鉆井5-井眼軌道設(shè)計與控制.ppt

1,第五章 井眼軌道設(shè)計與控制,Chapter 5 . Design and Control of Well Path,第一節(jié) 井眼軌跡的基本概念 第二節(jié) 軌跡測量及計算 第三節(jié) 定向井井眼軌道設(shè)計 第四節(jié) 直井防斜技術(shù),2,一、 基本概念 (一)井眼軌跡的基本要素,井深 井斜角 井斜方位角 磁偏角,垂深 平長 水平位移 平移方位角 N坐標(biāo)和E坐標(biāo) 井眼曲率 全角變化率,3,基本要素,油氣井：以勘探開發(fā)石油和天然氣為目的，在地層中鉆出的具有一定深度的圓柱形孔眼。,井眼軸線:井眼中心線。 井眼軌道:表示井眼軸線形狀的圖形。,4,基本要素,假設(shè)井眼軌跡是一條空間曲線，則可以用空間直角坐標(biāo)系來描述。選取笛卡爾坐標(biāo)系。原點選在井口處；軸指向正北,單位矢量為；軸指向正東，單位矢量為；軸垂直向下，單位矢量為。,o,N(i),E(j),D(k),ro,t,n,b,A,Dm,5,(一)井眼軌跡的基本要素,測量方法：非連續(xù)測量，間斷測量?！皽y段”，“測點”。井深、井斜角和井斜方位角-軌跡的三個基本參數(shù)。,(1) 井深（或稱為斜深、測深） 井口(通常以轉(zhuǎn)盤面為基準(zhǔn))至測點的井眼長度。 以字母Dm表示，單位為米(m)。,井深增量（井段）： 下測點井深與上測點井深之差。以Dm表示。,6,(2) 井斜角()：,井斜角增量()： 下測點井斜角與上測點井斜角之差。 BA,指井眼方向線與重力線之間的夾角。單位為度()。 井眼方向線： 過井眼軸線上某測點作井眼軸線的切線，該切線向井眼前進(jìn)方向延伸的部分稱為井眼方向線。,7,(3) 井斜方位角,井眼方位線（井斜方位線）： 某測點處的井眼方向線在水平面上的投影。 井斜方位角增量 ：上下測點的井斜方位角之差。 BA,在水平投影圖上，以正北方位線為始邊，順時針方向旋轉(zhuǎn)到井眼方位線上所轉(zhuǎn)過的角度。,井斜方位角的變化范圍：0360。,8,(3)井斜方位角：,象限角： 指井斜方位線與正北方位線或 與正南方位線之間的夾角。,井斜方位角的另一種表示方式-象限角：,磁偏角校正： 真方位角磁方位角東磁偏角 真方位角磁方位角西磁偏角,象限角的變化范圍： 090之間。,磁偏角： 磁北方位與正北方位之間的夾角。,9,二軌跡的計算參數(shù),(3) 水平位移（平移）：軌跡上某點至井口所在鉛垂線的距離（或：在水平投影面上，軌跡上某點至井口的距離）。 平移方位線：在水平投影面上，井口至軌跡上某點的連線。國外將水平位移稱閉合距。 我國將完鉆時的水平位移稱為閉合距。,由基本參數(shù)計算得到的參數(shù)。,(1) 垂直深度（垂深）：軌跡上某點至井口所在水平面的距離。垂深增量稱為垂增()。,(2) 水平投影長度Lp（水平長度、平長）： 井眼軌跡上某點至井口的長度在水平面上的投影，即井深在水平面上的投影長度。 水平長度的增量稱為平增（L）。,10,(4) 平移方位角：平移方位線所在的方位角。 國外，將平移方位角稱作閉合方位角。 國內(nèi)，指完鉆時的平移方位角為閉合方位角。,(5) 坐標(biāo)和坐標(biāo)：南北坐標(biāo)軸，以正北方向為正； 東西坐標(biāo)軸，以正東方向為正。,(6) 視平移： 水平位移在設(shè)計方位線上的投影長度。,11,(7) 井眼曲率K（“狗腿嚴(yán)重度”、“全角變化率”）：,狗腿角的計算： Lubinski公式： cos=cosAcosB+sinAsinBcos(B-A),指井眼軌跡曲線的曲率。 平均曲率: Kc=30/Dm “狗腿角”或“全角變化”（）： 上、下二測點的兩條方向線之間的夾角(空間夾角)。,我國鉆井行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)計算公式： =(2+2sin2c)0.5 c=(A+B)/2 該測段的狗腿角，()； c該測段的平均井眼曲率，()/30m； c該測段的平均井斜角，（）。,12,13,靶點,14,（二）軌跡圖示法 、水平投影圖,投影面：水平面 坐標(biāo)系：以井口為原點、坐標(biāo)軸、坐標(biāo)軸； 表達(dá)的參數(shù)：坐標(biāo)值、坐標(biāo)值、水平位移S、 水平長度Lp、井斜方位角、平移方位角,、垂直投影圖 投影面：過設(shè)計方位線的鉛垂面，即井口和目標(biāo)點所在的鉛垂面； 表達(dá)的參數(shù)：垂深D、視平移V、井斜的增減趨勢； 坐標(biāo)系：原點(井口)、橫坐標(biāo)(視平移)、縱坐標(biāo)(垂深)。,15,3、垂直剖面圖,垂直剖面：過井眼軸線上各點垂線組成的柱面展開圖； 坐標(biāo)系：原點(井口)、橫坐標(biāo)(水平長度)、縱坐標(biāo)(垂深)； 表達(dá)的參數(shù)：垂深D、水平長度Lp、井深Dm、井斜角 。,16,垂直投影圖與水平投影圖,17,垂直剖面圖與水平投影圖,18,井身剖面由直井段、造斜段、穩(wěn)斜段、增斜段、降斜段和水平段組合而成。 直井段:設(shè)計井斜角為零度的井段。 造斜點（）:開始定向造斜的位置稱為造斜點。通常以該點的井深來表示。 造斜率（）:造斜工具的造斜能力,即該造斜工具所鉆出的井段的井眼曲率。 造(增)斜段:井斜角隨井深增加的井段。 穩(wěn)斜段:井斜角保持不變的井段。 降斜段:井斜角隨著井深的增加而減小的井段。 水平段：井斜角大于86度的井段。,直井段,造斜點,造斜段,增斜段,水平段,直井段,降斜段,穩(wěn)斜段,一、 基本概念 (三)井身剖面及精度控制,amax,19,井身剖面及精度控制,目標(biāo)點:設(shè)計規(guī)定的、必須鉆達(dá)的地層位置，稱為目標(biāo)點。通常以地面井口為坐標(biāo)原點的空間坐標(biāo)系的坐標(biāo)值來表示。 靶區(qū)及靶區(qū)半徑（）:包含目標(biāo)點在內(nèi)的一個區(qū)域稱為靶區(qū)。在一般油氣井中，靶區(qū)半徑為允許實鉆井眼軌跡偏離設(shè)計目標(biāo)點的水平距離,靶區(qū)為在目標(biāo)點所在的水平面上,以目標(biāo)點為圓心,以靶區(qū)半徑為半徑的一個圓面積。 安全控制圓錐（柱）:以設(shè)計井眼軸線為中心,所限定的圓錐（柱）空間。 靶心距（）:在靶區(qū)平面上,實鉆井眼軸線與目標(biāo)點之間的距離。 誤差橢球:由測量和計算誤差引起的井底位置不確定性所構(gòu)成的以井底為中心的橢球體。,20,目標(biāo)點和誤差橢球,o,設(shè)計井眼,實鉆井眼,目標(biāo)點,誤差橢球,油層,靶心距,21,直井和定向井的靶區(qū)和控制圓錐,靶區(qū),靶區(qū)半徑,控制圓錐,井口,油層,22,二、各參數(shù)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系,(一)基本參數(shù) 在石油工程中，井眼軌道參數(shù)是通過下入井眼內(nèi)的測斜儀器測出的，它測出的是一系列離散井深點所對應(yīng)的井斜角和方位角，通過它們可以確定出其它參數(shù)，所以將它們稱為基本參數(shù)。 (二)坐標(biāo)參數(shù) 用于描述井眼軌道的空間位置。主要有北坐標(biāo)，東坐標(biāo)，垂直深度。 (三)撓曲參數(shù) 描述井眼軌道的彎曲和扭轉(zhuǎn)程度。主要有曲率和撓率。,23,(四)坐標(biāo)參數(shù)與基本參數(shù)的關(guān)系,L-為井口到計算點的曲線長度,24,三、油氣井分類 (按井眼軌道) （1）直井 （Vertical well） 設(shè)計井眼軸線為一鉛垂線，實鉆井眼軸線大體沿鉛垂方向，其井斜角、井底水平位移和全角變化率均在限定范圍內(nèi)的井。 （2）定向井(Directional well) 沿著預(yù)先設(shè)計的井眼軌道,按既定的方向偏離井口垂線一定距離,鉆達(dá)目標(biāo)的井。,25,定向井可分為 ：普通定向井、大斜度井、叢式井、多底井、斜直井、水平井等。 普通定向井:在一個井場內(nèi)僅有一口最大井斜角小于60的 定向井。 大斜度井:在一個井場內(nèi)僅有一口最大井斜角在6086范圍內(nèi)的定向井。 叢式井:在一個井場內(nèi)有計劃地鉆出的兩口或兩口以上的定向井組,其中可含一口直井。 多底井:一個井口下面有兩個或兩個以上井底的定向井。 斜直井:用傾斜鉆機(jī)或傾斜井架完成的,自井口開始井眼軌道一直是一段斜直井段的定向井。 ,26,叢式井垂直剖面圖,叢式井垂直剖面圖,27,河叢式井組是我國目前最大的陸地叢式井組。該井組在長米、寬米的區(qū)域內(nèi)布井排共口，鉆穿油層層米，油水同層層.米。,28,（3）水平井(Horizontal well) 在一個井場內(nèi)僅有一口最大井斜角大于或等于86,并保持這種角度鉆完一定長度的水平段的定向井。,水平井分為： 長曲率半徑水平井 （造斜率小于6/30 ）； 中曲率半徑水平井 （造斜率為1/6/30m）； 短曲率半徑水平井 (造斜率為110/) ； 徑向水平井 (造斜率為無窮大) 。,29,水平井由于增加了井筒與油層的接 觸 面積，從而可大大提高單井產(chǎn)量。,水平井鉆井的目的（一）,30,解決水錐問題,水平井鉆井的目的（二）,31,一井雙探,32,水平井技術(shù)適合于薄層的開采,33,油層薄，中靶難,需要有合適的角度，才能達(dá)到矢量入靶,角度偏大,角度偏小,薄油層開發(fā),34,井眼軌跡在油層最佳位置穿行難,精確控制幾千米遠(yuǎn)的鉆頭走向難度大,層薄，地層傾角變化，有時上翹或下傾,薄油層開發(fā),35,四、 井眼軌道設(shè)計的原則和方法,（一）、 井眼軌道的類型 （二） 、設(shè)計井眼軌道的原則 （三） 、井眼軌道設(shè)計中有關(guān)因素的選擇 （四） 、井眼軌道類型的選擇,36,（一）、井眼軌道的類型,按設(shè)計井眼軌道在空間直角坐標(biāo)系中的形狀,可分為二維井眼軌道和三維井眼軌道。 二維井眼軌道是指設(shè)計井眼軸線僅在設(shè)計方位線所在鉛垂平面上變化的井眼軌道。 三維井眼軌道是指在設(shè)計的井眼軸線上,既有井斜角變化,又有方位角變化的井眼軌道。 .二維井眼軌道 二維井眼軌道組成 垂直井段、 增斜井段、 穩(wěn)斜井段 降斜井段 ,37,井眼軌道的類型,.三維井眼軌道 三維井眼軌道設(shè)計用于繞障井和現(xiàn)場待鉆修正井眼軌道設(shè)計。若在地面井口位置與設(shè)計目標(biāo)點之間的鉛垂平面內(nèi),存在著井眼難于直接通過的障礙物(如已鉆的井眼、巖丘、氣頂?shù)龋瑒t設(shè)計的井眼軌道需要繞過障礙物到達(dá)目標(biāo)點。在鉆進(jìn)過程中，井眼軌道總是要偏離設(shè)計井眼軌道，為了保證鉆達(dá)目標(biāo)點，必須時刻修正鉆進(jìn)參數(shù)；此時由于井底的方位角與設(shè)計的方位角不一致，必須進(jìn)行三維軌道設(shè)計。,38,（二）、設(shè)計井眼軌道的原則,（1）根據(jù)油氣田勘探開發(fā)要求,保證實現(xiàn)鉆井目的。 （2）根據(jù)油氣田的構(gòu)造特征、油氣產(chǎn)狀，有利于提高油氣產(chǎn)量和采收率，改善投資效益。 （3）在選擇造斜點、井眼曲率、最大井斜角等參數(shù)時，有利于鉆井、采油和修井作業(yè)。 （4）在滿足鉆井目的的前提下，應(yīng)盡可能選擇比較簡單的剖面類型，力求使設(shè)計的斜井深最短，以減小井眼軌道控制的難度和鉆井工作量，有利于安全、快速鉆井、降低鉆井成本。,39,（二）、設(shè)計井眼軌道的原則,（1）根據(jù)油氣田勘探開發(fā)要求,保證實現(xiàn)鉆井目的。 （2）根據(jù)油氣田的構(gòu)造特征、油氣產(chǎn)狀，有利于提高油氣產(chǎn)量和采收率，改善投資效益。 （3）在選擇造斜點、井眼曲率、最大井斜角等參數(shù)時，有利于鉆井、采油和修井作業(yè)。 （4）在滿足鉆井目的的前提下，應(yīng)盡可能選擇比較簡單的剖面類型，力求使設(shè)計的斜井深最短，以減小井眼軌道控制的難度和鉆井工作量，有利于安全、快速鉆井、降低鉆井成本。,40,（三）、井眼軌道設(shè)計中有關(guān)因素的選擇,1.造斜點的選擇 (1)造斜點應(yīng)選擇在比較穩(wěn)定的地層,避免在巖石破碎帶、漏失地層、流砂層或容易坍塌等復(fù)雜地層定向造斜。 (2)地層可鉆性均勻，不應(yīng)有硬夾層。 (3)要滿足采油工藝要求。 (4)垂深大、水平位移小的井，造斜點應(yīng)深，以簡化井身結(jié)構(gòu)、加快鉆速。 (5)垂深小、水平位移大的井，造斜點應(yīng)淺，以減少定向施工的工作量。 (6)在井眼方位漂移地區(qū)，應(yīng)使斜井段避開方位漂移大的地層或利用井眼方位漂移規(guī)律鉆達(dá)目標(biāo)點。,41,.最大井斜角 對于直井,井斜角控制在規(guī)定的范圍內(nèi)。對于常規(guī)定向井和水平井,當(dāng)井斜角小于15時，方位不穩(wěn)定，所以,最大井斜角應(yīng)大于15。 3.井眼曲率 在鉆井中,井眼曲率是一個重要參數(shù)。井眼曲率過大會給鉆井、采油和修井作業(yè)造成困難。因此，應(yīng)根據(jù)具體情況，適當(dāng)選擇井眼曲率的最大值。,井眼軌道設(shè)計中有關(guān)因素的選擇,42,設(shè)計井眼軌道時，一般選擇簡單的二維軌道。二維軌道由垂直井段、造斜井段、穩(wěn)斜井段、降斜井段組合而成，最常用的有四種類型。,（四）、井眼軌道類型的選擇,三段制,五段制,S 型,直井,43,44,側(cè)鉆水平井技術(shù),側(cè)鉆水平井技術(shù)是指使用專門井下工具，從老井套管內(nèi)側(cè)鉆而成的水平井。它是在側(cè)鉆井技術(shù)、水平井技術(shù)和小井眼技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的代表九十年代鉆井水平的新技術(shù)，不僅能使老井復(fù)活，而且可以大幅度提高單井產(chǎn)量和采收率。,45,直井設(shè)計輸入內(nèi)容,46,直井設(shè)計輸出內(nèi)容,47,定向井設(shè)計輸入內(nèi)容,48,定向井設(shè)計輸出內(nèi)容,49,叢式井設(shè)計輸入內(nèi)容,50,軟件配備,為了提高鉆井設(shè)計的準(zhǔn)確性，可建立油田近年的鉆井工程、泥漿資料數(shù)據(jù)庫、油田主要地層資料及油層保護(hù)資料數(shù)據(jù)庫。,設(shè)計輔助數(shù)據(jù)庫 提高設(shè)計的準(zhǔn)確性,51,可以進(jìn)行 鉆頭使用情況 查詢,52,可以進(jìn)行 鉆井液密度 查詢,53,可以查詢 完成井技術(shù) 指標(biāo),54,可以查詢 油氣層保護(hù) 數(shù)據(jù),55,設(shè)計軟件功能,1）井身結(jié)構(gòu)設(shè)計,根據(jù)地層孔隙壓力、破裂 壓力、地層性質(zhì)進(jìn)行井身 結(jié)構(gòu) 設(shè)計,56,設(shè)計軟件功能,2）定向井、水平井、開窗側(cè)鉆、分支井的剖面設(shè)計。,各種剖面類型設(shè)計,57,定向井、水平井 井眼軌跡設(shè)計,58,軟件功能,井與井之間的防碰掃描，測斜數(shù)據(jù)處理,防止設(shè)計井與鄰井相碰,59,防碰掃描三維圖,60,設(shè)計軟件功能,3）鉆頭水力計算 4）固井計算 5）鉆具扭矩和磨阻計算、卡鉆計算、下部鉆具組合行為分析、井壁接觸力分析。,61,鉆柱強度校核,62,鉆柱側(cè)向力分析,63,6）套管設(shè)計、套管強度校核,套管設(shè)計,64,埕北30叢式井組,65,水平2井是國內(nèi)第一口雙探多目標(biāo)水平井，共鉆穿9層195.8m油層，相當(dāng)于8口直井的經(jīng)濟(jì)效益。,66,第二節(jié) 軌跡測量及計算,1、隨鉆監(jiān)測實鉆井眼軌跡以保證鉆達(dá)既定目標(biāo)； 2、當(dāng)需用造斜工具定向鉆進(jìn)時，將造斜工具按要求的方向定向； 3、確保正鉆進(jìn)的井沒有與附近已鉆成的井相交的危險； 4、確定鉆遇的各地層的真垂深、以繪制出準(zhǔn)確的地質(zhì)剖面圖； 5、為了監(jiān)測油層特性及鉆進(jìn)救險井要確定準(zhǔn)確的井底位置； 6、沿井身計算出井眼曲率以評價井身質(zhì)量； 7、為完井工程提供井眼軌跡數(shù)據(jù)。,井眼軌跡測量的目的：,67,第二節(jié) 軌跡測量及計算,一、測斜方法及測斜儀簡介 1、測斜儀分類 按工作原理分：磁性測斜儀(羅盤)、 陀螺測斜儀(高速陀螺空間指向恒定)。 按工作方式分：單點式、多點式、隨鉆測量(有線、無線)。,2、測量內(nèi)容 井深Dm、井斜角、方位角。,68,3、磁性測斜儀的工作原理,儀器內(nèi)主要由井斜刻度盤、羅盤、十字?jǐn)[錘、照明和照相系統(tǒng)組成。羅盤的S極始終指北。,（1）井斜角的測量 當(dāng)測斜儀隨井眼傾斜時，十字?jǐn)[錘始終指向重力線方向，重力線與儀器軸線的夾角即為井斜角。由擺錘在井斜刻度盤底片上的位置讀取。,69,（2）井斜方位角的測量 擺錘所在鉛垂線與儀器軸線（井眼方向線）構(gòu)成井斜鉛垂面，該井斜鉛垂面與水平面的交線就是井斜方位線。擺錘在羅盤面上的投影位置所在的放射線與羅盤N極之間的夾角即為井斜方位角。,（3）井深測量： 根據(jù)電纜長度或鉆柱長度。,70,MWD / LWD,整套儀器由 井下數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、 地面數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)組成。,MWD Measurement While Drilling . LWD Logging While Drilling. FEWD Formation Evaluation While Drilling.,71,國內(nèi)MWD配備現(xiàn)狀,72,國內(nèi)LWD配備現(xiàn)狀,73,二對測斜計算數(shù)據(jù)的規(guī)定,5在一個測段內(nèi)，井斜方位角變化的絕對值不得超過180。 i-i-1180時， i=i-i-1-360 c=(i+i-1)/2-180 i-i-1-180時，i=i-i-1+360 c=(i+i-1)/2+180,1測點編號：測斜自下而上，測點編號自上而下。第一個井斜角不等于零的測點作為第一測點。,2測段編號：自上而下編號。第i-1個點與第i點之間所夾的測段為第i測段。,3第測點：第測點的井深大于25m 時，第測點的井深比第測點的井深小25m，且井斜角規(guī)定為零。第測點的井深小于或等于25m時，規(guī)定第測點的井深和井斜角均為零。,4若i= 0，則計算第i測段時，i=i-1；計算第i+1測段時， i=i+1 。,三.實際井眼軸線的計算方法,定向井井眼軸線是以等間距測量的，每一測點的數(shù)據(jù)有測量井深、井斜角和方位角。 任意測點間的空間坐標(biāo)位置需要根據(jù)兩測點間的軌跡形狀來計算。 井眼軌跡形狀是的未知的，不同假設(shè)就得到不同的計算方法。,75,三軌跡計算方法,1、計算順序：計算的目的是算出每個測點的坐標(biāo)值。 從第個測段開始，逐段向下進(jìn)行； 算出每個測段的坐標(biāo)增量；累加求得測點的坐標(biāo)值。 第0測點的坐標(biāo)值，D0=Dm0 , Lp0=0, N0=0, E0=0 。,2、計算內(nèi)容： 測點：五個直角坐標(biāo)值( D , Lp ,N , E , V )， 兩個極坐標(biāo)值( S ,) 。 測段：四個坐標(biāo)增量( D，Lp，N，E )， 井眼曲率c 。,76,三、軌跡計算方法,3、計算方法的多樣性,需計算四個坐標(biāo)增量：D，Lp，N，E ； 必須知道測段的幾何形狀； 測斜只提供上下兩個測點的參數(shù)； 測段形狀未知，計算時只能假設(shè)測段形狀； 假設(shè)不同，計算方法不同。,77,4、計算方法,測段計算公式： D=Dmcosc Lp=Dmsinc N=Dmsinccosc E=Dmsincsinc c=(i-1+i)/2 c=(i-1+i)/2,(1)、平均角法： 假設(shè)測段是一條直線，該直線的方向 是上下二測點處井眼方向的“和方向” (矢量和)。（ 該直線的和等于上下兩點相應(yīng)角度的算術(shù)平均值）,78,4、計算方法,測段計算公式： D=2Dmsin(/2) cosc/ Lp=2Dmsin(/2) sinc/ N=4Dmsin(/2) sincsin(/2) cosc/() E=4Dmsin(/2) sincsin(/2) sinc/() 注意：公式中的和的單位，求三角函數(shù)時用度，其它情況下用弧度。,（2）圓柱螺線法 假設(shè)測段形狀為一條圓柱螺線；其兩端與上下兩測點處井眼方向向切。在水平投影圖上是圓弧。在垂直剖面圖上也是圓弧。,79,80,4、計算方法,曲率半徑法測段計算公式： D = Dm(sini - sini-1) / Lp= Dm(cosi-1 - cosi) / N = Dm(cosi-1 - cosi) (sini - sini-1) / () E = Dm(cosi-1 - cosi) (cosi-1 - cosi) / (),（3）曲率半徑法,美國人也曾提出了以圓柱螺旋線為模型的測段參數(shù)計算方法，稱之為曲率半徑法。其計算結(jié)果與圓柱螺旋線法相同。只是計算公式的表達(dá)形式不同。,注意：圓柱螺旋線法和曲率半徑法的公式，在分母位置上都有和（單位為弧度）。這兩個增量中任一個或同時為零時，都需要另選公式計算。,為解決這一問題，提出了校正平均角法。,81,4、計算方法,測段計算公式： D= fDDmcosc Lp= fDDmsinc N= fHDmsinccosc E= fHDmsincsinc 其中： fD =1-2 / 24 fH =1-(2 + 2) / 24,（4）校正平均角法,我國鉆井行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定使用的方法（校正平均角法）,測段計算公式與平均角法公式的形式相似，只是在平均角法公式的基礎(chǔ)上乘以校正系數(shù)fD和fH，因而稱之為校正平均角法。,注意：以上二式中的和的單位為弧度。,82,關(guān)于校正平均角法的推導(dǎo)：,在曲率半徑法的基礎(chǔ)上，進(jìn)行三角變換： 將三角函數(shù)用冪級數(shù)表示： 取前兩項：,83,將以上幾式代入曲率半徑法公式，即可得到校正平均角法的計算表達(dá)式,關(guān)于校正平均角法的推導(dǎo)：,84,第三節(jié) 定向井井眼軌道設(shè)計,常規(guī)定向井：b = 15 60 b -最大穩(wěn)斜角。 大斜度井： b = 60 85 水平井： b = 90 上翹井： b = 90 120 大位移井： 水平位移與垂深之比大于2.0。,二維定向井： 常規(guī)二維定向井：井段形狀由直線和園弧曲線組成。,一定向井軌道分類,三維定向井：糾偏三維定向井、繞障三維定向井。,非常規(guī)二維定向井：除了直線和園弧曲線外，還有某種特殊曲線，如懸鏈線，二次拋物線等。,85,二、常規(guī)二維定向井軌道設(shè)計,、設(shè)計原則 (1) 能實現(xiàn)鉆定向井的目的。 (2) 有利于安全、優(yōu)質(zhì)、快速鉆井。,C、選擇合適的造斜點位置：,A、軌道形狀簡單，盡量保持較長的直井段，容易實現(xiàn)鉆進(jìn)； B、盡量減小最大井斜角，以便減小鉆井難度；,1530，小傾角定向井； 3060，中傾角定向井； 大于60，大傾角定向井。 最大井斜角不得小于15，否則井斜方位不易穩(wěn)定。,地層：硬度適中，無坍塌、縮徑、高壓、易漏。,垂深大、位移小，造斜點應(yīng)深一些，避免長穩(wěn)斜段；,深度：根據(jù)垂深、水平位移、剖面類型等確定。,垂深小、位移大，造斜點應(yīng)淺一些，減小定向施工工作量。,86,D、選擇合適的井眼曲率 Kc小：造斜段長，鉆速低； Kc大：摩阻大，起下鉆、下套管等作業(yè)困難； 保持Kc均勻，避免急彎，防止阻卡； 保證鉆具順利通過。,(3) 有利于采油工藝的要求； 盡量減小井眼曲率，以改善油管和抽油桿的工作條件。 盡量以具有較小井斜角的直井段（斜直或垂直）進(jìn)入油氣 層。以利于安裝電潛泵，坐封封隔器及其他井下作業(yè)。,、設(shè)計原則,87,、軌道類型常規(guī)二維定向井軌道有四種類型,三段式，多靶三段式，五段式和雙增式。,特點： 最常用和最簡單的井眼軌跡，造斜點淺，施工簡單，水平位移較大時常用； 軌跡容易控制，一般井斜角為1545。,直井段造斜段穩(wěn)斜段,88,常用于靶點較深、水平位移較小，入靶點有井斜要求的定向井。,一般用于水平井。,直井段造斜段穩(wěn)斜段降斜段穩(wěn)斜段,直井段造斜段穩(wěn)斜段增斜段穩(wěn)斜段,89,3、設(shè)計條件、內(nèi)容及步驟,由地質(zhì)、采油部門提供的要求： 目標(biāo)點位置：Dt、St、0 目標(biāo)段位置：Dt、 St、Dmm、t、0,由鉆井工程要求和設(shè)計原則確定的數(shù)據(jù)： 造斜點深度 Dkop 井眼曲率Kc,（1）設(shè)計條件,90,軌道設(shè)計給定的條件,Dt目標(biāo)點或目標(biāo)段入口點的垂深 ，St目標(biāo)點或目標(biāo)段入口點的水平位移，Dkop造斜點垂深， Kz造斜段的造斜率, Kn降斜段的造斜率（）/30m, Kzz雙增軌道的第二增斜段的造斜率,0設(shè)計方位角（） t-目標(biāo)段井斜角， Dmm目標(biāo)段長度， b-穩(wěn)斜段井斜角，Dmw-穩(wěn)斜段長度，,91,（2）設(shè)計內(nèi)容及步驟,選擇軌道形狀： 給定Dt、St、0，選用三段式； 給定Dt、St、Dmm、t、0，選用五段式或多靶三段式； 給定Dt、St、Dmm、t、0，且t較大，用雙增式。,確定造斜點位置Dkop；造斜率Kz，降斜率Kn，第二造斜率Kzz； 計算關(guān)鍵參數(shù)：穩(wěn)斜段井斜角b、穩(wěn)斜段長度Dmw； 計算各井段井身參數(shù)：Dm 、D 、S； 繪制垂直剖面圖和水平投影圖。,92,4、軌道的設(shè)計計算,（1）三段式 給定Dt、St、Dkop、Kz 、0時， 計算b、Dmw； De=Dt-Dkop Se=St Re=Rz Dmw=(De2+Se2-2ReSe)0.5 b=2arctan(De-Dmw)/(2Re-Se),造斜段井眼曲率半徑R的計算公式：,Kc的單位是（/30m），R（m）。,93,（1）三段式,給定Dt、St、0、Dkop、 b 時，計算Kz 、Dmw； Rz=(Dt-Dkop-St/tanb)/tan(b/2) Kz=1719/Rz Dmw=(Dt-Dkop-Rzsinb)/cosb 給定Dt、St、0、Kz 、b 時，計算 Dkop 、Dmw； Dkop=Dt-St/tanb-Rztan(b/2) Dmw=(Dt-Dkop-Rzsinb)/cosb,94,（2）多靶三段式,給定：Dt、Dkop、Kz、o、t、Dmm， 計算：St、Dmw、b；（倒推設(shè)計法） St=Dt-Dkop-Rztan(t/2)tant Dmw=(Dt-Dkop-Rzsinb)/cosb,（3）五段式 已知條件：Dt、St、Dmm、t、0、Dkop、Kz、Kn 中間參數(shù)：De=Dt-Dkop+Rnsint Se=St+Rn(1-cost) Re=Rz+Rn Dmw=(De2+Se2-2ReSe)0.5 b=2arctan(De-Dmw)/(2Re-Se),95,（4）雙增式軌道,給定條件：Dt、St、Dkop、Kz、o、t、Dmm、Kzz 中間參數(shù)： De=Dt-Dkop-Rzzsint Se=St-Rz+Rzzcost Re=Rz-Rzz Dmw=(De2+Se2-Re2)0.5 b=2arctan(De-Dmw)/(Re-Se),96,5、井段計算及設(shè)計結(jié)果表述,對每個井段計算出段長、垂增、平增三個參數(shù)。,Dmw（關(guān)鍵參數(shù)）已求出。,97,作業(yè)題,1、某定向井設(shè)計目標(biāo)點垂深1800m，水平位移為1200m,造斜點垂深500m, 造斜率1.8/30m,設(shè)計軌道形狀為三段式。試設(shè)計該井軌道，并按表列項目計算有關(guān)未知參數(shù)。并畫出該井垂直剖面圖。,98,6扭方位計算,1、裝置角的概念 OA線稱為“高邊方向線”。點是鉆頭中心，OC線稱為“裝置方向線”。,以高邊方向線為始邊，順時針旋轉(zhuǎn)到裝置方向線上所轉(zhuǎn)過的角度，稱為造斜工具的裝置角。用表示。（造斜工具彎曲方向的平面與原井斜方向所在平面的夾角）,99,裝置角的規(guī)定,當(dāng)兩個平面重合，且造斜工具起增斜作用時，裝置角w為度； 在垂直井眼內(nèi)，造斜工具彎曲方向指向正北，裝置角w為度。,裝置角w對井斜和方位的作用,原井斜方位 w0,w270,w90,w180,增斜,減斜,減方位,增方位,102,2、裝置角的計算,（1）解析法,上述三個公式中，共有個參數(shù)：1，2，Dm 。顯然若已知其中個就可求的另外三個，可根據(jù)扭方位的實際情況靈活應(yīng)用。,已知條件：目前井斜角1、方位角1；欲達(dá)到的井斜角2、方位角2；工具造斜率c。 求解內(nèi)容：造斜工具的裝置角；達(dá)到要求需要鉆進(jìn)的井段長度Dm 。,注意：求時反余弦的定義域為0180。 設(shè)cos= C， 當(dāng)0，=arccosC ； 當(dāng)0，= -arccosC,3、裝置角的計算-圖解法,一種實用的確定裝置角的近似方法(a, 很?。?方法：用線段的長度表示井斜角a和導(dǎo)斜角， 用線段的夾角表示方位角和裝置角。,1,2,w1,w2,D,O,North,原井底方位F,方位增量DF,104,（2）圖解法,(1)選擇比例尺，用單位線段長度表示單位角度，例如，以厘米代表。 (2)選原點O，做射線OQ作為目前井底方位線，在OQ上量取OA = 1。 (3)以點為圓心，以為半徑畫圓。 (4)作線段OB，使AOB = ，為正時，OB線在OA線的下方；為負(fù)時，OB線在OA線的上方。線段OB交圓于B、B兩點，聯(lián)結(jié)AB和AB。 (5)QAB即為增斜扭方位的裝置角；QAB即為降斜扭方位的裝置角。 (6)OB長度（換算成角度），即為增斜扭方位之后的井斜角2；OB長度（換算成角度），即為降斜扭方位之后的井斜角2,3、裝置角的計算,105,例題1：,已知1= 15，K = 10/ 100m ，= 22，要求扭完方位以后的井斜角為18。試求裝置角和扭方位的井段長度Dm。 解：由解析公式可求得： = 6.88，= 75.19，Dm= 68.77m。 由圖解法可從圖中量得： =7.9，=75；并計算出Dm=79m ；,106,7.動力鉆具反扭角的計算,（1）反扭角的概念 反扭角將使已確定好的裝置角減小。 s = + n = 1+ + n （2）影響反扭角的因素 反扭矩的大??； 鉆柱的長度； 鉆柱斷面的極慣性矩； 鉆柱與井壁之間的摩擦力； 裝置角的大小。,由于動力鉆具反扭矩，而使鉆柱反時針扭轉(zhuǎn)的角度，稱之為動力鉆具的反扭角。用n表示。,造斜工具定向時的方位角稱為定向方位角。用s 表示。,107,（3）反扭角的計算,由于影響因素的不確定性，只能采用資料反算法。 已知條件：s、1、1、2、2 求解步驟： 1)求試鉆井段的狗腿角： =cos-1cos1 cos2 + sin1 sin2 cos(2 -1) 2)求試鉆井段的實際裝置角實： 實 = cos-1(cos1 cos - cos2) / (sin1 sin) 注意：當(dāng)2 1時，取“”；當(dāng)2 1時，取“” 。 3)求實際反扭角n： n = s - 1 實,108,第四節(jié) 直井防斜技術(shù),3、在開發(fā)采油方面：影響分層開采；影響修井工作；影響采收率（死油區(qū)）。,井斜的危害：,1、在地質(zhì)勘探方面：造成地質(zhì)資料失真；打亂合理的地下井網(wǎng)和開發(fā)方案。,2、在鉆井施工方面：惡化鉆柱工作條件；易造成井壁坍塌和卡鉆；易造成固井下套管困難和注水泥竄槽；糾斜側(cè)鉆增加成本。,109,一井斜的原因,1、地質(zhì)因素 地層傾斜和地層可鉆性不均勻性兩個方面。,地質(zhì)因素，鉆具因素。,地層傾角小于45時，鉆頭偏向垂直地層層面的方向； 地層傾角超過60時，鉆頭沿著平行地層層面方向下滑； 地層傾角在4560之間時，井斜方向?qū)俨环€(wěn)定狀態(tài)。,（1）地層可鉆性的各向異性因素 沉積巖特性：垂直層面方向的可鉆性高，平行層面方向的可鉆性低。 鉆頭總是有向著容易鉆進(jìn)的方向前進(jìn)的趨勢。,110,1、地質(zhì)因素,(2)、地層可鉆性的縱向變化 地層傾斜且軟硬交錯，鉆頭偏向垂直地層層面方向。,111,2、鉆具因素,主要因素是鉆具的傾斜和彎曲。 “底部鉆具組合”( Bottom Hole Assembly )，簡稱BHA。 引起鉆頭傾斜，在井底形成不對稱切削。 使鉆頭受側(cè)向力的作用，產(chǎn)生側(cè)向切削。,3、井眼擴(kuò)大 鉆頭在井眼內(nèi)左右移動，靠向一側(cè)，鉆頭軸線與井眼軸線不重合，導(dǎo)致井斜。,導(dǎo)致鉆具傾斜和彎曲的原因： 鉆具和井眼之間有一定間隙。 鉆壓的作用，鉆柱受壓靠近井壁或發(fā)生彎曲。 鉆具本身彎曲；轉(zhuǎn)盤安裝不平、井架安裝不正等。,112,（3）地層可鉆性的橫向變化,垂直于鉆頭軸線方向上可鉆性的變化。 如：在鉆頭的一側(cè)下面鉆遇溶洞或較疏松的地層，而另一側(cè)則鉆遇較致密的地層。,113,114,二、滿眼鉆具組合控制井斜,方法： 在下部鉆具適當(dāng)位置上安裝34個扶正器。 扶正器尺寸：d=dh-ds=1.0 2.0 mm,由鉆具引起井斜的原因可歸結(jié)為： 鉆頭對井底的不對稱切削； 鉆頭軸線相對于井眼軸線發(fā)生傾斜； 鉆頭上的側(cè)向力導(dǎo)致對井底的側(cè)向切削。,基本原理： 增大下部鉆具組合的尺寸和剛度，近似“填滿井眼”，防止鉆柱彎曲和傾斜。,解決這些問題的方法之一是讓鉆具填滿井眼，即：滿眼鉆具組合。,115,、YXY 組合的結(jié)構(gòu),近鉆頭扶正器、中扶正器、上扶正器、第四扶正器。 作用： 近扶正器：抵抗側(cè)向力，防止側(cè)向切削和不對稱切削。 中扶正器：保證中扶正器與鉆頭之間的鉆柱不發(fā)生彎曲。其安放位置需嚴(yán)格計算。 上扶正器：保證鉆具上至少有3個穩(wěn)定點與井壁接觸，從而保證井眼的直線性。 第四扶正器：增大下部鉆柱的剛度，協(xié)助中扶防止鉆柱彎曲。,二、滿眼鉆具組合控制井斜,116,二、滿眼鉆具組合控制井斜,Lp -中扶距鉆頭的最優(yōu)長度，m ； C-扶正器與井眼