shù)是在井下落物無法處理后的側(cè)鉆。早在1895 年美國就使用了特殊的工具和技術(shù)達(dá)到了這一目的。有記錄定向井實(shí)例是美國在二十世紀(jì)三十年代初在加利福尼亞享廷灘油田鉆成的。第一口救援井是1934 年在東德克薩斯康羅油田鉆成的。救援井是指定向井與失控井具有一定距離，在設(shè)計(jì)和實(shí)際鉆進(jìn)讓救援井和失控井井眼相交，然后自救援井內(nèi)注入重泥漿壓死失控井。目前最深的定向井由BP 勘探公司鉆成，井深達(dá)10， 654 米；水平位移最大的定向井是BP 勘探公司于己于1997 年在英國北海的Rytch Farm油田鉆成的M11 井，水平位移高達(dá)1，0114 米。垂深水平位

3、移比最高的是Statoil 公司鉆成的的33/9 C2 達(dá)到了 1:3.14 ；叢式井口數(shù)最多，海上平臺(tái)：96 口；人工島：170 口；我國定向井鉆井技術(shù)發(fā)展情況我國定向井鉆井技術(shù)的發(fā)展可以分為三個(gè)階段，50 60 年代開始起步，首先在玉門和四川油田鉆成定向井及水平井: 玉門油田的C2 15 井和磨三井，其中磨三井總井深 1685 米，垂直井深表遺憾350 米，水平位移444.2 米，最大井斜92，水平段長 160 米； 70 年代擴(kuò)大實(shí)驗(yàn)，推廣定向井鉆井技術(shù)；80 年代通過進(jìn)行集團(tuán)化聯(lián)合技術(shù)攻關(guān)，使得我國從定向井軟件到定向井硬件都有了一個(gè)大的發(fā)展。我國目前最深的水平井是勝利定向井公司完成的D

4、H1-H1井，完鉆井深達(dá)到：6452.00 米。水平位移最大的大位移井是勝利定向井公司完成的埕北21- 平 1 井，水平位移達(dá)到3167.34 米，最大的叢式井組是勝利石油管理局的河50 叢式井組，該叢式井組長 384 米，寬 115 米，該叢式井平臺(tái)共有鉆定向井42 口。2定向井的分類按定向井的用途分類可以分為以下幾種類型：普通定向井多目標(biāo)定向井定向井叢式定向井救援定向井水平井多分枝井（多底井）1百度文庫國外定向井發(fā)展簡況（表一）年代50年代60年代70年代80年代90年代內(nèi)容剖面設(shè)計(jì)及誤差很大的正18 種二維計(jì)算軌跡計(jì)算方切法，進(jìn)行定方法，如更精法向井設(shè)計(jì)軌跡確的曲率半徑計(jì)算法發(fā)展到三維設(shè)

5、計(jì)和大組叢式井整體設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)專家系發(fā)展了大型集統(tǒng)進(jìn)行定向井 成設(shè)計(jì)軟件包的設(shè)計(jì)和指導(dǎo)定向井施工井 斜 控 制 理斜直井段的二考慮了井眼的論維分析曲率及滿眼組合的特性三維數(shù)據(jù)分析，發(fā)展了多種分由靜態(tài)發(fā)展到析計(jì)算方法并動(dòng)態(tài)編制了計(jì)算機(jī)程序在原來多種分析的基礎(chǔ)上引入了數(shù)學(xué)及其它邊沿學(xué)科定向造斜工渦輪加彎接頭藝斜向器配合轉(zhuǎn)盤鉆測量方式氫氟酸玻璃管刻線法和地面定向法使用效率更高渦輪、螺桿動(dòng)力發(fā)展了復(fù)合式發(fā)展成熟多分的螺桿動(dòng)力鉆鉆具向低速大動(dòng)力鉆具，導(dǎo)枝井回接工藝具，專用工具扭矩發(fā)展。各種向鉆井系統(tǒng)，地質(zhì)導(dǎo)向鉆井的定型配套專用井下工具長壽命 PDC 鉆系統(tǒng)系列化頭等機(jī)械式羅盤，有線隨鉆測斜多種無線隨鉆發(fā)展

6、成熟帶地精度較高的單儀投入工業(yè)性測斜系統(tǒng)投入質(zhì)參數(shù)的無線多點(diǎn)照相測斜使用，無線隨工業(yè)使用和發(fā)隨鉆測斜儀儀鉆測斜儀研制展了電子測量成功系統(tǒng)和陀螺測量系統(tǒng)定 向 井 鉆 井精度要求不高可打準(zhǔn)確度較水平中深定向井高的定向井和小組定向井可打準(zhǔn)確度較高的定向救援井和大組叢式井鉆成大量水平鉆成位移過萬井從大半徑水米的大位移井平井到小半徑徑向水平井可水平井多底泄在 0.3 米之內(nèi)完油井成增斜過程2百度文庫我國定向井鉆井技術(shù)發(fā)展情況（表二）年60年代80年代90年代代內(nèi)容剖面設(shè)計(jì)及軌設(shè)計(jì)采用查表法、發(fā)展了曲率半徑法，最小曲率半徑法等多引入人工智能和專家系統(tǒng)跡計(jì)算方法圖解 法等精度 不精確的軌跡計(jì)算和設(shè)計(jì)方法，

7、編制了能進(jìn)高的方法預(yù)測和防碰掃描的計(jì)算機(jī)軟件包。井斜控制理論進(jìn)行了鉆具的二發(fā)展了多種新的分析計(jì)算方法，例維靜態(tài)分析主要如：平衡梁法、加權(quán)余量法等，并編使用有限元法制了計(jì)算機(jī)分析程序定向造斜工藝使用地面定向法使用精度高的磁性單多點(diǎn)測斜儀進(jìn)（鉆桿打鋼?。?。行定向和軌跡數(shù)據(jù)測量，發(fā)展了有線數(shù)據(jù)測量使用電隨鉆測斜儀定向。測井?dāng)?shù)據(jù)。理論分析模型由靜態(tài)態(tài)發(fā)展到動(dòng)態(tài)，由二維發(fā)展到三維發(fā)展了導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)初步研制出徑向水平井造斜工藝測量方式氫氟酸測斜儀， 機(jī)多種引進(jìn)的有線隨鉆測斜系統(tǒng)投入發(fā)展了無線隨鉆測斜系統(tǒng)， 引械式羅盤的電測工業(yè)使用和發(fā)展了電子測量系統(tǒng)及進(jìn)了帶地質(zhì)參數(shù)的MWD 系井方法。陀螺測量系統(tǒng)統(tǒng)定向井

8、鉆井水簡單的單口定向鉆成大量高難度定向井、大組叢式在水平井方面取得大型突破，平井、水平井位移井、多目標(biāo)井、套管定向開窗井、水鉆成了長、中、短半徑水平井小，精度低平井也從大半徑水平井發(fā)展到了中半徑水平井第二節(jié)水平井鉆井技術(shù)簡介所謂水平井，是指一種井斜角大于或等于86，并保持這種角度鉆完一定長度水平段的定向井。1水平井鉆井技術(shù)發(fā)展概況1863 年，瑞士工程師首先提出鉆水平井的建議；1870 年，俄國工程師在勃良斯克市鉆成井斜角達(dá)60的井；瑞典和美國研制出測量井眼空間位置的儀器，1888 年俄國也設(shè)計(jì)出了測斜儀器；1929 年，美國國加利福尼亞州鉆成了幾米長的水平分支井筒；30 年代，美國開始用撓性

9、鉆具組合在垂直井內(nèi)鉆曲率半徑小的水平井分支井眼；1954年蘇聯(lián)鉆成第一口水平位移；1964年 1965 年我國鉆成兩口水平井，磨3 井、巴 24 井；自來80 年代以來，隨著先進(jìn)的測量儀器、長壽命馬達(dá)和新型PDC 鉆頭等技術(shù)的發(fā)展，水平井鉆井大規(guī)模高速度的發(fā)展起來。3百度文庫我國水平井鉆井在 90 年代以來也取得了很大發(fā)展，勝利油田已完成各種類型水平井近 400 口，水平井鉆井水平和速度不斷提高。水平井的類型及各種類型水平井的特點(diǎn)1）水平井的類型：根據(jù)水平井曲率半徑的大小分為：長曲率半徑水平井（小曲率水平井）；中曲率半徑水平井（中曲率水平井）；短曲率半徑水平井（大曲率水平井）。2 ）不同曲率水

10、平井的基本特征及優(yōu)缺點(diǎn)（ 1）不同曲率水平井的基本特征表井型長半徑水平井中半徑水平井短半徑水平井項(xiàng)目造斜率15 /100 米使用抗壓鉆鉸接驅(qū)動(dòng)鉆桿桿無限制有線隨鉆測斜儀，MWD，轉(zhuǎn)盤鉆井時(shí)使用多點(diǎn)測測量工具但井眼 1000 米）1井眼軌道控制段最長2使用標(biāo)準(zhǔn)的鉆具及套管全井斜深增加最多3“狗腿嚴(yán)重度”最小鉆井費(fèi)用增加4使用常規(guī)鉆井設(shè)備各種下部鉆具組合較長5可使用多種完井方法不適合薄油層和淺油層6可采用多種舉升采油工藝轉(zhuǎn)盤扭矩較大7測井及取芯方便套管用量最大8井眼及工具尺寸不受限制穿過油層長度與總水平位移比最?。ǎ┲星拾霃剿骄膬?yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)1 進(jìn)入油層時(shí)無效井段較短1要求使用 MWD 測量

11、系統(tǒng)2 使用的井下工具接近常規(guī)工具要求使用加重鉆桿或抗壓縮鉆桿3 使用動(dòng)力鉆具或?qū)蜚@井系統(tǒng)4 離構(gòu)造控制點(diǎn)較近5 可使用常規(guī)的套購及完井方法6 井下扭矩及阻力較小7 較高及較穩(wěn)定的造率8 井眼軌跡控制井段較短9 穿透油層段較長（ 1000 米）10 井眼尺寸不受限制11 可以測井及取芯12 從一口直井可以鉆多口水平分枝井13 可實(shí)現(xiàn)有選擇的完井方案（ 4）短曲率半徑水平井的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)1 井眼曲線段最短1非常規(guī)的井下工具2 側(cè)鉆容易非常規(guī)的完井方法3 能夠準(zhǔn)確擊中油層目標(biāo)穿透油層段短（120 180 米）4 從一口直井可以鉆多口水平分枝井井眼尺寸受到限制5 直井段與油層距離最小起下鉆次數(shù)多

12、6 可用于淺油層要求使用頂部驅(qū)動(dòng)系或動(dòng)力水龍頭7 全井斜深最小井眼方位控制受到限制8 不受地表?xiàng)l件的影響目前還不能進(jìn)行電測第三節(jié)定向井的基本術(shù)語解釋5百度文庫1）井深：指井口（轉(zhuǎn)盤面）至測點(diǎn)的井眼實(shí)際長度，人們常稱為斜深。國外稱為測量深度（Measure Depth ）。2 ）測深：測點(diǎn)的井深，是以測量裝置（ Angle Unit）的中點(diǎn)所在井深為準(zhǔn)。真北極3) 井斜角：該測點(diǎn)處的井眼方向線與重力線之間的夾角（見圖1.2 ）。?井斜真北方位線角常以希臘字母表示，單位為度。4?）井斜方位角：是指以正比方位線為始東磁偏角邊，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)至井斜方位線所轉(zhuǎn)過的角度（見圖1.3 ）。?井斜方位角常以希臘字

13、母表示，單位為度。實(shí)際西磁偏角應(yīng)用過程中常常簡稱為方位角。?A地B地圖 1.1 磁偏角示意圖5 ）磁方位角：磁力測斜儀測得的井斜方位角是以地球磁北方位線為準(zhǔn)的，稱磁方位角。井口AB正北方位線A井斜方向線井底B井斜方位角 B重力線 B井斜方位線圖 1.2井斜角示意圖圖 1.3 井斜方位角示意圖6 ）磁偏角：磁北方位線與真北方位線并不重合，兩者之間有一個(gè)夾角，這個(gè)夾角稱為磁偏角。磁偏角又有東磁偏和西磁偏角之分，當(dāng)磁北方位線在正北方位線以東時(shí)，稱為東偏角；當(dāng)磁北方位線在正北方位線以西時(shí)稱為西偏磁偏角。?進(jìn)行磁偏角校正時(shí)按以下公式計(jì)算：真方位角磁方位角東偏磁偏角真方位角 =磁方位角西偏磁偏角7?）井斜

14、變化率：是指井斜角隨井深變化的快慢程度，常以K表示， ?精確的講井斜變化率是井斜角度（）對(duì)井深（L?）的一階導(dǎo)數(shù)。dKdL井斜變化率的單位常以每100 米度表示。8）井深方位變化率：實(shí)際應(yīng)用中簡稱方位變化率，?是指井斜方位角隨井深變化的快慢程度，常用K表示。計(jì)算公式如下：d6百度文庫dL井斜方位變化率的單位常以每100 米度進(jìn)行表示。9）全角變化率（狗腿嚴(yán)重或井眼曲率）：從井眼內(nèi)的一個(gè)點(diǎn)到另一個(gè)點(diǎn)，井眼前進(jìn)方向變化的角度 （兩點(diǎn)處井眼前進(jìn)方向線之間的夾角），?該角度既反映了井斜角度的變化又反映了方位角度的變化，通常稱為全角變化值。?兩點(diǎn)間的全角變化值相對(duì)與兩點(diǎn)間井眼長度L 變化的快慢及為全角變

15、化率。用化式表達(dá)如下：L實(shí)際鉆井中，井眼曲率的計(jì)算方法：目前計(jì)算井眼曲率的方法有很多。有公式法、查表法、圖解法、查圖法和尺算法五種。后四種辦法皆來源于公式法。計(jì)算井眼，曲率的公式計(jì)有三套：第一套公式：對(duì)于一個(gè)測點(diǎn)：K SQR（ K 2K 2sin 2）對(duì)于一個(gè)測段：K SQR（ ( L) 2 ( L) 2SIN2 c）B cA0Ca圖 1.4 第一套公式的圖解法第一套公式的圖解法（參見圖1.4 ）：（ 1）作水平射線 OA；（ 2）作 BOA c（兩測點(diǎn)平均角） ；（ 3） . 以一定長度代表單位角度，量OB（兩測點(diǎn)方位角差） ；（ 4）自 B點(diǎn)向 OA作垂線，垂足為 C點(diǎn)；（ 5）按步驟 (

16、3) 中的比例，量 CA；（ 6）連接 A、 B，并量 AB長度，按步驟 (3) 比例換算成角度，此角度及狗腿角。第二套公式： （由于誤差較大，現(xiàn)場使用少略）第三套公式： SQR（ 12 22 2 1 2COS）B7百度文庫a20Aa1圖 1.5 第三套公式的圖解法第三套公式圖解法（參見圖1.5 ）：（1）選取一定比例，經(jīng)一定長度代表單位角度，作線段OA，使其長度代表1；（ 2）作 OB線段，使 BOA；（ 3）按步驟 (1) 的比例，量 OB 2；（ 4）連接 A、 B，并量鄧 AB的長度，按步驟 (1) 的比例換算成角度，既為10）垂深（垂直井深） ：即某測點(diǎn)的垂直深度，以H 表示。 ?是

17、指井身任意一點(diǎn)至轉(zhuǎn)盤面所在平面的距離。11）水平投影長度：是指自井口至測點(diǎn)的井眼長度在水平面上的投影長度。以S?表示。12）水平位移： 簡稱平移， 是指測點(diǎn)到井口垂線的距離。在國外又稱為閉合距( ClosureDistance ）。13）平移方位角：又稱為閉合方位角（Closure Azimuth），常用表示，?是指以正北方位線為始邊順針方向轉(zhuǎn)至平移方位線上所轉(zhuǎn)過的角度。14）視平移：又稱為投影位移，井身上的某點(diǎn)在垂直投影面上的水平位移。在實(shí)際定向井鉆井過程中，這個(gè)投影面選在設(shè)計(jì)方位線上。所以視不移也可以定義為水平位移在設(shè)計(jì)線上的投影。15）高邊：在斜井段用一個(gè)垂直于井眼軸線的平面于井眼（這時(shí)

18、的井眼不能理解為一條線，而是一個(gè)具有一定直徑的圓）相交，由于井眼是傾斜的故井眼在該平面上有一個(gè)最高點(diǎn)，最高點(diǎn)與井眼圓心所形成的直線及為井眼的高邊。16）工具面：工具面就是造斜工具彎曲方向的平面。17）磁性工具面角：造斜工具彎曲的平面與正北方位所在平面的夾角。18）高邊工具面角：造斜工具彎曲方向的平面與井斜方位角所在平面的夾角。19）裝置角：造斜工具彎曲方向的平面與原井斜方向所在平面的來夾角，通常用?表示。20）反扭矩：在用井底動(dòng)力鉆具鉆進(jìn)時(shí)，都存在一個(gè)與鉆頭轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反的扭矩，該扭矩被稱為反扭矩。21）反扭角：使用井底動(dòng)力鉆具鉆進(jìn)時(shí)，都存在一個(gè)與鉆頭轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反的扭矩，由于該扭矩的作用，使得井

19、底鉆具外殼向逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，該角度被稱為反扭角。22) 貯層頂部：水平井段控制油層的頂部23) 貯層頂部：水平井段控制油層的底部24) 設(shè)計(jì)入口角度：進(jìn)入儲(chǔ)層頂部的井斜角度25) 著陸點(diǎn)：井眼軌跡中井斜角達(dá)到90的點(diǎn)26) 入口窗口高度：入靶點(diǎn)垂直方向上下誤差之和27) 入口窗口寬度：入靶點(diǎn)水平方向左右誤差之和8百度文庫28) 出口窗口高度：出靶點(diǎn)垂直方向上下誤差之和29) 出口窗口寬度：出靶點(diǎn)水平方向左右誤差之和30) 著陸點(diǎn)允許水平偏差：著陸點(diǎn)允許水平方向前后的誤差31) 單彎動(dòng)力鉆具： 動(dòng)力鉆具殼體上具有一個(gè)彎曲角度的動(dòng)力鉆具， 特點(diǎn)是造斜率較彎接頭組合高，鉆頭偏移較小32) 雙

20、彎動(dòng)力鉆具： 同向雙彎， 動(dòng)力鉆具殼體上具有兩個(gè)彎曲方向相同的彎曲角度的動(dòng)力鉆具，具有比單彎動(dòng)力鉆具更高的造斜率33) DTU 動(dòng)力鉆具（異向雙彎） ：動(dòng)力鉆具殼體上具有兩個(gè)彎曲方向相反的彎曲角度的動(dòng)力鉆具，鉆頭偏移最小，不僅可以導(dǎo)向鉆進(jìn)，而且可以配合轉(zhuǎn)盤鉆進(jìn)；附：常用單彎動(dòng)力鉆具、雙彎動(dòng)力鉆具、 DTU（異向雙彎）造斜率表。第四節(jié)定向井、水平井基本施工步驟簡介1 ）定向井井位的確定井位坐標(biāo)要求：基本數(shù)同一般直井。叢式井坐標(biāo)需一同下發(fā)，以便作出叢式井整體設(shè)計(jì)。注明各中靶點(diǎn)的坐標(biāo)及垂直深度，提供最新井位構(gòu)造圖。2 ）地面井口位置的選擇工程、地質(zhì)設(shè)計(jì)及測量人員根據(jù)井位坐標(biāo)和地面實(shí)際條件確定井口位置

21、和井架整托方向（叢式井） 。井口位置選擇盡量利用地層自然造斜規(guī)律。多目標(biāo)井井口位置在第一靶點(diǎn)和最后一個(gè)靶點(diǎn)聯(lián)線的延長線上。井架立好后需要進(jìn)行井口坐標(biāo)的復(fù)測。3 ）定向井設(shè)計(jì)地質(zhì)設(shè)計(jì)在坐標(biāo)初測后提出初步設(shè)計(jì)，在坐標(biāo)復(fù)測后提出正式設(shè)計(jì)。地質(zhì)設(shè)計(jì)除包括一般井內(nèi)容外，在工程施工中要求必須說明靶點(diǎn)相對(duì)與井口的位移和方位，多目標(biāo)井說明靶點(diǎn)之間的穩(wěn)斜角度。附最新井位構(gòu)造圖、油藏剖面圖、設(shè)計(jì)軌跡水平投影圖和垂直投影圖。工程設(shè)計(jì)必須符合地質(zhì)設(shè)計(jì)要求。井身軌跡設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)表，特殊工藝技術(shù)措施。井身結(jié)構(gòu)及分段鉆具組合和鉆井參數(shù)等。4 ）設(shè)備要求（鉆機(jī)）根據(jù)定向井垂直井深、水平位移、井身結(jié)構(gòu)和井眼曲率選擇設(shè)備類型。推薦設(shè)

22、備標(biāo)準(zhǔn)（使用于位移垂深 0.4 的定向井）：垂深 2800 米、水平位移600 米，選用3200 米鉆機(jī)；垂深 3500 米、水平位移1200 米，選用4500 米鉆機(jī)；垂深 4500 米、水平位移2000 米，選用6000 米鉆機(jī)；垂深 4500 米、水平位移1500 米，選用7000 米鉆機(jī)。5）定向井靶區(qū)半徑標(biāo)準(zhǔn)不同井深靶區(qū)半徑要求（總公司標(biāo)準(zhǔn)）：靶區(qū)垂深（米）靶區(qū)半徑（米）靶區(qū)垂深（米）靶區(qū)半徑（米） 1000 30 3000 80 150 40 3500 100 2000 50 4000 120 2500 65 4500 1409百度文庫第二章定向井、叢式井、水平井設(shè)計(jì)與計(jì)算分析第一

23、節(jié)定向井、水平井二維軌道設(shè)計(jì)一口定向井的實(shí)施，首先要有一個(gè)軌道設(shè)計(jì)，才能以此設(shè)計(jì)為依據(jù)進(jìn)行具體的定向井鉆井施工。對(duì)于不同的勘探、開發(fā)目的和不同的設(shè)計(jì)限制條件，定向井的設(shè)計(jì)方法有多種多樣。而每種設(shè)計(jì)方法，都有一定的設(shè)計(jì)原則。定向井設(shè)計(jì)是一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)。 “好的設(shè)計(jì)是成功的一半” 。因此，合理地設(shè)計(jì)好井身軌道，是定向井成功的保證。一、設(shè)計(jì)原則：一口定向井的總設(shè)計(jì)原則，應(yīng)該是能保證實(shí)現(xiàn)鉆井目的，滿足采油工藝及修井作業(yè)的要求，有利于安全、優(yōu)質(zhì)、快速鉆井。在對(duì)各個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇上，在自身合理的前提下，還要考慮相互的制約。要綜合地進(jìn)行考慮。(一 ) 選擇合適的井眼形狀復(fù)雜的井眼形狀，勢必帶來施工難度的

24、增加，因此井眼形狀的選擇，力求越簡單越好。從鉆具受力的角度來看：目前普遍認(rèn)為，降斜井段會(huì)增加井眼的摩阻，引起更多的復(fù)雜情況。如圖所示 (2-1-1) ，增斜井段的鉆具軸向拉力的徑向的分力，與重力在軸向的分力方向相反，有助于減小鉆具與井壁的摩擦阻力。而降斜井段的鉆具軸向分力，與重力在軸向的分力方向相同，會(huì)增加鉆具與井壁的摩擦阻力。因此，應(yīng)盡可能不采用降斜井段的軌道設(shè)計(jì)。圖 2-1-1( 二 ) 選擇合適的井眼曲率井眼曲率的選擇，要考慮工具造斜能力的限制和鉆具剛性的限制，結(jié)合地層的影響，留出充分的余地，保證設(shè)計(jì)軌道能夠?qū)崿F(xiàn)。在能滿足設(shè)計(jì)和施工要求的前提下，應(yīng)盡可能選擇比較低的造斜率。這樣，鉆具、儀

25、器和套管都容易通過。當(dāng)然，此處所說的選擇低造斜率，沒有與增斜井段的長度聯(lián)系在一起進(jìn)行考慮。另外，造斜率過低，會(huì)增加造斜段的工作量。因此，要綜合考慮。10百度文庫常用的造斜率范圍是4-10 /100 米（三）選擇合適的造斜井段長度造斜井段長度的選擇，影響著整個(gè)工程的工期進(jìn)度，也影響著動(dòng)力鉆具的有效使用。若造斜井段過長，一方面由于動(dòng)力鉆具的機(jī)械鉆速偏低，使施工周期加長，另一方面由于長井段使用動(dòng)力鉆具，必然造成鉆井成本的上升。所以，過長的造斜井段是不可取的。若造斜井段過短，則可能要求很高的造斜率，一方面造斜工具的能力限制，不易實(shí)現(xiàn)，另一方面過高的造斜率給井下安全帶來了不利因素。所以，過短的造斜井段也

26、是不可取的。因此，應(yīng)結(jié)合鉆頭、動(dòng)力馬達(dá)的使用壽命限制，選擇出合適的造斜段長，一方面能達(dá)到要求的井斜角，另一方面能充分利用單只鉆頭和動(dòng)力馬達(dá)的有效壽命。（四）選擇合適的造斜點(diǎn)造斜點(diǎn)的選擇， 應(yīng)充分考慮地層穩(wěn)定性、 可鉆的限制。 盡可能把造斜點(diǎn)選擇在比較穩(wěn)定、均勻的硬地層，避開軟硬夾層、巖石破碎帶、漏失地層、流沙層、易膨脹或易坍塌的地段，以免出現(xiàn)井下復(fù)雜情況，影響定向施工。造斜點(diǎn)的深度應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)井的垂深、 水平位移和選用的軌道類型來決定。 并要考慮滿足采油工藝的需求。應(yīng)充分考慮井身結(jié)構(gòu)的要求，以及設(shè)計(jì)垂深和位移的限制，選擇合理的造斜點(diǎn)位置。（五）選擇合適的穩(wěn)斜段井斜角和入靶井斜角井斜角的大小，直接

27、影響了軌跡的控制。井斜角太小時(shí)，方位不好控制。而井斜角太大時(shí)，施工難度卻又增加。因此，穩(wěn)斜段井斜角和入靶井斜角的選擇，應(yīng)充分滿足軌跡控制的需要。另外，它對(duì)方位控制、電測、鉆速都有明顯的影響。一般來講，井斜角的大小與軌跡控制的難度有下面的關(guān)系：1井斜角小于15時(shí)，方位難以控制；2井斜角在15-40 時(shí)， 既能有效地調(diào)整井斜角和方位，也能順利地鉆井、固井和電測。是較理想的井斜角控制范圍；3井斜角在40-50 時(shí)，鉆進(jìn)速度慢，方位調(diào)整困難；4井斜角大于60，電測、完井作業(yè)施工的難度很大，易發(fā)生井壁垮塌。二、設(shè)計(jì)方法定向井的設(shè)計(jì)方法分為常規(guī)設(shè)計(jì)方法和特殊井的設(shè)計(jì)方法。常規(guī)設(shè)計(jì)方法指的是在兩維平面內(nèi)作的

28、軌道設(shè)計(jì)， 即設(shè)計(jì)的井眼軸線只在某個(gè)給定的鉛垂面內(nèi)變化，也就是說，只有井斜角的變化，沒有方位角的變化。把常規(guī)設(shè)計(jì)之外的所有設(shè)計(jì)方法都叫做特殊設(shè)計(jì)方法。（一）常用兩維軌道設(shè)計(jì)方法目前常用的兩維定向井軌道設(shè)計(jì)， 采用的是恒定造斜率的設(shè)計(jì)， 設(shè)計(jì)軌道由鉛垂面內(nèi)的圓弧和直線組成。對(duì)于這種恒定造斜率的設(shè)計(jì)，通常有下列三種設(shè)計(jì)方法。1查圖法這是國外以前常用的設(shè)計(jì)方法之一。 使用這種方法設(shè)計(jì)定向井軌道， 需要事先將每種造斜率鉆達(dá)不同最大井斜角的數(shù)據(jù)作在同一張圖上。這樣，各種不同的造斜率下作出的圖形，就可得到一套圖表。在進(jìn)行軌道設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)設(shè)計(jì)造斜率的不同選擇一套適用的圖表。在該圖上，就可查出未知的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。

29、11百度文庫下面就是2 / 30米標(biāo)準(zhǔn)造斜率曲線圖。圖 2-1-2查圖法圖表2幾何作圖法這種設(shè)計(jì)方法是根據(jù)已知的設(shè)計(jì)條件，應(yīng)用平面幾何作圖的原理，用圓規(guī)和直尺，按比例畫出符合設(shè)計(jì)要求的設(shè)計(jì)軌道的圖形。然后用比例尺和量角規(guī)量出需要的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。H0aRHbSC圖 2-1-3幾何作圖法12百度文庫由于計(jì)算機(jī)在石油鉆井領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，查圖法和幾何作圖法已很少在我國采用。目前使用最多的是下面將要介紹的解析計(jì)算法。3解析計(jì)算法解析計(jì)算法是根據(jù)已知設(shè)計(jì)條件，應(yīng)用解析計(jì)算公式求解出設(shè)計(jì)軌道的各個(gè)未知參數(shù)的方法。這種方法由于計(jì)算復(fù)雜、工作量太大，在計(jì)算機(jī)普及之前，未能得到廣泛的應(yīng)用。而在現(xiàn)在，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于定向

30、井的設(shè)計(jì)之中。這種計(jì)算方法的最大特點(diǎn)是計(jì)算準(zhǔn)確、求解對(duì)象可靈活改變。下面以“直 增 穩(wěn)”三段制軌道類型，介紹解析計(jì)算法的設(shè)計(jì)步驟。已知條件： Kop 造斜點(diǎn)Kb-造斜率Tv-設(shè)計(jì)垂深Tb-設(shè)計(jì)位移求： m- 求最大井斜角H-穩(wěn)斜段長度求解步驟：求造斜段的曲率半徑：R=1/Kb求的角度值：S=Tb-RV=Tv-Kop =arctg(S/V)求的角度值:LS2V2 =arccos(R/L)求最大井斜角:am= - 求穩(wěn)斜段段長度:HL2R2KOPRSLV mTVTB圖 2-1-4 解析計(jì)算法圖形以前在采用查圖法和幾何作圖法進(jìn)行軌道設(shè)計(jì)時(shí)，通常都是只能求解某個(gè)固定的未知參數(shù)，由于計(jì)算機(jī)在石油鉆井領(lǐng)域

31、的廣泛應(yīng)用，現(xiàn)在的定向井軌道設(shè)計(jì)已經(jīng)基本上采用了計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)，這就使得軌道設(shè)計(jì)的靈活性得到了充分的體現(xiàn)，配合解析幾何設(shè)計(jì)方法，能13百度文庫夠?qū)θ魏蝺蓚€(gè)未知參數(shù)進(jìn)行求解，這就使得定向井軌道設(shè)計(jì)變得更加靈活，更加多樣化了。（二）特殊定向井軌道設(shè)計(jì)方法對(duì)于特殊定向井的軌道設(shè)計(jì)，則根據(jù)其鉆井目的和設(shè)計(jì)條件的限制，采用了各種不同的方法。如：1多增降軌道設(shè)計(jì)2.緩降軌道設(shè)計(jì)3. 緩降軌道設(shè)計(jì)4.懸鏈軌道設(shè)計(jì)5. 三維軌道設(shè)計(jì)三、特殊要求定向井的軌道設(shè)計(jì)（一）多目標(biāo)井設(shè)計(jì)圖 2-1-5多目標(biāo)井示意圖如圖 2-1-5 所示，在斷塊油田內(nèi)，由于非垂直斷層的封閉，沿?cái)鄬泳奂纬闪艘淮亩嗵缀?、氣層。多目?biāo)井的鉆

32、探目的是為了讓定向井井眼軌跡按規(guī)定的井斜角和方位角鉆穿這一串油、氣藏，以使該井眼軌跡能代替多口直井的作用，發(fā)揮更大的經(jīng)濟(jì)效益，因此，地質(zhì)方面給出了兩個(gè)靶點(diǎn)。分別代表井眼貫穿油層的開始點(diǎn)和終止點(diǎn)。該如何這樣的井設(shè)計(jì)呢？如圖 2-1-6 所示，這種井的設(shè)計(jì)是這樣進(jìn)行的：由兩個(gè)靶點(diǎn)計(jì)算出入靶井斜角和方位角，然后反推井口位置。其中包括了對(duì)造斜率的選擇、穩(wěn)斜段長和造斜點(diǎn)的選擇。14百度文庫KOPR m m HTVTB圖 2-1-6已知條件：m-求最大井斜角Kb-造斜率Tv-設(shè)計(jì)垂深Tb-設(shè)計(jì)位移求：Kop-造斜點(diǎn)H-穩(wěn)斜段長度求解步驟：求造斜段的曲率半徑：R=1 Kb求穩(wěn)斜段段長度：TbR(1cosm

33、)Hsinm求造斜點(diǎn)Kop=Tv-H*cos m-R*sin m多目標(biāo)井的設(shè)計(jì)靶區(qū)仍然是水平面上的圓形區(qū)域，其軌跡控制難度較一般定向井略難。（二）二維水平井軌道設(shè)計(jì)水平井的軌道設(shè)計(jì)在算法上類似于多目標(biāo)井，但其設(shè)計(jì)思想有根本的不同。它的鉆探目的是要在油層內(nèi)水平鉆進(jìn)一段距離，盡量增加油層的暴露面積，以提高單井的產(chǎn)量。水平井的設(shè)計(jì)靶區(qū)是一垂直于設(shè)計(jì)入靶線的平面（稱作法面）上的矩形區(qū)域。也稱作入靶窗口。由于入靶窗口的上下限通常在十米之內(nèi)，因此其控制難度很大，在軌跡控制時(shí)的一點(diǎn)失誤，都有可能導(dǎo)致最后的脫靶。常用的水平井二維軌道設(shè)計(jì)類型有三種：單圓弧型 設(shè)計(jì)軌道從造斜點(diǎn)到入靶點(diǎn)，由一段圓弧組成。適合中曲率

34、半徑和短曲率半徑的水平井。雙增穩(wěn)型 設(shè)計(jì)軌道從造斜點(diǎn)到入靶點(diǎn)，由兩圓弧段和連接這兩圓弧段的穩(wěn)斜段組成，適合中半徑和長半徑水平井。三段增斜型 這種設(shè)計(jì)類型是由雙增穩(wěn)型發(fā)展而來的，設(shè)計(jì)軌道從造斜點(diǎn)到入靶點(diǎn)，由三個(gè)圓弧段組成。適合中半徑和長半徑水平井。15百度文庫將穩(wěn)斜段改為增斜段，是因?yàn)殂@雙增穩(wěn)型水平井時(shí)，在第一增斜段鉆完后，首先要下一趟柔性鉆具組合通井，然后再下剛性穩(wěn)斜鉆具組合鉆進(jìn)。這就帶來了兩個(gè)方面的不利。一方面多下一趟通井鉆具組合卻不能多打進(jìn)尺。另一方面，再下入剛性鉆具組合鉆進(jìn)時(shí)，鉆具組合不容易通過造斜段。改成穩(wěn)斜段后，下同一趟鉆具組合，既可通井，又可打進(jìn)尺，簡化了鉆具組合，節(jié)約了時(shí)間，同時(shí)

35、也減小了事故發(fā)生的可能性。下面，介紹雙增類型水平井軌道設(shè)計(jì)的計(jì)算方法：H0R1S1 1mH3HH1LR2H2 2SSn圖 2-1-7如圖所示，圖2-1-7已知： H-設(shè)計(jì)垂深S-入靶點(diǎn)位移S0-水平段長a1-第一增斜終點(diǎn)井斜角確定： H0-造斜點(diǎn)K1-第一增斜率K2-第二增斜率a2-第二增斜終點(diǎn)井斜角L-穩(wěn)斜段長度則：曲率半徑為：16百度文庫R1=1/ K1R2=1/ K2R0=R1-R 2H=H-H -R sina2302S2=S+ R2 cosa 2- R 1MS22H 32第一段增斜終點(diǎn)井斜角為：S2R01 arctgarcsinH 3M穩(wěn)斜段長度為：L M2 R02第二節(jié)定向井、水平井

36、的三維軌道設(shè)計(jì)三維軌道設(shè)計(jì)主要應(yīng)用于以下幾個(gè)方面：第一，對(duì)于方位漂移嚴(yán)重的地區(qū)，為了有效利用地層的自然造斜規(guī)律，減少井眼軌道控制和造斜的工作量，可將井眼軌道設(shè)計(jì)成考慮方位漂移的三維軌道。這樣的設(shè)計(jì)對(duì)指導(dǎo)現(xiàn)場施工會(huì)更有意義。這種設(shè)計(jì)稱為方位漂移設(shè)計(jì)。第二，若地面井位和目標(biāo)點(diǎn)固定，而在由它們所確定的鉛垂面內(nèi)，存在著不允許通過或難以穿過的障礙物，如已鉆井眼、復(fù)雜的地層（鹽丘、金屬礦床、斷層、氣頂?shù)龋O(shè)計(jì)一口定向井使其繞過障礙物鉆達(dá)目標(biāo)點(diǎn)，這樣的定向井稱之為繞障定向井。繞障定向井在密集叢式井和油田開發(fā)后期，用定向鉆井方法打調(diào)整井時(shí)會(huì)遇到。第三，在鉆井過程中，要使實(shí)鉆軌道與設(shè)計(jì)軌道完全吻合幾乎是不可

37、能的，二者之間總會(huì)有一定的偏差。很小的偏差是允許的，有時(shí)也許對(duì)鉆進(jìn)參數(shù)或鉆具組合稍作調(diào)整，仍可繼續(xù)鉆進(jìn)；如果偏差很大，就需要以原設(shè)計(jì)軌道為依據(jù)，對(duì)下一段未鉆井眼作出新的設(shè)計(jì)。另外，由于地質(zhì)勘探等方面的原因，需要中途改變目標(biāo)點(diǎn)的位置時(shí)，也需要設(shè)計(jì)出一條新的井眼軌道。這種修正設(shè)計(jì)在鉆進(jìn)過程中是隨時(shí)可能發(fā)生的，因此稱之為隨鉆修正設(shè)計(jì)。第四，在老井側(cè)鉆尤其是定向井的側(cè)鉆中，往往是要鉆達(dá)的油層位置不在原來定向井的剖面上，這就需要調(diào)整井斜和方位鉆三維井眼才能到達(dá)目的層。一、空間繞障定向井的設(shè)計(jì)方法1）剖面類型的判別由于三維定向井的設(shè)計(jì)和施工都比二維定向井難度大， 所以，如果條件允許應(yīng)首選二維剖面。17百度

38、文庫在設(shè)計(jì)繞障定向井時(shí)，除需要一般定向井的設(shè)計(jì)條件外，還應(yīng)該有對(duì)障礙物的具體描述。障礙物的形態(tài)描述依賴于它們各自的特點(diǎn)，如已鉆井眼的一般模型為曲圓臺(tái)或直圓臺(tái)；復(fù)雜地層可假設(shè)為斜直圓臺(tái)或球體等。盡管它們的表達(dá)形式可能是多種多樣的，但是其一般模型都可以用如下的通式來表示g(X ，Y ， Z)=0（ 21）過所設(shè)計(jì)井的井口點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)作一個(gè)鉛垂平面，則該平面就是二維繞障定向井的設(shè)計(jì)平面 ,如圖 2-2-1 所示繞礙定向井的剖面類型判別設(shè)計(jì)平面與障礙物邊界的交線是平面曲線。為了描述這條平面曲線，建立一個(gè)二維坐標(biāo)系0-SH。圖 2-2-1 繞障定向井的剖面類型判別因?yàn)閄 = Scos 0Y = Ssin

39、0（ 22）Z = H式中 0井口至目標(biāo)點(diǎn)連線的方位角。所以，將（ 2 2）式代入（ 2 1）式，可以得到障礙物的邊界在設(shè)計(jì)平面內(nèi)的二維表達(dá)形式h（ H， S） =0（2 3）假設(shè)先不考慮障礙物的存在，那么選定一個(gè)剖面類型并且確定出造斜點(diǎn)位置、增斜率等相應(yīng)的參數(shù)之后，應(yīng)用 2.2 給出的方法，就可以得到一種二維剖面的設(shè)計(jì)結(jié)果。此時(shí)，設(shè)計(jì)軌道方程可表示為：f（ H， S） =0（ 24）18百度文庫當(dāng)然，根據(jù)設(shè)計(jì)軌道的特點(diǎn)，（ 2 23）式往往是某種分段函數(shù)。聯(lián)立（ 222）和（ 2 23）式，得：h（H，S） = 0（25）f （H，S） = 0求解（ 224）式時(shí)，只有兩種可能的結(jié)果：無解。

40、表示設(shè)計(jì)軌道不通過障礙物的控制范圍。此時(shí)，井眼軌道設(shè)計(jì)成二維剖面就可實(shí)現(xiàn)繞障。有解。說明設(shè)計(jì)軌道已通過障礙物的控制范圍。此時(shí)，可以調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)或剖面類型。重新設(shè)計(jì)出井眼軌道，然后再對(duì)（2 5）式進(jìn)行求解。如此重復(fù)設(shè)計(jì)、求解和判斷。如果在可供選擇的剖面類型和允許的設(shè)計(jì)參數(shù)范圍內(nèi)，（ 2 5）式均有解，則該井需要設(shè)計(jì)成三維繞障定向井。否則，可以不必進(jìn)行三維繞障設(shè)計(jì)。下面結(jié)合實(shí)例給出 （ 2 5）式的具體表達(dá)形式和求解方法。交點(diǎn)為 P 點(diǎn)，則 P 點(diǎn)的坐標(biāo) （XP，Y ， Z ）以及井斜角 、方位角P等參數(shù)可以通過測斜計(jì)算（若P 點(diǎn)不是測點(diǎn)，可采用插PPP值法）求得。在P 點(diǎn)以已鉆軌道的切線方向?yàn)檩S，以井眼高邊為軸，建立右手坐標(biāo)P-。如圖2-2-2 所示。由于、軸在0-XYZ 坐標(biāo)系下的方向余弦分別為OXYP Z圖 2-2-2障礙物的描述T11= cosT= cosT= -sin PP12PP13 PT= -sinTT= 021P22P23(2 6)T TT31PP32PP33P式中 T ij 表示 i軸（ i=1 ，2，3。分別代表軸）對(duì)于j 軸（ j=1 ，2，3。分別代表 X，Y， Z 軸）的方向余弦。所以， P- 與 0-XYZ 坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系為T11T12T13X-XP