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1第五章井眼轨道设计与控制Chapter5.DesignandControlofWellPath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2一、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3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。4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ＯＮＥＤ。原点Ｏ选在井口处；Ｎ轴指向正北,单位矢量为ｉ；Ｅ轴指向正东，单位矢量为ｊ；Ｄ轴垂直向下，单位矢量为ｋ。oN(i)E(j)D(k)rotnbAαDmkjirDENo5(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ΔDm表示。6(2)井斜角(α)：井斜角增量(Δα)：下测点井斜角与上测点井斜角之差。Δα＝αB－αA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。7(3)井斜方位角φ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：0～360°。8(3)井斜方位角φ：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：0～90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9二．轨迹的计算参数(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。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）。10(4)平移方位角θ：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)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。11(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：cosγ=cosαA·cosαB+sinαA·sinαB·cos(φB-φA)指井眼轨迹曲线的曲率。平均曲率:Kc=30γ/ΔDm“狗腿角”或“全角变化”（γ）：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：γ=(Δα2+Δφ2·sin2αc)0.5αc=(αA+αB)/2γ——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，（°）。1213靶点设计方位线14（二）轨迹图示法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、井斜方位角φ、平移方位角θ２、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)。153、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。16垂直投影图与水平投影图17垂直剖面图与水平投影图18井身剖面由直井段、造斜段、稳斜段、增斜段、降斜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（Ｄｋｏｐ）: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（Ｒｂ）: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amax19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（ｒｔ）:包含目标点在内的一个区域称为靶区。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（ｓｔ）: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。20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21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22二、各参数之间的数学关系(一)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)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)描述井眼轨道的弯曲和扭转程度。主要有曲率和挠率。23(四)坐标参数与基本参数的关系lllllDllEllN000dcos)(dsinsin)(dcossin)(L-----为井口到计算点的曲线长度24三、油气井分类(按井眼轨道)（1）直井（Verticalwell）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(Directionalwell)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。25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60°～86°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。26丛式井垂直剖面图丛式井垂直剖面图27河５０丛式井组是我国目前最大的陆地丛式井组。该井组在长３８４米、宽１１０米的区域内布井６排共４２口，钻穿油层５５０层２０４６．９米，油水同层２９９层１１３２.１米。28（3）水平井(Horizontalwell)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°/30ｍ）；中曲率半径水平井（造斜率为1°/ｍ～6°/30m）；短曲率半径水平井(造斜率为1°～10°/ｍ)；径向水平井(造斜率为无穷大)。29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）30解决水锥问题水平井钻井的目的（二）31一井双探32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33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34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35四、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36（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三维井眼轨道是指在设计的井眼轴线上,既有井斜角变化,１.二维井眼轨道组成垂直井段、增斜井段、稳斜井段降斜井段37井眼轨道的类型２.三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。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，有利于安全、快速钻井、降低钻井成本。39（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，有利于安全、快速钻井、降低钻井成本。40（三）、井眼轨道设计中有关因素的选择1.(1)造斜点应选择在比较稳定的地层,避免在岩石破碎带、漏(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(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。41２.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，所以,最大井斜角应大于15°。3.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42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43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44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。45直井设计输入内容46直井设计输出内容47定向井设计输入内容48定向井设计输出内容49丛式井设计输入内容50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51可以进行钻头使用情况查询52可以进行钻井液密度查询53可以查询完成井技术