定向井井身轨迹最优化方法研究
定向井钻井轨迹设计与控制技术分析
21我国的油气资源在不断的勘探开发过程中，生产开采条件日益恶化，在这种情况下断层遮挡、复杂地层油田区块的勘探开发受到了高度重视，在针对上述油田区在进行开发的过程中定向井钻井技术得到了广泛应用，使得油田开采效率得到全面提升，钻井成本也得到有效控制。
一、定向井直井段轨迹控制技术分析在定向井钻井施工过程中井眼轨迹剖面设计是非常关键的一个环节，只有针对井眼轨迹进行不断完善优化才能充分保障井眼轨迹设计的科学性和合理性，从而实现定向井钻井施工目标。
具体针对定向井井眼轨迹剖面进行优化设计的时候必须要坚持以下一些原则。
优化设计要以实现定向井钻井地质目标为基本出发点，在定向井钻井施工过程中涉及到了穿越多个油层提升勘探效果、避开断层开采剩余油储层、实现在目的层中大范围延伸井眼轨迹增加油藏裸露面积等一些地质目标[1]，与此同时，在钻井施工过程中一旦发生安全事故会对油井正常开采产生严重影响，充分利用定向井钻井技术可以针对目的性进行侧钻来达到勘探开发目标，而如果在实际开发过程中由于地面存在障碍物而导致正常钻井施工无法正常进行，也可以充分利用定向井来实现勘探开采，为了能够最大程度节约钻井施工成本，可以充分利用丛式定向井钻井平台进行钻井施工，这样就能够最大程度减小平台占地面积；在进行造斜点设计的过程中要保证其尽量避开容易出现坍塌、缩径、漏失等事故的地层，而且要将井斜角严格的控制在15~45°之间，如果井斜角设置过大会进一步增加钻井施工难度，甚至会引发钻井安全事故，而如果井斜角设置过小，又会导致在实际断裂使用过程中钻井方位出现不稳定现象。
2.定向井钻井轨道设计在当前在油田钻井施工过程中定向井可以按照施工目的以及具体用途的不同进一步划分为常规定向井、丛式井以及大位移井等几种类型，通常情况下常规定向井水平位移不会超过1km，而且垂直深度处在3km以内；丛式井在实际应用过程中能够最大程度减小井场面积；大位移井通常情况下采取的都是悬链曲线轨道，井眼轨迹在设计过程中主要采取的是高稳斜看一下角和低造斜率。
定向井钻井轨迹设计与控制技术
定向井钻井轨迹设计与控制技术近年来，中国发展迅速，石油在经济快速发展中的重要作用已经显现。
石油不仅可以提炼汽油和柴油，维持汽车和机器的运转，还可以将天然气作为人们生活和工业的重要燃料。
因此，石油勘探开发逐渐增多，石油钻井技术也得到很大发展。
19世纪中后期，石油钻井中定向井钻井技术的首次正式应用。
在工程建设过程中，井眼轨迹控制技术可视为定向井钻井的关键技术。
直井、斜井和稳定斜井段的井眼轨迹控制技术也不同。
总的来说，随着井眼轨迹控制技术的不断改进和完善，定向井轨迹控制水平有了很大的提高。
定向井；轨迹；控制技术引言在油气开采中，定向钻井技术是一种应用广泛的技术，其开采效率和施工质量直接影响油气开采的整体质量。
它在提高天然气和石油开采效率方面发挥着重要作用。
由于使用的地形复杂多变，决定了定向井建设项目对轨道设计和控制的要求更加严格。
影响整个施工过程的最重要因素是轨迹控制的准确性，轨迹设计和轨迹控制对钻井的整体质量起着至关重要的作用。
在石油钻井工程中，在整个定向井施工过程中，轨迹控制技术对整个工程的整体质量具有重要的现实意义。
1 定向井轨迹设计1.1 设计原则第一，实现地质目标是建设的原则。
定向钻井时，钻井的主要目的是使钻井穿过地层中的多个油层，防止井下复杂，地层易坍塌、易漏，或提取井间难以到达的死油气，或钻应急救援井，或在平台上钻定向井，节省占用空间，达到后期管理的目的。
无论哪种定向井，井眼轨迹设计都要首先考虑地质设计。
对于地质设计，如果不能满足设计要求，就无法设计出完美的钻孔轨迹。
第二，是达到安全、优质、高效钻井的目的。
在定向井轨道的设计中，地质目标有望实现。
因此，要实现这一地质目标，需要各种轨道形式。
选择最有利于现场施工难度、最小摩擦力矩和井眼轨迹控制的轨道形式，才能实现安全、优质、高效的定向钻进。
因此，在设计定向井轨迹和确定偏移点时，需要选择地层稳定、易偏移的层位。
第三，满足后期生产的要求。
第三个原则对于满足后期采油的要求至关重要，尽管这两个原则在定向井轨道设计中更为重要。
定向井钻井工艺技术优化措施解析
定向井钻井工艺技术优化措施解析定向井钻井是石油开采中常用的一种技术手段，其通过特殊的钻井技术，可以在地下进行复杂的水平或垂直方向钻探，以获取更多的油气资源。
为了提高定向井钻井工艺的效率和安全性，需要对其进行优化措施的解析，以便更好地应用于实际生产中。
一、钻探井的设计和优化在进行定向井钻井时，首先要对钻井井筒进行合理设计和优化，以确保钻井过程的正常进行和安全性。
1. 井眼轨迹设计井眼轨迹是指井眼的钻进路径，其设计需要充分考虑地质条件、油层分布、钻井设备和施工条件等因素。
通过合理的井眼轨迹设计，可以减少钻井风险，提高钻进效率，降低钻井成本。
2. 钻头选型在定向井钻井中，选择合适的钻头对于提高钻进速度和降低成本都具有重要意义。
根据地质情况和井眼轨迹设计，选择适当的钻头类型和参数，可以有效提高钻井效率，并减少钻头寿命消耗。
3. 钻进液优化钻进液在定向井钻井中起着非常重要的作用，它不仅可以冷却和润滑钻头，还可以将岩屑从井底排出，减少井底阻力，保护油层。
在钻井过程中需要根据地层条件和钻井要求，选择合适的钻进液类型和性能参数，进行优化。
二、钻井工艺优化在定向井钻井中，钻井工艺的优化对于提高钻井效率和降低钻井成本非常重要。
定向井钻井中，钻井液系统的优化是一个重要的环节。
合理选择和配置钻井液设备和系统，能够保证钻井液的性能指标和稳定性，提高施工效率，并减少工艺事故的发生。
2. 钻井参数优化在定向井钻井中，钻井技术的优化是非常关键的一环。
包括改进井下工具的设计和使用，提高井口作业的效率，优化井下动力系统等。
通过钻井技术的优化，可以大大提高施工效率和安全性。
三、井眼轨迹控制技术优化井眼轨迹控制技术是定向井钻井中的核心技术之一，其优化可以大大提高钻井质量和效率。
1. 导向钻头优化导向钻头是定向井钻井中非常关键的装备，它通过改变钻头的方向，使得钻井过程中井眼轨迹得以控制。
对导向钻头的设计和应用进行优化，可以提高钻井稳定性和精度。
定向井钻井技术常见问题与对策分析
定向井钻井技术常见问题与对策分析作为国家发展的重要资源，石油与人们的衣、食、住、行有着密切联系，随着我国城市化建设的加快，石油的需求量不断增加。
定向钻井技术是石油开采的关键核心，其在一定程度上影响着石油的开采效率和开采质量。
因此，对于定向钻井技术的提高与优化十分必要。
本文结合现阶段我国定向钻井技术存在的问题，针对相关问题提出对应的解决策略。
标签：定向井钻井技术;油田开采;常见问题石油属于矿产资源中的能源矿产，其储藏点处于地下，因此，想要实现石油开采便需要借助钻井技术。
定向钻井技术在石油开采过程中具有不可或缺的作用，但由于我国石油开采起步较晚，在钻井技术方面还不够成熟，常常会在勘探过程中受各种因素的影响，从而降低油田开采质量。
因此，应该针对各种影响因素进行研究，从而制定有效的解决策略。
一、定向井钻井技术（1）导向钻井技术我国定向钻井技术以导向钻井技术为主，该技术通过简捷的滑动导向钻井工具，在实际应用过程中具有安全及结构简单特点，滑动导向负荷技术在应用过程中，井眼轨迹调整简单、钻具更换更加快捷，实际使用中，滑动导向技术及旋转复合钻等在转速对比中，旋转复合转优势明显。
（2）PDC钻头技术PDC钻头与导向钻具有复合钻进特点，实际工作中，该技术转速具有可控性，钻具转速稳定性较差，钻头保持高速运转，滑动钻井及旋转结合效果理想，能找到井眼位置，在难度较大的井中应用效果良好，实际应用过程中具有一定的不足之处，因此钻头还存在一定问题，比如定向性不足，还需进行深入改造，从而提升工作的稳定性。
二、定向井钻井技术存在的问题（1）定向仪精度与故障数据测量的准确性对于钻井过程与油田开采具有十分重要的影响，定向精度与仪器故障都会影响测量数据的准确性。
例如，一些螺丝老化脱落的定向仪器会直接造成测量结果出现错误，不能够起到有效的施工指导作用。
不仅如此，数据测量的准确性还受仪器螺杆弯曲程度、地层倾角大小等因素的影响。
测量是钻井前期一项十分重要的准备工作，若测量结果与实际结果偏差较大，不仅会影响到整体钻井的质量，还会造成人力、财力以及时间的浪费，无法实现钻井目的。
定向井轨迹设计计算方法探析
1.井眼轨迹的基本概念1.1定向井的定义定向井是按预先设计的井斜角、方位角及井眼轴线形状进行钻进的井。
（井斜控制是使井眼按规定的井斜、狗腿严重度、水平位移等限制条件的钻井过程）。
1.2井眼轨迹的基本参数所谓井眼轨迹，实指井眼轴线。
测斜：一口实钻井的井眼轴线乃是一条空间曲线。
为了进行轨迹控制，就要了解这条空间曲线的形状，就要进行轨迹测量，这就是“测斜”。
测点与测段：目前常用的测斜方法并不是连续测斜，而是每隔一定长度的井段测一个点。
这些井段被称为“测段”，这些点被称为“测点”。
基本参数：测斜仪器在每个点上测得的参数有三个，即井深、井斜角和井斜方位角。
这三个参数就是轨迹的基本参数。
井深：指井口(通常以转盘面为基准)至测点的井眼长度，也有人称之为斜深，国外称为测量井深(Measure Depth)。
井深是以钻柱或电缆的长度来量测。
井深既是测点的基本参数之一，又是表明测点位置的标志。
井深常以字母Ｌ表示，单位为米(m)。
井深的增量称为井段，以ΔＬ表示。
二测点之间的井段长度称为段长。
一个测段的两个测点中，井深小的称为上测点，井深大的称为下测点。
井深的增量总是下测点井深减去上测点井深。
井斜角：井眼轴线上每一点都有自己的井眼前进方向。
过井眼轴线上的某点作井眼轴线的切线，该切线向井眼前进方向延伸的部分称为井眼方向线。
井眼方向线与重力线之间的夹角就是井斜角。
井斜角常以希腊字母α表示，单位为度(°)。
一个测段内井斜角的增量总是下测点井斜角减去上测点井斜角，以Δα表示。
井斜方位角：井眼轴线上每一点，都有其井眼方位线；称为井眼方位线，或井斜方位线。
井眼轴线上某点处的井眼方向线投影到水平面上，即为该点的井眼方位线（井斜方位线）以正北方位线为始边，顺时针方向旋转到井眼方位线（井斜方位线）上所转过的角度，即井眼方位角。
井斜方位角常以字母θ表示，单位为度(°)。
井斜方位角的增量是下测点的井斜方位角减去上测点的井斜方位角，以Δθ表示。
浅析定向井井眼轨迹优化设计研究
浅析定向井井眼轨迹优化设计研究作者：王德军来源：《中小企业管理与科技·下旬刊》2015年第11期摘要：定向井技术是伴随着勘探开发而不断发展起来的钻井技术。
由于它采用特殊的工艺、测量设备、复杂工具来有效的控制井眼轨迹。
达到我们预先设计的油层段。
近年来由于井场受限，定向井在勘探开发上发挥的作用越来越明显。
关键词：辽河油田;定向井;控制;井眼轨迹;优化1 概述辽河油田新建产能区块受城区、自然保护区等限制，存在征地费用高、钻井实施难度大，必须实施定向井才能开发，定向井辽河油田开始规模应用，降低地面投资，方便生产管理。
定向井井眼轨迹一般由直井段、增斜段、稳斜段、降斜段组成。
我们在定向井钻井轨迹设计时，设计井身结构，方便钻井施工的角度考虑经验轨迹。
在满足钻井工程要求的前提下，应综合考虑后续机械采油设备合理运行及节能降耗等问题，优选井眼轨道剖面类型;优选不同垂深与不同水平位移定向井的造斜点、垂深以及水平位移的合理界限，指导定向井井眼轨道的设计;在三维轨迹条件下，研究作业管柱井下工具串在套管内直线与弯曲通过的临界条件，指导作业管柱工具串配置方案设计，确保作业管柱的施工安全。
2 定向井井眼轨道模拟的数学模型2.1 井身剖面类型对于任意一口定向井，组成井身的所有井段形状都包括;铅垂井段、增斜井段、稳斜井段和降斜井段。
定向井井身剖面类型较多，按目前地质情况，主要考虑四种井身剖面：三段式剖面、五段式剖面、悬链式剖面、抛物线剖面。
2.2 井身剖面曲线的数学模型分别建立了三段式剖面、五段式剖面、双增稳剖面的、悬链线剖面、抛物线剖面等五种井身剖面曲线的数学模型。
2.3 井眼轨道曲线的数值模拟井眼轨道曲线模拟是机械采油杆柱与井下作业管柱力学分析的基础。
一般常用斜深、井斜角、方位角三个基本参数描述井眼轨道曲线，并根据基本参数确定井眼轨道的其它参数。
基本参数：钻井工程上把井深、井斜角和方位角称为基本参数。
已知井眼轨道上某一点的井深、井斜角和方位角，就可以确定其它参数。
定向井井眼轨迹最优化设计方法研究
2- 1 ∗0
K 1max - 5 400/ ( r 1) ∗ 0
K 2max - 5 400/ ( r 2) ∗ 0
Dk max - D k ∗ 0
Dk - D k min ∗ 0
Dd max - Dd ∗ 0
( 4)
Dd - Dd min ∗ 0
Db max - Dk - r 1sin 1 ∗ 0
第 20 卷第 1 期
天然气工业
钻井工程
= 5) 向量 X 的非线性函数, gi ( x ) 可能是非线性函 数, 也可能是线性函数, 因此井眼轨迹优化设计属于
一种非线性约束下的非线性规划问题, 应当寻找一 种求解非线性约束下的非线性规划问题的解法进行
求解。
序列无约束极小化方法( SUM T 法) 即是一种有
双增型剖面井眼轨迹分段数据见表 1。表 1 中 同时给出了应用最优化设计方法和常规设计方法得 到的双增型剖面轨迹分段数据。
表 1 双增型剖面轨迹的分 段数据
最优化设计方法
常规设计方法
井深( m) 井斜角( .) 方位角(.) 井深( m) 井斜角(.) 方位角(.)
0. 00 428. 08 922. 13 3 534. 14 3 833. 09 4 170. 83
对目标函数 F ( x ) 极小化, 即: m inF ( x ) ; x + D R n
x
使满足 p 个不等式约束条件, 即:
gi ( x ) ∗ 0; i = 1, 2, ,, p
所以可以简写为:
min { F ( x )
x + D Rn
|
gi( x )
∗ 0;
i = 1, 2, ,, p }
( 5) 分析式( 4) , 不难得到对应的 F ( x ) 是一个 n ( n
定向井轨迹剖面优化及控制技术
定向井轨迹剖面优化及控制技术定向井的井眼轨迹控制技术是定向井钻井成套技术中的关键环节。
文章介绍了轨迹剖面优化设计，对直井段、增斜段、稳斜段轨迹控制技术进行了详细的阐述，同时对轨迹预测方法和轨迹修正设计技术进行了论述，对现场施工具有一定的指导作用。
标签：轨迹控制;轨迹预测;剖面设计;定向井定向井的井眼轨迹剖面优化和控制技术是定向井钻井成套技术中的关键环节。
定向井施工成败的关键是能否控制井眼轨迹的变化。
1 轨迹剖面优化设计在定向井施工前，首先需要考虑地质条件、钻井目的要求、钻井工艺技术和施工技术水平等的实际情况，设计出该井的井眼轨迹剖面，为钻井施工提供理论依据。
定向井井身剖面的选择对于钻井施工的安全、高效、降低成本起着至关重要，四段制轨迹剖面易形成键槽，岩屑床，起下钻和钻井过程中摩阻扭矩大，易卡钻，给井下安全带来极大隐患。
经过理论计算分析，并结合大庆地质情况，三段制或者五段制井眼轨迹剖面成为大庆定向井施工的首选对象，这两种轨迹剖面具有轨迹短、投资少、效益高、利于井眼轨迹控制等特点。
2 井眼轨迹控制技术2.1 直井段轨迹控制定向井直井段的井眼轨迹控制原则是防斜打直。
有人认为常规定向井（指单口定向井）直井段钻不直影响不大，通过后续的调整最终也可中靶，这种想法是不对的。
因为当钻至造斜点，如果直井段不直，造斜点处不仅因为有一定的井斜角而影响定向造斜的顺利完成，还会因为这个井斜角形成一定的水平位移而影响下一步钻进的井眼轨迹控制。
所以在直井段施工中，采用塔式钻具组合或钟摆钻具组合，配以合理的钻进参数，每钻进100-120米测斜一次，及时监测井斜的变化趋势，如发现井斜有增大趋势，及时调整钻井参数，加密测斜，必要情况下进行螺杆钻具纠斜。
造斜点前100m采取轻压吊打，严格控制钻进参数，保证造斜点处的井斜不超过0.5°。
2.2 造斜段轨迹控制造斜就是从造斜点开始强制钻头偏离垂直方向增斜钻进的过程。
由于大位移水平井直井段多数存在井斜方位，且方位与新设计方位不一致，所以必须利用定向井计算软件计算出直井段各点轨迹参数，同时根据最后几个测点趋势，预测出井底的井斜角和方位角，计算出井底水平位移、垂深、闭合方位、视位移、视垂距等参数。
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定向井井身轨迹最优化方法研究
作者：李超
来源：《中国科技博览》2015年第12期
[摘要]定向井技术常应用于石油钻井、煤层气钻井、煤矿定向透巷等领域，是当今世界最先进的钻井技术之一。
定向井井身轨迹的优劣直接影响着钻井施工的安全程度、施工效率以及成本。
本文主要简单探讨了定向井井身轨迹优化方法的现状、在定量数学模型的基础上提出了井身轨迹最优化的设计思路，详细分析了影响井身轨迹的因素以及井身轨迹的优化方法。
[关键词]定向井井身轨迹优化设计
中图分类号：TE2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）12-0041-01
现有的井身轨迹计算方法很多但其共有的缺点是设计出的轨迹只能满足施工的基本要求却不能从定量的角度肯定是否为一条可行的最优轨迹。
在施工定向井时，井身轨迹走向决定着是否按设计到达目标点。
因此，确定井身轨迹在地下空间的准确位置尤其重要。
对于井身轨迹最优化的研究也十分有必要。
一、井身轨迹最优化设计思路
最优轨迹主要包括以下几点：⑴必须满足现场施工条件的限制；⑵设计出来的轨迹具有最小的井斜变化率和方位变化率、最短的井身长度即满足各种要求下的最短轨迹；⑶必须具有最小的扭矩和摩阻力等。
可见，实现定向井井身轨迹最优化不仅可以缩短钻井周期、降低钻井成本，而且可以使地面和地下条件受到限制的油气资源得到经济、有效的开发，大幅度提高油气产量、保护自然环境，创造显著的经济效益和社会效益，并且能大大减少可能的井下事故，对于整个钻井工程的施工，具有很重要的意义。
二、影响井身轨迹的因素及其优化方法
1、定向井井深轨迹最优化的计算
在定向井井身轨迹的数学模型基础之上，我们需要优化各种计算方法，采用种相对误差较小的方法进行计算，并根据计算的结果，设计出最为合理的井身轨迹和施工方案。
目前，受到技术条件的限制，我们还没有找到可以直接测得井眼内任一点对井口的相对位置的方法，只能根据单点、多点、陀螺、MWD等仪器测出的数据，间接求得井眼内某一点相对于井口的垂直深度、水平位移、南北坐标、东西坐标、水平位移，从而绘出水平投影以及垂直剖面井身轨迹[3]。
目前普遍采用“两点法”来计算相邻两点间的小段井眼中心的垂直深度、水平位移、南北坐标、东西坐标、水平位移。
小段井眼是进行计算的基本单元。
当前，主要采用直线法和曲线法来计算井深轨迹，曲线法要比直线法更合理些，用计算机编程机计算时常采用此法。
2、钻柱起下钻摩擦阻力
钻柱起下摩擦阻力是影响定向井井身轨迹的主要因素之一，它是由钻柱与井壁接触摩擦产生的，可以阻碍钻柱的运动。
起钻时它使钩负荷增大，令起钻困难并易导致钻具事故；下钻时它减少钻柱重力，使钻柱不易入井。
钻柱起下摩擦阻力越小，最优井身轨迹的目标泛函π值就越小，根据我们建立的数学模型可知，π值越小，就越接近最优井身轨迹，所以我们在具体的施工过程中要尽量保证钻柱起下摩擦阻力越小越好。
3、造斜点的选择
造斜点的选取对于定向井的建造有十分重要的意义，是井身轨迹优化的重要方面。
为了钻井施工的方便高效，选择的造斜点一般越浅越好，因为浅层造斜比深层造斜容易些（因为深层地层往往胶结良好）。
应该尽量在大段砂层中造斜，因为砂层的井径稳定，而页岩段教易受到冲蚀。
但是在实际的施工建设中，由于很多现实环境的影响，需要改变一些造斜点的位置，例如在一些比较容易掉块或者是坍塌的地层，造斜点就适宜适当向下移动或者将井径扩大，降低地层对施工的影响。
4、井斜角大小
定向井造斜后的井斜角一般在20°～60°，井斜较小时（5°～20°），井斜和方位都不好控制，井斜大于60°将使钻具摩擦阻力大大增加，从而影响定向井井身轨迹的最优化。
5、地层走势的选择
地城走势对井斜和方位漂移都有很大的影响。
选择最优井位，利用地层的自然漂移趋势，是非常必要的。
在地面条件允许的情况下，应尽量利用地层走势，最大限度地减小井眼漂移。
6、保证测量工作
首先，要用仪器测量井深、井斜角、井斜方位等原始数据来计算定向井井身轨迹，所以要保证测量仪器的精确度。
再次，在测量井深轨迹时，我们往往只知道相邻两个测量点之间的长度而不清楚测段形状，严重影响了井身轨迹的优化。
因此测量人员应该结合设计阶段的坐标系及施工过程具体细节和数据的采集对井身轨迹进行精确测量。
三、结束语
定向井是当今世界石油和煤炭开发领域最常用的井型，实现定向井井身轨迹的最优化，不仅要建立正确的数学模型，更需要在施工过程中根据实际情况不断地改进、调整和完善。
虽然受到很多现实复杂环境的限制但是随着科技的进步以及我们的共同努力，对于定向井井身轨迹的最优化方法将会不断完善，定向井井身轨迹最优化也必将会对经济和社会效益产生更大的影响。
参考文献
[1] 刘绘新.孟英峰.定向井最优井身轨迹研究[J].天然气工业，2004，（02）.
[2] 王庆峰.定向井井身轨迹最优化方法分析[J].科技博览，2014，345.
[3] 杨涛.定向井井身轨迹的计算方法[J].中国煤炭地质，2009，（74-75）.。