中国石油大学钻井工程第五章+井眼轨道设计与轨迹控制张辉

1、 概概 述述井眼轨道：井眼轨道：一口井开钻之前，预先设计的一口井开钻之前，预先设计的井眼轴线井眼轴线形状。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：（两维、三维）：（两维、三维） 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一口井实际钻成后的井眼轴线井眼轴线形状。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。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

2、和勘探。有井斜限制要求。定向井用途：定向井用途： 1 1、地面环境条件的限制、地面环境条件的限制( (绕开地面障碍绕开地面障碍) ) 高山、湖泊、沼泽、河流、沟壑、海洋、农田或重要的建高山、湖泊、沼泽、河流、沟壑、海洋、农田或重要的建筑物等。筑物等。 2 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 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。井下落物侧钻、打救援井等。 4 4、提高油藏采收率的手段（水平井）、提高油藏采收率的手段（水平井） 钻穿多套油气层、老井侧钻等。

3、钻穿多套油气层、老井侧钻等。 5 5、减小地面井场占用面积、减小地面井场占用面积, ,节省投资（丛式井、多底井）节省投资（丛式井、多底井）水平井丛丛式式井井第一节第一节 井眼轨迹的基本概念井眼轨迹的基本概念l 轨迹的图示方法轨迹的图示方法l 轨迹的基本参数轨迹的基本参数l 轨迹的计算参数轨迹的计算参数一、轨迹的图示方法一、轨迹的图示方法垂直剖面图：垂直剖面图：经过井眼轨迹上每经过井眼轨迹上每一个点作一条铅垂线，这些铅垂线构一个点作一条铅垂线，这些铅垂线构成了一个曲面，称为成了一个曲面，称为柱面柱面。将此柱面。将此柱面展开到一个平面上，就形成了垂直剖展开到一个平面上，就形成了垂直剖面图。面图。水

4、平投影图：俯视图。水平投影图：俯视图。将井眼将井眼轨迹这条轨迹这条空间曲线空间曲线投影到投影到井口所在的井口所在的水平面上水平面上，形成水平投影图。，形成水平投影图。实钻井眼轨迹是一条实钻井眼轨迹是一条空间曲线空间曲线，可以有不同的表示方法。，可以有不同的表示方法。1. 三维坐标法：三维坐标法：X、Y、Z2. 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l 该方法可反映出真实的井深参数，如：该方法可反映出真实的井深参数，如： 井深、井斜角、垂深井深、井斜角、垂深l 作图简便作图简便垂直剖面图：垂直剖面图： 井井口为坐标原点口为坐标原点 纵

5、坐标：垂深纵坐标：垂深 D D横坐标：水平位移横坐标：水平位移 Lp Lp水平投影图：水平投影图：井口为坐标原点井口为坐标原点纵坐标：纵坐标：N N坐标坐标横坐标：横坐标：E E坐标坐标一、轨迹的图示方法一、轨迹的图示方法3. 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该方法不能反映出真实的井深和井斜角。该方法不能反映出真实的井深和井斜角。坐标坐标原点：原点：井口井口横坐标：横坐标：视平移视平移 V V纵坐标：纵坐标：垂深垂深 D D 水平投影图：同上。水平投影图：同上。垂直投影图：侧视图。垂直投影图：侧视图。将井眼轨迹这条空将井眼轨迹这条空间曲线投影到设计方位线所

6、在的铅垂面（间曲线投影到设计方位线所在的铅垂面（即：井即：井口和目标点所在的铅锤面口和目标点所在的铅锤面）。）。柱面图示法应用最广柱面图示法应用最广 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（）井深（斜深、测深斜深、测深） 定义：定义：井口（通常以转盘面为基准）至测点的轨迹长度。井口（通常以转盘面为基准）至测点的轨迹长度。 以字母以字母 表示表示 ，单位为米（，单位为米（m）。）。 井深增量（井段长度）：井深增量（井段长度）：下测点井深与上测点井深之差。下测点井深与上测点井深之差。 以以 表示。表示。mDmD二、轨迹的基本参数二、轨迹的基本

7、参数（2） 井斜角井斜角 （ ） 指指井眼方向线井眼方向线与重力线之间的夹角。单位为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轴线的过井眼轴线上某测点作井眼轴线的切线切线，该切线向井眼该切线向井眼前进方向前进方向延伸的部分称为井眼延伸的部分称为井眼方向线。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角之差。下测点井斜角与上测点井斜角之差。AB(3) 井斜方位角（方位角）井斜方位角（方位角） 在水平投影图上，以正北方位线在水平投影图上，以正北方位线为始边，顺时针方向旋转到为始边，顺时针方向旋转到井眼方位井眼方位线线上所转过的角度。上所转

8、过的角度。井眼方位线（井斜方位线）：井眼方位线（井斜方位线）：某测点处的某测点处的井眼方向线井眼方向线在水平面上在水平面上的投影。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。AB3600AB井斜方位角的变化范围：井斜方位角的变化范围：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：指指井眼方位线井眼方位线与正北方位线或与正南方位线之间的夹角。与正北方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。900磁性测斜仪以磁性测斜仪以地球磁北方位地球磁北方位为基准。为基准。磁偏角：磁偏角： 磁北方位

9、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 磁性测斜仪测得磁性测斜仪测得东磁偏角：磁北方位线在正北方位线的东面。东磁偏角：磁北方位线在正北方位线的东面。西磁偏角：磁北方位线在正北方位线的西面。西磁偏角：磁北方位线在正北方位线的西面。地球磁北方位线磁方位角东磁偏角正北方向（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平轨迹上某点至井口所在水平面的垂直距离。面的垂直距离。（2）水平位移）水平位移 Lp（平移平移） 三、轨迹的计

10、算参数三、轨迹的计算参数LA A点井斜角点井斜角点点垂直垂直井深井深DA点测量井深：点测量井深：点水平位移点水平位移LpA AO轨迹上某点至井口所在铅轨迹上某点至井口所在铅垂线的水平距离，（垂线的水平距离，（或：在水或：在水平投影面上，轨迹上某点至井平投影面上，轨迹上某点至井口的直线距离口的直线距离SA）。）。（3）平移方位角）平移方位角平移方位线平移方位线所在的方位角。所在的方位角。 平移方位线：平移方位线：在水平投影面上，井口至轨迹上某点的连线。在水平投影面上，井口至轨迹上某点的连线。国外：将平移方位角称作闭合方位角。国外：将平移方位角称作闭合方位角。 国内：指完钻时的平移方位角为国内：指

11、完钻时的平移方位角为闭合方位角闭合方位角。（4）视平移）视平移 V：水平位移在水平位移在设计方位线设计方位线上的投影长度。上的投影长度。三、轨迹的计算参数三、轨迹的计算参数（5）水平投影长度）水平投影长度（水平长度、（水平长度、平长）平长） ： 井眼轨迹上某点至井口的轨迹长度井眼轨迹上某点至井口的轨迹长度在水平面上的投影，即井深在水平面在水平面上的投影，即井深在水平面上的投影长度。上的投影长度。 （6）N坐标和坐标和E坐标：坐标： 井口为原点井口为原点 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，以正东方向为正东西坐标轴，以正东方向为正测深测深m：井口至井眼某点的：井口至

12、井眼某点的轨迹长度。轨迹长度。垂深：井垂深：井眼轴线上某眼轴线上某测点至井口测点至井口的垂直距离。的垂直距离。井斜角井斜角i i ：井眼轴线的：井眼轴线的切线与铅垂线的夹角。切线与铅垂线的夹角。方位角方位角 ：井眼轴线在水平面：井眼轴线在水平面上的投影的切线与正北方向的上的投影的切线与正北方向的夹角。夹角。井底平移方位角井底平移方位角h h （ 闭合方位角闭合方位角）：）：从正北方向顺时针转至井口与井底的水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。平投影连线的夹角。井底水平位移（井底水平位移（闭合距闭合距）：在水平投）：在水平投影图上，井底至井口的直线距离。影图上，井底至井口的直线距

13、离。D D完钻井底完钻井底 指单位井眼长度内井眼全角的变化值，通常也叫指单位井眼长度内井眼全角的变化值，通常也叫狗腿严重度狗腿严重度。（也称（也称“全角变化率全角变化率”）。）。)cos(sinsincoscoscosABBABAmDK/30狗腿角，度狗腿角，度(7) 井眼曲率井眼曲率K：井眼轨迹曲线的曲率。井眼轨迹曲线的曲率。狗腿角：上下二测点的两条方向线之间的夹角（空间夹角）。狗腿角：上下二测点的两条方向线之间的夹角（空间夹角）。Lubinski公式：公式：井段长度，井段长度，m度度/30m5 . 0222)sin(c2/ )(BAc该测段的狗腿角，（该测段的狗腿角，（ ）；）；该测段的平

14、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， （ ）ccK我国钻井行业标准计算公式：我国钻井行业标准计算公式：30 /cmKD 第二节第二节 轨迹测量与计算轨迹测量与计算一、测斜方法及测斜仪简介一、测斜方法及测斜仪简介 1、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、多点式、随钻测斜仪单点式、多点式、随钻测斜仪 单点式测斜仪：单点式测斜仪：用电缆从钻柱内送入井下，一次下井只能测一个井用电缆从钻柱内送入井下，一次下井只能测一个井 深（靠近钻头）处的参数。深（靠近钻头）处的参数。 多点式测斜仪：多点式测斜仪：一次下井能记录井眼轨

15、迹上多个井深处的井斜参数。一次下井能记录井眼轨迹上多个井深处的井斜参数。随钻测斜仪：随钻测斜仪：随同钻柱一起下入井内，在钻进过程中不断连续地测随同钻柱一起下入井内，在钻进过程中不断连续地测量，并实时将数据传到地面，可准确地进行轨迹控制。量，并实时将数据传到地面，可准确地进行轨迹控制。 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定）陀螺测斜仪（高速陀螺空间指向恒定） 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mD3、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、

16、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 摆锤始终指向摆锤始终指向重力线方向重力线方向，重力线，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 摆锤摆锤在井斜刻度在井斜刻度盘盘底片底片上的位置读上的位置读 取。取。1. Pendulum 2. Circular Glass 3. Compass 4. Pressure equalization 5. Cover glass（2）方位角的测量）方位角的测量 摆锤所在铅垂线

17、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。方位线。摆锤在罗盘面上的投影位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 。（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。4、Principles of MWD4、Principles of MWD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： 测斜自下而上进行，测点编号测斜自下而上进行，测点编

18、号自上而下进行自上而下进行编号。第一编号。第一个井斜角不等于零的测点作为第一测点。个井斜角不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 i-1 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。N 个测点有个测点有 N 个测段。个测段。3、 第第0 测点：测点： 不是实测的，而是人为规定的。不是实测的，而是人为规定的。 当当第第 1 测点的井深大于测点的井深大于25 m 时，规定第时，规定第0 测点的井深比测点的井深比 第第 1 测点的井深小于测点的井深小于25m ,且规定井斜角为零；且规定井斜角为零；当第当第 1 测点

19、井深小于测点井深小于 或等于或等于25 m 时，规定第时，规定第0 测点的井测点的井 深和井斜角均为零。深和井斜角均为零。 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。还要注意还要注意平均方位角平均方位角的计算方法。的计算方法。1ii1ii36018011iiiii时，1()/2 180cii36018011iiiii时，1802/ )(1iicic1、计算顺序：、计算顺序：计算目的是计算目的是算出每个测点的坐标值；算出每个测点

20、的坐标值； 从第从第1 个测段开始，逐段向下进行个测段开始，逐段向下进行 算出每个测段的算出每个测段的坐标增量坐标增量；累加求得测点的坐标值。；累加求得测点的坐标值。 第第0 测点的坐标值已知（垂深、水平位移、测点的坐标值已知（垂深、水平位移、N、E），）， . 0, 0, 0,oopomooENLDD三、轨迹计算方法三、轨迹计算方法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 VENLDp,SENLDp,cK3、计算方法的多样性（、计算方法的多样性（20多种）多种） 要

21、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，测段形状未知，计算时只能假设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形状测段形状，假，假设不同，计算方法不同。设不同，计算方法不同。1111;iiiipppiiiiDDD LLLNNN EEE4、计算方法：、计算方法： （1）平均角法：）平均角法：假设测段是假设测段是一条直线一条直线；该直线的方向是；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：2/ )(2/ )(

22、sinsincossinsincos11iiciicccmccmcmpcmDEDNDLDD（2）圆柱螺线法）圆柱螺线法 假设测段形状为一条假设测段形状为一条圆柱螺圆柱螺线线；在水平投影图上是；在水平投影图上是圆弧圆弧，在，在垂直剖面图上也是垂直剖面图上也是圆弧圆弧。（郑基。（郑基英教授提出）英教授提出）)/(sin)2/sin(sin)2/sin(4)/(cos)2/sin(sin)2/sin(4/sin)2/sin(2/cos)2/sin(2ccmccmcmpcmDEDNDLDD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。计算

23、公式：计算公式：（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算方法，称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，称之为之为曲率半径法曲率半径法，其计算结果与圆柱螺旋法相同，只是计算公式的表达，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。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：)/()cos)(coscos(cos)/()sin)(sincos(cos/ )cos(cos/ )sin(sin111111iiiimiiiimiimpiimDEDNDLDD注意：注意：圆柱螺旋线法与曲率半径法的公式，在分母位置上都有圆柱螺旋线法与曲

24、率半径法的公式，在分母位置上都有 和和 （单位为（单位为弧度弧度）。这两个增量中的任意一个或同时为零，都需要另选）。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，为解决这一问题，提出了公式计算，为解决这一问题，提出了校正平均角法。校正平均角法。（4）校正平均角法）校正平均角法 我国我国钻井行业标准钻井行业标准规定使用的方法（校正平均角法）。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：ccmHccmHcmDpcmDDfEDfNDfLDfDsinsincossinsincos其中：其中：24/ )(124/1222HDff注意：以上二式中注意：以上二式中 和和 的单位为的

25、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，只是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基础上乘上校正系数在平均角法的公式基础上乘上校正系数 和和 ，因，因而称之为而称之为校正平均角法。校正平均角法。HfDf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：ciiiiiiciiiiiisin)2sin(2)2sin()2sin(2coscoscos)2sin(2)2cos()2sin(2sinsin111111将三角函数用幂级数表示：将三角函数用幂级数表示：取：取： ! 52! 3222sin53

26、4822sin4822sin33 将以上公式代入曲率半径法公式，即可得到校正平将以上公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：ccmccmcmpcmDEDNDLDDsinsin)241 (cossin)241 (sin)241 (cos)241 (222222第三节第三节 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 2.06015b8560b90b12090bb最大稳斜角最大稳斜角第三节第三节 定向井井眼轨道设计定向井

27、井眼轨道设计一、定向井轨道分类一、定向井轨道分类 三维定向井：三维定向井：井斜角、方位角均变化。井斜角、方位角均变化。l 纠偏纠偏三维定向井三维定向井l 绕障绕障三维定向井三维定向井二维定向井：二维定向井： 设计轨道只有井斜角变化，无方位角变化。设计轨道只有井斜角变化，无方位角变化。l 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。l 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，还有特殊曲线，如：除直线和圆弧曲线外，还有特殊曲线，如： 悬链线、二次抛物线等。悬链线、二次抛物线等。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 1、

28、设计原则、设计原则 （1 1）能实现钻定向井的目的）能实现钻定向井的目的 （2 2）有利于安全、优质、快速钻井）有利于安全、优质、快速钻井l 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l 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l 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

29、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。l 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。cKcKcK2)(37.33TTbmLfddK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

30、 ；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 = 36 mm 。fddLKTbTm 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cscmEdccK21510*58.114下套管允许最大曲率，下套管允许最大曲率，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 。21ccdEKsccm（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。

31、尽量减小井眼曲率，以改善油管和抽油杆的工作条件。 尽量以较小井斜角进入油气层，以利于安装电潜泵，坐尽量以较小井斜角进入油气层，以利于安装电潜泵，坐 封封隔器及其他井下作业。封封隔器及其他井下作业。2、轨道类型、轨道类型 轨道有四种基本段：轨道有四种基本段：垂直段、增斜段、稳斜段、降斜段垂直段、增斜段、稳斜段、降斜段轨道有四种类型：轨道有四种类型：三段式、多靶三段式、五段式、双增式三段式、多靶三段式、五段式、双增式K：造斜点造斜点b：增斜结束点增斜结束点t：目标点目标点c：五段式的降斜始点五段式的降斜始点 或双增式的第二造斜点或双增式的第二造斜点d：多目标井的目标终点多目标井的目标终点 图中各符

32、号含图中各符号含义见课本义见课本P188t（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：垂深、水平位移、设计方位角垂深、水平位移、设计方位角 目标段位置：目标段位置：目标段长度、目标段的井斜角目标段长度、目标段的井斜角 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： 0,ttSD0,mttmtSDDKDkop3、设计条件、内容及步骤、设计条件、内容及步骤（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

33、定给定 ，选用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：计算关键参数：稳斜段井斜角稳斜段井斜角 ，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。0,ttSD0,tmmttDSD0,tmmttDSDtkopDzKnKzzKbmwDmDSD,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：0,ttmmtkopznD

34、 SDDKK mwbD,（1）计算关键参数：）计算关键参数：so1301801719ccRKKKDtRzKbtdbmmDkopDRnmwDc度度/30mmsinetkopntDDDR(1 cos)etntSSRtantantan22beebbeznfgfgghDkhefSDRR2tantan22tan()2tan1tan ()2eznebbeebbbRRRSDR22222t22arctaan2n22eeeeebeeeeebeeeeDDSR SRSDDSR SRS蓝色标注角等于蓝色标注角等于红色标注角等于红色标注角等于黑色标注角等于黑色标注角等于b2btoDRzkbcdbmmDtDRneDSte

35、SemwDtftgO1O2tkopDhs fgh在中，根据问题的意义取减号根据问题的意义取减号0,ttmmtkopznD SDDKK 已知：已知：222mweeeeDDSR S蓝色标注角等于蓝色标注角等于红色标注角等于红色标注角等于黑色标注角等于黑色标注角等于b2btoDRzkbcdbmmDtDRneDSteSemwDtftgO1O2tkopDhs求解稳斜段长度求解稳斜段长度mwDj12 oo j在中，222122()mwDoocjo c2Znecjo cRRR2221222()()eeZneeeooDSRRDSRm（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

36、斜段：目标段：目标段：垂深增量垂深增量水平位移增量水平位移增量测深增量测深增量sin(1 cos)180zzbzzbmzzbDRSRDRcossinwmwbwmwbDDSD (sinsin)(coscos)()180nnbtnntbmnnbtDRSRDRcossintmmtmmmtDDSD （1）三段式）三段式 给定给定 时，计算时，计算zkopttKDSD,0mwbD,eemwebeeeemwzetekopteSRDDSRSDDRRSSDDD2/)(arctan2)2(5.0225、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课下感兴趣的同学推导此式。 给定给定 ，计算，计算

37、给定给定 ， 计算计算bkopttDSD,0mwzDK ,bbzkoptmwzzbbtkoptzRDDDRKSDDRcos/ )sin(/1719)2/tan(/ )tan/(bzttKSD,0mwkopDD,bbzkoptmwbzbttkopRDDDRSDDcos/ )sin()2/tan(tan/（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：mmtzkoptDKDD,0;,bmwtDSbbzkoptmwttzkopttRDDDRDDScos/ )sin(tan)2/tan(nzkoptmm

38、ttKKDDSD,0eemwebeeeemwnzetntetnkopteSRDDSRSDDRRRRSSRDDD2/)(arctan2)2()cos1(sin5.022（4）双增式）双增式 给定条件：给定条件： 中间参数：中间参数：zzmmtzkopttKDKDSD,0eemwebeeemwzzzetzzztetzzkopteSRDDRSDDRRRRRSSRDDD/ )(arctan2)(cossin5 . 0222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

39、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。tDtS6 、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180/)cos1 (sinbzmzbzzbzzRDRSRDbmwwbmwWmwDSDDDsincos180/)()cos(cos)sin(sintbnmnbtnntbnnRDRSRD180/)()cos(cos)sin(sinbtzzmzztbzzzzbtzzz

40、zRDRSRDtmmmtmmmmmDSDDDsincos（关键参数）已求出（关键参数）已求出（已知条件）（已知条件）例5-4 课本P191测深（米）井斜角（度）方位角（度）垂深（米）水平位移（米）N坐标E坐标井眼曲率（度/米）300003000000566.6824.02559.1155.112445.5124.022275.30764.652716.0015.002530.0090.232836.0015.002645.9131.60最好给出下表结果（三维设计时，需计算表中其它参数）最好给出下表结果（三维设计时，需计算表中其它参数）作业作业P211习题习题 1 35（只做（只做第第2测段测段

41、的数据，写步骤，最后列结果表）的数据，写步骤，最后列结果表） 37 （只做（只做第第2、3测点，测点，写步骤，且只用校正平均角法计写步骤，且只用校正平均角法计 算，最后列结果表）算，最后列结果表） 41（垂深改为（垂深改为1800米米，写步骤，最后列结果表），写步骤，最后列结果表） 第四节第四节 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

42、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，纠斜侧钻增加成本。槽，纠斜侧钻增加成本。 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）。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

43、面方向的可钻性低。方向的可钻性低。 钻头总是有钻头总是有向着容易钻进向着容易钻进的方向前进的趋势。地层的方向前进的趋势。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。图图 512 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（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

44、直地层层面方向钻头在上倾侧先接触到硬岩石，钻头在上倾侧先接触到硬岩石，在下倾侧仍为软岩石。这样在钻在下倾侧仍为软岩石。这样在钻压作用下，由于上倾侧岩石的硬压作用下，由于上倾侧岩石的硬度大，可钻性差，钻头吃入地层度大，可钻性差，钻头吃入地层少，钻速慢，而在下倾侧，可钻少，钻速慢，而在下倾侧，可钻性好，吃入地层多，钻速快，因性好，吃入地层多，钻速快，因此，井眼向上倾侧偏斜。此，井眼向上倾侧偏斜。（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开始时由于钻头在软地层一侧开始时由于钻头在软地层一侧吃入多，钻速快，

45、而在硬地层吃入多，钻速快，而在硬地层一侧吃入少，钻速慢，井眼有一侧吃入少，钻速慢，井眼有向地层下倾方向倾斜的趋势。向地层下倾方向倾斜的趋势。（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。2 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，造成钻头受力不平衡，在井底形成引起钻头倾斜，造成钻头受力不平衡，在井底形成不对称切削不对称切削； 使钻

46、头受侧向力作用，产生使钻头受侧向力作用，产生侧向切削侧向切削。 导致钻具倾斜和弯曲的原因（主要是导致钻具倾斜和弯曲的原因（主要是BHABHA，底部钻具，底部钻具组合，组合，Bottom Hole AssemblyBottom Hole Assembly）：）： 钻具和井眼有一定的间隙钻具和井眼有一定的间隙 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（“轻压吊打轻压吊打”） 钻具本身的弯曲，转盘安装不平、井架安装不钻具本身的弯曲，转盘安装不平、井架安装不正等。正等。 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

47、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。井井斜斜原原因因客观因素：地质因素客观因素：地质因素地层几何产状地层几何产状( (地层倾斜地层倾斜) )地层可钻性各向异性地层可钻性各向异性地层可钻性纵向、横向变化地层可钻性纵向、横向变化主观因素：钻具因素（主观因素：钻具因素（钻具倾斜和弯曲）钻具倾斜和弯曲）钻具与井眼有一定的间隙钻具与井眼有一定的间隙钻进措施不当（钻压）钻进措施不当（钻压）井眼扩大井眼扩大钻具本身弯曲，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、井架安装不正等井斜本质：两种因素均导致钻头井斜本质：两种因素均导致钻头在井底形成不对称切削在井底形成不

48、对称切削。可钻性不均匀性可钻性不均匀性钻具引起井斜的主要原因：是钻具的倾斜和弯曲。钻具引起井斜的主要原因：是钻具的倾斜和弯曲。 0.8 1.6hsdddmm二、满眼钻具组合控制井斜二、满眼钻具组合控制井斜解决方法之一是让钻具解决方法之一是让钻具填满井眼填满井眼，即：，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。钻柱弯曲和倾斜。方法：方法：在下部钻具在下部钻具适当位置适当位置安放安放34个扶正器。个扶正器。适当位置：适当位置：包括扶正器的数量、位置和直径。包括扶正器的数量、位置和直

49、径。扶正器尺寸：扶正器尺寸：杨勋尧提出了满眼钻具组合设计方法，称为杨勋尧提出了满眼钻具组合设计方法，称为YXY法。法。1、YXY组合的结构组合的结构 包括四个扶正器：包括四个扶正器：l 近钻头扶正器（近扶）近钻头扶正器（近扶）l 中扶正器（中扶、二扶）中扶正器（中扶、二扶）l 上扶正器（上扶、三扶）上扶正器（上扶、三扶）l 第四扶正器（四扶）第四扶正器（四扶） 1、YXY组合的结构组合的结构 近扶正器：近扶正器：紧装在钻头之上，抵抗钻头所受侧向力、防止侧向切削和紧装在钻头之上，抵抗钻头所受侧向力、防止侧向切削和 不对称切削。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

50、曲，保证中扶正器和钻头之间的钻具不发生弯曲，其安放位置其安放位置 需要严格计算。需要严格计算。 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，从而保证井眼保证钻具上至少有三个稳定点与井壁接触，从而保证井眼 的直线性，距中扶的直线性，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。一般不增大下部钻柱的刚度，协助中扶防止钻柱弯曲。一般不 装，特别易斜地层才用。装，特别易斜地层才用。 钻头中心线与井眼中心线的偏移角（钻头倾角）：钻头中心线与井眼中心线的偏移角（钻头倾角）： 增大，增大， 减小，减小， 增大，增大， 减小，减小， 增大，增

51、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。 qcpLpLcpLqqc2、YXY组合组合“中扶中扶”位置的计算位置的计算力学模型：力学模型：一端一端固支固支，一端，一端铰支铰支的纵横弯曲梁。的纵横弯曲梁。中扶：中扶：视为固支（转角为视为固支（转角为0，弯矩不为，弯矩不为0）钻头：钻头：视为铰支（转角不为视为铰支（转角不为0，弯矩为，弯矩为0）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根据等截面梁纵横弯曲理论中的挠度计算公式挠度计算公式和压杆稳和压杆稳定的定的临界载荷临界载荷计算公式，并进行处理求导可得最优位置：计算公式，并进行处理求

52、导可得最优位置：4sin16mpqJECL中扶距钻头的最优长度，中扶距钻头的最优长度，m ;扶正器与井眼的间隙，扶正器与井眼的间隙， m;井眼直径，井眼直径，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， 钻铤的截面的轴钻铤的截面的轴惯性矩惯性矩，钻铤钻铤在钻井液中的线重在钻井液中的线重，kN/m ;允许的最大井斜角，（允许的最大井斜角，（ ）mhpqJEdCL2/ )(shddCsd2/kN m4m64)(44cicoddJ例题：例题：已知钻头直径已知钻头直径 216 mm，扶正器直径，扶正器直径 215mm，钻，钻铤钢材杨式模量铤钢材杨式模量 ，钻铤外径，钻铤外

53、径 178 mm ,内径内径 71.4 mm ,钻井液密度钻井液密度 ，钻铤线重，钻铤线重 1.6 kN/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： 822.0594*10/kN m3/25. 1mg4444()/640.48*101.6(1/)1.34/()/20.0005cocimdshsJddmqkN mcddm4165.789sinpmC E JLmq3、满眼钻具组合的使用、满眼钻具组合的使用 （1）在已经发生井斜的井中，只能使井斜角变化很小或不变化，）在已经发生井斜的井中，只

54、能使井斜角变化很小或不变化，不不能用于纠斜。能用于纠斜。 （2）间隙间隙对满眼钻具组合性能够影响显著。当间隙对满眼钻具组合性能够影响显著。当间隙 达到或超过两倍达到或超过两倍的设计值时，应及时更换或修复扶正器。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在井径扩大井段不适用用。要抢在井径扩大以前钻出新的井眼。要抢在井径扩大以前钻出新的井眼。 “以快保满，以满保直以快保满，以满保直” （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，要注意适当减小钻）在钻进软硬交错时，或倾角较大的地层时，要注意适当减小钻压

55、，勤划眼，以便消除可能出现的压，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，个稳定点， 即：至少要按即：至少要按3 个稳定器。个稳定器。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 钟摆力钟摆力sincGG 在下部钻柱的适当位置安装在下部钻柱的适当位置安装一个扶正器，当井斜时，该扶正一个扶正器，当井斜时，该扶正器支撑在井壁上器支撑在井壁上形成支点形成支点，使下，使下部钻柱悬空。则该扶正器以下的部钻柱悬空。则该扶正器以下的钻柱就好像一个钟摆，钻柱就好

56、像一个钟摆，产生一个产生一个钟摆力，钟摆力，钻头在此钟摆力的作用钻头在此钟摆力的作用下切削下井壁。从而使新钻的井下切削下井壁。从而使新钻的井眼不断降斜。眼不断降斜。井径，井径，m 钻铤直径，钻铤直径，m ;1sin2dmzFq L242zBACBLA考虑到扶正器磨损和井径扩大，使用距离比计算距离适当小。考虑到扶正器磨损和井径扩大，使用距离比计算距离适当小。(0.9 0.95)szLL2、钟摆钻具组合设计（、钟摆钻具组合设计（ YXY 法）法）关键：计算扶正器至钻头的距离。距离太小，钟摆力小；距离太大，扶关键：计算扶正器至钻头的距离。距离太小，钟摆力小；距离太大，扶正器和钻头间的钻柱与井壁会产生

57、新的接触点，所以存在最优距离。正器和钻头间的钻柱与井壁会产生新的接触点，所以存在最优距离。钻头上的降斜力：钻头上的降斜力：可产生最大钟摆力的可产生最大钟摆力的最优扶正器安放位置最优扶正器安放位置计算：计算：2sinmAq82.04BW r2184.6CE J r()/2hcrdd钻压钻压 ，kN2、钟摆钻具组合使用、钟摆钻具组合使用 （1）多用于井斜角较大的井进行纠斜。直井内无防斜作用。多用于井斜角较大的井进行纠斜。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

58、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。四、其它直井防斜技术四、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

59、自动 垂直钻井系统（垂直钻井系统（VDS）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 surface and without compromising critical drilling parameters (flow rate, WOB or bit speed) while maintaining high ROP along the entire section an

60、d avoiding timeconsuming correction runs. An inclinometer monitors any vertical deviation and an integrated oil pump provides hydraulic energy to power steering ribs on the bearinghousing to push the assembly back to vertical.Several AdvantagesThe system can create smooth holes without offsets and l