鉆井工程：第五章 井眼軌道設(shè)計與軌跡控制

1、第五章 井眼軌道設(shè)計與軌跡控制1 井眼軌跡的基本參數(shù)有哪些？為什么將它們稱為基本參數(shù)？08答：井眼軌跡基本參數(shù)包括：井深、井斜角、井斜方位角。這三個參數(shù)足夠表明井眼中一個測點的具體位置，所以將他們稱為基本參數(shù)。 2 方位與方向的區(qū)別何在？請舉例說明。井斜方位角有哪兩種表示方法？二者之間如何換算？答：方位都在某個水平面上，而方向則是在三維空間內(nèi)（當(dāng)然也可能在水平面上）。方位角表示方法：真方位角、象限角。方位線位置真方位角與象限角關(guān)系第一象限真方位角象限角第二象限真方位角180°象限角第三象限真方位角180°象限角第四象限真方位角360°象限角 3

2、 水平投影長度與水平位移有何區(qū)別？視平移與水平位移有何區(qū)別?答：水平投影長度是指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。水平位移是指軌跡上某點至井口所在鉛垂線的距離，或指軌跡上某點至井口的距離在水平面上的投影。在實鉆井眼軌跡上，二者有明顯區(qū)別，水平長度一般為曲線段，而水平位移為直線段。視平移是水平位移在設(shè)計方位上的投影長度。 4 狗腿角、狗腿度、狗腿嚴(yán)重度三者的概念有何不同？答：狗腿角是指測段上、下二測點處的井眼方向線之間的夾角（注意是在空間的夾角）。狗腿嚴(yán)重度是指井眼曲率，是井眼軌跡曲線的曲率。 5 垂直投影圖與垂直剖面圖有何區(qū)別？答：垂直

3、投影圖相當(dāng)于機(jī)械制造圖中的側(cè)視圖，即將井眼軌跡投影到鉛垂平面上；垂直剖面圖是經(jīng)過井眼軌跡上的每一點做鉛垂線所組成的曲面，將此曲面展開就是垂直剖面圖。 6 為什么要規(guī)定一個測段內(nèi)方位角變化的絕對值不得超過180 ？實際資料中如果超過了怎么辦？答： 7 測斜計算，對一個測段來說，要計算那些參數(shù)？對一個測點來說，需要計算哪些參數(shù)？測段計算與測點計算有什么關(guān)系？答：測斜時，對一個測段來說，需要計算的參數(shù)有五個：垂增、平增、N坐標(biāo)增量、E坐標(biāo)增量和井眼曲率；對一個測點來說，需要計算的參數(shù)有七個：五個直角坐標(biāo)值（垂深、水平長度、N坐標(biāo)、E坐標(biāo)、視平移）和兩個極坐標(biāo)（水平位移、平移方位角

4、）。軌跡計算時，必須首先算出每個測段的坐標(biāo)增量，然后才能求得測點的坐標(biāo)值。 8 平均角法與校正角法有什么區(qū)別？實際計算結(jié)果可能有什么差別？答：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）。校正平均角法假設(shè)測段形狀為一條圓柱螺線。校正平均角法的計算公式是在平均角計算公式的基礎(chǔ)上加入了校正系數(shù)。 9 直井軌跡控制的主要任務(wù)是什么？答：直井軌跡控制的主要任務(wù)就是要防止實鉆軌跡偏離設(shè)計的鉛垂直線。一般來說實鉆軌跡總是要偏離設(shè)計軌道的，問題在于能否控制井斜的度數(shù)或井眼的曲率在一定范圍之內(nèi)。 10   &#

5、160;         引起井斜的地質(zhì)原因中最本質(zhì)的兩個因素是什么？二者如何起作用？答：最本質(zhì)的兩個因素是地層可鉆性的不均勻性和地層的傾斜。沉積巖都有這樣的特征：垂直層面方向的可鉆性高，平行層面方向的可鉆性低。在地層傾斜的情況下，當(dāng)?shù)貙觾A角小于45°時，鉆頭前進(jìn)方向偏向垂直地層層面的方向，于是偏離鉛垂線；當(dāng)傾角超過60°以后，鉆頭前進(jìn)方向則是沿著平行地層層面方向下滑，也要偏離鉛垂線；當(dāng)?shù)貙觾A角在45°60°之間時，井斜方向?qū)俨环€(wěn)定狀態(tài)。 11  

6、;           引起井斜的鉆具原因中最主要的兩個因素是什么？他們又與什么因素有關(guān)？答：鉆具導(dǎo)致井斜的主要因素是鉆具的傾斜和彎曲。導(dǎo)致鉆具傾斜和彎曲的主要因素：首先，由于鉆具直徑小于井眼直徑，鉆具和井眼之間有一定的間隙。其次，由于鉆壓的作用，下部鉆具受壓后必將靠向井壁一側(cè)而傾斜。 12             井徑擴(kuò)大如何引起井斜？如何防止井徑擴(kuò)大？答：井眼擴(kuò)大

7、后，鉆頭可在井眼內(nèi)左右移動，靠向一側(cè)，也可使受壓彎曲的鉆柱撓度加大，于是轉(zhuǎn)頭軸線與井眼軸線不重合，導(dǎo)致井斜。要防止井徑擴(kuò)大，首先要有好的鉆井液護(hù)壁技術(shù)；其次可以搶在井徑擴(kuò)大以前鉆出新的井眼。 13             滿眼鉆具組合控制井斜的原理是什么?它能使井斜角減小嗎？08答：滿眼鉆具組合采用在鉆鋌上適當(dāng)安裝扶正器（近鉆頭扶正器、中扶正器、上扶正器、第四扶正器），采用扶正器組合的辦法解決井斜問題。滿眼鉆具組合并不能減小井斜角，只能做到使井斜角的變化（增斜或?qū)⑿?/p>

8、）很小或不變化。 14             鐘擺鉆具組合控制井斜的原理是什么？為什么使用它鉆速很慢？08答：鐘擺鉆具組合在鉆柱的下部適當(dāng)位置加一個扶正器，該扶正器支撐在井壁上，使下部鉆柱懸空，則該扶正器以下的鉆柱就好像一個鐘擺，也要產(chǎn)生一個鐘擺力。此鐘擺力的作用是使鉆頭切削井壁的下側(cè)，從而使新鉆的井眼不斷降斜。鐘擺鉆具組合的性能對鉆壓特別敏感。鉆壓加大，則增斜力加大，鐘擺力減小。鉆壓再增大，還會將扶正器以下的鉆柱壓彎，甚至出現(xiàn)新的接觸點，從而完全失去鐘擺組合的作

9、用。所以鐘擺鉆具組合在使用中必須嚴(yán)格控制鉆壓，故鉆速很慢。 15             定向井如何分類？常規(guī)二維定向井包括哪些？答：根據(jù)軌道的不同，定向井可分為二維定向井和三維定向井兩大類，按照井斜角的大小，可將定向井分為三類：井斜角在15°30°的屬小傾斜角定向井；井斜角在30°60°的屬中傾斜角定向井；井斜角超過60°的屬大傾斜角定向井。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。

10、0;16             從鉆井工藝的角度看，定向井的最大井斜角是大點好還是小點好？答：在可能的條件下，盡量減小最大井斜角，以便減小鉆井的難度。但最大井斜角不得小于15°，否則井斜方位不易穩(wěn)定。 17             多靶三段式與三段式有何區(qū)別？軌道設(shè)計方法有何不同？答：多靶三段式的軌道給定條件中，沒有目標(biāo)的水平位移。多靶

11、三段式在設(shè)計中需要求出目標(biāo)點的水平位移，確定地面上的井位，所以被稱為“倒推設(shè)計法”。 18             軌道設(shè)計的最終結(jié)果包括哪些內(nèi)容？答：設(shè)計結(jié)果包括：井斜角/°、垂增/m、垂深/m、平增/m、平移/m、段長/m和井深/m。 19             動力鉆具造斜工具有哪幾種形式？他們的造斜原理有何共同之處？答

12、：動力鉆具又稱井下馬達(dá)，包括渦輪鉆具、螺桿鉆具、電動鉆具三種。動力鉆具接在鉆鋌之下，鉆頭之上。在鉆井液循環(huán)通過動力鉆具時，驅(qū)動動力鉆具轉(zhuǎn)動并帶動鉆頭旋轉(zhuǎn)破碎巖石。動力鉆具以上的整個鉆柱都可以不旋轉(zhuǎn)。這種特點對于定向造斜非常有利。 20             螺桿鉆具在定向井造斜方面有何優(yōu)點？答：螺桿鉆具的扭矩與壓力降成正比。壓力降可從泵壓表上讀出，扭矩則反映所加鉆壓的大小，所以可以看著泵壓表打鉆。根據(jù)泵壓表上的壓力降還可以換算出鉆頭上的扭矩，從而可以較為準(zhǔn)確的求得

13、反扭矩。這是螺桿鉆具在定向鉆井應(yīng)用中的突出優(yōu)點。 21             變向器與射流鉆頭造斜原理有什么不同？它們能連續(xù)造斜嗎？答：變向器是鉆出小井眼擴(kuò)眼并增斜來鉆井的，射流鉆頭是利用一個大噴嘴中噴出的強(qiáng)大射流形成的沖擊來造斜的，它們不能連續(xù)造斜。 22             BHA是什么意思？它有什么用途？08答：BHA（Bot

14、tom Hole Assembly）為靠近鉆頭的那部分鉆具，稱為“底部鉆具組合”。BHA是定向造斜的關(guān)健，通過它進(jìn)行定向井軌跡控制。 23             軌跡控制的三個階段的主要任務(wù)各是什么？答：（1）打好垂直井段。在鉆垂直井段時要求實鉆軌跡盡可能接近鉛垂線，也就是要求井斜角盡可能小。（2）把好定向井造斜關(guān)。如果定向造斜段的方位有偏差，則會給以后的軌跡控制造成巨大困難。所以定向造斜是關(guān)鍵。（3）跟蹤控制到靶點。從造斜段結(jié)束，至鉆完全井，都屬于跟蹤控制階段。

15、這一階段的任務(wù)是在鉆進(jìn)過程中，不斷了解軌跡的變化發(fā)展情況，不斷地使用各種造斜工具或鉆具組合，對井眼軌跡進(jìn)行控制，原則就是既要保證中靶，又要加快鉆速。 24             高邊方向與裝置方向線各是怎樣形成的？這兩條線是否處在同一平面上?答：我們假設(shè)造斜工具放在井內(nèi)時不受井眼地限制，鉆頭將在井底地外面。旋轉(zhuǎn)鉆柱，則鉆頭中心點將畫出一個與井底圓同心地圓。井底圓上地最高點與圓心的連線稱為“高邊方向線”，轉(zhuǎn)頭中心與圓心的連線稱為“裝置方向線”。兩條線都在井底平面上。

16、 25             裝置角有什么重要意義？當(dāng)裝置角等于240 時，井眼軌跡將如何發(fā)展？答：可以根據(jù)裝置角算出鉆具的高邊，確定鉆頭的位置。 26             有了裝置角為什么還要有裝置方位角？它們之間有什么關(guān)系？答：裝置方位角可以正確指出彎接頭在井下的裝置角的大小。裝置方位角是裝置角與井斜方位角之和。 27

17、             動力鉆具反扭角是如何產(chǎn)生的？為什么反扭角總是使裝置角減??？答：動力鉆具在工作中，液流作用于轉(zhuǎn)子并產(chǎn)生扭矩，傳給鉆頭去破碎巖石。液流同時也作用于定子，使定子受到一反扭矩。此反扭矩將有使鉆柱旋轉(zhuǎn)的趨勢，但由于鉆柱在井口處是被鎖住的，所以只能扭轉(zhuǎn)一定的角度，此角度稱為反扭角。 28             什么是定向？定向的目的

18、和意義是什么？答：定向就是把造斜工具的工具面擺在預(yù)定的定向方位線上。在扭方位計算中，我們可以算出造斜工具的定向方位角，定向可以知道造斜工具在井下的狀況，以及使造斜工具的工具面正好處在預(yù)定的定向方位。 29             井下定向的工藝過程有哪些？答：井下定向法是先用正常下鉆法將造斜工具下到井底，然后從鉆柱內(nèi)下入儀器測量工具面在井下實際方位；如果實際方位與預(yù)定方位不符，亦可在地面上通過轉(zhuǎn)盤將工具面扭到預(yù)定的定向方位上。 30  

19、           定向鍵法是如何使測量儀器中羅盤的” 發(fā)線”與造斜工具的工具面對準(zhǔn)？答：在測量儀器的羅盤面上有一個“發(fā)線”，在測量儀器的最下面有一個“定向鞋”，定向鞋上有一個“定向槽”，在儀器安裝時使“發(fā)線”與“定向槽”在同一個母線上對齊。當(dāng)儀器下到井底時，定向鞋的特殊曲線將使定向槽自動卡在定向鍵上，從而使羅盤面上的發(fā)線方位能表示造斜工具的工具面方位。 31          

20、60;  無磁鉆鋌在定向中的作用是什么？什么情況下需要使用無磁鉆鋌？答：使用無磁鉆鋌是為了消除鉆鋌磁性對磁性測斜儀的影響。在安裝磁性測量裝置的位置，應(yīng)使用無磁鉆鋌。 32             水平井分類的依據(jù)是什么?為什么要分類？答：水平井的分類是根據(jù)從垂直井段向水平井段轉(zhuǎn)彎時的轉(zhuǎn)彎半徑（曲率半徑）的大小進(jìn)行的。因為各類水平井的曲率半徑不同，鉆井所用的設(shè)備、工具和方法不同，固井、完井方法也不一樣。 33   &#

21、160;         水平井的難度主要表現(xiàn)在哪些方面？引起這些難度的原因是什么?答：（1）水平井的軌跡控制要求高，難度大。要求高，是指軌跡控制的目標(biāo)區(qū)要求高。水平井的目標(biāo)區(qū)是一個扁平的立方體，不僅要求井眼準(zhǔn)確進(jìn)入窗口，而且要求井眼的方位與靶區(qū)軸線一致，俗稱“矢量中靶”。難度大，是指在軌跡控制過程中存在“兩個不確定性因素”。一是目標(biāo)垂深的不確定性；二是造斜工具的造斜率的不確定性。這兩個不確性的存在，對直井和普通定向井來說，不會有很大的影響，但對水平井來說，則可能導(dǎo)致脫靶。（2）管柱受力復(fù)雜。由于井眼的井斜角大，井

22、眼曲率大，管柱在井內(nèi)運動將受到巨大的摩阻，致使起下鉆困難，下套管困難，給鉆頭加壓困難；在大斜度和水平井段需要使用“倒裝鉆具”，下部的鉆桿將受軸向壓力，壓力過大將出現(xiàn)失穩(wěn)彎曲，彎曲之后摩阻更大；摩阻力、摩扭矩和彎曲應(yīng)力將顯著增大，使鉆柱的受力分析、強(qiáng)度設(shè)計和強(qiáng)度校核比直井和普通定向井更為復(fù)雜；由于彎曲應(yīng)力很大，在鉆柱旋轉(zhuǎn)條件下應(yīng)力交變,將加劇鉆柱的疲勞破壞。（3）鉆井液密度選擇范圍變小，容易出現(xiàn)井漏和井塌。地層的破裂壓力和坍塌壓力隨井斜角和井斜方位角而變化；在水平井段，地層破裂壓力不變，而隨著水平井段的增長，井內(nèi)鉆井液液柱的激動壓力和抽吸壓力將增大，也將導(dǎo)致井漏和井塌。（4）巖屑攜帶困難。由于井

23、眼傾斜，巖屑在上返過程中將沉向井壁的下側(cè)，堆積起來，形成“巖屑床”。特別是在井斜角45°60°的井段，已形成的“巖屑床”會沿井壁下側(cè)向下滑，形成嚴(yán)重的堆積，從而堵塞井眼。（5）井下纜線作業(yè)困難。在大斜度和水平井段，測井儀器不可能依靠自重滑到井底。 （6）保證固井質(zhì)量的難度大。一方面由于大斜度和水平井段的套管在自重下貼在下井壁，居中困難；另一方面鉆井液在凝固過程中析出的自由水將集中在井眼上側(cè)，從而形成一條沿井眼上側(cè)的“水槽”，大大影響固井質(zhì)量。（7）完井方法選擇和完井工藝難度大。水平井井眼曲率較大時，套管將難以下入，無法使用射孔完井法，將不得不采用裸眼完井或篩管完井法等。這將

24、使完井方法不能很好地與地層特性相適應(yīng)，將給采油工藝帶來難度。 34             井斜方位角與象限角的換算：（1）將下列方位角用象限角表示：50 ，90 ，175 ，200 ，315 ，0 ；（2）將下列象限角用方位角表示：S13.5 E，S70 W，N50 E，N33 W。答： 35             試用兩種井眼曲率公

25、式分別計算表中所列三個測斜的井眼曲率。測   段段長/m井斜角 井斜角 方位角 方位角 曲率（方法1）   曲率（方法）   答： 36             求下列各測段的井斜方位角增量 和平均井斜方位角 。測  段12343001853451025355230        答： 3

26、7             請分別用平均角法和校正平均角法完成下表數(shù)據(jù)的測斜計算。已知設(shè)計方位角 。L/mN/mE/mD/mV/mDLS/ /30m1524.246.111.06     1532.2417.340.89     1542.8919.00358.2     1551.9420.120.99  

27、   答： 38             驗算表5-1中某些測段及測點的計算結(jié)果。答： 39             鐘擺鉆具組合扶正器最優(yōu)距離的計算。已知條件為： mm， , mm（內(nèi)徑75mm）,E=20.594 Pa， =1.33kg/L，設(shè)計允許最大井斜角3 ，鉆壓P=120kN。試求該組合的中扶正器

28、距離鉆頭的最優(yōu)距離。40             某定向井設(shè)計目標(biāo)點垂深800m，水平位移為200m，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)。節(jié)  點井斜角垂深水平位移井深O    K        t     41 

29、            某井?dāng)M設(shè)計為雙增軌道，設(shè)計條件如下：造斜點垂深 ，完鉆點垂深 ，完鉆點位移 ，目標(biāo)段長 ，第一造斜率 ，第二造斜率 。試設(shè)計該軌道，并按表列項目計算有關(guān)未知參數(shù)。節(jié)  點井斜角垂深水平位移井深O    K                 

30、0;  42             某井?dāng)M設(shè)計為多靶三段式軌道，已知設(shè)計條件為造斜點垂深 ，目標(biāo)點垂深 ，目標(biāo)段井斜角 ，目標(biāo)段長 ，給定造斜率 。試設(shè)計該軌道，并按表列項目計算有關(guān)未知參數(shù)。節(jié)  點井斜角垂深水平位移井深O    K              

31、60;  43             某井鉆至2000m深處，井斜方位角102 。根據(jù)軌跡控制要求，希望鉆進(jìn)100m使井斜角達(dá)到33 ，井斜方位角達(dá)到70 。求造斜工具的裝置角和造斜率。44             某井方位控制計算：已知目前井底井斜角22.5 ，井斜方位角205 ，造斜工具的造斜率為4.5 /30m，裝置角定為95 ，

32、求鉆進(jìn)120m以后的井斜角和井斜方位角值。45             定向井方位與方向的區(qū)別何在？井斜方位角有那兩種表示方法？二者之間如何換算？答：“方向”與“方位”是有區(qū)別的。方位線是水平面上的矢量，而方向線則是空間的矢量。只要講到方位、方位線、方位角，都是在某個水平面上；而方向和方向線則是在三維空間內(nèi)（當(dāng)然也可能在水平面上）。井眼方向線是指井眼軸線上某一點處井眼前進(jìn)的方向線。該點的井眼方位線則指該點井眼方向線在水平面上的投影。目前廣泛使用的磁性測斜儀是以地球磁北方位為基

33、準(zhǔn)的。磁北方位與正北方位并不重合而是有個夾角，稱為磁偏角。磁偏角又分為東磁偏角和西磁偏角。東磁偏角指磁北方位線在正北方位線的東面，西磁偏角指磁北方位線在正北方位線的西面。用磁性測斜儀測得的井斜方位角稱為磁方位角，并不是真方位角，需要經(jīng)過換算求得真方位角。這種換算稱為磁偏角校正。換算的方法如下：真方位角磁方位角東磁偏角真方位角磁方位角西磁偏角 46             已知某井第一測點測深650m，井斜角7°，方位角110°；第二測點測深680

34、m，井斜角11°，方位角130°。用平均角法計算兩測點間的垂深增量(單位：m)、北坐標(biāo)增量(單位：m)和東坐標(biāo)增量(單位：m);并計算出兩測點間的井眼曲率(單位：°/100m)。答：垂深增量= Lcos =30cos(9)=29.63m北坐標(biāo)增量= Lsin cos = 30sin(9)cos(120)= 2.346m東坐標(biāo)增量= Lsin sin =30sin(9)sin(120) =4.063m井眼曲率：        =16.9  °/100m 47 

35、0;           分析造成井斜的原因，簡述控制井斜的基本方法和原理。答：08造成井斜的原因主要有：（1）地質(zhì)因素a. 地層可鉆性的各向異性，即地層可鉆性在不同方向上的不均勻性。b. 地層可鉆性的縱向變化。C. 地層可鉆性的橫向變化。（2）鉆具原因下部鉆具的傾斜和彎曲，引起鉆頭傾斜，在井底形成不對稱切削；或使鉆頭受到側(cè)向力的作用，迫使鉆頭進(jìn)行側(cè)向切削。（3）井眼擴(kuò)大井眼擴(kuò)大,鉆頭可在井眼內(nèi)左右移動，靠向一側(cè)，也可使受壓彎曲的鉆柱撓度加大，于是鉆頭軸線與井眼軸線不重合，導(dǎo)致井斜?？刂凭钡幕痉椒ㄓ校海?）滿眼鉆具組合控制井斜如果鉆具直徑與鉆頭直徑完全相等，上述三個井斜原因就都會被克服。（2）鐘擺鉆具組合