定向井及工具
定向井工具简介解析
若需要更强的稳斜组合， 可使用双扶正器串联起来 作为近钻头扶正器。
类型
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
L1
L2
L3
L4
L5
强稳斜 组合
中稳斜 组合
弱稳斜 组合
0.8～1.2 1.0～1.8 1.0～1.8
4.5～6.0 3.0～6.0 4.5
9.0
9.0
9.0
9.0
～ 9.0
～
-----
18.0
27.0
9.0
-----
-----
单位名称－序号
单位名称－序号
15
二、转盘扶正器组合（4）
此类工具不能用于改变井眼方位，仅能在已有一定斜度的井眼内改变井斜，即进 行增斜、降斜或稳斜。
此类工具是在转盘钻的基础上，利用靠近钻头的钻铤部分，巧妙地使用扶正器，得 到各种性能的组合。
20世纪80年代以来，国内外对扶正器钻具组合的研究逐步深入。运用数学、力学和 计算机工具，出现了微分方程法、有限元法、纵横连续梁法、加权余量法等等 方法，且都需要使用较复杂的计算机程序。
定向井常用工具简介
－定向井服务中心－
海洋钻井平台
单位名称－序号
2
定向井常用井下工具
一、马达（PDM）
八、挠性短节（F/J）
二、扶正器（STB）
九、震击器（JAR）
三、非磁钻铤（NMDC）
十、加重钻杆（HWDP）
四、悬挂短节（HOS）
十一、短钻铤（SDC）
五、短非磁钻铤（SNMDC） 六、浮阀（F/V） 七、定向接头（O/S）
第三章---定向井主要钻井工具介绍
第三章定向井主要钻井工具介绍3.1泥浆马达介绍泥浆马达由：驱动头、轴承总成、万向接头、转子、定子和旁通阀组成。
其马达部分由定子和转子组成，泵入钻具的钻井液流经马达推动转子转动后再流经钻头，转子的旋转力传递给钻头带动钻头旋转。
图3-1，井下马达的主要部件。
图3-1井下马达的主要部件图卜h井下马达询主要部件F面以纳维钻具为例分别介绍泥浆马达的各主要部件: 3.1.1旁通阀旁通阀是为了使循环液绕过马达，因此，下钻时可让循环液灌入钻柱；起钻或接钻杆时可让管内液体泻出。
当无循环或低泵量循环时，弹簧使活塞处于上部位置，此时，孔道开启，泥浆可流入钻柱或自钻柱流出。
活塞的动作取决于排量，相当于推荐最大排量的30%寸活塞被下推座于活塞座上，于是孔道被封闭，钻井液径直流经马达如果停泵，弹簧再将活塞顶回到原来上部位置，孔道又被开启。
图3-2旁通阀示意图图3四旁通阀示憲图3.1.2 多级马达目前各类井下马达多为容积式马达，基本由以下两部分组成：①具有螺旋形内腔的橡胶硫化定子。
②螺旋形的钢转子，其表面镀有硬度材料以减少磨损并防止腐蚀。
在定子橡胶和转子抗磨及抗腐蚀金属表面间是连续密封的，所以当泥浆经马达时转子就转动（如图3-3所示）。
,图37 容联式马达赫子和定子剧视图图3-3容积式马达转子和定子剖视图这种马达最大优点是：①钻井扭矩直接和马达产生的压降成正比。
②转子的转速只取决于排量，不受扭矩的影响，因此，当进行钻井作业时，在钻台上就可以确定并控制转速和扭矩。
3.1.3 万向轴转子下端和万向轴总成相连，万向轴可把转子的非同心转动转变为驱动接头的同心转动。
万向轴总成由两个万向接头组成，每个万向接头均以抗油强力橡胶套密封并充满黄油，橡胶套密封的作用旨在使万向接头不受泥浆污染。
3.1.4轴承总成和驱动接头用轴承支撑的驱动接头将马达的转动和扭矩传给钻头。
约有2%的泥浆排量通过并润滑轴承，绝大部分钻井泥浆经径向轴承上面的水槽进入驱动轴并经钻头流出。
定向井定向钻进钻压确定方法
定向井定向钻进钻压确定方法定向井是通过利用特殊的井下工具，使钻头沿着设定的轨道钻达预定目标的一种区别与直井的井型。
作为一种相对复杂的井型，其参数包括井斜、方位、垂深、水平位移、造斜点、狗腿度等，它可以大幅提高油气产量，降低开采成本，使油气资源得以更经济、有效的开发。
目前使用最普遍的井下定向工具为螺杆钻具，螺杆钻具具有转速稳定、过载能力好等特点，在定向井钻井中配合使用带有弯接头的动力钻具，可以有效的提高造斜能力和定向井钻井速度。
螺杆钻具属于容积式（Positive Displacement Motor）井底马达，其工作动力来自钻具进出口液体流动压差做功，带动内部转子旋转，并通过万向轴和传动轴将扭矩和转速传递到钻头上，实现钻进的目的。
螺杆钻具的结构特征。
螺杆钻具基本结构自远钻头至近钻头分为旁通总成、马达总成、万向轴总成和传动轴总成。
旁通总成在起下钻时使环空和钻具内连通，降低下钻时的阻力和起钻时钻具内的液面高度，钻进时在高速钻井液带动下关闭而避免水功率的损失。
马达总成是螺杆钻具的动力源，由定子和转子组成，定子和转子在绕轴线的左旋螺杆上有一些列啮合点，这些啮合点构成一个密封腔，随着螺杆在转动，密封腔也向下移动并最后将能量转换完的低压泥浆排出马达。
由于螺杆钻具一般都具有一定弯度，万向轴总成就是把马达转子工作时的平面行星运动转化为为传动轴额定轴转动，同时将马达的工作扭矩传递给传动轴和钻头；传动轴总成是由壳体、传动轴及各种轴承组成，一方面承受轴向变动载荷，另一方面保证传动轴的正常工作位置。
螺杆钻具工作理论计算。
由于螺杆钻具属于容积式机械钻具，根据水力学原理，其输出功率为排量与压差的乘积，即：式中：—动力钻具理论输出功率，kw—泵排量，L/s—动力钻具压降，MPa根据动力学理论及能量守恒定律，动力钻具输出功率等于钻头上扭矩功率，钻头上扭矩功率为钻头扭矩与钻头转速的乘积，于是可得出如下关系式中：—螺杆钻具理论扭矩N.m—钻头理论角速度Radius/s根据螺杆钻具的容积转换关系，其理论转速与排量关系为式中：—螺杆钻具理论转速R/Sq—螺杆钻具每转排量L/R螺杆钻具转动角速度为通过三式联解：得马达理论扭矩螺杆钻具实际工作分析。
石油钻井行业定向井技术课件
井斜角的变化范围：0～180°
一、定向井基础知识
(3) 方位角φ ： 以正北方位线为始边， 顺时针方向旋转到井眼方位 线上所转过的角度。 井斜方位角增量Δ φ ： 上下测点的井斜方位角之差。 Δ φ ＝φ B－φ A 方位角的变化范围：0～360° （4）靶心距：在靶区平面上，实钻井眼轨迹与目标点之间的距离， 称为靶心距。 （5）全角变化率：“狗腿严重度”，“井眼曲率”都是相同的意 义。指的是在单位井段内前进的方向在三维空间内的角度变化。 单 位为：°／30m、 °／25m 、 °／100m 。
特点：
难度较三段制剖面大，主要原因是 有降斜段。降斜段会增大扭矩、摩阻 （如小水平位移深定向井采用三段式 剖面轨迹难控制）。
一、定向井基础知识
2、三维定向井剖面
三维定向井剖面指在设计的井身剖 面上既有井斜角的变化又有方位角的 变化。 常用于在地面井口位置与设计目 标点之间的铅垂平面内，存在井眼难 以通过的障碍物（如：已钻的井眼、 盐丘等），设计井需要绕过障碍钻达 目标点。 三维绕障设计 纠偏三维设计
一、定向井基础知识
2. 投影图示法
垂直投影图 轨迹在设计方位 线所在的铅垂面上 的投影。 原点：井口 横坐标：视平移 V 纵坐标：垂深 D 缺点：垂直投影图不能真实地反映井深L、 井斜角α和水平位移S 等轨迹参数。 + 水平投影图 轨迹在水平面 上的投影。 原点：井口
坐标轴：N、E
一、定向井基础知识
一、定向井基础知识
（6）造斜率：表示了造斜工具的造斜能力。其值等于用该造斜工 具所钻出的井段的井眼曲率。
（7）水平位移：井眼轴线上任一点，与井口铅直线的距离，称为 该点水平位移，也称该点的闭合距。
（8）视位移：水平位移在设计方位线上投影长度，称为视位移。
常见钻具组合及定向井
一、满眼钻具组合又称刚性配合钻具或刚性满眼钻具,是一种安装在钻柱下部的刚度较大而且井径与钻柱外径之间间隙较小的防止井斜角和井眼曲率变大的一种钻具组合。
刚性满眼钻具一般是由几个外径与钻头直径相近的扶正器与一定长度外径较大的钻铤所组成。
它的防斜原理是在钻头以上的下部钻柱上安装一定数量的扶正器，以扶正合钻铤；提高下部钻柱的刚度，减少其弯曲程度，以消除钻头的严重倾斜，使其能减小和限制由于钻柱弯曲而产生的增斜力，同时扶正器能支撑在井壁上，抗衡地层自然造斜力，以达到控制井斜在最小范围内变化的目的。
为了发挥满眼钻具的防斜作用，在钻具上至少要有三个稳定点，除在靠近钻头处有一个扶正器外，其上面应再安放两个扶正器才能保持有三点接触井壁。
如果只有两点接触，钻柱就能循沿一条曲线，不能保证井眼的直线性。
如果有三点接触，就能保证井眼的直线性和限制钻头的横向移动。
具体如下：1.在垂直或接近垂直的井眼中钻具的防斜作用：当钻具在垂直或接近垂直的井眼中工作时，它的作用是保持井眼沿直线方向加深。
上扶正器能抵消由于上扶正器以上的钻柱弯曲所产生的横向力，使上扶正器以下的钻柱居中，同时也帮助下扶正器抵消地层横向力。
下扶正器的作用抵消地层横向力，限制钻头的横向移动，当地层造斜力不大时，满眼钻具能保持刚直居中状态，使钻头沿铅直方向钻进。
2. 增斜时钻具的防斜作用：当钻进时井斜较大的地层时，满眼钻具能有力地抵抗地层横向力，减小井斜的变化。
在地层横向力的作用下，下扶正器和钻头靠向井壁高的一侧，抵抗地层横向力，限制钻头横向移动。
同时地层横向力势必要扭弯下扶正器上的短钻铤，由于钻铤刚度大，能有力地抵抗此地层的横向力。
中扶正器也帮助中扶正器以下的钻柱抵抗地层横向力。
因此，限制了钻头的横向移动和侧斜。
在已斜井眼内，钻具还有一个纠斜作用，这是由于上扶正器以上的钻铤因自重的作用靠在井壁低侧，并以上扶正器为支点将力下传，作用于上扶正器下的一根钻铤上有一个弯矩，此弯矩使中扶正器靠井壁高的一侧，再以中扶正器为支点将力下传使钻头趋向于井壁低的一侧，产生一个纠斜力。
定向井工具面基础知识
定向井工具面基础知识定向井工具是石油工业中常用的一种工具，它可以帮助钻井工程师在钻井过程中改变井眼的方向和角度。
定向井工具可以实现垂直井眼的转换为水平井眼，或者将水平井眼转换为斜井眼，这样可以帮助钻井工程师从一个位置到达另一个位置，以便更有效地勘探和开采石油储藏层。
定向井工具通常包括测斜仪、导向钻头和悬挂物等部件。
测斜仪可以测量井眼的方向和角度，导向钻头可以改变井眼的方向和角度，而悬挂物则可以将这些工具悬挂在钻杆上，以便在钻井过程中使用。
测斜仪是定向井工具中最重要的部件之一，它可以测量井眼相对于地球表面的方向和角度。
测斜仪通常由一个或多个加速度计组成，这些加速度计可以测量井眼相对于重力的方向和角度。
通过对这些数据进行处理，钻井工程师可以了解井眼的位置和方向，以便调整导向钻头的位置和方向。
导向钻头是定向井工具中最重要的部件之一，它可以改变井眼的方向和角度。
导向钻头通常由一个或多个导向翼组成，这些导向翼可以产生侧向力，将井眼向所需方向偏转。
导向钻头通常由钻头、传感器和控制装置组成，控制装置可以控制导向钻头的运动，以便实现所需的井眼方向和角度。
悬挂物是定向井工具中的重要部件，它可以将测斜仪和导向钻头悬挂在钻杆上，以便在钻井过程中使用。
悬挂物通常由上、下两个部分组成，上部分可以固定在钻杆上，下部分可以固定测斜仪和导向钻头。
在钻井过程中，钻杆可以旋转和推进，测斜仪和导向钻头可以根据所需方向和角度进行调整，以便实现井眼的转向和调整。
总的来说，定向井工具是石油钻井工程中至关重要的一种工具，它可以帮助钻井工程师在钻井过程中实现井眼的转向和调整，以便更有效地勘探和开采石油储藏层。
定向井工具的面基础知识包括测斜仪、导向钻头和悬挂物等部件，以及它们的功能和使用方法。
定向井专用工具解读
(7)、导向总成
导向钻具有单弯钻具和双弯钻具两种。 导向单弯钻具，是在马达下部设置一带角度的短 节，从而使弯曲点尽可能靠近钻头，提高造斜率。 导向双弯钻具，是在单弯钻具的基础上增加一弯 接头，以提高造斜性能，根据其弯曲方向、度数 及联接部位可有多种组合方式。
2、钻具规格及技术参数
(1)钻具表牌说明 (2)技术参数
（7）钻具轴承间隙要求
钻具经过一段时间的使用，必须进行检修，否则 将影响钻具的再次下井使用，判断钻具能否继续 下井使用的一般方法是：钻具除在井口试验正常 外，还要看其推力轴承的磨损程度，可测量主轴 的轴向窜动量，窜动量要在额定范围之内，否则， 钻具必须进行维修。测试方法如下：(如下图)
首先，将钻具用吊卡吊起来，测量并记录不转 动部分的最下端一下径向轴承的下端和驱动接 头之间的间隙尺寸D1。 然后，将钻具座在转盘上，用钻具自身重量压 缩轴承总成，测 量并记录不转动部分的最下 端和驱动接头之间的间隙尺寸D2。 D1—D2即为推力轴承间隙值，见表1。
d.地面检查结束后，用吊钳卡住驱动接头，用 钻头盒将钻头和钻具上紧扣，卸下方钻杆，按 设计的钻具组合把各联接件上紧，要防止粘扣、 错扣，应保证传动轴驱动接头相对于上面的壳 体反时针转动，以防止钻具内部的零件松扣或 脱扣。 使用定向弯接头时，定向弯接头带的定位键必 须和工具面对正，如果在钻头和传动轴之间加 转换接头，建议其长度不超过 250mm 长，否则 将影响轴承寿命及造斜效果，甚至损坏传动轴。
a．组合推力轴承：
用以承受工作状态时的钻压，马达、钻头水眼压 降产生的轴向力及转子、万向轴、传动轴、钻头 重量等各轴向力的合力。
b．径向滑动轴承
它分为上、下两组，主要作用是承受转子作行星 运动引起的弯曲载荷和钻头转动时产生的侧向力， 上径向轴承对钻井液起限流作用，它允许马达流 出钻井液的 5—10％通过轴承组件，起着冷却和润 滑轴承的作用。
1.1.2定向井
第二节 定向井井身剖面设计
设计的最终目的：
• 选择满足要求的井身剖面类型 • 设计剖面结构参数
井身剖面：well profile
所钻井眼达到目标点的井眼 路径或轨迹。又叫井眼轨迹 (well trajectory)
井身剖面的构成
井身剖面是由各种不同类 型的单一形状空间直线段或曲 线段光滑连接而成。常用的曲 线段为圆弧段
井斜角 ———测点处井眼方向
线（切线，指前）与重力 线间
的夹角，度。 Inclination,Inc 方位角 ———测点处正北方向
与井眼方向线的水平面投影线间 的夹角，度， Azimuth,direction,head
第一节 定向井的基本概念
一、定向井的基本要素
N
OO
井斜变化率 ——— 井斜角对井深的变化率， 度/30米 (build rate,drop rate)
一、定向井的测量概述
一、定向井的基本要素
N A
A
E O
B
闭合方位角—在水平投影 图上测点处正北方 向与闭合方位线间 的夹 角，度 (closure azimuth)
第一节 定向井的基本概念
一、定向井的基本要素
N坐标、E坐标和TVD坐标—测点在 以井口为原点的NEHO三维坐标系里 的北（N）、东（E）、垂深（TVD） 三个坐标分量，米。 North, east coordinate 垂深 ——测点的垂直深度，米
假设稳斜段的长度为 L
垂深增量
H Lcos
水平位移增量
S Lsin
北坐标增量
E
N S cos Lsin cos
东坐标
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定向井简介
高边工具面角1——是指 以高边方向为始边，顺时 针转到工具面与井底圆平 面的交线所转过的角度。 又称为重力工具面角 磁工具面角2 ——是指以 磁北为始边，顺时针转到 工具面与井底圆平面的交 线在水平面上的投影线所 转过的角度
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定向井简介
1.井深L——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(MeasureDepth)。 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。 2.垂深D——测点的垂直深度。 3.井斜角 —测点处井眼方向线（切线）与重力线间的 夹角。 4.方位角θ —正北方向至测点处井眼方向线在水平面投 影线间夹角。 5.水平位移—测点至井口所在的铅垂线的距离。(闭合距)
高边工具面角；磁工具面角。
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定向井简介
3）高边——定向井的井 底是个呈倾斜状态的圆平面。 称为井底圆。井底圆上的最 高点称为高边。 从井底圆心至高边之间的 连线所指的方向，称为井底 的“高边方向”。 高边方向在水平面上的投 影称为高边方向线。即井底 的方位 。
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定向井简介
2.地下地质条件的要求： 对于断层遮挡油藏，定向 井比直井可发现和钻穿更 多的油层；对于薄油层， 定向井和水平井比直井的 油层裸露面积要大得多。 另外，侧钻井，多底井， 分支井，大位移井，侧钻 水平井，径向水平井等等 定向井的新种类，显著地 扩大了勘探效果，增加了 油气产量，提高了油气藏 的采收率。
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定向井简介
3.处理井下事故的特殊手 段：当井下落物或断钻事 故最终无法捞出时，可从 上部井段侧钻打定向井； 特别是遇到井喷着火常规 方法难以处理时，在事故 井附近打定向井(• 作救援 称 井)，与事故井贯通，进行 引流或压井，从而可处理 井喷着火事故。
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定向井简介
• 定向井分类
1.常规剖面类型主要有两种： 一种是“直-增-稳”剖面， 在我国现场上称为三段制剖 面; 另一种是“直-增-稳-降稳”剖面，现场上称为“S” 形井眼或“五段制剖面”。
O
AB
C D
A B
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定向井简介
4）反扭角——动力钻具启动前的工具面与启动后且加 压钻进时的工具面之间的夹角，称为反扭角。反扭角总是使 工具面逆时针转动。
影响反扭角的因素 a.动力钻具扭矩的大小： -扭矩越大，反扭角越大； -扭矩与钻具结构、泥浆排量、钻压、地层等因素有关； b.钻柱尺寸和钢材性能： -反扭角与钻柱长度成正比； -与钻柱断面的极截面惯性矩（扭转惯性矩）成反比；与 钻柱钢材的弹性模量成反比；
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14.工具面相关概念
1）工具面——在造斜钻 具组合中，由弯曲工具的 两个轴线所决定的那个平 面，称为工具面。 2）工具面角 φ ——是表 示造斜工具下到井底后， 工具面所在位置的参数 工具面角有两种表示方 法：
定向井简介
• 定义
定向钻井是使井眼沿预先 设计的井眼轴线（井眼轨迹） 钻达预定目标的钻井过程。
定向井—— “按预定设计的具有井斜和方 位变化轨道钻进的井”。
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• 定向井用途（为什么打 定向井？）
1.地面环境条件的限制：当 地面上是高山，湖泊，沼 泽，河流，沟壑，海洋， 农田或重要的建筑物等， 难以安装钻机，进行钻井 作业时，或者安装钻机和 钻井作业费用很高时，为 了勘探和开发它们下面的 油气田，最好是钻定向井。 （征地难度大，为节约井 场）
d K dL
K L
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3）全角变化率——从一点到另一点，井眼前进方向变化的 角度（两点处井眼前进方向线之间的夹角），既反映了井 斜角的变化，又反映了井斜方位角的变化。人们将此角度 称为全角变化值，或称为狗腿角，通常以γ表示。 井段长度不变，狗腿角越大，则井眼前进方向变化的越快， 井眼弯曲越厉害，井眼曲率越大。 全角变化率也称为井眼曲率，又称狗腿严重度(简称为狗 腿度)，都是同一个概念，是指单位长度井段内狗腿角的 大小。 井眼曲率计算方法: 有公式计算法、查图法、图解法、查 表法和尺算法等五种。后四种皆来源于公式计算法。公式 计算法又可分为三套。
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定向井及工具
王瑞城 2013-7
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主要内容
定向井简介 定向工具 测量工具
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13.象限角 井斜方位角还有另一种表 示方式，称“象限角”它是 指井斜方位线与正北方位线 或与正南方位线之间的夹角。 象限角在 0～90度之间变化。 书写时需注明所在的象限， 如N67.5°W。
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象限方位角得校正，更为麻烦。 区别东西磁偏角； 区别在那个象限里；
sin c
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12.磁偏角 目前广泛使用的磁性测斜仪是以地球磁北方位为基准的。 磁北方位与正北分位并不重合而是有个夹角，称为磁偏角。 磁偏角又分为东磁偏角和西磁偏角。东磁偏角指磁北方位线 在正北分位线的东面，西磁偏角指磁北方位线在正北分位线 的西面。用磁性测斜仪测得的井斜方位角称为磁方位角，并 不是真方位角，需要经过换算求得真方位角。这种换算称为 磁偏角校正。换算的方法如下： 真方位角＝磁方位角＋东磁偏角 真方位角＝磁方位角－西磁偏角
定向井简介
第三套计算公式： 这套公式源于沙尼金图解法，其表达式为：
1 2 21 2 cos
2 2
这是任意三角形余弦定理的表达式。
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第一套公式，数学推导严密，是用于各种形状的井眼， 具有普遍性。 第二套公式是建立在假设井段是平面曲线，而且是平面 圆弧曲线的前提下推导，适用于平面曲线的井眼，例如，用 弯曲动力钻具定向钻进钻出的井眼。 第三套公式本身就是近似公式，只能是用于井斜角较小 ，井斜方位角也较小的情况下。 我国定向井标准化委员会制定的标准规定：使用第一套 计算公式。 2 2 2
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一般情况下： 当井斜<6°时，使用磁工具面角定向，此时，定向时要把 工具面摆到设计方位方位。 当井斜≥6°后，磁工具面将转变为高边工具面。此时要 根据下步想要的效果摆放工具面，而不是把工具面摆在设计 方位上。
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1）井斜变化率——以Ｋα表 示，严格地讲，井斜变化 率是井斜角α对井深Ｌ的 一阶导数，可写为： 以增量代替微分，以相邻 二测点间的井斜角变化值 （Δα）与二测点间井段 长度（ΔL）的比值来表示 井斜变化率的。 求得的乃是该测段的平均 井斜变化率
定向井简介
第二套计算公式： 这是Lubinsky先生根据空间平面圆弧曲线推导的。 假定测段是斜面圆弧曲线，则测段的狗腿角γ：
cos cos 1 cos 2 sin 1 sin 2 cos
式中：
2 1
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2.井斜角的大小范围定向井又可分为： 常规定向井 ——井斜角＜55 ° 大斜度井 ——井斜角55 ° ～85° 水平井 ——井斜角＞85°
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da K dL
K L
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2）方位变化率——以Ｋφ表 示。严格地讲，方位变化 率是方位角φ 对井深Ｌ的 一阶导数，可写为： 以增量代替微分，以相邻 二测点间的方位角变化值 （Δφ ）与二测点间井段 长度（ΔL）的比值来表示 方位变化率的。 求得的乃是该测段的平均 方位变化率