第5章井眼轨迹与井身结构设计

第1页主要内容:第一节基本概念第二节井眼轨道设计的原则与方法第三节井身结构设计第五章井眼轨道设计与轨迹控制第2页井眼轨道：是指在一口井钻进之前人们预想的该井井眼轴线形状。井眼轨迹：是指一口已钻成的井的实际井眼轴线形状。19世纪末打直井20世纪20年代末直井防斜技术20世纪30年代初打定向井定向井：是使井眼沿某一轨迹钻达预定目标的过程。井斜控制：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＼偏离垂直方向的水平距离或二者有关第五章井眼轨道与井身轨迹设计第3页定向井的应用(1)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；(2)地下地质条件的要求：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。对于断层遮挡油藏，薄油层，侧钻井，多底井，分支井，大位移井，侧钻水平井，径向水平井是定向井的新种类；(3)处理井下事故的特殊手段（救援井、侧钻井）。(4)减小地面井场占用面积，节省投资（丛式井、多底井）。第五章井眼轨道与井身轨迹设计第4页第五章井眼轨道与井身轨迹设计第5页第五章井眼轨道与井身轨迹设计第6页第五章井眼轨道与井身轨迹设计第7页第五章井眼轨道与井身轨迹设计第8页第五章井眼轨道与井身轨迹设计第9页第五章井眼轨道与井身轨迹设计第10页第五章井眼轨道与井身轨迹设计第11页第一节基本概念第五章井眼轨道与井身轨迹设计第12页所谓井眼轨迹，实指井眼轴线。轨迹测量就是“测斜”。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井段测一个点。这些井段被称为“测段”，这些点被称为“测点”。一、轨迹的基本参数第一节基本概念Ａ点垂直井深AAＡ点测量井深：D＝ＯＡＡ点井斜角ＯHA第13页井眼曲线的表示方法：垂直平面（井斜平面）与水平平面一、轨迹的基本参数第一节基本概念NOO第14页垂直平面上：每一点的井深与空间井眼的井深一样,每一点的井斜角与与空间井眼对应的井斜角一致。（不是直接投影）一、轨迹的基本参数第一节基本概念OαBαAΔα第15页水平面上：为空间井眼的水平投影一、轨迹的基本参数第一节基本概念ANEBABSO第16页(1)井深（Dm），又称斜深：井深指井口(通常以转盘面为基准)至测点的井眼长度，也有人称之为斜深，国外称为测量井深(MeasureDepth)，井深常以字母Dm表示，单位为米(m)。井深的增量称为井段，以ΔDm表示。二测点之间的井段称为测段。一个测段的两个测点中，井深小的称为上测点，井深大的称为下测点。井深的增量总是下测点井深减去上测点井深。一、轨迹的基本参数第一节基本概念Ａ点垂直井深AAＡ点测量井深：D＝ＯＡＡ点井斜角ＯHA测深：井口至测点处的井眼实长，米。第17页(2)井斜角（Inclination,Inc.）井斜角（α），单位为度：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。井眼方向线与重力线之间的夹角就是井斜角。显然，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倾斜的大小。井斜角的增量：以Δα表示。AB井段井斜角增量为Δα＝αB-αA。一、轨迹的基本参数第一节基本概念ＯAAＢＢ井斜角：测点处井眼方向线（切线，指前）与重力线间的夹角，度。第18页井斜变化率：井斜角对井深的变化率，即钻过单位井深井斜角的变化。度/30米(buildrate,droprate)第一节基本概念一、轨迹的基本参数ＯAAＢＢKBABAＬＬ第19页(3)井斜方位角（Φ）：某测点处的井眼方向线投影到水平面上，称为井眼方位线，或井斜方位线。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，即井眼方位角。注意，正北方位线是指地理子午线沿正北方向延伸的线段。所以正北方位线和井眼方位线也都是有向线段，都可以用矢量表示。井斜方位角的增量是下测点的井斜方位角减去上测点的井斜方位角：ΔΦ＝ΦB-ΦA一、轨迹的基本参数第一节基本概念ＯＡＢＮＥfAfB方位角：测点处正北方向至井眼方向线在水平面投影线间夹角，度。第20页方位变化率：方位角对井深的变化率，即钻进单位井段，方位角的变化，度/30米walkrate第一节基本概念一、轨迹的基本参数KBABAＬＬＯＡＢＮＥfAfB第21页注意“方向”与“方位”的区别。方位线是水平面上的矢量，而方向线则是空间的矢量。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。该点的井眼方位线则是该点井眼方向线在水平面上的投影。一、轨迹的基本参数第一节基本概念第22页需要注意的是，目前广泛使用的磁性测斜仪是以地球磁北方位为基准的。磁北方位与正北方位并不重合而是有个夹角，称为磁偏角。磁偏角又分为东磁偏角和西磁偏角。东磁偏角指磁北方位线在正北方位线的东面，西磁偏角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磁方位角。一、轨迹的基本参数第一节基本概念第23页一、轨迹的基本参数第一节基本概念井斜方位角还可用“象限角”表示。“象限角”指井斜方位线与正北方位线或正南方位线之间的夹角。象限角在0～90度之间变化。N67.5ºW读作由北向西偏了67.5º。第24页第25页第26页第一节基本概念一、轨迹的基本参数第27页基本参数：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）。计算参数：根据基本参数计算出来的参数。(1)垂直深度，简称垂深；(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；(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。二、轨迹的计算参数第一节基本概念第28页(1)垂直深度D垂直深度：简称垂深，是指轨迹上某点至井口所在水平面的距离，垂深常以字母D表示；Trueverticaldepth(TVD)垂深的增量称为垂增，垂增以ΔD表示。垂增ΔD＝DB—DA第一节基本概念二、轨迹的计算参数垂深：测点的垂直深度，米。第29页（2）水平投影长度Lp：水平投影长度简称水平长度或平长，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。水平长度的增量：称为平增。平长以字母上Lp表示，平增以ΔLp表示。平长和平增在图5—4中是指曲线的长度。第一节基本概念二、轨迹的计算参数水平投影长度：测点与井口之间的井眼长度在水平面的投影长度，米。第30页(3)水平位移S水平位移：简称平移，指轨迹上某点至井口所在铅垂线的距离，或指轨迹上某点至井口的距离在水平面上的投影。此投影线称为平移方位线。水平位移常以字母S表示。如图5—5所示。第一节基本概念二、轨迹的计算参数水平位移：测点至井口所在的铅垂线的距离，米。第31页在国外将水平位移称作闭合距。而我国油田现场常特指完钻时的水平位移为闭合距。闭合距：井底的水平位移，米。closure第一节基本概念二、轨迹的计算参数ＯＡＮＡ点水平位移：ＳA＝OAE(完井井底)闭合距：SE＝OE闭合方位角fE第32页(4)平移方位角θ平移方位角：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θ表示。如图5—5所示。第一节基本概念二、轨迹的计算参数第33页闭合方位角：在水平投影图上测点处正北方向与闭合方位线间的夹角，度(closureazimuth)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完钻时的平移方位角为闭合方位角。第一节基本概念二、轨迹的计算参数ＯＡＮＡ点水平位移：ＳA＝OAE(完井井底)闭合距：SE＝OE闭合方位角fE第34页(5)N坐标和E坐标N坐标和E坐标：是指轨迹上某点在以井口为原点的水平面坐标系里的坐标值。此水平面坐标系有两个坐标轴，一是南北坐标轴，以正北方向为正方向；一是东西坐标轴，以正东方向为正方向。如图5—4所示，A、B二点的水平坐标分别为NA、EA和NB、EB。水平坐标可以有增量，以ΔN、ΔE表示。第一节基本概念二、轨迹的计算参数第35页(6)视平移V视平移：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V表示。如图5—5所示，A、B二点的视平移分别为VA、VB。当实钻轨迹与设计轨迹偏差很大时甚至背道而驰时，视平移可能成为负值。第一节基本概念二、轨迹的计算参数视平移：测点水平位移在设计方位线上的投影，米。verticalsection第36页弧段OA：水平投影长度线段OA：水平位移θ：平移方位角V：视平移N坐标E坐标第一节基本概念二、轨迹的计算参数θ第37页井眼曲率井眼曲率：指井眼轨迹曲线的曲率。有人称作“狗腿严重度”，“全角变化率”。由于实钻井眼轨迹是任意的空间曲线，其曲率是不断变化的，所以在工程上常常计算井段的平均曲率。“狗腿角”：对一个测段(或井段)来说，上、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(注意是在空间的夹角)称为“狗腿角”，也有人称为“全角变化”。即上下二测点的两条方向线之间的夹角（空间夹角）。井眼平均曲率：狗腿角被测段(或井段)除即可得到该段的井眼平均曲率。显然，所取测(井)段越短，平均曲率就越接近实际曲率。第一节基本概念三、挠曲参数第38页NO井眼的曲率K：（holecurvature)井眼切线的方向相对于井深的变化率K表示曲线偏离直线的程度。第一节基本概念三、挠曲参数Kdlr1r2L第39页井眼曲率计算方法：先计算狗腿角，再计算平均井眼曲率。Lubinski公式：我国钻井行业标准规定狗腿角的计算公式：式中：α—井斜角；φ—方位角；αc—平均井斜角coscoscossinsincos()51ABABBA第一节基本概念三、挠曲参数30/52cmKD2220.5(sin)53c2/)(BAc第40页全角变化率K：井眼的空间曲率。井眼轨迹曲线的曲率。第一节基本概念三、挠曲参数KABKKK222sin第41页第一节基本概念三、挠曲参数第42页1、水平投影图相当于机械制图中的俯视图，也相当于将井眼轨迹这条空间曲线投影到井口所在的水平面上。图中的坐标为N坐标和E坐标，以井口为坐标原点。所以只要知道一口井轨迹上所有各点的N、E坐标值就可以很容易画出该井轨迹的水平投影图。第一节基本概念四、井身剖面水平投影图：空间井眼轨迹的俯视图。第43页2、垂直投影图相当于机械制图中的侧视图，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D和视平移V，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?我国钻井行业标准规定，选择设计方位线所在的那个铅垂平面。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垂深和视平移就可以很容易画出该井轨迹的垂直投影图。第一节基本概念四、井身剖面垂直投影图：将轨迹数据投影到指定的垂直平面内（通常为设计平面）第44页3、垂直剖面图垂直剖面图的形式原理：参看图5—7，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。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D和水平长度上Lp。实际上，只要计算出一口井轨迹上所有各点的垂深和水平长度就可以很容易画出该井轨迹的垂直剖面图。第一节基本概念四、井身剖面垂直剖面图（柱面展开）：沿水平投影面展开空间曲线，其优点是井眼上任一点的井深、井斜角与实际一致。第45页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、井斜方位角平移方位角θ、闭合方位角。四、井身剖面第一节基本概念第46页