钻井工程：第五章井眼轨道设计与轨迹控制.
钻井井眼轨道设计与控制
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。
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丛式井垂直剖面图 丛 式 井 垂 直 剖 面 图
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(四)坐标参数与基本参数的关系
l
N (l) 0 sin cos d l
l
E(l) 0 sin sin d l
l
D(l) 0 cos d l
L-----为井口到计算点的曲线长度
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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
(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 平移方位线：在水平投影面上，井口至轨迹上某点的连线。国外将水平位 我国将完钻时的水平位移称为闭合距。
(一) 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)
描述井眼轨道的弯曲和扭转程度。主要
有曲率和挠率。
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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。
《钻井工程理论与技术》课后题答案
第一章 钻井的工程地质条件2.简述地层沉积欠压实产生异常高压的机理。
答：异常高压的形成是多种因素综合作用的结果，对于沉积岩地层的异常高压，目前世界上公认的成因是由于沉积物快速沉降，压实不均匀造成的。
在稳定沉积过程中，若保持平衡的任意条件受到影响，正常的沉积平衡就破坏。
如沉积速度很快，岩石颗粒没有足够的时间去排列，孔隙内流体的排出受到限制，基岩无法增加它的颗粒与颗粒之间的压力，即无法增加它对上覆岩层的支撑能力。
由于上覆岩层继续沉积，负荷增加，而下面基岩的支撑能力没增加，孔隙中的流体必然开始部分地支撑本来应的岩石颗粒所支撑的那部分上覆岩层压力，从而导致了异常高压。
3.简述在正常压实的地层中岩石的密度、强度、孔隙度、声波时差和d c 指数随井深变化的规律。
答：在正常压实的地层中岩石的密度随井深的增加而增加；强度随井深的增加而增加；孔隙度随井深的增加而减小；声波时差随井深的增加而减小；d c 指数随井深的增加而增大。
5.某井井深2000m ，地层压力25MPa ，求地层压力当量密度。
解： ()()0.00981250.009812000 1.276h h P H ρ==⨯=(g/cm 3)答：地层压力当量密度是1.276 g/cm 36.某井垂深2500m ，井内钻井液密度为1.18 g/cm 3，若地层压力为27.5MPa ，求井底压差。
解：()27.52500 1.180.0098127.5 1.44b h P P P gh MPa ρ∆=-=-=⨯⨯-=答：井底压差是1.44MPa 。
7.某井井深3200m ，产层压力为23.1MPa ，求产层的地层压力梯度。
解： ()23.132000.0072/h h G P H MPa m ===答：产层的地层压力梯度0.0072MPa/m 。
9.岩石硬度与抗压强度有何区别？答：岩石硬度是岩石表面的局部抵抗外力压入的能力，抗压强度则是岩石整体抗压的能力。
10.岩石的塑性系数是怎么样定义的吗？简述脆性、塑脆性和塑性岩石在压入破碎时的特性。
钻井工艺之井眼轨迹设计及控制
第一节 井眼轨迹的基本概念
目的：掌握有关参数的概念及这些参数之间的关系。 一、轨迹的基本参数
测量方法：非连续测量，间断测量。“测段”，“测 点”。
轨迹的三个基本参数----井深、井斜角和井斜方位角。 (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)。
井深增量(井段)：下测点井深与上测点井深之差。
以ΔDm表示。
井 眼 轨 迹 空 间 曲 线 图
一．轨迹的基本参数
(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，该切线沿 井眼前进方向延伸的部分称 为井眼方向线。
一．轨迹的基本参数
4)用于进行轨迹计算的测斜数据必须是用多点测斜 仪测得的。
5)用磁性测斜仪测得的井斜方位角，必须经过当地 当年的磁偏角校正之后才能进行轨迹计算。
6)当某个测点的井斜角等于零时，该点的井斜方位
角是不存在的。为了计算的需要，规定：若αi=0， 则计算第i测段时，Φi =Φi-1 ；计算第i+1测段时， Φi =Φi+1 。
计算参数图解
二．轨迹的计算参数
(4) 平移方位角θ ： 平移方位线所在的方位角。平移方位线所在的方
位角，即以正北方位为始边顺时针转至平移线上所
。 转过的角度，常以字母θ表示
国外，将平移方位角称作闭合方位角。 国内，指完钻时的平移方位角为闭合方位角。 (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。
三．轨迹计算方法
第i测段的下测点的坐标作为第i+1测段上测点坐 标值，算得第i+1测段坐标增量后就又可计算第i+1测 段下测点坐标值，如此类推，直至最后一个测段。 2、计算内容：
井眼轨迹与井身结构设计
方位角：测点处正北方向至井眼方向 线在水平面投影线间夹角，度。
Ｎ fA
Ａ Ｏ
fB Ｂ
Ｅ
第 18 页
第一节 基本概念
一、轨迹的基本参数
方位变化率：方位角对பைடு நூலகம்深的变化率，即钻进单位井段，方
位角的变化，度/30米walk rate Ｎ
fB fA
Ｂ
K
Ｌ
B
A
Ｌ
B
A
Ａ Ｅ
Ｏ
第 19 页
第一节 基本概念
第一节 基本概念
二、轨迹的计算参数
基本参数：测斜仪器在每个测点上测得参数（井深、井斜角和井斜方位角）。 计算参数：根据基本参数计算出来的参数。
(1)垂直深度，简称垂深； (2)水平投影长度，简称水平长度或平长； (3)水平位移，简称平移； (4)平移方位角； (5) N坐标和E坐标； (6)视平移，亦称投影位移； (7)井眼曲率，狗腿严重度、全角变化率。
第 21 页
第一节 基本概念
一、轨迹的基本参数
井斜方位角还可用“象限角”表 示。 “象限角”指井斜方位线与正 北方位线或正南方位线之间的夹角。 象限角在0～90度之间变化。
N67.5ºW读作由北向西偏了67.5º。
第 22 页
第 23 页
第 24 页
第一节 基本概念
一、轨迹的基本参数
第 25 页
A Ｂ
Δα 表 示 。 AB 井 段 井 斜 角 增 量 为
Δα＝αB - αA 。
Ｂ
第 16 页
第一节 基本概念
一、轨迹的基本参数
井斜变化率 ：井斜角对井深的变化率，即钻过单位井深井斜角的
变化。度/30米(build rate,drop rate)
钻井工程-第五章
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。摆锤在罗盘面 上的投影位置所在的放射 线与罗盘N极之间的夹角 即为井斜方位角。（注意： 在井下,罗盘标志方位与实 际地理方位相反。） 3.井深测量：
概述
➢井眼轨道：一口井开钻之前，预先设计的井眼轴线形状。
➢直井轨道：过井口的铅垂线。
➢定向井轨道： 二维定向井：过井口和目标点的铅垂面上的曲线。 三维定向井：具有不同曲率的空间曲线。
➢轨道设计：定向井、水平井、侧钻井、大位移井等。 ➢轨迹控制：
•直井防斜打直。 •特殊工艺井控制井斜和方位，使轨道与轨迹相一致。
cosγ=cosαA·cosαB+sinαA·sinαB·cos(φB-φA)
钻井行业标准计算公式：
γ=(Δα2+Δφ2·sin2αc)0.5 αc=(αA+αB)/2
γ——该测段的狗腿角，(°)； Ｋc——该测段的平均井眼曲率，(°)/30m； αc——该测段的平均井斜角，（°）。
三．井眼轨迹的图示法
三．轨迹计算方法
(一)计算顺序： 计算的目的是算出每个测点的坐标值。 从第１个测段开始，逐段向下进行； 算出每个测段的坐标增量；累加求得测点的坐标值。 第0测点的坐标值，D0=Dm0 , Lp0=0, N0=0, E0=0 。
(二)计算内容：
测点：五个直角坐标值( D , Lp ,N , E , V )，两个极坐标值 ( S ,θ) 。 测段：四个坐标增量( ΔD，ΔLp，ΔN，ΔE )，井眼曲率Ｋc (三)计算方法的多样性
《轨迹控制》PPT课件
2.2 轨道类型 常规二维定向井轨道类型：按照我
国钻井行业标准规定，有四种类型： 三段式，多靶三段式，五段式和双 增式，如图5-20~5-23所示。不同类 型的轨道，它们的设计条件和计算 公式各不相同。
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关节点：图中的字母K 代表造斜点， b 代表增斜结束点，t 代表目标点， c 代表五段式的降斜始点或双增式 的第二次造斜点，d 代表多目标井 的目标终点。所有这些点称为关节 点。这些关节点的参数均以相应字 母为下标。
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磁性测斜仪的原理：如图5-8所示，罗 盘靠一顶尖支撑，可在仪器中灵活转动， 不管仪器外壳如何转动，罗盘的S极始 终指北。在仪器中心悬挂一个“十字” 重锤，不管仪器外壳如何倾斜，重锤始 终指向重力方向。
静止测量时，照相机对着透明的罗盘面 照相，所以“十字”图形也被照在底片 上。然后相机自动进卷，再记录下图 参看图5-7，设想经过井眼轨迹上 的每一个点作一条铅垂线，所有这 些铅垂线就构成了一个曲面，在数 学上称作柱面。其特点是可以展平 到一个平面上，就形成了垂直剖面 图。该图的两个坐标是垂深D 和水 平长度Lp。
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第二节 井眼轨道设计
1 井眼分类
分类标准说明：按轨道。
磁偏角校正：目前广泛使用的磁性测斜仪是 以地球磁北方位为基准的，所测得的井斜方 位角为磁方位角，并不是真方位角。需要经 过换算求得真方位角，称为磁偏角校正： 真方位角=磁方位角+东磁偏角 真方位角=磁方位角-西磁偏角
16
1.4 轨迹基本参数的特性 问题讨论： 1)井深、井斜角和井斜方位角3参
1)地面环境条件的限制； 2)地下地质条件的要求； 3)处理井下事故的需要。 4 井眼轨迹控制(导向)基本方法
钻井工程：第五章 井眼轨道设计与轨迹控制
第五章井眼轨道设计与轨迹控制1．井眼轨迹的基本参数有哪些？为什么将它们称为基本参数？08答：井眼轨迹基本参数包括:井深、井斜角、井斜方位角。
这三个参数足够表明井眼中一个测点的具体位置，所以将他们称为基本参数。
2．方位与方向的区别何在?请举例说明。
井斜方位角有哪两种表示方法？二者之间如何换算？答：方位都在某个水平面上，而方向则是在三维空间内(当然也可能在水平面上）。
方位角表示方法：真方位角、象限角。
3．水平投影长度与水平位移有何区别?视平移与水平位移有何区别?答：水平投影长度是指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。
水平位移是指轨迹上某点至井口所在铅垂线的距离,或指轨迹上某点至井口的距离在水平面上的投影.在实钻井眼轨迹上，二者有明显区别，水平长度一般为曲线段，而水平位移为直线段。
视平移是水平位移在设计方位上的投影长度.4．狗腿角、狗腿度、狗腿严重度三者的概念有何不同？答：狗腿角是指测段上、下二测点处的井眼方向线之间的夹角（注意是在空间的夹角）.狗腿严重度是指井眼曲率，是井眼轨迹曲线的曲率。
5．垂直投影图与垂直剖面图有何区别？答:垂直投影图相当于机械制造图中的侧视图,即将井眼轨迹投影到铅垂平面上；垂直剖面图是经过井眼轨迹上的每一点做铅垂线所组成的曲面，将此曲面展开就是垂直剖面图.6．为什么要规定一个测段内方位角变化的绝对值不得超过180 ？实际资料中如果超过了怎么办？答：7．测斜计算,对一个测段来说，要计算那些参数？对一个测点来说，需要计算哪些参数？测段计算与测点计算有什么关系？答：测斜时，对一个测段来说,需要计算的参数有五个：垂增、平增、N坐标增量、E坐标增量和井眼曲率;对一个测点来说,需要计算的参数有七个:五个直角坐标值（垂深、水平长度、N坐标、E坐标、视平移）和两个极坐标（水平位移、平移方位角）.轨迹计算时，必须首先算出每个测段的坐标增量,然后才能求得测点的坐标值。
井眼轨道设计与轨迹控制
井眼轨道设计与轨迹控制
重点： 1、井眼轨迹的概念； 2、井斜角和井斜方位角的概念； 3、井眼轨迹的表示方法； 4、井眼轨迹的参数计算； 5、常用的防斜与纠斜钻具组合； 6、定向井轨道设计方法； 7、装置角、装置方位角与反扭角的概念； 8、井眼轨迹控制方法。 难点： 1、装置角的概念； 2、定向井轨道设计方法； 3、井眼轨迹控制计算 。
02
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。
03
井斜角增量( Δα )：
下测点井斜角与上测点 井斜角之差。 Δα＝αB－αA
2.井斜角(α)：
指井眼方向线与重力线之间的夹角。单位为度(°)。
01
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 井斜方位角的变化范围：0～360° 。
地面环境条件限制
地下地质条件要求
处理井下事故
第一节 井眼轨迹的基本概念
轨迹的基本参数 测量方法：非连续测量，间断测量；“测段”，“测点”。 轨迹的三个基本参数：井深、井斜角和井斜方位角 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)。 井深增量（井段）：下测点井深与上测点井深之差。 以ΔDm表示。
将三角函数用幂级数表示： 在曲率半径法的基础上，进行三角变换：ຫໍສະໝຸດ 取 0102
01
关于校正平均角法的推导：
将以上几式代入曲率半径法公式，即可得到校正平均角法的计算表达式：
5钻井工程理论与技术_第5章井眼轨道设计与轨迹控制
(7)井眼曲率
井眼曲率：指井眼轨迹曲线的曲率。
有人称作“狗腿严重度”，“全角变化 率”。
由于实钻井眼轨迹是任意的空间曲线， 其曲率是不断变化的，所以在工程上常常 计算井段的平均曲率。
计算井眼曲率
“狗腿角”：对一个测段(或井段)来说，上、
下二测点处的井眼方向线是不同的，两条方向 线之间的夹角(注意是在空间的夹角)称为“狗 腿角”，也有人称为“全角变化”。
井深的增量称为井段，以ΔDm表示。二测
点之间的井段称为测段。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。
(2)井斜角：
定义：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。井眼方向线与重力 线之间的夹角就是井斜角。显然，井眼 方向线与重力线都是有向线段。井斜角 表示了井眼轨迹在该测点处倾斜的大小。
位角，即以正北方位为始边顺时针转至 平移线上所转过的角度，常以字母θ表 示。如图5—5所示。
在国外将平移方位角称作闭合方位角。 而我国油田现场常特指完钻时的平移方 位角为闭合方位角。
(5)N坐标和E坐标
N坐标和E坐标：是指轨迹上某点在以井
口为原点的水平面坐标系里的坐标值。此 水平面坐标系有两个坐标轴，一是南北坐 标轴，以正北方向为正方向；一是东西坐 标轴，以正东方向为正方向。
井斜方位角常以字母Φ表示，单位为 度(º)；
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 ΔΦ由表示。
ΔΦ＝Φ - Φ
B
A
“方向”与“方位”的区别
方位线是水平面上的矢量，包括：方位、方位 线、方位角。
方向线则是空间的矢量。包括：方向和方向线， 则是在三维空间内(当然也可能在水平面上)
井眼轨道设计与轨迹控制
钟摆钻具组合使用的注意事项
1、钟摆钻具组合的钟摆力随井斜角的大小而变化 钟摆力随井斜角的大小而变化。井斜角 钟摆力随井斜角的大小而变化 越大而钟摆力越大，井斜角为零钟摆力也为零。于是，钟摆 钻具组合多数用于对井斜角已经较大的井进行纠斜 多数用于对井斜角已经较大的井进行纠斜。 多数用于对井斜角已经较大的井进行纠斜 2、钻压加大，则增斜力增大，钟摆力减小。钻压再增大，还 可能将扶正器以下的钻柱压弯，甚至出现新的接触点，从而 完全失去钟摆组合的作用，所以钟摆钻具组合在使用中应严 严 格控制钻压。 格控制钻压 3、在井斜角很小时，要想继续钻进而保持不斜，只能减小钻 压而吊打，但钻速很慢，这时可以用满眼钻具组合，所以在 要求特别严的直井段才用钟摆钻具组合进行吊打。 要求特别严的直井段才用钟摆钻具组合进行吊打 4、扶正器的直径因磨损而减小 直径因磨损而减小时应及时更换或修复。 直径因磨损而减小
第五章
井眼轨道设计与轨迹控制
定向井轨迹绘图方法
11、井眼曲率的概念
在井眼轴线上任意取一段,该井段上下两点的 井眼方向一般是不同的,两条方向线之间的夹角 称为”狗腿角 狗腿角”,也有人称之为”全角变化 全角变化”。 狗腿角 全角变化 单位长度的狗腿角称为“井眼曲率” 单位长度的狗腿角称为“井眼曲率”,也有人称 为”狗腿严重度 狗腿严重度”,它反映了井眼弯曲的程度 井眼弯曲的程度。 狗腿严重度 井眼弯曲的程度 在国外，计算井眼曲率，先用（6-1）式计算 狗腿角，然后代如（6-2)式求之。
φc
α c = (α i −1 + α i ) / 2 ——平均井斜角， φc = (φi −1 + φi ) / 2
——平均井斜方位角， 平均角法的假设
第四节 直井防斜技术
钻井工程_管志川_绪论
2、科学技术发展的影响
电子信息技术、计算机技术的迅猛发展带动了钻井技术 的发展，电子计算机技术在钻井工程中的应用使钻井工程 走向智能化有了可能。典型的技术有：数据的实时采集 （地面的综合录井仪、井下MWD、LWD、FEWD）、数 据的远程传输、导向钻井等。
四、石油工业的发展前景
根据第三次石油资源评价初步结果，目前全国石油资源 量为1072.7亿吨，其中海洋石油资源量为246亿吨；已探明储 量225.6亿吨，天然气资源量为54.54万亿立方米，其中海洋 为15.79万亿立方米。
18.9
11.4
伊拉克
15.5
9.5
科威特
14
8.4
阿联酋
13
8.1
卡塔尔
2
1.3
其他中东国家
<3
<1.5
中东合计
101.2
61.5
利比亚
5.4
3.4
尼日利亚
4.9
3
阿尔及利亚
1.5
1
安哥拉
1.2
0.7
其他非洲国家
1.6
1.01
非洲合计
15.5
9.7
中国
2.2
1.3
印度
0.8
0.5
印度尼西亚
0.6
0.4
其他亚太地区国家
1.8
1.1
亚太地区合计
5.4
3.4
油气勘探和开发目标： 增加储量，增加产量，提高效益，降低成本。 增加储量： 扩大勘探领域：海洋、沙漠、戈壁、深部地层。
各种钻井新技术正是在这种形势的要求下而相继产生。
典型的钻井新技术有：
水平井、大位移井、欠平衡压力钻井、小井眼井、超深井、 分支井、多底井、导向钻井等。
8第五章井眼轨道设计与轨迹控制
8第五章井眼轨道设计与轨迹控制井眼轨道设计和轨迹控制是钻井领域中至关重要的技术。
井眼轨道设计的目标是在地下达到所需的位置和方向，以满足石油开采的要求。
轨迹控制则是通过从地下检测井眼轨迹的变化，实时调整钻井操作以确保井眼轨迹在设计范围内。
在井眼轨道设计中，首先需要确定所需的位置和方向。
这通常是通过地质勘探和地层分析来确定的。
了解地层特征和油气藏分布对井眼轨道设计至关重要。
然后，可以使用不同的方法来设计合适的井眼轨道。
一种常用的方法是利用曲线半径和转弯的角度来确定井眼轨道。
在钻井过程中，钻井工程师可以根据需要设置不同的曲线半径和转弯的角度，以达到所需的轨道。
这可以通过调整钻井井具的参数来实现。
另一种常见的方法是使用水平井设计。
水平井设计的目标是在垂直方向达到所需的深度，并在水平方向上延伸到特定的距离。
水平井设计可以采用多种方法，如交替控制、连续建模和编码设计。
轨迹控制是指在钻井过程中实时调整井眼轨迹以确保其在设计范围内。
常用的轨迹控制方法包括钻头控制、钻进构件控制和钻进液控制。
钻头控制通过调整钻头的旋转和下压力来控制井眼轨迹。
钻进构件控制使用不同的构件来调整井眼轨迹。
钻进液控制使用特定的钻进液来控制井眼轨迹。
轨迹控制还可以利用实时测量数据来进行。
这些数据可以来自不同的传感器，如压力传感器、位移传感器和倾角传感器。
通过实时监测井眼轨迹的变化，并根据需要进行调整，可以确保井眼轨迹始终在设计范围内。
总之，井眼轨道设计和轨迹控制是钻井过程中至关重要的技术。
正确设计和控制井眼轨道可以确保钻井过程达到预期的目标，并提高石油开采的效率和产量。
这需要钻井工程师综合考虑地层特征、钻井参数和实时测量数据，采用合适的方法进行设计和控制。
中国石油大学(华东)钻井工程课后题答案
第一章 钻井的工程地质条件（P41）1、简述地下各种压力的基本概念及上覆岩层压力、地层压力和基岩应力三者之间的关系。
答：P6～P82、简述地层沉积欠压实产生异常高压的机理。
答：P10答：地层在沉积压实过程中，能否保持压实平衡主要取决于四个因素：（1）上覆岩层沉积速度的大小，（2）地层渗透率的大小，（3）地层孔隙减小的速度，（4）排出孔隙流体的能力。
在地层的沉积过程中，如果沉积速度很快，岩石颗粒没有足够的时间去排列，孔隙内流体的排出受到限制，基岩无法增加它的颗粒和颗粒之间的压力，即无法增加它对上覆岩层的支撑能力。
由于上覆岩层继续沉积，岩层压力增加，而下面的基岩的支撑能力并没有增加，孔隙流体必然开始部分地支撑本应有岩石颗粒所支撑的那部分上覆岩层压力。
如果该地层的周围又有不渗透的地层圈闭，就造成了地层欠压实，从而导致了异常高压的形成。
3、简述在正常压实地层中岩石的密度、强度、空隙度、声波时差和dc 指数随井深变化的规律。
答：密度、强度、dc 指数随井深增加而增大（见P10上、P25下、P15中）；空隙度、声波时差随井深增加而减小（见P12下）。
4、解释地层破裂压力的概念，怎样根据液压实验曲线确定地层破裂压力？答：地层破裂压力：P17中。
根据液压实验曲线确定地层破裂压力：见P21中（步骤4、5）。
5、某井井深2000m ，地层压力25MPa ，求地层压力当量密度。
解：根据P13、式（1-12），地层压力D p p p ρ00981.0=地层压力当量密度 )/(274.1200000981.02500981.03m g D p p p =⨯==ρ6、某井井深2500m ，钻井液密度1.18 g/cm 3，若地层压力27.5MPa/m ，求井底压差。
解：井底压差＝井底钻井液液柱压力－地层压力静液压力： P6、式（1-1）)(94.28250018.100981.000981.0MPa h P h =⨯⨯==ρ井底压差：)(44.15.2794.28MPa P P P h h =-=-=∆7、某井井深3200m ，产层压力为23.1MPa ，求产层的地层压力梯度。
井眼轨迹设计与控制技术
·sin( /2)·sinc]/( ·)
轨迹测量与计算
注意：Δα，Δφ单位为弧度。
轨迹测量与计算
（二）轨迹计算方法
（4）校正平均角法
圆柱螺线法计算公式的分母上有Δα、Δφ，一 旦有一个增量为零就无法计算。 郑基英教授在“圆柱螺线法”基础上，经过数学 处理提出了“校正平均角法”。
15°～30°，小倾角定向井； 30°～60°，中倾角定向井； 大于60°，大倾角定向井。 最大井斜角不得小于15°，否则井斜方位不易稳定。 • 选择合适的造斜点位置； 地层：硬度适中，无坍塌、缩径、高压、易漏。 深度：根据垂深、水平位移、剖面类型等确定。垂深大、位移小，造斜点应深一些，
变向器 射流钻头
扶正器组合
固定扶正器组合 可调扶正器组合
目录
01 井眼轨迹的基本概念 02 轨迹测量与计算 03 直井防斜技术 04 定向井井眼轨道设计 05 造斜工具及轨迹控制
轨迹测量与计算
（一）测斜方法及测斜仪简介
目的：掌握井眼轨迹参数的测量、计算、轨迹绘图方法。
1.测量内容
井深Dm、井斜角α 、方位角φ 2.测斜仪分类
按工作方式分：单点式、多点式、随钻测量（有线、无线） 按工作原理分：磁性测斜仪（罗盘）、陀螺测斜仪（高速陀螺空间指向恒定）。
井眼轨迹的基本概念
（二）轨迹的计算参数
（1）垂直深度（垂深） 轨迹上某点至井口所在水平面的距离（D)。垂深增量称为垂增（ΔＤ）。
（2）水平投影长度（水平长度、平长） 轨迹上某点至井口的长度（井深）在水平面上的投影（LP)，水平长度的增量称
为平增（ΔLP）。
（3）水平位移（平移） 轨迹上某点至井口所在铅垂线的距离（S）。 或轨迹上某点至井口的距离在水平面上的投影。此投影线又称为平移方位线。 国外将水平位移称作闭合距。我国将完钻时的水平位移称为闭合距。
5钻井工程理论与技术_第5章井眼轨道设计与轨迹控制
(7)井眼曲率
井眼曲率：指井眼轨迹曲线的曲率。
有人称作“狗腿严重度”，“全角变化 率”。
由于实钻井眼轨迹是任意的空间曲线， 其曲率是不断变化的，所以在工程上常常 计算井段的平均曲率。
计算井眼曲率
“狗腿角”：对一个测段(或井段)来说，上、
下二测点处的井眼方向线是不同的，两条方向 线之间的夹角(注意是在空间的夹角)称为“狗 腿角”，也有人称为“全角变化”。
(7)在一个测段内，井斜方位角的变化的绝 对值不得超过180 °。在具体计算时，还
要特别注意平均井斜方位角Φc的计算方 法。
三、轨迹计算的方法
1．轨迹计算的顺序 轨迹计算的最终要求是算出每个测点的坐标值。
D1＝Do+∆D1 Lp1＝Lpo+∆Lp1 N1＝No+∆N1 E1＝Eo+∆E1 第0测点已知，即：Do＝Dmo，Lpo＝0，No＝0， Eo＝0。
方法一： 郑基英教
授
方法二： 美国
郑基英教 授
校正平均角法
第三节 直井防斜技术
按照设计轨道的不同，井可以分为两大 类：直井和定向井。
直井的轨迹控制称作直井防斜技术。
一、井斜的原因分析
地质因素 钻具因素。
1、地质因素
(1)地层可钻性的各向异性，即地层可钻性 在不同方向上的不均匀性。
(2)地层可钻性的纵向变化。
(3)地层可钻性的横向变化。
2．钻具原因
“底部钻具组合”(Bottom Hole Assembly，简称BHA)。
钻具的倾斜和弯曲将产生两个后果：一是引起钻头倾 斜，在井底形成不对称切削，新钻的井眼将不断地偏 离原井眼方向；二是使钻头受到侧向力的作用，迫使 钻头进行侧向切削，这样也将使新钻的井眼将不断地 偏 离原井眼方向。
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第五章井眼轨道设计与轨迹控制1．井眼轨迹的基本参数有哪些？为什么将它们称为基本参数？08答：井眼轨迹基本参数包括：井深、井斜角、井斜方位角。
这三个参数足够表明井眼中一个测点的具体位置，所以将他们称为基本参数。
2．方位与方向的区别何在？请举例说明。
井斜方位角有哪两种表示方法？二者之间如何换算？答：方位都在某个水平面上，而方向则是在三维空间内（当然也可能在水平面上）。
方位角表示方法：真方位角、象限角。
3．水平投影长度与水平位移有何区别？视平移与水平位移有何区别?答：水平投影长度是指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。
水平位移是指轨迹上某点至井口所在铅垂线的距离，或指轨迹上某点至井口的距离在水平面上的投影。
在实钻井眼轨迹上，二者有明显区别，水平长度一般为曲线段，而水平位移为直线段。
视平移是水平位移在设计方位上的投影长度。
4．狗腿角、狗腿度、狗腿严重度三者的概念有何不同？答：狗腿角是指测段上、下二测点处的井眼方向线之间的夹角（注意是在空间的夹角）。
狗腿严重度是指井眼曲率，是井眼轨迹曲线的曲率。
5．垂直投影图与垂直剖面图有何区别？答：垂直投影图相当于机械制造图中的侧视图，即将井眼轨迹投影到铅垂平面上；垂直剖面图是经过井眼轨迹上的每一点做铅垂线所组成的曲面，将此曲面展开就是垂直剖面图。
6．为什么要规定一个测段内方位角变化的绝对值不得超过180 ？实际资料中如果超过了怎么办？答：7．测斜计算，对一个测段来说，要计算那些参数？对一个测点来说，需要计算哪些参数？测段计算与测点计算有什么关系？答：测斜时，对一个测段来说，需要计算的参数有五个：垂增、平增、N坐标增量、E坐标增量和井眼曲率；对一个测点来说，需要计算的参数有七个：五个直角坐标值（垂深、水平长度、N坐标、E坐标、视平移）和两个极坐标（水平位移、平移方位角）。
轨迹计算时，必须首先算出每个测段的坐标增量，然后才能求得测点的坐标值。
8．平均角法与校正角法有什么区别？实际计算结果可能有什么差别？答：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）。
校正平均角法假设测段形状为一条圆柱螺线。
校正平均角法的计算公式是在平均角计算公式的基础上加入了校正系数。
9．直井轨迹控制的主要任务是什么？答：直井轨迹控制的主要任务就是要防止实钻轨迹偏离设计的铅垂直线。
一般来说实钻轨迹总是要偏离设计轨道的，问题在于能否控制井斜的度数或井眼的曲率在一定范围之内。
10．引起井斜的地质原因中最本质的两个因素是什么？二者如何起作用？答：最本质的两个因素是地层可钻性的不均匀性和地层的倾斜。
沉积岩都有这样的特征：垂直层面方向的可钻性高，平行层面方向的可钻性低。
在地层倾斜的情况下，当地层倾角小于45°时，钻头前进方向偏向垂直地层层面的方向，于是偏离铅垂线；当倾角超过60°以后，钻头前进方向则是沿着平行地层层面方向下滑，也要偏离铅垂线；当地层倾角在45°～60°之间时，井斜方向属不稳定状态。
11．引起井斜的钻具原因中最主要的两个因素是什么？他们又与什么因素有关？答：钻具导致井斜的主要因素是钻具的倾斜和弯曲。
导致钻具倾斜和弯曲的主要因素：首先，由于钻具直径小于井眼直径，钻具和井眼之间有一定的间隙。
其次，由于钻压的作用，下部钻具受压后必将靠向井壁一侧而倾斜。
12．井径扩大如何引起井斜？如何防止井径扩大？答：井眼扩大后，钻头可在井眼内左右移动，靠向一侧，也可使受压弯曲的钻柱挠度加大，于是转头轴线与井眼轴线不重合，导致井斜。
要防止井径扩大，首先要有好的钻井液护壁技术；其次可以抢在井径扩大以前钻出新的井眼。
13．满眼钻具组合控制井斜的原理是什么?它能使井斜角减小吗？08答：满眼钻具组合采用在钻铤上适当安装扶正器（近钻头扶正器、中扶正器、上扶正器、第四扶正器），采用扶正器组合的办法解决井斜问题。
满眼钻具组合并不能减小井斜角，只能做到使井斜角的变化（增斜或将斜）很小或不变化。
14．钟摆钻具组合控制井斜的原理是什么？为什么使用它钻速很慢？08答：钟摆钻具组合在钻柱的下部适当位置加一个扶正器，该扶正器支撑在井壁上，使下部钻柱悬空，则该扶正器以下的钻柱就好像一个钟摆，也要产生一个钟摆力。
此钟摆力的作用是使钻头切削井壁的下侧，从而使新钻的井眼不断降斜。
钟摆钻具组合的性能对钻压特别敏感。
钻压加大，则增斜力加大，钟摆力减小。
钻压再增大，还会将扶正器以下的钻柱压弯，甚至出现新的接触点，从而完全失去钟摆组合的作用。
所以钟摆钻具组合在使用中必须严格控制钻压，故钻速很慢。
15．定向井如何分类？常规二维定向井包括哪些？答：根据轨道的不同，定向井可分为二维定向井和三维定向井两大类，按照井斜角的大小，可将定向井分为三类：井斜角在15°～30°的属小倾斜角定向井；井斜角在30°～60°的属中倾斜角定向井；井斜角超过60°的属大倾斜角定向井。
常规二维定向井轨道有四种类型：三段式、多靶三段式、五段式和双增式。
16．从钻井工艺的角度看，定向井的最大井斜角是大点好还是小点好？答：在可能的条件下，尽量减小最大井斜角，以便减小钻井的难度。
但最大井斜角不得小于15°，否则井斜方位不易稳定。
17．多靶三段式与三段式有何区别？轨道设计方法有何不同？答：多靶三段式的轨道给定条件中，没有目标的水平位移。
多靶三段式在设计中需要求出目标点的水平位移，确定地面上的井位，所以被称为“倒推设计法”。
18．轨道设计的最终结果包括哪些内容？答：设计结果包括：井斜角/°、垂增/m、垂深/m、平增/m、平移/m、段长/m和井深/m。
19．动力钻具造斜工具有哪几种形式？他们的造斜原理有何共同之处？答：动力钻具又称井下马达，包括涡轮钻具、螺杆钻具、电动钻具三种。
动力钻具接在钻铤之下，钻头之上。
在钻井液循环通过动力钻具时，驱动动力钻具转动并带动钻头旋转破碎岩石。
动力钻具以上的整个钻柱都可以不旋转。
这种特点对于定向造斜非常有利。
20．螺杆钻具在定向井造斜方面有何优点？答：螺杆钻具的扭矩与压力降成正比。
压力降可从泵压表上读出，扭矩则反映所加钻压的大小，所以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，从而可以较为准确的求得反扭矩。
这是螺杆钻具在定向钻井应用中的突出优点。
21．变向器与射流钻头造斜原理有什么不同？它们能连续造斜吗？答：变向器是钻出小井眼扩眼并增斜来钻井的，射流钻头是利用一个大喷嘴中喷出的强大射流形成的冲击来造斜的，它们不能连续造斜。
22．BHA是什么意思？它有什么用途？08答：BHA（Bottom Hole Assembly）为靠近钻头的那部分钻具，称为“底部钻具组合”。
BHA是定向造斜的关健，通过它进行定向井轨迹控制。
23．轨迹控制的三个阶段的主要任务各是什么？答：（1）打好垂直井段。
在钻垂直井段时要求实钻轨迹尽可能接近铅垂线，也就是要求井斜角尽可能小。
（2）把好定向井造斜关。
如果定向造斜段的方位有偏差，则会给以后的轨迹控制造成巨大困难。
所以定向造斜是关键。
（3）跟踪控制到靶点。
从造斜段结束，至钻完全井，都属于跟踪控制阶段。
这一阶段的任务是在钻进过程中，不断了解轨迹的变化发展情况，不断地使用各种造斜工具或钻具组合，对井眼轨迹进行控制，原则就是既要保证中靶，又要加快钻速。
24．高边方向与装置方向线各是怎样形成的？这两条线是否处在同一平面上?答：我们假设造斜工具放在井内时不受井眼地限制，钻头将在井底地外面。
旋转钻柱，则钻头中心点将画出一个与井底圆同心地圆。
井底圆上地最高点与圆心的连线称为“高边方向线”，转头中心与圆心的连线称为“装置方向线”。
两条线都在井底平面上。
25．装置角有什么重要意义？当装置角等于240 时，井眼轨迹将如何发展？答：可以根据装置角算出钻具的高边，确定钻头的位置。
26．有了装置角为什么还要有装置方位角？它们之间有什么关系？答：装置方位角可以正确指出弯接头在井下的装置角的大小。
装置方位角是装置角与井斜方位角之和。
27．动力钻具反扭角是如何产生的？为什么反扭角总是使装置角减小？答：动力钻具在工作中，液流作用于转子并产生扭矩，传给钻头去破碎岩石。
液流同时也作用于定子，使定子受到一反扭矩。
此反扭矩将有使钻柱旋转的趋势，但由于钻柱在井口处是被锁住的，所以只能扭转一定的角度，此角度称为反扭角。
28．什么是定向？定向的目的和意义是什么？答：定向就是把造斜工具的工具面摆在预定的定向方位线上。
在扭方位计算中，我们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状况，以及使造斜工具的工具面正好处在预定的定向方位。
29．井下定向的工艺过程有哪些？答：井下定向法是先用正常下钻法将造斜工具下到井底，然后从钻柱内下入仪器测量工具面在井下实际方位；如果实际方位与预定方位不符，亦可在地面上通过转盘将工具面扭到预定的定向方位上。
30．定向键法是如何使测量仪器中罗盘的” 发线”与造斜工具的工具面对准？答：在测量仪器的罗盘面上有一个“发线”，在测量仪器的最下面有一个“定向鞋”，定向鞋上有一个“定向槽”，在仪器安装时使“发线”与“定向槽”在同一个母线上对齐。
当仪器下到井底时，定向鞋的特殊曲线将使定向槽自动卡在定向键上，从而使罗盘面上的发线方位能表示造斜工具的工具面方位。
31．无磁钻铤在定向中的作用是什么？什么情况下需要使用无磁钻铤？答：使用无磁钻铤是为了消除钻铤磁性对磁性测斜仪的影响。
在安装磁性测量装置的位置，应使用无磁钻铤。
32．水平井分类的依据是什么?为什么要分类？答：水平井的分类是根据从垂直井段向水平井段转弯时的转弯半径（曲率半径）的大小进行的。
因为各类水平井的曲率半径不同，钻井所用的设备、工具和方法不同，固井、完井方法也不一样。
33．水平井的难度主要表现在哪些方面？引起这些难度的原因是什么?答：（1）水平井的轨迹控制要求高，难度大。
要求高，是指轨迹控制的目标区要求高。
水平井的目标区是一个扁平的立方体，不仅要求井眼准确进入窗口，而且要求井眼的方位与靶区轴线一致，俗称“矢量中靶”。
难度大，是指在轨迹控制过程中存在“两个不确定性因素”。
一是目标垂深的不确定性；二是造斜工具的造斜率的不确定性。
这两个不确性的存在，对直井和普通定向井来说，不会有很大的影响，但对水平井来说，则可能导致脱靶。
（2）管柱受力复杂。
由于井眼的井斜角大，井眼曲率大，管柱在井内运动将受到巨大的摩阻，致使起下钻困难，下套管困难，给钻头加压困难；在大斜度和水平井段需要使用“倒装钻具”，下部的钻杆将受轴向压力，压力过大将出现失稳弯曲，弯曲之后摩阻更大；摩阻力、摩扭矩和弯曲应力将显著增大，使钻柱的受力分析、强度设计和强度校核比直井和普通定向井更为复杂；由于弯曲应力很大，在钻柱旋转条件下应力交变,将加剧钻柱的疲劳破坏。