《钻井5-井眼轨道设计与控制》

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目标点和误差椭球 o
实钻井眼
设计井眼 目标点 油层 靶心距
误差椭球
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直井和定向井的靶区和控制圆锥
井口
控制圆锥
靶区半径 油层 靶区
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二、各参数之间的数学关系
(一)基本参数 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)坐标参数 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)挠曲参数 描述井眼轨道的 弯曲和扭转程度。 主要 有曲率和挠率。
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θ
２、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)。
第五章 井眼轨道设计与控制
Chapter 5 . Design and Control of Well Path
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
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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
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井眼轨道的类型
２.三维井眼轨道 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。
井斜方位角的另一种表示方式---象限角： 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。
西磁偏角
东磁偏角
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。
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
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二．轨迹的计算参数
由基本参数计算得到的参数。
N(i)
o
E(j)
ro Dm n A b α t
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ro Ni Ej Dk
D(k)
(一)“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)。
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（三）、井眼轨道设计中有关因素的选择
1.造斜点的选择 (1)造斜点应选择在比较稳定的地层,避免在岩石破碎带、漏 失地层、流砂层或容易坍塌等复杂地层定向造斜。 (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 构、加快钻速。 (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。
油层
直井
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水平井钻井的目的（二）
解决水锥问题
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一井双探
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水平井技术适合于薄层的开采
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）
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薄油层开发
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
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薄油层开发
井眼轨迹在油层最佳位置穿行难
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3、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 。
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垂直投影图与水平投影图
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垂直剖面图与水平投影图
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一、 基本概念 (三)井身剖面及精度控制
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（ Ｄ ｋｏｐ ）: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
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(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:
Kc=30γ /Δ Dm
“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)。
狗腿角的计算：
Lubinski公式：
cosγ=cosαA·cosαB+sinαA·sinαB·cos(φB-φA)
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井眼轨道设计中有关因素的选择
２.最大井斜角 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.井眼曲率 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。
水平井分为：
长曲率半径水平井 （造斜率小于6°/30 ｍ）； 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) 。
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水平井钻井的目的（一）

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。
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丛式井垂直剖面图
丛 式 井 垂 直 剖 面 图
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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。
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（3）水平井(Horizontal well)
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。
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（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。
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(四)坐标参数与基本参数的关系
N (l ) sin cos d l
0 l
l
E (l ) sin sin d l
0
D(l ) cos d l
0
L-----为井口到计算点的曲线长度
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l
三、油气井分类 (按井眼轨道) （1）直井 （Vertical well） 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(Directional well) 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。
层薄，地层倾角变化，有时上翘或下倾
精确控制几千米远的钻头走向难度大
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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
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（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 在铅垂平面上变化的井眼轨道。 三维井眼轨道是指在设计的井眼轴线上,既有井斜 角变化,又有方位角变化的井眼轨道。 １.二维井眼轨道 二维井眼轨道组成 垂直井段、 增斜井段、 稳斜井段 降斜井段
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（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。
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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° 范围内的定向井。 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。
造斜点 造斜段
amax
稳斜段 增斜段 水平段
降斜段
直井段
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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（ ｒ ｔ ）:包含目标点在内的一个区域称