第五章井眼軌道設(shè)計(jì)與軌跡控制

第五章井眼軌道設(shè)計(jì)與軌跡控制海油陸探、海油陸采西江24-3海上平臺(tái)西江24-1邊際油田擴(kuò)大泄油面積增加控制儲(chǔ)量提高油井產(chǎn)能0.6萬(wàn)噸直井的5倍以上（L=300m）水平井技術(shù)適合于薄層的開(kāi)采油層薄，中靶難需要有合適的角度，才能達(dá)到矢量入靶角度偏大角度偏小薄油層開(kāi)發(fā)井眼軌跡在油層最佳位置穿行難精確控制幾千米遠(yuǎn)的鉆頭走向難度大薄油層開(kāi)發(fā)層薄，地層傾角變化，有時(shí)上翹或下傾VerticalInjectionWellsandHorizontalProductionWellHorizontalWellPairHorizontalWellPair概述井眼軌道：一口井開(kāi)鉆之前，預(yù)先設(shè)計(jì)的井眼軸線形狀。直井軌道：過(guò)井口的鉛垂線。定向井軌道：二維定向井：過(guò)井口和目標(biāo)點(diǎn)的鉛垂面上的曲線。三維定向井：具有不同曲率的空間曲線。軌道設(shè)計(jì)：定向井、水平井、側(cè)鉆井、大位移井等。井眼軌跡：一口井實(shí)際鉆成后的井眼軸線形狀。軌跡控制：直井防斜打直。特殊工藝井控制井斜和方位，使軌道與軌跡相一致。二維三維直井用途：油田開(kāi)發(fā)和勘探。有井斜限制要求。定向井用途：1.地面環(huán)境條件的限制

高山，湖泊，沼澤，河流，溝壑，海洋，農(nóng)田或重要的建筑物等。2.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。3.處理井下事故的特殊手段

井下落物側(cè)鉆、打救援井等。4.提高油藏采收率的手段

鉆穿多套油氣層、老井側(cè)鉆等。地面環(huán)境條件限制地下地質(zhì)條件要求處理井下事故第一節(jié)井眼軌跡的基本概念目的：掌握有關(guān)參數(shù)的概念及這些參數(shù)之間的關(guān)系。一．軌跡的基本參數(shù)

測(cè)量方法：非連續(xù)測(cè)量，間斷測(cè)量?！皽y(cè)段”，“測(cè)點(diǎn)”。

井深、井斜角和井斜方位角----軌跡的三個(gè)基本參數(shù)。(1)井深（或稱為斜深、測(cè)深）

井口(通常以轉(zhuǎn)盤面為基準(zhǔn))至測(cè)點(diǎn)的井眼長(zhǎng)度。以字母Dm表示，單位為米(m)。井深增量（井段）：下測(cè)點(diǎn)井深與上測(cè)點(diǎn)井深之差。ΔDm表示。

(2)井斜角(α)：

指井眼方向線與重力線之間的夾角。單位為度(°)。井眼方向線：

過(guò)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。井斜角增量(Δα)：

下測(cè)點(diǎn)井斜角與上測(cè)點(diǎn)井斜角之差。Δα＝αB－αA

(3)井斜方位角φ

（井眼方位角、方位角）：

在水平投影圖上，以正北方位線為始邊，順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)到井眼方位線上所轉(zhuǎn)過(guò)的角度。井眼方位線（井斜方位線）：

某測(cè)點(diǎn)處的井眼方向線在水平面上的投影。井斜方位角增量Δφ：

上下測(cè)點(diǎn)的井斜方位角之差。

Δφ＝φB－φA

井斜方位角的變化范圍：0～360°

。井斜方位角的另一種表示方式：象限角：指井斜方位線與正北方位線或與正南方位線之間的夾角。象限角的變化范圍：

0～90之間。磁偏角：磁北方位與正北方位之間的夾角。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－西磁偏角(1)垂直深度Ｄ（垂深）：

軌跡上某點(diǎn)至井口所在水平面的距離。垂深增量稱為垂增(ΔＤ)。(2)水平投影長(zhǎng)度Lp（水平長(zhǎng)度、平長(zhǎng)）：

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（ΔL）。(3)水平位移Ｓ（平移）：

軌跡上某點(diǎn)至井口所在鉛垂線的距離（或：在水平投影面上，軌跡上某點(diǎn)至井口的距離）。平移方位線：

在水平投影面上，井口至軌跡上某點(diǎn)的連線。

國(guó)外將水平位移稱作閉合距。我國(guó)將完鉆時(shí)的水平位移稱為閉合距。二．軌跡的計(jì)算參數(shù)(4)平移方位角θ：平移方位線所在的方位角。

國(guó)外，將平移方位角稱作閉合方位角。

國(guó)內(nèi)，指完鉆時(shí)的平移方位角為閉合方位角。(5)Ｎ坐標(biāo)和Ｅ坐標(biāo)：南北坐標(biāo)軸，以正北方向?yàn)檎粬|西坐標(biāo)軸，以正東方向?yàn)檎?6)視平移Ｖ：

水平位移在設(shè)計(jì)方位線上的投影長(zhǎng)度。(7)井眼曲率K（“狗腿嚴(yán)重度”、“全角變化率”）：

指井眼軌跡曲線的曲率。平均曲率

Kc=30γ/ΔDm“狗腿角”或“全角變化”（γ）：

上、下二測(cè)點(diǎn)的兩條方向線之間的夾角(空間夾角)。狗腿角的計(jì)算：Lubinski公式：

cosγ=cosαA·cosαB+sinαA·sinαB·cos(φB-φA)鉆井行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算公式：

γ=(Δα2+Δφ2·sin2αc)0.5αc=(αA+αB)/2

γ——該測(cè)段的狗腿角，(°)；

Ｋc——該測(cè)段的平均井眼曲率，(°)/30m；

αc——該測(cè)段的平均井斜角，（°）。對(duì)一條空間曲線可以有不同的表示方法。三維坐標(biāo)法：投影圖示法：垂直投影圖+水平投影圖不能反映出真實(shí)的井深和井斜角。柱面圖示法：垂直剖面圖（柱面展開(kāi)圖）+水平投影圖

柱面：設(shè)想經(jīng)過(guò)井眼軌跡上每一個(gè)點(diǎn)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，就形成了垂直剖面圖。可以反映出真實(shí)的井身參數(shù)，如：井深、井斜角、垂深；作圖簡(jiǎn)便。三．井眼軌跡的圖示法１．水平投影圖

投影面：

水平面

坐標(biāo)系：

以井口為原點(diǎn)、Ｎ坐標(biāo)軸、Ｅ坐標(biāo)軸。

表達(dá)的參數(shù)：Ｎ坐標(biāo)值、Ｅ坐標(biāo)值、水平位移S、水平長(zhǎng)度Lp、閉合距、井斜方位角φ、

平移方位角θ、閉合方位角。２．垂直投影圖

投影面：過(guò)設(shè)計(jì)方位線的鉛垂面，即井口和目標(biāo)點(diǎn)所在的鉛垂面。

坐標(biāo)系：原點(diǎn)（井口）、橫坐標(biāo)（視平移）、縱坐標(biāo)（垂深）

表達(dá)的參數(shù)：垂深D、視平移V、井斜的增減趨勢(shì)。3．垂直剖面圖垂直剖面：過(guò)井眼軸線上各點(diǎn)垂線組成的柱面展開(kāi)圖。坐標(biāo)系：原點(diǎn)（井口）、橫坐標(biāo)（水平長(zhǎng)度）、

縱坐標(biāo)（垂深）表達(dá)的參數(shù)：垂深D、水平長(zhǎng)度Lp、井深Dm、井斜角α。第二節(jié)軌跡測(cè)量及計(jì)算目的：掌握井眼軌跡參數(shù)的測(cè)量、計(jì)算、軌跡繪圖方法。一．測(cè)斜方法及測(cè)斜儀簡(jiǎn)介1、測(cè)斜儀分類按工作方式分：?jiǎn)吸c(diǎn)式、多點(diǎn)式、隨鉆測(cè)量（有線、無(wú)線）。按工作原理分：磁性測(cè)斜儀（羅盤）、陀螺測(cè)斜儀（高速陀螺空間指向恒定）。2、測(cè)量?jī)?nèi)容井深Dm、井斜角α

、方位角φ

。3、磁性測(cè)斜儀的工作原理

儀器內(nèi)主要由井斜刻度盤、羅盤、十字?jǐn)[錘、照明和照相系統(tǒng)組成。羅盤的S極始終指北。（1）井斜角的測(cè)量

當(dāng)測(cè)斜儀隨井眼傾斜時(shí)，十字?jǐn)[錘始終指向重力線方向，重力線與儀器軸線的夾角即為井斜角。由擺錘在井斜刻度盤底片上的位置讀取。（2）井斜方位角的測(cè)量

擺錘所在鉛垂線與儀器軸線（井眼方向線）構(gòu)成井斜鉛垂面，該井斜鉛垂面與水平面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放射線與羅盤N極之間的夾角即為井斜方位角。（注意：在井下,羅盤標(biāo)志方位與實(shí)際地理方位相反。）（3）井深測(cè)量：

根據(jù)電纜長(zhǎng)度或鉆柱長(zhǎng)度。1．測(cè)點(diǎn)編號(hào)

測(cè)斜自下而上，測(cè)點(diǎn)編號(hào)自上而下。第一個(gè)井斜角不等于零的測(cè)點(diǎn)作為第一測(cè)點(diǎn)。2．測(cè)段編號(hào)

自上而下編號(hào)。第i-1個(gè)點(diǎn)與第i點(diǎn)之間所夾的測(cè)段為第i測(cè)段。3．第０測(cè)點(diǎn)

第１測(cè)點(diǎn)的井深大于25m時(shí)，第０測(cè)點(diǎn)的井深比第１測(cè)點(diǎn)的井深小25m，且井斜角規(guī)定為零。第１測(cè)點(diǎn)的井深小于或等于25m時(shí)，規(guī)定第０測(cè)點(diǎn)的井深和井斜角均為零。4．若αi=0，則計(jì)算第i測(cè)段時(shí)，φi=φi-1；計(jì)算第i+1測(cè)段時(shí)，φi=φi+1

。二．對(duì)測(cè)斜計(jì)算數(shù)據(jù)的規(guī)定5．在一個(gè)測(cè)段內(nèi)，井斜方位角變化的絕對(duì)值不得超過(guò)180°

φi-φi-1>180°時(shí)，

Δφi=φi-φi-1-360°

φc=(φi+φi-1)/2-180°

φi-φi-1<-180°時(shí)，Δφi=φi-φi-1+360°

φc=(φi+φi-1)/2+180°1、計(jì)算順序：計(jì)算的目的是算出每個(gè)測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)值。從第１個(gè)測(cè)段開(kāi)始，逐段向下進(jìn)行；算出每個(gè)測(cè)段的坐標(biāo)增量；累加求得測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)值。第0測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)值，D0=Dm0,Lp0=0,N0=0,E0=0

。2、計(jì)算內(nèi)容：

測(cè)點(diǎn)：五個(gè)直角坐標(biāo)值(D,Lp,N,E,V)，

兩個(gè)極坐標(biāo)值(S,θ)。

測(cè)段：四個(gè)坐標(biāo)增量(ΔD，ΔLp，ΔN，ΔE)，井眼曲率Ｋc

。3、計(jì)算方法的多樣性

要計(jì)算測(cè)段的四個(gè)坐標(biāo)增量，就必須知道測(cè)段的幾何形狀。而測(cè)斜只能測(cè)上下兩點(diǎn)的參數(shù)，測(cè)段形狀未知。計(jì)算時(shí)只能假設(shè)測(cè)段形狀，假設(shè)不同，計(jì)算方法不同。三．軌跡計(jì)算方法4、計(jì)算方法（1）平均角法：

假設(shè)測(cè)段是一條直線；該直線的方向是上下二測(cè)點(diǎn)處井眼方向的“和方向”（矢量和）。測(cè)段計(jì)算公式：

ΔD=ΔDm·cosαc

ΔLp=ΔDm·sinαc

ΔN=ΔDm·sinαc·cosφcΔE=ΔDm·sinαc·sinφcαc=（αi-1+αi）/2φc=（φi-1+φi）/2（2）圓柱螺線法

假設(shè)測(cè)段形狀為一條等變螺旋角的圓柱螺線；其兩端與上下兩測(cè)點(diǎn)處井眼方向向切。在水平投影圖上是圓弧。在垂直剖面圖上也是圓弧。測(cè)段計(jì)算公式：

ΔD=[2ΔDm·sin(Δα/2)·cosαc]/ΔαΔLp=[2ΔDm·sin(Δα/2)·sinαc]/ΔαΔN=[4ΔDm·sin(Δα/2)·sinαc·sin(Δφ/2)·cosφc]/(Δα·Δφ)ΔE=[4ΔDm·sin(Δα/2)·sinαc·sin(Δφ/2)·sinφc]/(Δα·Δφ)注意：公式中的Δα和Δφ的單位，求三角函數(shù)時(shí)用度，其它情況下用弧度。（3）曲率半徑法美國(guó)人也曾提出了以圓柱螺旋線為模型的測(cè)段參數(shù)計(jì)算方法，稱之為曲率半徑法。其計(jì)算結(jié)果與圓柱螺旋線法相同。只是計(jì)算公式的表達(dá)形式不同。曲率半徑法測(cè)段計(jì)算公式：

ΔD=ΔDm(sinαi-sinαi-1)/ΔαΔLp=ΔDm(cosαi-1-cosαi)/ΔαΔN=ΔDm(cosαi-1-cosαi)(sinφi-sinφi-1)/(Δα·Δφ)ΔE=ΔDm(cosαi-1-cosαi)(cosφi-1-cosφi)/(Δα·Δφ)注意：圓柱螺旋線法和曲率半徑法的公式，在分母位置上都有Δα和Δφ（單位為弧度）。這兩個(gè)增量中任一個(gè)或同時(shí)為零時(shí)，都需要另選公式計(jì)算。為解決這一問(wèn)題，提出了校正平均角法。（4）校正平均角法我國(guó)鉆井行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定使用的方法（校正平均角法）：測(cè)段計(jì)算公式：

ΔD=fD·ΔDm·cosαcΔLp=fD·ΔDm·sinαcΔN=fH·ΔDm·sinαc·cosφcΔE=fH·ΔDm·sinαc·sinφc其中：

fD=1-Δα2/24

fH=1-(Δα2+Δφ2)/24注意：以上二式中的Δα和Δφ的單位為弧度。測(cè)段計(jì)算公式與平均角法公式的形式相似，只是在平均角法公式的基礎(chǔ)上乘以校正系數(shù)fD和fH，因而稱之為校正平均角法。關(guān)于校正平均角法的推導(dǎo)：在曲率半徑法的基礎(chǔ)上，進(jìn)行三角變換：將三角函數(shù)用冪級(jí)數(shù)表示：取前兩項(xiàng)：將以上幾式代入曲率半徑法公式，即可得到校正平均角法的計(jì)算表達(dá)式：第三節(jié)直井防斜技術(shù)井斜的危害：1、在地質(zhì)勘探方面：造成地質(zhì)資料失真；打亂合理的地下井網(wǎng)和開(kāi)發(fā)方案。2、在鉆井施工方面：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)鉆增加成本。3、在開(kāi)發(fā)采油方面：影響分層開(kāi)采；影響修井工作；影響采收率（死油區(qū)）。一．井斜的原因分析

地質(zhì)因素，鉆具因素。1、地質(zhì)因素

地層傾斜和地層可鉆性不均勻性兩個(gè)方面。（1）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。鉆頭總是有向著容易鉆進(jìn)的方向前進(jìn)的趨勢(shì)。地層傾角小于45°時(shí)，鉆頭偏向垂直地層層面的方向。地層傾角超過(guò)60°時(shí)，鉆頭沿著平行地層層面方向下滑，地層傾角在45°～60°之間時(shí)，井斜方向?qū)俨环€(wěn)定狀態(tài)。1、地質(zhì)因素（2）地層可鉆性的縱向變化地層傾斜且軟硬交錯(cuò)，鉆頭偏向垂直地層層面方向。軟地層硬地層硬地層軟地層（3）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。如：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。2、鉆具因素主要因素是鉆具的傾斜和彎曲。引起鉆頭傾斜，在井底形成不對(duì)稱切削。使鉆頭受側(cè)向力的作用，產(chǎn)生側(cè)向切削?！暗撞裤@具組合”(BottomHoleAssembly)，簡(jiǎn)稱BHA。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。3、井眼擴(kuò)大鉆頭在井眼內(nèi)左右移動(dòng)，靠向一側(cè)，鉆頭軸線與井眼軸線不重合，導(dǎo)致井斜。二．滿眼鉆具組合控制井斜由鉆具等引起井斜的原因可歸結(jié)為：①．鉆頭對(duì)井底的不對(duì)稱切削；②．鉆頭軸線相對(duì)于井眼軸線發(fā)生傾斜；③．鉆頭上的側(cè)向力導(dǎo)致對(duì)井底的側(cè)向切削。解決這些問(wèn)題的方法之一是讓鉆具填滿井眼，即：滿眼鉆具組合?；驹恚涸龃笙虏裤@具組合的尺寸和剛度，近似“填滿井眼”，防止鉆柱彎曲和傾斜。方法：在下部鉆具適當(dāng)位置上安裝3～4個(gè)扶正器。扶正器尺寸：Δd=dh-ds=1.0～2.0mm１．YXY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。作用：近扶正器：抵抗側(cè)向力，防止側(cè)向切削和不對(duì)稱切削。中扶正器：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(yán)格計(jì)算。上扶正器：保證鉆具上至少有3個(gè)穩(wěn)定點(diǎn)與井壁接觸，從而保證井眼的直線性。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。二．滿眼鉆具組合控制井斜---第二次課---１．YXY組合“中扶”位置的計(jì)算基本物理模型：一端固定、一端鉸支的縱橫彎曲梁。鉆頭方向與井眼軸線的偏移角：θ=θc+θq。Lp增大，θC減小，θq增大；Lp減小，θC增大，θq減小。存在一個(gè)最優(yōu)的Lp可使θ最小。二．滿眼鉆具組合控制井斜１．YXY組合“中扶”位置的計(jì)算

根據(jù)等截面梁縱橫彎曲理論中的撓度計(jì)算公式和壓桿穩(wěn)定的臨界載荷計(jì)算公式，并進(jìn)行處理求導(dǎo)可得最優(yōu)位置：Lp--中扶距鉆頭的最優(yōu)長(zhǎng)度，m；C--扶正器與井眼的半間隙，C=(dh-ds)/2，m；dh－井眼直徑，m；dm－扶正器外徑，m；E--鉆鋌鋼材的楊氏模量，kN/m2

；J--鉆鋌截面的軸慣性矩，m4

；qm--鉆鋌在鉆井液中的線重，kN/m

；α--允許的最大井斜角，(°)。例題：

已知鉆頭直徑216mm

，扶正器直徑215mm

，鉆鋌鋼材的楊氏模量為2.0594×108kN/m2

，鉆鋌外徑178mm，內(nèi)徑71.4mm

，鉆井液密度1.25g/cm3

，鉆鋌線重1.6kN/m

，允許的最大井斜角3°，求中扶距鉆頭的最優(yōu)長(zhǎng)度。解：根據(jù)給定條件，可求得：

J=（dco4-dci4）/64=0.48×10-4m4,

qm

=1.6（1-d/s）=1.34kN/m,c=（dh-ds）/2=0.0005m

Lp=[(16C·E·J)/(Qm·sinα)]0.25=5.789m。二．滿眼鉆具組合控制井斜3.滿眼鉆具組合的使用(1).只能控制井眼曲率，不能控制井斜角的大小。不能糾斜。(2).“以快保滿，以滿保直”。間隙對(duì)滿眼鉆具組合性能影響顯著。設(shè)計(jì)間隙一般為Δd=dh-ds=0.8～1.6mm。當(dāng)間隙Δd達(dá)到或超過(guò)兩倍的設(shè)計(jì)值時(shí)，應(yīng)及時(shí)更換或修復(fù)扶正器。在井徑擴(kuò)大井段不適用。要搶在井徑擴(kuò)大以前鉆出新的井眼。(3).不宜在井眼曲率大的井段使用。防止卡鉆。(4).在鉆進(jìn)軟硬交錯(cuò)，或傾角較大的地層時(shí)，要注意適當(dāng)減小鉆壓，勤劃眼，以便消除可能出現(xiàn)的“狗腿”。(5).為了發(fā)揮滿眼鉆具的防斜作用，在鉆具上至少要有3個(gè)穩(wěn)定點(diǎn)。即：至少要安放3個(gè)穩(wěn)定器。三.鐘擺鉆具組合控制井斜1.鐘擺鉆具組合的原理

在下部鉆柱的適當(dāng)位置安裝一個(gè)扶正器，當(dāng)發(fā)生井斜時(shí)，該扶正器支撐在井壁上形成支點(diǎn)，使下部鉆柱懸空。則該扶正器以下的鉆柱就好象一個(gè)鐘擺，產(chǎn)生一個(gè)鐘擺力。鉆頭在此鐘擺力的作用下切削下井壁。從而使新鉆的井眼不斷降斜。三.鐘擺鉆具組合控制井斜2、YXY鐘擺鉆具組合設(shè)計(jì)

鉆頭上的鐘擺力：可產(chǎn)生最大鐘擺力的最優(yōu)扶正器安放位置計(jì)算：W----鉆壓，kN；dh----井徑，m；dc----鉆鋌直徑，m?？紤]到扶正器磨損和井徑擴(kuò)大，使用距離比計(jì)算距離適當(dāng)減小。

LS=（0.9～0.95）Lz三.鐘擺鉆具組合控制井斜3.鐘擺鉆具組合的使用(1).多數(shù)用于井斜角較大的井糾斜。直井內(nèi)無(wú)防斜作用.(2).其性能對(duì)鉆壓特別敏感。鉆壓增大，則增斜力增大，鐘擺力減小。使用時(shí)必須嚴(yán)格控制鉆壓。(3).只能使用小鉆壓“吊打”。如果使用大鉆壓,可能形成新的支點(diǎn)。(4).不能有效控制井眼曲率，易形成“狗腿”。(5).間隙對(duì)鐘擺鉆具組合性能的影響比較明顯。四.其它直井方斜技術(shù)1、塔式鉆具（鐘擺原理）。2、偏心鉆鋌（形成公轉(zhuǎn)和鐘擺力）。3、方鉆鋌（滿眼鉆具原理）。4、鉆鋌偏心短節(jié)（形成鉆鋌公轉(zhuǎn)）。第四節(jié)定向井井眼軌道設(shè)計(jì)常規(guī)定向井：b=15°～60°大斜度井：b=60°～85°b----最大穩(wěn)斜角。水平井：b=90°上翹井：b=90°～120°大位移井：水平位移與垂深之比大于2.0。一．定向井軌道分類二維定向井：常規(guī)二維定向井：井段形狀由直線和園弧曲線組成。非常規(guī)二維定向井：除了直線和園弧曲線外，還有某種特殊曲線，如懸鏈線，二次拋物線等。三維定向井：糾偏三維定向井、繞障三維定向井。二．常規(guī)二維定向井軌道設(shè)計(jì)１．設(shè)計(jì)原則(1)能實(shí)現(xiàn)鉆定向井的目的。(2)有利于安全、優(yōu)質(zhì)、快速鉆井。

軌道形狀簡(jiǎn)單，盡量保持較長(zhǎng)的直井段，容易實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)；

盡量減小最大井斜角，以便減小鉆井難度；15°～30°，小傾角定向井；30°～60°，中傾角定向井；大于60°，大傾角定向井。最大井斜角不得小于15°，否則井斜方位不易穩(wěn)定。

選擇合適的造斜點(diǎn)位置；地層：硬度適中，無(wú)坍塌、縮徑、高壓、易漏。深度：根據(jù)垂深、水平位移、剖面類型等確定。垂深大、位移小，造斜點(diǎn)應(yīng)深一些，避免長(zhǎng)穩(wěn)斜段；垂深小、位移大，造斜點(diǎn)應(yīng)淺一些，減小定向施工工作量。選擇合適的井眼曲率；Kc?。涸煨倍伍L(zhǎng)，鉆速低；Kc大：摩阻大，起下鉆、下套管等作業(yè)困難；保持Kc均勻，避免急彎，防止阻卡。保證鉆具順利通過(guò)；Km----起下鉆允許的最大曲率，度/100米；LT----動(dòng)力鉆具長(zhǎng)度，m；db----鉆頭直徑，mm；dT----動(dòng)力鉆具直徑，mm；f----安全間隙值，軟地層f=0；硬地層f=3～6mm。保證下套管順利及考慮套管的彎曲強(qiáng)度：

Kcm----下套管允許的最大曲率，度/100米；

E----鋼材彈性模量，Pa；

dc----套管外徑，mm；s----套管鋼材屈服極限，Pa；

c1----安全系數(shù)，1.2～1.25；

c2----絲扣應(yīng)力集中系數(shù),1.7～2.5；(3)有利于采油工藝的要求；盡量減小井眼曲率，以改善油管和抽油桿的工作條件。盡量以具有較小井斜角的直井段（斜直或垂直）進(jìn)入油氣層。以利于安裝電潛泵，坐封封隔器及其他井下作業(yè)。２．軌道類型

常規(guī)二維定向井軌道有四種類型：

三段式，多靶三段式，五段式和雙增式。----第三次課----3．設(shè)計(jì)條件、內(nèi)容及步驟（1）設(shè)計(jì)條件由地質(zhì)、采油部門提供的要求：目標(biāo)點(diǎn)位置：Dt、St、0目標(biāo)段位置：Dt、St、ΔDmm、αt、0由鉆井工程要求和設(shè)計(jì)原則確定的數(shù)據(jù)：

造斜點(diǎn)深度Dkop

井眼曲率K（2）設(shè)計(jì)內(nèi)容及步驟選擇軌道形狀；給定Dt、St、0，選用三段式；給定Dt、St、ΔDmm、αt、0，選用五段式或多靶三段式；給定Dt、St、ΔDmm、αt、0，且αt較大，用雙增式。確定造斜點(diǎn)位置Dkop；造斜率Kz，降斜率Kn，第二造斜率Kzz；計(jì)算關(guān)鍵參數(shù)：最大井斜角αb、穩(wěn)斜段長(zhǎng)度ΔDmw；計(jì)算各井段井身參數(shù)：ΔD、ΔS、ΔDm；繪制垂直剖面圖和水平剖面圖。4、軌道的設(shè)計(jì)計(jì)算（以五段式軌道為例）已知條件：Dt、St、ΔDmm、αt、0、Dkop、Kz、Kn（1）計(jì)算關(guān)鍵參數(shù)

αb、ΔDmw（如圖）bDtDeSeStDaKefO2O1cgRZtαbαtRnαtDmmDmw令：則：由：得：（2）計(jì)算各井段參數(shù)

增斜段：

穩(wěn)斜段：

降斜段：

目標(biāo)段：5、不同軌道類型的關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算造斜段井眼曲率半徑R的計(jì)算公式：

Kc的單位是（°/30m），R（m）。（1）三段式給定Dt、St、0、Dkop、Kz

時(shí)，計(jì)算αb、ΔDmw；De=Dt-Dkop

Se=StRe=RzΔDmw=(De2+Se2-2·Re·Se)0.5αb=2·arctan[(De-ΔDmw)/(2·Re-Se)]（1）三段式給定Dt、St、0、Dkop、αb

時(shí)，計(jì)算Kz

、ΔDmw；Rz=(Dt-Dkop-St/tanαb)/[tan(αb/2)]Kz=1719/RzΔDmw=(Dt-Dkop-Rz·sinαb)/cosαb給定Dt、St、0、Kz

、αb

時(shí)，計(jì)算

Dkop

、ΔDmw；Dkop=Dt-St/tanαb-Rz·tan(αb/2)ΔDmw=(Dt-Dkop-Rz·sinαb)/cosαb（2）多靶三段式給定：Dt、Dkop、Kz、θo、αt、ΔDmm，計(jì)算：St、ΔDmw、αb；（倒推設(shè)計(jì)法）St=[Dt-Dkop-Rz·tan(αt/2)]·tanαt

ΔDmw=(Dt-Dkop-Rz·sinαb)/cosαb（3）五段式已知條件：Dt、St、ΔDmm、αt、0、Dkop、Kz、Kn中間參數(shù)：De=Dt-Dkop+Rn·sinαt

Se=St+Rn·(1-cosαt)Re=Rz+RnΔDmw=(De2+Se2-2·Re·Se)0.5αb=2·arctan[(De-ΔDmw)/(2·Re-Se)]（4）雙增式軌道給定條件：Dt、St、Dkop、Kz、θo、αt、ΔDmm、Kzz中間參數(shù)：De=Dt-Dkop-Rzz·sinαt

Se=St-Rz+Rzz·cosαt

Re=Rz-Rzz

ΔDmw=(De2+Se2-Re2)0.5αb=2·arctan[(De-ΔDmw)/(Re-Se)]

注意：以上各軌道類型計(jì)算公式中所有符號(hào)的含義見(jiàn)教材圖5-20、5-21、5-22、5-23中的標(biāo)注。尤其是應(yīng)注意不同軌道時(shí)Dt和St的取值。6、井段計(jì)算及設(shè)計(jì)結(jié)果表述

對(duì)每個(gè)井段計(jì)算出段長(zhǎng)、垂增、平增三個(gè)參數(shù)。(1)增斜段

ΔDz=Rz·sinαb

ΔSz=Rz·(1-cosαb)ΔDmz=Rz·αb·π/180(2)穩(wěn)斜段

ΔDmw（關(guān)鍵參數(shù)）已求出。

ΔDw=ΔDmw·cosαbΔSw=ΔDmw·sinαb(3)降斜段

ΔDn=Rn·(sinαb-sinαt)

ΔSn=Rn·(cosαt-cosαb)

ΔDmn=Rn·(αb-αt)·π/180(4)雙增軌道的第二增斜段

ΔDzz=Rzz·(sinαt-sinαb)

ΔSzz=Rzz·(cosαb-cosαt)

ΔDmzz=Rzz·(αt-αb)·π/180

(5)目標(biāo)段

ΔDmm（已知條件）

ΔDm=ΔDmm·cosαt

ΔSm=ΔDmm·sinαt

第五節(jié)定向井造斜工具

及軌跡控制造斜：由垂直井段開(kāi)始鉆出具有一定方位的斜井段的工藝過(guò)程。造斜點(diǎn)：開(kāi)始造斜時(shí)的深度。垂直井段開(kāi)始傾斜的起點(diǎn)。造斜工具：井底動(dòng)力鉆具造斜工具；鉆盤鉆造斜工具。一、井底動(dòng)力鉆具造斜工具動(dòng)力鉆具（井下馬達(dá)）：渦輪鉆具、螺桿鉆具、電動(dòng)鉆具。工作特點(diǎn)：在鉆進(jìn)過(guò)程中，動(dòng)力鉆具外殼和鉆柱不旋轉(zhuǎn)，有利于定向造斜。1、動(dòng)力鉆具造斜工具的種類三種：彎接頭、彎外殼馬達(dá)、偏心墊塊。(1)彎接頭(斜接頭)造斜原理：迫使鉆頭傾斜，造成對(duì)井底的不對(duì)稱切削；井壁迫使彎曲部分伸直，由鉆柱的彈性力使鉆頭產(chǎn)生側(cè)向切削。影響彎接頭造斜率的因素：彎角越大，造斜率越大；一般為0.5°～2.5°。彎曲點(diǎn)以上鉆柱的剛度越大，造斜率越大；彎點(diǎn)至鉆頭的距離越小且重量越小，造斜率越大；鉆速越小，造斜率越高。（2）彎外殼馬達(dá)（原理與彎接頭類似）（3）偏心墊塊杠桿原理，墊塊作為支點(diǎn)。２．渦輪鉆具的結(jié)構(gòu)與特性

結(jié)構(gòu)：如圖。

特性：轉(zhuǎn)速與流量成正比，扭矩與流量的平方成正比，壓降與流量的平方成正比，功率與流量的三次方成正比。流量一定時(shí)，轉(zhuǎn)速隨扭矩的減小而增大?？辙D(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)速達(dá)到最高，所以不應(yīng)當(dāng)用渦輪鉆具進(jìn)行劃眼。２．螺桿鉆具的結(jié)構(gòu)與特性結(jié)構(gòu)：如圖。特性：(1)螺桿鉆具的轉(zhuǎn)速、扭矩、壓力降、功率與流量之間的關(guān)系，與渦輪鉆具相同。(2)螺桿鉆具的扭矩與壓力降成正比。壓力降可從泵壓表上讀出，扭矩則反映所加鉆壓的大小，所以可以看著泵壓表打鉆。根據(jù)泵壓表上的壓力降還可以換算出鉆頭上的扭矩，從而可以較為準(zhǔn)確地求得反扭角。二、轉(zhuǎn)盤鉆造斜工具變向器、射流鉆頭、扶正器組合。１、變向器結(jié)構(gòu)及原理如圖。早期造斜工具。現(xiàn)在僅用于套管內(nèi)開(kāi)窗側(cè)鉆，或不適宜用動(dòng)力鉆具的井內(nèi)。2、射流鉆頭

鉆頭上安放1個(gè)大噴嘴、2個(gè)小噴嘴?？看髧娮焐淞鳑_擊出斜井眼。3、扶正器鉆具組合僅用于已有一定斜度的井眼內(nèi)進(jìn)行增斜、降斜或穩(wěn)斜。(1).增斜組合（杠桿原理）：分為強(qiáng)、中、弱三種增斜組合。鉆壓越大，增斜能力越大；L1越長(zhǎng)，增斜能力越?。唤@頭扶正器直徑減小，增斜能力也減小。使用時(shí)應(yīng)保持低轉(zhuǎn)速。(2)．穩(wěn)斜組合（剛性滿眼鉆具原理）：分為強(qiáng)、中、弱三種穩(wěn)斜組合。使用中要注意保持正常鉆壓和較高轉(zhuǎn)速。可使用雙扶正器串聯(lián)代替近鉆頭扶正器增強(qiáng)穩(wěn)斜效果。(3).降斜組合（鐘擺原理）：----第四次課----分為強(qiáng)、弱兩種降斜組合。使用時(shí)要注意保持小鉆壓和較低轉(zhuǎn)速。對(duì)于強(qiáng)降斜組合，L1越長(zhǎng)，降斜能力越強(qiáng)，但不能與井壁有新的接觸點(diǎn)。三．定向井軌跡控制的基本方法垂直段、造斜段、增斜段、穩(wěn)斜段、降斜段、扭方位井段。1、垂直井段利用防斜打直技術(shù)（滿眼鉆具、鐘擺鉆具）。2、定向造斜段使用動(dòng)力鉆具造斜工具造斜。套管開(kāi)窗側(cè)鉆用變向器。造斜段長(zhǎng)度一般以井斜角達(dá)到8°～10°為準(zhǔn)。3、增斜井段一般用動(dòng)力鉆具定向造斜到一定角度（8°～10°）后，換用轉(zhuǎn)盤鉆利用增斜鉆具組合繼續(xù)增斜。4、穩(wěn)斜井段盡可能使用轉(zhuǎn)盤鉆扶正器鉆具組合進(jìn)行控制。5、扭方位井段轉(zhuǎn)盤鉆扶正器組合不能控制井斜方位。必須用動(dòng)力鉆具造斜工具扭方位。四．扭方位計(jì)算裝置角計(jì)算、動(dòng)力鉆具反扭角計(jì)算、定向方位角計(jì)算。1、裝置角的概念

OA線稱為“高邊方向線”。Ｃ點(diǎn)是鉆頭中心，OC線稱為“裝置方向線”。以高邊方向線為始邊，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)到裝置方向線上所轉(zhuǎn)過(guò)的角度，稱為造斜工具的裝置角。用ω表示。工具面：造斜工具作用方向線與鉆柱軸線構(gòu)成的平面（彎接頭的兩條交叉軸線所在的平面）。裝置角也稱為工具面角。井斜鉛垂面：過(guò)井斜方位線的鉛垂面。高邊方向線：在井底平面上自井眼低邊指向井眼高邊的方向線。裝置方位角：裝置角與井斜方位角之和。以φω表示。ω、φω是裝置角的兩種不同表示形式，ω稱為高邊模式工具面角；φω稱為正北（磁北）模式工具面角。ω是井底平面（斜面）上的角度，不易測(cè)量；φω是水平面上的角度，可以測(cè)量，用于定向。ω、φω在0°～360°內(nèi)變化，順時(shí)針為“+”，逆時(shí)針為“-”。2、裝置角與井斜角、方位角的關(guān)系（1）基本關(guān)系

cosα2=cosα1cosγ-sinα1sinγcosω

cosγ=cosα1cosα2+sinα1sinα2cosΔφtanΔφ=（sinγsinω）/

（sinα1cosγ+cosα1sinγcosω）

（2）ω對(duì)α、φ的影響ω=0°，cosα2=cos（α1+γ），α2=α1+γ，（全增斜）ω=180°，cosα2=cos（α1-γ），α2=α1-γ，

（全降斜）ω=90°，cosα2=cosα1cosγ，α2α1，（近似穩(wěn)斜，90°扭方位）α1=α2，已知Δφ，cosω=-tan（γ/2）/tanα1，（穩(wěn)斜扭方位）0°ω90°+Δω，增斜增方位。90°+Δωω180°，降斜增方位。180°ω270°-Δω，降斜減方位。270°+Δωω360°，增斜減方位。ω=270°目前井斜方位線ω=0°ω=90°ω=180°增方位減方位增斜降斜ΔωΔω3、裝置角的計(jì)算已知條件：目前井斜角α1、方位角φ1；欲達(dá)到的井斜角

α2、方位角φ2；工具造斜率Ｋc。求解內(nèi)容：造斜工具的裝置角ω；達(dá)到要求需要鉆進(jìn)的井段長(zhǎng)度ΔDm

。（1）解析法

cosγ=cosα1cosα2+sinα1sinα2cosΔφ

cosω=(cosα1

cosγ-cosα2)/(sinα1sinγ)ΔDm=30γ/K注意：求ω時(shí)反余弦的定義域?yàn)?°～180°。設(shè)cosω=C，當(dāng)Δφ>0，ω=arccosC

；當(dāng)Δφ<0，ω=-arccosC

上述三個(gè)公式中，共有７個(gè)參數(shù)：α1，α2，Δφ，γ，Ｋ，ω，ΔDm。顯然若已知其中４個(gè)就可求的另外三個(gè)，可根據(jù)扭方位的實(shí)際情況靈活應(yīng)用。（2）圖解法(1)．選擇比例尺，用單位線段長(zhǎng)度表示單位角度，例如，以１厘米代表１°。(2)．選原點(diǎn)O，做射線OQ作為目前井底方位線，在OQ上量取OA=α1。(3)．以Ａ點(diǎn)為圓心，以γ為半徑畫圓。(4)．作線段OB，使∠AOB=Δφ，Δφ為正時(shí)，OB線在OA線的下方；Δφ為負(fù)時(shí)，OB線在OA線的上方。線段OB交圓于B、B′兩點(diǎn)，聯(lián)結(jié)AB和AB′。(5)．∠QAB即為增斜扭方位的裝置角ω；∠QAB′即為降斜扭方位的裝置角ω′。(6)．OB長(zhǎng)度（換算成角度），即為增斜扭方位之后的井斜角α2；OB′長(zhǎng)度（換算成角度），即為降斜扭方位之后的井斜角α2。例題1：已知α1=15°，K=10°/100m，Δφ=22°，要求扭完方位以后的井斜角為18°。試求裝置角ω和扭方位的井段長(zhǎng)度ΔDm。解：由解析公式可求得：

γ=6.88°，ω=75.19°，ΔDm=68.77m。

由圖解法可從圖中量得：

γ=7.9°，ω=75°；并計(jì)算出ΔDm=79m

；例題2：已知α1=15°，K=10°/100m，Δφ=-22°，要求扭完方位以后的井斜角為18°。試求裝置角ω和扭方位的井段長(zhǎng)度ΔDm。解：由解析公式可求得：

γ=6.88°，ω