水平定向钻井轨迹设计
定向井钻井轨迹设计与控制技术分析
21我国的油气资源在不断的勘探开发过程中，生产开采条件日益恶化，在这种情况下断层遮挡、复杂地层油田区块的勘探开发受到了高度重视，在针对上述油田区在进行开发的过程中定向井钻井技术得到了广泛应用，使得油田开采效率得到全面提升，钻井成本也得到有效控制。
一、定向井直井段轨迹控制技术分析在定向井钻井施工过程中井眼轨迹剖面设计是非常关键的一个环节，只有针对井眼轨迹进行不断完善优化才能充分保障井眼轨迹设计的科学性和合理性，从而实现定向井钻井施工目标。
具体针对定向井井眼轨迹剖面进行优化设计的时候必须要坚持以下一些原则。
优化设计要以实现定向井钻井地质目标为基本出发点，在定向井钻井施工过程中涉及到了穿越多个油层提升勘探效果、避开断层开采剩余油储层、实现在目的层中大范围延伸井眼轨迹增加油藏裸露面积等一些地质目标[1]，与此同时，在钻井施工过程中一旦发生安全事故会对油井正常开采产生严重影响，充分利用定向井钻井技术可以针对目的性进行侧钻来达到勘探开发目标，而如果在实际开发过程中由于地面存在障碍物而导致正常钻井施工无法正常进行，也可以充分利用定向井来实现勘探开采，为了能够最大程度节约钻井施工成本，可以充分利用丛式定向井钻井平台进行钻井施工，这样就能够最大程度减小平台占地面积；在进行造斜点设计的过程中要保证其尽量避开容易出现坍塌、缩径、漏失等事故的地层，而且要将井斜角严格的控制在15~45°之间，如果井斜角设置过大会进一步增加钻井施工难度，甚至会引发钻井安全事故，而如果井斜角设置过小，又会导致在实际断裂使用过程中钻井方位出现不稳定现象。
2.定向井钻井轨道设计在当前在油田钻井施工过程中定向井可以按照施工目的以及具体用途的不同进一步划分为常规定向井、丛式井以及大位移井等几种类型，通常情况下常规定向井水平位移不会超过1km，而且垂直深度处在3km以内；丛式井在实际应用过程中能够最大程度减小井场面积；大位移井通常情况下采取的都是悬链曲线轨道，井眼轨迹在设计过程中主要采取的是高稳斜看一下角和低造斜率。
02 定向井井眼轨迹设计解析
二、井眼曲率及其计算方法
O Δα A B αA
对方位不变的情况 垂直平面上某井段的曲率
R
Δl
KH
l
即只有井斜沿轴线的 变化。也叫井斜变化 率。
α
B
K H K
二、井眼曲率及其计算方法
1.定义
水平投影上的方位变化
Δl
N
O
(叫水平投影曲率） 不等于该段井眼的实际方位变化率， 因该段的水平投影长度一般不等于空 间实际长度。（K为空间实际井眼的 方位变化率）
KA
S
ΔS
KA
K sin
二、井眼曲率及其计算方法
2. 空间曲线法求井眼曲率
依据：
根据微分几何原理，一条空间曲 L dN dE
dH
线的曲率K有公式
d 2H 2 d 2N 2 d 2E 2 K ( 2 ) ( 2 ) ( 2 ) dl dl dl
二、井眼曲率及其计算方法
H
井眼能增加的井斜值
B C D O A
增斜率： 降斜率：
单位长度井眼增加的 井斜值 单位长度井眼降低的 井斜值
E
三、定向井井身剖面设计
（一）名词解释
造斜段（增斜段）： 降斜段： 稳斜段： 靶点：
增加井斜的井段
B C D O A
降低井斜的井段 控制井斜不变的井段 设计规定的，必须钻达的地
层位置，也称目标点
以 c ( c
1 2
2
)
代替，( 1、2)分别为上下测点井斜角
可得井眼曲率
K
2 sin c l l
2
2
二、井眼曲率及其计算方法
水平定向井轨迹设计元初版解析
煤矿井下水平定向钻孔轨迹设计摘要：钻孔轨迹设计是指导定向钻孔关键因素。
本文根据定向钻孔的设计原则，如何利用仅有的地质资料，选取计算模型，设计合理钻孔参数，并在实钻过程中优化设计参数，使实钻轨迹精确控制至靶点。
关键词：钻孔主设计方位角；磁偏角；钻孔轨迹Design of Horizontal Directional Drilling Trajectory in Underground Coalmine/LI qiao-qiao，ZHANG jie,，ZHANG yu-bi(Xi’an Branch of china coal technology & Engineering Group Corp,XI’an shanxi ,710077,China)Abstract: Drilling trajectory design is the key factor in guiding directional drilling. According to the design principles of directional drilling, how to use the only geological data, select model, designed drilling parameters, and in the actual drilling process to optimize the design parameters, the actual drilling trajectory to the target for precise control.Key word: Azimuth of the main design of drilling；Magnetic declination；Borehole trajectory 为了满足煤矿接续安全生产需要，越来越多的大型煤矿重视施工近水平定向钻孔，实现对工作面瓦斯进行区域抽采。
水平定向钻进导向轨迹设计算法讨论
4 $" , $9 ' 式中+ 为设计水平段深度 9 , 为该点的深度' 4为
该点倾角&
# $出土圆弧段+ $ # # , A 9 : B = 5 65!$ 7 4 $L !$ , $ 9 67 #69 ; : !)# 4$ 式中+ 5!为水平直线段终点 5 坐标' 9 为设计水平 段深度' 7 5 为与入土点 !为出土圆弧段曲率半径 '
q H 1 1
2 A 点 q 1
的水平距离' , 为该点的深度' 4 为该点倾角 & 入土直线段+ # $ (
' 5 $ :! , $ 9% $ : )C L = ) ) %+ % ' 5 $ :! , $ 9$ $ : )C L = ) ) $+ $ ' 5 $ :! , $ 9( $ : )C L = ) ) (+ ( ' 5 $ :! , $ 9) $ : )C L = ) ) )+ ) ' 5 $ :! , $ 9+ $ : )C L = ) ) ++ +
式中+ 5# 为入土直线段终点 5 坐标' ,# 为入土直线 段终点, 坐标' 7 5 为与 # 为入土圆弧段曲率半径 '
! " # % " + ! ! 收稿日期+ + # ! 作者简介 刘杰 中国地质大学# 武汉$ 工程地质硕士! 现工作于无锡市钻通工程机械有限公司! 从事非开挖水平 # & * ! .$ + ! 定向钻工作已有 ( 年! 具有丰富的现场经验和理论基础! 江苏省无锡市胡埭工业园区北区刘塘路 # 号! H I J # ( ! # & ( " * % % " + K @ 3 L B J # " % " & ( & * D 9 ; 3& " U U
定向井钻井轨迹设计与控制技术
定向井钻井轨迹设计与控制技术近年来，中国发展迅速，石油在经济快速发展中的重要作用已经显现。
石油不仅可以提炼汽油和柴油，维持汽车和机器的运转，还可以将天然气作为人们生活和工业的重要燃料。
因此，石油勘探开发逐渐增多，石油钻井技术也得到很大发展。
19世纪中后期，石油钻井中定向井钻井技术的首次正式应用。
在工程建设过程中，井眼轨迹控制技术可视为定向井钻井的关键技术。
直井、斜井和稳定斜井段的井眼轨迹控制技术也不同。
总的来说，随着井眼轨迹控制技术的不断改进和完善，定向井轨迹控制水平有了很大的提高。
定向井；轨迹；控制技术引言在油气开采中，定向钻井技术是一种应用广泛的技术，其开采效率和施工质量直接影响油气开采的整体质量。
它在提高天然气和石油开采效率方面发挥着重要作用。
由于使用的地形复杂多变，决定了定向井建设项目对轨道设计和控制的要求更加严格。
影响整个施工过程的最重要因素是轨迹控制的准确性，轨迹设计和轨迹控制对钻井的整体质量起着至关重要的作用。
在石油钻井工程中，在整个定向井施工过程中，轨迹控制技术对整个工程的整体质量具有重要的现实意义。
1 定向井轨迹设计1.1 设计原则第一，实现地质目标是建设的原则。
定向钻井时，钻井的主要目的是使钻井穿过地层中的多个油层，防止井下复杂，地层易坍塌、易漏，或提取井间难以到达的死油气，或钻应急救援井，或在平台上钻定向井，节省占用空间，达到后期管理的目的。
无论哪种定向井，井眼轨迹设计都要首先考虑地质设计。
对于地质设计，如果不能满足设计要求，就无法设计出完美的钻孔轨迹。
第二，是达到安全、优质、高效钻井的目的。
在定向井轨道的设计中，地质目标有望实现。
因此，要实现这一地质目标，需要各种轨道形式。
选择最有利于现场施工难度、最小摩擦力矩和井眼轨迹控制的轨道形式，才能实现安全、优质、高效的定向钻进。
因此，在设计定向井轨迹和确定偏移点时，需要选择地层稳定、易偏移的层位。
第三，满足后期生产的要求。
第三个原则对于满足后期采油的要求至关重要，尽管这两个原则在定向井轨道设计中更为重要。
水平定向钻井轨迹设计
2. 以煤层气钻井工程为例，进行水平定向钻井轨迹设计或者欠平衡钻井工艺技术设计。
本文选择以煤层气钻井工程为例，进行水平定向钻井轨迹设计。
煤层气，又称煤层甲烷，俗称瓦斯，人们对它爱恨交加。
爱的是它是一种清洁能源，有很大的利用价值；恨的是它是矿难的原因之一。
因此，安全有效地采集煤层气可谓是一举两得的好事。
近些年，部分国家开始用定向钻井技术开采煤层气，取得了良好效果。
定向钻井，简单说就是让向地下竖着打的井拐个弯，再顺着煤层的方向横着打井。
定向钻井采集煤层气的原理同传统方法一样，即通过抽水减压，逼出煤层气，再进行采集。
但两者的区别在于，传统方法只用竖井穿到煤层采集，而横向井顺着煤层的走势大大增加了采气的面积，因而提高了效率。
定向钻井通常在石油和天然气开发中使用较多，但近些年煤炭行业也越来越多地将这项技术用于矿山开采前的瓦斯抽放、排水、矿井探查等方面。
在煤炭领域使用这一技术的主要有美国、澳大利亚、欧洲、南非等国家和地区，而利用这一技术采集、利用煤层气的国家以美国和澳大利亚等国为主。
澳大利亚目前有17个煤矿用定向钻井技术排放井内瓦斯，以确保安全生产。
而悉尼的一家公司在2000年成功地利用这一技术在地下600米深处开出了一口商业用煤层气井。
美国的一些煤矿企业为了矿井安全和开采煤层气也热衷采用定向钻井技术。
在2000年，美国10％的煤层气井都采用了这项技术。
由于这项技术的逐步开发，部分美国和澳大利亚企业的煤层气产量都得到了提高。
资料显示，定向钻井的纵向深度一般在600～1200米，横向煤层钻井长度可达到400米。
据美国某钻探公司的个例统计，采用横井采气比传统的单一竖井采气的初期产量可高出10倍，气井的生产寿命也会增加。
根据对某些项目的估算，运用定向钻井法商业采集煤层气的内部回报率为15～18％，明显高于传统竖井采集法约3％的内部回报率。
1 定向水平井的井身类型井身结构设计原则有许多条，其中最重要的一条是满足保护储层实现近平衡压力钻井的需要，因为我国大部分油气田均属于多压力层系地层，特别是韩城地区，构造复杂，经过大范围地层沉降，上覆地层压力较大，只有将储层上部的不同孔隙压力或破裂压力地层用套管封隔，才有可能采用近平衡压力钻进储层。
非开挖水平定向钻导向轨迹设计
非开挖水平定向钻导向轨迹设计非开挖水平定向钻导向轨迹设计随着非开挖水平定向钻技术的应用越来越广，对于定向钻施工过程中遇到的难题越来越多。
目前市场上所用的小型钻机，其导向孔施工过程中大多是采用无线定位技术，本文就无线定位技术穿越施工时导向孔轨迹设计方法作一简单的介绍。
标签水平定向钻；导向；轨迹设计1 非开挖定向钻轨迹设计与原理非开挖铺管的关键技术在于导向钻孔轨迹的精确控制，确保避开原有地下管线及障碍物，按设计路线准确、顺利地铺管。
它的基本步骤是：采用先进的导向探测仪对地下钻头的前后倾角、深度、导向板面向角等进行测量，根据测量结果人为预定其导进方向，并不断地调整钻头面角进行推进或继续钻进。
其中，“人为预定”是凭操作经验来进行的，依靠操作者判断和调整前进方向，这就使导向精度和速度降低。
一旦发现当前钻出的孔段轨迹与理想轨迹有差异时，退回重新校，由于在先期的钻进过程中，旧孔轨迹周围环境在高压泥浆液的强力冲刷下已变得松散，再想靠导向板的推进来改变方向校正出新轨迹孔就较为困难了，往往要退回很大的量才能校正过来，并且回程量也只有靠经验来控制。
因此，在导向钻进时总是希望能够预先知道按操作控制所能得到的地下轨迹，最好是在设计好钻进轨迹时就有一套操作控制程序。
对此，进行非开挖导向钻进轨迹的研究是非常必要的。
1.1 几何关系的建立在导向钻进过程中，钻头以回转钻进和只推进两种方式运动。
回转钻进时，其方向不发生变化，轨迹线为直线；推进时，其方向会按一定的规律变化，轨迹力地下空间曲线。
这样整个钻孔轨迹由若干段直线和弧线组成。
1.2 钻孔轨迹的控制设计导向钻进的轨迹设计一般要考虑三方面的要求。
1.2.1 铺设管线的深度和水平距离；1.2.2 避开的地下管线和石块等障碍物；1.2.3 钻进角度或出钻角度的弧度变化控制。
例如说，在横穿马路钻进施工中常见到这样的情况：钻机置于马路边缘一定距离外，钻机以一定的钻进角度开孔，向下偏导向钻进，希望经过一定长度的弧形轨迹，达到铺管设计深度时钻头的方向恰好调整到水平方向，再保持水平方向旋转钻进，保正钻孔准确地从地下原有两根管道之间的间隙中穿越。
02 定向井井眼轨迹设计
j
m
m 2arctg H0
H
2 0
2 R0 S 0
S02
2R0 S0
R0 R1 R2
L H0 He Hv R2 sine
f S0 St Se R2 (1 cose )
d h O2
e
So
Se
三、定向井井身剖面设计
讨论：
当
H
2 0
S02
2S0 R0
①多增降率剖面
②缓降稳剖面
解决大段稳斜稳不住而提出
③双增稳剖面
为了减少摩阻和解决大段稳
斜稳不住而提出
④ 悬线剖面
⑤ 抛物线剖面
三、定向井井身剖面设计
（3）三维定向井剖面
O 三维定向井剖面指在设计的
井身剖面上既有井斜角的变化又 有方位角的变化。
常用于在地面井口位置与设 计目标点之间的铅垂平面内，存 在井眼难以通过的障碍物（如： 已钻的井眼、盐丘等），设计井 需要绕过障碍钻达目标点。
水平位移、段长； （6）校核曲率,并作图(标注控制圆柱--误差范围)。
关键步骤为2与3、4步。
设计方法有：查图法、作图法、解析法。国内目前均用解 析法。
三、定向井井身剖面设计
2、五段制（S型）剖面设计推O 导
已知：
造斜点井深
总垂深、总水平位移 增斜率、降斜率
AA BB
降斜后稳斜段井斜角、水平位移增量和垂深增量。
K A S
ΔS
KA
K
sin
二、井眼曲率及其计算方法
L dN
dE
2. 空间曲线法求井眼曲率
依据： 根据微分几何原理，一条空间曲 dH 线的曲率K有公式
煤矿井下水平定向钻孔轨迹设计
煤矿井下水平定向钻孔轨迹设计
煤矿井下水平定向钻孔轨迹设计是指将水平定向钻机在煤矿井下的工作过程中，根据实际工作需要，从而确定其运动轨迹。
它由多条定向钻孔轨迹组成，可以满足煤矿井下的不同工作需求。
一般来说，煤矿井下水平定向钻孔轨迹设计包括三个基本步骤：选择合适的钻孔轨迹、计算每一条轨迹的长度和方向、确定钻孔机的运行位置。
1、选择合适的钻孔轨迹：在煤矿井下，由于断层的存在，因此需要选择合理的钻孔轨迹，使得钻孔机能够在安全的情况下，顺利地走出轨迹。
2、计算轨迹的长度和方向：在设计轨迹时，必须根据实际情况，确定钻孔机运行的距离和方向，以保证钻孔机能够顺利完成任务，避免发生意外情况。
3、确定钻孔机的运行位置：钻孔机的运行位置也是非常重要的。
钻孔机在煤矿井下的安全性是关键，因此，必须确定好钻孔机的运行位置，以保证钻孔机的运行安全。
此外，煤矿井下水平定向钻孔轨迹的设计还需要考虑一些特殊的问题，比如：煤矿井下的无人钻孔机在运行时会受到一定的噪声影响，因此还需要对钻孔机的噪声控制进行相应的设计；另外，在煤矿井下的定向钻孔轨迹设计
过程中，也需要考虑井壁支护的问题，以保证定向钻孔机能够安全地顺利完成任务。
综上所述，煤矿井下水平定向钻孔轨迹设计是一项十分复杂的工作，需要结合实际情况，合理设计钻孔轨迹，同时考虑噪声控制和井壁支护等问题，以保证定向钻孔机能够安全、顺利地完成任务。
水平井轨迹设计操作说明
水平井轨迹设计操作说明一、根据井组生成轨迹剖面设计水平井1、选择水平井设计方式在平面图上单击鼠标右键，选择“设计水平井”→“井组方式”图1-1 选择井组方式2、设置水平井设计剖面依次选中需要的参考井，创建两个井组，然后右键选择“设置剖面方向”，按住鼠标左键给定一个井轨迹设计剖面的方向，右键选择“完成连井”，生成有这些井组构造的参考剖面和轨迹设计剖面，且界面自动转换到参考剖面。
图1-2 完成连井3、提取虚拟井的储层信息在参考井剖面中将已知井的地层、砂层都对应连接好，然后在剖面图幅中右键选择“提取设计井地层属性”或者“提取设计井砂层属性”进行虚拟井储层信息的自动提取图1-3 设计井地层属性的提取图1-4 设计井砂层属性的提取4、激活水平井设计剖面在参考井剖面图幅上右键选择“激活水平井轨迹设计剖面”，软件的界面会自动转换到水平井轨迹设计剖面，如下图所示图1-5 激活水平井设计剖面5、设计井轨迹在水平井轨迹设计剖面中，选择右侧工具栏上的“激活图层”，将井轨迹设计图层激活；选择右侧工具栏上的“井口”，回到设计剖面图幅中在需要设计井口的位置双击，井口就会出现在对应的地方；图1-6 设定井口选择右侧工具栏的“靶点”，在剖面中的目的层段双击设置靶点，设置到第二个靶点时，会弹出剖面类型的选择对话框图1-7 剖面类型选择对话框软件针对水平井轨迹设计提供了4中模式，分别为：①增-稳-增；②增-增-增；③阶梯井；④拱形井；选择需要的类型，点击下一步，出现水平井参数对话框图1-8 水平井参数对话框对井口及靶点的参数进行调整，并在井名处设定一个井名，点击“完成”，就会在剖面中出现设计的井轨迹图1-9 生成井轨迹6、井轨迹的编辑单击右侧工具栏上的“轨迹编辑”，再选中轨迹，轨迹呈现出可编辑状态，移动结点，可对轨迹进行编辑图1-10 井轨迹编辑7、井轨迹风格的设置选中井轨迹，右键“设置风格”图1-11 设置井轨迹风格出现井轨迹风格设置的对话框图1-12 井轨迹属性对话框对轨道、井导眼、标注等进行设置，点击确定，轨迹就以设定的风格显示在剖面上图1-13 井轨迹显示8、模板的保存选中井轨迹右键，选择“保存轨道风格为模板”，弹出对话框，输入模板的名称，单击确定.图1-14 井轨迹模板9、剖面表格、标题、方位角的显示选中轨迹，再点选一下右侧工具栏的“剖面表格”，则设计轨道剖面数据表显示在剖面上，通过拖动可以移动它在平面图上的位置，也可以拖拉边框调整表格的大小。
第一章 定向钻孔轨迹设计
第一章
定向钻孔轨迹设计
第四节 初级定向孔孔身轨迹设计方法
一、研究钻孔自然弯曲趋势的方法
统计作图法和相关分析法 研究钻孔自然弯曲趋势通常采用统计作图法 相关分析法 统计作图法 相关分析法。 进行统计作图法和相关分析，下列条件应该基本相同： （1）岩石性质和岩层产状 ） （2）钻孔结构和开孔角度 ） （3）钻探设备和管材 ） （4）钻进方法和碎岩工具 ） （5）钻进规程参数和工艺技术措施 ） 研究结果只适应于同类条件。 研究结果只适应于同类条件。
稳斜段 稳斜钻进到靶点是往下打直线段
第一章
定向钻孔轨迹设计
第二节 定向钻孔的类型和孔身轨迹形式
二、孔身轨迹形式
孔身轨迹常见形式： （3）直线—曲线—曲线形式 3 — — 直—弯—弯型 人工造斜分成两次或后一次 造斜利用自然造斜打目的层。 第一造斜段 这种轨迹可获得较大的终孔顶角。 第二造斜段
第一章
7、进行经济效益预估
第一章
三、设计方法
定向钻孔轨迹设计
第三节 定向钻孔孔身轨迹设计的原则和内容
定向钻孔的设计方法有两种。 1、绘图法
通过简单的计算或查表，绘出孔身轴线垂直平面图、 水平投影图。然后，根据这些图测量或计算出定向孔的 各项数据。
2、计算法
根据公式计算出绘图所需的数据，然后，根据这些数据绘图。
钻孔轴线上某点沿轴线延伸方向的切线与铅垂线之间的夹角。 方位角 α azimuth 钻孔轴线上某点沿轴线延伸方向切线水平投影与正北方向之间的 夹角，并从正北方向起按顺时针方向计算。 孔深
L
depth of hole
钻孔轴线延伸的长度 。
第一章
定向钻孔轨迹设计
第一节 定向钻孔的空间要素
一、空间要素
定向井轨迹设计计算方法探析
定向井轨迹设计计算方法探析1.井眼轨迹的基本概念1.1定向井的定义定向井是按预先设计的井斜角、方位角及井眼轴线形状进行钻进的井。
（井斜控制是使井眼按规定的井斜、狗腿严重度、水平位移等限制条件的钻井过程）。
1.2井眼轨迹的基本参数所谓井眼轨迹，实指井眼轴线。
测斜：一口实钻井的井眼轴线乃是一条空间曲线。
为了进行轨迹控制，就要了解这条空间曲线的形状，就要进行轨迹测量，这就是“测斜”。
测点与测段：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”。
基本参数：测斜仪器在每个点上测得的参数有三个，即井深、井斜角和井斜方位角。
这三个参数就是轨迹的基本参数。
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(Measure Depth)。
井深是以钻柱或电缆的长度来量测。
井深既是测点的基本参数之一，又是表明测点位置的标志。
井深常以字母Ｌ表示，单位为米(m)。
井深的增量称为井段，以ΔＬ表示。
二测点之间的井段长度称为段长。
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。
井斜角：井眼轴线上每一点都有自己的井眼前进方向。
过井眼轴线上的某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。
井斜角常以希腊字母α表示，单位为度(°)。
一个测段内井斜角的增量总是下测点井斜角减去上测点井斜角，以Δα表示。
井斜方位角：井眼轴线上每一点，都有其井眼方位线；称为井眼方位线，或井斜方位线。
井眼轴线上某点处的井眼方向线投影到水平面上，即为该点的井眼方位线（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（井斜方位线）上所转过的角度，即井眼方位角。
井斜方位角常以字母θ表示，单位为度(°)。
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，以Δθ表示。
定向钻进 第一章 定向钻孔轨迹设计
二、孔身轨迹形式
孔身轨迹常见形式： （1）直线—曲线形式 上直下弯状
开孔施工直线段
曲线段，利用自然造斜或人工造斜钻达靶区。
第一章 定向钻孔轨迹设计
第二节 定向钻孔的类型和孔身轨迹形式
第一章 定向钻孔轨迹设计
第二节 定向钻孔的类型和孔身轨迹形式
一、定向钻孔的类型
1、按施工技术和方法不同分类 （2）受控定向孔 controlled directional hole （人工造斜定向孔 ）
特点：采用人工造斜手段和工艺措施，钻达目的层的钻孔， 需采用专门的定向造斜工具和配套技术。
适应于岩层无造斜作用或造斜作用不够， 以及克服造斜影响的矿区。
i L LB LA
（º/m）
cos1 (cos A cos B sin A sin B cos )
第一章 定向钻孔轨迹设计
第一节 定向钻孔的空间要素
四、钻孔轴线遇层角 angle of penetration
钻孔轴线靶点（见矿点）的切线与其在矿层面上的投影所夹的锐角。
地质要求钻孔遇层角一般不小于30º。
钻孔轴线各点的顶角、方位角、孔深 见矿点（靶点）的垂深和水平位移 曲线段的曲率和弯曲强度
钻孔轴线的遇层角
第一章 定向钻孔轨迹设计
第一节 定向钻孔的空间要素
一、空间要素
1、基本要素 定向钻孔轴线各点的顶角、方位角和孔深称为基本要素。
在三维坐标系中，原点O代表开孔点； X轴代表南北方向； Y轴代表东西方向； Z轴指地一下方向。
弯曲强度与曲率概念相同，都反映单位长度上角度变化。 是为了说明定向孔曲线段的弯曲程度。
1、顶角弯强 i drift deviation intensity 单位孔身长度上顶角的变化量。 表征钻孔顶角弯曲的强烈程度。
水平定向钻先导孔轨迹设计参数探究
水平定向钻先导孔轨迹设计参数探究水平定向钻先导孔轨迹设计参数探究摘要：水平定向钻先导孔轨迹设计是一项复杂而关键的工作，对于有效实施后续的水平定向钻井具有重要意义。
本文通过对水平定向钻先导孔轨迹设计参数的综合分析和探究，旨在寻找最佳设计参数，以提高钻井效率和效果。
关键词：水平定向钻；先导孔轨迹；设计参数；钻井效率；钻井效果一、引言水平定向钻技术在石油工程领域被广泛应用，能够实现从一个钻孔位置多向井眼的钻井，是现代石油勘探和开发的重要技术手段。
水平定向钻的关键在于先导孔轨迹的设计，而先导孔轨迹设计参数的选择对钻井效率和效果有着至关重要的影响。
二、水平定向钻先导孔轨迹设计参数水平定向钻先导孔轨迹设计参数包括钻头尺寸、转速、进钻压力、扭矩、钻井液性质和流量等。
这些参数的不同组合会直接影响先导孔的质量和效果。
1. 钻头尺寸钻头尺寸对先导孔的直径和形状有着直接的影响。
较小的钻头可达到较小的曲率半径，但会导致较高的摩擦阻力；而较大的钻头容易控制，但会增加曲率半径和转动力矩。
因此，在钻头尺寸选择时需要综合考虑井筒大小和地层结构等因素。
2. 转速和进钻压力转速和进钻压力是控制先导孔曲率的重要参数。
适当的转速和进钻压力可以实现所需的曲率，但过高的转速和进钻压力会导致钻头磨损加剧和井筒坍塌风险增加，因此需要根据具体情况进行优化和控制。
3. 扭矩扭矩是用于旋转钻头的力矩，对先导孔的牵引力和钻进性能有着直接影响。
过小的扭矩会导致困钻和进展缓慢，过大的扭矩则会导致井筒扩大和地层破坏。
因此，需要根据地层硬度和井筒情况选择适当的扭矩。
4. 钻井液性质和流量钻井液的选用和流量的控制对先导孔的质量和效果有着重要影响。
适当的钻井液和流量可以有效降低摩阻和泥浆压裂，提高钻井效率和效果。
不同地层和环境条件下，需要选择适宜的钻井液性质和流量。
三、水平定向钻先导孔轨迹设计参数优化在水平定向钻先导孔轨迹设计过程中，需要综合考虑上述参数的影响，并进行优化。
水平定向钻进轨迹最优化设计方法研究
。
由于 X 与 X1 重合， 所以方位角没有变化。 但在斜 平面计算出的轨迹切线与 Z1 轴的夹角并不是轨迹的 顶角，由空间解析几何可知钻孔轨迹的顶角为
θ = cos −1 (cos Ω cos θ1 ) 。
由此可将设计的钻孔轨迹上的各点的三维坐标和
α1 ∈ [α min，α max ]
+ ∞) R1 ∈ [1200 D，
此
min S1 = s.t
Ω = arctan( yC h ) ∈ [−Ωmax , Ωmax ]
yC + H − h
2
2
l1 = ( H C + R1 cos α1 − R1 ) sin α1 ∈ [10， + ∞) x1 = R1 sin α1 + ( H C + R1 cos α1 − R1 )cotα1
模型同样是非线性约束优化问题，且约束条件和目标 函数都比较复杂。我们可采用紧约束集法计算出最优 的入土点位置、入射角和弯曲半径。具体方法可参考 文献[3]。
4
坐标转换
在计算出斜平面上各关键点的位置、入射角、出 土角和弯曲半径等参数后， 在斜平面内重新建立坐标。 轨迹设计方位 如图 4 所示， 以入土点 O1 为坐标原点， 线为 X1 轴，垂直于斜平面为 Y1 轴，在斜平面那内垂
nC n + C ni ni
mC mi
2
要使铺设管线避开地下原有管线，必须满足条件 di ≥ Ri + r （i＝1，2，…） 。 若在深度为 H， 平行于 YOZ 平面的平面内有无法 穿越的障碍物 Wj，测得其在 Y 轴方向的区域为[yja， yjb]，在 Z 轴方向的区域为[zja，zjb]，其中 j＝1，2，…。 设
定向井、水平井井身轨迹控制资料
第三章定向井、水平井井身轨迹控制技术第一节定向井、水平井井眼轨迹控制理论无论是定向井，还是水平井，控制井眼轨迹的最终目的都是要按设计要求中靶。
但因水平井的井身剖面特点、目的层靶区的要求等与普通定向井和多目标井不同，在井眼轨迹控制方面具有许多与定向井、多目标井不同的新概念，需要建立一套新的概念和理论体系来作为水平井井眼轨迹控制的理论依据和指导思想。
我们在长、中半径水平井的井眼轨迹控制模式的形成和验证过程中，针对不断出现的轨迹控制问题，建立了适应于水平井轨迹控制特点的几个新概念。
一、水平井的中靶概念地质给出的水平井靶区通常是一个在目的层内以设计的水平井眼轨道为轴线的柱状靶，其横截面多为矩形或圆。
我们可以把这个柱状靶看成是由无数个相互平行的法面平面组成，因此，控制水平井井眼轨迹中靶，与普通定向井、多目标井是个截然不同的新概念，主要体现是:井眼轨迹中靶时进入的平面是一个法平面（也称目标窗口），但中靶的靶区不是一个平面，而是一个柱状体，因此，不仅要求实钻轨迹点在窗口平面的设计范围内，而且要求点的矢量方向符合设计，使实钻轨迹点在进入目标窗口平面后的每一个点都处于靶柱所限制的范围内。
也就是说，控制水平井井眼轨迹中靶的要素是实钻轨迹在靶柱内的每一点的位置要到位（即入靶点的井斜角、方位角、垂深和位移在设计要求的范围内），也就是我们所讲的矢量中靶。
二、水平井增斜井段井眼轨迹控制的特点及影响因素对一口实钻水平井，从造斜点到目的层入靶点的设计垂深增量和水平位移增量是一定的，如果实钻轨迹点的位置和矢量方向偏离设计轨道，势必改变待钻井眼的垂深增量和位移增量的关系，也直接影响到待钻井眼轨迹的中靶精度。
水平井钻井工程设计中所给定的钻具组合是在一定的理论计算和实践经验的基础上得出的，随着理性认识的深化和实践经验总结，设计的钻具组合钻出实际井眼轨迹与设计轨道曲线的符合程度会不断提高。
但是，由于井下条件的复杂性和多变性，这个符合程度总是相对的。
水平定向钻设计计算
二、具体计 1、塑料管
钻杆直径 8.89 mm
管道外径D1=
320 mm
管道材质
1
ห้องสมุดไป่ตู้
入土端地面与底部直线段高度h1=
3m
出土端地面与底部直线段高度h2=
3.2 m
曲率半径R= 10.668 m
入土角α=
15
入土端曲线段水平长度a2= 2.76108 m
入土端直线段水平长度a1= 9.83954 m
入土端曲线段高度b2= 0.3635 m
水平定向钻先导孔轨迹设计计算 1）本计算书参照《水平定向钻法 一、前说明： 管道穿越工程技术规程 CECS3822014》 2）当穿越城镇河道时，管道顶部 至规划河床应根据水流冲刷、防 止冒浆、疏浚、抛锚等要求确 定，一般不宜小于3m； 3）当穿越公路、铁路、地面建筑 物时，最小覆土深度应符合各行 业要求；当本行业标准无特殊要 求时，最小覆土厚度按表5.3.7确
入土端直线段高度b1= 2.6365 m
出土角β=
10
出土端曲线段水平长度c1= 1.85248 m
出土端直线段水平长度c2= 17.229 m
出土端直线段高度d1= 3.03793 m
出土端曲线段高度d2= 0.16207 m
底部直线段长度L0=
20 m
穿越长度L= 51.6821 m
孔轨迹设计计算
根据实际来定 塑料管1 钢管2 根据穿越障碍物实际参照表5.3.7 来定 根据实际进行调整 根据实际进行调整 根据实际确定
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2. 以煤层气钻井工程为例，进行水平定向钻井轨迹设计或者欠平衡钻井工艺技术设计。
本文选择以煤层气钻井工程为例，进行水平定向钻井轨迹设计。
煤层气，又称煤层甲烷，俗称瓦斯，人们对它爱恨交加。
爱的是它是一种清洁能源，有很大的利用价值；恨的是它是矿难的原因之一。
因此，安全有效地采集煤层气可谓是一举两得的好事。
近些年，部分国家开始用定向钻井技术开采煤层气，取得了良好效果。
定向钻井，简单说就是让向地下竖着打的井拐个弯，再顺着煤层的方向横着打井。
定向钻井采集煤层气的原理同传统方法一样，即通过抽水减压，逼出煤层气，再进行采集。
但两者的区别在于，传统方法只用竖井穿到煤层采集，而横向井顺着煤层的走势大大增加了采气的面积，因而提高了效率。
定向钻井通常在石油和天然气开发中使用较多，但近些年煤炭行业也越来越多地将这项技术用于矿山开采前的瓦斯抽放、排水、矿井探查等方面。
在煤炭领域使用这一技术的主要有美国、澳大利亚、欧洲、南非等国家和地区，而利用这一技术采集、利用煤层气的国家以美国和澳大利亚等国为主。
澳大利亚目前有17个煤矿用定向钻井技术排放井内瓦斯，以确保安全生产。
而悉尼的一家公司在2000年成功地利用这一技术在地下600米深处开出了一口商业用煤层气井。
美国的一些煤矿企业为了矿井安全和开采煤层气也热衷采用定向钻井技术。
在2000年，美国10％的煤层气井都采用了这项技术。
由于这项技术的逐步开发，部分美国和澳大利亚企业的煤层气产量都得到了提高。
资料显示，定向钻井的纵向深度一般在600～1200米，横向煤层钻井长度可达到400米。
据美国某钻探公司的个例统计，采用横井采气比传统的单一竖井采气的初期产量可高出10倍，气井的生产寿命也会增加。
根据对某些项目的估算，运用定向钻井法商业采集煤层气的内部回报率为15～18％，明显高于传统竖井采集法约3％的内部回报率。
1 定向水平井的井身类型井身结构设计原则有许多条，其中最重要的一条是满足保护储层实现近平衡压力钻井的需要，因为我国大部分油气田均属于多压力层系地层，特别是韩城地区，构造复杂，经过大范围地层沉降，上覆地层压力较大，只有将储层上部的不同孔隙压力或破裂压力地层用套管封隔，才有可能采用近平衡压力钻进储层。
（1）多分支水平井煤层气多分支水平井开发技术是近几年国际煤层气领域应用的一种新技术、新工艺，可以大大提高煤层气(瓦斯)产收率，对治理煤矿瓦斯灾害，提高煤层气资源利用率作用突出。
它的优点主要表现在用一个主井眼上钻多个分支眼，使用比小的投入就可以获得较大的收获，缺点是先期完成的井眼容易被后面的施工产生的煤屑填(掩)埋，也不利于后期的井下施工。
（2）单支水平井单支水平井钻井技术在石油油气藏开采中是应用最广泛的一种形式，在开采煤层气方面也有着许多优点，泄气面积相对大，利于煤层气井的后期改造。
是前一段时间被许多国家广泛采用的开采技术。
（3）连通水平井这种井形主要适合含水煤层。
煤层中的水对煤层中气的运移十分不利，应该首先将煤层中的水抽排悼，才能将煤层中的气抽排出来，最好是一边抽水一边抽气，连通水平井就可以实现这个要求，其技术主要包括首先打1口直井然后再打1口水平井和其连通，在直井底部抽排水，待煤层中的水位底于水平井水平段后，水平井就可以抽排煤层气了。
连通式水平井还分为首部连通和尾部连通两种。
研究表明，煤层气水平分支井分支井眼主要存在以下3种轨迹类型（图1），其各自的特点如下：图1 煤层气水平分支井分支井眼轨迹类型图1）分支类型1：增斜+降斜+稳斜。
在煤层厚度一定的情况下，可在煤层中达到最大的延伸长度，但由于稳斜段的存在，使得造斜工具的弯角不能太大，工具造斜率受到限制。
2）分支类型2：增斜+降斜。
可采用较大弯角造斜率高的钻具实现，可设计出在横向和垂向上迅速偏离主井眼的分支，利于夹壁墙的迅速形成。
3）分支类型3：增斜+稳斜。
轨迹设计和控制最简单，一般在煤层中的延伸距离最短。
根据煤层气水平分支井的特点及设计要求，基于空间圆弧轨道理论建立图2所示的轨迹设计模型，其中A1为侧钻点，a为侧钻点切线向量，(a1，a2)为侧钻点位置在主井眼上的区间变化范围。
T为目标点，t为其切线向量，C为吻接点，M、N分别为增斜圆弧和降斜圆弧切线交点。
主水平井眼入靶点A和出靶点B的坐标以及分支靶点T的坐标、井斜和方位为已知条件，而工具造斜率K和分支爬升高度Hmax为已知的约束条件。
图2 煤层气水平分支井轨迹设计模型图注:坐标系中N表示北坐标、E表示东坐标、H表示垂深，单位均为m，下同。
一般情况下，相邻两分支侧钻点在主井眼上的间隔距离为20~80m，结合开发及地质要求，可确定合理的侧钻点区间(a1，a2)。
设︱a1A1︱=L1，︱A1M︱=︱MC︱=Lm ，︱CN︱=︱NB1︱=Ln，︱BT︱=L2，根据实际需要可令L1、L2为0及K1=K2。
由空间几何关系及矢量分析得:式中L为A1、B1两点之距，Ta0和Tt分别为A1B1在矢量a、t上的投影长度，θ为a、t之间的夹角。
由式(1)~(6)求得:本文相关参考文献给出的Ai 、Bi、Ci的计算方法，由式(7)、(8)求得煤层气水平分支井轨迹设计的约束方程为：Lm1=Lm2，其有解的判别式为Δ=Bi2-4AiCi≥0(i=1，2)。
因此，可精确求出造斜率K0，通过改变L1和L2可使K逼近于工具造斜率K，从而设计出满足约束条件的三维设计轨迹。
2 定向羽状井轨迹设计实例：（1）工程地质条件简介阳泉矿区寿阳区位于沁水块坳北端，北部为阳曲-盂县东西向隆起带。
总体为一走向东西，倾向南的单斜构造。
沁水煤田阳泉矿区韩庄区块位于寿阳区的中部，基本构造形态为走向近东西，向南倾斜的单斜，倾角4°～21°，一般小于10°。
主要含煤地层为山西组和太原组，地层总厚179.75m，含煤16层，总厚13.81m，可采煤层厚11.73m，本设计主要研究3#煤层的煤层气勘测。
韩庄煤层气定向羽状水平井设计针对山西组3#煤层进行。
3#煤层厚度为4.00～4.45m，总体趋势东厚西薄，煤层横向分布非常稳定，煤层结构相对简单，无明显分岔，较适合煤层气利用定向羽状水平井开采。
（2）定向羽状井轨迹设计轨迹设计的井身剖面类型目前一般常用圆弧型，抛物线型，悬链线型。
由于定向羽状水平井本身的空间三维复杂性特性，因而，只能按照煤层地质的要求设计出靶区轨迹，再根据靶区的情况选择分支井筒回接主井眼轨迹剖面，虽然分支井设计是三维的，但是可以把分支井的各个分支拆分成为各自独立的待钻轨迹和主井筒轨迹来进行设计计算，拆分后的井眼轨迹还可能是三维的，但考虑到二维轨迹设计计算方法比较成熟且对三维的又不失真，故把三维轨迹转化为二维轨迹来进行设计和计算。
因而，主井的剖面类型选择为“直—增—稳”类型，在羽状分支的设计上同样采用这种方式，水平井剖面形式为“直—增—稳”型。
该井的设计中主要应用的是二维井筒轨迹设计。
（3）韩庄区煤层气韩平0-1井轨迹设计1）洞穴井设计根据定向羽状井的设计原理，结合韩平0-1井的实际情况。
在钻孔轨迹设计之前建立一个三维坐标系，这样可以使设计简化和各种数据表示更加清晰，如图3。
以韩平0-1井的开孔点为坐标原点，竖直向下为Z 轴正方向，水平主井筒延伸方向为X 正方向。
由于钻孔总体孔深为722.30m ，选择综合造斜强度为i θ=0.5°m ，用公式R 1=57.3i θ可求得曲率半径R 1为114.6m 。
进而推出羽状水平井的主井筒的造斜点垂深为607.70m 。
图3 坐标建立 图4 水平井主井筒计算图洞穴井为垂直井，井身轨迹结构较为简单，开孔点于A （120、0、0）处，在点B （120、0、722.30）处于水平井相交汇，终孔C(120、0、794.05)，GC 段为钻孔口袋。
各参数计算值见表1。
表1 韩平1洞穴直井轴线坐标计算表2）水平井设计选取水平井剖面类型为直—弯—直型，在三维坐标空间中处于Y=0的平面上，建立XZ坐标平面如图4。
OD 段为垂直井段，DE段为造斜段，EF段为水平井段，长度为1216.4，OJ确定为722.30m，弧DE长为0.5πR=0.5×3.14×114.6=180m。
可求得各参数值见表2。
表 2 韩平 0 井水平主井筒轴线坐标计算表3）羽状分支设计羽状分支井的设计，主要根据当地的设计先例进行，见图5，图6，选择造斜强度为iθ=0.5°/m。
用公式R1=57.3iθ，可求得曲率半径R为114.6m。
羽状分支孔水平间距300m，交错布置。
羽状分支井直井段长从1#～8#井分别为800，700，…，200，100m。
羽状分支井直井段与水平主井筒的连接为弯曲造斜井段弯强iθ=0.5°/m，羽状分支井直井段与主水平井筒的夹角为45°，以分支井1为例，其余分支解法相似。
分支井1与主水平井筒的结合点为G（130、0、722.30）开始造斜，造斜强度为iθ=0.5°/m，则R=114.6m，θ=45°，弧GH与直线LH 和X轴相切。
其计算公式如下：图5 水平分支孔平面图图6 分支井1设计计算图4）井身结构设计（1）由于煤层比较脆，技术套管不能下入煤层中，以防固井时将煤层压裂，导致后续钻进过程中的井壁坍塌；（2）从抽排采气的角度考虑，套管必须将煤层上部大量出水的层位封堵；（3）为了在洞穴井井底造洞穴，井底必须留有合理容量的口袋。
口袋深度以不揭开下部含水层为基本原则，应优先考虑增大口袋深度；（4）如果多分支水平井为多羽状，水平井的技术套管应下到造斜点以上部分，便于后续的裸眼侧钻。
结合阳泉矿区韩庄矿的煤层气层及地层结构特点以及该地区的煤层气井设计的先例。
其井身结构设计如图7。
图7 韩平0-1定向羽状水平井井身结构设计示意图4）结论①韩平0-1煤层气羽状水平井井身轴线轨迹剖面形式选择“直—增—稳”类型，在羽状分支的设计上同样采用这种方式，水平井剖面形式为直—弯—直型。
②韩平0-1煤层气羽状水平井主井筒的造斜点在垂深607.70m处，稳定点在722.30m处，终孔点在722.30m处，造斜强度为iθ=0.5°/m。
③水平井距洞穴井地面水平距离为120m，水平井主支穿过煤层段约1200m；水平井段左右2侧各打4个分支井眼，分支长80～100m，间距300m。