鉆井工程第五章

1、第五章第五章 井眼軌道設(shè)計與軌跡控制井眼軌道設(shè)計與軌跡控制重點：重點： 1 1、井眼軌跡的概念；、井眼軌跡的概念； 2 2、井斜角和井斜方位角的概念；井斜角和井斜方位角的概念； 3 3、井眼軌跡的表示方法；、井眼軌跡的表示方法； 4 4、井眼軌跡的參數(shù)計算；、井眼軌跡的參數(shù)計算； 5 5、常用的防斜與糾斜鉆具組合；、常用的防斜與糾斜鉆具組合； 6 6、定向井軌道設(shè)計方法；、定向井軌道設(shè)計方法； 7 7、裝置角、裝置方位角與反扭角的概念；、裝置角、裝置方位角與反扭角的概念； 8 8、井眼軌跡控制方法。、井眼軌跡控制方法。 難點：難點： 1 1、裝置角的概念；、裝置角的概念； 2 2、定向井軌道設(shè)

2、計方法；定向井軌道設(shè)計方法； 3 3、井眼軌跡控制計算、井眼軌跡控制計算 。 概概 述述 井眼軌道：井眼軌道：一口井開鉆之前，預(yù)先設(shè)計的井眼軸線形狀。一口井開鉆之前，預(yù)先設(shè)計的井眼軸線形狀。 直井軌道：直井軌道：過井口的鉛垂線。過井口的鉛垂線。 定向井軌道：定向井軌道： 二維定向井：二維定向井：過井口和目標(biāo)點的鉛垂面上的曲線。過井口和目標(biāo)點的鉛垂面上的曲線。 三維定向井：三維定向井：具有不同曲率的空間曲線。具有不同曲率的空間曲線。 軌道設(shè)計：軌道設(shè)計：定向井、水平井、側(cè)鉆井、大位移井等。定向井、水平井、側(cè)鉆井、大位移井等。 軌跡控制：軌跡控制： 直井防斜打直。直井防斜打直。 特殊工藝井控制井斜

3、和方位，使軌道與軌跡相一致。特殊工藝井控制井斜和方位，使軌道與軌跡相一致。 二維二維 三維三維直井用途：直井用途：油田開發(fā)和勘探。有井斜限制要求。油田開發(fā)和勘探。有井斜限制要求。 定向井用途：定向井用途： 1.1.地面環(huán)境條件的限制地面環(huán)境條件的限制 高山，湖泊，沼澤，河流，溝壑，海洋，農(nóng)田或重要的建高山，湖泊，沼澤，河流，溝壑，海洋，農(nóng)田或重要的建筑物等。筑物等。 2.2.地下地質(zhì)條件的要求地下地質(zhì)條件的要求 斷層遮擋油藏、薄油層、傾角較大的地層鉆進(jìn)等。斷層遮擋油藏、薄油層、傾角較大的地層鉆進(jìn)等。 3.3.處理井下事故的特殊手段處理井下事故的特殊手段 井下落物側(cè)鉆、打救援井等。井下落物側(cè)鉆、

4、打救援井等。 4.4.提高油藏采收率的手段提高油藏采收率的手段 鉆穿多套油氣層、老井側(cè)鉆等。鉆穿多套油氣層、老井側(cè)鉆等。地面環(huán)境條件限制地面環(huán)境條件限制地下地質(zhì)條件要求地下地質(zhì)條件要求 處理井下事故處理井下事故 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一軌跡的基本參數(shù)一軌跡的基本參數(shù) 測量方法：測量方法：非連續(xù)測量，間斷測量；非連續(xù)測量，間斷測量；“測段測段”，“測點測點”。 軌跡的三個基本參數(shù)：軌跡的三個基本參數(shù)：井深、井斜角和井斜方位角井深、井斜角和井斜方位角1 1、井深（或稱為斜深、測深）、井深（或稱為斜深、測深） 井口井口( (通常以轉(zhuǎn)盤面為基準(zhǔn)通常以轉(zhuǎn)盤面為基準(zhǔn)) )至測點

5、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。下測點井深與上測點井深之差。 以以DDm m表示。表示。 2.2.井斜角井斜角()()： 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( () )。 n井眼方向線：井眼方向線： 過井眼軸線上某測點作過井眼軸線上某測點作 井眼軸線的切線，該切線向井眼軸線的切線，該切線向 井眼前進(jìn)方向延伸的部分稱井眼前進(jìn)方向延伸的部分稱 為井眼方向線。為井眼方向線。 n井斜角增量井斜角增量( )( )： 下測點井斜角與

6、上測點下測點井斜角與上測點 井斜角之差。井斜角之差。 B BA A 3. 3. 井斜方位角井斜方位角（井眼方位角、方位角）：（井眼方位角、方位角）： 在水平投影圖上，以正在水平投影圖上，以正 北方位線為始邊，順時針方北方位線為始邊，順時針方 向旋轉(zhuǎn)到井眼方位線上所轉(zhuǎn)向旋轉(zhuǎn)到井眼方位線上所轉(zhuǎn) 過的角度。過的角度。 n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。 n井斜方位角增量井斜方位角增量 ： 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 井斜方位角的變化范圍：井斜方位角的變化范圍：0

7、 0360360 。3.3.井斜方位角井斜方位角： 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：指井斜方位線與指井斜方位線與 正北方位線或與正南方位正北方位線或與正南方位 線之間的夾角。線之間的夾角。 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磁北方位與正北方位 之間的夾角。之間的夾角。 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 真方位角磁方位角西磁偏角真方位角磁方位角西磁偏角 二軌跡的計算參數(shù)二軌跡的計算參數(shù) 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

8、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。垂深增量稱為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增（）。 2.2.水平投影長度水平投影長度LpLp（水平長度、平長）：（水平長度、平長）： 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。水平長度的增量稱為水平面上的投影長度。水平長度的增量稱為平增（平增（LL）。 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（或：在水平投影面上，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

9、離）。軌跡上某點至井口的距離）。 n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。國外將水平位移稱作外將水平位移稱作閉合距閉合距。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。4. 4. 平移方位角平移方位角 ： 平移方位線所在的方位角。平移方位線所在的方位角。國外國外，將平移方位角稱作，將平移方位角稱作閉合閉合方位角方位角。國內(nèi)國內(nèi)，指完鉆時的平移方位角為，指完鉆時的平移方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)： 南北坐標(biāo)軸，以正北方向為正；東西坐標(biāo)軸，以正東方向南北坐標(biāo)軸，以正北方向

10、為正；東西坐標(biāo)軸，以正東方向為正。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)計方位線上的上的 投影長度。投影長度。 7. 7. 井眼曲率井眼曲率K K（“狗腿嚴(yán)重度狗腿嚴(yán)重度”、“全角變化率全角變化率”）：）： 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/D=30/Dm m “狗腿角狗腿角”或或“全角變化全角變化”（）：）：上、下二測點的兩條方上、下二測點的兩條方向線之間的夾角向線之間的夾角( (空間夾角空間夾角) )。 n狗腿角的計算：狗腿角的計算： (1)Lubinski(1)Lubinski公式：公式： cos=cos

11、cos=cosA AcoscosB B+sin+sinA AsinsinB Bcos(cos(B B-A A) ) n鉆井行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)計算公式：鉆井行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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，（）。）。 三井眼軌跡的圖示法三井眼軌跡的圖示法 對一條空間曲線可以有不同的表示方法。對一條空間曲線可以有不同的表示方法。 ( (一一) )三維坐標(biāo)法：

12、三維坐標(biāo)法： ( (二二) )投影圖示法：投影圖示法：垂直投影圖垂直投影圖+ +水平投影圖水平投影圖 n不能反映出真實的井深和井斜角。不能反映出真實的井深和井斜角。 ( (三三) )柱面圖示法：柱面圖示法：垂直剖面圖（柱面展開圖）垂直剖面圖（柱面展開圖）+ +水平投影圖水平投影圖 柱面：柱面：設(shè)想經(jīng)過井眼軌跡上每一個點作一條鉛垂線，所有設(shè)想經(jīng)過井眼軌跡上每一個點作一條鉛垂線，所有這些鉛垂線構(gòu)成的曲面稱為柱面。將柱面展平，就形成了垂這些鉛垂線構(gòu)成的曲面稱為柱面。將柱面展平，就形成了垂直剖面圖。直剖面圖。 n可以反映出真實的井身參數(shù)，如：井深、井斜角、垂深；可以反映出真實的井身參數(shù)，如：井深、井斜

13、角、垂深； n作圖簡便。作圖簡便。 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(dá)的參數(shù)：表達(dá)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LpLp、閉合距、井斜方位角、閉合距、井斜方位角、 平移方位角平移方位角、閉合方位角。、閉合方位角。 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。的鉛垂面。 坐標(biāo)系：坐標(biāo)系：原點（井口）、橫坐標(biāo)（視平移）、縱坐標(biāo)（垂深）原點（井口）、橫坐標(biāo)（視平移）

14、、縱坐標(biāo)（垂深） 表達(dá)的參數(shù)：表達(dá)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。 3 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（井口）、原點（井口）、橫坐標(biāo)（水平長度）橫坐標(biāo)（水平長度）、 縱坐標(biāo)（垂深）縱坐標(biāo)（垂深） 表達(dá)的參數(shù)：表達(dá)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 Dm m、井斜角、井斜角 。 第二節(jié)第二節(jié) 軌跡測量及計算軌跡測量及計算目的：目的：掌握井眼軌跡參數(shù)的測量、計算、軌跡繪圖方法掌握井眼軌跡參數(shù)的測量、計算、軌

15、跡繪圖方法一、測斜方法及測斜儀簡介一、測斜方法及測斜儀簡介 ( (一一) )測斜儀分類測斜儀分類 n按工作方式分：按工作方式分：單點式、多點式、隨鉆測量（有線、無線）。單點式、多點式、隨鉆測量（有線、無線）。 n按工作原理分：按工作原理分：磁性測斜儀（羅盤）、磁性測斜儀（羅盤）、 陀螺測斜儀（高速陀螺空間指向恒定）。陀螺測斜儀（高速陀螺空間指向恒定）。 ( (二二) )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 。 ( (三三) )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、儀器內(nèi)主要由井斜刻度盤、羅盤、十字?jǐn)[錘、照明和照相系羅盤、十字?jǐn)[錘、照明和

16、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，十當(dāng)測斜儀隨井眼傾斜時，十字?jǐn)[錘始終指向重力線方向，重字?jǐn)[錘始終指向重力線方向，重力線與儀器軸線的夾角即為力線與儀器軸線的夾角即為井斜井斜角角。由擺錘在井斜刻度盤底片上。由擺錘在井斜刻度盤底片上的位置讀取。的位置讀取。 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擺錘所在鉛垂線與儀器軸線（井眼方向線）構(gòu)器軸線（井眼方向線）構(gòu)成井斜鉛垂面，該井斜鉛成井斜鉛垂面，該井斜鉛垂面與水平面的交線就是垂面與水平面的交線就是井斜方位線。擺錘在羅盤井斜方位線。擺錘在羅盤面上

17、的投影位置所在的放面上的投影位置所在的放射線與羅盤射線與羅盤N N極之間的夾極之間的夾角即為角即為井斜方位角井斜方位角。（注。（注意：在井下意：在井下, ,羅盤標(biāo)志方羅盤標(biāo)志方位與實際地理方位相反。）位與實際地理方位相反。） 3.3.井深測量：井深測量： 根據(jù)電纜長度或鉆柱根據(jù)電纜長度或鉆柱長度。長度。二對測斜計算數(shù)據(jù)的規(guī)定二對測斜計算數(shù)據(jù)的規(guī)定 ( (一一) )測點編號：測點編號： 測斜自下而上，測點編號自上而下。第一個井斜角不等于測斜自下而上，測點編號自上而下。第一個井斜角不等于零的測點作為第一測點。零的測點作為第一測點。 ( (二二) )測段編號：測段編號： 自上而下編號。第自上而下編號

18、。第i-1 i-1 個點與第個點與第 i i 點之間所夾的測段為第點之間所夾的測段為第i i測段。測段。 ( (三三) )第測點：第測點： 第測點的井深大于第測點的井深大于25m 25m 時，第測點的井深比第測點時，第測點的井深比第測點的井深小的井深小25m25m，且井斜角規(guī)定為零。第測點的井深小于或等于，且井斜角規(guī)定為零。第測點的井深小于或等于25m25m時，規(guī)定第測點的井深和井斜角均為零。時，規(guī)定第測點的井深和井斜角均為零。 ( (四四) )若若i= 0i= 0 則計算第則計算第i i測段時，測段時，i i= = i-1i-1；計算第；計算第i+1i+1測段時，測段時，i i=i+1i+1

19、 。 ( (五五) )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)01 1時，取時，取“”；當(dāng)；當(dāng)2 21 1時，取時，取“” 。 求實際反扭角求實際反扭角nn： n n = = s s - - 1 1 實實八八. . 造斜工具的定向造斜工具的定向 定向：定向：使造斜工具作用方位指向預(yù)定方位的工藝。使造斜工具作用方位

20、指向預(yù)定方位的工藝。 ( (一一) )地面定向法地面定向法 1.1.地面擺工具面：地面擺工具面：造斜工具下井之前，在地面調(diào)整好工具面下井。造斜工具下井之前，在地面調(diào)整好工具面下井。 2.2.打印標(biāo)記（打印標(biāo)記（“+ +”）：）：在鉆桿同一母線的兩端接頭上打印在鉆桿同一母線的兩端接頭上打印“+”+”標(biāo)記。標(biāo)記。 3.3.定向下鉆：定向下鉆：記錄每兩根鉆桿的角度偏差，計算總偏差，根據(jù)總偏差扭方記錄每兩根鉆桿的角度偏差，計算總偏差，根據(jù)總偏差扭方位。位。 ( (二二) )井下定向法井下定向法 井下定向的關(guān)鍵是要知道原井斜方位和工具面方位。井下定向的關(guān)鍵是要知道原井斜方位和工具面方位。 1.1.定向齒

21、刀法定向齒刀法 氫氟酸測斜儀氫氟酸測斜儀 + + 鉛模鉛模 + + 定向齒刀定向齒刀 氫氟酸液瓶的液面傾斜方向指示井斜方位。氫氟酸液瓶的液面傾斜方向指示井斜方位。 鉛模上留下的齒刀印痕指示造斜工具的工具面方位。鉛模上留下的齒刀印痕指示造斜工具的工具面方位。2.2.磁鐵定向法（雙羅盤定向法）磁鐵定向法（雙羅盤定向法） 雙羅盤測斜儀雙羅盤測斜儀 + + 定向磁鐵（安裝在無磁鉆鋌上）定向磁鐵（安裝在無磁鉆鋌上） 上羅盤處在定向磁鐵位置，指針標(biāo)志工具面方位；上羅盤處在定向磁鐵位置，指針標(biāo)志工具面方位； 下羅盤遠(yuǎn)離定向磁鐵，指針指向正北方位。下羅盤遠(yuǎn)離定向磁鐵，指針指向正北方位。 3.3.定向鍵法（螺鞋

22、定向法）定向鍵法（螺鞋定向法） 磁性或陀螺測斜儀磁性或陀螺測斜儀 + + 螺鞋（定向鞋）螺鞋（定向鞋） + + 定向鍵定向鍵 定向鍵安裝在造斜工具上，其所在母線指示工具面方位。定向鍵安裝在造斜工具上，其所在母線指示工具面方位。 測斜儀螺鞋上的定向槽所在母線與羅盤上的測斜儀螺鞋上的定向槽所在母線與羅盤上的“發(fā)線發(fā)線”對齊對齊測量時，定向槽卡在定向鍵上，測量時，定向槽卡在定向鍵上，“發(fā)線發(fā)線”的方位就是工具的方位就是工具面方位。面方位。( (三三) )各種定向方法及其使用各種定向方法及其使用 1.1.雙羅盤定向儀定向磁鐵雙羅盤定向儀定向磁鐵 需使用無磁鉆鋌，可用于直井定向和斜井定向。需使用無磁鉆鋌，可用于直井定向和斜井定向。 2.2.陀螺儀定向鍵陀螺儀定向鍵 無需使用無磁鉆鋌，可用于直井定向和斜井定向。無需使用無磁鉆鋌，可用于直井定向和斜井定向。 3.3.磁羅盤測斜儀定向鍵磁羅盤測斜儀定向鍵 目前使用最多的定向方法。目前使用最多的定向方法。 必須使用無磁鉆鋌。可用于直井定向和斜井定向。必須使用無磁鉆鋌?？捎糜谥本ㄏ蚝托本ㄏ颉?4.4.氟氫酸測斜儀定向齒刀氟氫酸測斜儀定向齒刀 只能在斜井內(nèi)使用。