钻井5井眼轨道设计与控制

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1、第五章第五章第五章第五章 井眼轨道设计与控制井眼轨道设计与控制井眼轨道设计与控制井眼轨道设计与控制Chapter 5 . Design and Control of Well PathChapter 5 . Design and Control of Well Path第一节第一节 井眼轨迹的基本概念井眼轨迹的基本概念第二节第二节 轨迹测量及计算轨迹测量及计算第三节第三节 定向井井眼轨道设计定向井井眼轨道设计第四节第四节 直井防斜技术直井防斜技术1 一、一、 基本概念基本概念(一一)井眼轨迹的基本要素井眼轨迹的基本要素z井深井深z井斜角井斜角z井斜井斜方位角方位角z磁偏角磁偏角z垂垂深深z平长

2、平长z水平位移水平位移z平移方位角平移方位角zN坐标和坐标和E坐标坐标z井眼曲率井眼曲率z全角变化率全角变化率2基本要素z油气井：油气井：以勘探开发以勘探开发石油和天然气为目的，石油和天然气为目的，在地层中钻出的具有在地层中钻出的具有一定深度的圆柱形孔一定深度的圆柱形孔眼。眼。z井眼轴线井眼轴线: :井眼中心线。井眼中心线。z井井眼眼轨轨道道:表表示示井井眼眼轴轴线形状的图形。线形状的图形。3基本要素 假设井眼轨迹是一条空间曲线，则假设井眼轨迹是一条空间曲线，则可以用空间直角坐标系来描述。选可以用空间直角坐标系来描述。选取笛卡尔坐标系取笛卡尔坐标系。原点。原点选在井口处；选在井口处；轴指向正北

3、轴指向正北, ,单位矢单位矢量为量为；轴指向正东，单位矢量轴指向正东，单位矢量为为；轴垂直向下，单位；轴垂直向下，单位矢量为矢量为。 oN(i)E(j)D(k)rotnbADm4(一一)井眼轨迹的基本要素井眼轨迹的基本要素测量方法：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”。井井深、井斜角和井斜方位角深、井斜角和井斜方位角-轨迹的三个基本参数。迹的三个基本参数。 (1) (1) 井深井深（或称为斜深、测深）（或称为斜深、测深） 井口井口( (通常以转盘面为基准通常以转盘面为基准) )至测点的井眼长度。至测点的井眼长度。 以字母以字母D Dm m表示，单位为

4、米表示，单位为米(m)(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差。以下测点井深与上测点井深之差。以DDm m表示。表示。5(2) (2) 井斜角井斜角()()：井斜角增量井斜角增量( () )： 下下测点井斜角与上点井斜角与上测点点井斜角井斜角之差。之差。 B BA A 指井眼方向线与重力线之间的夹角。单位为度指井眼方向线与重力线之间的夹角。单位为度( () )。 井眼方向线：井眼方向线： 过井眼轴线上某测点作井眼轴线的切线，该切线向井眼过井眼轴线上某测点作井眼轴线的切线，该切线向井眼前进方向延伸的部分称为井眼方向线。前进方向延伸的部分称为井眼方向线。6(3)

5、(3) 井斜方位角井斜方位角井眼方位线（井斜方位线）：井眼方位线（井斜方位线）： 某某测点点处的井眼方向的井眼方向线在水平面上的投影。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。 B BA A 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。方位线上所转过的角度。井斜方位角的变化范围井斜方位角的变化范围：0 0360360。7(3)(3)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：磁偏角校正磁偏角校正：

6、 真方位角磁方位角东磁偏角真方位角磁方位角东磁偏角 真方位角磁方位角西磁偏角真方位角磁方位角西磁偏角象限角的变化范围：象限角的变化范围： 0 09090之间。之间。磁偏角磁偏角： 磁北方位与正北方位之间的磁北方位与正北方位之间的夹角。夹角。西磁偏角西磁偏角东磁偏角东磁偏角8二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) (1) 垂直深度（垂深）：垂直深度（垂深）：轨迹上某点至井口所在水平面的距离。轨迹上某点至井口所在水平面的距离。垂深增量称为垂增垂深增量称为垂增() )。(2) (2) 水平投影长度水平投影长度L Lp p（水平长度、平长）：（水平长

7、度、平长）： 井眼轨迹上某点至井口的井眼轨迹上某点至井口的长度长度在水平面上的投影，即井深在在水平面上的投影，即井深在水平面上的投影长度。水平面上的投影长度。 水平长度的增量称为平增（水平长度的增量称为平增（LL）。）。9(4) (4) 平移方位角平移方位角：平移方平移方位线所在的方位角。位线所在的方位角。 国外，将平移方位角称作国外，将平移方位角称作闭合方位角。闭合方位角。 国内，指完钻时的平移方国内，指完钻时的平移方位角为位角为闭合方位角闭合方位角。 (5) (5) 坐标和坐标：坐标和坐标：南北坐南北坐标轴，以正北方向为正；标轴，以正北方向为正； 东西坐标轴，以正东方向为正。东西坐标轴，以

8、正东方向为正。 (6) (6) 视平移：视平移： 水平位移在水平位移在设计方位线设计方位线上的投上的投影长度。影长度。10(7) (7) 井眼曲率井眼曲率K K（“狗腿严重度狗腿严重度”、“全角变化率全角变化率”）：）：狗腿角的计算：狗腿角的计算：LubinskiLubinski公式：公式： cos=cosAcosB+sinAsinBcos(B-A)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: : K Kc c=30/Dm=30/Dm“狗腿角狗腿角”或或“全角变化全角变化”（）：）： 上、下二测点的两条方向线之间的夹角上、下二测点的两条方向线之间的夹角( (空间夹角空间夹角)

9、 )。我国钻井行业标准计算公式：我国钻井行业标准计算公式： =(=(2 2+2 2sinsin2 2c c) )0.50.5 c c=(=(A A+B B)/2)/2 该测段的狗腿角，该测段的狗腿角，( () )； c c该测段的平均井眼曲率，该测段的平均井眼曲率，( ()/30m)/30m； c c该测段的平均井斜角，（该测段的平均井斜角，（）。）。 1112靶点靶点VA设计方位线设计方位线13（二）轨迹图示法（二）轨迹图示法、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：以井口为原点、坐标轴、坐标轴；以井口为原点、坐标轴、坐标轴； 表达的参数：表达的参数：坐标值、坐标

10、值、水平位移坐标值、坐标值、水平位移S S、 水平水平长度度L Lp p、井斜方位角、井斜方位角、平移方位角平移方位角、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铅垂面；过设计方位线的铅垂面，即井口和目标点所在的铅垂面； 表达的参数：表达的参数：垂深垂深D D、视平移、视平移V V、井斜的增减趋势；、井斜的增减趋势；坐标系：坐标系：原点原点( (井口井口) )、横坐标、横坐标( (视平移视平移) )、纵坐标、纵坐标( (垂深垂深) )。143 3、垂直剖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的柱面展开图；过井眼轴线上各点垂线组成的柱面展

11、开图； 坐标系：坐标系：原点原点( (井口井口) )、横坐标、横坐标( (水平长度水平长度) )、纵坐标、纵坐标( (垂深垂深) )； 表达的参数：表达的参数：垂深垂深D D、水平长度水平长度L Lp p、井深井深D Dm m、井斜角井斜角 。 15垂直投影图与水平投影图垂直投影图与水平投影图16垂直剖面图与水平投影图垂直剖面图与水平投影图17z井身剖面由井身剖面由直井段、造斜段、稳直井段、造斜段、稳斜段、增斜段、降斜段斜段、增斜段、降斜段和和水平段水平段组合而成。组合而成。z直直井井段段: :设设计计井井斜斜角角为为零零度度的的井井段。段。z造造斜斜点点（）: :开开始始定定向向造造斜斜的的

12、位位置置称称为为造造斜斜点点。通通常常以以该该点的井深来表示。点的井深来表示。z造造斜斜率率（）: :造造斜斜工工具具的的造造斜斜能能力力, ,即即该该造造斜斜工工具具所所钻钻出出的的井井段的井眼曲率。段的井眼曲率。z造造( (增增) )斜斜段段: :井井斜斜角角随随井井深深增增加加的井段。的井段。z稳斜段稳斜段: :井斜角保持不变的井段。井斜角保持不变的井段。z降降斜斜段段: :井井斜斜角角随随着着井井深深的的增增加加而减小的井段而减小的井段。z水平段：水平段：井斜角大于井斜角大于8686度的井段。度的井段。 直井段造斜点造斜段增斜段水平段直井段降斜段稳斜段 一、一、 基本概念基本概念(三三

13、)井身剖面及精度控制井身剖面及精度控制amax18井身剖面及精度控制z目目标标点点: :设设计计规规定定的的、必必须须钻钻达达的的地地层层位位置置，称称为为目目标标点点。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。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。z靶靶区区及及靶靶区区半半径径（）: :包包含含目目标标点点在在内内的的一一个个区区域域称称为为靶靶区区。在在一一般般油油气气井井中中，靶靶区区半半径径为为允允许许实实钻钻井井眼眼轨轨迹迹偏偏离离设设计计目目标标点点的的水水平平距距离离, ,靶靶区区为为在在目目标标点点所所在在的的水水平平面面上上, ,以目标点为圆心以目标点

14、为圆心, ,以靶区半径为半径的一个圆面积。以靶区半径为半径的一个圆面积。z安安全全控控制制圆圆锥锥（柱柱）: :以以设设计计井井眼眼轴轴线线为为中中心心, ,所所限限定定的的圆圆锥（柱）空间。锥（柱）空间。 z靶靶心心距距（）: :在在靶靶区区平平面面上上, ,实实钻钻井井眼眼轴轴线线与与目目标标点点之之间的距离。间的距离。z误误差差椭椭球球:由由测测量量和和计计算算误误差差引引起起的的井井底底位位置置不不确确定定性性所所构成的以井底为中心的椭球体。构成的以井底为中心的椭球体。19目标点和误差椭球 o设计井眼设计井眼实钻井眼实钻井眼目标点目标点误差椭球误差椭球油层油层靶心距靶心距20直井和定向

15、井的靶区和控制圆锥直井和定向井的靶区和控制圆锥 靶区靶区靶区半径靶区半径控制圆锥控制圆锥井口井口油层油层21二二、各参数之间的数学关系各参数之间的数学关系( (一一) )基本参数基本参数 在石油工程中，井眼轨道参数是通过在石油工程中，井眼轨道参数是通过下入井眼内的下入井眼内的测斜仪器测斜仪器测出的，它测出的测出的，它测出的是一系列离散井深点所对应的是一系列离散井深点所对应的井斜角井斜角井斜角井斜角和和方方方方位角位角位角位角，通过它们可以确定出其它参数，所，通过它们可以确定出其它参数，所以将它们称为基本参数。以将它们称为基本参数。( (二二) )坐标参数坐标参数 用于描述井眼轨道的空间位置。主

16、要用于描述井眼轨道的空间位置。主要有北坐标，东坐标，垂直深度。有北坐标，东坐标，垂直深度。( (三三) )挠曲参数挠曲参数 描描述述井井眼眼轨轨道道的的弯弯曲曲和和扭扭转转程程度度。主主要要有有曲率曲率曲率曲率和和挠率挠率挠率挠率。22( (四四) )坐标参数与基本参数的关系坐标参数与基本参数的关系L-为井口到计算点的曲线长度为井口到计算点的曲线长度23三、油气井分三、油气井分类 (按井眼按井眼轨道道) （1）直井）直井 （Vertical well） 设计井眼轴线为一铅垂线，实钻井眼轴线大体沿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铅垂方向，其

17、井斜角、井底水平位移和全角变化率均在限定范围内的井。在限定范围内的井。 （2）定向井）定向井(Directional well) 沿着预先设计的井眼轨道沿着预先设计的井眼轨道,按既定的方向偏离井口按既定的方向偏离井口垂线一定距离垂线一定距离,钻达目标的井。钻达目标的井。24定定向向井井可可分分为为 ：普普通通定定向向井井、大大斜斜度度井井、丛丛式式井井、多底井、斜直井、水平井多底井、斜直井、水平井等。等。普普通通定定向向井井: :在在一一个个井井场场内内仅仅有有一一口口最最大大井井斜斜角角小小于于6060的的 定向井。定向井。大斜度井大斜度井: :在一个井场内仅有一口最大井斜角在在一个井场内仅

18、有一口最大井斜角在60608686范范围内的定向井。围内的定向井。丛式井丛式井: :在一个井场内有计划地钻出的两口或两口以上的定向在一个井场内有计划地钻出的两口或两口以上的定向井组井组, ,其中可含一口直井。其中可含一口直井。多底井多底井: :一个井口下面有两个或两个以上井底的定向井。一个井口下面有两个或两个以上井底的定向井。斜直井斜直井: :用倾斜钻机或倾斜井架完成的用倾斜钻机或倾斜井架完成的, ,自井口开始井眼轨道自井口开始井眼轨道一直是一段斜直井段的定向井一直是一段斜直井段的定向井。 25丛丛式式井井垂垂直直剖剖面面图图 丛式井垂直剖面图丛式井垂直剖面图26 河丛式井组是我国目前最大的陆

19、地丛式井组。河丛式井组是我国目前最大的陆地丛式井组。河丛式井组是我国目前最大的陆地丛式井组。河丛式井组是我国目前最大的陆地丛式井组。该井组在长米、宽米的区域内布井排该井组在长米、宽米的区域内布井排该井组在长米、宽米的区域内布井排该井组在长米、宽米的区域内布井排共口，钻穿油层层米，油水共口，钻穿油层层米，油水共口，钻穿油层层米，油水共口，钻穿油层层米，油水同层层同层层同层层同层层. . . .米。米。米。米。27 （3 3）水平井）水平井(Horizontal well)(Horizontal well) 在一个井场内仅有一口最大井斜角大于或等于在一个井场内仅有一口最大井斜角大于或等于8686,

20、 ,并保持这种角度钻完一定长度的水平段的定向并保持这种角度钻完一定长度的水平段的定向井。井。水平井分为：水平井分为： 长曲率半径水平井长曲率半径水平井 （造斜率小于（造斜率小于6 6/30 /30 ）；）； 中曲率半径水平井中曲率半径水平井 （造斜率为（造斜率为1 1/ /6 6/30/30m m）；）； 短曲率半径水平井短曲率半径水平井 ( (造斜率为造斜率为1 11010/ /) ) ； 径向水平井径向水平井 ( (造斜率为无穷大造斜率为无穷大) ) 。28l l 水平井由于增加了井筒与油层的接水平井由于增加了井筒与油层的接 触触 面积，从而可大大提高单井产量面积，从而可大大提高单井产量。

21、油层直井水平井钻井的目的（一）水平井钻井的目的（一）29 解决水锥问题解决水锥问题解决水锥问题解决水锥问题水平井钻井的目的（二）水平井钻井的目的（二）30一井双探一井双探31扩大泄油面积扩大泄油面积 增加控制储量增加控制储量 提高油井产能提高油井产能0.6万吨直井的5倍以上（L=300m）水平井技术适合于薄层的开采水平井技术适合于薄层的开采32油层薄，中靶难油层薄，中靶难需要有合适的角度，才能达需要有合适的角度，才能达到矢量入靶到矢量入靶角度偏大角度偏大角度偏小角度偏小薄油层开发薄油层开发33井眼轨迹在油层最佳位置穿行难井眼轨迹在油层最佳位置穿行难精确控制几千米远的钻头走向难度大精确控制几千米

22、远的钻头走向难度大层薄，地层倾角变化，有时上翘或下倾层薄，地层倾角变化，有时上翘或下倾薄油层开发薄油层开发34四、四、 井眼井眼轨道设计的原则和方法轨道设计的原则和方法 （一）、（一）、 井眼轨道的类型井眼轨道的类型（二）（二） 、设计井眼轨道的原则、设计井眼轨道的原则（三）（三） 、井眼轨道设计中有关因素、井眼轨道设计中有关因素的选择的选择（四）（四） 、井眼轨道类型的选择、井眼轨道类型的选择35（一）、井眼轨道的类型（一）、井眼轨道的类型 按按设设计计井井眼眼轨轨道道在在空空间间直直角角坐坐标标系系中中的的形形状状, ,可可分分为为二维井眼轨道和三维井眼轨道。二维井眼轨道和三维井眼轨道。

23、二维井眼轨道是指设计井眼轴线仅在设计方位线所二维井眼轨道是指设计井眼轴线仅在设计方位线所在铅垂平面上变化的井眼轨道。在铅垂平面上变化的井眼轨道。 三维井眼轨道是指在设计的井眼轴线上三维井眼轨道是指在设计的井眼轴线上, ,既有井斜角既有井斜角变化变化, ,又有方位角变化的井眼轨道。又有方位角变化的井眼轨道。 . .二维井眼轨道二维井眼轨道 二维井眼轨道组成二维井眼轨道组成 垂直井段、垂直井段、 增斜井段、增斜井段、 稳斜井段稳斜井段 降斜井段降斜井段 36井眼轨道的类型 . .三维井眼轨道三维井眼轨道 三三维维井井眼眼轨轨道道设设计计用用于于绕绕障障井井和和现现场场待待钻钻修修正正井井眼眼轨轨道

24、道设设计计。若若在在地地面面井井口口位位置置与与设设计计目目标标点点之之间间的的铅铅垂垂平平面面内内, ,存存在在着着井井眼眼难难于于直直接接通通过过的的障障碍碍物物( (如如已已钻钻的的井井眼眼、岩岩丘丘、气气顶顶等等），则则设设计计的的井井眼眼轨轨道道需需要要绕绕过过障障碍碍物物到到达达目目标标点点。在在钻钻进进过过程程中中，井井眼眼轨轨道道总总是是要要偏偏离离设设计计井井眼眼轨轨道道，为为了了保保证证钻钻达达目目标标点点，必必须须时时刻刻修修正正钻钻进进参参数数；此此时时由由于于井井底底的的方方位位角角与与设设计计的的方位角不一致，必须进行三维轨道设计。方位角不一致，必须进行三维轨道设计

25、。37（二）、设计井眼轨道的原则（二）、设计井眼轨道的原则 （1 1）根根据据油油气气田田勘勘探探开开发发要要求求, ,保保证证实实现现钻钻井井目的。目的。 （2 2）根据油气田的构造特征、油气产状，有利）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。于提高油气产量和采收率，改善投资效益。 （3 3）在选择造斜点、井眼曲率、最大井斜角等）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。参数时，有利于钻井、采油和修井作业。 （4 4）在满足钻井目的的前提下，应尽可能选择）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

26、最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，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。有利于安全、快速钻井、降低钻井成本。38（二）、设计井眼轨道的原则（二）、设计井眼轨道的原则 （1 1）根根据据油油气气田田勘勘探探开开发发要要求求, ,保保证证实实现现钻钻井井目的。目的。 （2 2）根据油气田的构造特征、油气产状，有利）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。于提高油气产量和采收率，改善投资效益。 （3 3）在选择造斜点、井眼曲率、最大井斜角等）在选择造斜点、井眼曲率、最大井斜角等

27、参数时，有利于钻井、采油和修井作业。参数时，有利于钻井、采油和修井作业。 （4 4）在满足钻井目的的前提下，应尽可能选择）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，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。有利于安全、快速钻井、降低钻井成本。39（三）、井眼轨道设计中有关因素的选择（三）、井眼轨道设计中有关因素的选择 1.1.造斜点的选择造斜点的选择 (1)(1)造斜点应选择在比较稳定的地层造斜点应选择在比较稳定的地层, ,避免在岩石破碎带、漏

28、避免在岩石破碎带、漏失地层、流砂层或容易坍塌等复杂地层定向造斜。失地层、流砂层或容易坍塌等复杂地层定向造斜。 (2)(2)地层可钻性均匀，不应有硬夹层。地层可钻性均匀，不应有硬夹层。 (3)(3)要满足采油工艺要求。要满足采油工艺要求。 (4)(4)垂深大、水平位移小的井，造斜点应深，以简化井身结垂深大、水平位移小的井，造斜点应深，以简化井身结构、加快钻速。构、加快钻速。 (5)(5)垂垂深深小小、水水平平位位移移大大的的井井，造造斜斜点点应应浅浅，以以减减少少定定向向施施工的工作量。工的工作量。 (6)(6)在在井井眼眼方方位位漂漂移移地地区区，应应使使斜斜井井段段避避开开方方位位漂漂移移大

29、大的的地地层或利用井眼方位漂移规律钻达目标点。层或利用井眼方位漂移规律钻达目标点。40. .最大井斜角最大井斜角 对对于于直直井井, ,井井斜斜角角控控制制在在规规定定的的范范围围内内。对对于于常常规规定定向向井井和和水水平平井井, ,当当井井斜斜角角小小于于1515时时，方方位位不不稳稳定定，所所以以, ,最最大大井井斜斜角角应应大大于于1515。3.3.井眼曲率井眼曲率 在钻井中在钻井中, ,井眼曲率是一个重要参数。井眼曲率过大会给钻井眼曲率是一个重要参数。井眼曲率过大会给钻井、采油和修井作业造成困井、采油和修井作业造成困难。因此，应根据具体情况，适当选难。因此，应根据具体情况，适当选择井

30、眼曲率的最大值。择井眼曲率的最大值。井眼轨道设计中有关因素的选择41 设计井眼轨道时，一般选择简单的二维轨道。二维轨道设计井眼轨道时，一般选择简单的二维轨道。二维轨道由垂直井段、造斜井段、稳斜井段、降斜井段组合而成，由垂直井段、造斜井段、稳斜井段、降斜井段组合而成，最常用的有四种类型。最常用的有四种类型。 （四）、井眼轨道类型的选择（四）、井眼轨道类型的选择三段制五段制S 型直井42 直井段造斜段水平段侧钻水平井直井段造斜段稳斜段造斜段水平段常规水平井43 侧钻侧钻侧钻侧钻水平井技术水平井技术水平井技术水平井技术 侧钻水平井技术是指使用专门井下工具，从老井侧钻水平井技术是指使用专门井下工具，从

31、老井套管内侧钻而成的水平井。它是在侧钻井技术、水平套管内侧钻而成的水平井。它是在侧钻井技术、水平井技术和小井眼技术的基础上发展起来的代表九十年井技术和小井眼技术的基础上发展起来的代表九十年代钻井水平的新技术，不仅能使老井复活，而且可以代钻井水平的新技术，不仅能使老井复活，而且可以大幅度提高单井产量和采收率。大幅度提高单井产量和采收率。44直井设计输入内容直井设计输入内容 45直井设计输出内容直井设计输出内容 46定向井设计输入内容定向井设计输入内容 47定向井设计输出内容定向井设计输出内容 48丛式井设计输入内容丛式井设计输入内容 49软件配备软件配备z为了提高钻井设计的准确性，可建立油田为了

32、提高钻井设计的准确性，可建立油田近年的钻井工程、泥浆资料数据库、油田近年的钻井工程、泥浆资料数据库、油田主要地层资料及油层保护资料数据库。主要地层资料及油层保护资料数据库。设计辅助数据库设计辅助数据库提高设计的准确性提高设计的准确性50可以进行可以进行钻头使用情况钻头使用情况查询查询51可以进行可以进行钻井液密度钻井液密度查询查询52可以查询可以查询完成井技术完成井技术指标指标53可以查询可以查询油气层保护油气层保护数据数据54设计软件功能设计软件功能z1 1）井身结构设计井身结构设计根据地层孔隙压力、破裂根据地层孔隙压力、破裂压力、地层性质进行井身压力、地层性质进行井身结构结构 设计设计55

33、设计软件功能设计软件功能z2 2）定向井、水平井、开窗侧钻、分支井的）定向井、水平井、开窗侧钻、分支井的剖面设计。剖面设计。56定向井、水平井定向井、水平井井眼轨迹设计井眼轨迹设计57软件功能软件功能z井与井之间的防碰扫描，测斜数据处理井与井之间的防碰扫描，测斜数据处理防止设计井与邻井相碰58防碰扫描三维图59设计软件功能设计软件功能z3 3）钻头水力计算）钻头水力计算z4 4）固井计算）固井计算z5 5）钻具扭矩和磨阻计算、卡钻计算、）钻具扭矩和磨阻计算、卡钻计算、下部下部钻具组合行为分析、井壁接触力分析。钻具组合行为分析、井壁接触力分析。60钻柱强度校核61钻柱侧向力分析侧向力分析62z6

34、 6）套管设计、套管强度校核套管设计、套管强度校核套管设计63埕北埕北埕北埕北3030丛式井组丛式井组丛式井组丛式井组64水平水平2 2井是国内第一口双井是国内第一口双探多目标水平井，共钻穿探多目标水平井，共钻穿9 9层层195.8m195.8m油层，相当于油层，相当于8 8口直井的经济效益。口直井的经济效益。65第二节第二节 轨迹测量及计算轨迹测量及计算1 1、随钻监测实钻井眼轨迹以保证钻达既定目标；、随钻监测实钻井眼轨迹以保证钻达既定目标；2 2、当需用造斜工具定向钻进时，将造斜工具按要求的方向定向；、当需用造斜工具定向钻进时，将造斜工具按要求的方向定向；3 3、确保正钻进的井没有与附近已

35、钻成的井相交的危险；、确保正钻进的井没有与附近已钻成的井相交的危险；4 4、确定钻遇的各地层的真垂深、以绘制出准确的地质剖面图；、确定钻遇的各地层的真垂深、以绘制出准确的地质剖面图；5 5、为了监测油层特性及钻进救险井要确定准确的井底位置；、为了监测油层特性及钻进救险井要确定准确的井底位置；6 6、沿井身计算出井眼曲率以评价井身质量；、沿井身计算出井眼曲率以评价井身质量；7 7、为完井工程提供井眼轨迹数据。、为完井工程提供井眼轨迹数据。井眼轨迹测量的目的：井眼轨迹测量的目的：66第二节第二节 轨迹测量及计算轨迹测量及计算一、测斜方法及测斜仪简介一、测斜方法及测斜仪简介 1 1、测斜斜仪分分类按

36、工作原理分：磁性测斜仪按工作原理分：磁性测斜仪( (罗盘罗盘) )、 陀螺陀螺测斜斜仪( (高速陀螺空高速陀螺空间指向恒定指向恒定) )。按工作方式分：单点式、多点式、随钻测量按工作方式分：单点式、多点式、随钻测量( (有线、无线有线、无线) )。2 2、测量内容、测量内容 井深井深DmDm、井斜角、井斜角、方位角、方位角。673 3、磁性、磁性测斜斜仪的工作原理的工作原理仪器内主要由井斜刻度盘、罗仪器内主要由井斜刻度盘、罗盘、十字摆锤、照明和照相系盘、十字摆锤、照明和照相系统组成。罗盘的统组成。罗盘的S S极始终指北。极始终指北。 （1 1）井斜角的测量）井斜角的测量当测斜仪随井眼倾斜时，十

37、字摆锤始当测斜仪随井眼倾斜时，十字摆锤始终指向重力线方向，重力线与仪器轴终指向重力线方向，重力线与仪器轴线的夹角即为线的夹角即为井斜角井斜角。由摆锤在井斜。由摆锤在井斜刻度盘底片上的位置读取。刻度盘底片上的位置读取。68（2 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摆锤所在铅垂线与仪器轴线（井眼方向线）构成井斜铅线（井眼方向线）构成井斜铅垂面，该井斜铅垂面与水平面垂面，该井斜铅垂面与水平面的交线就是井斜方位线。摆锤的交线就是井斜方位线。摆锤在罗盘面上的投影位置所在的在罗盘面上的投影位置所在的放射线与罗盘放射线与罗盘N N极之间的夹角即极之间的夹角即为井斜方位角。为井斜方位

38、角。（3 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。69MWD / LWD整套仪器由整套仪器由井下数据测量系统、井下数据测量系统、数据传输系统、数据传输系统、地面数据采集和处理地面数据采集和处理系统系统组成。组成。MWD Measurement While Drilling .LWD Logging While Drilling.FEWD Formation Evaluation While Drilling.70国内国内MWDMWD配备现状配备现状单单 位位配套仪器类型配套仪器类型胜利定向井公司胜利定向井公司斯派里森公司斯派里森公司MWDMWD、通用公司通用

39、公司QDT-MWDQDT-MWD、科学钻井科学钻井SDI-MWDSDI-MWD胜利油田钻井院胜利油田钻井院英国吉奥林公司英国吉奥林公司OrienteerOrienteer大港定向井公司大港定向井公司斯派里森公司斯派里森公司MWDMWD、通用公司通用公司QDT-MWDQDT-MWD、哈里伯顿公司的探路者系统哈里伯顿公司的探路者系统中海油技术服务公司中海油技术服务公司斯派里森公司斯派里森公司MWDMWD、斯伦贝榭斯伦贝榭SLIM-ONESLIM-ONE、大庆油田钻井院大庆油田钻井院贝克休斯公司贝克休斯公司NaviNavi-Gator-Gator江汉油田钻井院江汉油田钻井院科学钻井科学钻井SDI-M

40、WDSDI-MWD、英国吉奥林公司英国吉奥林公司OrienteerOrienteer长庆油田钻井院长庆油田钻井院英国吉奥林公司英国吉奥林公司OrienteerOrienteer华北油田钻井院华北油田钻井院科学钻井科学钻井SDI-MWDSDI-MWD、通用公司通用公司QDT-MWDQDT-MWD克拉玛依油田钻井院克拉玛依油田钻井院通用公司通用公司QDT-MWDQDT-MWD中原油田钻井院中原油田钻井院科学钻井科学钻井SDI-MWDSDI-MWD、通用公司通用公司QDT-MWDQDT-MWD辽河油田钻井院辽河油田钻井院通用公司通用公司QDT-MWDQDT-MWD四川油田四川油田斯派里森公司斯派里森

41、公司MWDMWD、通用公司通用公司QDT-MWDQDT-MWD新星公司德州地质所新星公司德州地质所通用公司通用公司QDT-MWDQDT-MWD71国内国内LWDLWD配备现状配备现状单单 位位配套仪器类型配套仪器类型胜利定向井公司胜利定向井公司斯派里森公司斯派里森公司FEWD胜利油田钻井院胜利油田钻井院英国吉奥林公司英国吉奥林公司Orienteer大港定向井公司大港定向井公司贝克休斯公司贝克休斯公司MPR中海油技术服务公司中海油技术服务公司斯派里森公司斯派里森公司FEWD / 贝克休斯公司贝克休斯公司On-Track大庆油田钻井院大庆油田钻井院贝克休斯公司贝克休斯公司MPR长庆油田钻井院长庆油

42、田钻井院英国吉奥林公司英国吉奥林公司Orienteer72二对测斜计算数据的规定二对测斜计算数据的规定5 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180180。i i-i-1i-1180180时，时， i i=i i-i-1i-1-360-360 c c=(=(i i+i-1i-1)/2-180)/2-180 i i-i-1i-1-18000，=arccosCarccosC ；当当0 1 1时，取时，取“”；当；当2 2 1 1时，取时，取“” 。 3)3)求求实际反扭角反扭角nn： n n = = s s - - 1 1 实实107第四节第四

43、节 直井防斜技术直井防斜技术3 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）。井斜的危害：井斜的危害：1 1、在地质勘探方面：、在地质勘探方面：造成地质资料失真；打乱合理的地下造成地质资料失真；打乱合理的地下井网和开发方案。井网和开发方案。2 2、在钻井施工方面：、在钻井施工方面：恶化钻柱工作条件；易造成井壁坍塌恶化钻柱工作条件；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槽；纠斜侧钻和卡钻；易造成固井下套管困难和注水泥窜槽；纠斜侧钻增加成本。增加成本。 108一井斜的原因一井斜的原因 1 1、

44、地、地质因素因素 地层倾斜地层倾斜和和地层可钻性不均匀性地层可钻性不均匀性两个方面。两个方面。 地质因素，钻具因素。地质因素，钻具因素。地层倾角小于地层倾角小于4545时，钻头偏向垂直地层层面的方向；时，钻头偏向垂直地层层面的方向； 地层倾角超过地层倾角超过6060时，钻头沿着平行地层层面方向下滑；时，钻头沿着平行地层层面方向下滑；地层倾角在地层倾角在45456060之间时，井斜方向属不稳定状态。之间时，井斜方向属不稳定状态。（1 1）地层可钻性的各向异性因素）地层可钻性的各向异性因素沉积岩特性：垂直层面方向的可钻性高，平行层面方向的可钻性低。沉积岩特性：垂直层面方向的可钻性高，平行层面方向的

45、可钻性低。 钻头总是有向着容易钻进的方向前进的趋势。钻头总是有向着容易钻进的方向前进的趋势。 109软地层硬地层硬地层软地层1 1、地质因素、地质因素(2)(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。 1102 2、钻具因素具因素主要因素是主要因素是钻具的倾斜和弯曲钻具的倾斜和弯曲。 “底部钻具组合底部钻具组合”( Bottom Hole Assembly )( Bottom Hole Assembly )，简称称BHABHA。 引起钻头倾斜，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

46、削。 使钻头受侧向力的作用，产生侧向切削。使钻头受侧向力的作用，产生侧向切削。 3 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，导致井斜。井眼轴线不重合，导致井斜。导致钻具倾斜和弯曲的原因：导致钻具倾斜和弯曲的原因：钻具和井眼之间有一定间隙。钻具和井眼之间有一定间隙。 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。 钻具本身弯曲；转盘安装不平、井架安装不正等。钻具本身弯曲；转盘安装不平、井架安装不正等。111（3 3）地层可钻性的横向变化）地层可钻性的横向变化垂直于垂直于钻头轴线方

47、向上可方向上可钻性的性的变化。化。 如：如：在钻头的一侧下面钻遇溶洞或较疏松的地层，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。而另一侧则钻遇较致密的地层。112113二、满眼钻具组合控制井斜二、满眼钻具组合控制井斜方法：方法：在下部钻具适当位置上安装在下部钻具适当位置上安装3 34 4个扶正器。个扶正器。 扶正器尺寸：扶正器尺寸：d=dd=dh h- -d ds s=1.0 =1.0 2.0 mm2.0 mm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

48、轴线发生倾斜； 钻头上的侧向力导致对井底的侧向切削。钻头上的侧向力导致对井底的侧向切削。 基本原理：基本原理： 增大下部钻具组合的尺寸和刚度，近似增大下部钻具组合的尺寸和刚度，近似“填满井眼填满井眼”，防止，防止钻柱弯曲和倾斜。钻柱弯曲和倾斜。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。114、YXY 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。近钻头扶正器、中扶正器、上扶正器、第四扶正器。 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

49、称切削。 中扶正器：中扶正器：保证中扶正器与钻头之间的钻柱不发生弯曲。其安保证中扶正器与钻头之间的钻柱不发生弯曲。其安放位置需放位置需严格格计算。算。 上扶正器：上扶正器：保证钻具上至少有保证钻具上至少有3 3个稳定点与井壁接触，从而保个稳定点与井壁接触，从而保证井眼的直井眼的直线性。性。 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。二、满眼钻具组合控制井斜二、满眼钻具组合控制井斜115二、满眼钻具组合控制井斜二、满眼钻具组合控制井斜L Lp p - -中扶距中扶距钻头的最的最优长度，度，m m ； C-C-扶正器与井眼的半扶正器

50、与井眼的半间隙，隙，C=(dC=(dh h-d-ds s)/2)/2，m m ； d dh h井眼直径，井眼直径，m m ；d dm m扶正器外径，扶正器外径，m m ； E-E-钻铤钢材的材的杨氏模量，氏模量，kN/mkN/m2 2 ； J-J-钻铤截面的截面的轴惯性矩，性矩，m m4 4 ； q qm m-钻铤在在钻井液中的井液中的线重，重，kN/mkN/m ； -允许的最大井斜角，允许的最大井斜角，( () )。 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：算公式，并进行处

51、理求导可得最优位置：、YXY 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。116例题：例题：已知钻头直径已知钻头直径216mm216mm，扶正器直径，扶正器直径215mm215mm，钻铤钢材的材的杨氏模量氏模量为2.05942.059410108 8kN/mkN/m2 2，钻铤外径外径178mm178mm，内径，内径71.4mm71.4mm，钻井液密度井液密度1.25 1.25 g/cmg/cm3 3，钻铤线重重1.6 1.6 kN/mkN/m，允，允许的最大井斜角的最大井斜角3 3，求中扶距，求中

52、扶距钻头的的最最优长度。度。 解：解：根据给定条件，可求得：根据给定条件，可求得： J=J= (d(dcoco4 4-d-dcici4 4)/64 =0.48)/64 =0.481010-4-4m m4 4 , , q qm m=1.6(1-=1.6(1- d d/ / s s)=1.34 )=1.34 kN/mkN/m , , c=(d c=(dh h-d-ds s)/2 = 0.0005 m )/2 = 0.0005 m L Lp p=(16C=(16CE EJ)/(QJ)/(Qm msin)sin)0.250.25 = 5.789 m = 5.789 m 。117三、钟摆钻具组合控制井斜

53、三、钟摆钻具组合控制井斜在下部钻柱的适当位置在下部钻柱的适当位置安装一个扶正器，当发安装一个扶正器，当发生井斜时，该扶正器支生井斜时，该扶正器支撑在井壁上形成支点，撑在井壁上形成支点，使下部钻柱悬空。则该使下部钻柱悬空。则该扶正器以下的钻柱就好扶正器以下的钻柱就好象一个钟摆，产生一个象一个钟摆，产生一个钟摆力。钻头在此钟摆钟摆力。钻头在此钟摆力的作用下切削下井壁。力的作用下切削下井壁。从而使新钻的井眼从而使新钻的井眼 不断降斜。不断降斜。1 1、钟摆钻具组合的原理、钟摆钻具组合的原理118三、钟摆钻具组合控制井斜三、钟摆钻具组合控制井斜2 2、YXYYXY钟摆钻具具组合合设计 钻头上的钟摆力：

54、钻头上的钟摆力：可产生最大钟摆力的最优扶正器可产生最大钟摆力的最优扶正器安放位置计算：安放位置计算： W W-钻压，kNkN； d dh h-井径，井径，m m； d dc c-钻铤直径，直径，m m。 考考虑到扶正器磨到扶正器磨损和和 井径扩大，使用距离比井径扩大，使用距离比计计 算距离适当减小。算距离适当减小。 L LS S=(0.9=(0.90.95)L0.95)Lz z119三、钟摆钻具组合控制井斜三、钟摆钻具组合控制井斜( (1)1)、多数用于井斜角、多数用于井斜角较大的井大的井纠斜。直井内无防斜作用斜。直井内无防斜作用. . (2)(2)、其性能、其性能对钻压特特别敏感。敏感。钻压

55、增大，增大，则增斜力增大，增斜力增大，钟 摆力减小。使用力减小。使用时必必须严格控制格控制钻压。 (3)(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。如果使用大钻压, ,可能形成可能形成 新的支点。新的支点。 (4)(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)(5)、间隙隙对钟摆钻具具组合性能的影响比合性能的影响比较明明显。3 3、钟摆钻具组合的使用、钟摆钻具组合的使用120四、其它直井防斜技术四、其它直井防斜技术防斜快打理论和技术防斜快打理论和技术动力学防斜理论动力学防斜理论1 1、光钻铤大钻压防斜快打技术、光钻铤大钻压防斜快打

56、技术2 2、偏轴组合防斜快打技术、偏轴组合防斜快打技术3 3、刚柔组合防斜快打技术、刚柔组合防斜快打技术4 4、井下动力钻具防斜快打技术、井下动力钻具防斜快打技术121本章重点本章重点（1 1）井眼轨迹的概念；）井眼轨迹的概念； （2 2）井斜角和井斜方位角的概念；井斜角和井斜方位角的概念； （3 3）井眼轨迹的表示方法；）井眼轨迹的表示方法； （4 4）井眼轨迹的参数计算；）井眼轨迹的参数计算； （5 5）常用的防斜与纠斜钻具组合；）常用的防斜与纠斜钻具组合； （6 6）定向井轨道设计方法；）定向井轨道设计方法； （7 7）装置角与反扭角的概念；）装置角与反扭角的概念；（8 8）井眼轨迹控制

57、方法。井眼轨迹控制方法。122图解法求装置角图解法求装置角的原理：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：根据图解法假设：根据图解法假设：AB=AB=；OA=OA=1 1；AOB = AOB = 将图解法与解析基本关系式进行比较可以看出将图解法与解析基本关系式进行比较可以看出AOB = AOB = ；注意：图解法只适用于注意：图解法只适用于和和1 1较小时的情况较小时的情况根据解析基本关系式，且考虑：根据解析基本关系式，且考虑： 当当和和1很小时：很小时：sin ，cos 1； sin1 1 ，cos1 1123主要参考书：z1、油井建井工程钻井油井建井工程钻井.油井完井油井完井，石油工业出版社，石油工业出版社，M.J.埃克诺米德斯等埃克诺米德斯等编编 万仁溥编译，万仁溥编译，2001z2、 定向钻井定向钻井石油工业出版社，石油工业出版社，T.A.英格里斯编，英格里斯编， 苏义脑译，苏义脑译，1995z3、水平井井眼轨迹控制水平井井眼轨迹控制 石油工业石油工业出版社，苏义脑著，出版社，苏义脑著，2000124