本科畢業(yè)論文水平井井眼軌跡確定方法研究

1、摘 要隨著鉆井技術(shù)的發(fā)展，水平井的應(yīng)用也越來越廣泛，同普通豎井相比，水平井有著諸多優(yōu)點(diǎn)。通過查閱資料以及相關(guān)知識(shí)的學(xué)習(xí)，做出了比較淺顯的水平井井眼軌跡的設(shè)計(jì)。 水平井鉆井施工常受到地下復(fù)雜地質(zhì)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(shí)際施工過程中，往往需要對(duì)原軌道設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，使之能夠更加符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工要求.又好又快的完成施工。優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)在油田實(shí) 際水平井施工中，得到了廣泛的運(yùn)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(shè)計(jì)是成功控制井眼軌道的關(guān)鍵。準(zhǔn)確、快速、合理地設(shè)計(jì)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(biāo)點(diǎn)位

2、置和井眼方向的三維軌道設(shè)計(jì)的一般數(shù)學(xué)模型，利用矢量分析理論得到了約束變量間的解析表達(dá)式和井眼軌道計(jì)算式。這種方法避免了求解多維非線性方程組，設(shè)計(jì)計(jì)算簡(jiǎn)單、精確。應(yīng)用該模型成功地解決了復(fù)雜的多約束條件下的三維井眼軌道設(shè)計(jì)這一難題， 具有普遍適用性，可廣泛用于設(shè)計(jì)各種類型水平井、定向井和多目標(biāo)井，為井眼軌道控制提供了更為準(zhǔn)確的理論依據(jù)。關(guān)鍵詞：水平井；三維井眼軌道；設(shè)計(jì)；數(shù)學(xué)模型；精確解 AbstractThe horizontal well drilling often complicated by the underground geological conditions， mine safe

3、ty requirements for equipment，tools，ability to create the slope，into the target conditions and other factors.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 completio

4、n of construction .Optimal design of horizontal wells in Oil Field actual construction ，has been 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 wel

5、l trajectory.Accurate，fast，rational design of more than about three-dimensional hole under the track is to be expected to solve the problem .The paper established the position of a given target point and the direction three-dimensional borehole general mathematical modal of track design，vector analy

6、sis theory has been constrained variables and the analytical expression of well trajectory formula. This method avoids the solution of multidimensional equations，design solve complex multi-dimensional constraint conditions of the well trajectory design problem has general applicability，can be widely

7、 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.Key words：horizontal wells； three well trajectory；design；mathematical model；exact solution目 錄第1章 概述11.1課題研究的背景、目的及意義11.2 國外水平井井眼軌跡設(shè)計(jì)發(fā)

8、展?fàn)顩r21.3 研究的主要內(nèi)容4第2章 水平井的基本概念及井眼軌跡的基本參數(shù)52.1 水平井的基本概念52.2水平井井眼軌跡的基本參數(shù)5第3章 水平井井眼軌跡設(shè)計(jì)的影響因素及原則93.1水平井井眼軌跡設(shè)計(jì)的影響因素93.2 水平井井眼軌跡設(shè)計(jì)的原則10第4章 井眼延伸方向預(yù)測(cè)及軌跡控制原則124.1井眼軌跡預(yù)測(cè)依據(jù)124.2 井眼軌跡控制原則13第5章 水平井井眼軌跡描述方法165.1井眼軌跡圖示法165.2 井眼軌跡計(jì)算方法185.3 井眼軌跡描述與地層關(guān)系21第6章 二維軌道設(shè)計(jì)模型及其精確解236.1 問題的提出236.2 設(shè)計(jì)模型246.3模型求解256.4 應(yīng)用266.5 關(guān)于二維條

9、件下水平井井眼軌跡設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)27第7章 三維軌道設(shè)計(jì)287.1 問題的提出287.2 數(shù)學(xué)模型建立297.3 井眼軌道計(jì)算317.4 計(jì)算模型的應(yīng)用327.5 關(guān)于三維條件下水平井經(jīng)驗(yàn)軌跡設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)33結(jié) 論34參考文獻(xiàn)35致 謝37第1章 概述1.1課題研究的背景、目的及意義水平井鉆井涉及許多關(guān)鍵技術(shù)，軌道設(shè)計(jì)是其 中之一，它直接影響水平井的經(jīng)濟(jì)效益及成敗。有人認(rèn)為水平井軌道設(shè)計(jì)只是簡(jiǎn)單的幾何問題，這種觀點(diǎn)是完全錯(cuò)誤的。實(shí)際上，水平井軌道的優(yōu)化設(shè)計(jì)必須綜合考慮油藏、鉆井、采油的具體條件，涉及流體力學(xué)、滲流力學(xué)、巖石力學(xué)、管柱力學(xué)等多學(xué)科。水平井軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)就是能夠優(yōu)質(zhì)、快速、低成本地完成鉆井

10、作業(yè)，并且能最大限度地提高水平井產(chǎn)能。常見的兩維水平軌道有單增和雙增軌道兩種。對(duì)于單增水平井來說，需確定的參數(shù)有造斜點(diǎn)井深、造斜率、水平段長(zhǎng)、方位角和目標(biāo)段的穩(wěn)斜角，上述參數(shù)中可根據(jù)地層及造斜工具確定造斜點(diǎn)井深和造斜率第一穩(wěn)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經(jīng)濟(jì)效益關(guān)系到水平井成敗只有三個(gè)參數(shù)：即水平段長(zhǎng)度方位角和目標(biāo)段井斜角，所謂水平井軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)也就是如何確定這三個(gè)參數(shù)。水平井鉆井技術(shù)是在定向井技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一項(xiàng)鉆井新技術(shù)。由于定向井水平井能夠擴(kuò)大油氣層裸露面積，對(duì)于提高油氣井單井產(chǎn)量，油氣采集率效果顯著，特別是對(duì)于薄層油氣藏，高壓低滲油藏以及井間剩余油等特殊油氣

11、藏。應(yīng)用水平井開發(fā)具有明顯的優(yōu)勢(shì)，所以水平井技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)今重要的鉆井技術(shù)。今后也必將作為勘探開發(fā)的重要技術(shù)得到進(jìn)一步發(fā)展。針對(duì)油氣井發(fā)生損壞甚至報(bào)廢不斷增加的情況以及降低鉆井投入的實(shí)際需要，老井的修復(fù)和側(cè)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(cè)鉆井中將會(huì)得到新的發(fā)展。與此同時(shí)，超短半徑水平井，徑向水平井也將會(huì)取得新的進(jìn)展以及形成配套技術(shù)，為老井修復(fù)，死井俘獲提供重要技術(shù)支持。針對(duì)油氣井發(fā)生損壞甚至報(bào)廢不斷增加的情況以及降低鉆井投入的實(shí)際需要老井的修復(fù)和側(cè)鉆將不斷受到重視，水平井作為提高油氣開的的效率的重要手段。在側(cè)鉆井中將會(huì)得到新的發(fā)展與此同時(shí)超短半徑水平井徑向水平井也將會(huì)

12、取得新的進(jìn)展以致形成配套技術(shù)，為老井修復(fù)，死井復(fù)活提供重要技術(shù)支持。1.2 國內(nèi)外水平井井眼軌跡設(shè)計(jì)發(fā)展?fàn)顩r國外水平井鉆井技術(shù)始于20世紀(jì)30年代，發(fā)展于80年代，特別是經(jīng)過近10多年的迅速發(fā)展，使其水平井鉆完井工藝技術(shù)較為完善，專用工具、儀器完善配套。并將水平井技術(shù)作為開發(fā)油藏的常規(guī)技術(shù)廣泛推廣應(yīng)用。水平井完鉆優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)、井眼軌跡控制技術(shù)、下部鉆具組合優(yōu)選、確保施工安全和防止油層污染的鉆井液完井液技術(shù)、組合完井工藝技術(shù)、大扭矩多級(jí)馬達(dá)、可控彎接頭、變經(jīng)穩(wěn)定器、水力加壓器、高效PDC鉆頭、MWD和LWD儀器等一大批先進(jìn)的工藝技術(shù)、工具和儀器在水平井鉆井中廣泛應(yīng)用，創(chuàng)造多項(xiàng)水平井井深、水平位移

13、、水平段長(zhǎng)度和水平井施工周期等世界紀(jì)錄。同時(shí)，由于水平井的普遍應(yīng)用，使原油產(chǎn)量和采收率得意提高，原油成本降低，取得顯著的經(jīng)濟(jì)效益。進(jìn)入20世紀(jì)90年代以來，世界水平井軌道設(shè)計(jì)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年增加了一倍以上。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，中半徑，長(zhǎng)半徑、短半徑水平井各占有88%，9%和3%。在以前的

14、油氣勘探開發(fā)過程中，定向井技術(shù)的運(yùn)用比較廣泛，并發(fā)揮著重要作用，隨著技術(shù)研究的突破，水平井鉆井技術(shù)取得了較快的發(fā)展并逐漸得到了廣泛的應(yīng)用。油田水平井鉆井技術(shù)在油氣勘探開發(fā)中具有顯著的優(yōu)勢(shì)，它能夠擴(kuò)大油氣層裸露面積，不僅能夠提高油氣井的產(chǎn)量，還能夠顯著提高油氣采收率的效果，是現(xiàn)在運(yùn)用得比較廣泛的鉆井技術(shù)，由于其優(yōu)勢(shì)明顯，在將來的油氣勘探開發(fā)中，該技術(shù)會(huì)取得進(jìn)一步發(fā)展，并將得到更為廣泛的運(yùn)用。水平井鉆井技術(shù)是上世紀(jì)80年代國際石油界迅速發(fā)展，并日益完善的一項(xiàng)綜合技術(shù)，它包括水平井油藏工程和優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)、水平井井眼軌道控制技術(shù)、水平井鉆井液與油層保護(hù)技術(shù)、水平井測(cè)井和水平井完井技術(shù)等一系列重要技術(shù)，

15、它綜合了多種學(xué)科的一些先進(jìn)技術(shù)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(chǎn)量或油氣采收率為根本目標(biāo)，所以，已經(jīng)投產(chǎn)的水平井絕大多數(shù)帶來了十分巨大的經(jīng)濟(jì)效益，因此水平井技術(shù)被譽(yù)為石油工業(yè)發(fā)展過程中的一項(xiàng)“重大突破”。近日，由我國第二大油田勝利油田鉆井工程技術(shù)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(biāo)志著我國分鉆井技術(shù)跨人世界先進(jìn)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(zhì)儲(chǔ)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(jīng)濟(jì);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(yán)重

16、影響油氣產(chǎn)量。開發(fā)剩余可開采儲(chǔ)量己成為當(dāng)務(wù)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(chǎn)出已成為不可忽視的問題。國外的實(shí)踐證明，水平井技術(shù)正是解決這些問題的重要涂徑。油田水平井鉆井技術(shù)現(xiàn)狀分析經(jīng)過多年的技術(shù)攻關(guān)與推廣運(yùn)用，油田水平井鉆井技術(shù)取得了發(fā)展和進(jìn)步，具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面1：（1）超薄油層水平井鉆井技術(shù)。該技術(shù)改變了運(yùn)用常規(guī)的水平井技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)對(duì)超薄油層有效開發(fā)難情況，它的運(yùn)用，大大推動(dòng)了超薄油層的有效開發(fā)，目前該技術(shù)已經(jīng)較為成熟；（2）大位移井鉆井技術(shù)。該技術(shù)主要運(yùn)用于“海油陸采”鉆井，在井身軌道設(shè)計(jì)和軌跡控制上采用了懸鏈線剖面，保證了施工的順利進(jìn)行，取得了良好的效

17、果；（3）欠平衡水平井鉆井技術(shù)。在欠平衡井中運(yùn)用水平井鉆井技術(shù)能夠達(dá)到更好的開發(fā)效果，但是增加了鉆井難度。經(jīng)過對(duì)相關(guān)技術(shù)改造之后，形成了配套鉆井技術(shù)，取得了良好的開發(fā)效果；（4）分支井鉆井技術(shù)。該技術(shù)起步較早，經(jīng)過技術(shù)攻關(guān)和研究，該技術(shù)越來越成熟，并取得良好的開采效果；（5）叢式水平井鉆井技術(shù)。該技術(shù)能夠大幅度提高鉆井效益和勘探開發(fā)效益。一些油田運(yùn)用該技術(shù)也取得了良好的效益，顯著的提高了鉆井的綜合效益；（6）其它技術(shù)。除了上述技術(shù)之外，油田水平井鉆井技術(shù)還包括：“小井眼水平井鉆井技術(shù)：復(fù)合大井眼水平井井鉆井技術(shù)、階梯式水平井鉆井技術(shù)、井間剩余油開發(fā)技術(shù)、雙井連通水平井鉆井技術(shù)、短半徑、超短半徑

18、水平井技術(shù)。這些技術(shù)在實(shí)際運(yùn)用中發(fā)揮各自的作用，并且隨著技術(shù)的攻關(guān)和研究運(yùn)用，這些技術(shù)取得在實(shí)際運(yùn)用中發(fā)揮各自的作用，并且隨著技術(shù)的攻關(guān)和研究運(yùn)用，這些技術(shù)取得了不斷的進(jìn)步，在油氣勘探開發(fā)中發(fā)揮越來越重要的作用，收到的效果也更加顯著。油田水平井鉆井技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)通過分析油山泉平井鉆井技術(shù)的現(xiàn)狀，并結(jié)合當(dāng)前水平井技術(shù)研究的實(shí)際情況，可以預(yù)知該技術(shù)將來的發(fā)展趨勢(shì)2：（1）FEWD、LWD的應(yīng)用將更廣泛。經(jīng)過多年的勘探開發(fā)，大型整裝油田已經(jīng)投 入了開發(fā)，在開發(fā)中，如果使用直井技術(shù)或者常規(guī)定向井技術(shù)，開發(fā)所收到的效果往往不佳，一些地區(qū)存在著大量薄油層儲(chǔ)量，在開發(fā)這些薄油層的工作中，為了找到油層，保證油層

19、的鉆穿率，必須采用隨鉆地層儲(chǔ)量評(píng)價(jià)技術(shù)，而FEWD、LWD是實(shí)現(xiàn)油田精細(xì)開發(fā)的重要保證，在將來油氣勘探中必將有著更為廣泛的運(yùn)用；（2）大位移水平井鉆井技術(shù)將得到發(fā)展。該技術(shù)主要適用于海岸油田的開發(fā)，在這些地區(qū)進(jìn)行油氣資源開發(fā)，由于水深比較淺，海上鉆井平臺(tái)不能適用，運(yùn)用灘涂人工島的投資太大，并且存在著巨大的風(fēng)險(xiǎn)。而大位移水平井鉆井技術(shù)正好適應(yīng)了這些地區(qū)油氣資源的開發(fā)，必將得到更為廣泛的運(yùn)用；（3）旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)會(huì)取得突破。該技術(shù)是位移井的核心技術(shù)，也是當(dāng)今世界先進(jìn)的鉆井技術(shù)，隨著技術(shù)的公關(guān)和突破，該技術(shù)將逐漸被運(yùn)用到勘探開采實(shí)際工作中，并將形成配套技術(shù)，海油陸采、海上平臺(tái)鉆井是該技術(shù)的主要運(yùn)用

20、領(lǐng)域；（4）深層水平井鉆井技術(shù)將得到新的發(fā)展。油田的勘探開發(fā)將從淺、中深井向深 井、超深井方向發(fā)展，尤其是對(duì)于采用直井開發(fā)效果比較差的儒，水平井技術(shù)會(huì)得到 更加廣泛的運(yùn)用。要想推廣水平井技術(shù)，必須在耐高溫、耐高壓、測(cè)量處理技術(shù)等方面取得重要進(jìn)展，并且形成配套技術(shù)的情況下才能推廣和運(yùn)用，并且測(cè)量控制技術(shù)是將來發(fā)展的重點(diǎn)方向；（5）分支水平井技術(shù)將有的新的進(jìn)展，該技術(shù)既能夠提高單井產(chǎn)量，又能夠提高鉆井的綜合效益，它在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和運(yùn)用的基礎(chǔ)上，必將取得新的發(fā)展，并形成配套技術(shù)，該技術(shù)未來重點(diǎn)的攻關(guān)方向是進(jìn)一步提高完井級(jí)別；（6）開窗水平井將得到更普遍應(yīng)用。由于油氣井會(huì)發(fā)生損壞甚至出現(xiàn)報(bào)廢現(xiàn)象，為了保證

21、勘探開發(fā)工作的順利進(jìn)行，對(duì)老井進(jìn)行修復(fù)和側(cè)鉆將會(huì)受到不斷的重視，水平井在側(cè)鉆井中將會(huì)有新的發(fā)展，并為老井修復(fù)、死井復(fù)活提供技術(shù)支持； （7）多井聯(lián)合SAGD開發(fā)將會(huì)普遍應(yīng)用。實(shí)際運(yùn)用表明，該技術(shù)能夠使產(chǎn)液量明顯增多，將單井蒸汽吞吐變成了連續(xù)開發(fā)生產(chǎn)，不僅提高了油氣的生產(chǎn)能力，還使得油氣采收率大大得到了提高，因此，該技術(shù)必將得到廣泛的運(yùn)用：重點(diǎn)發(fā)展水平井鉆井技術(shù)。在將來的油氣資源勘探和開發(fā)中，要想有所突破并 實(shí)現(xiàn)有效開發(fā)，必須以先進(jìn)的工程技術(shù)作為保障，而水平井鉆井技術(shù)正好滿足這方面的 需求，是將來應(yīng)該重點(diǎn)發(fā)展的技術(shù)；鉆井技術(shù)需要突破和創(chuàng)新。在油氣資源勘探開發(fā)的過程中，往往會(huì)出現(xiàn)勘探區(qū) 域不斷擴(kuò)大

22、，開發(fā)難度不斷增加的情況，這無疑對(duì)鉆井技術(shù)提出了更高的要求。為了更好的適應(yīng)這種情況，需要對(duì)鉆井技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新和突破，其中，水平井鉆井技術(shù)是重展的方向；水平井為鉆井技術(shù)發(fā)展打下良好的基礎(chǔ)。通過多年的技術(shù)攻關(guān)和實(shí)際推廣運(yùn)用，一些油田擁有了多項(xiàng)鉆井配套新技術(shù)，并且以水平井為代表，這為鉆井技術(shù)的近一步發(fā)展創(chuàng)造了良好的條件，奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)；將來必須進(jìn)一步加大創(chuàng)新力度。油田水平井鉆井技術(shù)要想取得進(jìn)一步發(fā)辰 國內(nèi)產(chǎn)生重要的影響，并與國際先進(jìn)的技術(shù)接軌，就必須加大創(chuàng)新的力度，以不斷耳 新的突破和進(jìn)展，滿足自身發(fā)展的需求，提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。 1.3 研究的主要內(nèi)容通過本文的研究，了解水平井井眼軌跡確定的基本知識(shí)，包

23、括描述井眼軌跡的基本參數(shù)，隨后從介紹水平井的基本知識(shí)入手，介紹了水平井的基本概念以及確定描述井眼軌跡的基本參數(shù)，有了理論基礎(chǔ)后，研究了井眼軌跡設(shè)計(jì)的影響因素及原則、以及井眼軌跡的描述方法。最后中建立了給定目標(biāo)點(diǎn)位置和井眼方向的二維、三維軌道設(shè)計(jì)的一般數(shù)學(xué)模型，利用矢量分析理論得到了約束變量間的解析表達(dá)式和井眼軌道計(jì)算式。這種方法避免了求解多維非線性方程組，設(shè)計(jì)計(jì)算簡(jiǎn)單、精確。應(yīng)用該模型成功地解決了復(fù)雜的多約束條件下的三維井眼軌道設(shè)計(jì)這一難題， 具有普遍適用性，可廣泛用于設(shè)計(jì)各種類型水平井、定向井和多目標(biāo)井，為井眼軌道控制提供了更為準(zhǔn)確的理論依據(jù)。第2章 水平井的基本概念及井眼軌跡的基本參數(shù)2.

24、1 水平井的基本概念水平井就是井斜角達(dá)到或接近90°，井身沿著水平方向鉆進(jìn)一定長(zhǎng)度的井。井眼在油層中水平延伸相當(dāng)長(zhǎng)一段長(zhǎng)度。有時(shí)為了某種特殊的需要，井斜角可以超過90°，“向上翹”。一般來說，水平井適用于薄的油氣層或裂縫性油氣藏，目的在于增大油氣層的裸露面積3。水平井按照井眼曲率大小可分為以下幾類。表2-1水平井分類類別造斜率/（°/30m）井眼曲率半徑/(m)水平井長(zhǎng)度/(m)長(zhǎng)半徑水平井2-6860-280300-1700中半徑水平井6-20280-85200-1000中短半徑水平井20-8085-20200-500短半徑水平井30-15060-10100-3

25、00超短半徑水平井需特殊轉(zhuǎn)向器0.330-60按水平段特性和功能可分為：階梯水平井、分支水平井、魚骨狀水平井、多底水平井、雙水平井、長(zhǎng)水平段水平井等。2.2水平井井眼軌跡的基本參數(shù)測(cè)斜：一口實(shí)鉆井的井眼軸線乃是一條空間曲線。為了進(jìn)行軌跡控制，要了解這條空間曲線的形狀進(jìn)行的軌跡測(cè)量。目前常用的測(cè)斜方法并不是連續(xù)測(cè)斜，而是每隔一定長(zhǎng)度的井段測(cè)一個(gè)點(diǎn)。這些井段被稱為“測(cè)段”，這些點(diǎn)被稱為“測(cè)點(diǎn)”。測(cè)深(MD)：指井口(通常以轉(zhuǎn)盤面為基準(zhǔn))至測(cè)點(diǎn)的井眼長(zhǎng)度。國外稱為測(cè)量井深。井深是以鉆柱或電纜的長(zhǎng)度來量測(cè)。測(cè)深既是測(cè)點(diǎn)的基本參數(shù)之一，又是表明測(cè)點(diǎn)位置的標(biāo)志。井深：指井口(通常以轉(zhuǎn)盤面為基準(zhǔn))至鉆頭的井

26、眼長(zhǎng)度，也有人稱之為斜深。滯后距：指測(cè)點(diǎn)至鉆頭的距離。井底水平位移：它是指井口與井底兩點(diǎn)在水平面上投影的連線長(zhǎng)度，又稱閉合距，單位為m。 視平移：水平位移在設(shè)計(jì)方位線上的投影長(zhǎng)度。 造斜點(diǎn)：開始定向造斜的位置。以該點(diǎn)井深表示。 造斜率：表示造斜工具的造斜能力。其值等于該造斜工具所鉆出的井段的井眼曲率。 增斜（降）率：是指增（降）斜井段的井斜變化率。正為增，負(fù)為降。 工具面：在造斜鉆具組合中，有彎曲工具的兩個(gè)軸線所確定的那個(gè)面，與磁北方向的夾角為工具面角。反扭角：定向或扭方位時(shí)，井下動(dòng)力鉆具啟動(dòng)前的工具面與啟動(dòng)后加壓鉆進(jìn)時(shí)的工具面之間的夾角。定向角（裝置角）：井下動(dòng)力鉆具啟動(dòng)后，工具面所處的位置

27、（方位）。磁偏角：在某一地區(qū)，磁北極方向線與地理北極方向線之間的夾角，稱該地區(qū)的磁偏角。正為東磁偏角，負(fù)為西磁偏角。井斜角（Inc）：過井眼軸線上某測(cè)點(diǎn)作井眼軸線的切線，該切線向井眼前進(jìn)方向延伸的部分稱為井眼方向線。井眼方向線與重力線之間的夾角就是井斜角。顯然，井眼方向線與重力線都是有向線段。井斜角表示了井眼軌跡在該測(cè)點(diǎn)處傾斜的大小。井斜角常以希臘字母表示，單位為度(°)。一個(gè)測(cè)段內(nèi)井斜角的增量總是下測(cè)點(diǎn)井斜角減去上測(cè)點(diǎn)井斜角，以表示。圖2-1井斜角示意圖井斜方位角：某測(cè)點(diǎn)處的井眼方向線投影到水平面上，稱為井眼方位線，或井斜方位線。以正北方位線為始邊，順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)到井眼方位線上所轉(zhuǎn)

28、過的角度，即井眼方位角。注意，正北方位線是指地理子午線沿正北方向延伸的線段。所以正北方位線和井眼方位線也都是有向線段，都可以用矢量表示。圖2-2 井斜方位角示意圖井斜方位角常以字母表示，單位為度(°)。井斜方位角的增量是下測(cè)點(diǎn)的井斜方位角減去上測(cè)點(diǎn)的井斜方位角，以表示。井斜方位角的值可以在0360° 范圍內(nèi)變化。全角變化量：過井眼軸線相鄰兩測(cè)點(diǎn)所作的向井眼前進(jìn)方向延伸的切線之間的夾角稱為全角變化量。它反映了相鄰兩測(cè)點(diǎn)間井斜與方位的空間角度的變化量。又稱狗腿角或全變化角。單位為（°）。 井斜變化率：?jiǎn)挝痪蝺?nèi)井斜角的變化值稱為井斜變化率。通常以兩測(cè)點(diǎn)間井斜角的變化量

29、與兩測(cè)點(diǎn)間井段長(zhǎng)度的比值表示。常用單位為（°）/25m、（°）/30m。方位變化率：?jiǎn)挝痪蝺?nèi)方位角的變化值稱為方位變化率。通常以兩測(cè)點(diǎn)間方位角的變化量與兩測(cè)點(diǎn)間井段長(zhǎng)度的比值表示。常用單位為（°）/25m、（°）/30m。 全角變化率：它是指單位長(zhǎng)度井段內(nèi)全角的變化值?；蛟趩挝痪蝺?nèi)井眼前進(jìn)的方向在三維空間內(nèi)的角度變化。它既包含了井斜角的變化又包含著方位角的變化。又稱狗腿嚴(yán)重度或井眼曲率。單位為（°）/25m、（°）/30m。K= /L +(/L)2sin2 (1+ 2)/2。垂直深度：簡(jiǎn)稱垂深，是指軌跡上某點(diǎn)至井口所在水平面的距離

30、。垂深的增量稱為垂增。垂深常以字母表示，垂增以表示。圖2-3 垂直深度示意圖水平投影長(zhǎng)度：簡(jiǎn)稱水平長(zhǎng)度或平長(zhǎng)，是指井眼軌跡上某點(diǎn)至井口的長(zhǎng)度在水平面上的投影，即井深在水平面上的投影長(zhǎng)度。水平長(zhǎng)度的增量稱為平增。平長(zhǎng)以字母P表示，平增以P表示。N坐標(biāo)和E坐標(biāo)：是指軌跡上某點(diǎn)在以井口為原點(diǎn)的水平面坐標(biāo)系里的坐標(biāo)值。 圖2-4 水平投影長(zhǎng)度示意圖水平位移：簡(jiǎn)稱平移，指軌跡上某點(diǎn)至井口所在鉛垂線的距離，或指軌跡上某點(diǎn)至井口的距離在水平面上的投影。此投影線稱為平移方位線。水平位移常以字母S表示。平移方位角：指平移方位線所在的方位角，即以正北方位為始邊順時(shí)針轉(zhuǎn)至平移線上所轉(zhuǎn)過的角度，常以字母表示。閉合距與

31、閉合方位：國外將水平位移稱作 閉合距(Closure Distance)，將平移方位角稱作閉合方位角(Closure Azimuth)。我國現(xiàn)場(chǎng)常特指完鉆時(shí)的水平位移為閉合距，平移方位角為閉合方位角。 視平移：有人稱為投影位移，英文稱Vertical Section，是水平位移在設(shè)計(jì)方位線上的投影長(zhǎng)度。視平移以字母表示。視平移也可以定義為水平位移在設(shè)計(jì)方位線上的投影。圖2-5 平移與視平移示意圖第3章 水平井井眼軌跡設(shè)計(jì)的影響因素及原則3.1水平井井眼軌跡設(shè)計(jì)的影響因素3.1.1 地質(zhì)條件從造斜點(diǎn)到入靶，實(shí)控井眼軌跡穿越多種地層。不同的地層造斜率也不盡相同。一般來講，造斜點(diǎn)處地層相對(duì)松軟，不易

32、起井斜，造斜中往往達(dá)不到設(shè)計(jì)造斜率要求；入靶前要穿越油蓋層，油蓋層的特點(diǎn)是堅(jiān)硬，定向時(shí)易大幅度的增斜。很難控制井斜和方位變化率，施工時(shí)盡量采取復(fù)合鉆進(jìn)方式。3.1.2 井下儀器安全要求水平井井眼曲率比較大，為確保隨鉆測(cè)斜儀器以及井下安全，必須考慮MWD儀器的彎曲能力和地質(zhì)導(dǎo)向承受能力。一般來說，現(xiàn)有的MWD測(cè)量?jī)x器能滿足中曲率半徑水平井的測(cè)量要求：FEWD儀器要求最大造斜率小于等于25°/100m。3.1.3 工具造斜能力及入靶條件原軌道設(shè)計(jì)造斜率基本是上下穩(wěn)定的數(shù)值。特別是入靶時(shí)設(shè)計(jì)的造斜率很高。但是在實(shí)際施工過程中一旦進(jìn)入油層，這個(gè)造斜率往往無法實(shí)現(xiàn)，很容易打沉。現(xiàn)在大部分老油區(qū)

33、的水平井施工并不是通過打?qū)а鄣姆椒▉泶_定油層深度，而是通過鄰井資料對(duì)比和該區(qū)塊的地震剖面圖來確定油層深度，往往實(shí)際油頂垂深和設(shè)計(jì)垂深有差別，實(shí)鉆過程中必須留出下探或上調(diào)的余量。3.1.4 水平井測(cè)井解釋的常見問題通過水平井測(cè)井解釋能夠更好的進(jìn)行水平井井眼軌跡的設(shè)計(jì)，水平井測(cè)井解釋與垂直井測(cè)井解釋大致相同，但測(cè)井條件和地層環(huán)境的特殊性導(dǎo)致在曲線顯示、數(shù)據(jù)處理以及綜合解釋等方面又有所不同，靈活運(yùn)用垂直井的測(cè)井解釋經(jīng)驗(yàn)對(duì)大斜度和水平井的綜合解釋很重要。在大斜度和水平井的綜合解釋中，首先要注意的是測(cè)井儀器、大斜度或水平井眼與地層的空間相對(duì)位置關(guān)系，井眼軌跡和地層剖面的二維或三維顯示對(duì)綜合解釋有很大幫助

34、。大斜度和水平井主要針對(duì)的是儲(chǔ)層，但在鉆井過程中，由于技術(shù)因素鉆頭因素對(duì)鉆頭經(jīng)常是進(jìn)入儲(chǔ)層但不久又鉆入非目的層。其次是在解釋中要綜合考慮各種影響因素，如儀器的測(cè)量位置、井眼、侵入、地層的各向異性以及非均質(zhì)性等。這些影響因素有些可借助實(shí)驗(yàn)或數(shù)值模擬方法進(jìn)行校正，有些則是需要通過所積累的解釋經(jīng)驗(yàn)來加以排除。然后是注意進(jìn)行抽象思維和逆向思維，比較水平井測(cè)井與垂直井測(cè)井間的響應(yīng)異同，這種異同不只是定性的，更多的應(yīng)該是定量化的。垂直井的測(cè)井解釋經(jīng)驗(yàn)會(huì)產(chǎn)生慣性，但現(xiàn)實(shí)是往往二者間表象相同但產(chǎn)生的機(jī)理不同，方法在水平面會(huì)產(chǎn)生什么樣的結(jié)果，而在垂直方向又會(huì)產(chǎn)生哪些差異，這些需要經(jīng)常進(jìn)行分析和比較。最后是要善于

35、利用各種資料和工具。定位井或鄰井測(cè)井信息、錄井取心測(cè)試結(jié)果、區(qū)域地質(zhì)地震資料、實(shí)驗(yàn)或數(shù)值模擬方法等等有助于綜合解釋5。3.2 水平井井眼軌跡設(shè)計(jì)的原則3.2.1 靶區(qū)設(shè)計(jì)原則（1）對(duì)裂縫性油藏面設(shè)計(jì)側(cè)鉆方位應(yīng)與裂縫垂直相交，以便盡可能地鉆遇裂縫；對(duì)礫巖油藏，側(cè)鉆方位應(yīng)與高滲方向垂直相交，以擴(kuò)大泄油面積；（2）由于儲(chǔ)層內(nèi)泥巖夾層嚴(yán)重影響儲(chǔ)層的垂直滲透率，如果水平段平行于地層層面，泄油田面積僅限制在水平段所在的油層內(nèi)，靶區(qū)傾角設(shè)計(jì)應(yīng)該使井眼與地層層面成一定角度，以便盡可能地鉆遇油層；（3）側(cè)鉆方位，靶前位移設(shè)計(jì)應(yīng)該使靶區(qū)避開原井水淹區(qū)域，以免新老井眼竄通影響正常生產(chǎn)，一般要求目標(biāo)靶區(qū)距離原井120

36、-150m6。3.2.2 井身剖面類型側(cè)鉆水平井由于完成井身剖面的進(jìn)尺有限及要求在盡可能小的垂增內(nèi)達(dá)到水平，所選擇的剖面類型一般都比較簡(jiǎn)單。側(cè)鉆水平井項(xiàng)目實(shí)施初期增采用單增型剖面，后根據(jù)原井井況及井眼軌跡控制難易程度，改用雙增型剖面。單增剖面要求對(duì)儲(chǔ)層位置與工具造斜率掌握較難，側(cè)鉆點(diǎn)也比較固定，但側(cè)鉆井尺較短，有利于減少鉆井工作量，縮短施工周期；而雙增型剖面對(duì)工具造斜能力、開窗位置和地層自然造斜規(guī)律適應(yīng)性好，有調(diào)節(jié)余地，施工風(fēng)險(xiǎn)較小7。3.2.3 井眼軌跡控制范圍井眼軌跡控制范圍包括垂向允許偏差、橫向允許偏差哈與水平段長(zhǎng)度。允許偏差主要受兩方面因素的影響：一方面為了將水平段有效地控制在剩余油富

37、集區(qū)內(nèi)，應(yīng)嚴(yán)格控制允許偏差；另一方面出于技術(shù)經(jīng)濟(jì)方面的考慮，又要適當(dāng)放寬允許偏差。而水平段長(zhǎng)度除應(yīng)該滿足增產(chǎn)要求外，還應(yīng)考慮目前工藝技術(shù)水平。因此，側(cè)鉆水平井靶區(qū)設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮儲(chǔ)層地質(zhì)條件、技術(shù)水平與經(jīng)濟(jì)成本等因素，在滿足地質(zhì)要求的前提下，盡量加大允許偏差，以便于井眼軌跡控制，降低鉆井成本。3.2.4 井眼曲率的確定在側(cè)鉆水平井井眼軌跡設(shè)計(jì)中，井眼曲率是一個(gè)很重要的參數(shù)。井眼曲率過大，轉(zhuǎn)盤鉆進(jìn)困難，井下復(fù)雜情況較多；而井眼曲率過小則會(huì)增加螺桿鉆具造斜進(jìn)尺，從而增加了井眼軌跡控制工作量，影響鉆井進(jìn)度。根據(jù)國產(chǎn)單彎外殼螺桿鉆具造斜特性，有線隨鉆測(cè)斜儀使用條件及中半徑水平井井眼曲率要求，側(cè)鉆水平井井

38、眼軌跡設(shè)計(jì)曲率一般控制在（12-15°）/30m之間。第4章 井眼延伸方向預(yù)測(cè)及軌跡控制原則4.1井眼軌跡預(yù)測(cè)依據(jù)由力學(xué)可知，力是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因。物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)包括速度（就鉆井而言主要指機(jī)械鉆速的大?。?、方向，鉆井上主要是指井斜角和井斜方位角（或者井斜變化率和井斜方位變化率）。通過研究表明，鉆頭前進(jìn)方向是由鉆頭受力狀態(tài)所決定。鉆頭受力狀態(tài)又是由近鉆頭鉆具組合結(jié)構(gòu)受力變形、鉆井工藝參數(shù)、井眼軌跡的幾何形狀和地層決定的8。就目前，因尚無準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，計(jì)算井眼延伸方向的力學(xué)一數(shù)學(xué)模型。井眼軌跡延伸方向的實(shí)用程序：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)單項(xiàng)預(yù)測(cè)分析：1. 測(cè)斜結(jié)果計(jì)算對(duì)比分析2. 待鉆地層因素分析3.

39、近鉆頭鉆具組合受力分析4. 實(shí)鉆外推預(yù)測(cè)綜合評(píng)價(jià)井眼延伸方向決策1. 施工工藝措施2. 施工工藝參數(shù)圖4-1 井眼延伸方向?qū)嵱贸绦驁D（1）測(cè)斜結(jié)果計(jì)算對(duì)比分析。實(shí)現(xiàn)時(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并通過測(cè)斜結(jié)果進(jìn)行計(jì)算，采用測(cè)斜結(jié)果繪圖的方法，預(yù)測(cè)井眼延伸方向的趨勢(shì)；（2）待鉆地層因素分析?？紤]地質(zhì)特性引起的井眼軌跡的自然飄逸作用，充分結(jié)合鄰井資料和經(jīng)驗(yàn)分析預(yù)測(cè)井眼延伸方向的趨勢(shì)；（3）近鉆頭鉆具組合受力分析（軟件預(yù)測(cè)）。對(duì)近鉆頭鉆具組合結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力變形分析。考慮其鉆具組合結(jié)構(gòu)類型（造斜、增斜、降斜、穩(wěn)斜鉆具組合）、地層特性、井眼軌跡幾何形狀、工藝參數(shù)的相互影響。通過構(gòu)建力學(xué)一教學(xué)數(shù)學(xué)模型軟件預(yù)測(cè)的延伸方向趨勢(shì)；（

40、4）實(shí)鉆外推預(yù)測(cè)。實(shí)鉆外推預(yù)測(cè)是更換新鉆具組合下至井底后用規(guī)定的鉆井工藝參數(shù)鉆進(jìn)10-30m，通過測(cè)斜計(jì)算出該段的實(shí)際造斜率，在依據(jù)MWD的方向傳感器（i+1）點(diǎn)距鉆頭距離，用外推法預(yù)測(cè)出鉆頭處（i+2）點(diǎn)的方向參數(shù)。方向參數(shù)有：井斜角：方位角：再依據(jù)該點(diǎn)（i+2）及待鉆井段長(zhǎng)度L，K繼續(xù)用外推法預(yù)測(cè)待鉆井段終點(diǎn)（i+3）處的方向參數(shù)（，）?，F(xiàn)場(chǎng)通過鉆井工程技術(shù)人員對(duì)以上各項(xiàng)預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析綜合評(píng)價(jià)，最終預(yù)測(cè)出井眼延伸的方向9。4.2 井眼軌跡控制原則控制理論中控制的定義，是指被控制對(duì)象中某一(某些)被控制量，克服干擾影響達(dá)到預(yù)先要求狀態(tài)的手段(或操作)。井眼軌跡控制就是在鉆井施工過程中通

41、過一定的手段使實(shí)鉆井眼軌跡盡量能符合設(shè)計(jì)的井眼軌道最終保證中靶的過程。通過運(yùn)用控制理論對(duì)井眼軌跡控制分析可知，目前的井眼軌跡控制系統(tǒng)是一個(gè)開環(huán)的人工控制系統(tǒng)(圖4-2)，其具體內(nèi)容為：控制對(duì)象一鉆頭；被控制量一井斜角和井斜方位角(或井斜變化率和井斜方位變化率)；給定量一井眼軌道參數(shù)(最大井斜角、閉合方位角、規(guī)定靶區(qū))和給定的地層特性；給定量一井眼軌道參數(shù)（最大井斜角、閉合方位角、規(guī)定靶區(qū)）和給定的地層特性；操作量（控制量）一BHA結(jié)構(gòu)、鉆壓、轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速、排量和工具面角等；擾動(dòng)量一地層產(chǎn)狀誤差、井壁不規(guī)則性、巖石不均勻性、巖性分布變化、井底共況及其他隨機(jī)因素（如井塌、斷層等）。由此可以看出，井眼軌

42、跡控制是一項(xiàng)多目標(biāo)，多擾動(dòng)的復(fù)雜動(dòng)態(tài)控制過程。因目前尚不能通過數(shù)學(xué)模型計(jì)算做出準(zhǔn)確的判斷、現(xiàn)場(chǎng)工程技術(shù)人員只能通過預(yù)測(cè)做出決策。隨著鉆井工藝及檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，通過研究控制理論及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)歸納總結(jié)出一套井眼軌跡控制系統(tǒng)的控制原則。設(shè)計(jì)參數(shù)BHA檢測(cè)儀器鉆頭（狀態(tài)）地層因素干擾決策（變更）預(yù) 測(cè)圖4-2 井眼軌跡控制系統(tǒng)示意框圖4.2.1 既要保證中靶，又要提高鉆速度在實(shí)鉆過程中，要隨時(shí)準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)井眼軌跡的延伸方向，選擇合適的造斜工具或鉆具組合，使實(shí)鉆軌跡偏離設(shè)計(jì)軌道不要太遠(yuǎn)。不要太遠(yuǎn)的意義在于，一方面如果太遠(yuǎn)就可能造成脫靶，成為不合格井；另一方面如果始終要求實(shí)鉆軌跡與設(shè)計(jì)軌道誤差很小，勢(shì)必要求非常

43、頻繁地測(cè)斜、更換造斜工具，造成多次鉆進(jìn)間斷，增加成本，還有可能造成井下復(fù)雜情況，得不償失。所以，何時(shí)用更換鉆具的方法來控制井眼軌跡，就成了井眼軌跡的關(guān)鍵?？刂埔c(diǎn)：在待鉆井段內(nèi)，如果因地層因素產(chǎn)生的自然漂移或通過調(diào)整工藝參數(shù)可使井眼軌跡恢復(fù)到設(shè)計(jì)軌道上，則可通過調(diào)整鉆井工藝參數(shù)繼續(xù)鉆進(jìn)，否則更換其他鉆具組合進(jìn)行控制。推薦預(yù)測(cè)判據(jù)1：當(dāng)前工具的造斜率：K=（°/30m）預(yù)測(cè)繼續(xù)待鉆井眼所需的造斜率：K=（°/30m）當(dāng)KK時(shí)，可繼續(xù)鉆進(jìn)，否則應(yīng)起鉆更換鉆具采用其它控制方式。推薦預(yù)測(cè)判據(jù)2：現(xiàn)用鉆具組合鉆達(dá)目標(biāo)點(diǎn)的總漂移量：方位偏差：當(dāng)時(shí)，可繼續(xù)鉆進(jìn)，否則需扭方位。兩種判據(jù)的適

44、用條件：待鉆井眼地層特性與已鉆井眼地層特性接近，近鉆頭鉆具組合不變。4.2.2 盡可能多的使用轉(zhuǎn)盤鉆+近鉆頭鉆具組合來進(jìn)行軌跡控制由于轉(zhuǎn)盤鉆的機(jī)械鉆速比動(dòng)力鉆具鉆要高，所以在造斜段結(jié)束之后，一般都要換用轉(zhuǎn)盤鉆繼續(xù)增斜、穩(wěn)斜或降斜。根據(jù)預(yù)測(cè)只有在出現(xiàn)下列情況之一時(shí)，才使用動(dòng)力鉆具進(jìn)行控制10： （1）使用轉(zhuǎn)盤鉆扶正器組合已難以完成增斜或降斜要求時(shí)；（2）轉(zhuǎn)盤鉆扶正器組合不能控制方位，當(dāng)井眼方位有較大偏差，有可能造成脫靶時(shí)。4.2.3 盡可能利用地層的自然造斜規(guī)律鉆井工程技術(shù)人員應(yīng)熟知：地層特性導(dǎo)致鉆頭的不對(duì)稱切削、側(cè)向切削，或引起井斜變化，或引起方位漂移的規(guī)律，并根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果盡可能的利用其特性，

45、以減少更換工具進(jìn)行控制的次數(shù)。4.2.4 在條件允許的情況下盡可能使用導(dǎo)向鉆具+MWD使用導(dǎo)向鉆具+MWD+準(zhǔn)確的井眼方向預(yù)測(cè)，在完成一口井的施工時(shí)無需因井眼軌跡控制問題而更換鉆具組合。即造斜、增斜、降斜、扭方位施工時(shí)滑動(dòng)鉆進(jìn)，穩(wěn)斜施工時(shí)復(fù)合鉆進(jìn)。它不但減少了鉆進(jìn)工作間斷次數(shù)，還避免了因起下鉆而引起的井下復(fù)雜情況，從而大大降低鉆井成本。以上式中：井斜角；井斜角方位角；D垂深；L井眼長(zhǎng)度；i測(cè)點(diǎn)；目前井底的井斜方位角；目標(biāo)方位角；K在用鉆具組合的方位漂移率。第5章 水平井井眼軌跡描述方法隨著油氣田的勘探開發(fā)程度不斷提高，大斜度井、水平井越來越多。井眼軌跡的分析日趨重要。如果鉆井前的準(zhǔn)備分析工作不

46、夠，導(dǎo)致設(shè)計(jì)的井眼軌跡不能準(zhǔn)確鉆遇目的層，或者即使設(shè)計(jì)合理，但實(shí)際鉆井施工時(shí)，未能控制井眼軌跡完全按照設(shè)計(jì)的要求而存在偏差，都會(huì)導(dǎo)致水平井的開發(fā)效果不佳，不能達(dá)到預(yù)期的地質(zhì)目的和生產(chǎn)效果。在對(duì)水平井井眼軌跡分析時(shí)，理論上已知井眼軌跡上每一點(diǎn)的井深、井斜角和方位角就可確定井眼軌跡的其它參數(shù)，進(jìn)而確定井眼軌跡。采用最小曲率半徑法精確計(jì)算井眼軌跡，才能準(zhǔn)確解釋井眼軌跡與地層的關(guān)系，才能對(duì)鉆井工作進(jìn)行準(zhǔn)確的指導(dǎo)，才能對(duì)水平井測(cè)井資料做出正確的評(píng)價(jià)11。5.1井眼軌跡圖示法圖5-1 三維坐標(biāo)法一條空間曲線可以用一個(gè)空間坐標(biāo)系或兩個(gè)平面坐標(biāo)系來描述。對(duì)于井眼軌跡，目前常見的有三種圖示法：三維坐標(biāo)法、投影圖

47、法和柱面圖法。（1）三維坐標(biāo)法是用右手空間坐標(biāo)系O-XYZ(或O-NEH)描繪井眼軌跡的方法。通常以井口為坐標(biāo)原點(diǎn)，以正北(N)方向?yàn)閄軸的正向，正東(E)方向?yàn)閅軸的正向，Z軸鉛垂向下指向地心垂深(H)的方向(如圖5-1)。優(yōu)點(diǎn)：可在一個(gè)坐標(biāo)系內(nèi)把井眼軌跡完整的描繪出來。缺點(diǎn)：不能給人以充分的立體感，不能形象、直觀的反映井斜角、方位角等井眼軌跡參數(shù)的真實(shí)值。（2）投影圖法：投影圖法需要兩張圖垂直投影圖和水平投影圖(如圖5-2)。前者是將井眼軌跡投影到某個(gè)鉛垂面上，如原設(shè)計(jì)軌跡是二維剖面，那么這個(gè)鉛垂面就是設(shè)計(jì)平面：后者是將井眼軌跡投影到水平面上。垂直投影圖相當(dāng)于機(jī)械圖中的側(cè)視圖，水平投影圖相

48、當(dāng)于俯視圖12。a-三維坐標(biāo)法;b-垂直投影圖;c-水平投影圖圖5-2 投影坐標(biāo)法優(yōu)點(diǎn)：對(duì)于指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工十分有益。從圖上可以直觀的看出實(shí)鉆軌跡沿設(shè)計(jì)軌跡的鉆進(jìn)情況，是需要增斜還是需要降斜；是需要增方位還是需要減方位。而且根據(jù)這兩張圖也不難想象出井眼軌跡的空間形態(tài)。缺點(diǎn)：垂直投影圖不能反映井深、井斜角等參數(shù)的真實(shí)值。（3）柱面圖法：柱面圖法也需要兩張圖垂直剖面圖和水平投影圖。水平投影圖和投影圖法是相同的。垂直剖面圖的形成過程可以這樣理解：設(shè)想經(jīng)過井眼軌跡上每一點(diǎn)作一條鉛垂線，這些鉛垂線便構(gòu)成了一個(gè)柱面。柱面是可展曲面，將其展為平面后，井眼軌跡也隨之變成了平面曲線，這就是井眼軌跡的垂直剖面圖13(

49、如圖5-3)。優(yōu)點(diǎn)：通過垂直剖面圖和水平投影圖容易想象出井眼軌跡的空間形態(tài)。若將垂直剖面圖沿水平投影圖的形狀彎曲，即可恢復(fù)井眼軌跡的空間形態(tài)?？煞从尘圮壽E的井深、垂深、井斜角、水平長(zhǎng)度、方位角及其增量等井深參數(shù)的真實(shí)值。這個(gè)優(yōu)點(diǎn)是該圖示法的顯著特色。a-柱面的形成;b-垂直剖面圖;c-水平投影圖圖5-3 柱面圖法這三種圖示法各有特點(diǎn)，使用時(shí)可根據(jù)具體情況進(jìn)行選擇。如：計(jì)算從式井組中各井之間的相互關(guān)系，常采用三維坐標(biāo)法;井眼軌跡設(shè)計(jì)與計(jì)算，多采用柱面法;實(shí)鉆軌跡與設(shè)計(jì)軌跡進(jìn)行對(duì)比，一般用投影圖法。5.2 井眼軌跡計(jì)算方法人們?cè)O(shè)計(jì)了不同種類的測(cè)量方法來獲得在某一特定井深的井斜角和方位角，然后將這

50、些數(shù)據(jù)通過各種計(jì)算求出井眼真實(shí)的垂直井深(TVD)以及南北和東西水平坐標(biāo)，即z、x和y值。這里主要介紹一種計(jì)算精度較高的方法最小曲率半徑法。斜井的井眼軌跡大多是不規(guī)則的，為了更好地分析中靶情況，了解井眼軌跡變化，需要利用井眼的井斜角和井斜方位數(shù)據(jù)對(duì)井眼軌跡進(jìn)行詳細(xì)描述。以前計(jì)算井眼軌跡時(shí)大多采用折線方法，這種方法假設(shè)彎曲的井眼是由很多直線段組成。實(shí)際的井眼是連續(xù)彎曲的，因此采用折線法計(jì)算井眼軌跡必然會(huì)帶來較大的誤差。計(jì)算機(jī)的引入，使采用較復(fù)雜的最小曲率半徑法計(jì)算井眼軌跡成為可能，從而也使井眼軌跡的計(jì)算精度大大提高。如圖5所示，假設(shè)a、b兩點(diǎn)間的井軸長(zhǎng)度(L-L)被分成無限小井段，設(shè)d為d在Z軸

51、上的投影，d為d小段上井斜角的變化?？蓪懗鑫⒎质剑簣D5-4 無限小井段的放大圖解設(shè)整個(gè)a、b段的曲率是常數(shù)，則常數(shù)。由圖5-4可知，故=cos，分離變量d=cosd積分=可得：Z-Z=（sina-sina）(5-1)式（5-1）的意義是，測(cè)量深度從L增至L，井斜角從a變a為時(shí)，ab井段的垂直深度Z變化到Z。同理，設(shè)d為d在X-Y平面上的投影，d為d小段上的方位角變化值，可以得到ab井段在水平面上的變化情況。X-X=（5-2）y-y=(5-3)式5-1、5-2和5-3分別是ab井段的空間位置從a點(diǎn)變化到b點(diǎn)時(shí)，在直角坐標(biāo)系中x、y、z軸方向上變化的一般式。第n個(gè)采樣點(diǎn)處的x、y、z分別為：X=(

52、5-4)y=(5-5)Z=(5-6)在第n個(gè)采樣點(diǎn)處的水平位移為：S=(5-7)在第n個(gè)采樣點(diǎn)處的閉合方位為：(5-8)式5-4、5-5、5-6、5-7和5-8是計(jì)算井眼軌跡數(shù)據(jù)東西位移、南北位移、垂直深度、水平位移和閉合方位的標(biāo)準(zhǔn)公式。從上述公式中可以看出，當(dāng)，時(shí)，通過求極限可以簡(jiǎn)化為：Z-Z=（L-L）cos(5-9)x-x=(L-L)sinsin（5-10）同折線法公式：y-y=(L-L)sinsin(5-11)顯然，折線法計(jì)算公式是最小曲率半徑法在井斜角和方位角不變時(shí)的特殊情況。5.3 井眼軌跡描述與地層關(guān)系水平井測(cè)井曲線特征與水平井井眼的位置和井斜角關(guān)系密切，那么相應(yīng)的測(cè)井解釋必須考

53、慮如何確定地層界面(簡(jiǎn)稱層面)，井眼與層面的相對(duì)位置關(guān)系對(duì)測(cè)井曲線的影響校正等技術(shù)核心問題。顯示水平井的井眼軌跡首先要確定它的主方位，一般用井眼軌跡俯視圖來輔助選擇，選擇井眼軌跡的主方位為投影方向。在此基礎(chǔ)上，采用最小曲率法利用井斜和井眼方位測(cè)數(shù)據(jù)，經(jīng)過坐標(biāo)變換計(jì)算出井眼軌跡14。圖5-5H-B水平井測(cè)井曲線鏡相重復(fù)段一個(gè)油藏中鉆水平井，鉆井過程中很容易鉆出油層頂?shù)捉缑妫ㄟ^調(diào)整又可進(jìn)入地層。這種現(xiàn)象雖然對(duì)水平井井眼設(shè)計(jì)不利，造成井眼軌跡常常會(huì)以地層為軸上下波動(dòng)，但為測(cè)井解釋提供了更豐富的地層構(gòu)造和巖性變化信息。我們可以利用地層構(gòu)造和巖性變化引起的測(cè)井信息改變來反演局部地層構(gòu)造形態(tài)，即確定層面

54、。下面以水平井測(cè)井實(shí)例說明層面確定方法。圖5-5 為H-B水平井一段測(cè)井曲線圖，該井設(shè)計(jì)水平位移平行于構(gòu)造等高線，水平位移方向?yàn)槟蠔|135°。在53025345米井段，GR>100API，為泥巖層測(cè)井響應(yīng)；而5302米井斜角為91.5°，5324米井斜角為90°，5340米井斜角為87.3°，說明該段井眼軌跡反映為上翹和向下糾斜的鉆井過程。該井在5302米處鉆出CIII頂界面，鉆至5326米處開始糾斜，在5345米處鉆回到CIII中，測(cè)井曲線以5326米處為鏡面呈鏡相重復(fù)。所以，該段地層應(yīng)以5302米和5345米兩個(gè)點(diǎn)為CIII頂界面點(diǎn)。結(jié)合井斜校

55、深數(shù)據(jù)，5302米點(diǎn)的垂直深度為5053.4米，5345米點(diǎn)的垂直深度為5053.6米，比5324米處深了0.2米，說明CIII頂界面在5302-5345米井段向水平位移方向(南東135°)傾斜。由以上例子我們可得到井眼軌跡在鉆出和鉆回同一油層底界面時(shí)，測(cè)井曲線會(huì)出現(xiàn)鏡像重復(fù)特征，這種現(xiàn)象在水平井段中普遍存在，是水平井不同層段測(cè)井響應(yīng)對(duì)比的重要依據(jù)，也可用于拾取地層關(guān)鍵界面點(diǎn)。當(dāng)井眼軌跡在鉆出和鉆回同一油層底界面時(shí)，我們可以確定同一油層在不同位置的界面點(diǎn)，確定水平井段地層的構(gòu)造形態(tài)。同樣，當(dāng)鉆井井眼軌跡沿地層界面滑行時(shí)，測(cè)井曲線特征能反映井眼軌跡的相對(duì)位置。第6章 二維軌道設(shè)計(jì)模型及

56、其精確解6.1 問題的提出二維井眼軌道設(shè)計(jì)是指設(shè)計(jì)軌道只在同一鉛垂平面內(nèi)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(shè)計(jì)由直線和圓弧段組成，其形式多種多樣，但典型的有三段制（直+增+斜）、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6-1所示，常規(guī)二維井眼軌道其控制簡(jiǎn)單，在油氣鉆井中得到了廣泛的應(yīng)用在設(shè)計(jì)二維井眼軌道時(shí)，常用上面三種典型的軌道形式，其求解方式是15圖6-1 典型的二維井眼軌道形式給定軌道設(shè)計(jì)參數(shù)，求解穩(wěn)斜段的井斜角和穩(wěn)斜段長(zhǎng)，但針對(duì)不同的問題和要求，有時(shí)需要更靈活的軌道組合形式，以及靈活地求解軌道設(shè)計(jì)參數(shù)，這時(shí)就難以滿足要求。如根據(jù)軌

57、道控制工藝或采油生產(chǎn)的要求，需要限定穩(wěn)斜段井斜角和穩(wěn)斜段長(zhǎng)，這時(shí)就需要反復(fù)進(jìn)行計(jì)算來達(dá)到設(shè)計(jì)目的。文獻(xiàn)建立了兩種典型的三維井眼軌道設(shè)計(jì)模型，可組成多種軌道形式，且求得了模型的精確解，可用于各種類型的井眼軌道設(shè)計(jì)。由于二維井眼軌道設(shè)計(jì)沒有方位變化，可以有更多和更靈活的求解方式。6.2 設(shè)計(jì)模型通過對(duì)圖6-2 的形狀觀察及相關(guān)的知識(shí)獲得，我們?cè)O(shè)計(jì)二維井眼軌道模型如圖6-3所示。如圖6-3中D為原點(diǎn)，設(shè)在井口或設(shè)計(jì)起始點(diǎn)，H為垂深，S為位移，T為目標(biāo)點(diǎn)。設(shè)計(jì)軌道由圖中的、五段組成，即直線段+圓弧段+直線段+圓弧段+直線段。H、S為目標(biāo)點(diǎn)垂深和位移，給定的已經(jīng)參數(shù)。L、L、L和a、a、a分別為直線段的長(zhǎng)度和井斜角，R、R為兩個(gè)圓弧段的曲率半徑。設(shè)計(jì)變量圓弧段對(duì)應(yīng)的井眼曲率K、K，直線段長(zhǎng)度和井斜角8個(gè)參數(shù)。圖6-2 一般二維