定向井井眼軌道設(shè)計(jì)課件

1、定向井井眼軌道設(shè)計(jì)本章內(nèi)容提要3-1 井眼軌道設(shè)計(jì)基礎(chǔ)3-2 二維常規(guī)軌道設(shè)計(jì)方法3-3 微曲穩(wěn)斜軌道設(shè)計(jì)方法3-4 待鉆井眼軌道設(shè)計(jì)方法3-5 多目標(biāo)點(diǎn)三位軌道設(shè)計(jì)方法（補(bǔ)充）3-1 井眼軌道設(shè)計(jì)基礎(chǔ)1、軌道設(shè)計(jì)概述2、軌道設(shè)計(jì)原則3、軌道自由度及軌道約束方程4、軌道設(shè)計(jì)的一般步驟5、基本井段的坐標(biāo)增量計(jì)算（補(bǔ)充）（1） 設(shè)計(jì)條件：一般要給定的條件：目標(biāo)點(diǎn)垂深、水平位移、設(shè)計(jì)方位角等；給定進(jìn)入目標(biāo)的要求：目標(biāo)點(diǎn)或目標(biāo)段的井斜角等；1、軌道設(shè)計(jì)概述（2）設(shè)計(jì)內(nèi)容：根據(jù)設(shè)計(jì)條件，設(shè)計(jì)出合適的井眼軌道。（3）軌道設(shè)計(jì)的關(guān)鍵：造斜點(diǎn)、增斜率、降斜率的選擇（需要經(jīng)驗(yàn)）；軌道關(guān)鍵參數(shù)的求得（需要先進(jìn)的計(jì)

2、算公式）。（1）盡可能選擇簡單軌道：探井選擇最簡單的三段式軌道；開發(fā)井必要時(shí)可選擇S形的五段式軌道；其他軌道根據(jù)需要選擇。（2）盡可能減小最大井斜角，盡可能減小施工難度。（3）開發(fā)井目的層井段的井斜角以15為宜，不要小于10。（4）造斜率選擇：增斜率一般控制在3 /30m左右，不超過4.5 6 /30m；降斜率一般控制在1.5 /30m左右。2、軌道設(shè)計(jì)原則（5）造斜點(diǎn)選擇：應(yīng)避開復(fù)雜地層(漏失、坍塌、縮徑、膨脹、高壓等)，可鉆性以中等為宜，太軟太硬都不好；造斜點(diǎn)距離上層套管鞋最小應(yīng)有50m遠(yuǎn)，防止造斜時(shí)損壞套管。（6）鉆機(jī)選擇：與同井深的直井相比，鉆機(jī)功率大3050%。30003500m的定

3、向井應(yīng)用4500m鉆機(jī)；4500m的定向井應(yīng)用6000m鉆機(jī)。（7）定向井裸眼段內(nèi)盡可能不搞中途測試。必要時(shí)需經(jīng)過充分論證，防止井下事故。2、軌道設(shè)計(jì)原則（8）探井一定要注意及時(shí)測斜，盡可能在每次起鉆前投測“多點(diǎn)”；以防備萬一井噴著火需要打救援井時(shí)，有井眼軌跡數(shù)據(jù)可用。（9）叢式井要注意井口井底布置、造斜點(diǎn)位置和鉆井順序：位移大的井放在外圍，造斜點(diǎn)相對高；位移小的井放在內(nèi)部，造斜點(diǎn)相對低；相鄰兩口井得造斜點(diǎn)應(yīng)該上下錯(cuò)開50100m（防磁干擾）；開鉆順序：除直井首先打外，其他定向井應(yīng)該先打造斜點(diǎn)高的井，后打造斜點(diǎn)低的井（ 防磁干擾、防井眼碰撞） 。（10）海上叢式井可使用傾斜導(dǎo)管或彎曲導(dǎo)管；2、

4、軌道設(shè)計(jì)原則（1）自由度（DOF）的概念將起點(diǎn)位置及方向均給定的軌道或曲線段形狀完全固定需要確定的獨(dú)立自由變量個(gè)數(shù)稱為軌道或曲線段的自由度。3、軌道自由度及軌道約束方程（2）起點(diǎn)給定時(shí)各種曲線段的自由度直線段：自由度為1（L、 D 等，任給1個(gè)即可）二維圓弧段：自由度為2（L、D、K 等，任給2個(gè)即可）三維圓弧段：自由度為3（L、）（3）軌道自由度為組成軌道的所有曲線段自由度之和，如：三段式軌道：自由度為4；（1214）五段式軌道：自由度為7；（121217）雙增式軌道：自由度為7。 （121217）3、軌道自由度及軌道約束方程（4）目標(biāo)點(diǎn)的約束條件稱為軌道約束方程，如：三段式軌道：約束方程數(shù)

5、為2； (Dt，St）五段式軌道：約束方程數(shù)為3； (Dt，St，t）雙增式軌道：約束方程數(shù)為3。 (Dt，St，t ）（5）軌道設(shè)計(jì)時(shí)需要補(bǔ)充確定的參數(shù)個(gè)數(shù)等于軌道自由度與軌道約束方程數(shù)之差，如：三段式軌道需要補(bǔ)充確定的參數(shù)個(gè)數(shù)為4-2=2；五段式軌道需要補(bǔ)充確定的參數(shù)個(gè)數(shù)為7-3=4；雙增式軌道需要補(bǔ)充確定的參數(shù)個(gè)數(shù)為7-3=4。3、軌道自由度及軌道約束方程4、軌道設(shè)計(jì)的一般步驟根據(jù)“軌道約束方程數(shù)需要指定的參數(shù)軌道自由度”的原則選擇軌道形狀；確定需要指定的參數(shù)（造斜點(diǎn)、增斜率、降斜率等）；建立軌道約束方程組，推導(dǎo)關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算公式；二維軌道：三維軌道：井身參數(shù)計(jì)算及軌跡繪圖。直線段增量公式

6、5、基本井段的坐標(biāo)增量計(jì)算二維軌道，平長Lp與平移S是一樣的。三維軌道，平長Lp與平移S是不一樣的。二維軌道三維軌道二維圓弧段增量公式增斜段R取正，降斜段R為負(fù)5、基本井段的坐標(biāo)增量計(jì)算對于二維軌道，平長Lp與平移S是一樣的。三維圓弧段增量公式增斜段和降斜段R均取正。5、基本井段的坐標(biāo)增量計(jì)算對于三維軌道，平長Lp與平移S是不一樣的。斜面圓弧法1、一般會(huì)給定的條件目標(biāo)點(diǎn)的垂深Dt 、水平位移St （井口可移動(dòng)時(shí)相當(dāng)于沒給定） 、井斜角t （單靶時(shí)無要求）及設(shè)計(jì)方位角0；造斜點(diǎn)井深Da 及井斜角a ；造斜半徑R1 和R2 ；一般情況下，造斜點(diǎn)以上設(shè)計(jì)成垂直井段，a=0；如果使用斜井鉆機(jī)，則a 0

7、 ，可根據(jù)給定的Da和a 計(jì)算出Sa。3-2 二維常規(guī)軌道設(shè)計(jì)多靶三段式軌道雙增式軌道五段式軌道三段式軌道2、軌道形狀選擇凡無特殊要求的單靶定向井，均選擇三段式軌道 ；井口可以移動(dòng)的多靶定向井，可選多靶三段式軌道；井口不可移動(dòng)的多靶定向井，需按如下計(jì)算結(jié)果進(jìn)行判斷、選擇：若 ，則選五段式軌道； 若 ，則選雙增式軌道； 若 ，則選多靶三段式軌道。 2、軌道形狀選擇思路：先按三段式軌道設(shè)計(jì)至t點(diǎn)，再根據(jù)計(jì)算井斜角b與給定井斜角t的關(guān)系選擇合適的軌道類型。已知條件Dt 、St 、t ，0；Da 、a ；R1 、R2 。4、雙增式軌道設(shè)計(jì)選擇關(guān)鍵參數(shù)： b 和Lw建立約束方程組求關(guān)鍵參數(shù)b和Lw 4、

8、雙增式軌道設(shè)計(jì)注意：上述公式與鉆井工程理論與技術(shù)課本第190頁 雙增式軌道設(shè)計(jì)公式（5-47）（5-51）完全相同。課堂討論：（1）關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算公式有多種形式課堂討論：（2）幾何作圖求解關(guān)鍵參數(shù)圓心坐標(biāo)課堂討論：（2）幾何作圖求解關(guān)鍵參數(shù)三段式軌道：R2=0，Ldt=0課堂討論：（3）上述公式也適用于三段式、五段式軌道五段式軌道：第2段為降斜段，R2為負(fù)值課堂討論：（3）上述公式也適用于三段式、五段式軌道各節(jié)點(diǎn)參數(shù)計(jì)算：將節(jié)點(diǎn)以上各段增量累加即可得到各節(jié)點(diǎn)參數(shù)3、雙增式軌道設(shè)計(jì)分點(diǎn)參數(shù)計(jì)算二維圓弧段注意：增斜 R取正值，降斜 R為負(fù)值。3、雙增式軌道設(shè)計(jì)分點(diǎn)參數(shù)計(jì)算二維直線段3、雙增式軌道設(shè)計(jì)

9、已知條件Dt 、t ，0；Da 、a ；R1 。4、多靶三段式軌道設(shè)計(jì)建立約束方程求出關(guān)鍵參數(shù)Lw關(guān)鍵參數(shù)Lw二維常規(guī)軌道設(shè)計(jì)課后作業(yè)3-1 設(shè)計(jì)條件：Ht=1418m，St=930m ，Ha=190m ，a=0，K1=3/30m ，試設(shè)計(jì)該定向井軌道。3-2 設(shè)計(jì)條件：Ht=3230m，St=1970m，t=17.50，Ha=270m，a=0，R1=810m，R2=1580m， 靶前穩(wěn)斜段長482m（提示：目標(biāo)點(diǎn)在該段終點(diǎn)處），試設(shè)計(jì)該定向井軌道。要求：先根據(jù)軌道自由度和約束條件選擇軌道形式，再根據(jù)有關(guān)計(jì)算公式進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)結(jié)果按下表形式給出。3-3 微曲穩(wěn)斜軌道設(shè)計(jì)問題：當(dāng)穩(wěn)斜井段很長時(shí)，

10、往往出現(xiàn)“穩(wěn)不住”情況?！拔⒔捣€(wěn)斜軌道” 和“微增穩(wěn)斜軌道”，都屬于“微曲穩(wěn)斜軌道”。對策1：使用常規(guī)穩(wěn)斜鉆具，往往出現(xiàn)降斜?？蓪④壍涝O(shè)計(jì)成“微降穩(wěn)斜軌道”，仍然采用穩(wěn)斜鉆具；對策2：設(shè)計(jì)成“微增穩(wěn)斜軌道”，采用微增鉆具。微增鉆具的剛度比穩(wěn)斜鉆具的剛度小，有利于鉆柱起下、防止卡鉆。1、為什么要設(shè)計(jì)微曲穩(wěn)斜軌道？目標(biāo)點(diǎn)參數(shù)：垂深Dt 、水平位移St （井口可移動(dòng)時(shí)相當(dāng)于沒給定） 、井斜角t （單靶時(shí)無要求）及設(shè)計(jì)方位角0；造斜點(diǎn)：井深Da 及井斜角a ；造斜半徑R1 、R2 和微曲段半徑Rw 。2、一般會(huì)給定的條件一般情況下，造斜點(diǎn)以上設(shè)計(jì)成垂直井段，a=0；若使用斜井鉆機(jī)，則a 0 ，可根據(jù)給

11、定的Da和a 計(jì)算出Sa。凡無特殊要求的單靶定向井，均選擇三段式微曲穩(wěn)斜軌道 ；井口可以移動(dòng)的多靶定向井，可選多靶三段式微曲穩(wěn)斜軌道；井口不可移動(dòng)的多靶定向井，需按如下計(jì)算結(jié)果進(jìn)行判斷選擇：若 ，則選五段式微曲穩(wěn)斜軌道； 若 ，則選雙增式微曲穩(wěn)斜軌道； 若 ，則選多靶三段式微曲穩(wěn)斜軌道。 3、軌道形狀選擇已知條件Dt 、t ；0；Da 、a ；R1、Rw 。4、多靶三段式微曲穩(wěn)斜軌道設(shè)計(jì)建立約束方程關(guān)鍵參數(shù)b求出關(guān)鍵參數(shù)b4、多靶三段式微曲穩(wěn)斜軌道設(shè)計(jì)各節(jié)點(diǎn)參數(shù)計(jì)算和分點(diǎn)參數(shù)計(jì)算同二維常規(guī)軌道設(shè)計(jì)。已知條件Dt , St ,t ，0；Da ,a , R1 , R2 ，Rw 。5、雙增式微曲穩(wěn)斜

12、軌道設(shè)計(jì)建立約束方程組關(guān)鍵參數(shù)b和c 求關(guān)鍵參數(shù)b和c 令：5、雙增式微曲穩(wěn)斜軌道設(shè)計(jì)求關(guān)鍵參數(shù)b和c：5、雙增式微曲穩(wěn)斜軌道設(shè)計(jì)注意：上述公式也適用于三段式和五段式微曲穩(wěn)斜軌道：三段式微曲穩(wěn)斜軌道：R2=0；Ldt=0；五段式式微曲穩(wěn)斜軌道：R2為負(fù)值（第2段為降斜段）。例3-1某定向井設(shè)計(jì)條件：Ht=1418m，St=930m，Ha=190m，a=0，K1=3/30m，Kw=0.3/30m ，試設(shè)計(jì)該井軌道。分析：Ht和St給定，t沒給定，說明是一口單靶定向井；Kw=0.3/30m 說明該井為微曲穩(wěn)斜軌道，所以采用三段式微曲穩(wěn)斜軌道。三段式微曲穩(wěn)斜軌道的自由度為5，已經(jīng)給定的約束條件也是5

13、，軌道約束數(shù)和自由度數(shù)相等，因此軌道形狀可以確定。 Ht=1418m和St=930m是軌道約束方程條件； Ha=190m、K1=3/30m和Kw =0.3/30m是附加約束條件；a=0是軌道起點(diǎn)條件，不是約束。微曲穩(wěn)斜軌道設(shè)計(jì)（1）求關(guān)鍵參數(shù)b和t （2）求各節(jié)點(diǎn)參數(shù)a點(diǎn)b點(diǎn)t點(diǎn)例3-1設(shè)計(jì)條件： Ht=1418m，St=930m，Ha=190m，a=0，K1=3/30m，Kw=0.3/30m。井眼軌道設(shè)計(jì)結(jié)果微曲穩(wěn)斜軌道設(shè)計(jì)課后作業(yè)3-3 已知：Ht=3230m，St=1970m，t=17.50，Ha=270m，a=0，R1=810m，R2=1580m， Rw=5800m， 靶前穩(wěn)斜段長48

14、2m。 試設(shè)計(jì)該井軌道。要求：先根據(jù)軌道自由度和約束條件選擇軌道形式，然后根據(jù)有關(guān)公式進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)結(jié)果按下表形式給出。3-4 待鉆軌道設(shè)計(jì)1、問題的提出在定向井軌跡控制過程中，實(shí)鉆軌跡與設(shè)計(jì)軌道往往出現(xiàn)偏差。若這種偏差較小，不影響中靶，可繼續(xù)鉆進(jìn)，否則就需要進(jìn)行待鉆軌道設(shè)計(jì)。因?yàn)閷?shí)鉆軌跡井底的井斜方位線與目標(biāo)點(diǎn)所在的設(shè)計(jì)方位線通常不重合，所以待鉆軌道設(shè)計(jì)屬于三維軌道設(shè)計(jì)。2、一般會(huì)給定的條件當(dāng)前井底所有參數(shù)：垂深Do 、平長Lpo 、N坐標(biāo)No 、E坐標(biāo)Eo 、井斜角o 及方位角o等；目標(biāo)點(diǎn)參數(shù)：垂深Dt 、 N坐標(biāo)Nt 和E坐標(biāo)Et ；各造斜段的半徑R1 、R2 等 ；根據(jù)中靶要求不同，目

15、標(biāo)點(diǎn)的井斜角t 及方位角t也可能是給定的。對中靶無特殊要求的：選擇“圓弧段+直線段”軌道 ；要求以給定井斜，或給定方位中靶的：選擇“直線段+圓弧段+直線段”軌道 ；要求以給定的井斜及方位中靶的：選擇“圓弧段+直線段+圓弧段+直線段”軌道 ：3、待鉆軌道形狀選擇已知條件Lo 、 Do 、Lpo 、No 、Eo 、o 及o等；Dt 、 Nt 和Et ；R1 等 。4、無特殊要求的待鉆軌道設(shè)計(jì)建立約束方程選擇“圓弧段+直線段”軌道求關(guān)鍵參數(shù)和Lw 4、無特殊要求的待鉆軌道設(shè)計(jì)求關(guān)鍵參數(shù)和Lw 求關(guān)鍵參數(shù) 和Lw 4、無特殊要求的待鉆軌道設(shè)計(jì)求節(jié)點(diǎn)b參數(shù)其中，M點(diǎn)坐標(biāo)：4、無特殊要求的待鉆軌道設(shè)計(jì)分點(diǎn)參數(shù)計(jì)算其中，m、n點(diǎn)坐標(biāo)為：4、無特殊要求的待鉆軌道設(shè)計(jì)已知條件Lo 、 Do 、Lpo 、No 、Eo 、o 及o等Dt 、 Nt 、Et 和t ；R1 、R2 等 。5、給定井斜中靶的待鉆軌道設(shè)計(jì)選擇“直線段+圓弧段+直線段”軌道建立約束方程已知條件Lo 、 Do 、So 、No 、Eo 、o 及o等Dt 、 Nt 、Et 和 t ；R1 、R2 等 。6、給定方位中靶的待鉆軌道設(shè)計(jì)選擇“直線段+圓弧段+直線段”軌道建立約束方程已知條件Lo 、Do 、So 、No 、Eo 、o 及o等；Dt 、 N