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1、钻井工程井眼轨道设计 概概述述井眼轨道：井眼轨道：一口井开钻之前，预先设计的井眼轴线形状。一口井开钻之前，预先设计的井眼轴线形状。直井轨道：直井轨道：过井口的铅垂线过井口的铅垂线定向井轨道：定向井轨道：二维定向井：二维定向井：过井口和目标点的铅锤面上的曲线。过井口和目标点的铅锤面上的曲线。三维定向井：三维定向井：具有不同曲率的空间曲线。具有不同曲率的空间曲线。轨道设计：轨道设计：定向井、水平井、侧钻井、大位移井等。定向井、水平井、侧钻井、大位移井等。井眼轨迹：井眼轨迹：一口井实际钻成后的井眼轴线形状。一口井实际钻成后的井眼轴线形状。轨迹控制：轨迹控制：直井防斜打直；直井防斜打直；特殊工艺井控制
2、井斜和方位，使轨道和轨迹相一致。特殊工艺井控制井斜和方位，使轨道和轨迹相一致。钻井工程井眼轨道设计钻井工程井眼轨道设计直井用途：直井用途：油田开发和勘探。有井斜限制要求。油田开发和勘探。有井斜限制要求。定向井用途：定向井用途：1、地面环境条件的限制、地面环境条件的限制高山、湖泊、沼泽、河流、沟壑、海洋、农田或重要高山、湖泊、沼泽、河流、沟壑、海洋、农田或重要的建筑物等。的建筑物等。2、地下地质条件的要求、地下地质条件的要求断层遮挡油藏、薄油层、倾角较大的地层钻进等。断层遮挡油藏、薄油层、倾角较大的地层钻进等。3、处理井下事故的特殊手段、处理井下事故的特殊手段井下落物侧钻、打救援井等。井下落物侧
3、钻、打救援井等。4、提高油藏采收率的手段、提高油藏采收率的手段钻穿多套油气层、老井侧钻等。钻穿多套油气层、老井侧钻等。钻井工程井眼轨道设计钻井工程井眼轨道设计钻井工程井眼轨道设计钻井工程井眼轨道设计钻井工程井眼轨道设计钻井工程井眼轨道设计钻井工程井眼轨道设计钻井工程井眼轨道设计钻井工程井眼轨道设计钻井工程井眼轨道设计钻井工程井眼轨道设计钻井工程井眼轨道设计钻井工程井眼轨道设计钻井工程井眼轨道设计钻井工程井眼轨道设计钻井工程井眼轨道设计 第一节第一节井眼轨迹的基本概念井眼轨迹的基本概念目的：目的：掌握有关参数的概念及这些参数之间的关系。掌握有关参数的概念及这些参数之间的关系。一、轨迹的基本参数：
4、一、轨迹的基本参数：测量方法：非连续测量、间断测量。测量方法：非连续测量、间断测量。“测段测段”、“测点测点”。井深、井斜角和井斜方位角井深、井斜角和井斜方位角轨迹的三个基本参数轨迹的三个基本参数（1）井深（或称为斜深、侧深）井深（或称为斜深、侧深）井口（通常以转盘面为基准）至测点的井眼长度。井口（通常以转盘面为基准）至测点的井眼长度。以字母以字母表示表示，单位为米（，单位为米（m）。）。井深增量（井段）：井深增量（井段）：下测点井深与上测点井深之下测点井深与上测点井深之差。以差。以表示。表示。钻井工程井眼轨道设计钻井工程井眼轨道设计（2）井斜角井斜角（）：）： 指井眼方向线与重力线之间的夹角
5、。单位为指井眼方向线与重力线之间的夹角。单位为（）井眼方向线：井眼方向线：过井眼轴线上某测点作井眼过井眼轴线上某测点作井眼轴线的切线，该切线向井眼前进轴线的切线，该切线向井眼前进方向延伸的部分称为井眼方向线。方向延伸的部分称为井眼方向线。井斜角增量（）：井斜角增量（）：下测点井斜角与上测点井斜下测点井斜角与上测点井斜角之差。角之差。钻井工程井眼轨道设计（）井斜方位角（井眼方位角、方位角）：（）井斜方位角（井眼方位角、方位角）：在水平投影图上，以正北方在水平投影图上，以正北方位线为始边，顺时针方向旋转位线为始边，顺时针方向旋转到到井眼方位线井眼方位线上所转过的角度。上所转过的角度。井眼方位线（井
6、斜方位线）：井眼方位线（井斜方位线）：某测点处的井眼方向某测点处的井眼方向线在水平面上的投影。线在水平面上的投影。井斜方位角增量：井斜方位角增量：上下测点的井斜方位角之差。上下测点的井斜方位角之差。井斜方位角的变化范围：井斜方位角的变化范围：钻井工程井眼轨道设计（）井斜方位角（）井斜方位角井斜方位角的另一种表示方式：井斜方位角的另一种表示方式：象限角：象限角：指井斜方位线与正北方指井斜方位线与正北方位线或与正南方位线之间的夹角。位线或与正南方位线之间的夹角。象限角的变化范围：象限角的变化范围：之间。之间。磁偏角：磁偏角：磁北方位与正北方位之间的夹角。磁北方位与正北方位之间的夹角。磁偏角校正：磁
7、偏角校正：真方位角真方位角=磁方位角磁方位角+东磁偏角东磁偏角真方位角真方位角=磁方位角磁方位角-西磁偏角西磁偏角钻井工程井眼轨道设计二、轨迹的计算参数二、轨迹的计算参数由基本参数计算得到的参数。由基本参数计算得到的参数。（1）垂直深度）垂直深度D（垂深）：（垂深）：轨迹上某点至井口所在水轨迹上某点至井口所在水平面的距离。垂深增量称为平面的距离。垂深增量称为垂增垂增（）。）。（2）水平投影长度）水平投影长度Lp（水平长度、平长）：（水平长度、平长）：井眼轨迹上某点至井口的长度在水平面上的投影，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。即井深在水平面上的投影长度。水
8、平长度的增量称为水平长度的增量称为平增平增（）钻井工程井眼轨道设计（3）水平位移）水平位移S（平移）：（平移）：轨迹上某点至井口所在轨迹上某点至井口所在的铅垂线的距离，（或：在水平投影面上，轨迹的铅垂线的距离，（或：在水平投影面上，轨迹上某点至井口的距离）。上某点至井口的距离）。平移方位线：平移方位线：在水平投影面上，井口至轨迹上某在水平投影面上，井口至轨迹上某点的连线。国外将水平位移称作点的连线。国外将水平位移称作闭合距闭合距我国将完钻时的水平位移称为我国将完钻时的水平位移称为闭合距闭合距（4）平移方位角）平移方位角：平移方位线所在的方位角。平移方位线所在的方位角。国外：将平移方位角称作国外
9、：将平移方位角称作闭合方位角。闭合方位角。国内：指完钻时的平移方位角为国内：指完钻时的平移方位角为闭合方位角。闭合方位角。钻井工程井眼轨道设计钻井工程井眼轨道设计（5）N坐标和坐标和E坐标：坐标：南北坐标轴，以正北方向为正南北坐标轴，以正北方向为正东西坐标轴，以东北方向为正东西坐标轴，以东北方向为正（6）视平移）视平移V：水平移在水平移在设计设计方位线方位线上的投影长度。上的投影长度。钻井工程井眼轨道设计（7）井眼曲率）井眼曲率K（”狗腿严重度狗腿严重度”、“全角变化率全角变化率”）指井眼轨迹曲线的曲率。指井眼轨迹曲线的曲率。平均曲率平均曲率“狗腿角狗腿角”或或“全角变化全角变化”上下二测点的
10、两条方向线之间的夹角（空间夹角）。上下二测点的两条方向线之间的夹角（空间夹角）。狗腿角的计算：狗腿角的计算：Lubinski公式：公式：钻井工程井眼轨道设计钻井工程井眼轨道设计该测段的狗腿角，（该测段的狗腿角，（）；）；该测段的平均井眼曲率，（该测段的平均井眼曲率，（）/30m;该测段的平均井斜角，该测段的平均井斜角，（）钻井行业标准计算公式：钻井行业标准计算公式：钻井工程井眼轨道设计钻井工程井眼轨道设计柱面图示法：柱面图示法：垂直剖面图垂直剖面图（柱面展开图）（柱面展开图）+水平投影图水平投影图柱面：柱面：设想经过井眼轨迹上每一个点作一条铅垂线，所有设想经过井眼轨迹上每一个点作一条铅垂线，所
11、有这些铅垂线构成的曲面称为柱面。将柱面展平，就形成这些铅垂线构成的曲面称为柱面。将柱面展平，就形成了垂直剖面图。了垂直剖面图。可以反映出真实的井深参数，如：可以反映出真实的井深参数，如：井深、井斜角、垂井深、井斜角、垂深深作图简便作图简便三、井眼轨迹的图示法三、井眼轨迹的图示法对一条空间曲线可以有不同的表示方法。对一条空间曲线可以有不同的表示方法。三维坐标法：三维坐标法：投影图示法：投影图示法：垂直投影图垂直投影图+水平投影图水平投影图不能反映出真实的井深和井斜角。不能反映出真实的井深和井斜角。钻井工程井眼轨道设计1、水平投影图、水平投影图投影面：投影面：水平面水平面坐标系：坐标系：以井口为原
12、点，以井口为原点，N坐标轴、坐标轴、E坐标轴坐标轴表达的参数：表达的参数：N坐标值、坐标值、E坐标值、水平位移坐标值、水平位移S水平长度水平长度Lp、闭合距、井斜方位角、闭合距、井斜方位角平移方位角平移方位角、闭合方位角。、闭合方位角。2、垂直投影图、垂直投影图投影面：投影面：过设计方位线的铅垂面，即井口和目标点所在的过设计方位线的铅垂面，即井口和目标点所在的铅锤面。铅锤面。坐标系：坐标系：原点（井口）、横坐标（视平移）、纵坐标原点（井口）、横坐标（视平移）、纵坐标（垂深）（垂深）表达的参数：表达的参数：垂深垂深D，视平移，视平移V，井斜的增减趋势，井斜的增减趋势钻井工程井眼轨道设计3、垂直剖
13、面图、垂直剖面图垂直剖面：垂直剖面：过井眼轴线上各点垂线组成柱面展开图。过井眼轴线上各点垂线组成柱面展开图。坐标系：坐标系：原点（井口）、原点（井口）、横坐标（水平长度）横坐标（水平长度）、纵坐标（垂深）纵坐标（垂深）表达的参数：表达的参数：垂深垂深D,水平长度水平长度Lp,井深井深,井斜角井斜角a.钻井工程井眼轨道设计钻井工程井眼轨道设计第二节第二节轨迹测量与计算轨迹测量与计算目的：目的：掌握井眼轨迹参数的测量、计算、轨迹绘图方法。掌握井眼轨迹参数的测量、计算、轨迹绘图方法。一、测斜方法及测斜仪简介一、测斜方法及测斜仪简介1、测斜仪分类：、测斜仪分类：按工作方式分：按工作方式分：单点式、多点
14、式、随钻测量（有线、单点式、多点式、随钻测量（有线、无线）无线）按工作原理分：按工作原理分：磁性测斜仪（罗盘）磁性测斜仪（罗盘）陀螺测斜仪（高速陀螺空间指向恒陀螺测斜仪（高速陀螺空间指向恒定）定）2、测量内容：、测量内容：井深井深、井斜角、井斜角a、方位角、方位角钻井工程井眼轨道设计3、磁性测斜仪的工作原理、磁性测斜仪的工作原理仪器内主要由井斜刻度盘、仪器内主要由井斜刻度盘、罗盘、十字摆锤、照明和照罗盘、十字摆锤、照明和照相系统组成，罗盘的相系统组成，罗盘的S始终指始终指北。北。（1）井斜角的测量）井斜角的测量当测斜仪随井眼倾斜时，十字当测斜仪随井眼倾斜时，十字摆锤始终指向重力线方向，重力线摆
15、锤始终指向重力线方向，重力线与仪器轴线的夹角就是与仪器轴线的夹角就是井斜角井斜角，由，由摆锤在井斜刻度盘底片上的位置读摆锤在井斜刻度盘底片上的位置读取。取。钻井工程井眼轨道设计1. Pendulum 2. Circular Glass 3. Compass 4. Pressure equalization 5. Cover glass钻井工程井眼轨道设计（2）井斜方位角的测量）井斜方位角的测量摆锤所在铅垂线与仪器轴线摆锤所在铅垂线与仪器轴线(井井眼方向线眼方向线)构成井斜铅垂面，该井构成井斜铅垂面，该井斜铅垂面与水平面的交线就是井斜斜铅垂面与水平面的交线就是井斜方位线。摆锤在罗盘面上的投影位方
16、位线。摆锤在罗盘面上的投影位置所在的放射线与罗盘置所在的放射线与罗盘N极之间的极之间的夹角即为夹角即为井斜方位角井斜方位角。(注意：在注意：在井下，罗盘标志方位与实际地理方井下，罗盘标志方位与实际地理方位相反。位相反。)（3）井深测量：）井深测量：根据电缆长度或钻柱长度。根据电缆长度或钻柱长度。钻井工程井眼轨道设计4、PrinciplesofMWD随钻测量随钻测量随钻测量随钻测量(Measurement While Drilling)(Measurement While Drilling)(Measurement While Drilling)(Measurement While Drilli
17、ng)是在是在是在是在钻井过程中进行井下信息的实时测量和上传的技术钻井过程中进行井下信息的实时测量和上传的技术钻井过程中进行井下信息的实时测量和上传的技术钻井过程中进行井下信息的实时测量和上传的技术的简称的简称的简称的简称(MWD)(MWD)(MWD)(MWD)。通常意义的通常意义的通常意义的通常意义的MWDMWDMWDMWD仪器系统，主要限于对工程参数仪器系统，主要限于对工程参数仪器系统，主要限于对工程参数仪器系统，主要限于对工程参数( ( ( (井斜，方位，工具面井斜，方位，工具面井斜，方位，工具面井斜，方位，工具面) ) ) )的测量。的测量。的测量。的测量。由井下部分由井下部分由井下部
18、分由井下部分( ( ( (脉冲发生器，驱动电路脉冲发生器，驱动电路脉冲发生器，驱动电路脉冲发生器，驱动电路, , , ,定向测量探定向测量探定向测量探定向测量探管，井下控制器，电源等管，井下控制器，电源等管，井下控制器，电源等管，井下控制器，电源等) ) ) )和地面部分和地面部分和地面部分和地面部分( ( ( (地面传感器，地面传感器，地面传感器，地面传感器，地面信息处理和控制系统地面信息处理和控制系统地面信息处理和控制系统地面信息处理和控制系统) ) ) )组成，以钻井液作为信组成，以钻井液作为信组成，以钻井液作为信组成，以钻井液作为信息传输介质。脉冲发生器有正脉冲、负脉冲和连续息传输介质
19、。脉冲发生器有正脉冲、负脉冲和连续息传输介质。脉冲发生器有正脉冲、负脉冲和连续息传输介质。脉冲发生器有正脉冲、负脉冲和连续脉冲三种，井下电源可分为电池和井下涡轮发电机脉冲三种，井下电源可分为电池和井下涡轮发电机脉冲三种，井下电源可分为电池和井下涡轮发电机脉冲三种，井下电源可分为电池和井下涡轮发电机两类。两类。两类。两类。它是一种测量仪器，而无直接导向钻进的功能。它是一种测量仪器，而无直接导向钻进的功能。它是一种测量仪器，而无直接导向钻进的功能。它是一种测量仪器，而无直接导向钻进的功能。钻井工程井眼轨道设计4、PrinciplesofMWDComponentsofMWDl lDownholeeq
20、uipmentsElectronicsandbatteriesElectronicsandbatteriesPulserPulserl lSurfaceequipmentsTransducerTransducerSurfaceprocessingunitsSurfaceprocessingunits钻井工程井眼轨道设计MWDToolsSensorsaccelerators and accelerators and magnetometers along magnetometers along three orthogonal axesthree orthogonal axesl lAccele
21、rometersAccelerometersmeasurecomponentsofthemeasurecomponentsoftheEarthsgravitationalfiledEarthsgravitationalfiledl lmagnetometersmagnetometersmeasurecomponentsofthemeasurecomponentsoftheEarthsmagneticfiledEarthsmagneticfiledl lBymeasuringtheBymeasuringtheorientationanddirection,orientationanddirect
22、ion,theinclination,azimuthandtheinclination,azimuthandtoolfacecanbedeterminedtoolfacecanbedetermined钻井工程井眼轨道设计二、对测斜计算数据的规定二、对测斜计算数据的规定1、测点编号：、测点编号：测斜自下而上，测点编号自上而下第一个井斜角不测斜自下而上，测点编号自上而下第一个井斜角不等于零的测点作为第一测点等于零的测点作为第一测点2、测段编号：、测段编号：自上而下编号，第自上而下编号，第i1个点与第个点与第i点之间所夹的测段为点之间所夹的测段为第第i测段测段3、第第0测点：测点：第第1测点的井深大
23、于测点的井深大于25m,第第0测点的井深比第测点的井深比第1测点测点的井深小于的井深小于25m,且井斜角规定为零，第且井斜角规定为零，第1测点井深小于测点井深小于或等于或等于25m时，规定第时，规定第0测点的井深和井斜角均为零。测点的井深和井斜角均为零。钻井工程井眼轨道设计4、若、若=0，则计算第则计算第i测段时，测段时，计算第，计算第i+1测段时，测段时，5、在一个测段内，在一个测段内，井斜方位角变化的绝对值不得超过井斜方位角变化的绝对值不得超过180度。度。三、轨迹计算方法三、轨迹计算方法1、计算顺序：、计算顺序：计算的目的是算出每个测点的坐标值；计算的目的是算出每个测点的坐标值；从第从第
24、1个测段开始，逐段向下进行个测段开始，逐段向下进行算出每个测段的坐标增量；累加求得测点的坐标值。算出每个测段的坐标增量；累加求得测点的坐标值。第第0测点的坐标值，测点的坐标值，钻井工程井眼轨道设计2、计算内容：、计算内容：测点：测点：五个直角坐标值（五个直角坐标值（）两个极坐标值（两个极坐标值（）测段：测段：四个坐标增量（四个坐标增量（）井眼曲率井眼曲率3、计算方法的多样性：、计算方法的多样性：要计算测段的四个坐标增量，就必须知道测段的几要计算测段的四个坐标增量，就必须知道测段的几何形状。而测斜只能测上下两点的参数，测段形状未何形状。而测斜只能测上下两点的参数，测段形状未知，计算时只能假设测段
25、形状，假设不同，计算方法知，计算时只能假设测段形状，假设不同，计算方法不同。不同。钻井工程井眼轨道设计4、计算方法：、计算方法：（1）平均角法：）平均角法：假设测段是一条直线；该直线的方向是假设测段是一条直线；该直线的方向是上下两测点处井眼方向的上下两测点处井眼方向的“和方向和方向”（矢量和）。（矢量和）。测段计算公式：测段计算公式：钻井工程井眼轨道设计（2）圆柱螺线法）圆柱螺线法假设测段形状为一条等变螺旋角的圆柱螺线；其假设测段形状为一条等变螺旋角的圆柱螺线；其两端与上下两测点处井眼方向相切。在水平投影图上是两端与上下两测点处井眼方向相切。在水平投影图上是圆弧，在垂直剖面图上也是圆弧。圆弧，
26、在垂直剖面图上也是圆弧。测段计算公式：测段计算公式：注意注意：公式中：公式中和和单位，求三角函数时用单位，求三角函数时用度度，其他，其他情况用情况用弧度弧度。钻井工程井眼轨道设计钻井工程井眼轨道设计（3）曲率半径法）曲率半径法美国人也曾提出了以圆柱螺旋线为模型的测段参数计美国人也曾提出了以圆柱螺旋线为模型的测段参数计算方法，称之为曲率半径法，其计算结果与圆柱螺旋法相算方法，称之为曲率半径法，其计算结果与圆柱螺旋法相同，只是计算公式的表达式不同。同，只是计算公式的表达式不同。曲率半径法曲率半径法测段计算公式：测段计算公式：注意：注意：圆柱螺旋线法与曲率半径法的公式，在分母位置圆柱螺旋线法与曲率半
27、径法的公式，在分母位置上都有上都有和和（单位为（单位为弧度弧度）。这两个增量中）。这两个增量中的任意一个或同时为零，都需要另选公式计算，为解决的任意一个或同时为零，都需要另选公式计算，为解决这一问题，提出了这一问题，提出了校正平均角法。校正平均角法。钻井工程井眼轨道设计（4）校正平均角法）校正平均角法我国钻井行业标准规定使用的方法（校正平均角法）。我国钻井行业标准规定使用的方法（校正平均角法）。测段计算公式：测段计算公式：其中：其中：注意：以上二式中注意：以上二式中和和的单位为的单位为弧度。弧度。测段计算公式与平均角法公式的形式相似，只测段计算公式与平均角法公式的形式相似，只是在平均角法的公式
28、基础上乘上校正系数是在平均角法的公式基础上乘上校正系数和和，因而称之为因而称之为校正平均角法。校正平均角法。钻井工程井眼轨道设计关于校正平均角法的推导：关于校正平均角法的推导：在曲率半径的基础上，进行三角变换：在曲率半径的基础上，进行三角变换：将三角函数用幂级数表示：将三角函数用幂级数表示：取：取：钻井工程井眼轨道设计将以上几式代入曲率半径法公式，即可得到校正平将以上几式代入曲率半径法公式，即可得到校正平均角法计算表达式：均角法计算表达式：钻井工程井眼轨道设计 第三节第三节直井防斜技术直井防斜技术井斜的危害：井斜的危害：1、在地质勘探方面：、在地质勘探方面：造成地质资料失真，打乱合理的造成地质
29、资料失真，打乱合理的地下地下井网和开发方案。井网和开发方案。2、在钻井施工方面：、在钻井施工方面：恶化钻柱工作条件，易造成井壁恶化钻柱工作条件，易造成井壁坍塌和卡钻，易造成固井下套管困难和注水泥窜坍塌和卡钻，易造成固井下套管困难和注水泥窜槽，纠斜侧钻增加成槽，纠斜侧钻增加成本。本。3、在开发采油方面：、在开发采油方面：影响分层开采，影响修井工作，影响分层开采，影响修井工作，影响采收率（死油区）。影响采收率（死油区）。钻井工程井眼轨道设计一、井斜的原因一、井斜的原因地质因素、钻具因素、井眼扩大、钻压等。地质因素、钻具因素、井眼扩大、钻压等。1、地质因素、地质因素地层倾斜地层倾斜和和地层可钻性不均
30、匀地层可钻性不均匀两个方面两个方面（1）地层可钻性各向异性因素）地层可钻性各向异性因素沉积岩特性：垂直层面方向的可钻性高，平行层面沉积岩特性：垂直层面方向的可钻性高，平行层面方向的可钻性低。方向的可钻性低。钻头总是有向着容易钻进的方向前进的趋势。地层钻头总是有向着容易钻进的方向前进的趋势。地层倾角小于倾角小于45度时，钻头偏向垂直地层层面的方向。地层度时，钻头偏向垂直地层层面的方向。地层倾角超过倾角超过60度时，钻头沿着平行地层层面方向下滑，地度时，钻头沿着平行地层层面方向下滑，地层倾角在层倾角在4560度之间时，井斜方向属不稳定状态。度之间时，井斜方向属不稳定状态。钻井工程井眼轨道设计图图5
31、12地层可钻性的各向异性导致井斜地层可钻性的各向异性导致井斜钻井工程井眼轨道设计（2）地层可钻性的纵向变化）地层可钻性的纵向变化地层倾斜且软硬交错，钻头偏向垂直地层层面方向地层倾斜且软硬交错，钻头偏向垂直地层层面方向钻井工程井眼轨道设计（3）地层可钻性的横向变化）地层可钻性的横向变化垂直于钻头轴线方向上可钻性的变化垂直于钻头轴线方向上可钻性的变化如：在钻头的一侧下面钻遇溶洞或较疏松的地如：在钻头的一侧下面钻遇溶洞或较疏松的地层，而另一侧则钻遇较致密的地层。层，而另一侧则钻遇较致密的地层。钻井工程井眼轨道设计2、钻具因素、钻具因素主要原因是钻具的主要原因是钻具的倾斜倾斜和和弯曲弯曲：引起钻头倾斜
32、，在井底形成不对称切削；引起钻头倾斜，在井底形成不对称切削；使钻头受侧向力作用，产生侧向切削。使钻头受侧向力作用，产生侧向切削。“底部钻具组合底部钻具组合”（BottomHoleAssembly）,简称简称BHA导致钻具倾斜和弯曲的原因：导致钻具倾斜和弯曲的原因：钻具和井眼有一定的空隙钻具和井眼有一定的空隙钻压的作用，钻柱受压靠近井壁或发生弯曲钻压的作用，钻柱受压靠近井壁或发生弯曲钻具本身的弯曲，转盘安装不平、井加安装不正等。钻具本身的弯曲，转盘安装不平、井加安装不正等。3、井眼扩大、井眼扩大钻头在井眼内左右移动，靠向一侧，钻头轴线与井眼钻头在井眼内左右移动，靠向一侧，钻头轴线与井眼轴线不重合
33、，导致井斜。轴线不重合，导致井斜。钻井工程井眼轨道设计钻井工程井眼轨道设计二、满眼钻具组合控制井斜二、满眼钻具组合控制井斜由钻具引起井斜的原因可归结为：由钻具引起井斜的原因可归结为：钻头对井底的不对称切削。钻头对井底的不对称切削。钻头轴线相对于井眼轴线发生倾斜钻头轴线相对于井眼轴线发生倾斜 钻头上侧力导致对井底的侧向切削。钻头上侧力导致对井底的侧向切削。解决这些问题的方法之一是让钻具填满井眼，即：解决这些问题的方法之一是让钻具填满井眼，即：满眼钻具组合满眼钻具组合基本原理：基本原理：增大下部钻具的尺寸和刚度，近似增大下部钻具的尺寸和刚度，近似“填满井眼填满井眼”，防，防止止钻柱弯曲和倾斜。钻柱
34、弯曲和倾斜。方法：方法：在下部钻具适当位置上安在下部钻具适当位置上安34个扶正器。个扶正器。扶正器尺寸：扶正器尺寸：钻井工程井眼轨道设计1、YXY组合的结构组合的结构近钻头扶正器、中扶正器、上扶正器、第四扶正器等。近钻头扶正器、中扶正器、上扶正器、第四扶正器等。作用：作用：近扶正器：近扶正器：抵抗侧向力、防止侧向切削和不对称切削抵抗侧向力、防止侧向切削和不对称切削中扶正器：中扶正器：保证中扶正器和钻头之间的钻具不发生弯曲，其保证中扶正器和钻头之间的钻具不发生弯曲，其安放位置需要格计算。安放位置需要格计算。上扶正器：上扶正器：保证钻具上至少有三个稳定点与井壁接触，从而保证钻具上至少有三个稳定点与
35、井壁接触，从而保证井眼的直线性，距中扶保证井眼的直线性，距中扶1钻铤单根。钻铤单根。第四扶正器：第四扶正器：增大下部钻柱的刚度，协助中扶防止钻柱弯曲。增大下部钻柱的刚度，协助中扶防止钻柱弯曲。钻井工程井眼轨道设计二、满眼钻具组合控制井斜二、满眼钻具组合控制井斜2、YXY组合组合“中扶中扶”位置的计算位置的计算基本物理模型：基本物理模型：一端固定，一端铰支的纵横弯曲梁。一端固定，一端铰支的纵横弯曲梁。钻头方向与井眼轴线的偏移角：钻头方向与井眼轴线的偏移角：增大，增大，减小，减小，增大，增大，减小，减小，增大，增大，减小减小存在一个最优的存在一个最优的可使可使最小。最小。钻井工程井眼轨道设计二、满
36、眼钻具组合控制井斜二、满眼钻具组合控制井斜2、YXY组合组合“中扶中扶”位置的计算位置的计算根据等截面梁纵横弯曲理论中的挠度计算公式和压杆稳根据等截面梁纵横弯曲理论中的挠度计算公式和压杆稳定的临界载荷计算公式，并进行处理求导可得最优位置：定的临界载荷计算公式，并进行处理求导可得最优位置：中扶距钻头的最优长度，中扶距钻头的最优长度，m;扶正器与井眼的半间隙，扶正器与井眼的半间隙，m;井眼直井，井眼直井，m；扶正器外径扶正器外径，m;钻铤钢材的杨式模量，钻铤钢材的杨式模量，钻铤的截面的轴惯性矩，钻铤的截面的轴惯性矩，钻铤在钻井液中的线重，钻铤在钻井液中的线重，KN/m;允许的最大井斜角，（允许的最
37、大井斜角，（）钻井工程井眼轨道设计例题：例题：已知钻头直径已知钻头直径216mm,扶正器直径扶正器直径215mm，钻铤，钻铤钢材杨式模量钢材杨式模量，钻铤外径，钻铤外径178mm,内内径径71.4mm,钻井液密度钻井液密度，钻铤线重，钻铤线重1.6KN/m，允许的最大井斜角，允许的最大井斜角3度，求中扶距钻头的最优长度。度，求中扶距钻头的最优长度。解：解：根据给定条件，可求得：根据给定条件，可求得：钻井工程井眼轨道设计二、满眼钻具组合控制井斜二、满眼钻具组合控制井斜3、满眼钻具组合的使用、满眼钻具组合的使用（1）只能控制井眼曲率，不能控制井斜角的大小。不能）只能控制井眼曲率，不能控制井斜角的大
38、小。不能纠斜。纠斜。 （2）“以快保满，以满保直以快保满，以满保直”。间隙对满眼钻具组合性。间隙对满眼钻具组合性能够影响显著。设计间隙一般为能够影响显著。设计间隙一般为当当间隙间隙达到或超过两倍的设计值时，应及时更换或达到或超过两倍的设计值时，应及时更换或修复扶正器。在井径扩大井段不适用。要抢在井径扩大修复扶正器。在井径扩大井段不适用。要抢在井径扩大以前钻出新的井眼。以前钻出新的井眼。（3）不宜在井眼曲率大的井段使用，防止卡钻。）不宜在井眼曲率大的井段使用，防止卡钻。（4）在钻进软硬交错时，或倾角较大的地层时，要注意）在钻进软硬交错时，或倾角较大的地层时，要注意适当减小适当减小钻压，勤划眼，以
39、便消除可能出现的钻压，勤划眼，以便消除可能出现的“狗腿狗腿”。（5）为了发挥满眼钻具的防斜作用，在钻具上至少要有）为了发挥满眼钻具的防斜作用，在钻具上至少要有3个稳定点，即：至少要按个稳定点，即：至少要按3个稳定器。个稳定器。钻井工程井眼轨道设计三、钟摆组合控制井斜三、钟摆组合控制井斜1、钟摆钻具组合的原理、钟摆钻具组合的原理在下部钻柱的适当位置安装一个扶正器，当发生井斜时，在下部钻柱的适当位置安装一个扶正器，当发生井斜时，该扶正器支撑在井壁上形成支点，使下部钻柱悬空。则该扶该扶正器支撑在井壁上形成支点，使下部钻柱悬空。则该扶正器以下的钻柱正器以下的钻柱就好像一个钟摆，就好像一个钟摆，产生一个
40、钟摆力，产生一个钟摆力，钻头在此钟摆力钻头在此钟摆力的作用下切削井的作用下切削井壁。从而使新钻壁。从而使新钻的井眼不断降斜。的井眼不断降斜。钻井工程井眼轨道设计三、钟摆组合控制井斜三、钟摆组合控制井斜2、YXY钟摆钻具组合设计钟摆钻具组合设计钻头上的钟摆力：钻头上的钟摆力：可产生最大钟摆力的最优扶正器安放位置计算：可产生最大钟摆力的最优扶正器安放位置计算：钻压钻压，KN；井径，井径，m;钻铤直径，钻铤直径，m;考虑到扶正器磨损和井径考虑到扶正器磨损和井径扩大，使用距离比计算距离扩大，使用距离比计算距离适当小。适当小。钻井工程井眼轨道设计三、钟摆组合控制井斜三、钟摆组合控制井斜2、钟摆钻具组合使
41、用、钟摆钻具组合使用（1）多数用于井斜角较大的井纠斜。直井内无防斜作用。）多数用于井斜角较大的井纠斜。直井内无防斜作用。（2）其性能对钻压特别敏感。钻压增大，则增斜力增大，其性能对钻压特别敏感。钻压增大，则增斜力增大，钟摆力减小。使用时必须严格控制钻压。钟摆力减小。使用时必须严格控制钻压。（3）只能使用小钻压只能使用小钻压“吊打吊打”。如果使用大钻压，可能。如果使用大钻压，可能形成新的支点。形成新的支点。（4）不能有效控制井眼曲率，易形成）不能有效控制井眼曲率，易形成“狗腿狗腿”。（5）间隙对钟摆钻具组合性能的影响比较明显。）间隙对钟摆钻具组合性能的影响比较明显。钻井工程井眼轨道设计四、其它直
42、井防斜技术四、其它直井防斜技术1、塔式钻具（钟摆钻具）、塔式钻具（钟摆钻具）2、偏心钻铤（形成公转和钟摆力）、偏心钻铤（形成公转和钟摆力）3、方钻铤（满眼钻具组合）、方钻铤（满眼钻具组合）4、钻铤偏心短节（形成钻铤公转）、钻铤偏心短节（形成钻铤公转）5、微机控制自动、微机控制自动垂直钻井系统（垂直钻井系统（VDS）钻井工程井眼轨道设计垂直钻井系统简介垂直钻井系统简介Vertical Drilling System(VDS）The VertiTrak system is designed to keep the top hole vertical without interaction from
43、 surface and without compromising critical drilling parameters (flow rate, WOB or bit speed) while maintaining high ROP along the entire section and avoiding timeconsuming correction runs. An inclinometer monitors any vertical deviation and an integrated oil pump provides hydraulic energy to power s
44、teering ribs on the bearinghousing to push the assembly back to vertical.钻井工程井眼轨道设计Several AdvantagesThe system can create smooth holes without offsets and ledges because there is no bend in the assembly to cause oversize sections and no string rotation to damage the borehole walls and trigger boreh
45、ole stability problems. The resulting improvement in hole quality and the precise wellpath leads to several advantages: Minimal torque and drag in deeper hole sections Precise well placement Reduced wellhead spacing at the surface Improved safety for layout of the casing program Lean casing drilling
46、 with cost savings in drilling mud, casingmaterial, cuttings disposal, etc.1,2 Reduced hole length as the rig can be placed directly above the target without factoring in the formations natural drift tendencies. No need for time-consuming correction runs even in highly dipped formations, fault zones
47、, and salt formations,where it is difficult to control the directional behavior of PDC bits.钻井工程井眼轨道设计第四节第四节定向井井眼轨道设计定向井井眼轨道设计 常规定向井：常规定向井：大斜度井：大斜度井：水平井：水平井：上翘井：上翘井：大位移井：大位移井：水平位移与垂深之比大于水平位移与垂深之比大于2.0一、定向井轨道分类一、定向井轨道分类二维定向井：二维定向井：常规二维定向井常规二维定向井-井段形状由直线和圆弧线组成。井段形状由直线和圆弧线组成。非常规二维定向井：非常规二维定向井：除直线和圆弧曲线外
48、，还有除直线和圆弧曲线外，还有特殊曲线，如：悬链线、二特殊曲线，如：悬链线、二次抛物线等。次抛物线等。三维定向井：三维定向井：纠偏纠偏三维定向井，三维定向井，绕障绕障三维定向井。三维定向井。最大稳斜角最大稳斜角钻井工程井眼轨道设计二、常规二维定向井轨道设计二、常规二维定向井轨道设计1、设计原则、设计原则（1）能实现钻定向井的目的）能实现钻定向井的目的（2）有利于安全、优质、快速钻井）有利于安全、优质、快速钻井轨道形状简单，尽量保证较长的直井段，容易实现钻进轨道形状简单，尽量保证较长的直井段，容易实现钻进尽量减小最大井斜角，以便减小钻井难度尽量减小最大井斜角，以便减小钻井难度，小倾角定向井；，小
49、倾角定向井；，中倾角定向井；，中倾角定向井；大于大于，大倾角定向井；，大倾角定向井；最大井斜角不得小于最大井斜角不得小于15度，否则井斜方位不易稳定。度，否则井斜方位不易稳定。选择合适的造斜点位置。选择合适的造斜点位置。地层：硬度适中，无坍塌、缩径、高压、易漏。地层：硬度适中，无坍塌、缩径、高压、易漏。深度：根据垂深、水平位移、剖面类型等确定。深度：根据垂深、水平位移、剖面类型等确定。垂深大、位移小、造斜点应深一些，避免长稳斜段；垂深大、位移小、造斜点应深一些，避免长稳斜段；垂深小、位移大、造斜点应浅一些，减小定向施工工作量。垂深小、位移大、造斜点应浅一些，减小定向施工工作量。钻井工程井眼轨道
50、设计选择合适的井眼曲率：选择合适的井眼曲率：小，造斜段长，钻速低；小，造斜段长，钻速低；大，摩阻大，大，摩阻大，起下钻、下套管等作业困难；起下钻、下套管等作业困难；保持保持均匀，避免急弯，防止阻卡；均匀，避免急弯，防止阻卡；保证钻具顺利通过。保证钻具顺利通过。起下钻允许的最大曲率，度起下钻允许的最大曲率，度/100m；动力钻具长度，动力钻具长度，m；钻头直径，钻头直径，mm；动力钻具直径，动力钻具直径，mm；安全间隙值，软地层安全间隙值，软地层f=0;硬地层硬地层f=36mm。钻井工程井眼轨道设计保证下套管顺利及考虑套管的弯曲强度：保证下套管顺利及考虑套管的弯曲强度：下套管允许最大曲率，下套管
51、允许最大曲率，0/100m；钢材弹性模量，钢材弹性模量，Pa；套管外径，套管外径，mm；套管钢材屈服极限，套管钢材屈服极限，Pa；安全系数，安全系数，1.21.25；丝扣应力集中系数，丝扣应力集中系数，1.72.5。（3）有利于采油工艺的要求：）有利于采油工艺的要求：尽量减小井眼曲率，以改善油管和抽油杆的工作条件。尽量减小井眼曲率，以改善油管和抽油杆的工作条件。尽量以较小井斜角的直井段（斜直或垂直）进入油气尽量以较小井斜角的直井段（斜直或垂直）进入油气层，以利于安装电潜泵，坐封封隔器及其他井下作业。层，以利于安装电潜泵，坐封封隔器及其他井下作业。钻井工程井眼轨道设计2、轨道类型轨道类型常规二维
52、定向井轨道有四种类型：常规二维定向井轨道有四种类型：三段式三段式多靶三段式多靶三段式五段式五段式双增式双增式钻井工程井眼轨道设计二维定向井轨道形状二维定向井轨道形状钻井工程井眼轨道设计3、设计条件、内容及步骤、设计条件、内容及步骤（1）设计条件）设计条件由地质、采油部门提供的要求：由地质、采油部门提供的要求：目标点位置：目标点位置：目标段位置：目标段位置：由钻井工程要求和设计原则确定的数据：由钻井工程要求和设计原则确定的数据：造斜点深度造斜点深度井眼曲率井眼曲率钻井工程井眼轨道设计（2）设计内容及步骤）设计内容及步骤选择轨道形状：选择轨道形状：给定给定，选用三段式；，选用三段式；给定给定，选用
53、五段式或多靶三段式；，选用五段式或多靶三段式；给定给定，且，且较大，用双增式。较大，用双增式。确定造斜点位置确定造斜点位置，造斜率，造斜率，降斜率，降斜率，第二第二造斜率造斜率；计算关键参数：最大井斜角计算关键参数：最大井斜角，稳斜段长度，稳斜段长度；计算各井段井身参数：计算各井段井身参数：绘制垂直剖面图和水平剖面图。绘制垂直剖面图和水平剖面图。钻井工程井眼轨道设计4、轨道的设计计算：、轨道的设计计算：以五段式轨道为例，以五段式轨道为例，已知：已知：（1）计算关键参数：）计算关键参数：（如图）（如图）钻井工程井眼轨道设计钻井工程井眼轨道设计令：令：则：则：由：由：得：得：钻井工程井眼轨道设计（
54、2）计算各井段参数）计算各井段参数增斜段：增斜段：稳斜段：稳斜段：降斜段：降斜段：目标段：目标段：钻井工程井眼轨道设计5、不同轨道类型的关键参数的计算、不同轨道类型的关键参数的计算造斜段井眼曲率半径造斜段井眼曲率半径计算公式：计算公式：的单位为的单位为（1）三段式）三段式给定给定时，计算时，计算钻井工程井眼轨道设计（1）三段式）三段式给定给定，计算，计算给定给定，计算计算钻井工程井眼轨道设计（2）多靶三段式）多靶三段式给定：给定：计算：计算：（倒推设计法倒推设计法）（3）五段式）五段式已知条件：已知条件：中间参数中间参数：钻井工程井眼轨道设计（4）双增式）双增式给定条件：给定条件：中间参数：中
55、间参数：注意：注意：以上各轨道类型计算公式中所有符号的含义见教以上各轨道类型计算公式中所有符号的含义见教材材图图5-20、5-21、5-22、5-23中的标注，尤其是中的标注，尤其是应注意不同轨道时的应注意不同轨道时的和和的取值。的取值。钻井工程井眼轨道设计6、井段计算及设计结果表示、井段计算及设计结果表示对每个井段计算出段长、垂增、平增三个参数。对每个井段计算出段长、垂增、平增三个参数。（1）增斜段）增斜段（4）双增轨道的第二增斜段）双增轨道的第二增斜段（2）稳斜段）稳斜段（5）目标段）目标段（3）降斜段）降斜段（关键参数）已求出（关键参数）已求出（已知条件）（已知条件）钻井工程井眼轨道设计
56、 第五节第五节定向造斜工具及轨迹控制定向造斜工具及轨迹控制造斜：造斜：由垂直井段开始钻出一定方位的斜井段的工艺过程。由垂直井段开始钻出一定方位的斜井段的工艺过程。造斜点：造斜点：开始造斜时的深度。垂直井段开始倾斜的起点。开始造斜时的深度。垂直井段开始倾斜的起点。造斜工具：造斜工具：井底动力钻具造斜工具；井底动力钻具造斜工具；转盘钻造斜工具。转盘钻造斜工具。一、井底动力钻具造斜工具一、井底动力钻具造斜工具动力钻具（井下马达）：动力钻具（井下马达）：涡轮钻具、螺杆钻具、电动钻具。涡轮钻具、螺杆钻具、电动钻具。工作特点：工作特点：在钻进过程中，动力钻具外壳和钻柱不旋转，在钻进过程中，动力钻具外壳和钻
57、柱不旋转，有利于定向造斜。有利于定向造斜。钻井工程井眼轨道设计、动力钻具造斜工具的种类、动力钻具造斜工具的种类三种：弯接头、弯外壳、偏心垫块。三种：弯接头、弯外壳、偏心垫块。（1）弯接头）弯接头造斜原理：造斜原理：迫使钻头倾斜，造成对井底的不对称切削；迫使钻头倾斜，造成对井底的不对称切削；井壁迫使弯曲部分伸直，钻柱弹性力使钻头产生侧向切削井壁迫使弯曲部分伸直，钻柱弹性力使钻头产生侧向切削弯角越大，造斜率越大；一般为弯角越大，造斜率越大；一般为0.52.5度；度；弯曲点以上的钻柱刚度越大，造斜率越大；弯曲点以上的钻柱刚度越大，造斜率越大；弯点至钻头的距离越小且重量越小，造斜率越大；弯点至钻头的距
58、离越小且重量越小，造斜率越大；钻速越小，造斜率越高。钻速越小，造斜率越高。（2）弯外壳马达）弯外壳马达（原理与弯接头类似）（原理与弯接头类似）（3）偏心垫块）偏心垫块杠杆原理，垫块作为支点。杠杆原理，垫块作为支点。钻井工程井眼轨道设计钻井工程井眼轨道设计二、转盘钻造斜工具二、转盘钻造斜工具变向器、射流钻头和扶正器变向器、射流钻头和扶正器组合。组合。1、变向器、变向器结构及原理如图：结构及原理如图：早期造斜工具早期造斜工具现在仅用于套管内开现在仅用于套管内开窗侧钻，或不适宜用窗侧钻，或不适宜用动力钻具的井内。动力钻具的井内。钻井工程井眼轨道设计2、射流钻头、射流钻头钻头上安装钻头上安装1个大喷嘴
59、，个大喷嘴，2个小喷嘴，个小喷嘴，大喷嘴射流大喷嘴射流冲击出斜井眼。冲击出斜井眼。钻井工程井眼轨道设计3、扶正器钻具组合、扶正器钻具组合仅用于有一定斜度的井眼内进行增斜、降斜和稳斜。仅用于有一定斜度的井眼内进行增斜、降斜和稳斜。（1）增斜组合（）增斜组合（杠杆原理杠杆原理）分为强、中、弱三种增斜组合分为强、中、弱三种增斜组合钻压越大，造斜能力越大；钻压越大，造斜能力越大；越长，增斜能力越小。越长，增斜能力越小。近钻头扶正器直径减小，增斜能力也减小。近钻头扶正器直径减小，增斜能力也减小。使用时应保持低转速。使用时应保持低转速。增斜钻增斜钻具组合具组合钻井工程井眼轨道设计（2）稳斜组合（）稳斜组合
60、（刚性满眼钻具原理刚性满眼钻具原理）：）：分为强、中、弱三种稳斜组合分为强、中、弱三种稳斜组合使用中注意保持正常的钻压和较高的转速。使用中注意保持正常的钻压和较高的转速。可使用双扶正器串联代替近钻头扶正器增强稳斜效果。可使用双扶正器串联代替近钻头扶正器增强稳斜效果。稳斜钻稳斜钻具组合具组合钻井工程井眼轨道设计（3）降斜组合（）降斜组合（钟摆原理钟摆原理）：）：分为强、弱两种降斜组合分为强、弱两种降斜组合使用中注意保持小钻压和较低的转速。使用中注意保持小钻压和较低的转速。对于强降斜组合，对于强降斜组合，越长，降斜能力越强，但不能越长，降斜能力越强，但不能与井壁有新的接触点。与井壁有新的接触点。降
61、斜钻降斜钻具组合具组合钻井工程井眼轨道设计三、定向井轨迹控制的基本方法三、定向井轨迹控制的基本方法垂直段、造斜段、增斜段、稳斜段、降斜段、扭方位等。垂直段、造斜段、增斜段、稳斜段、降斜段、扭方位等。1、垂直井段、垂直井段利用防斜打直技术（满眼钻具、钟摆钻具）。利用防斜打直技术（满眼钻具、钟摆钻具）。2、定向造斜段、定向造斜段使用动力钻具造斜工具造斜，套管开窗侧钻用变向器，使用动力钻具造斜工具造斜，套管开窗侧钻用变向器，造斜段长度一般以井斜角达到造斜段长度一般以井斜角达到810度为准度为准。3、增斜井段、增斜井段一般用动力钻具定向造斜到一定角度（一般用动力钻具定向造斜到一定角度（810度）后，度
62、）后，换用转盘钻利用增斜钻具组合继续增斜。换用转盘钻利用增斜钻具组合继续增斜。4、稳斜井段、稳斜井段尽可能使用转盘钻扶正器钻具组合进行控制。尽可能使用转盘钻扶正器钻具组合进行控制。5、扭方位井段、扭方位井段转盘钻扶正器组合不能控制井斜方位，必须利用动力钻具转盘钻扶正器组合不能控制井斜方位，必须利用动力钻具造斜工具扭方位。造斜工具扭方位。钻井工程井眼轨道设计四、扭方位的计算四、扭方位的计算装置角的计算装置角的计算动力钻具反扭角的计算动力钻具反扭角的计算定向方位角的计算。定向方位角的计算。1、装置角的概念、装置角的概念OA线称为线称为“高边方向高边方向线线”，C点点是钻头中心，是钻头中心，OC线称
63、为线称为“装置方位线装置方位线”。以高边方向线为始边，以高边方向线为始边，顺时针旋转到装置方向线顺时针旋转到装置方向线所转过的角度，称为所转过的角度，称为“造造斜工具装置角斜工具装置角”。用。用w表示。表示。钻井工程井眼轨道设计工具面：工具面：造斜工具作用方向线与钻柱轴线构成的平面（弯接头造斜工具作用方向线与钻柱轴线构成的平面（弯接头的两条交叉轴线所在的平面）。的两条交叉轴线所在的平面）。装置角也称工具面角。装置角也称工具面角。井斜铅锤面：井斜铅锤面：过井斜方位线的铅锤面。过井斜方位线的铅锤面。高边方向线：高边方向线：井底平面上自井眼低边指向井眼高边的方向线。井底平面上自井眼低边指向井眼高边的
64、方向线。装置方位角：装置方位角：装置角与井斜方位角之和。以表示。装置角与井斜方位角之和。以表示。是装置角的两种不同表现形式，称为高边模式是装置角的两种不同表现形式，称为高边模式工具面角，称为正北（磁北）模式工具面角。工具面角，称为正北（磁北）模式工具面角。是井底平面（斜面）上的角度，不易测量。是井底平面（斜面）上的角度，不易测量。是水平面上的角度，可以测量，用于定向。是水平面上的角度，可以测量，用于定向。在在0360度度内变化，顺时针为内变化，顺时针为“+”，逆时针为，逆时针为“-”钻井工程井眼轨道设计2、装置角与井斜角、方位角的关系、装置角与井斜角、方位角的关系（1）基本关系：）基本关系：钻
65、井工程井眼轨道设计（2）w对对的影响的影响全增斜全增斜全降斜全降斜近似稳斜近似稳斜90度扭方位度扭方位稳斜扭方位稳斜扭方位增斜增方位增斜增方位降斜增方位降斜增方位降斜减方位降斜减方位增斜减方位增斜减方位钻井工程井眼轨道设计钻井工程井眼轨道设计3、装置角的计算、装置角的计算已知条件：目前井斜角已知条件：目前井斜角，方位角，方位角；欲达井斜角欲达井斜角，方位角，方位角；工具造斜率；工具造斜率。求解内容：造斜工具装置角求解内容：造斜工具装置角w,所要钻进井段的长度所要钻进井段的长度。（1）解析法）解析法注意注意：求：求w时反余弦的定义域为时反余弦的定义域为0180度度。设设上述三个公式中，共有上述三
66、个公式中，共有7个参数：个参数：显然若已知其中四个就可以求另外三个，可根据扭方位的实显然若已知其中四个就可以求另外三个，可根据扭方位的实际情况灵活运用。际情况灵活运用。钻井工程井眼轨道设计（2）图解法）图解法（1）选择比例尺，用单位线段长度表示单位角度，例如：）选择比例尺，用单位线段长度表示单位角度，例如：1厘厘米代表米代表1度。度。（2）选原点为）选原点为O，作斜线，作斜线OQ作为目前井底方位线，在作为目前井底方位线，在OQ上量取上量取OA=（3）以）以A点为圆心，以点为圆心，以r为半径画圆。为半径画圆。（4）作线段）作线段OB，使，使，为正时，为正时，OB线在线在OA线下方；线下方；为负时
67、，为负时，OB线在线在OA线上方；线段线上方；线段OB交圆交圆于于B，B两点，联结两点，联结AB,AB。（5）即为增斜扭方位的装置角即为增斜扭方位的装置角w，即为降斜扭即为降斜扭方位的方位的装置角装置角w。（6）OB长度（换算成角度），长度（换算成角度），即为增斜扭方位后井斜角即为增斜扭方位后井斜角OB长度（换算成角度），长度（换算成角度），即为降斜扭方位后的井斜角。即为降斜扭方位后的井斜角。钻井工程井眼轨道设计钻井工程井眼轨道设计例题：例题：已知已知要求扭完方位以后的井斜角为要求扭完方位以后的井斜角为18度，度，试求装置角试求装置角w和扭方位的井段长度和扭方位的井段长度。解：解：由解析公式可
68、求得：由解析公式可求得：由图解法可从图中量得：由图解法可从图中量得：钻井工程井眼轨道设计例题例题2：已知已知要求扭完方位以后的井斜角为要求扭完方位以后的井斜角为18度，度，试求：装置角试求：装置角w和扭方位的井段长度和扭方位的井段长度。解：解：由解析公式可求得：由解析公式可求得：由图解法可从图中量得：由图解法可从图中量得：钻井工程井眼轨道设计4、图解法求装置角、图解法求装置角w的原理的原理由图解法的步骤及图示可以看出：由图解法的步骤及图示可以看出：根据图示法假设：根据图示法假设：根据解析基本关系式，根据解析基本关系式，且考虑：且考虑：当当和和很小时：很小时：将图解法与解析基本关系式进行比较可以
69、看出将图解法与解析基本关系式进行比较可以看出注意：注意：图解法只适用图解法只适用和和较小时的情况。较小时的情况。钻井工程井眼轨道设计4、动力钻具反扭角的计算、动力钻具反扭角的计算（1）反扭角的概念）反扭角的概念由于动力钻具反扭矩，使钻柱反时针扭转的角度，称为动力由于动力钻具反扭矩，使钻柱反时针扭转的角度，称为动力钻具的钻具的反扭角反扭角，用，用表示。表示。反扭角将使已确定好的装置角减小。反扭角将使已确定好的装置角减小。造斜工具定向时的方位角称为造斜工具定向时的方位角称为定向方位角定向方位角，用，用表示。表示。（2）影响反扭角的因素）影响反扭角的因素反扭矩的大小；反扭矩的大小；钻柱长度；钻柱长度
70、；钻柱断面的极惯性矩；钻柱断面的极惯性矩；钻柱与井壁之间的摩擦力钻柱与井壁之间的摩擦力；装置角大小。装置角大小。钻井工程井眼轨道设计（3）反扭角的计算）反扭角的计算由于影响因素的不确定性，只能采用资料反算法。由于影响因素的不确定性，只能采用资料反算法。已知条件：已知条件：求解步骤：求解步骤：1）求试钻井段的狗腿角）求试钻井段的狗腿角：2）求试钻井段的实际装置角）求试钻井段的实际装置角：注意：当注意：当时，取时，取“+”；当当时，取时，取“-”。3）求实际反扭角）求实际反扭角：钻井工程井眼轨道设计五、造斜工具的定向五、造斜工具的定向定向定向：使造斜工具作用方位指向预定方位的工艺。：使造斜工具作用
71、方位指向预定方位的工艺。1、地面定向法、地面定向法地面摆工具面：地面摆工具面：造斜工具下井前，地面调整好工具面下井。造斜工具下井前，地面调整好工具面下井。打印标记（打印标记（“+”）：钻杆同一母线两端接头打印：钻杆同一母线两端接头打印“+”标标记。记。定向下钻：定向下钻：记录每两根钻杆角度偏差，计算总偏差，根据记录每两根钻杆角度偏差，计算总偏差，根据总偏差扭方位。总偏差扭方位。2、井下定向法井下定向法井下定向的关键是要知道原井斜方位和工具面方位。井下定向的关键是要知道原井斜方位和工具面方位。（1）定向齿刀法）定向齿刀法氢氟酸测斜仪氢氟酸测斜仪+铅模铅模+定向齿刀定向齿刀氢氟酸液瓶的液面倾斜方向
72、指示井斜方位氢氟酸液瓶的液面倾斜方向指示井斜方位铅模上留下的齿刀印痕指示造斜工具的工具面方位。铅模上留下的齿刀印痕指示造斜工具的工具面方位。 钻井工程井眼轨道设计钻井工程井眼轨道设计（2）磁铁定向法（双罗盘定向法）磁铁定向法（双罗盘定向法）双罗盘测斜仪双罗盘测斜仪+定向磁铁（安装在无磁钻铤上）定向磁铁（安装在无磁钻铤上）上罗盘处在定向磁铁位置，指针标志工具面方位上罗盘处在定向磁铁位置，指针标志工具面方位下罗盘远离定向磁铁，指针指向正北方位。下罗盘远离定向磁铁，指针指向正北方位。（3）定向键法（螺鞋定向法）定向键法（螺鞋定向法）磁性或陀螺测斜仪磁性或陀螺测斜仪+螺鞋（定向鞋）螺鞋（定向鞋）+定向
73、键定向键定向键安装在造斜工具上，其所在母线指示工具面方位。定向键安装在造斜工具上，其所在母线指示工具面方位。测斜仪螺鞋上的定向槽所在母线与罗盘上的测斜仪螺鞋上的定向槽所在母线与罗盘上的“法线法线”对齐。对齐。测量时，定向槽卡在定向键上，测量时，定向槽卡在定向键上，“法线法线”的方位就是工具的方位就是工具面面方位。方位。钻井工程井眼轨道设计钻井工程井眼轨道设计钻井工程井眼轨道设计3、各种定向方法及其使用、各种定向方法及其使用（1）双罗盘定向仪）双罗盘定向仪+定向磁铁定向磁铁需使用无磁钻铤，可用于直井定向和斜井定向。需使用无磁钻铤，可用于直井定向和斜井定向。（2）陀螺仪）陀螺仪+定向键定向键无需使
74、用无磁钻铤，可用于直井定向和斜井定向。无需使用无磁钻铤，可用于直井定向和斜井定向。（3）磁罗盘测斜仪）磁罗盘测斜仪+定向键定向键目前使用最多的定向方法。目前使用最多的定向方法。必须使用无磁钻铤，可用于直井定向和斜井定向。必须使用无磁钻铤，可用于直井定向和斜井定向。（4）氢氟酸测斜仪）氢氟酸测斜仪+定向齿刀定向齿刀只能在斜井内使用，方法比较落后。只能在斜井内使用，方法比较落后。（5）地面定向法）地面定向法可用于直井定向和斜井定向，方法比较落后。可用于直井定向和斜井定向，方法比较落后。（6）随钻测斜仪）随钻测斜仪+定向键定向键目前最先进的定向方法，可以做到随钻定向。目前最先进的定向方法，可以做到随
75、钻定向。钻井工程井眼轨道设计六、已投入商业运作的导向钻井系统六、已投入商业运作的导向钻井系统（1）垂直钻井系统（垂直钻井系统（VDS）：）：德国用于深井及超深井德国用于深井及超深井防斜垂直钻井用；防斜垂直钻井用；（2）自动定向钻井系统（）自动定向钻井系统（ADD）：美国能源部提出的；美国能源部提出的；（3）自动导向系统（）自动导向系统（AGS）：美国美国SteveBell公司研制；公司研制；（4）旋转导向钻井系统（）旋转导向钻井系统（SRD）：美国美国CAMCO公司推出；公司推出；（5）IDEAL和和PowerDrive系统：系统：Schlumberger(Anadrill)Schlumber
76、ger(Anadrill)Schlumberger(Anadrill)Schlumberger(Anadrill)公司公司（6）旋转闭环钻井系统（）旋转闭环钻井系统（RCLS）：美国美国BakerHughes公司；公司；钻井工程井眼轨道设计七七七七. . . .地质导向钻井简介地质导向钻井简介地质导向钻井简介地质导向钻井简介 地质导向是综合钻井、随钻测井地质导向是综合钻井、随钻测井/ /测斜、地质录井及其他各项测斜、地质录井及其他各项参数，实时判断是否钻遇泥岩以及识别泥岩位于井眼的上部还是下参数，实时判断是否钻遇泥岩以及识别泥岩位于井眼的上部还是下部，并及时调整钻头在油层中穿行，具体表现在：部
77、，并及时调整钻头在油层中穿行，具体表现在：1) 1) 根据近钻头电阻率和自然伽玛判断钻头处的岩性；根据近钻头电阻率和自然伽玛判断钻头处的岩性； 2) 2) 根据根据ARCARC衰减电阻率和相位电阻率差别判断钻头是否接近泥岩；衰减电阻率和相位电阻率差别判断钻头是否接近泥岩；3) 3) 根据根据ANDAND提供的顶密度和底密度判断泥岩位置；提供的顶密度和底密度判断泥岩位置；4) 4) 根据根据ANDAND提供的顶密度和底密度计算地层倾角；提供的顶密度和底密度计算地层倾角；5) 5) 根据随钻测井电阻率曲线的极化角现象识别地层界面；根据随钻测井电阻率曲线的极化角现象识别地层界面；6) 6) 根据钻时
78、和气体数据，结合岩屑判断钻头处岩性；根据钻时和气体数据，结合岩屑判断钻头处岩性；7) 7) 结合扭矩和结合扭矩和D D指数判断钻头处岩性；指数判断钻头处岩性；8) 8) 利用地层韵律性，结合砂岩粒度变化判断井眼位于油层中的利用地层韵律性，结合砂岩粒度变化判断井眼位于油层中的 位置。位置。钻井工程井眼轨道设计 目前国外目前国外SchlumbergerSchlumberger和和Baker HughesBaker Hughes公司拥有此项技术。公司拥有此项技术。SchlumbergerSchlumberger公司公司(Anadrill)(Anadrill)于于19931993年推出了年推出了IDE
79、ALIDEAL系统系统之后，又推出了之后，又推出了Power DrivePower Drive系统：系统：PowerDrive Xtra (475, 675, 900)PowerDrive Xtra (475, 675, 900)PowerDrive XceedPowerDrive XceedPowerDrive X5 (475, 675, 825, 900, 1100)PowerDrive X5 (475, 675, 825, 900, 1100)PowerDrive vorteXPowerDrive vorteXBaker HughesBaker Hughes拥有拥有RCLS(RCLS(闭
80、环旋转自动导向闭环旋转自动导向) )系统：系统：AuotTrak RCLSAuotTrak RCLSAutoTrak G3 RCLSAutoTrak G3 RCLS和和NavigatorNavigator系统。但目前只进行高价技术服务而不出售商系统。但目前只进行高价技术服务而不出售商品工具，已收到巨大经济回报。截止到品工具，已收到巨大经济回报。截止到2004.4.102004.4.10，INTEQ INTEQ 的的AutoTrak RCLSAutoTrak RCLS累计进尺超过累计进尺超过10,000,000ft10,000,000ft，目前每天全，目前每天全球钻井进尺超过球钻井进尺超过8,0
81、00ft8,000ft。钻井工程井眼轨道设计第六节第六节水平井钻井技术简介水平井钻井技术简介一、定义：一、定义：水平井是指井眼轨迹达到水平以后，井眼继续延水平井是指井眼轨迹达到水平以后，井眼继续延伸一定长度的定向井，延伸长度要大于油层厚度伸一定长度的定向井，延伸长度要大于油层厚度的六倍。的六倍。二、水平井的分类：二、水平井的分类：根据从垂直井段向水平井段转弯时的根据从垂直井段向水平井段转弯时的曲率半径大小进行分类。曲率半径大小进行分类。钻井工程井眼轨道设计三、水平井设计三、水平井设计程序和框图程序和框图 水平井设计程序水平井设计程序和框图是和框图是19921992年年1111月由美国石油工程月
82、由美国石油工程协会和地质家协会、协会和地质家协会、地球物理家协会和地球物理家协会和测井分析家协会共测井分析家协会共同开会约定的。同开会约定的。 该设计内容（如该设计内容（如图）是由地质、钻图）是由地质、钻井、采油油藏、成井、采油油藏、成本核算四部分人员本核算四部分人员共同合作完成的。共同合作完成的。钻井工程井眼轨道设计钻井工程井眼轨道设计Highly sophisticated directional drilling systems are able to probe below the surface even horizontally and for extended distances
83、 to reach prospective oil and gas reservoirs in less time and with more reliability.美国高精度定向钻井系统可以用更少的时间更可靠地探测到地下油气储集层：定向钻井、水平钻井、大位移钻井、爪型（辐射）钻井和多分支钻井。五、五、发发展展和和应应用用钻井工程井眼轨道设计委内瑞拉委内瑞拉PetrozuataPetrozuata水平井几何形状水平井几何形状钻井工程井眼轨道设计钻井工程井眼轨道设计截止截止20002000年为止，年为止，美国、加拿大和美国、加拿大和世界其他国家所世界其他国家所钻的水平井数及钻的水平井数及美国钻
84、机动用情美国钻机动用情况如图况如图 世界水平井数量统计表世界水平井数量统计表 据美国据美国HISHIS能源集团能源集团统计统计（Janury/Febuary Janury/Febuary 2000 PetroMin2000 PetroMin），），截至截至19991999年年5 5月，全月，全世界水平井数量共世界水平井数量共计计2043020430口口国家国家水平井水平井井数井数完井数完井数量（包量（包括多分括多分支井）支井）油田油田1010口口水平井水平井以上的以上的油田油田油公司油公司美国美国8998899812821282123512359494994994加拿大加拿大822182211
85、0112101123943946969300300世界其世界其他地区他地区321132113215321563963964643063066767个个国家国家204302043026209262092322232222722716001600钻井工程井眼轨道设计国外水平井技术指标国外水平井技术指标水平井最大水平段达水平井最大水平段达61186118米；米；水平井最大垂深水平井最大垂深60626062米；米；水平井最大单井进尺水平井最大单井进尺1017210172米；米；双侧向水平井总水平段长度达双侧向水平井总水平段长度达4550.14550.1米（垂深米（垂深1389.91389.9米）；米）
86、；多分支水平井总水平段长度达多分支水平井总水平段长度达到到1134211342米。米。（注：数据截至（注：数据截至20012001年）年）水平井的新应用水平井的新应用水平井作为注入井，提高产量水平井作为注入井，提高产量 分支水平井开采多个产层分支水平井开采多个产层 开采老油田剩余油开采老油田剩余油 多目标开发产层多目标开发产层 开采气藏或疏松砂岩油藏开采气藏或疏松砂岩油藏 水平井资料用于油藏描述水平井资料用于油藏描述 薄层油藏、注水剖面修正、薄层油藏、注水剖面修正、 持续增产持续增产钻井工程井眼轨道设计本本 章章 小小 结结一一 钻井技术发展回顾钻井技术发展回顾 旋转钻井发展阶段旋转钻井发展阶
87、段（1）初期阶段（萌芽阶段）初期阶段（萌芽阶段）19001920年年（20年）年）（2）发展阶段（经验钻井阶段）发展阶段（经验钻井阶段）19201950年年（30年）年）（3）科学化钻井阶段：）科学化钻井阶段： 1950现在现在（50年）年）前期阶段前期阶段19501980（30年）年）后期阶段后期阶段1980现在现在约约20年年 （后期阶段又称现代钻井阶段）（后期阶段又称现代钻井阶段）钻井工程井眼轨道设计挑战：挑战：挑战：挑战： 深水深水深水深水 高温高压高温高压高温高压高温高压 环境安全环境安全环境安全环境安全 E&DE&D效益效益效益效益 降低成本降低成本降低成本降低成本水平井水平井20
88、430口口最大水平段达最大水平段达6118米米多底井总水平段长度达到多底井总水平段长度达到11342米米大位移井最大位移大位移井最大位移10728米米先进技术：先进技术：先进技术：先进技术： 水平井水平井水平井水平井 大位移井大位移井大位移井大位移井 多分支井多分支井多分支井多分支井 欠平衡钻井欠平衡钻井欠平衡钻井欠平衡钻井 地质导向钻井地质导向钻井地质导向钻井地质导向钻井 顶部驱动装置顶部驱动装置顶部驱动装置顶部驱动装置 膨胀管技术膨胀管技术膨胀管技术膨胀管技术50s60s70s80s90s2000+钻井工程井眼轨道设计二、科学化钻井后期阶段二、科学化钻井后期阶段主要技术成果主要技术成果 （
89、1 1）井下信息实时检测、传输、处理、分析井下信息实时检测、传输、处理、分析 地层参数地层参数钻井参数钻井参数 井眼参数井眼参数 使使 用用 MWD、 LWD、 SWDSWD、DDS、GST和和FEWD等等随随钻钻测量技术测量技术 （2 2）开发了井下导向和井下闭环钻井系统）开发了井下导向和井下闭环钻井系统 （3）发展了新钻井技术）发展了新钻井技术 水平井钻井技术水平井钻井技术多分支井钻井技术多分支井钻井技术欠平衡压力钻井技术欠平衡压力钻井技术 小井眼钻井技小井眼钻井技术、连续油管术、连续油管钻井技术钻井技术 钻井工程井眼轨道设计三、三、现代钻井技术发展现代钻井技术发展趋势趋势（一）（一）向信
90、息化、智能化方向发展向信息化、智能化方向发展1信息化钻井技术信息化钻井技术（1 1） 随钻测量随钻测量 (MWD) (MWD) （8080年代初）年代初）井斜角井斜角方位角方位角 与近钻头测斜器（与近钻头测斜器（MNBMNB）配合使用配合使用（2）随钻测井随钻测井(LWD)（80年代中）年代中） 地层电阻率地层电阻率体积密度体积密度中子孔隙度中子孔隙度自然伽马自然伽马四四参参数数组组合合随随钻钻测测井井仪仪（实实时时获获得得所所钻钻地地层层岩岩性及所含流体状况）性及所含流体状况）（3 3）随钻地震）随钻地震(SWD) (SWD) （8080年代末）年代末）钻头待钻地层前方钻头待钻地层前方岩石类
91、型、孔隙度、岩石类型、孔隙度、孔隙压力孔隙压力, ,其他声学其他声学敏感岩石参数。敏感岩石参数。钻头旋转破岩振钻头旋转破岩振 动为震源动为震源, ,钻杆顶钻杆顶部和井口埋检波部和井口埋检波器接收信号。器接收信号。钻井工程井眼轨道设计（4 4）随钻地层评价）随钻地层评价 (FEWD) (FEWD) （90年代）年代）井井眼眼方方位位角角、井井斜斜角角、钻钻压压、扭扭矩矩、应应力力、流流体体压压力力、泥泥浆浆密密度度、及及地层孔隙度、岩石密度地层孔隙度、岩石密度与与MWDMWD、LWDLWD结结合使用，组成合使用，组成集成钻井信息集成钻井信息系统（系统（IDISIDIS）（5）地质导向技术地质导向
92、技术(GST) （90年代年代） （6 6）随钻井下钻井动态数据实时检测和处理技术（）随钻井下钻井动态数据实时检测和处理技术（DDSDDS） DDSDDS可测钻可测钻井井8 8种参数，种参数，1212个数据。个数据。 A 井底钻压、扭矩和两个正负方向的弯矩；井底钻压、扭矩和两个正负方向的弯矩；B 井底液柱压力和环空压力；井底液柱压力和环空压力；C 钻柱纵向加速度和两个方向横向加速度；钻柱纵向加速度和两个方向横向加速度；D 钻头转速和井下温度。钻头转速和井下温度。钻井工程井眼轨道设计2 2 智能化钻井技术智能化钻井技术将将井井下下导导向向工工具具、测测试试工工具具、作作业业控控制制三三者者联联系
93、系在在一一块块组组成闭环钻井系统，称智能化钻井技术。成闭环钻井系统，称智能化钻井技术。19901990年由数家大石油公司合作，历时年由数家大石油公司合作，历时5 5年，耗资年，耗资$1000$1000万万开发出集成钻井系统（开发出集成钻井系统（IDSIDS）和集成钻井作业系统（）和集成钻井作业系统（IDOIDO）。）。井下闭环钻井发展阶段（四个发展阶段）井下闭环钻井发展阶段（四个发展阶段） （1）井下开环阶段）井下开环阶段 （2）井下半闭环阶段）井下半闭环阶段 （3）井下全闭环阶段）井下全闭环阶段 （4）地面井下全闭环阶段）地面井下全闭环阶段井下闭环钻井导向工具和方法井下闭环钻井导向工具和方法
94、 （1） 滑动式导向工具；滑动式导向工具； （2） 旋转式导向工具旋转式导向工具 。钻井工程井眼轨道设计已投入商业运作的导向钻井系统已投入商业运作的导向钻井系统（1）垂直钻井系统（垂直钻井系统（VDS）：）：德国用于深井及超深井德国用于深井及超深井防斜垂直钻井用；防斜垂直钻井用；（2）自动定向钻井系统（）自动定向钻井系统（ADD）：美国能源部提出的；美国能源部提出的；（3）自动导向系统（）自动导向系统（AGS）：美国美国SteveBell公司研制；公司研制；（4）旋转导向钻井系统（）旋转导向钻井系统（SRD）：美国美国CAMCO公司推出；公司推出；（5）IDEAL和和PowerDrive系统：系统：Schlumberger(Anadrill)Schlumberger(Anadrill)Schlumberger(Anadrill)Schlumberger(Anadrill)公司公司（6）旋转闭环钻井系统（）旋转闭环钻井系统（RCLS）：美国美国BakerHughes公司。公司。钻井工程井眼轨道设计(二二)向多学科紧密结合、提高油井产量和油田采收率方向发展向多学科紧密结合、提高油井产量和油田采收率方向发展以水平井、分支井为代表以水平井、分支井为代表本章结束！本章结束！钻井工程井眼轨道设计钻井工程井眼轨道设计
