井眼轨道设计与控制
钻井工程：第五章 井眼轨道设计与轨迹控制
第五章井眼轨道设计与轨迹控制1．井眼轨迹的基本参数有哪些？为什么将它们称为基本参数？08答：井眼轨迹基本参数包括：井深、井斜角、井斜方位角。
这三个参数足够表明井眼中一个测点的具体位置，所以将他们称为基本参数。
2．方位与方向的区别何在?请举例说明。
井斜方位角有哪两种表示方法?二者之间如何换算?答：方位都在某个水平面上，而方向则是在三维空间内(当然也可能在水平面上）.方位角表示方法:真方位角、象限角.3．水平投影长度与水平位移有何区别？视平移与水平位移有何区别?答：水平投影长度是指井眼轨迹上某点至井口的长度在水平面上的投影，即井深在水平面上的投影长度。
水平位移是指轨迹上某点至井口所在铅垂线的距离，或指轨迹上某点至井口的距离在水平面上的投影。
在实钻井眼轨迹上，二者有明显区别,水平长度一般为曲线段，而水平位移为直线段.视平移是水平位移在设计方位上的投影长度.4．狗腿角、狗腿度、狗腿严重度三者的概念有何不同？答：狗腿角是指测段上、下二测点处的井眼方向线之间的夹角（注意是在空间的夹角）。
狗腿严重度是指井眼曲率,是井眼轨迹曲线的曲率.5．垂直投影图与垂直剖面图有何区别？答：垂直投影图相当于机械制造图中的侧视图，即将井眼轨迹投影到铅垂平面上；垂直剖面图是经过井眼轨迹上的每一点做铅垂线所组成的曲面,将此曲面展开就是垂直剖面图。
6．为什么要规定一个测段内方位角变化的绝对值不得超过180 ？实际资料中如果超过了怎么办?答：7．测斜计算，对一个测段来说,要计算那些参数？对一个测点来说，需要计算哪些参数?测段计算与测点计算有什么关系?答：测斜时，对一个测段来说，需要计算的参数有五个：垂增、平增、N坐标增量、E坐标增量和井眼曲率；对一个测点来说，需要计算的参数有七个：五个直角坐标值（垂深、水平长度、N坐标、E坐标、视平移）和两个极坐标（水平位移、平移方位角）。
轨迹计算时，必须首先算出每个测段的坐标增量,然后才能求得测点的坐标值。
第3章 定向井井眼轨道设计
H t H a R1 sin t sin a Lw cos t
•
直线 段增 量公 式
各节点参数计算（将节点以上各段增量累加
即可得到各节点参数） 增斜段取正，降斜段为负
L Lw H Lw cos 下 S L sin w 下
1. 一般会给定的条件
–
目标点的垂深Ht 、水平长度St （井口可移动时相当 于没给定） 、井斜角αt （单靶时无要求）及设计方
位角θ0；
– – –
造斜点井深Ha 及造斜点处的井斜角αa ； 造斜半径R1 和R2 ； 一般情况下，造斜点以上设计成垂直井段，αa=0；如 果使用斜井钻机，则αa≠ 0 ，可根据给定的Ha和αa 计 算出Sa。
O
S αa a R1 O1
四、二维常规轨道设计
Ht
Ha
O2
4. 双增式轨道设计
• 求关键参数αb和Lw
H
R2 b αb c
（接上页）则有：
St
d αt
t
f
Re sin b Lw cos b H e Re cos b Lw cos b Se
Re Se arct an arct an 2 2 2 b He H S R e e e 2 2 2 L H S R e e e w
第2章 定向井井身剖面设计
轨道设计概述 轨道自由度及轨道约束方程 轨道设计的一般步骤 二维常规轨道设计 微曲稳斜轨道设计 待钻轨道设计
1
一、轨道设计概述
1.
• •
设计条件：
一般要给定的有：目标点垂深、水平位移、设计方 位角等； 给定进入目标的要求(例如：目标点或目标段的井斜 角)；
钻井5-井眼轨道设计与控制-课件.ppt
（二）、设计井眼轨道的原则
（1）根据油气田勘探开发要求,保证实现钻井 目的。 （2）根据油气田的构造特征、油气产状，有 利于提高油气产量和采收率，改善投资效益。 （3）在选择造斜点、井眼曲率、最大井斜角 等参数时，有利于钻井、采油和修井作业。 （4）在满足钻井目的的前提下，应尽可能选 择比较简单的剖面类型，力求使设计的斜井深 最短，以减小井眼轨道控制的难度和钻井工作 量，有利于安全、快速钻井、降低钻井成本。
22
三、油气井分类 (按井眼轨道) （1）直井 （Vertical well） 设计井眼轴线为一铅垂线，实钻井眼轴线大体沿
铅垂方向，其井斜角、井底水平位移和全角变化率均 在限定范围内的井。
（2）定向井(Directional well) 沿着预先设计的井眼轨道,按既定的方向偏离井口
垂线一定距离,钻达目标的井。
井斜角增量(Δα)： 下测点井斜角与上测点井斜角
之差。 Δα＝αB－αA
5
(3) 井斜方位角φ
在水平投影图上，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。
井眼方位线（井斜方位线）： 某测点处的井眼方向线在水平面上的投影。
井斜方位角增量Δφ ：上下测点的井斜方位角之差。 Δφ ＝φB－φA
43
直井设计输入内容
44
直井设计输出内容
45
定向井设计输入内容
46
定向井设计输出内容
47
丛式井设计输入内容
假设井眼轨迹是一条空间曲线，则
N(i)
可以用空间直角坐标系来描述。选
取笛卡尔坐标系ＯＮＥＤ。原点Ｏ
o
选在井口处；Ｎ轴指向正北,单位矢
E(j)
量为ｉ；Ｅ轴指向正东，单位矢量
钻井工程3-井眼轨道设计与控制
α
t
（二）井身剖面与精度控制
井身剖面由直井段、造斜段、稳斜段、 增斜段、降斜段和水平段组合而成。
直井段:设计井斜角为零度的井段。 造斜点（Ｄｋｏｐ ）:开始定向造斜的位置 称为造斜点。以该点的井深来表示。 造斜率（Ｒｂ ）:造斜工具的造斜能力,即 该造斜工具所钻出的井段的井眼曲率。
设计师井
29
（二）、设计井眼轨道的原则
（1）根据油气田勘探开发要求,保证实现钻井目的。 （2）根据油气田的构造特征、油气产状，有利于提高 油气产量和采收率，改善投资效益。 （3）在选择造斜点、井眼曲率、最大井斜角等参数时， 有利于钻井、采油和修井作业。 （4）在满足钻井目的的前提下，应尽可能选择比较简 单的剖面类型，力求使设计的测深最短，以减小井眼 轨道控制的难度和钻井工作量，有利于安全、快速钻 井，降低钻井成本。
20
（三）井眼轨道水平投影
1）工具弯角:在造斜钻具 组合中，拐弯处上下两段 的轴线间的夹角。 2）工具面：在造斜钻具 组合中，由弯曲工具的两 个轴线所决定的平面。
21
ON－正北方向线 OE－正东方位线 OA－井底井斜方位线－高边方位线 OB－造斜工具定向方位线 OC－造斜工具的安置方位线 3）反扭角（βr ）：在使用井下动力 钻具进行定向造斜或扭方位时，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。 4）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高边方 B A K源自 ＥＬB ＬA
方位变化率Ｋ ：单位井段的方位变化
9
水平位移、闭合距、闭合方位角的概念
水平位移：井身轨迹某点与井口位置的水平距离
水平井井眼轨迹控制技术探讨
1 井身轨迹控制常规的水平井都由直井段、增斜段和水平段3部分组成。
由直井段末端的造斜段（kop）到钻至靶窗的增斜井段，这一控制过程为着陆控制；在靶体内钻水平段这一控制过程称为水平控制。
水平井的垂直段与常规直井及定向井的直井段控制没有根本区别。
水平井井眼轨道控制的突出特点集中体现在着陆控制和水平控制，设计到一些新的概念指标和特殊的控制方法。
1.1 水平井井眼轨道控制技术的特点水平井钻井技术是定向井技术的延伸和发展。
水平井的井眼轨道控制技术与定向井相比有类似之处，但也有显著差异，体现了水平井轨道控制的突出技术特征。
1.1.1中靶要求高定向井的靶区为目的层上的一个圆形，通称靶圆，靶圆中心称为靶心。
靶心是井身设计轨道中靶的理论位置，而靶圆是考虑到因误差而造成的实钻轨道中靶的允差范围。
一般来说，定向井的目的层越深，其靶圆半径也越大。
例如一口井垂深为1800-2100m的定向井，其靶圆半径通为30-45m，如上所述，水平井的靶体是一个以矩形靶窗为前端面的呈水平或近似水平放置的长方体或与之接近的几何体（拟柱体，棱台等）。
靶窗的高度与油层状况有关，宽度一般是高度的5倍，水平井长度则和水平井的增斜段曲率半径类型有关。
例如，对厚油层，其靶窗高度可达20m，但对薄油层，该高度可小到4m甚至更小。
按我国对石油水平井的规定，水平段井斜角应在86°以上，长、中、短半径3类水平井的水平段长度一般分别不得小于500m，300m，60m 。
很显然，水平井的目标（靶体）比定向井的目标（靶圆）要求苛刻，前者是立体（三维），后者是平面（二维），因此中靶要求更高。
对于水平井来说，井眼轨道进入目标窗口（靶窗）还不够，还要防止在钻水平段的过程中钻头穿出靶体造成脱靶，而对定向井来说，只要保证钻入靶圆即为成功。
1.1.2控制难度大由于上述定向井和水平井的目标性质与要求对比可知，水平井轨道控制难度大于定向井。
而且，由于常规定向井的最大井斜角一般在60°以内，不存在因目的层的地质误差造成脱靶的问题。
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。
5钻井工程理论与技术_第5章井眼轨道设计与轨迹控制
4．校正平均角法
校正平均角法假设测段形状为一条圆柱螺线。 如图5—11所示，圆柱螺线在水平投影图上是圆
弧。圆柱螺线在圆柱面展平平面上也是圆弧， 即垂直剖面图是圆弧。根据这个假设推导的计 算方法，称为“圆柱螺线法”。这是我国著名 学者郑基英教授首先提出的。这种方法与美国 人提出的“曲率半径法”的公式表达不同，但 计算结果是完全相同的。
(7)在一个测段内，井斜方位角的变化的绝 对值不得超过180 °。在具体计算时，还
要特别注意平均井斜方位角Φc的计算方 法。
三、轨迹计算的方法
1．轨迹计算的顺序 轨迹计算的最终要求是算出每个测点的坐标值。
D1＝Do+∆D1 Lp1＝Lpo+∆Lp1 N1＝No+∆N1 E1＝Eo+∆E1 第0测点已知，即：Do＝Dmo，Lpo＝0，No＝0， Eo＝0。
（三）随钻随测
二、对测斜计算数据的规定
我国钻井行业标准对测斜计算数据有以下规定。
(1)测点编号：测斜时虽然是自下而上进行的，测点编
号却是规定自上而下进行，第一个井斜角不等于零的测 点作为第一测点，向下类推编号。每个测点的参数皆以 该点编号作为下标符号。
(2)测段编号：也是自上而下编号。且规定第i一1点与
多点测斜仪：即一次下井可记录井眼轨迹上多个井深处的井斜参 数：井斜角和井斜方位角。多点测斜仪的下入，在裸眼井中用 电缆送入到井底，然后在上提过程中每隔一定长度进行静止测 量，并将数据用照相的办法记录在胶片上，提出后进行冲洗阅 读。多点测斜仪也可在起钻前从钻柱内投入到靠近钻头处，然 后在起钻过程中利用每起一个立柱静止卸扣的时间进行测量和 记录。
第6讲 水平井井眼轨迹控制技术
2. 工具造斜能力误差
» 因受地层、工具面摆放不到位、送钻不均匀及理 论计算误差等影响，工具造斜能力不能准确预测；
3. 轨迹预测误差
» 由于MWD离钻头有一定的距离引起的。
6.2 水平井找油方案
1. 导眼法
» 先打一导眼WD，探知油顶位置和油层厚度， 然后回填至合适高度增斜中靶。
W C
D
A
B
6.2 水平井找油方案
避免、减少井下复杂情况并可在一定程度上加以解除。
» 具体考虑：
• • • 使用“倒装钻柱” ； 为了防止卡钻事故，一般在套管内的钻柱中装震击器； 校核钻机提升能力，并对钻柱强度进行详细校核。
6.4 水平井着陆控制
着陆控制是指从直井段的造斜点开始钻至 油层内的靶窗这一过程。其技术要点有：
1. 工具造斜率的选择“略高勿低”；
第6讲 水平井井眼轨迹控制技术
• 6.1 轨迹控制过程中的误差来源
• 6.2 水平井找油方案 • 6.3 水平井底部钻具组合及钻柱设计 • 6.4 水平井着陆控制 • 6.5 水平井水平段控制
6.1 轨迹控制过程中的误差来源
1. 地质误差
» 地质靶点垂深的误差对水平井着陆控制造成很大 困难，当这种误差较大或在薄油层中钻水平井时 问题更为突出；
2. 应变法
» 以一定的稳斜角探油顶，探知油顶后，直接增 斜中靶，通过稳斜段长短对靶点垂深的补偿作 用消除地质靶点的不确定性
可能油顶位置1 可能油顶位置2 可能油顶位置3
d
opt
t
6.3 水平井底部钻具组合及钻柱设计
1. 底部钻具组合设计
» 水平井底部钻具组合设计的首要原则是造斜率原 则，保证设计组合的造斜率达到设计轨道要求并
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
方位角ψ ：正北顺时针转至轴 线上某点切线在水平面的投影 的夹角。
井眼曲率Rh：单位长度井段井眼轴线的切线所转过的角度。
井斜变化率Rn：单位长度井段井斜角变化值。 垂深Ｄ：井 眼轴线上某 测点至井口 转盘所在平 面的垂直距 离。 方位变化率Ri：单位长度井段方位角变化值。 测深Ｄm：某测点到转盘补 心的井眼轴线实际长度。 井斜角α i ：轴线切 向方向与垂线的夹角。 井深D Ｗ ：转盘补心到 井底的深度。
第五章
第一节 井眼轨道设计的原则和方法
3. 井眼轨道水平投影 1) 工具弯角（θ ｂ）:在造斜 钻具组合中 , 拐弯处上下两段的 轴线间的夹角。 2) 工具面 : 在造斜钻具组合 中 , 由弯曲工具的两个轴线所决 定的平面。 3) 反扭角（β ｒ）:在使用井 下动力钻具进行定向造斜或扭方 位时 , 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。反扭角总是使工具 面逆时针转动。
第三章
第一节 井眼轨道设计的原则和方法
一、基本概念
1 .井眼轨道的基本要素
井眼轨道：表示井眼轴线形状的图形。
其它基本要如下图所示：
第五章
第一节 井眼轨道设计的原则和方法
井底水平位移Sh：井口与井底两点 在水平投影面上的直线距离。 井底闭合方位角Ψ h ：从正北方向 顺时针转至井口与井底的水平投影 连线的夹角。
第五章 第一节 井眼轨道设计的原则和方法
第五章 第一节 井眼轨道设计的原则和方法
与整个井眼相比为小量，其长设为dl，B点的定向要素为 DA+dD、EA+dE、 NA+dN、αA+dα、 ShA+dShA 、 φA +dφ。连接AB两点，AB线段水平投影为AˊBˊ 线段。可以近似地认为：AB弧长=AB线段长= dl。 在垂直投影面中：
αA 、αA+dα在平面AAˊB 内，令∠ AAˊB= α，则
第五章 第一节 井眼轨道设计的原则和方法
6) 装置角（β ）:在启动钻具后且加压钻进时,工具面所 处的角度，与工具面角一样，既可用高边工具面表示，也 7) 安置角（β ｓ）：在启动钻具前,工具面所处的角度。 与工具面角一样，既可用高边工具面表示，也可用磁工具 8) 安全控制圆锥（柱）:以设计井眼轴线为中心所限定的 9) 误差椭球:由测量和计算误差引起的井底位置不确定性 所构成的以井底为中心的椭球体。
第五章
第一节 井眼轨道设计的原则和方法
井眼曲率的计算 1）简单表示法 若AB弧有均匀曲率，则 根据定义：
此时： 方位角不变的井眼轴线
第五章 第一节 井眼轨道设计的原则和方法
对于空间井眼轴线，可以用两个平面来表示
垂直：
水平：
第五章
第一节 井眼轨道设计的原则和方法
空间曲率的计算
设有一空间曲线L，L上点A的定向要素为：DA、EA、 NA、αA 、 φA 、ShA；井深增加到B点，设AB弧
第三章 井眼轨道设计与控制
直井：设计井眼轴线为一铅垂线，其井斜 角、井底水平位移和全角变化率均在限定 范围。 定向井：沿着预先设计的井眼轨道，按既 定方向偏离井口垂线一定距离，钻达一定 目标的井。
井 眼 轨 道
第三章
普通定向井：一个井场内仅有1口最大井斜角小于60°的定向井。
斜直井：用斜直钻机或斜井架完成，自井口开始井眼轨道一直是一段 斜井段的定向井。 大斜度井：最大井斜角在60° ~80°范围内的定向井 水平井：最大井斜角大于或等于86° ，并保持这种井斜角钻完一定长 度段的井。
定 向 井
长曲率半径：6° /30m
中曲率半径：6° ~20° /30m
水平井 中短曲率半径：1° ~20° /30m 短曲率半径：1° ~10°/m
径向水平井：k=∝
丛式井：在一个井场内有计划地钻出两口或两口以上的定向井组，其 中可含1口直井。
多底井（分支井）：一个井口下面有两个或两个以上井底的定向井。
第五章
第一节 井眼轨道设计的原则和方法
2.井身剖面
1) 直井段:设计井斜角为零 2) 造斜点（Ｄｋｏｐ）:开始 定向造斜的位置称为造斜点。 通常以该点的井深来表示。
最大井斜角
直井段 造斜点
增斜段
α
max
降斜段 直井段 斜井深
3) 造斜率（Ｒｂ）:造斜工 具的造斜能力,即该造斜工 具所钻出的井段的井眼曲率。
水平位移
4) 造(增)斜段:井斜角随井
井身在垂直平面内的投影
第五章 第一节 井眼轨道设计的原则和方法
5) 稳斜段:井斜角保持不变的井段。 6) 降斜段: 7) 目标点:设计规定的、必须钻达的地层位置，通常以 地面井口为坐标原点的空间坐标系的坐标值来表示。 8) 靶区及靶区半径（ｒｔ）:包含目标点在内的一个区域 称为靶区。在大斜度井和水平井中，靶区为包含设计井眼 9) 靶心距（ｓｔ）:在靶区平面上,实钻井眼轴线与目标 点之间的距离 。
第五章
第一节 井眼轨道设计的原则和方法
水平投影面中：
水平投影面中：
第五章
第一节 井眼轨道设计的原则和方法
由于： 则： 坐标参数与基本参数间的关系：
第五章
第一节 井眼轨道设计的原则和方法
Rn、Ri对Rh都有影响。
第五章 第一节 井眼轨道设计的原则和方法
四、井眼轨道设计的原则和方法
1. 井眼轨道的类型 设计井眼轴线仅在设计方位线所在铅 二维 垂平面上变化的井眼轨道。 井 井眼 二维井眼轨道由垂直井段、增斜井段、 眼 轨道 稳斜井段和降斜井段组合而成。 轨 道 的 在设计井眼轴线上，既有江斜 类 角变化又有方位角变化的井眼轨道。 三维 型 井眼 三维井眼轨道设计用于绕障井 轨道 和现场待钻修正井眼轨道设计。
第五章 第一节 井眼轨道设计的原则和方法
4)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高边方向；从正北方向线 顺时针转至高边方向在水平面上的投影所转过的角度称 为高边方位角 5)工具面角（βｔ）：造斜工具下到井底以后，工具面所 在的角度。它有两种表示方法：高边工具面角和磁工具 面角。高边工具面角是以高边方向线为始边，顺时针转 到工具面与井底圆平面的交线所转过的角度；磁工具面 角为以正北方向线为始边，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。