《钻井5-井眼轨道设计与控制》-课件

1、第五章 井眼轨道设计与控制Chapter 5 . Design and Control of Well Path第一节 井眼轨迹的基本概念第二节 轨迹测量及计算第三节 定向井井眼轨道设计第四节 直井防斜技术1 一、 基本概念(一)井眼轨迹的基本要素井深井斜角井斜方位角磁偏角垂深平长水平位移平移方位角N坐标和E坐标井眼曲率全角变化率2基本要素油气井：以勘探开发石油和天然气为目的，在地层中钻出的具有一定深度的圆柱形孔眼。井眼轴线:井眼中心线。井眼轨道:表示井眼轴线形状的图形。3基本要素 假设井眼轨迹是一条空间曲线，则可以用空间直角坐标系来描述。选取笛卡尔坐标系。原点选在井口处；轴指向正北,单位矢量

2、为；轴指向正东，单位矢量为；轴垂直向下，单位矢量为。 oN(i)E(j)D(k)rotnbADm4(一)井眼轨迹的基本要素测量方法：非连续测量，间断测量。“测段”，“测点”。井深、井斜角和井斜方位角-轨迹的三个基本参数。 (1) 井深（或称为斜深、测深） 井口(通常以转盘面为基准)至测点的井眼长度。 以字母Dm表示，单位为米(m)。 井深增量（井段）： 下测点井深与上测点井深之差。以Dm表示。5(2) 井斜角()：井斜角增量()： 下测点井斜角与上测点井斜角之差。 BA 指井眼方向线与重力线之间的夹角。单位为度()。 井眼方向线： 过井眼轴线上某测点作井眼轴线的切线，该切线向井眼前进方向延伸的

3、部分称为井眼方向线。6(3) 井斜方位角井眼方位线（井斜方位线）： 某测点处的井眼方向线在水平面上的投影。 井斜方位角增量 ：上下测点的井斜方位角之差。 BA 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。井斜方位角的变化范围：0360。7(3)井斜方位角：象限角：指井斜方位线与正北方位线或与正南方位线之间的夹角。 井斜方位角的另一种表示方式-象限角：磁偏角校正： 真方位角磁方位角东磁偏角 真方位角磁方位角西磁偏角象限角的变化范围： 090之间。磁偏角： 磁北方位与正北方位之间的夹角。西磁偏角东磁偏角8二轨迹的计算参数(3) 水平位移（平移）：轨迹上某点至井口所

4、在铅垂线的距离（或：在水平投影面上，轨迹上某点至井口的距离）。 平移方位线：在水平投影面上，井口至轨迹上某点的连线。国外将水平位移称闭合距。 我国将完钻时的水平位移称为闭合距。由基本参数计算得到的参数。(1) 垂直深度（垂深）：轨迹上某点至井口所在水平面的距离。垂深增量称为垂增()。(2) 水平投影长度Lp（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，即井深在水平面上的投影长度。 水平长度的增量称为平增（L）。9(4) 平移方位角：平移方位线所在的方位角。 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闭合方位角。 (5) 坐标和坐标：南北坐标轴，以正北方

5、向为正； 东西坐标轴，以正东方向为正。 (6) 视平移： 水平位移在设计方位线上的投影长度。10(7) 井眼曲率K（“狗腿严重度”、“全角变化率”）：狗腿角的计算：Lubinski公式： cos=cosAcosB+sinAsinBcos(B-A)指井眼轨迹曲线的曲率。平均曲率: Kc=30/Dm“狗腿角”或“全角变化”（）： 上、下二测点的两条方向线之间的夹角(空间夹角)。我国钻井行业标准计算公式： =(2+2sin2c)0.5 c=(A+B)/2 该测段的狗腿角，()； c该测段的平均井眼曲率，()/30m； c该测段的平均井斜角，（）。 1112靶点VA设计方位线13（二）轨迹图示法、水平

6、投影图投影面：水平面 坐标系：以井口为原点、坐标轴、坐标轴； 表达的参数：坐标值、坐标值、水平位移S、 水平长度Lp、井斜方位角、平移方位角、垂直投影图投影面：过设计方位线的铅垂面，即井口和目标点所在的铅垂面； 表达的参数：垂深D、视平移V、井斜的增减趋势；坐标系：原点(井口)、横坐标(视平移)、纵坐标(垂深)。143、垂直剖面图垂直剖面：过井眼轴线上各点垂线组成的柱面展开图； 坐标系：原点(井口)、横坐标(水平长度)、纵坐标(垂深)； 表达的参数：垂深D、水平长度Lp、井深Dm、井斜角 。 15垂直投影图与水平投影图16垂直剖面图与水平投影图17井身剖面由直井段、造斜段、稳斜段、增斜段、降斜

7、段和水平段组合而成。直井段:设计井斜角为零度的井段。造斜点（）:开始定向造斜的位置称为造斜点。通常以该点的井深来表示。造斜率（）:造斜工具的造斜能力,即该造斜工具所钻出的井段的井眼曲率。造(增)斜段:井斜角随井深增加的井段。稳斜段:井斜角保持不变的井段。降斜段:井斜角随着井深的增加而减小的井段。水平段：井斜角大于86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、 基本概念(三)井身剖面及精度控制amax18井身剖面及精度控制目标点:设计规定的、必须钻达的地层位置，称为目标点。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。靶区及靶区半径（）:包含目标点在内的一个区域称为

8、靶区。在一般油气井中，靶区半径为允许实钻井眼轨迹偏离设计目标点的水平距离,靶区为在目标点所在的水平面上,以目标点为圆心,以靶区半径为半径的一个圆面积。安全控制圆锥（柱）:以设计井眼轴线为中心,所限定的圆锥（柱）空间。 靶心距（）:在靶区平面上,实钻井眼轴线与目标点之间的距离。误差椭球:由测量和计算误差引起的井底位置不确定性所构成的以井底为中心的椭球体。19目标点和误差椭球 o设计井眼实钻井眼目标点误差椭球油层靶心距20直井和定向井的靶区和控制圆锥 靶区靶区半径控制圆锥井口油层21二、各参数之间的数学关系(一)基本参数 在石油工程中，井眼轨道参数是通过下入井眼内的测斜仪器测出的，它测出的是一系列

9、离散井深点所对应的井斜角和方位角，通过它们可以确定出其它参数，所以将它们称为基本参数。(二)坐标参数 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。(三)挠曲参数 描述井眼轨道的弯曲和扭转程度。主要有曲率和挠率。22(四)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23三、油气井分类 (按井眼轨道) （1）直井 （Vertical well） 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在限定范围内的井。 （2）定向井(Directional well) 沿着预先设计的井眼轨道,按既定的方向偏离井口垂线一定距离,钻达目标的井。2

10、4定向井可分为 ：普通定向井、大斜度井、丛式井、多底井、斜直井、水平井等。普通定向井:在一个井场内仅有一口最大井斜角小于60的 定向井。大斜度井:在一个井场内仅有一口最大井斜角在6086范围内的定向井。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井组,其中可含一口直井。多底井:一个井口下面有两个或两个以上井底的定向井。斜直井:用倾斜钻机或倾斜井架完成的,自井口开始井眼轨道一直是一段斜直井段的定向井。 25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地丛式井组。该井组在长米、宽米的区域内布井排共口，钻穿油层层米，油水同层层.米。27 （3）水平井(Horizon

11、tal well) 在一个井场内仅有一口最大井斜角大于或等于86,并保持这种角度钻完一定长度的水平段的定向井。水平井分为： 长曲率半径水平井 （造斜率小于6/30 ）； 中曲率半径水平井 （造斜率为1/6/30m）； 短曲率半径水平井 (造斜率为110/) ； 径向水平井 (造斜率为无穷大) 。28 水平井由于增加了井筒与油层的接 触 面积，从而可大大提高单井产量。油层直井水平井钻井的目的（一）29 解决水锥问题水平井钻井的目的（二）30一井双探31扩大泄油面积 增加控制储量 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32油层薄，中靶难需要有合适的角度，才能

12、达到矢量入靶角度偏大角度偏小薄油层开发33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层薄，地层倾角变化，有时上翘或下倾薄油层开发34四、 井眼轨道设计的原则和方法 （一）、 井眼轨道的类型（二） 、设计井眼轨道的原则（三） 、井眼轨道设计中有关因素的选择（四） 、井眼轨道类型的选择35（一）、井眼轨道的类型 按设计井眼轨道在空间直角坐标系中的形状,可分为二维井眼轨道和三维井眼轨道。 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。 三维井眼轨道是指在设计的井眼轴线上,既有井斜角变化,又有方位角变化的井眼轨道。 .二维井眼轨道 二维井眼轨道组成 垂直井段

13、、 增斜井段、 稳斜井段 降斜井段 36井眼轨道的类型 .三维井眼轨道 三维井眼轨道设计用于绕障井和现场待钻修正井眼轨道设计。若在地面井口位置与设计目标点之间的铅垂平面内,存在着井眼难于直接通过的障碍物(如已钻的井眼、岩丘、气顶等），则设计的井眼轨道需要绕过障碍物到达目标点。在钻进过程中，井眼轨道总是要偏离设计井眼轨道，为了保证钻达目标点，必须时刻修正钻进参数；此时由于井底的方位角与设计的方位角不一致，必须进行三维轨道设计。37（二）、设计井眼轨道的原则 （1）根据油气田勘探开发要求,保证实现钻井目的。 （2）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。 （3）在

14、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。 （4）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。38（二）、设计井眼轨道的原则 （1）根据油气田勘探开发要求,保证实现钻井目的。 （2）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。 （3）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。 （4）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短，以减小井眼轨道控制的难度和钻井工作量，

15、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 1.造斜点的选择 (1)造斜点应选择在比较稳定的地层,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。 (2)地层可钻性均匀，不应有硬夹层。 (3)要满足采油工艺要求。 (4)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。 (5)垂深小、水平位移大的井，造斜点应浅，以减少定向施工的工作量。 (6)在井眼方位漂移地区，应使斜井段避开方位漂移大的地层或利用井眼方位漂移规律钻达目标点。40.最大井斜角 对于直井,井斜角控制在规定的范围内。对于常规定向井和水平井,当井斜角小于15时，方位不稳定

16、，所以,最大井斜角应大于15。3.井眼曲率 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、采油和修井作业造成困难。因此，应根据具体情况，适当选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。 （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

17、十年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。44直井设计输入内容 45直井设计输出内容 46定向井设计输入内容 47定向井设计输出内容 48丛式井设计输入内容 49软件配备为了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、油田主要地层资料及油层保护资料数据库。设计辅助数据库提高设计的准确性50可以进行钻头使用情况查询51可以进行钻井液密度查询52可以查询完成井技术指标53可以查询油气层保护数据54设计软件功能1）井身结构设计根据地层孔隙压力、破裂压力、地层性质进行井身结构 设计55设计软件功能2）定向井、水平井、开窗侧钻、分支井的剖面设计。各

18、种剖面类型设计56定向井、水平井井眼轨迹设计57软件功能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3）钻头水力计算4）固井计算5）钻具扭矩和磨阻计算、卡钻计算、下部钻具组合行为分析、井壁接触力分析。60钻柱强度校核61钻柱侧向力分析626）套管设计、套管强度校核套管设计63埕北30丛式井组64水平2井是国内第一口双探多目标水平井，共钻穿9层195.8m油层，相当于8口直井的经济效益。65第二节 轨迹测量及计算1、随钻监测实钻井眼轨迹以保证钻达既定目标；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；3、确保正钻进的井没有与附近已钻成的井相

19、交的危险；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；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；6、沿井身计算出井眼曲率以评价井身质量；7、为完井工程提供井眼轨迹数据。井眼轨迹测量的目的：66第二节 轨迹测量及计算一、测斜方法及测斜仪简介 1、测斜仪分类按工作原理分：磁性测斜仪(罗盘)、 陀螺测斜仪(高速陀螺空间指向恒定)。按工作方式分：单点式、多点式、随钻测量(有线、无线)。2、测量内容 井深Dm、井斜角、方位角。673、磁性测斜仪的工作原理仪器内主要由井斜刻度盘、罗盘、十字摆锤、照明和照相系统组成。罗盘的S极始终指北。 （1）井斜角的测量当测斜仪随井眼倾斜时，十字摆

20、锤始终指向重力线方向，重力线与仪器轴线的夹角即为井斜角。由摆锤在井斜刻度盘底片上的位置读取。68（2）井斜方位角的测量 摆锤所在铅垂线与仪器轴线（井眼方向线）构成井斜铅垂面，该井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置所在的放射线与罗盘N极之间的夹角即为井斜方位角。（3）井深测量： 根据电缆长度或钻柱长度。69MWD / LWD整套仪器由井下数据测量系统、数据传输系统、地面数据采集和处理系统组成。MWD Measurement While Drilling .LWD Logging While Drilling.FEWD Formation Evaluation Whil

21、e Drilling.70国内MWD配备现状单 位配套仪器类型胜利定向井公司斯派里森公司MWD、通用公司QDT-MWD、科学钻井SDI-MWD胜利油田钻井院英国吉奥林公司Orienteer大港定向井公司斯派里森公司MWD、通用公司QDT-MWD、哈里伯顿公司的探路者系统中海油技术服务公司斯派里森公司MWD、斯伦贝榭SLIM-ONE、大庆油田钻井院贝克休斯公司Navi-Gator江汉油田钻井院科学钻井SDI-MWD、英国吉奥林公司Orienteer长庆油田钻井院英国吉奥林公司Orienteer华北油田钻井院科学钻井SDI-MWD、通用公司QDT-MWD克拉玛依油田钻井院通用公司QDT-MWD中原

22、油田钻井院科学钻井SDI-MWD、通用公司QDT-MWD辽河油田钻井院通用公司QDT-MWD四川油田斯派里森公司MWD、通用公司QDT-MWD新星公司德州地质所通用公司QDT-MWD71国内LWD配备现状单 位配套仪器类型胜利定向井公司斯派里森公司FEWD胜利油田钻井院英国吉奥林公司Orienteer大港定向井公司贝克休斯公司MPR中海油技术服务公司斯派里森公司FEWD / 贝克休斯公司On-Track大庆油田钻井院贝克休斯公司MPR长庆油田钻井院英国吉奥林公司Orienteer72二对测斜计算数据的规定5在一个测段内，井斜方位角变化的绝对值不得超过180。i-i-1180时， i=i-i-1

23、-360 c=(i+i-1)/2-180 i-i-10，=arccosC ；当 1时，取“”；当2 1时，取“” 。 3)求实际反扭角n： n = s - 1 实107第四节 直井防斜技术3、在开发采油方面：影响分层开采；影响修井工作；影响采收率（死油区）。井斜的危害：1、在地质勘探方面：造成地质资料失真；打乱合理的地下井网和开发方案。2、在钻井施工方面：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；纠斜侧钻增加成本。 108一井斜的原因 1、地质因素 地层倾斜和地层可钻性不均匀性两个方面。 地质因素，钻具因素。地层倾角小于45时，钻头偏向垂直地层层面的方向； 地层

24、倾角超过60时，钻头沿着平行地层层面方向下滑；地层倾角在4560之间时，井斜方向属不稳定状态。（1）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。 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、地质因素(2)、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。 1102、钻具因素主要因素是钻具的倾斜和弯曲。 “底部钻具组合”( Bottom Hole Assembly )，简称BHA。 引起钻头倾斜，在井底形成不对称切削。 使钻头受侧向力的作用，产生侧向切削。 3、井眼扩大 钻头在井眼内左右移动，靠向一侧，钻头

25、轴线与井眼轴线不重合，导致井斜。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。111（3）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。 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。112113二、满眼钻具组合控制井斜方法：在下部钻具适当位置上安装34个扶正器。 扶正器尺寸：d=dh-ds=1.0 2.0 mm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； 钻头轴线相对于井眼轴线发生倾斜； 钻头上的侧向力导致对井底的侧向切削。 基本原理： 增大下部钻具组合

26、的尺寸和刚度，近似“填满井眼”，防止钻柱弯曲和倾斜。解决这些问题的方法之一是让钻具填满井眼，即：满眼钻具组合。114、YXY 组合的结构近钻头扶正器、中扶正器、上扶正器、第四扶正器。 作用： 近扶正器：抵抗侧向力，防止侧向切削和不对称切削。 中扶正器：保证中扶正器与钻头之间的钻柱不发生弯曲。其安放位置需严格计算。 上扶正器：保证钻具上至少有3个稳定点与井壁接触，从而保证井眼的直线性。 第四扶正器：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115二、满眼钻具组合控制井斜Lp -中扶距钻头的最优长度，m ； C-扶正器与井眼的半间隙，C=(dh-ds)/2，m ； dh井眼

27、直径，m ；dm扶正器外径，m ； E-钻铤钢材的杨氏模量，kN/m2 ； J-钻铤截面的轴惯性矩，m4 ； qm-钻铤在钻井液中的线重，kN/m ； -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算公式，并进行处理求导可得最优位置：、YXY 组合“中扶”位置的计算基本物理模型：一端固定、一端铰支的纵横弯曲梁。116例题：已知钻头直径216mm，扶正器直径215mm，钻铤钢材的杨氏模量为2.0594108kN/m2，钻铤外径178mm，内径71.4mm，钻井液密度1.25 g/cm3，钻铤线重1.6 kN/m，允许的最大井斜角3，求中扶距钻头的最优长度。 解：根据给定条件，可求得： J=(dco4-dci4)/64 =0.4810-4m4 , qm=1.6(1-d/s)=1.34 kN/m , c=(dh-ds)/2 = 0.0005 m Lp=(16CEJ)/(Qmsin)0.25 = 5.789 m 。