《鉆井5-井眼軌道設(shè)計與控制》

1、1第五章第五章 井眼軌道設(shè)計與控制井眼軌道設(shè)計與控制第一節(jié)第一節(jié) 井眼軌跡的基本概念井眼軌跡的基本概念第二節(jié)第二節(jié) 軌跡測量及計算軌跡測量及計算第三節(jié)第三節(jié) 定向井井眼軌道設(shè)計定向井井眼軌道設(shè)計第四節(jié)第四節(jié) 直井防斜技術(shù)直井防斜技術(shù)2 一、一、 基本概念基本概念( (一一) )井眼軌跡的基本要素井眼軌跡的基本要素z井深井深z井斜角井斜角z井斜井斜方位角方位角z磁偏角磁偏角z垂垂深深z平長平長z水平位移水平位移z平移方位角平移方位角z N坐標(biāo)和坐標(biāo)和E坐標(biāo)坐標(biāo)z井眼曲率井眼曲率z全角變化率全角變化率3基本要素z油氣井：油氣井：以勘探開發(fā)以勘探開發(fā)石油和天然氣為目的，石油和天然氣為目的，在地層中鉆

2、出的具有在地層中鉆出的具有一定深度的圓柱形孔一定深度的圓柱形孔眼。眼。z井眼軸線井眼軸線: :井眼中心線。井眼中心線。z井眼軌道井眼軌道:表示井眼軸表示井眼軸線形狀的圖形。線形狀的圖形。4基本要素 假設(shè)井眼軌跡是一條空間曲線，則假設(shè)井眼軌跡是一條空間曲線，則可以用空間直角坐標(biāo)系來描述。選可以用空間直角坐標(biāo)系來描述。選取笛卡爾坐標(biāo)系取笛卡爾坐標(biāo)系。原點。原點選在井口處；選在井口處；軸指向正北軸指向正北, ,單位矢單位矢量為量為；軸指向正東，單位矢量軸指向正東，單位矢量為為；軸垂直向下，單位；軸垂直向下，單位矢量為矢量為。 oN(i)E(j)D(k)rotnbADmkjirDENo5( (一一)

3、)井眼軌跡的基本要素井眼軌跡的基本要素測量方法：非連續(xù)測量，間斷測量。測量方法：非連續(xù)測量，間斷測量?！皽y段測段”，“測點測點”。井井深、井斜角和井斜方位角深、井斜角和井斜方位角-軌跡的三個基本參數(shù)。軌跡的三個基本參數(shù)。 (1) (1) 井深井深（或稱為斜深、測深）（或稱為斜深、測深） 井口井口( (通常以轉(zhuǎn)盤面為基準通常以轉(zhuǎn)盤面為基準) )至測點的井眼長度。至測點的井眼長度。 以字母以字母D Dm m表示，單位為米表示，單位為米(m)(m)。 井深增量（井段）：井深增量（井段）： 下測點井深與上測點井深之差。以下測點井深與上測點井深之差。以DDm m表示。表示。6(2) (2) 井斜角井斜角

4、()()：井斜角增量井斜角增量() )： 下測點井斜角與上測點下測點井斜角與上測點井斜角井斜角之差。之差。 B BA A 指井眼方向線與重力線之間的夾角。單位為度指井眼方向線與重力線之間的夾角。單位為度( () )。 井眼方向線：井眼方向線： 過井眼軸線上某測點作井眼軸線的切線，該切線向井眼過井眼軸線上某測點作井眼軸線的切線，該切線向井眼前進方向延伸的部分稱為井眼方向線。前進方向延伸的部分稱為井眼方向線。7(3) (3) 井斜方位角井斜方位角井眼方位線（井斜方位線）：井眼方位線（井斜方位線）： 某測點處的井眼方向線某測點處的井眼方向線在水平面上的投影。在水平面上的投影。 井斜方位角增量井斜方位

5、角增量 ：上下測點的井斜方位角之差。：上下測點的井斜方位角之差。 B BA A 在水平投影圖上，以正北方位線為始邊，順時針方向旋轉(zhuǎn)到井眼在水平投影圖上，以正北方位線為始邊，順時針方向旋轉(zhuǎn)到井眼方位線上所轉(zhuǎn)過的角度。方位線上所轉(zhuǎn)過的角度。井斜方位角的變化范圍井斜方位角的變化范圍：0 0360360。8(3)(3)井斜方位角井斜方位角：象限角：象限角：指井斜方位線與正北方位線或指井斜方位線與正北方位線或與正南方位線之間的夾角。與正南方位線之間的夾角。 井斜方位角的另一種表示方式井斜方位角的另一種表示方式-象限角：象限角：磁偏角校正磁偏角校正： 真方位角磁方位角東磁偏角真方位角磁方位角東磁偏角 真方

6、位角磁方位角西磁偏角真方位角磁方位角西磁偏角象限角的變化范圍：象限角的變化范圍： 0 09090之間。之間。磁偏角磁偏角： 磁北方位與正北方位之間磁北方位與正北方位之間的夾角。的夾角。西磁偏角西磁偏角東磁偏角東磁偏角9二軌跡的計算參數(shù)二軌跡的計算參數(shù)(3) (3) 水平位移（平移）水平位移（平移）：軌跡上某點至井口所在鉛垂線的距離軌跡上某點至井口所在鉛垂線的距離（或：在水平投影面上，軌跡上某點至井口的距離）。（或：在水平投影面上，軌跡上某點至井口的距離）。 平移方位線：平移方位線：在水平投影面上，井口至軌跡上某點的連線。國外在水平投影面上，井口至軌跡上某點的連線。國外將水平位移稱將水平位移稱閉

7、合距閉合距。 我國將完鉆時的水平位移稱為我國將完鉆時的水平位移稱為閉合距閉合距。由基本參數(shù)計算得到的參數(shù)。由基本參數(shù)計算得到的參數(shù)。(1) (1) 垂直深度（垂深）：垂直深度（垂深）：軌跡上某點至井口所在水平面的距離。軌跡上某點至井口所在水平面的距離。垂深增量稱為垂增垂深增量稱為垂增() )。(2) (2) 水平投影長度水平投影長度L Lp p（水平長度、平長）：（水平長度、平長）： 井眼軌跡上某點至井口的井眼軌跡上某點至井口的長度長度在水平面上的投影，即井深在在水平面上的投影，即井深在水平面上的投影長度。水平面上的投影長度。 水平長度的增量稱為平增（水平長度的增量稱為平增（LL）。）。10(

8、4) (4) 平移方位角平移方位角：平移方平移方位線所在的方位角。位線所在的方位角。 國外，將平移方位角稱作國外，將平移方位角稱作閉合方位角。閉合方位角。 國內(nèi)，指完鉆時的平移方國內(nèi)，指完鉆時的平移方位角為位角為閉合方位角閉合方位角。 (5) (5) 坐標(biāo)和坐標(biāo)：坐標(biāo)和坐標(biāo)：南北坐南北坐標(biāo)軸，以正北方向為正；標(biāo)軸，以正北方向為正； 東西坐標(biāo)軸，以正東方向為正。東西坐標(biāo)軸，以正東方向為正。 (6) (6) 視平移：視平移： 水平位移在水平位移在設(shè)計方位線設(shè)計方位線上的投上的投影長度。影長度。11(7) (7) 井眼曲率井眼曲率K K（“狗腿嚴重度狗腿嚴重度”、“全角變化率全角變化率”）：）：狗腿

9、角的計算：狗腿角的計算：LubinskiLubinski公式：公式： cos=cosAcosB+sinAsinBcos(B-A)指井眼軌跡曲線的曲率。指井眼軌跡曲線的曲率。平均曲率平均曲率: : K Kc c=30/Dm=30/Dm“狗腿角狗腿角”或或“全角變化全角變化”（）：）： 上、下二測點的兩條方向線之間的夾角上、下二測點的兩條方向線之間的夾角( (空間夾角空間夾角) )。我國鉆井行業(yè)標(biāo)準計算公式：我國鉆井行業(yè)標(biāo)準計算公式： =(=(2 2+2 2sinsin2 2c c) )0.50.5 c c=(=(A A+B B)/2)/2 該測段的狗腿角，該測段的狗腿角，( () )； c c該

10、測段的平均井眼曲率，該測段的平均井眼曲率，( ()/30m)/30m； c c該測段的平均井斜角，（該測段的平均井斜角，（）。）。 1213靶點靶點VA設(shè)計方位線設(shè)計方位線14（二）軌跡圖示法（二）軌跡圖示法、水平投影圖、水平投影圖投影面：投影面：水平面水平面 坐標(biāo)系：坐標(biāo)系：以井口為原點、坐標(biāo)軸、坐標(biāo)軸；以井口為原點、坐標(biāo)軸、坐標(biāo)軸； 表達的參數(shù)：表達的參數(shù)：坐標(biāo)值、坐標(biāo)值、水平位移坐標(biāo)值、坐標(biāo)值、水平位移S S、 水平長度水平長度L Lp p、井斜方位角、井斜方位角、平移方位角平移方位角、垂直投影圖、垂直投影圖投影面：投影面：過設(shè)計方位線的鉛垂面，即井口和目標(biāo)點所在的鉛垂面；過設(shè)計方位線的

11、鉛垂面，即井口和目標(biāo)點所在的鉛垂面； 表達的參數(shù)：表達的參數(shù)：垂深垂深D D、視平移、視平移V V、井斜的增減趨勢；、井斜的增減趨勢；坐標(biāo)系：坐標(biāo)系：原點原點( (井口井口) )、橫坐標(biāo)、橫坐標(biāo)( (視平移視平移) )、縱坐標(biāo)、縱坐標(biāo)( (垂深垂深) )。153 3、垂直剖面圖垂直剖面圖垂直剖面：垂直剖面：過井眼軸線上各點垂線組成的柱面展開圖；過井眼軸線上各點垂線組成的柱面展開圖； 坐標(biāo)系：坐標(biāo)系：原點原點( (井口井口) )、橫坐標(biāo)、橫坐標(biāo)( (水平長度水平長度) )、縱坐標(biāo)、縱坐標(biāo)( (垂深垂深) )； 表達的參數(shù)：表達的參數(shù)：垂深垂深D D、水平長度、水平長度L Lp p、井深、井深D

12、Dm m、井斜角、井斜角 。 16垂直投影圖與水平投影圖垂直投影圖與水平投影圖17垂直剖面圖與水平投影圖垂直剖面圖與水平投影圖18z 井身剖面由井身剖面由直井段、造斜段、穩(wěn)直井段、造斜段、穩(wěn)斜段、增斜段、降斜段斜段、增斜段、降斜段和和水平段水平段組合而成。組合而成。z 直井段直井段: :設(shè)計井斜角為零度的井設(shè)計井斜角為零度的井段。段。z 造斜點（造斜點（）: :開始定向造開始定向造斜的位置稱為造斜點。通常以該斜的位置稱為造斜點。通常以該點的井深來表示。點的井深來表示。z 造斜率（造斜率（）: :造斜工具的造斜造斜工具的造斜能力能力, ,即該造斜工具所鉆出的井即該造斜工具所鉆出的井段的井眼曲率。

13、段的井眼曲率。z 造造( (增增) )斜段斜段: :井斜角隨井深增加井斜角隨井深增加的井段。的井段。z 穩(wěn)斜段穩(wěn)斜段: :井斜角保持不變的井段。井斜角保持不變的井段。z 降斜段降斜段: :井斜角隨著井深的增加井斜角隨著井深的增加而減小的井段而減小的井段。z 水平段：水平段：井斜角大于井斜角大于8686度的井段。度的井段。 直井段造斜點造斜段增斜段水平段直井段降斜段穩(wěn)斜段 一、一、 基本概念基本概念( (三三) )井身剖面及精度控制井身剖面及精度控制amax19井身剖面及精度控制z 目標(biāo)點目標(biāo)點: :設(shè)計規(guī)定的、必須鉆達的地層位置，稱為目標(biāo)點。設(shè)計規(guī)定的、必須鉆達的地層位置，稱為目標(biāo)點。通常以地

14、面井口為坐標(biāo)原點的空間坐標(biāo)系的坐標(biāo)值來表示。通常以地面井口為坐標(biāo)原點的空間坐標(biāo)系的坐標(biāo)值來表示。z 靶區(qū)及靶區(qū)半徑（靶區(qū)及靶區(qū)半徑（）: :包含目標(biāo)點在內(nèi)的一個區(qū)域稱為包含目標(biāo)點在內(nèi)的一個區(qū)域稱為靶區(qū)。在一般油氣井中，靶區(qū)半徑為允許實鉆井眼軌跡偏靶區(qū)。在一般油氣井中，靶區(qū)半徑為允許實鉆井眼軌跡偏離設(shè)計目標(biāo)點的水平距離離設(shè)計目標(biāo)點的水平距離, ,靶區(qū)為在目標(biāo)點所在的水平面靶區(qū)為在目標(biāo)點所在的水平面上上, ,以目標(biāo)點為圓心以目標(biāo)點為圓心, ,以靶區(qū)半徑為半徑的一個圓面積。以靶區(qū)半徑為半徑的一個圓面積。z 安全控制圓錐（柱）安全控制圓錐（柱）: :以設(shè)計井眼軸線為中心以設(shè)計井眼軸線為中心, ,所限定

15、的圓所限定的圓錐（柱）空間。錐（柱）空間。 z 靶心距（靶心距（）: :在靶區(qū)平面上在靶區(qū)平面上, ,實鉆井眼軸線與目標(biāo)點之實鉆井眼軸線與目標(biāo)點之間的距離。間的距離。z 誤差橢球誤差橢球:由測量和計算誤差引起的井底位置不確定性所由測量和計算誤差引起的井底位置不確定性所構(gòu)成的以井底為中心的橢球體。構(gòu)成的以井底為中心的橢球體。20目標(biāo)點和誤差橢球 o設(shè)計井眼設(shè)計井眼實鉆井眼實鉆井眼目標(biāo)點目標(biāo)點誤差橢球誤差橢球油層油層靶心距靶心距21直井和定向井的靶區(qū)和控制圓錐直井和定向井的靶區(qū)和控制圓錐 靶區(qū)靶區(qū)靶區(qū)半徑靶區(qū)半徑控制圓錐控制圓錐井口井口油層油層22二二、各參數(shù)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系、各參數(shù)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系(

16、 (一一) )基本參數(shù)基本參數(shù) 在石油工程中，井眼軌道參數(shù)是通過在石油工程中，井眼軌道參數(shù)是通過下入井眼內(nèi)的下入井眼內(nèi)的測斜儀器測斜儀器測出的，它測出測出的，它測出的是一系列離散井深點所對應(yīng)的的是一系列離散井深點所對應(yīng)的和和，通過它們可以確定出其它參，通過它們可以確定出其它參數(shù)，所以將它們稱為基本參數(shù)。數(shù)，所以將它們稱為基本參數(shù)。( (二二) )坐標(biāo)參數(shù)坐標(biāo)參數(shù) 用于描述井眼軌道的空間位置。主要用于描述井眼軌道的空間位置。主要有北坐標(biāo)，東坐標(biāo)，垂直深度。有北坐標(biāo)，東坐標(biāo)，垂直深度。( (三三) )撓曲參數(shù)撓曲參數(shù) 描述井眼軌道的描述井眼軌道的彎曲和扭轉(zhuǎn)程度。彎曲和扭轉(zhuǎn)程度。主要主要有有和和。2

17、3( (四四) )坐標(biāo)參數(shù)與基本參數(shù)的關(guān)系坐標(biāo)參數(shù)與基本參數(shù)的關(guān)系lllllDllEllN000dcos)(dsinsin)(dcossin)(L-為井口到計算點的曲線長度為井口到計算點的曲線長度24三、油氣井分類三、油氣井分類 (按井眼軌道按井眼軌道) （1）直井）直井 （Vertical well） 設(shè)計井眼軸線為一鉛垂線，實鉆井眼軸線大體沿設(shè)計井眼軸線為一鉛垂線，實鉆井眼軸線大體沿鉛垂方向，其井斜角、井底水平位移和全角變化率均鉛垂方向，其井斜角、井底水平位移和全角變化率均在限定范圍內(nèi)的井。在限定范圍內(nèi)的井。 （2）定向井）定向井(Directional well) 沿著預(yù)先設(shè)計的井眼軌道

18、沿著預(yù)先設(shè)計的井眼軌道,按既定的方向偏離井口按既定的方向偏離井口垂線一定距離垂線一定距離,鉆達目標(biāo)的井。鉆達目標(biāo)的井。25定向井可分為定向井可分為 ：普通定向井、大斜度井、叢式井、普通定向井、大斜度井、叢式井、多底井、斜直井、水平井多底井、斜直井、水平井等。等。普通定向井普通定向井: :在一個井場內(nèi)僅有一口最大井斜角小于在一個井場內(nèi)僅有一口最大井斜角小于6060的的 定向井。定向井。大斜度井大斜度井: :在一個井場內(nèi)僅有一口最大井斜角在在一個井場內(nèi)僅有一口最大井斜角在60608686范范圍內(nèi)的定向井。圍內(nèi)的定向井。叢式井叢式井: :在一個井場內(nèi)有計劃地鉆出的兩口或兩口以上的定向在一個井場內(nèi)有計

19、劃地鉆出的兩口或兩口以上的定向井組井組, ,其中可含一口直井。其中可含一口直井。多底井多底井: :一個井口下面有兩個或兩個以上井底的定向井。一個井口下面有兩個或兩個以上井底的定向井。斜直井斜直井: :用傾斜鉆機或傾斜井架完成的用傾斜鉆機或傾斜井架完成的, ,自井口開始井眼軌道自井口開始井眼軌道一直是一段斜直井段的定向井一直是一段斜直井段的定向井。 26 2728 （3 3）水平井）水平井(Horizontal well)(Horizontal well) 在一個井場內(nèi)僅有一口最大井斜角大于或等于在一個井場內(nèi)僅有一口最大井斜角大于或等于8686, ,并保持這種角度鉆完一定長度的水平段的定向并保持

20、這種角度鉆完一定長度的水平段的定向井。井。水平井分為：水平井分為： 長曲率半徑水平井長曲率半徑水平井 （造斜率小于（造斜率小于6 6/30 /30 ）；）； 中曲率半徑水平井中曲率半徑水平井 （造斜率為（造斜率為1 1/ /6 6/30m/30m）；）； 短曲率半徑水平井短曲率半徑水平井 ( (造斜率為造斜率為1 11010/ /) ) ； 徑向水平井徑向水平井 ( (造斜率為無窮大造斜率為無窮大) ) 。29油層直井30 解決水錐問題解決水錐問題31一井雙探一井雙探32擴大泄油面積擴大泄油面積 增加控制儲量增加控制儲量 提高油井產(chǎn)能提高油井產(chǎn)能0.6萬噸直井的5倍以上（L=300m）水平井技

21、術(shù)適合于薄層的開采水平井技術(shù)適合于薄層的開采33油層薄，中靶難油層薄，中靶難需要有合適的角度，才能達需要有合適的角度，才能達到矢量入靶到矢量入靶角度偏大角度偏大角度偏小角度偏小薄油層開發(fā)薄油層開發(fā)34井眼軌跡在油層最佳位置穿行難井眼軌跡在油層最佳位置穿行難精確控制幾千米遠的鉆頭走向難度大精確控制幾千米遠的鉆頭走向難度大層薄，地層傾角變化，有時上翹或下傾層薄，地層傾角變化，有時上翹或下傾薄油層開發(fā)薄油層開發(fā)35四、四、 井眼井眼軌道設(shè)計的原則和方法軌道設(shè)計的原則和方法 （一）、（一）、 井眼軌道的類型井眼軌道的類型（二）（二） 、設(shè)計井眼軌道的原則、設(shè)計井眼軌道的原則（三）（三） 、井眼軌道設(shè)計

22、中有關(guān)因素、井眼軌道設(shè)計中有關(guān)因素的選擇的選擇（四）（四） 、井眼軌道類型的選擇、井眼軌道類型的選擇36（一）、井眼軌道的類型（一）、井眼軌道的類型 按設(shè)計井眼軌道在空間直角坐標(biāo)系中的形狀按設(shè)計井眼軌道在空間直角坐標(biāo)系中的形狀, ,可分為可分為二維井眼軌道和三維井眼軌道。二維井眼軌道和三維井眼軌道。 二維井眼軌道是指設(shè)計井眼軸線僅在設(shè)計方位線所二維井眼軌道是指設(shè)計井眼軸線僅在設(shè)計方位線所在鉛垂平面上變化的井眼軌道。在鉛垂平面上變化的井眼軌道。 三維井眼軌道是指在設(shè)計的井眼軸線上三維井眼軌道是指在設(shè)計的井眼軸線上, ,既有井斜角既有井斜角變化變化, ,又有方位角變化的井眼軌道。又有方位角變化的井

23、眼軌道。 . .二維井眼軌道二維井眼軌道 二維井眼軌道組成二維井眼軌道組成 垂直井段、垂直井段、 增斜井段、增斜井段、 穩(wěn)斜井段穩(wěn)斜井段 降斜井段降斜井段 37井眼軌道的類型 . .三維井眼軌道三維井眼軌道 三維井眼軌道設(shè)計用于繞障井和現(xiàn)場待鉆修正井三維井眼軌道設(shè)計用于繞障井和現(xiàn)場待鉆修正井眼軌道設(shè)計。若在地面井口位置與設(shè)計目標(biāo)點之間的眼軌道設(shè)計。若在地面井口位置與設(shè)計目標(biāo)點之間的鉛垂平面內(nèi)鉛垂平面內(nèi), ,存在著井眼難于直接通過的障礙物存在著井眼難于直接通過的障礙物( (如已如已鉆的井眼、巖丘、氣頂?shù)龋?，則設(shè)計的井眼軌道需要鉆的井眼、巖丘、氣頂?shù)龋?，則設(shè)計的井眼軌道需要繞過障礙物到達目標(biāo)點。在

24、鉆進過程中，井眼軌道總繞過障礙物到達目標(biāo)點。在鉆進過程中，井眼軌道總是要偏離設(shè)計井眼軌道，為了保證鉆達目標(biāo)點，必須是要偏離設(shè)計井眼軌道，為了保證鉆達目標(biāo)點，必須時刻修正鉆進參數(shù)；此時由于井底的方位角與設(shè)時刻修正鉆進參數(shù)；此時由于井底的方位角與設(shè)計的計的方位角不一致，必須進行三維軌道設(shè)計。方位角不一致，必須進行三維軌道設(shè)計。38（二）、設(shè)計井眼軌道的原則（二）、設(shè)計井眼軌道的原則 （1 1）根據(jù)油氣田勘探開發(fā)要求）根據(jù)油氣田勘探開發(fā)要求, ,保證實現(xiàn)鉆井保證實現(xiàn)鉆井目的。目的。 （2 2）根據(jù)油氣田的構(gòu)造特征、油氣產(chǎn)狀，有）根據(jù)油氣田的構(gòu)造特征、油氣產(chǎn)狀，有利于提高油氣產(chǎn)量和采收率，改善投資效益

25、。利于提高油氣產(chǎn)量和采收率，改善投資效益。 （3 3）在選擇造斜點、井眼曲率、最大井斜角）在選擇造斜點、井眼曲率、最大井斜角等參數(shù)時，有利于鉆井、采油和修井作業(yè)。等參數(shù)時，有利于鉆井、采油和修井作業(yè)。 （4 4）在滿足鉆井目的的前提下，應(yīng)盡可能選）在滿足鉆井目的的前提下，應(yīng)盡可能選擇比較簡單的剖面類型，力求使設(shè)計的斜井深擇比較簡單的剖面類型，力求使設(shè)計的斜井深最短，以減小井眼軌道控制的難度和鉆井工作最短，以減小井眼軌道控制的難度和鉆井工作量，有利于安全、快速鉆井、降低鉆井成本。量，有利于安全、快速鉆井、降低鉆井成本。39（二）、設(shè)計井眼軌道的原則（二）、設(shè)計井眼軌道的原則 （1 1）根據(jù)油氣田

26、勘探開發(fā)要求）根據(jù)油氣田勘探開發(fā)要求, ,保證實現(xiàn)鉆井保證實現(xiàn)鉆井目的。目的。 （2 2）根據(jù)油氣田的構(gòu)造特征、油氣產(chǎn)狀，有）根據(jù)油氣田的構(gòu)造特征、油氣產(chǎn)狀，有利于提高油氣產(chǎn)量和采收率，改善投資效益。利于提高油氣產(chǎn)量和采收率，改善投資效益。 （3 3）在選擇造斜點、井眼曲率、最大井斜角）在選擇造斜點、井眼曲率、最大井斜角等參數(shù)時，有利于鉆井、采油和修井作業(yè)。等參數(shù)時，有利于鉆井、采油和修井作業(yè)。 （4 4）在滿足鉆井目的的前提下，應(yīng)盡可能選）在滿足鉆井目的的前提下，應(yīng)盡可能選擇比較簡單的剖面類型，力求使設(shè)計的斜井深擇比較簡單的剖面類型，力求使設(shè)計的斜井深最短，以減小井眼軌道控制的難度和鉆井工作

27、最短，以減小井眼軌道控制的難度和鉆井工作量，有利于安全、快速鉆井、降低鉆井成本。量，有利于安全、快速鉆井、降低鉆井成本。40（三）、井眼軌道設(shè)計中有關(guān)因素的選擇（三）、井眼軌道設(shè)計中有關(guān)因素的選擇 1.1.造斜點的選擇造斜點的選擇 (1)(1)造斜點應(yīng)選擇在比較穩(wěn)定的地層造斜點應(yīng)選擇在比較穩(wěn)定的地層, ,避免在巖石破碎帶、漏避免在巖石破碎帶、漏失地層、流砂層或容易坍塌等復(fù)雜地層定向造斜。失地層、流砂層或容易坍塌等復(fù)雜地層定向造斜。 (2)(2)地層可鉆性均勻，不應(yīng)有硬夾層。地層可鉆性均勻，不應(yīng)有硬夾層。 (3)(3)要滿足采油工藝要求。要滿足采油工藝要求。 (4)(4)垂深大、水平位移小的井，

28、造斜點應(yīng)深，以簡化井身結(jié)垂深大、水平位移小的井，造斜點應(yīng)深，以簡化井身結(jié)構(gòu)、加快鉆速。構(gòu)、加快鉆速。 (5)(5)垂深小、水平位移大的井，造斜點應(yīng)淺，以減少定向施垂深小、水平位移大的井，造斜點應(yīng)淺，以減少定向施工的工作量。工的工作量。 (6)(6)在井眼方位漂移地區(qū)，應(yīng)使斜井段避開方位漂移大的地在井眼方位漂移地區(qū)，應(yīng)使斜井段避開方位漂移大的地層或利用井眼方位漂移規(guī)律鉆達目標(biāo)點。層或利用井眼方位漂移規(guī)律鉆達目標(biāo)點。41. .最大井斜角最大井斜角 對于直井對于直井, ,井斜角控制在規(guī)定的范圍內(nèi)。對于常規(guī)定向井和水井斜角控制在規(guī)定的范圍內(nèi)。對于常規(guī)定向井和水平井平井, ,當(dāng)井斜角小于當(dāng)井斜角小于15

29、15時，方位不穩(wěn)定，所以時，方位不穩(wěn)定，所以, ,最大井斜角應(yīng)大最大井斜角應(yīng)大于于1515。3.3.井眼曲率井眼曲率 在鉆井中在鉆井中, ,井眼曲率是一個重要參數(shù)。井眼曲率過大會給鉆井眼曲率是一個重要參數(shù)。井眼曲率過大會給鉆井、采油和修井作業(yè)造成困井、采油和修井作業(yè)造成困難。因此，應(yīng)根據(jù)具體情況，適當(dāng)選難。因此，應(yīng)根據(jù)具體情況，適當(dāng)選擇井眼曲率的最大值。擇井眼曲率的最大值。井眼軌道設(shè)計中有關(guān)因素的選擇42 設(shè)計井眼軌道時，一般選擇簡單的二維軌道。二維軌道設(shè)計井眼軌道時，一般選擇簡單的二維軌道。二維軌道由垂直井段、造斜井段、穩(wěn)斜井段、降斜井段組合而成，由垂直井段、造斜井段、穩(wěn)斜井段、降斜井段組合

30、而成，最常用的有四種類型。最常用的有四種類型。 （四）、井眼軌道類型的選擇（四）、井眼軌道類型的選擇三段制五段制S 型直井43 直井段造斜段水平段側(cè)鉆水平井直井段造斜段穩(wěn)斜段造斜段水平段常規(guī)水平井44側(cè)鉆水平井技術(shù)是指使用專門井下工具，從老井側(cè)鉆水平井技術(shù)是指使用專門井下工具，從老井套管內(nèi)側(cè)鉆而成的水平井。它是在側(cè)鉆井技術(shù)、水平套管內(nèi)側(cè)鉆而成的水平井。它是在側(cè)鉆井技術(shù)、水平井技術(shù)和小井眼技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的代表九十年井技術(shù)和小井眼技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的代表九十年代鉆井水平的新技術(shù)，不僅能使老井復(fù)活，而且可以代鉆井水平的新技術(shù)，不僅能使老井復(fù)活，而且可以大幅度提高單井產(chǎn)量和采收率。大幅度提高單

31、井產(chǎn)量和采收率。454647484950515253545556各種剖面類型設(shè)計5758防止設(shè)計井與鄰井相碰59防碰掃描三維圖6061鉆柱強度校核6263646566第二節(jié)第二節(jié) 軌跡測量及計算軌跡測量及計算1 1、隨鉆監(jiān)測實鉆井眼軌跡以保證鉆達既定目標(biāo)；、隨鉆監(jiān)測實鉆井眼軌跡以保證鉆達既定目標(biāo)；2 2、當(dāng)需用造斜工具定向鉆進時，將造斜工具按要求的方向定向；、當(dāng)需用造斜工具定向鉆進時，將造斜工具按要求的方向定向；3 3、確保正鉆進的井沒有與附近已鉆成的井相交的危險；、確保正鉆進的井沒有與附近已鉆成的井相交的危險；4 4、確定鉆遇的各地層的真垂深、以繪制出準確的地質(zhì)剖面圖；、確定鉆遇的各地層的真

32、垂深、以繪制出準確的地質(zhì)剖面圖；5 5、為了監(jiān)測油層特性及鉆進救險井要確定準確的井底位置；、為了監(jiān)測油層特性及鉆進救險井要確定準確的井底位置；6 6、沿井身計算出井眼曲率以評價井身質(zhì)量；、沿井身計算出井眼曲率以評價井身質(zhì)量；7 7、為完井工程提供井眼軌跡數(shù)據(jù)。、為完井工程提供井眼軌跡數(shù)據(jù)。井眼軌跡測量的目的：井眼軌跡測量的目的：67第二節(jié)第二節(jié) 軌跡測量及計算軌跡測量及計算一、測斜方法及測斜儀簡介一、測斜方法及測斜儀簡介 1 1、測斜儀分類、測斜儀分類 按工作原理分：磁性測斜儀按工作原理分：磁性測斜儀( (羅盤羅盤) )、 陀螺測斜儀陀螺測斜儀( (高速陀螺空間指向恒定高速陀螺空間指向恒定)

33、)。 按工作方式分：單點式、多點式、隨鉆測量按工作方式分：單點式、多點式、隨鉆測量( (有線、無線有線、無線) )。2 2、測量內(nèi)容、測量內(nèi)容 井深井深DmDm、井斜角、井斜角、方位角、方位角。683 3、磁性測斜儀的工作原理、磁性測斜儀的工作原理儀器內(nèi)主要由井斜刻度盤、羅儀器內(nèi)主要由井斜刻度盤、羅盤、十字擺錘、照明和照相系盤、十字擺錘、照明和照相系統(tǒng)組成。羅盤的統(tǒng)組成。羅盤的S S極始終指北。極始終指北。 （1 1）井斜角的測量）井斜角的測量當(dāng)測斜儀隨井眼傾斜時，十字擺錘始當(dāng)測斜儀隨井眼傾斜時，十字擺錘始終指向重力線方向，重力線與儀器軸終指向重力線方向，重力線與儀器軸線的夾角即為線的夾角即為

34、井斜角井斜角。由擺錘在井斜。由擺錘在井斜刻度盤底片上的位置讀取?？潭缺P底片上的位置讀取。69（2 2）井斜方位角的測量）井斜方位角的測量 擺錘所在鉛垂線與儀器軸擺錘所在鉛垂線與儀器軸線（井眼方向線）構(gòu)成井斜鉛線（井眼方向線）構(gòu)成井斜鉛垂面，該井斜鉛垂面與水平面垂面，該井斜鉛垂面與水平面的交線就是井斜方位線。擺錘的交線就是井斜方位線。擺錘在羅盤面上的投影位置所在的在羅盤面上的投影位置所在的放射線與羅盤放射線與羅盤N N極之間的夾角極之間的夾角即為井斜方位角。即為井斜方位角。（3 3）井深測量：）井深測量： 根據(jù)電纜長度或鉆柱長度。根據(jù)電纜長度或鉆柱長度。70MWD / LWDMWD / LWD整

35、套儀器由整套儀器由井下數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)、井下數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、地面數(shù)據(jù)采集和處理地面數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)系統(tǒng)組成。組成。MWD Measurement While Drilling .LWD Logging While Drilling.FEWD Formation Evaluation While Drilling.71國內(nèi)國內(nèi)MWDMWD配備現(xiàn)狀配備現(xiàn)狀單單 位位配套儀器類型配套儀器類型勝利定向井公司勝利定向井公司斯派里森公司斯派里森公司MWDMWD、通用公司、通用公司QDT-MWDQDT-MWD、科學(xué)鉆井、科學(xué)鉆井SDI-MWDSDI-MWD勝利油田鉆井院勝利油田鉆井院

36、英國吉奧林公司英國吉奧林公司OrienteerOrienteer大港定向井公司大港定向井公司斯派里森公司斯派里森公司MWDMWD、通用公司、通用公司QDT-MWDQDT-MWD、哈里伯頓公司的探路者系統(tǒng)、哈里伯頓公司的探路者系統(tǒng)中海油技術(shù)服務(wù)公司中海油技術(shù)服務(wù)公司斯派里森公司斯派里森公司MWDMWD、斯倫貝榭、斯倫貝榭SLIM-ONESLIM-ONE、大慶油田鉆井院大慶油田鉆井院貝克休斯公司貝克休斯公司NaviNavi-Gator-Gator江漢油田鉆井院江漢油田鉆井院科學(xué)鉆井科學(xué)鉆井SDI-MWDSDI-MWD、英國吉奧林公司、英國吉奧林公司OrienteerOrienteer長慶油田鉆井院

37、長慶油田鉆井院英國吉奧林公司英國吉奧林公司OrienteerOrienteer華北油田鉆井院華北油田鉆井院科學(xué)鉆井科學(xué)鉆井SDI-MWDSDI-MWD、通用公司、通用公司QDT-MWDQDT-MWD克拉瑪依油田鉆井院克拉瑪依油田鉆井院通用公司通用公司QDT-MWDQDT-MWD中原油田鉆井院中原油田鉆井院科學(xué)鉆井科學(xué)鉆井SDI-MWDSDI-MWD、通用公司、通用公司QDT-MWDQDT-MWD遼河油田鉆井院遼河油田鉆井院通用公司通用公司QDT-MWDQDT-MWD四川油田四川油田斯派里森公司斯派里森公司MWDMWD、通用公司、通用公司QDT-MWDQDT-MWD新星公司德州地質(zhì)所新星公司德州

38、地質(zhì)所通用公司通用公司QDT-MWDQDT-MWD72國內(nèi)國內(nèi)LWDLWD配備現(xiàn)狀配備現(xiàn)狀單單 位位配套儀器類型配套儀器類型勝利定向井公司勝利定向井公司斯派里森公司斯派里森公司FEWD勝利油田鉆井院勝利油田鉆井院英國吉奧林公司英國吉奧林公司Orienteer大港定向井公司大港定向井公司貝克休斯公司貝克休斯公司MPR中海油技術(shù)服務(wù)公司中海油技術(shù)服務(wù)公司斯派里森公司斯派里森公司FEWD / 貝克休斯公司貝克休斯公司On-Track大慶油田鉆井院大慶油田鉆井院貝克休斯公司貝克休斯公司MPR長慶油田鉆井院長慶油田鉆井院英國吉奧林公司英國吉奧林公司Orienteer73二對測斜計算數(shù)據(jù)的規(guī)定二對測斜計算

39、數(shù)據(jù)的規(guī)定5 5在一個測段內(nèi)，在一個測段內(nèi)，井斜方位角變化的絕對值不得超過井斜方位角變化的絕對值不得超過180180。i i-i-1i-1180180時，時， i i=i i-i-1i-1-360-360 c c=(=(i i+i-1i-1)/2-180)/2-180 i i-i-1i-1-18000，=arccosC=arccosC ；當(dāng)當(dāng)0 1 1時，取時，取“”；當(dāng)；當(dāng)2 2 1 1時，取時，取“” 。 3)3)求實際反扭角求實際反扭角nn： n n = = s s - - 1 1 實實108第四節(jié)第四節(jié) 直井防斜技術(shù)直井防斜技術(shù)3 3、在開發(fā)采油方面：、在開發(fā)采油方面：影響分層開采；影

40、響修井工作；影響分層開采；影響修井工作；影響采收率（死油區(qū)）。影響采收率（死油區(qū)）。井斜的危害：井斜的危害：1 1、在地質(zhì)勘探方面：、在地質(zhì)勘探方面：造成地質(zhì)資料失真；打亂合理的地下造成地質(zhì)資料失真；打亂合理的地下井網(wǎng)和開發(fā)方案。井網(wǎng)和開發(fā)方案。2 2、在鉆井施工方面：、在鉆井施工方面：惡化鉆柱工作條件；易造成井壁坍塌惡化鉆柱工作條件；易造成井壁坍塌和卡鉆；易造成固井下套管困難和注水泥竄槽；糾斜側(cè)鉆和卡鉆；易造成固井下套管困難和注水泥竄槽；糾斜側(cè)鉆增加成本。增加成本。 109一井斜的原因一井斜的原因1 1、地質(zhì)因素、地質(zhì)因素 地層傾斜地層傾斜和和地層可鉆性不均勻性地層可鉆性不均勻性兩個方面。兩

41、個方面。 地質(zhì)因素，鉆具因素。地質(zhì)因素，鉆具因素。地層傾角小于地層傾角小于4545時，鉆頭偏向垂直地層層面的方向；時，鉆頭偏向垂直地層層面的方向； 地層傾角超過地層傾角超過6060時，鉆頭沿著平行地層層面方向下滑；時，鉆頭沿著平行地層層面方向下滑；地層傾角在地層傾角在45456060之間時，井斜方向?qū)俨环€(wěn)定狀態(tài)。之間時，井斜方向?qū)俨环€(wěn)定狀態(tài)。（1 1）地層可鉆性的各向異性因素）地層可鉆性的各向異性因素沉積巖特性：垂直層面方向的可鉆性高，平行層面方向的可鉆性低。沉積巖特性：垂直層面方向的可鉆性高，平行層面方向的可鉆性低。 鉆頭總是有向著容易鉆進的方向前進的趨勢。鉆頭總是有向著容易鉆進的方向前進的

42、趨勢。 110軟地層硬地層硬地層軟地層1 1、地質(zhì)因素、地質(zhì)因素(2)(2)、地層可鉆性的縱向變化、地層可鉆性的縱向變化地層傾斜且軟硬交錯，鉆頭偏向垂直地層層面方向。地層傾斜且軟硬交錯，鉆頭偏向垂直地層層面方向。 1112 2、鉆具因素、鉆具因素主要因素是主要因素是鉆具的傾斜和彎曲鉆具的傾斜和彎曲。 “底部鉆具組合底部鉆具組合”( Bottom Hole Assembly )( Bottom Hole Assembly )，簡稱，簡稱BHABHA。 引起鉆頭傾斜，在井底形成不對稱切削。引起鉆頭傾斜，在井底形成不對稱切削。 使鉆頭受側(cè)向力的作用，產(chǎn)生側(cè)向切削。使鉆頭受側(cè)向力的作用，產(chǎn)生側(cè)向切削。

43、 3 3、井眼擴大、井眼擴大 鉆頭在井眼內(nèi)左右移動，靠向一側(cè)，鉆頭軸線與鉆頭在井眼內(nèi)左右移動，靠向一側(cè)，鉆頭軸線與井眼軸線不重合，導(dǎo)致井斜。井眼軸線不重合，導(dǎo)致井斜。導(dǎo)致鉆具傾斜和彎曲的原因：導(dǎo)致鉆具傾斜和彎曲的原因：鉆具和井眼之間有一定間隙。鉆具和井眼之間有一定間隙。 鉆壓的作用，鉆柱受壓靠近井壁或發(fā)生彎曲。鉆壓的作用，鉆柱受壓靠近井壁或發(fā)生彎曲。 鉆具本身彎曲；轉(zhuǎn)盤安裝不平、井架安裝不正等。鉆具本身彎曲；轉(zhuǎn)盤安裝不平、井架安裝不正等。112（3 3）地層可鉆性的橫向變化）地層可鉆性的橫向變化垂直于鉆頭軸線方向上可鉆性的變化。垂直于鉆頭軸線方向上可鉆性的變化。 如：如：在鉆頭的一側(cè)下面鉆遇溶

44、洞或較疏松的地層，在鉆頭的一側(cè)下面鉆遇溶洞或較疏松的地層，而另一側(cè)則鉆遇較致密的地層。而另一側(cè)則鉆遇較致密的地層。113114二、滿眼鉆具組合控制井斜二、滿眼鉆具組合控制井斜方法：方法：在下部鉆具適當(dāng)位置上安裝在下部鉆具適當(dāng)位置上安裝3 34 4個扶正器。個扶正器。 扶正器尺寸：扶正器尺寸：d=dd=dh h-d-ds s=1.0 =1.0 2.0 mm2.0 mm由鉆具引起井斜的原因可歸結(jié)為：由鉆具引起井斜的原因可歸結(jié)為： 鉆頭對井底的不對稱切削；鉆頭對井底的不對稱切削； 鉆頭軸線相對于井眼軸線發(fā)生傾斜；鉆頭軸線相對于井眼軸線發(fā)生傾斜； 鉆頭上的側(cè)向力導(dǎo)致對井底的側(cè)向切削。鉆頭上的側(cè)向力導(dǎo)致

45、對井底的側(cè)向切削。 基本原理：基本原理： 增大下部鉆具組合的尺寸和剛度，近似增大下部鉆具組合的尺寸和剛度，近似“填滿井眼填滿井眼”，防止，防止鉆柱彎曲和傾斜。鉆柱彎曲和傾斜。解決這些問題的方法之一是讓鉆具填滿井眼，即：解決這些問題的方法之一是讓鉆具填滿井眼，即：滿眼鉆具組合。滿眼鉆具組合。115、YXY YXY 組合的結(jié)構(gòu)組合的結(jié)構(gòu)近鉆頭扶正器、中扶正器、上扶正器、第四扶正器。近鉆頭扶正器、中扶正器、上扶正器、第四扶正器。 作用：作用： 近扶正器：近扶正器：抵抗側(cè)向力，防止側(cè)向切削和不對稱切削。抵抗側(cè)向力，防止側(cè)向切削和不對稱切削。 中扶正器：中扶正器：保證中扶正器與鉆頭之間的鉆柱不發(fā)生彎曲。

46、其安保證中扶正器與鉆頭之間的鉆柱不發(fā)生彎曲。其安放位置需嚴放位置需嚴格計算。格計算。 上扶正器：上扶正器：保證鉆具上至少有保證鉆具上至少有3 3個穩(wěn)定點與井壁接觸，從而保個穩(wěn)定點與井壁接觸，從而保證井眼的直線證井眼的直線性。性。 第四扶正器第四扶正器：增大下部鉆柱的剛度，協(xié)助中扶防止鉆柱彎曲。：增大下部鉆柱的剛度，協(xié)助中扶防止鉆柱彎曲。二、滿眼鉆具組合控制井斜二、滿眼鉆具組合控制井斜116二、滿眼鉆具組合控制井斜二、滿眼鉆具組合控制井斜4sin16mqJECpLL Lp p - -中扶距鉆頭的最優(yōu)長度，中扶距鉆頭的最優(yōu)長度，m m ； C-C-扶正器與井眼的半間隙，扶正器與井眼的半間隙，C=(

47、dC=(dh h-d-ds s)/2)/2，m m ； d dh h井眼直徑，井眼直徑，m m ；d dm m扶正器外徑，扶正器外徑，m m ； E-E-鉆鋌鋼材的楊氏模量，鉆鋌鋼材的楊氏模量，kN/mkN/m2 2 ； J-J-鉆鋌截面的軸慣性矩，鉆鋌截面的軸慣性矩，m m4 4 ； q qm m-鉆鋌在鉆井液中的線重，鉆鋌在鉆井液中的線重，kN/mkN/m ； -允許的最大井斜角，允許的最大井斜角，( () )。 根據(jù)等截面梁縱橫彎曲理論中的撓度計算公式和壓桿穩(wěn)定的臨界載荷計根據(jù)等截面梁縱橫彎曲理論中的撓度計算公式和壓桿穩(wěn)定的臨界載荷計算公式，并進行處理求導(dǎo)可得最優(yōu)位置：算公式，并進行處理

48、求導(dǎo)可得最優(yōu)位置：、YXY YXY 組合組合“中扶中扶”位置的計算位置的計算64)(44cicoddJ基本物理模型：基本物理模型：一端固定、一端鉸支的縱橫彎曲梁。一端固定、一端鉸支的縱橫彎曲梁。117例題：例題：已知鉆頭直徑已知鉆頭直徑216mm216mm，扶正器直徑，扶正器直徑215mm215mm，鉆鋌鋼材的楊氏模量為，鉆鋌鋼材的楊氏模量為2.05942.059410108 8kN/mkN/m2 2，鉆鋌外徑，鉆鋌外徑178mm178mm，內(nèi)徑，內(nèi)徑71.4mm71.4mm，鉆井液密度，鉆井液密度1.25 1.25 g/cmg/cm3 3，鉆鋌線重，鉆鋌線重1.6 kN/m1.6 kN/m，

49、允許的最大井斜角，允許的最大井斜角3 3，求中扶距鉆頭的最，求中扶距鉆頭的最優(yōu)長度。優(yōu)長度。 解：解：根據(jù)給定條件，可求得：根據(jù)給定條件，可求得： J=J= (d(dcoco4 4-d-dcici4 4)/64 =0.48)/64 =0.481010-4-4m m4 4 , , q qm m=1.6(1-=1.6(1- d d/ / s s)=1.34 kN/m)=1.34 kN/m , , c=(d c=(dh h-d-ds s)/2 = 0.0005 m )/2 = 0.0005 m L Lp p=(16CEJ)/(Q=(16CEJ)/(Qm msin)sin)0.250.25 = 5.789 m = 5.789 m 。118三、鐘擺鉆具組合控制井斜三、鐘擺鉆具組合控制井斜在下部鉆柱的適當(dāng)位置在下部鉆柱的適當(dāng)位置安裝一個扶正器，當(dāng)發(fā)安裝一個扶正器，當(dāng)發(fā)生井斜時，該扶正器支生井斜時，該扶正器支撐在井壁上形成支點，撐在井壁上形成支點，使下部鉆柱懸空。則該使下部鉆柱懸空。則該扶正器以下的鉆柱就好扶正器以下的鉆柱就好象一個鐘擺，產(chǎn)生一個象一個鐘擺，產(chǎn)生一個鐘擺力。鉆頭在此鐘擺鐘擺力。鉆頭在此鐘擺力的作用下切削