钻井讲义2.ppt

三、 轨迹测量及计算
1.测斜方法及测斜仪简介
1).测量内容
井深Dm、井斜角α 、方位角φ
2).测斜仪分类
照像测斜仪多 单点 点测 测斜 斜仪 仪
磁性测斜仪电子测斜仪多 单点 点工 工作 作方 方式 式
随钻测斜仪无 有线 线随 随钻 钻
单点陀螺
陀螺测斜仪电 多子 点陀 陀螺 螺
3).测斜仪结构
地面记录陀螺
造斜点
稳斜井段
垂
α-井斜角
深α
实际井筒轨迹
计划井筒轨迹
靶区
水平位移
N 北
β
井口
•什么是定向井？
定向井水平投影图
β-方位角
实际轨迹
靶点
设计轨迹
E东
定向井水平投影
条件的限制
•建筑物 •河流 •海洋 •地下油藏要求
•为什么要钻定向井？
二、 井眼轨迹的基本概念
1.轨迹的基本参数
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）
φi-φi-1>180°时， Δφi=φi-φi-1-360° φc=(φi+φi-1)/2-180°
φi-φi-1<-180°时，Δφi=φi-φi-1+360° φc=(φi+φi-1)/2+180°
b
a
3、轨迹计算方法
1.测点坐标值计算公式
Di Di1 Di
LPi LPi1 LPi
跟踪控制
☆ 从造斜结束，到钻完全井，都属跟踪控制阶段。 ☆ 一般用转盘钻+扶正器组合进行增、稳、降钻进。 ☆ 当井斜偏差较大时，用动力钻具强力增斜或降斜。 ☆ 当出现方位偏差时，用动力钻具扭方位。
一）．扭方位 1、装置角的概念
OA 线 称 为 高 边 方 向 线 。 Ｃ点是钻头中心，OC线称为 装置方向线。
轨道
井
二维井眼轨道由垂直井段、增斜井段、稳斜
眼
井段和降斜井段组合而成。
轨
非常规二维定向井：除了直线和园弧曲线外，
道
还有某种特殊曲线，如悬链线，二次抛物线等。
的
在设计井眼轴线上，既有井斜
类 三维 角变化又有方位角变化的井眼轨道。 型 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。
2.常规二维定向井轨道有四种类型：
装置方位角：装置角与井斜方位角之和。以φω表示。
Φω=φ1+ω 。 – ω 、φω是装置角的两种不同表示形式，ω称为高边模式
工具面角；φω称为正北（磁北）模式工具面角。 – ω是井底平面（斜面）上的角度，不易测量； – φω为井口水平面上的角度，可以测量，用于定向。 – ω 、φω在0°～360°内变化，顺时针为“+”，逆时针
三段式，多靶三段式，五段式和双增式。
五、 井身轨迹控制
1.定向井造斜工具
造斜：由垂直井段开始钻出具有一定方位的斜井段
的工 艺过程。
造斜点：开始造斜时的深度。垂直井段开始倾斜的
起点。
造斜工具：井底动力钻具造斜工具；
钻盘钻造斜工具。
混合钻进造斜工具 —— 导向式马达
动力钻具造斜工具的种类
(1)弯接头(斜接头) 影响弯接头造斜率的因素：
井斜方位角的变化范围：0～360° 。
(3) 井斜方位角φ： 井斜方位角的另一种表示方式： 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。 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
最小曲率法
假设测段为空 间斜平面圆弧 ，圆弧在两端 处与上、下测 点方向相切。
2.测段坐标增量的计算
平均角法
假设:测段是一条直线，该直线的方向 是上下二测点处井眼方向的“和方向（矢量和）。
测段计算公式： αc =（αi-1+αi）/2 φc =（φi-1+φi）/2 ΔD = ΔDm·cosαc ΔLp = ΔDm·sinαc ΔN = ΔDm·sinαc·cosφc ΔE = ΔDm·sinαc·sinφc
（2）井斜方位角的测量 摆锤所在铅垂线与仪器轴线（井眼方向线）构
成井斜铅垂面，该井斜铅垂面与水平面的交线就 是井斜方位线，即摆锤在罗盘面上的投影与罗盘 中心的连线。
（3）井斜角和方位角的记录
底片成像，地面读取。
测斜底片图
2、对测斜计算数据的规定
1．测点编号：测斜自下而上，测点编号则自上而下。第一个井斜 角不等于零的测点作为第1测点。
四、 定向井井眼轨道
常规定向井：b = 15°～ 60° 大斜度井： b = 60°～ 85° b：最大稳斜角。 水平井： b = 90° 上翘井： b = 90°～ 120° 大位移井： 水平位移与垂深之比大于2.0。
1．定向井轨道分类
二维 井眼
常规二维定向井：
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。
的投影。
原点：井口
原点：井口
纵坐标：
横坐标：
坐标轴：
视D平移 V
α’
N
θ
φ
S
缺点：垂直投影图不能真实地反映井深L
LP
和井斜角α等轨迹参数。
E
V
目标点 设计 方位线
3. 柱面展开图示法（二图法）
垂直剖面图 + 水平投影图
过轨迹上的每一 点作铅垂线，所有 铅垂线便构成一个 曲面，称为柱面。 将此柱面展开就形
• 弯角越大，造斜率越大；一般为 0.5°～2.5°。
（2）弯外壳马达（原理与弯接头类似） （3）偏心垫块
杠杆原理，垫块作为支点。
螺杆钻具的结构与特性
结构：定子（外壳内部浇铸橡胶）、转 子（主轴）、万向轴。
工作原理：钻井液流过由定子与转子相 互啮合形成的螺旋形空腔时，迫使转 子转动，产生扭矩。
特性： (1) 转速较慢（100~300 rpm ），扭矩
井口(通常以转盘面为基准)至测点的井眼长度。 以字母L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ΔL表示。
(2) 井斜角(α)： 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。 井斜角增量( Δα )：
Ni Ni1 Ni
Ei Ei1 Ei
0
Si
Ni2
E
2 i
i tan1(Ei / Ni（) Ni 0)
i 180 tan1(Ei / Ni（) Ni 0)
Vi Si cos(0 i ) i 1，2，...，n
N
0 Vi i
目标点方位线
(Ni，Ei)
E
2.测段坐标增量的计算
计算测点坐标的关键：计算测段坐标增量（△D、△L、△N、△E）
–可以反映出真实的井身参数，如：井深、井斜角、 垂深；
–作图简便。
1.三维坐标法
坐标系：0-D-N-E
借助辅助面，能形象 直观地反映出井眼的形状 和走向。但不能反映出真 实的井身参数，且作图难 度大。
2. 投影图示法
垂直投影图 + 水平投影图
V
轨迹在过井口和
轨迹在水平面
目标点的铅垂面上 上的投影。
成垂直剖面图。
原 点：井口 纵坐标：垂深 D 横坐标：平长 LP
优点 （1）容易想象轨迹形状 （2）能真实反映井身参数 （3）作图简便
Lp
D
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φ、 平移方位角θ、闭合方位角。 2．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 。
a
E坐标
Sa
L pa a’
N
t
－N
a
a
E
Va
Scos(a
t
)
3.狗腿角与井眼曲率
A
Dma
a
a
K
ΔDm
N
a’
－N
a
E
4 井眼轨迹的图示法
对一条空间曲线可以有不同的表示方法。 • 三维坐标法： • 柱面图示法：垂直剖面图（柱面展开图）+水平投影图
柱面：设想经过井眼轨迹上每一个点作一条铅垂线， 所有这些铅垂线构成的曲面称为柱面。将柱面展平， 就形成了垂直剖面图。
例，可获得两种造斜率之间的 任何一种造斜率。
◆ 用 途：
全角调整式导向工具，既可用于定向造斜，又可用
于轨迹调整。
2、定向井轨迹控制
轨迹控制
打 直 段：转盘钻+防斜钻具组合
定向造斜
概念：从垂直井段的造斜点处开始，使井眼沿一 定的方位偏斜的工作。
方法：先用动力钻具造斜工具沿一定方位钻出 8~10°的斜井段，然后用“转盘钻+扶正器 组合”继续增斜至要求的井斜角。
一、井的分类
直井
普通定向井
水平探井
丛式井（组） 阶梯水平井
井
定向井
多目标井 开窗侧钻井
三维多目标水平井 开窗侧钻水平井
斜井
水平井 分支井
连通水平井 超薄油层水平井
特殊工艺井 大位移井
深层水平井
（救援）
短半径水平井
大位移水平井
直井 定向井
水平井 大位移井 开窗侧钻井
石油钻井的分类
•什么是定向井？
定向井垂直投影图
– 早期造斜工具。
–现在仅用于套管内开窗 侧钻，或不适宜用动力 钻具的井内。
弯外壳马达
滑动导向工具
◆ 结构：弯外壳螺杆钻具 + 欠尺寸稳定器 + MWD 直外壳动力钻具 + 遥控弯接头 + MWD
◆ 工作原理： （1）滑动钻进——定向造斜 （2）旋转钻进——稳斜 （3）复合钻进——改变滑动和旋转钻进的相对比
2．轨迹的计算参数
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）。 (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。 我国将完钻时的水平位移称为闭合距。
较大； (2)转速ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ扭矩随流量的增大而增大；
(3) 扭 矩 与 压 力 降 成 正 比 。 可 根 据 泵 压 大小了解钻头扭矩和钻压。可以看着 泵压表打钻。根据泵压表上的压力降
还可以换算出钻头上的扭矩，从而可 以较为准确地求得反扭角。
2）转盘钻造斜工具
变向器、射流钻头、 扶正器组合。
变向器 结构及原理如图。
计算测段坐标增量的关键：确定测段的几何形状 如何确定测段的几何形状？
国内外测段计算方法
正切法
假设测段为 直线，其方 向与下测点 方向一致。
平衡正切法
假设测段为两 段等长度的折 线，其方向分 别与上、下测 点方向一致。
平均角法
假设测段为直 线，其方向为 上、下测点方 向的“和方向” 。
圆柱螺线法
假设测段为圆 柱螺线，螺线 在两端点处与 上、下两测点 方向相切。
(4) 平移方位角θ ：
平移方位线所在的方位角。
(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。
A
Dma
a
a
N
a’
a
E
计算参数：
A
垂深D 平长Lp
D D a ma
平移S 平移方位角θ
a
视平移V N坐标
以高边方向线为始边， 顺时针旋转到装置方向线上 所转过的角度，称为造斜工
具的装置角。用ω表示。
工具面：造斜工具作用方向线与钻柱轴线构成的平面（弯接头
的两条交叉轴线所在的平面）。装置角也称为工具面角。
高边方向线：在井底平面上自井眼低边指向井眼高边的方向线。
井斜铅垂面：过井斜方位线（高边方向线）的铅垂面。
扶正 密封 电源 钟机 相机 测角装置
减震
4). 磁性照相测斜仪的工作原理
组成：井斜刻度盘、罗盘、十字摆锤、照 明和照相系统。罗盘的N极始终指地磁北极。
（1）井斜角的测量
当测斜仪随井眼倾斜时，仪器轴线即为测点切线， 而十字摆锤始终指向重力线方向，重力线与仪器轴 线的夹角即为井斜角。由摆锤在井斜刻度盘底片上 的位置读取。
2．测段编号：自上而下编号。第i-1 测点与第•i 测点之间所夹的测 段为第i测段。
3．第０测点：第１测点的井深大于25m 时，第０测点的井深比第１ 测点的井深小25m，且井斜角规定为零。第１测点的井深小于或等于25m 时，规定第０测点的井深和井斜角均为零。
4．若αi= 0，对第i测段取：φi=φi-1；对第i+1测段取：φi=φi+1 。 5．在一个测段内，井斜方位角变化的绝对值不得超过180°。
下测点井斜角与上测点 井斜角之差。
Δα＝αB－αA
(3) 井斜方位角φ （井眼方位角、方位角）：
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