定向、水平井轨迹控制

1、预置轨道，是指按勘探或开发目标要求设计出的井眼轨预置轨道，是指按勘探或开发目标要求设计出的井眼轨道，其基本类型包括直井，定向井或水平井，等等。道，其基本类型包括直井，定向井或水平井，等等。沿预定轨道偏离垂直方向而钻达地下目标层位的井，称沿预定轨道偏离垂直方向而钻达地下目标层位的井，称为定向井；将定向井的井斜增大到为定向井；将定向井的井斜增大到8686度以上（度以上（9090度左右度左右）并在油藏内部钻进一定长度的井，称为水平井。）并在油藏内部钻进一定长度的井，称为水平井。定向井和水平井可通称为斜井，其井眼形状不同于传统定向井和水平井可通称为斜井，其井眼形状不同于传统的直井，最明显的特点是斜井从

2、井口到井底有一个的直井，最明显的特点是斜井从井口到井底有一个“大大斜度水平位移斜度水平位移”。在一个井场或海洋平台上钻出多口井。在一个井场或海洋平台上钻出多口井，这些井组合起来称为丛式井。，这些井组合起来称为丛式井。在石油勘探开发过程中，由于经常遇到种种客观条件的在石油勘探开发过程中，由于经常遇到种种客观条件的限制，或出于经济和社会效益等方面的考虑，打直井难限制，或出于经济和社会效益等方面的考虑，打直井难以实现预期目标，而打斜井及丛式井则可扬长避短、兴以实现预期目标，而打斜井及丛式井则可扬长避短、兴利除弊，获得理想的效果。利除弊，获得理想的效果。F水平位移（displacement or cl

3、osere distance） 井眼轨迹上的任意一点与井口铅锤的距离称为该点的“水平位移”。也称该点的闭合距F视平移（vertical section） 水平位移在设计方位线上的投影长度，称为视平移。如下图所示。OQ为设计方位线，OT曲线为实钻井眼轴线在水平面上的投影，其上任一点P的水平位移为OP，以Ap来表示。P点的 视平移为OK。当OK与OQ同向时为正值，反向时为负值。视平移是绘制垂直投影图时重要的参数，单位为m。高边高边（High side） 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。从井底圆心指向高边连线的方向称为高边方向。高边连线在水平面的投影线所指的

4、方向线为井底方位线。工具面角工具面角（Tool face angle） 它是表示造斜工具下到井底后，工具面角所在位置的参数。工具面角有两种表示方法：1.重力工具面角(高边工具面角) 2.磁性工具面角井眼曲率井眼曲率 在定向钻井中，井眼曲率是一个很重要的参数。井眼曲率过大会给钻井、采油和修井作业造成困难。因此，在定向钻井过程中，应控制最大井眼曲率的最大值，一般 取 5 1 2 / 1 0 0 m ， 最 大 不 超 过16/100m。 当然，井眼曲率也不宜过小，这是因为井眼曲率限制太小，会增加动力钻具造斜井段、扭方位井段和增（降）斜井段的井眼长度，从而增加了井眼轨迹控制的工作量，影响钻井速度。

5、为了保证造斜钻具和套管安全、顺利下井，必须对设计剖面的井眼曲率进行校核，应该使井身剖面的最大井眼曲率小于井下马达组合和下井套管抗弯曲强度允许的最大井眼曲率值。 井下马达定向造斜及扭方位的井段井眼曲率Km应满足下式：式中：Km井眼曲率，/100m；Db钻头直径，mm；DT井下马达外径，mm；LT井下马达长度，m。 下套管允许的 最大井眼曲率Km应满足下式：式中：Km井眼曲率，/100m；c套管屈服极限，PaC1安全系数，一般取1.21.25C2丝扣应力集中系数，一般取1.72.5Dc套管外径，cm 1.高边工具面角:指以高边的方向线为始边,顺 时针转到工具面与井底圆平面交线上,所转过的角度。 2

6、.磁北工具面角:高边工具面角加井底方位角。磁偏角（磁偏角（Declination） 在某一地区内，其磁北极方向线与地理北极方向线的夹角。计算方法是以地理北极方向线为始边，磁北极方向线为终边。顺时针为正，逆为负。在地面上难以建立或不允许建立井场的地区，要勘在地面上难以建立或不允许建立井场的地区，要勘探开发地下的石油等资源，唯一的办法是从该地区探开发地下的石油等资源，唯一的办法是从该地区附近打定向井；附近打定向井；在海洋或湖泊等水域上勘探开发石油时，最好是建在海洋或湖泊等水域上勘探开发石油时，最好是建立固定平台或从岸边打定向井和丛式定向井；立固定平台或从岸边打定向井和丛式定向井；可使用定向井饶过所

7、钻遇的地下复杂地层或障碍物可使用定向井饶过所钻遇的地下复杂地层或障碍物等；等；打定向水平井和复杂结构井，可扩大勘探效果及提打定向水平井和复杂结构井，可扩大勘探效果及提高开发效益和采收率；高开发效益和采收率；在发生卡钻、断钻及井喷着火等恶性钻井事故的情在发生卡钻、断钻及井喷着火等恶性钻井事故的情况下，用侧钻井、救援井来处理这类事故最有效。况下，用侧钻井、救援井来处理这类事故最有效。钻头：特殊结构，侧切特性，各向异性钻头：特殊结构，侧切特性，各向异性地层：岩性，可钻性，各向异性，几何产状地层：岩性，可钻性，各向异性，几何产状钻头作用力：钻压，侧向力，钻头转角，扭矩钻头作用力：钻压，侧向力，钻头转角

8、，扭矩高压射流作用：清洗碎屑，辅助轴向破岩高压射流作用：清洗碎屑，辅助轴向破岩确定钻头对地层的机械作用力：井斜力和方位力确定钻头对地层的机械作用力：井斜力和方位力确定钻头指向：转角确定钻头指向：转角确定钻压及钻头扭矩确定钻压及钻头扭矩确定钻柱或确定钻柱或BHABHA任一点内力和挠度任一点内力和挠度石油钻井中使用的牙轮石油钻井中使用的牙轮 钻头钻头改进后的改进后的17171 1/ /2 2 FS2663FS2663在迪那在迪那2 2井井1325-3129m1325-3129m井段共计井段共计4 4次入井，累计进尺次入井，累计进尺1723.48m1723.48m，累计纯钻，累计纯钻711.9h71

9、1.9h，平均钻速，平均钻速2.42m/h2.42m/h，17171 1/ /2 2 PDCPDC钻头在塔里木油田首钻头在塔里木油田首次取得突破次取得突破针对山前构造地层变化频繁，夹层研针对山前构造地层变化频繁，夹层研磨性强的特点，选用了磨性强的特点，选用了DS66GJNSWDS66GJNSW钻头，钻头，在柯深在柯深101101井井8 81 1/ /2 2 井段应用，累计进尺井段应用，累计进尺1098.27m1098.27m，平均钻速，平均钻速1.15m/h1.15m/h，与柯深，与柯深1 1井同井段相比节约周期井同井段相比节约周期165165天，节约成本天，节约成本11601160万万塔里木

10、钻井使用的钻头塔里木钻井使用的钻头IRFFRFFblaa oallo()()低摩阻滚动轴承侧向力六角方钻杆侧向位移接触点 88.9mmO水平面地层倾角XfYfZfexfeyfezfIDDIDDrdipnrstrn12,实钻地层的各向异性划分实钻地层的各向异性划分钻头ofrtdgeeeeee井眼轴线fr ep eI p eIp eeNrddruurss12式中，rN 表示沿er方向的“正规化”钻井效率；fe称为在单位力ef作用下的有效钻力；Ir1 和Ir2 表示正交各向异性地层的岩石各向异性指数；pd，pu 及 ps可表达如下： pI1IpI1IpI1Idbfdbfaadubfubfaausbf

11、sbfaas()()()()()()()()()()()()eeeeeeeeeeeeeeeeee井下动力钻具组合井下动力钻具组合钻机计算机地面发射器/接收器公司办公室卫星通讯双向通讯井下发射器/接收器微处理器传感器组(随钻测量)可调接头井下马达钻头S1=DH-DS1: distance clearance of first stabilizer , inS2= DH-DS2: diametrical clearance of second stabilizer, inB1=angle adjustment for under-gauge of 1st stabilizer, degB2=ang

12、le adjust adjustment for under-gauge of 2nd stabilizer, degB=Equivalent angle for single bend, deg =effective motor angle, deg35Principle for directional drilling 3- point geometry 200 x Angle of motorBend AngleBitBend AngleBitUpper STUpper STDogleg/100ft. Near-bit STNear-bit ST212222 111 )1(24180);

13、11(24180BBBLSBLLSBB = X ， L1= A ， L2= BftLLBUR10020021L1=AL2=B+CB = XC/(B + C)212222 111 )1(24180);11(24180BBBLSBLLSB212222 111 )1(24180);11(24180BBBLSBLLSBL1=A ， L2=B+C+DBXYDCDCDBCD()()( BAAXDCEDEDEEZYBL1=A +B ，L2=E+C+D基本假设基本假设1)底部钻具组合各结构单元均处于弹性状态；2)底部钻具组合各结构单元可以具有任意几何尺寸和材料性质,但分段保持为常数；3)钻头居井底中心,钻头与

14、地层间无力偶作用；4)钻压分段保持常数,沿井眼轴线方向作用；5)井眼为圆形,井壁为刚性体;6)稳定器与井壁之间的接触为点接触;7)在切点以上,钻柱因自重躺在下井壁;8)忽略钻柱与钻井液的动力效应。oxyz铅垂线A井眼轴线上稳定器钻头图2.1 参考坐标系()() ytxtqvTuMvquTvMu)()(*)4(*)4(xtqPM *)4(xzo井眼轴线铅垂线etea图2.2 平面参考坐标系ABCDEFGTTzOGOCGCOCDERRsinsin=30(sinsin ) /KxGDBEBCRRcoscos=30(coscos) /K OBDK LK La/6030=KLLa() /260 K L

15、/ 60 井眼约束条件：()cosuxrc xLLKaLKasin()()cos()()sin2230330zLLKaLKacos()()sin()()cos2230330（1）第j跨挠度函数的两维通解:usCk sCk sC sjjjjjj( )cos()sin()123 Cq skjxjj4222/式中,kj=P EIjj;s为挠度曲线弧长(单位:m);Cij为待定系数。（2）第j跨挠度函数的三维通解:jjjjji ssCk sCk s e( )(cossin)12C sCsjjj34022/ 式中： kPEIjjjj/2 jtjjMEI/ 2 0jjjjEI qPsin / jjjjjj

16、jLjjjjjjLjjjjjjjjCuCLuuDuDDCuBuBBCuAAC10402103021020201/式中: uuujLjj0；Aqkjxjj02/；Akjj221 ()Bqk Lkk Ljxjjjjjj041(cos) / (sin)Bkk Ljjjj121 / (sin)；Bk tgk Ljjjj221/ ()Dq Lkjxjjj022 / ()Dk Ljjj121/ ()；Dk Ljjj221 / () u010 uuGG uuLGjLjjjLjjjj0012(/)/ ukBB uB ujjjjLjjj00120() DD uD uuLjjLjjjjj0120/式中：GA kk

17、 LB kk LDjjjjjjjjjj0000 sincos GB kk LDjjjjjj111cos GA kk LB kk LDjjjjjjjjjj2222 sincosOXZetezP1FxSFbAtAz井眼轴线 FEI uPux101101P1=WOBSFFPbxcossin1SFb0 表示造斜SFb时，钻头井斜力随钻压增大而降低时，钻头井斜力随钻压增大而降低，当，当K时，则相反；时，则相反；无论无论K的正负，当的正负，当K时，钻头原有的变方位趋势随钻压增大而增时，钻头原有的变方位趋势随钻压增大而增强，当强，当K时亦然。时亦然。参数研究参数研究钻压的影响规律钻压的影响规律总的讲，它受钻

18、压的影总的讲，它受钻压的影响较大，钻头力学行为随钻压的变化规律也与井响较大，钻头力学行为随钻压的变化规律也与井眼几何形状有关。在斜直井眼中，钻头增斜力随眼几何形状有关。在斜直井眼中，钻头增斜力随钻压加大而增强（在无稳定器间隙时则相反），钻压加大而增强（在无稳定器间隙时则相反），原有的变方位趋势随之削弱。在弯曲井眼中，无原有的变方位趋势随之削弱。在弯曲井眼中，无论论K的正负，的正负，当当K0时，钻头井斜力随钻压时，钻头井斜力随钻压增加而变大，当增加而变大，当K时，则相反时，则相反；无论；无论K的的正负，当正负，当K时，钻头原有的变方位趋势随时，钻头原有的变方位趋势随钻压的增加而减弱，当钻压的增加

19、而减弱，当K时亦然。时亦然。参数研究参数研究钻压的影响规律钻压的影响规律参数研究参数研究钻头扭矩的影响规律钻头扭矩的影响规律参数研究参数研究影响因素分析影响因素分析参数研究参数研究井眼几何井眼几何的影响的影响底部钻具组合（底部钻具组合（BHA）横向分）横向分布载荷不仅源于钻铤的自重，而且与井斜角密切布载荷不仅源于钻铤的自重，而且与井斜角密切相关。当相关。当BHA选定后，其横向和轴向的分布载选定后，其横向和轴向的分布载荷大小均随井斜角的变化而变化。荷大小均随井斜角的变化而变化。BHA的弯曲的弯曲变形与其横向载荷和轴向载荷均有较大关系，因变形与其横向载荷和轴向载荷均有较大关系，因而钻头力学行为也必

20、然如此。计算结果表明，降而钻头力学行为也必然如此。计算结果表明，降斜钻具组合和增斜钻具组合的钻头井斜力受井斜斜钻具组合和增斜钻具组合的钻头井斜力受井斜角的影响较大，而稳斜钻具合的钻头井斜力则受角的影响较大，而稳斜钻具合的钻头井斜力则受其影响较小；另一方面，稳斜钻具组合和增斜钻其影响较小；另一方面，稳斜钻具组合和增斜钻具组合的钻头方位力受井斜角的影响较大，而降具组合的钻头方位力受井斜角的影响较大，而降斜钻具组合的钻头方位力则受其影响较小。此外斜钻具组合的钻头方位力则受其影响较小。此外，地层各向异性钻井特性也与井斜角有关。，地层各向异性钻井特性也与井斜角有关。参数研究参数研究井眼几何井眼几何的影响

21、的影响各种底部钻具组合均具有弹性各种底部钻具组合均具有弹性和抗弯刚度，当它们受到井眼的弯曲作用时，必和抗弯刚度，当它们受到井眼的弯曲作用时，必然会表现出自身的反抗响应。计算结果表明，底然会表现出自身的反抗响应。计算结果表明，底部钻具组合的力学特性对井眼曲率的敏感性响应部钻具组合的力学特性对井眼曲率的敏感性响应，表现为稳斜型最强，增斜型次之，降斜型相对，表现为稳斜型最强，增斜型次之，降斜型相对最弱；同时可发现，由于扭矩的耦合作用，井斜最弱；同时可发现，由于扭矩的耦合作用，井斜变化率尽管主要影响井斜力，但同时也对钻头方变化率尽管主要影响井斜力，但同时也对钻头方位力有一定的影响；井斜方位变化率虽然主

22、要影位力有一定的影响；井斜方位变化率虽然主要影响钻头方位力，但同时也对井斜力有一定的作用响钻头方位力，但同时也对井斜力有一定的作用效果。另外，井眼曲率对底部钻具组合的大挠度效果。另外，井眼曲率对底部钻具组合的大挠度非线性效应具有较大影响。非线性效应具有较大影响。参数研究参数研究井眼几何井眼几何的影响的影响BHA的弯曲变形，总是受井的弯曲变形，总是受井眼几何形状的严格约束。当遇到井径扩大时，井眼几何形状的严格约束。当遇到井径扩大时，井眼视半径便增大，井眼对眼视半径便增大，井眼对BHA的约束空间就发的约束空间就发生变化，从而影响生变化，从而影响BHA的变形状态。计算结果的变形状态。计算结果表明，井径扩大对三类表明，井径扩大对三类BHA力学行为的影响程力学行为的影响程度有所不同，其中以稳斜型受井径扩大的影响最度有所不同，其中以稳斜型受井径扩大的影响最大，增斜型次之，而降斜型受其影响则甚小。大，增斜型次之，而降斜型受其影响则甚小。井斜方位对钻进方向的影响，井斜方位对钻进方向的影