钻井轨迹控制基础知识.

1第五章井眼轨道设计与轨迹控制2油层薄，中靶难需要有合适的角度，才能达到矢量入靶角度偏大角度偏小薄油层开发3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薄油层开发层薄，地层倾角变化，有时上翘或下倾45概述：井眼轨道：一口井开钻之前，预先设计的井眼轴线形状。直井轨道：过井口的铅垂线。定向井轨道：二维定向井：过井口和目标点的铅垂面上的曲线。三维定向井：具有不同曲率的空间曲线。轨道设计：定向井、水平井、侧钻井、大位移井等。井眼轨迹：一口井实际钻成后的井眼轴线形状。轨迹控制：直井防斜打直。特殊工艺井控制井斜和方位，使轨道与轨迹相一致。6二维三维7概述：直井用途：油田开发和勘探。有井斜限制要求。定向井用途：1.地面环境条件的限制高山，湖泊，沼泽，河流，沟壑，海洋，农田或重要的建筑物等。2.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。3.处理井下事故的特殊手段井下落物侧钻、打救援井等。4.提高油藏采收率的手段钻穿多套油气层、老井侧钻等。8地面环境条件限制9地下地质条件要求10处理井下事故1112第一节井眼轨迹的基本概念目的：掌握有关参数的概念及这些参数之间的关系。一．轨迹的基本参数测量方法：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ΔDm表示。13(2)井斜角(α)：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部分称为井眼方向线。井斜角增量(Δα)：下测点井斜角与上测点井斜角之差。Δα＝αB－αA14(3)井斜方位角φ（井眼方位角、方位角）：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Δφ：上下测点的井斜方位角之差。Δφ＝φB－φA井斜方位角的变化范围：0～360°。15(4)井斜方位角φ：井斜方位角的另一种表示方式：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。象限角的变化范围：0～90之间。磁偏角：磁北方位与正北方位之间的夹角。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16二．轨迹的计算参数由基本参数计算得到的参数。(1)垂直深度Ｄ（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（ΔＤ）。(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（ΔL）。(3)水平位移Ｓ（平移）：轨迹上某点至井口所在铅垂线的距离（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。我国将完钻时的水平位移称为闭合距。1718二．轨迹的计算参数(4)平移方位角θ：平移方位线所在的方位角。(5)Ｎ坐标和Ｅ坐标：南北坐标轴，以正北方向为正；东西坐标轴，以正东方向为正。(6)视平移Ｖ：水平位移在设计方位线上的投影长度。19(7)井眼曲率K（“狗腿严重度”、“全角变化率”）：指井眼轨迹曲线的曲率。平均曲率:狗腿角（γ）的计算：Lubinski公式：钻井行业标准计算公式：mcDK30)cos(sinsincoscoscosABBABA2sin222BAccγ——该测段的狗腿角，(°)；Ｋc——该测段的平均井眼曲率，(°)/30m；αc——该测段的平均井斜角，（°）。20三．井眼轨迹的图示法对一条空间曲线可以有不同的表示方法。三维坐标法：柱面图示法：垂直剖面图（柱面展开图）+水平投影图柱面：设想经过井眼轨迹上每一个点作一条铅垂线，所有这些铅垂线构成的曲面称为柱面。将柱面展平，就形成了垂直剖面图。可以反映出真实的井身参数，如：井深、井斜角、垂深；作图简便。2122三．井眼轨迹的图示法１．水平投影图投影面：水平面坐标系：以井口为原点、Ｎ坐标轴、Ｅ坐标轴。表达的参数：Ｎ坐标值、Ｅ坐标值、水平位移S、水平长度Lp、闭合距、井斜方位角φ、平移方位角θ、闭合方位角。2．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α。23第二节轨迹测量及计算目的：掌握井眼轨迹参数的测量、计算、轨迹绘图方法。一．测斜方法1、测斜仪分类按工作方式分：单点式、多点式、随钻测量（有线、无线）。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）。2、测量内容井深Dm、井斜角α、方位角φ。24二．对测斜计算数据的规定1．测点编号：测斜自下而上，测点编号自上而下。第一个井斜角不等于零的测点作为第一测点。2．测段编号：自上而下编号。第i-1个点与第i点之间所夹的测段为第i测段。3．第０测点：第１测点的井深大于25m时，第０测点的井深比第１测点的井深小25m，且井斜角规定为零。第１测点的井深小于或等于25m时，规定第０测点的井深和井斜角均为零。2518023601801802360180111111iiciiiiiiiciiiii时，时，4．若αi=0，则计算第i测段时，φi=φi-1；计算第i+1测段时，φi=φi+1。5．在一个测段内，井斜方位角变化的绝对值不得超过180°。26三．轨迹计算方法1、计算顺序：计算的目的是算出每个测点的坐标值。从第１个测段开始，逐段向下进行；算出每个测段的坐标增量；累加求得测点的坐标值。第0测点的坐标值，D0=Dm0,Lp0=0,N0=0,E0=0。2、计算内容：测点：五个直角坐标值(D,Lp,N,E,V)，两个极坐标值(S,θ)。测段：四个坐标增量(ΔD，ΔLp，ΔN，ΔE)，井眼曲率Ｋc。27三．轨迹计算方法3、计算方法的多样性需计算四个坐标增量ΔD，ΔLp，ΔN，ΔE，必须知道测段的几何形状。测斜只提供上下两点的参数，测段形状未知，计算时只能假设测段形状；假设不同，计算方法不同。国内外测段计算方法正切法假设测段为直线，其方向与下测点方向一致。平衡正切法假设测段为两段等长度的折线，其方向分别与上、下测点方向一致。平均角法假设测段为直线，其方向为上、下测点方向的“和方向”。圆柱螺线法假设测段为圆柱螺线，螺线在两端点处与上、下两测点方向相切。最小曲率法假设测段为平面圆弧，圆弧在两端处与上、下测点方向相切。284、计算方法（1）平均角法：假设测段是一条直线；该直线的方向是上下二测点处井眼方向的“和方向”（矢量和）。测段计算公式：22sinsincossinsincos11iiciicccmccmcmpcmDEDNDLDD29（2）圆柱螺线法假设测段形状为一条等变螺旋角的圆柱螺线；其两端与上下两测点处井眼方向向切。在水平投影图上是圆弧。在垂直剖面图上也是圆弧。测段计算公式：ccmccmcmcmDEDNDLDDsin)sin(sin)sin(4cos)sin(sin)sin(4sin)sin(2cos)sin(2222222注意：公式中的Δα和Δφ的单位，求三角函数时用（°），其它情况下用弧度。3031（3）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，称之为曲率半径法。其计算结果与圆柱螺旋线法相同。只是计算公式的表达形式不同。曲率半径法测段计算公式：)cos)(coscos(cos)sin)(sincos(cos)cos(cos)sin(sin111111iiiimiiiimiimpiimDEDNDLDD注意：圆柱螺旋线法和曲率半径法的公式，在分母位置上都有Δα和Δφ（单位为弧度）。这两个增量中任一个或同时为零时，都需要另选公式计算。32（4）校正平均角法我国钻井行业标准规定使用的方法（校正平均角法）：测段计算公式：其中：注意：以上二式中的Δα和Δφ的单位为弧度。测段计算公式与平均角法公式的形式相似，只是在平均角法公式的基础上乘以校正系数fD和fH，因而称之为校正平均角法。ccmHccmHcmDpcmDDfEDfNDfLDfDsinsincossinsincos241241222HDff33第三节直井防斜技术井斜的危害：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。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）。34一．井斜的原因地质因素，钻具因素。1、地质因素地层倾斜和地层可钻性不均匀性两个方面。（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。地层倾角小于45°时，钻头偏向垂直地层层面的方向。地层倾角超过60°时，钻头沿着平行地层层面方向下滑，地层倾角在45°～60°之间时，井斜方向属不稳定状态。35一．井斜的原因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。软地层硬地层硬地层软地层36（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。372、钻具因素主要原因是钻具的倾斜和弯曲。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。“底部钻具组合”(BottomHoleAssembly)，简称BHA。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。3、井眼扩大钻头在井眼内左右移动，靠向一侧，钻头轴线与井眼轴线不重合，导致井斜。3839二．满眼钻具组合控制井斜由钻具引起井斜的原因可归结为：①．钻头对井底的不对称切削；②．钻头轴线相对于井眼轴线发生倾斜；③．钻头上的侧向力导致对井底的侧向切削。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。基本原理：增大下部钻具组合的尺寸和刚度，近似“填满井眼”，防止钻柱弯曲和倾斜。方法：在下部钻具适当位置上安装3～4个扶正器。扶正器尺寸：Δd=dh-ds=1.0～2.0mm40１．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。412．YXY组合“中扶”位置的计算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：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；α--允许的最大井斜角，(°)。4sin16mqJECpL64)(44cicoddJ423.满眼钻具组合的使用(1).只能控制井眼曲率，不能控制井斜角的大小。不能纠斜。(2)