定向井井眼轨道设计课件

1、定向井井眼轨道设计本章内容提要3-1 井眼轨道设计基础3-2 二维常规轨道设计方法3-3 微曲稳斜轨道设计方法3-4 待钻井眼轨道设计方法3-5 多目标点三位轨道设计方法（补充）3-1 井眼轨道设计基础1、轨道设计概述2、轨道设计原则3、轨道自由度及轨道约束方程4、轨道设计的一般步骤5、基本井段的坐标增量计算（补充）（1） 设计条件：一般要给定的条件：目标点垂深、水平位移、设计方位角等；给定进入目标的要求：目标点或目标段的井斜角等；1、轨道设计概述（2）设计内容：根据设计条件，设计出合适的井眼轨道。（3）轨道设计的关键：造斜点、增斜率、降斜率的选择（需要经验）；轨道关键参数的求得（需要先进的计

2、算公式）。（1）尽可能选择简单轨道：探井选择最简单的三段式轨道；开发井必要时可选择S形的五段式轨道；其他轨道根据需要选择。（2）尽可能减小最大井斜角，尽可能减小施工难度。（3）开发井目的层井段的井斜角以15为宜，不要小于10。（4）造斜率选择：增斜率一般控制在3 /30m左右，不超过4.5 6 /30m；降斜率一般控制在1.5 /30m左右。2、轨道设计原则（5）造斜点选择：应避开复杂地层(漏失、坍塌、缩径、膨胀、高压等)，可钻性以中等为宜，太软太硬都不好；造斜点距离上层套管鞋最小应有50m远，防止造斜时损坏套管。（6）钻机选择：与同井深的直井相比，钻机功率大3050%。30003500m的定

3、向井应用4500m钻机；4500m的定向井应用6000m钻机。（7）定向井裸眼段内尽可能不搞中途测试。必要时需经过充分论证，防止井下事故。2、轨道设计原则（8）探井一定要注意及时测斜，尽可能在每次起钻前投测“多点”；以防备万一井喷着火需要打救援井时，有井眼轨迹数据可用。（9）丛式井要注意井口井底布置、造斜点位置和钻井顺序：位移大的井放在外围，造斜点相对高；位移小的井放在内部，造斜点相对低；相邻两口井得造斜点应该上下错开50100m（防磁干扰）；开钻顺序：除直井首先打外，其他定向井应该先打造斜点高的井，后打造斜点低的井（ 防磁干扰、防井眼碰撞） 。（10）海上丛式井可使用倾斜导管或弯曲导管；2、

4、轨道设计原则（1）自由度（DOF）的概念将起点位置及方向均给定的轨道或曲线段形状完全固定需要确定的独立自由变量个数称为轨道或曲线段的自由度。3、轨道自由度及轨道约束方程（2）起点给定时各种曲线段的自由度直线段：自由度为1（L、 D 等，任给1个即可）二维圆弧段：自由度为2（L、D、K 等，任给2个即可）三维圆弧段：自由度为3（L、）（3）轨道自由度为组成轨道的所有曲线段自由度之和，如：三段式轨道：自由度为4；（1214）五段式轨道：自由度为7；（121217）双增式轨道：自由度为7。 （121217）3、轨道自由度及轨道约束方程（4）目标点的约束条件称为轨道约束方程，如：三段式轨道：约束方程数

5、为2； (Dt，St）五段式轨道：约束方程数为3； (Dt，St，t）双增式轨道：约束方程数为3。 (Dt，St，t ）（5）轨道设计时需要补充确定的参数个数等于轨道自由度与轨道约束方程数之差，如：三段式轨道需要补充确定的参数个数为4-2=2；五段式轨道需要补充确定的参数个数为7-3=4；双增式轨道需要补充确定的参数个数为7-3=4。3、轨道自由度及轨道约束方程4、轨道设计的一般步骤根据“轨道约束方程数需要指定的参数轨道自由度”的原则选择轨道形状；确定需要指定的参数（造斜点、增斜率、降斜率等）；建立轨道约束方程组，推导关键参数计算公式；二维轨道：三维轨道：井身参数计算及轨迹绘图。直线段增量公式

6、5、基本井段的坐标增量计算二维轨道，平长Lp与平移S是一样的。三维轨道，平长Lp与平移S是不一样的。二维轨道三维轨道二维圆弧段增量公式增斜段R取正，降斜段R为负5、基本井段的坐标增量计算对于二维轨道，平长Lp与平移S是一样的。三维圆弧段增量公式增斜段和降斜段R均取正。5、基本井段的坐标增量计算对于三维轨道，平长Lp与平移S是不一样的。斜面圆弧法1、一般会给定的条件目标点的垂深Dt 、水平位移St （井口可移动时相当于没给定） 、井斜角t （单靶时无要求）及设计方位角0；造斜点井深Da 及井斜角a ；造斜半径R1 和R2 ；一般情况下，造斜点以上设计成垂直井段，a=0；如果使用斜井钻机，则a 0

7、 ，可根据给定的Da和a 计算出Sa。3-2 二维常规轨道设计多靶三段式轨道双增式轨道五段式轨道三段式轨道2、轨道形状选择凡无特殊要求的单靶定向井，均选择三段式轨道 ；井口可以移动的多靶定向井，可选多靶三段式轨道；井口不可移动的多靶定向井，需按如下计算结果进行判断、选择：若 ，则选五段式轨道； 若 ，则选双增式轨道； 若 ，则选多靶三段式轨道。 2、轨道形状选择思路：先按三段式轨道设计至t点，再根据计算井斜角b与给定井斜角t的关系选择合适的轨道类型。已知条件Dt 、St 、t ，0；Da 、a ；R1 、R2 。4、双增式轨道设计选择关键参数： b 和Lw建立约束方程组求关键参数b和Lw 4、

8、双增式轨道设计注意：上述公式与钻井工程理论与技术课本第190页 双增式轨道设计公式（5-47）（5-51）完全相同。课堂讨论：（1）关键参数计算公式有多种形式课堂讨论：（2）几何作图求解关键参数圆心坐标课堂讨论：（2）几何作图求解关键参数三段式轨道：R2=0，Ldt=0课堂讨论：（3）上述公式也适用于三段式、五段式轨道五段式轨道：第2段为降斜段，R2为负值课堂讨论：（3）上述公式也适用于三段式、五段式轨道各节点参数计算：将节点以上各段增量累加即可得到各节点参数3、双增式轨道设计分点参数计算二维圆弧段注意：增斜 R取正值，降斜 R为负值。3、双增式轨道设计分点参数计算二维直线段3、双增式轨道设计

9、已知条件Dt 、t ，0；Da 、a ；R1 。4、多靶三段式轨道设计建立约束方程求出关键参数Lw关键参数Lw二维常规轨道设计课后作业3-1 设计条件：Ht=1418m，St=930m ，Ha=190m ，a=0，K1=3/30m ，试设计该定向井轨道。3-2 设计条件：Ht=3230m，St=1970m，t=17.50，Ha=270m，a=0，R1=810m，R2=1580m， 靶前稳斜段长482m（提示：目标点在该段终点处），试设计该定向井轨道。要求：先根据轨道自由度和约束条件选择轨道形式，再根据有关计算公式进行设计，设计结果按下表形式给出。3-3 微曲稳斜轨道设计问题：当稳斜井段很长时，

10、往往出现“稳不住”情况。“微降稳斜轨道” 和“微增稳斜轨道”，都属于“微曲稳斜轨道”。对策1：使用常规稳斜钻具，往往出现降斜。可将轨道设计成“微降稳斜轨道”，仍然采用稳斜钻具；对策2：设计成“微增稳斜轨道”，采用微增钻具。微增钻具的刚度比稳斜钻具的刚度小，有利于钻柱起下、防止卡钻。1、为什么要设计微曲稳斜轨道？目标点参数：垂深Dt 、水平位移St （井口可移动时相当于没给定） 、井斜角t （单靶时无要求）及设计方位角0；造斜点：井深Da 及井斜角a ；造斜半径R1 、R2 和微曲段半径Rw 。2、一般会给定的条件一般情况下，造斜点以上设计成垂直井段，a=0；若使用斜井钻机，则a 0 ，可根据给

11、定的Da和a 计算出Sa。凡无特殊要求的单靶定向井，均选择三段式微曲稳斜轨道 ；井口可以移动的多靶定向井，可选多靶三段式微曲稳斜轨道；井口不可移动的多靶定向井，需按如下计算结果进行判断选择：若 ，则选五段式微曲稳斜轨道； 若 ，则选双增式微曲稳斜轨道； 若 ，则选多靶三段式微曲稳斜轨道。 3、轨道形状选择已知条件Dt 、t ；0；Da 、a ；R1、Rw 。4、多靶三段式微曲稳斜轨道设计建立约束方程关键参数b求出关键参数b4、多靶三段式微曲稳斜轨道设计各节点参数计算和分点参数计算同二维常规轨道设计。已知条件Dt , St ,t ，0；Da ,a , R1 , R2 ，Rw 。5、双增式微曲稳斜

12、轨道设计建立约束方程组关键参数b和c 求关键参数b和c 令：5、双增式微曲稳斜轨道设计求关键参数b和c：5、双增式微曲稳斜轨道设计注意：上述公式也适用于三段式和五段式微曲稳斜轨道：三段式微曲稳斜轨道：R2=0；Ldt=0；五段式式微曲稳斜轨道：R2为负值（第2段为降斜段）。例3-1某定向井设计条件：Ht=1418m，St=930m，Ha=190m，a=0，K1=3/30m，Kw=0.3/30m ，试设计该井轨道。分析：Ht和St给定，t没给定，说明是一口单靶定向井；Kw=0.3/30m 说明该井为微曲稳斜轨道，所以采用三段式微曲稳斜轨道。三段式微曲稳斜轨道的自由度为5，已经给定的约束条件也是5

13、，轨道约束数和自由度数相等，因此轨道形状可以确定。 Ht=1418m和St=930m是轨道约束方程条件； Ha=190m、K1=3/30m和Kw =0.3/30m是附加约束条件；a=0是轨道起点条件，不是约束。微曲稳斜轨道设计（1）求关键参数b和t （2）求各节点参数a点b点t点例3-1设计条件： Ht=1418m，St=930m，Ha=190m，a=0，K1=3/30m，Kw=0.3/30m。井眼轨道设计结果微曲稳斜轨道设计课后作业3-3 已知：Ht=3230m，St=1970m，t=17.50，Ha=270m，a=0，R1=810m，R2=1580m， Rw=5800m， 靶前稳斜段长48

14、2m。 试设计该井轨道。要求：先根据轨道自由度和约束条件选择轨道形式，然后根据有关公式进行设计，设计结果按下表形式给出。3-4 待钻轨道设计1、问题的提出在定向井轨迹控制过程中，实钻轨迹与设计轨道往往出现偏差。若这种偏差较小，不影响中靶，可继续钻进，否则就需要进行待钻轨道设计。因为实钻轨迹井底的井斜方位线与目标点所在的设计方位线通常不重合，所以待钻轨道设计属于三维轨道设计。2、一般会给定的条件当前井底所有参数：垂深Do 、平长Lpo 、N坐标No 、E坐标Eo 、井斜角o 及方位角o等；目标点参数：垂深Dt 、 N坐标Nt 和E坐标Et ；各造斜段的半径R1 、R2 等 ；根据中靶要求不同，目

15、标点的井斜角t 及方位角t也可能是给定的。对中靶无特殊要求的：选择“圆弧段+直线段”轨道 ；要求以给定井斜，或给定方位中靶的：选择“直线段+圆弧段+直线段”轨道 ；要求以给定的井斜及方位中靶的：选择“圆弧段+直线段+圆弧段+直线段”轨道 ：3、待钻轨道形状选择已知条件Lo 、 Do 、Lpo 、No 、Eo 、o 及o等；Dt 、 Nt 和Et ；R1 等 。4、无特殊要求的待钻轨道设计建立约束方程选择“圆弧段+直线段”轨道求关键参数和Lw 4、无特殊要求的待钻轨道设计求关键参数和Lw 求关键参数 和Lw 4、无特殊要求的待钻轨道设计求节点b参数其中，M点坐标：4、无特殊要求的待钻轨道设计分点参数计算其中，m、n点坐标为：4、无特殊要求的待钻轨道设计已知条件Lo 、 Do 、Lpo 、No 、Eo 、o 及o等Dt 、 Nt 、Et 和t ；R1 、R2 等 。5、给定井斜中靶的待钻轨道设计选择“直线段+圆弧段+直线段”轨道建立约束方程已知条件Lo 、 Do 、So 、No 、Eo 、o 及o等Dt 、 Nt 、Et 和 t ；R1 、R2 等 。6、给定方位中靶的待钻轨道设计选择“直线段+圆弧段+直线段”轨道建立约束方程已知条件Lo 、Do 、So 、No 、Eo 、o 及o等；Dt 、 N