第5章井眼轨迹与井身结构设计

1、井眼轨道井眼轨道：是指在一口井钻进之前人们预想的该井井眼轴线形状。：是指在一口井钻进之前人们预想的该井井眼轴线形状。井眼轨迹井眼轨迹：是指一口已钻成的井的实际井眼轴线形状。：是指一口已钻成的井的实际井眼轴线形状。1919世纪末世纪末 打直井打直井 2020世纪世纪2020年代末年代末 直井防斜技术直井防斜技术 2020世纪世纪3030年代初年代初 打定向井打定向井定向井：定向井：是使井眼沿某一轨迹钻达预定目标的过程。是使井眼沿某一轨迹钻达预定目标的过程。井斜控制：井斜控制：是使井眼按规定的限制条件钻进的过程，是使井眼按规定的限制条件钻进的过程，而这些限制条件与井斜角偏离垂直方而这些限制条件与井

2、斜角偏离垂直方向的水平距离或二者有关向的水平距离或二者有关定向井的应用定向井的应用 (1)(1)地面环境条件的限制：地面上的高山，湖泊，沼泽，河流，地面环境条件的限制：地面上的高山，湖泊，沼泽，河流，沟壑，海洋，农田或重要的建筑物等；沟壑，海洋，农田或重要的建筑物等； (2)(2)地下地质条件的要求：地下地质条件的要求：增加油层穿越面积，提高产量和采收增加油层穿越面积，提高产量和采收率（水平井）；适应井下地质条件，节省钻井时间。率（水平井）；适应井下地质条件，节省钻井时间。对于对于断层遮挡油藏，薄油层，侧钻井，多底井，分支井，大位断层遮挡油藏，薄油层，侧钻井，多底井，分支井，大位移井，侧钻水平

3、井，径向水平井是定向井的新种类；移井，侧钻水平井，径向水平井是定向井的新种类； (3)(3)处理井下事故的特殊手段处理井下事故的特殊手段（救援井、侧钻井）（救援井、侧钻井）。 (4)(4)减小地面井场占用面积，节省投资（丛式井、多底井）。减小地面井场占用面积，节省投资（丛式井、多底井）。所谓所谓井眼轨迹井眼轨迹，实指井眼轴线。，实指井眼轴线。 轨迹测量就是轨迹测量就是“测斜测斜”。目前常用的测斜方法并不是连目前常用的测斜方法并不是连续测斜，而是每隔一定长度的续测斜，而是每隔一定长度的井段测一个点。这些井段被称井段测一个点。这些井段被称为为“测段测段”，这些点被称，这些点被称为为“测点测点”。点

4、垂直井深点垂直井深A AA A点测量井深：点测量井深：D点井斜角点井斜角HA井眼曲线的表示方法井眼曲线的表示方法：l垂直平面（井斜平面）垂直平面（井斜平面）l与水平平面与水平平面 NOOOBANEBABSO(1)(1)井深（井深（DmDm），），又称又称斜深斜深： 井深井深指井口指井口( (通常通常以转盘面为基以转盘面为基准准) )至测点的井眼长度，也有人称之至测点的井眼长度，也有人称之为 斜 深 ， 国 外 称 为 测 量 井 深为 斜 深 ， 国 外 称 为 测 量 井 深(Measure Depth)(Measure Depth)，井深常以字母，井深常以字母DmDm表示，单位为米表示，单

5、位为米(m)(m)。井深的增量称。井深的增量称为为井段井段，以，以DmDm表示。二测点之间表示。二测点之间的井段称为的井段称为测段测段。一个测段的两个。一个测段的两个测点中，井深小的称为测点中，井深小的称为上测点上测点，井，井深大的称为深大的称为下测点下测点。井深的增量井深的增量总总是下测点井深减去上测点井深。是下测点井深减去上测点井深。点垂直井深点垂直井深A AA A点测量井深：点测量井深： D点井斜角点井斜角HA(2)(2)井斜角（井斜角（ 井斜角井斜角（），单位为度：过井），单位为度：过井眼轴线上某测点作井眼轴线的切线，眼轴线上某测点作井眼轴线的切线，该切线该切线向井眼前进方向延伸向井眼

6、前进方向延伸的部分的部分称为称为井眼方向线井眼方向线。井眼方向线与重。井眼方向线与重力线之间的夹角就是力线之间的夹角就是井斜角井斜角。显然，。显然，井眼方向线与重力线都是有向线段。井眼方向线与重力线都是有向线段。井斜角表示了井眼轨迹在该测点处井斜角表示了井眼轨迹在该测点处倾斜的大小。倾斜的大小。井斜角的增量井斜角的增量：以：以表示。表示。ABAB井段井斜角增量为井段井斜角增量为B B - - A A 。A AA AA AA AKBABA(3)(3)井斜方位角（井斜方位角（）：）： 某测点处的井眼方向线投影到水某测点处的井眼方向线投影到水平面上，称为平面上，称为井眼方位线井眼方位线，或，或井斜井

7、斜方位线方位线。以正北方位线为始边，。以正北方位线为始边，顺顺时针方向时针方向旋转到井眼方位线上所转旋转到井眼方位线上所转过的角度，即过的角度，即井眼方位角井眼方位角。注意，。注意，正北方位线正北方位线是指地理子午线沿正北是指地理子午线沿正北方向延伸的线段。所以正北方位线方向延伸的线段。所以正北方位线和井眼方位线也都是有向线段，都和井眼方位线也都是有向线段，都可以用矢量表示。可以用矢量表示。井斜方位角的增井斜方位角的增量量是下测点的井斜方位角减去上测是下测点的井斜方位角减去上测点的井斜方位角：点的井斜方位角：B B - - A AfAfBKBABAfAfB注意注意“方向方向”与与“方位方位”的

8、区别。的区别。 方位线方位线是水平面上的矢量，而是水平面上的矢量，而方向线方向线则是空间的矢量。只要则是空间的矢量。只要讲到方位、方位线、方位角，都是在某个水平面上；而方向和方讲到方位、方位线、方位角，都是在某个水平面上；而方向和方向线则是在三维空间内（当然也可能在水平面上）。向线则是在三维空间内（当然也可能在水平面上）。井眼方向线井眼方向线是指井眼轴线上某一点处井眼前进的方向线。该点的是指井眼轴线上某一点处井眼前进的方向线。该点的井眼方位线井眼方位线则是该点井眼方向线在水平面上的投影。则是该点井眼方向线在水平面上的投影。 需要注意的是需要注意的是，目前广泛使用的磁性测斜仪是，目前广泛使用的磁

9、性测斜仪是以地球磁北方位为以地球磁北方位为基准基准的。磁北方位与正北方位并不重合而是有个夹角，称为的。磁北方位与正北方位并不重合而是有个夹角，称为磁偏角磁偏角。磁偏角又分为东磁偏角和西磁偏角。磁偏角又分为东磁偏角和西磁偏角。东磁偏角东磁偏角指磁北方位线在正北方指磁北方位线在正北方位线的东面，位线的东面，西磁偏角西磁偏角指磁北方位线在正北方位线的西面。用磁性测指磁北方位线在正北方位线的西面。用磁性测斜仪测得的井斜方位角称为斜仪测得的井斜方位角称为磁方位角磁方位角。 井斜方位角还可用井斜方位角还可用“象限角象限角”表表示。示。 “象限角象限角”指井斜方位线与正指井斜方位线与正北方位线或正南方位线之

10、间的夹角。北方位线或正南方位线之间的夹角。象限角在象限角在0 090度之间变化。度之间变化。N67.5N67.5WW读作由北向西偏了读作由北向西偏了67.567.5。基本参数：基本参数：测斜仪器在每个测点上测得参数（井深、井斜角和井斜方位角）。测斜仪器在每个测点上测得参数（井深、井斜角和井斜方位角）。计算参数计算参数：根据基本参数计算出来的参数。：根据基本参数计算出来的参数。 (1)(1)垂直深度，简称垂深；垂直深度，简称垂深； (2)(2)水平投影长度，简称水平长度或平长；水平投影长度，简称水平长度或平长； (3)(3)水平位移，简称平移；水平位移，简称平移； (4)(4)平移方位角；平移方

11、位角； (5) N(5) N坐标和坐标和E E坐标；坐标； (6)(6)视平移，亦称投影位移；视平移，亦称投影位移； (7)(7)井眼曲率，狗腿严重度、全角变化率。井眼曲率，狗腿严重度、全角变化率。(1)(1)垂直深度垂直深度 D D 垂直深度垂直深度：简称：简称垂深垂深，是指轨迹上某点至井口所在水平面的距，是指轨迹上某点至井口所在水平面的距离，垂深常以字母离，垂深常以字母D D表示表示 ； True vertical depth(TVD)True vertical depth(TVD) 垂深的增量称为垂增，垂增以垂深的增量称为垂增，垂增以DD表示表示 。 垂增垂增DDD DB BDDA A

12、（2 2）水平投影长度）水平投影长度 LpLp ： 水平投影长度水平投影长度简称简称水平长度水平长度或或平长平长，是指井眼轨迹上某点至，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。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。 水平长度的增量：称为水平长度的增量：称为平增平增。平长以字母上。平长以字母上LpLp表示，平增以表示，平增以LpLp表示。表示。 平长和平增在图平长和平增在图5454中是指曲线的长中是指曲线的长度。度。(3)(3)水平位移水平位移 S S 水平位移水平位移：简称：简称平移平移，指轨迹上某点至井口所在铅垂线的距离，或，指轨迹上某点

13、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。此投影线称为指轨迹上某点至井口的距离在水平面上的投影。此投影线称为平移方平移方位线位线。水平位移常以字母。水平位移常以字母S S表示。如图表示。如图5555所示。所示。 在国外将水平位移称作在国外将水平位移称作闭合距闭合距。而我国油田现场常特指。而我国油田现场常特指完钻时完钻时的水平位移的水平位移为闭合距。为闭合距。 闭闭 合合 距距：井底的水平位移，米：井底的水平位移，米。 closureclosure 点水平位移：点水平位移：AOAOAE(E(完井井底完井井底) )闭合距：闭合距：S SE EOEOE闭合方位角闭合方位角

14、fE(4)(4)平移方位角平移方位角 平移方位角平移方位角：指平移方位线所在的方位角，即以正北方位：指平移方位线所在的方位角，即以正北方位为始边顺时针转至平移线上所转过的角度，常以字母为始边顺时针转至平移线上所转过的角度，常以字母表示。表示。如图如图5555所示。所示。 闭合方位角闭合方位角：在水平投影图上测点处正北方向与闭合方位线：在水平投影图上测点处正北方向与闭合方位线间的夹角，度间的夹角，度 (closure azimuth)(closure azimuth) 在国外将平移方位角称作闭合方位角。而我国油田现场常特在国外将平移方位角称作闭合方位角。而我国油田现场常特指指完钻时完钻时的平移方

15、位角为闭合方位角。的平移方位角为闭合方位角。点水平位移：点水平位移：AOAOAE(E(完井井底完井井底) )闭合距：闭合距：S SE EOEOE闭合方位角闭合方位角 fE(5)N(5)N坐标和坐标和E E坐标坐标 N N坐标和坐标和E E坐标坐标：是指轨迹上某点在以井口为原点的：是指轨迹上某点在以井口为原点的水平面坐水平面坐标系标系里的坐标值。此水平面坐标系有两个坐标轴，一是南北坐标里的坐标值。此水平面坐标系有两个坐标轴，一是南北坐标轴，轴，以正北方向为正方向以正北方向为正方向；一是东西坐标轴，；一是东西坐标轴，以正东方向为正方以正东方向为正方向向。 如图如图5454所示，所示，A A、B B

16、二点的水平坐二点的水平坐标分别为标分别为N NA A、E EA A和和N NB B、E EB B。水平坐标可。水平坐标可以有增量，以以有增量，以NN、EE表示。表示。 (6)(6)视平移视平移 V V 视平移视平移：亦称投影位移，是水平位移在设计方位线上的投：亦称投影位移，是水平位移在设计方位线上的投影长度。视平移以字母影长度。视平移以字母V V表示。表示。 如图如图5555所示，所示，A A、B B二点的视平移分别为二点的视平移分别为VAVA、VBVB。 当实钻轨迹与设计轨迹偏差当实钻轨迹与设计轨迹偏差 很大时甚至背道而驰时，视平移很大时甚至背道而驰时，视平移 可能成为负值。可能成为负值。

17、l弧段弧段OAOA：水平投影长度：水平投影长度l线段线段OAOA：水平位移：水平位移l：平移方位角：平移方位角l V V：视平移：视平移lN N坐标坐标lE E坐标坐标井眼曲率井眼曲率 井眼曲率井眼曲率：指井眼轨迹曲线的曲率。有人称作：指井眼轨迹曲线的曲率。有人称作“狗腿严重度狗腿严重度”，“全角变化率全角变化率”。 由于实钻井眼轨迹是任意的空间曲线，其曲率是由于实钻井眼轨迹是任意的空间曲线，其曲率是不断变化的，所以在不断变化的，所以在工程上常常计算井段的平均曲率工程上常常计算井段的平均曲率。 “狗腿角狗腿角”：对一个测段：对一个测段( (或井段或井段) )来说，上、下二测点处的井眼方来说，上

18、、下二测点处的井眼方向线是不同的，两条方向线之间的夹角向线是不同的，两条方向线之间的夹角( (注意是在空间的夹角注意是在空间的夹角) )称为称为“狗腿角狗腿角”，也有人称为，也有人称为“全角变化全角变化”。即。即上下二测点的两条方向线上下二测点的两条方向线之间的夹角（空间夹角）。之间的夹角（空间夹角）。 井眼平均曲率井眼平均曲率：狗腿角被测段：狗腿角被测段( (或井段或井段) )除即可得到该段的井眼平均除即可得到该段的井眼平均曲率。曲率。 显然，所取测显然，所取测( (井井) )段越短，平均曲率就越接近实际曲率。段越短，平均曲率就越接近实际曲率。NO 井眼的曲率井眼的曲率K K：（：（hole

19、 curvature)hole curvature)井井眼切线的方向相对于井深的变化率眼切线的方向相对于井深的变化率 K K表示曲线偏离直线的程度。表示曲线偏离直线的程度。Kdlr1r2L井眼曲率计算方法：井眼曲率计算方法： 先计算狗腿角，再计算平均井眼曲率。先计算狗腿角，再计算平均井眼曲率。 Lubinski公式：公式： 我国钻井行业标准规定狗腿角的计算公式：我国钻井行业标准规定狗腿角的计算公式： 式中：式中：井斜角；井斜角； 方位角；方位角； c c平均井斜角平均井斜角coscoscossinsincos()5 1ABABBA 30 /52cmKD2220.5(sin)53c 2/ )(B

20、Ac全角变化率全角变化率K K：井眼的空间曲率。：井眼的空间曲率。井眼轨迹曲线的曲率。井眼轨迹曲线的曲率。A AB BKKK222sin1 1、水平投影图、水平投影图 相当于机械制图中的相当于机械制图中的俯视图俯视图，也相当于将井眼轨迹这条空，也相当于将井眼轨迹这条空间曲线间曲线投影到井口所在的水平面上投影到井口所在的水平面上。图中的坐标为。图中的坐标为N N坐标和坐标和E E坐标，以井口为坐标原点。所以只要知道一口井轨迹上坐标，以井口为坐标原点。所以只要知道一口井轨迹上所有所有各点的各点的N N、E E坐标值坐标值就可以很容易画出该井轨迹的水平投影图。就可以很容易画出该井轨迹的水平投影图。

21、2 2、垂直投影图、垂直投影图 相当于机械制图中的相当于机械制图中的侧视图侧视图，即将井眼轨迹这条空间曲线投影，即将井眼轨迹这条空间曲线投影到铅垂平面上。图中的坐标为垂深到铅垂平面上。图中的坐标为垂深D D和视平移和视平移V V，也是以井口为坐标，也是以井口为坐标原点。但是经过井口的铅垂平面有无数个，应该选择那个呢原点。但是经过井口的铅垂平面有无数个，应该选择那个呢? ?我国钻我国钻井行业标准规定，井行业标准规定，选择设计方位线所在的那个铅垂平面选择设计方位线所在的那个铅垂平面。这样的垂。这样的垂直投影图与设计的垂直投影图进行比较，可以看出实钻井眼轨迹与直投影图与设计的垂直投影图进行比较，可以

22、看出实钻井眼轨迹与设计井眼轨迹的差别，便于指导施工中轨迹控制。设计井眼轨迹的差别，便于指导施工中轨迹控制。 显然，只要计算出一口井轨迹上所有各点的显然，只要计算出一口井轨迹上所有各点的垂深和视平移垂深和视平移就可就可以很容易画出该井轨迹的垂直投影图。以很容易画出该井轨迹的垂直投影图。3 3、垂直剖面图、垂直剖面图 垂直剖面图的形式原理：参看图垂直剖面图的形式原理：参看图5757，设想经过井眼轨迹上每一，设想经过井眼轨迹上每一个点作一条铅垂线，所有这些铅垂线就构成了一个曲面。这种曲面个点作一条铅垂线，所有这些铅垂线就构成了一个曲面。这种曲面在数学上称作柱面。此曲面有一个显著的特点，就是可以展平到

23、一在数学上称作柱面。此曲面有一个显著的特点，就是可以展平到一个平面上。当此柱面展平时就形成了垂直剖面图。个平面上。当此柱面展平时就形成了垂直剖面图。 实际的垂直剖面图并不是按照先作柱面然后展平的办法得到。垂实际的垂直剖面图并不是按照先作柱面然后展平的办法得到。垂直剖面图的两个坐标是垂深直剖面图的两个坐标是垂深D D和水平长度上和水平长度上LpLp。实际上，只要计算出。实际上，只要计算出一口井轨迹上所有各点的一口井轨迹上所有各点的垂深和水平长度垂深和水平长度就可以很容易画出该井轨就可以很容易画出该井轨迹的垂直剖面图。迹的垂直剖面图。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

24、：坐标系：以井口为原点，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，即井口和目标点过设计方位线的铅垂面，即井口和目标点 所在的铅锤面。所在的铅锤面。 坐标系：坐标系：原点（井口）、横坐标（视平移）、纵坐原点（井口）、横坐标（视平移）、纵坐 标（垂深）标（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

25、，井斜的增减趋势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柱过井眼轴线上各点垂线组成柱 面展开图。面展开图。 坐标系：坐标系：原点（井口）、原点（井口）、横坐标（水平长横坐标（水平长 度）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 .mD 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 最大稳斜角最大稳斜角6015b8560b90b12090bb 二维定向井：二维定向

26、井：指设计的轨道都在一个指设计的轨道都在一个铅垂平面上变化，即设计轨道只有井斜角铅垂平面上变化，即设计轨道只有井斜角的变化而无井斜方位角的变化。的变化而无井斜方位角的变化。 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，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。 OABABCDO 三维定向井：三维定向井：指设计的轨道都在三维空间上变化，既有井斜指设计的轨道都在三维空间上变化，既有井斜角的变化又有井斜方位角的变化。

27、角的变化又有井斜方位角的变化。常用于在地面井口位置与设计目常用于在地面井口位置与设计目标点之间的铅垂平面内，存在井眼难标点之间的铅垂平面内，存在井眼难以通过的障碍物（如：已钻的井眼、以通过的障碍物（如：已钻的井眼、盐丘等），设计井需要绕过障碍钻达目标点。盐丘等），设计井需要绕过障碍钻达目标点。 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。O（1 1）保证实现钻定向井的目的）保证实现钻定向井的目的 根据不同的定向井钻井目的对根据不同的定向井钻井目的对定向井井身剖面进行合理设计定向井井身剖面进行合理设计例如：例如：裂缝性油藏：裂缝性油藏：横穿裂缝横穿裂缝薄

28、油层：薄油层：大斜度或水平井大斜度或水平井低渗块状油层：低渗块状油层：多底井多底井 救援：救援：目标层位、靶区半径、目标层位、靶区半径、简单简单（快速、经济）（快速、经济）落鱼侧钻：落鱼侧钻： 避开落鱼、一定水平位移避开落鱼、一定水平位移整块油藏：整块油藏： 按开发井网布置要求按开发井网布置要求 地面限制地面限制油田所处地面不利油田所处地面不利于或不充许设置井场于或不充许设置井场钻井或搬家安装受到钻井或搬家安装受到极大障碍。极大障碍。如：如：1 1）英国的北海油田）英国的北海油田 2 2）中国的塔里木油田。）中国的塔里木油田。地下地质条件要求：地下地质条件要求：增产增产由于地质构造特点，定由于

29、地质构造特点，定向井能更有利于发现油藏、向井能更有利于发现油藏、增加开发速度。增加开发速度。海上生产集输需要海上生产集输需要（2 2）有利于安全、优质、快速钻井）有利于安全、优质、快速钻井 地面条件地面条件是确定定向井井位和丛式井平台位置的重要依是确定定向井井位和丛式井平台位置的重要依据，还需考虑交通、采油、油气集输等方面的需要。据，还需考虑交通、采油、油气集输等方面的需要。 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；，小倾角定向井； ，中倾角定向井

30、；，中倾角定向井； 大于大于 ，大倾角定向井；，大倾角定向井； 最大井斜角最大井斜角不得小于不得小于15度度，否则井斜方位不易稳定。，否则井斜方位不易稳定。3015603060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。在选择井

31、眼曲率值时，要权衡造斜工具的造斜能力、减小起下在选择井眼曲率值时，要权衡造斜工具的造斜能力、减小起下钻和下套管的难度和缩短造斜井段的长度。钻和下套管的难度和缩短造斜井段的长度。(3)(3)有利于采油工艺的要求：有利于采油工艺的要求： 尽量尽量减小井眼曲率减小井眼曲率，以改善油管和抽油杆的工作条件。，以改善油管和抽油杆的工作条件。 尽量以较小井斜角的尽量以较小井斜角的直井段直井段（斜直或垂直）进入油气（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。(4)(4)尽量利用地层自然造斜规律（方位漂移），减少人工造斜工作尽量利用地层

32、自然造斜规律（方位漂移），减少人工造斜工作量；量；(5)(5)在满足钻井目的的前提下，使剖面尽量简单，斜井段最短；在满足钻井目的的前提下，使剖面尽量简单，斜井段最短；(6)(6)斜井段全角变化率要保持均匀，避免急弯。斜井段全角变化率要保持均匀，避免急弯。设计步骤设计步骤 1 1、收集原始资料：地表限制、地下条件要求、自然造斜规律、收集原始资料：地表限制、地下条件要求、自然造斜规律 2 2、选择井身剖面类型：、选择井身剖面类型： 3 3、选择造斜点位置、选择造斜点位置 （1 1）地层应稳定，不应是破碎带、漏失、易塌地层；）地层应稳定，不应是破碎带、漏失、易塌地层； （2 2）地层可钻性均匀，不应

33、有硬夹层；）地层可钻性均匀，不应有硬夹层； （3 3）满足采油工艺的要求；）满足采油工艺的要求； （4 4）垂深大，水平位移小的井，造斜点应深；）垂深大，水平位移小的井，造斜点应深； （5 5）垂深小，水平位移大的井，造斜点应浅；）垂深小，水平位移大的井，造斜点应浅； （6 6）定造斜点时应使斜井段避开方位漂移大的地层或利用方位漂移。）定造斜点时应使斜井段避开方位漂移大的地层或利用方位漂移。设计步骤设计步骤 4 4、确定造斜率和降斜率大小、确定造斜率和降斜率大小 造斜率：井下动力钻具，取造斜率：井下动力钻具，取5 5 1616 /100m/100m 转盘钻造斜，取转盘钻造斜，取4 4 8 8

34、/100m/100m 降斜率：用钟摆钻具或光钻铤降斜，取降斜率：用钟摆钻具或光钻铤降斜，取6 6 2 2 /100m/100m 最大井斜角：最大井斜角：1515 4545 井眼曲率：控制在井眼曲率：控制在5 5 1212 /100m/100m，最大不超过，最大不超过1616 /100m/100m 水平井：大曲率半径水平井，造斜率水平井：大曲率半径水平井，造斜率5 5 1616 /100m/100m 中曲率半径水平井，造斜率中曲率半径水平井，造斜率6 6 2525 /10m/10m 小曲率半径水平井，造斜率小曲率半径水平井，造斜率4 4 1010 /m/m设计步骤设计步骤 5 5、计算剖面上各井

35、段的、计算剖面上各井段的 、f f、L L、H H 6 6、绘出设计的井眼轴线、绘出设计的井眼轴线 7 7、核算井眼曲率、核算井眼曲率 8 8、给出误差范围（控制圆柱、给出误差范围（控制圆柱Control cylinderControl cylinder） u三段式三段式u多靶三段式多靶三段式u五段式五段式u双增式双增式tb K K 造斜点造斜点b b 增斜结束点增斜结束点t t 目标点目标点b b 稳斜段井斜角稳斜段井斜角b 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

36、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,tmmttDSDkopDK （1）三段式轨道）三段式轨道 给定给定0,ttkopzD SDK 0.5221719/22 arctan/ 2zzetkopetezmweeeebemweeRKDDDSSRRDDSRSDDRS 5井段计算及设计结果表述井段计算及设计结果表述 井段计算是根据设计依据的条件和计算出的关键参数，井段计算是根据设计依据的条件和计算出的关键参数，算出每个井段的算出每个井段的段长、垂增、平增三个参数。三个参数。下面分别列出各段的计算公式。下面分别列出各段的计算公式。1.基本参数：井深、井斜角、井斜方位角2.

37、计算参数(1)垂直深度，简称垂深；垂增；(2)水平投影长度，简称水平长度或平长；(3)水平位移，简称平移；平增；(4)平移方位角；(5) N坐标和E坐标；(6)视平移，亦称投影位移；(7)井眼曲率，狗腿严重度、全角变化率。2.Plan a directional well trajectory using a build-and-hold type of profile. Known data are listed as following:Proposed azimuthT: 60The kickoff point: 300mTVD(True Vertical Depth) of targe

38、 HT: 1000mHorizontal departure of target ST: 500mBuild-up rate: 3/30mRequirements:（1）Calculate maximum inclination m（2） Calculate increment of depth, inclination, azimuth, true vertical depth(TVD), horizontal displacement, Northing, Easting for each section.（3）Calculate depth, inclination, azimuth,

39、true vertical depth(TVD), horizontal displacement, Northing, Easting at the end of each section. Note: 1 radian57.3or 3.14/180Solution：（1）calculate maximum inclination：R0=1719/3=573mA0=500H0=HT-Hz=1000-300=700m55.48500573*2500500*573*2700700222222002000200arctgARAARHHarctgm（2） at vertical section:de

40、pth：L1=300minclination：0azimuth：N/Anorthing：0easting：0（3）at build-up section 1) increment increment of depth：L2=48.55/57.3*573=485.48m increment of TVD：H2=R*sin48.55=429.44m increment of horizontal dep.：S2=R(1-cos48.55)=573*(1-cos48.55)=193.67m increment of Northing： N2=S2*cos60=208.5* cos60=96.83m

41、increment of easting： E2=S2*sin60=208.5* sin60=167.72m 2) parameters at the end of curve depth：L2=L1+L2=785.48m TVD：H2=H1+H2=300+429.44=729.44m Horizontal departure：S2=S1+S2=193.67m northing：N2=N1+N2=96.83m easting：E2=E1+E1=167.72m inclination：48.55 azimuth：60 （3）at hold section 1) increment increme

42、nt of depth：L3=408.71m increment of TVD：H2=L3*cos(48.55)=270.56m increment of horizontal dep.：S3=L3*sin(48.55)=306.33m increment of Northing： N3=S3*cos60=306.33* cos60=153.17m increment of easting：E3=S3*sin60=306.33* sin60=265.29m TD：L3=L2+L3=785.48m+408.71m=1194.19m Total TVD：H3=H2+H3=729.44m+270.5

43、6m=1000m Total horizontal departure：S3=S2+S2=193.67m306.33m=500m Total northing：N3=N2+N3=250m Total easting：E3=E2+E3=433m inclination：48.55 azimuth：60 l定义定义 套管层次、套管下入深度以及井眼尺寸（钻头套管层次、套管下入深度以及井眼尺寸（钻头尺寸）与套管尺寸的配合。尺寸）与套管尺寸的配合。 l目的：目的：保证安全、优质、快速和经济地钻达目的层保证安全、优质、快速和经济地钻达目的层 l内容内容 下入套管层数下入套管层数 各层套管的下入深度各层套管

44、的下入深度 选择合适的套管尺寸与钻头尺寸组合选择合适的套管尺寸与钻头尺寸组合l影响因素影响因素 地层压力（地层压力、破裂压力、坍塌压力）地层压力（地层压力、破裂压力、坍塌压力） 工程参数工程参数 地层必封点地层必封点 井身结构设计是钻井工程的基础设计，它不但关系到钻井身结构设计是钻井工程的基础设计，它不但关系到钻井工程的整体效益，而且还直接影响油井的质量和寿命，因而井工程的整体效益，而且还直接影响油井的质量和寿命，因而在进行钻井工程设计时首先要科学地进行井身结构设计。井身在进行钻井工程设计时首先要科学地进行井身结构设计。井身结构设计的结构设计的主要依据主要依据是地层压力和地层破裂压力剖面。是地

45、层压力和地层破裂压力剖面。导管导管 l钻表层井眼时，将钻井液从地钻表层井眼时，将钻井液从地表引导到钻台平面上来。表引导到钻台平面上来。 表层套管表层套管 l防止浅层水受污染，封闭浅层防止浅层水受污染，封闭浅层流砂、砾石层及浅层气，支撑流砂、砾石层及浅层气，支撑井口设备装置，悬挂依次下入井口设备装置，悬挂依次下入的各层套管的载荷。的各层套管的载荷。 技术套管（中间套管）技术套管（中间套管） l封隔坍塌地层及高压水层封隔坍塌地层及高压水层 l封隔不同的压力体系封隔不同的压力体系 l继续钻井的需要继续钻井的需要油层套管（生产套管）油层套管（生产套管） l为油气生产提供流通通道为油气生产提供流通通道

46、l保护产层、分层测试、分保护产层、分层测试、分层采油、分层改造层采油、分层改造尾管尾管 l技术尾管技术尾管 l生产尾管生产尾管 l尾管回接尾管回接能有效保护油气层；能有效保护油气层； 能避免产生井漏、井喷、井塌、卡钻等井下复杂情况能避免产生井漏、井喷、井塌、卡钻等井下复杂情况, ,为为全井安全、优质、快速和经济地钻进创造条件；全井安全、优质、快速和经济地钻进创造条件； 当实际地层压力超过预测值使井出现溢流时，在一定范围当实际地层压力超过预测值使井出现溢流时，在一定范围内，具有压井处理溢流的能力。内，具有压井处理溢流的能力。l抽吸压力系数抽吸压力系数SbSb 上提钻柱时，由于抽吸作用使井内液柱压

47、力降低的值，用当量密度上提钻柱时，由于抽吸作用使井内液柱压力降低的值，用当量密度表示。表示。l激动压力系数激动压力系数SgSg 下放钻柱时，由于钻柱向下运动产生的激动压力使井内液柱压力的下放钻柱时，由于钻柱向下运动产生的激动压力使井内液柱压力的增加值，用当量密度表示。增加值，用当量密度表示。l安全系数安全系数SfSf 为避免上部套管鞋处裸露地层被压裂的地层破裂压力安全增值，用为避免上部套管鞋处裸露地层被压裂的地层破裂压力安全增值，用当量密度表示。安全系数的大小与地层破裂压力的预测精度有关。当量密度表示。安全系数的大小与地层破裂压力的预测精度有关。l井涌允量井涌允量SkSk 由于地层压力预测的误

48、差所产生的井涌量的允值，用当量密度表由于地层压力预测的误差所产生的井涌量的允值，用当量密度表示，它与地层压力预测的精度有关。示，它与地层压力预测的精度有关。l压差允值压差允值pp 不产生压差卡套管所允许的最大压力差值，它的大小与钻井工不产生压差卡套管所允许的最大压力差值，它的大小与钻井工艺技术和钻井液性能有关，也与裸眼井段的地层孔隙压力有关。若正艺技术和钻井液性能有关，也与裸眼井段的地层孔隙压力有关。若正常地层压力和异常高压同处一个裸眼井段，卡钻易发生在正常压力井常地层压力和异常高压同处一个裸眼井段，卡钻易发生在正常压力井段，所以段，所以压差允值又有正常压力井段和异常压力井段之分压差允值又有正

49、常压力井段和异常压力井段之分，分别用，分别用pn和和pa表示。表示。已知条件：已知条件：1.1.设计系数设计系数: :根据本地的统计资料确定根据本地的统计资料确定; ;2.2.所在地区的地层压力和地层破裂压力剖面所在地区的地层压力和地层破裂压力剖面l考虑的因素考虑的因素地层压力地层压力地层破裂压力地层破裂压力 工程参数工程参数 l正常作业：正常作业：S Sb b、S Sg g、S Sf f l出现出现溢溢流：流：S Sb b 、S Sf f、S SK K l最大允许压差最大允许压差井深井深当量泥浆密度当量泥浆密度GpGf4 4、设计举例、设计举例例题：例题：某井设计井深为某井设计井深为4400

50、m,，地层孔隙压力，地层孔隙压力梯度和地层破裂压力梯度剖面如图所示。梯度和地层破裂压力梯度剖面如图所示。给定设计系数：给定设计系数： 试进行该井的井身结构设计。试进行该井的井身结构设计。30.036 /bSg cm30.03 /fSg cm30.06 /kSg cm30.04 /gSg cm12NPMPa12APMPa当量泥浆密度当量泥浆密度pf1 1、井身结构设计关键参数、井身结构设计关键参数 最大钻井液密度：最大钻井液密度： 某一层套管的钻进井段中所用的最大钻井某一层套管的钻进井段中所用的最大钻井液密度，和该井段中的最大地层压力有关：液密度，和该井段中的最大地层压力有关：lmaxmax：某

51、层套管的钻进井段中所使用的最大：某层套管的钻进井段中所使用的最大钻井液密度，钻井液密度，g/cmg/cm3 3； lG Gpmaxpmax：该井段的最大地层压力梯度，该井段的最大地层压力梯度，g/cmg/cm3 3； lS Sw w：考虑到上提钻柱时抽吸作用使井底压力：考虑到上提钻柱时抽吸作用使井底压力降低，为了平衡地层压力所加的附加钻井液降低，为了平衡地层压力所加的附加钻井液密度，密度，g/cmg/cm3 3。SbSb=0.024-0.048 g/cm=0.024-0.048 g/cm3 3 。maxmaxPbSpbS当量泥浆密度当量泥浆密度pfffS1 1、井身结构设计关键参数、井身结构设

52、计关键参数 最大井内压力梯度最大井内压力梯度 l正常作业（起下钻、钻进）：正常钻井条件下，正常作业（起下钻、钻进）：正常钻井条件下，井内最大压力井内最大压力梯度是发生在下放钻柱时梯度是发生在下放钻柱时，由于产生压力激动使得井内压力增，由于产生压力激动使得井内压力增高，设由于压力激动使井内的压力增加值为高，设由于压力激动使井内的压力增加值为SgSg，则最大井内压，则最大井内压力梯度为：力梯度为： SgSg：激动压力梯度当量密度；：激动压力梯度当量密度； g/cmg/cm3 3； SgSg=0.024-0.048 g/cm=0.024-0.048 g/cm3 3gmESmaxgbpmESS max

53、1 1、井身结构设计关键参数、井身结构设计关键参数最大井内压力梯度最大井内压力梯度 l发生溢流时：为了制止溢流，如压井时井内压力增高值为发生溢流时：为了制止溢流，如压井时井内压力增高值为SkSk, ,则则最大井内压力梯度为：最大井内压力梯度为： SkSk=0.060 g/cm=0.060 g/cm3 3 上式上式只适用于最大地层压力所对应的井深只适用于最大地层压力所对应的井深H Hpmaxpmax处处，而对于井深，而对于井深为为H H的的任意井深处任意井深处的井内压力梯度为：的井内压力梯度为：KbpmESS maxKmESmaxKpmESHHmaxmaxKpbpmESHHSmaxmax关井井底

54、最大压力关井井底最大压力对于任意井深对于任意井深H处：处：mEsdmpppPsdHpmaxHmaxmEmKpgHgHS gHmaxpmEmKHHSH1 1、井身结构设计关键参数、井身结构设计关键参数最大井内压力梯度最大井内压力梯度 l发生溢流时：为了制止溢流，如压井时井内压力增高值为发生溢流时：为了制止溢流，如压井时井内压力增高值为SkSk, ,则则最大井内压力梯度为：最大井内压力梯度为： SkSk=0.060 g/cm=0.060 g/cm3 3 上式上式只适用于最大地层压力所对应的井深只适用于最大地层压力所对应的井深H Hpmaxpmax处处，而对于井深，而对于井深为为H H的的任意井深处

55、任意井深处的井内压力梯度为：的井内压力梯度为：KbpmESS maxKmESmaxKpmESHHmaxmaxKpbpmESHHSmaxmax1 1、井身结构设计关键参数、井身结构设计关键参数套管下深的临界条件套管下深的临界条件 l为了确保上一层套管鞋处的裸露为了确保上一层套管鞋处的裸露地层不被压裂，应该保证，某一地层不被压裂，应该保证，某一井段的最大地层压力满足：井段的最大地层压力满足： lf f: :上一层套管下入深度处裸露上一层套管下入深度处裸露地层的破裂压力梯度；地层的破裂压力梯度； g/cmg/cm3 3 lSfSf：为避免将上一层套管下入深：为避免将上一层套管下入深度处裸露地层压裂的

56、安全值，度处裸露地层压裂的安全值，l SfSf =0.024-0.048 g/cm =0.024-0.048 g/cm3 3ffmESpbS当量泥浆密度当量泥浆密度pfffS1 1、井身结构设计关键参数、井身结构设计关键参数l最大允许压差最大允许压差为了在下套管过程中，不致于发生压差粘卡套管的事故，应该为了在下套管过程中，不致于发生压差粘卡套管的事故，应该限制井内钻井液液柱压力与地层压力的压力差值限制井内钻井液液柱压力与地层压力的压力差值，即规定最大，即规定最大允许压差。允许压差。最大允许压差的取值最大允许压差的取值l在正常压力地层：在正常压力地层： PPN N=11-17MPa=11-17M

57、Pal在异常压力井段：在异常压力井段： PaPa=14-22MPa=14-22MPaPPPm2 2、设计方法、设计方法maxfnrPbgfSSS（1 1）各层套管（不含油层套管）下入深度初选点）各层套管（不含油层套管）下入深度初选点HniHni的确定（续的确定（续1 1） l发生溢流时：发生溢流时： fnkfnk：在设计套管层所在的裸眼井段发生溢流时，在最大井内压力：在设计套管层所在的裸眼井段发生溢流时，在最大井内压力梯度作用下，上部裸露地层不致破裂所应有的地层破裂压力梯梯度作用下，上部裸露地层不致破裂所应有的地层破裂压力梯度，度，g/cmg/cm3 3; ; HniHni：设计层套管的初始下

58、入深度，：设计层套管的初始下入深度，m m； H Hpmaxpmax：最大地层压力所对应的井深；：最大地层压力所对应的井深；m m。maxmaxpfnkPbfKniHSSSH（1 1）各层套管（不含油层套管）下入深度初选点）各层套管（不含油层套管）下入深度初选点HniHni的确定（续的确定（续2 2） l比较正常钻井情况下和发生液流情况下的最小地层破裂压力，比较正常钻井情况下和发生液流情况下的最小地层破裂压力， 一一般地般地 , ,因此因此通常按通常按fnkfnk计算，只有在肯定不会发生液流计算，只有在肯定不会发生液流的情况下，才按的情况下，才按fnrfnr计算计算。 l对于技术套管，首先对于

59、技术套管，首先计算出计算出fnkfnk，然后，然后通过通过作图作图或或数字数字计算计算的的方方法找到地层破裂压力为法找到地层破裂压力为fnkfnk的井深的井深，该井深即为技术套管下入的该井深即为技术套管下入的初选点初选点。 l对于技术套管，需要对于技术套管，需要校核是否会卡套管校核是否会卡套管，对于表层套管，则一般对于表层套管，则一般不必进行压差粘卡套管的校核不必进行压差粘卡套管的校核fnrfnk2 2、设计方法、设计方法（2 2）校核套管下入初选点）校核套管下入初选点HniHni是否会发生压差是否会发生压差粘卡套管粘卡套管 l所用最大钻井液密度与最小地层压力之间所用最大钻井液密度与最小地层压

60、力之间实际的最大静止压差：实际的最大静止压差： PP：套管所受到的最大静止压差，：套管所受到的最大静止压差，MPaMPa； pminpmin：该井段内最小地层压力，：该井段内最小地层压力，g/cmg/cm3 3； D Dpminpmin：最小地层压力所对应的井深，：最小地层压力所对应的井深，m m。maxminmin0.00981()pbppPSDGpGfl比较比较PP与与P P N N(P (P a a) ) 若若 P PP PN N（或（或 P PA A），则假定深度），则假定深度H Hnini为中间套管下入深度。为中间套管下入深度。 若若 PP P PN N（或（或 P PA A），则中