定向井轨道设计基础

轨 道 设 计
一． 井身轨道设计方法
(一) 定向井/水平井两维剖面设计方法和设计类型选择
1．前言：
常规定向井/水平井剖面类型有十一种，每一种类型的设计方法又很多。

过去大多数文献介绍的剖面类型不全面、设计方法也很单一，公式复杂，不利于编制计算机程序和实际设计工作。

本章介绍了各种剖面类型和各种设计方法的统一的数学模型，具有系统性、全面性，简洁、明了，对于研究定向井/水平井的剖面设计和实际编程应用都具有积极的指导意义和实际价值。

2．剖面设计方法：
把最具有一般性的无段制剖面作为基本剖面，在此基础上，选择和改变一些参数，可变成多种剖面类型。

下面就介绍各种剖面的选择和设计方法。

如图（2）在地质给定的靶点坐标和井口坐标，确定和计算如下基本剖面参数： H 1---第一靶点垂深，m
V 1---第一靶点水平位移，m
H 2---第二靶点垂深，m
V 2---第二靶点水平位移，m
H e ---降斜终点垂深，m （一般选择在第一靶点上30~50m ）
L---稳斜段长度，m
R 1---第一增斜段曲率半径，m
R 2---第二增斜段曲率半径，m
H z --造斜点垂深，m
α1---第一增斜段终点井斜角，°
最终井斜角α2 ，单位°
降斜终点位移V e
规定：当H 2=H 1时，H e =H 1，V e =V 1，H e -H z =ΔH
2
122121
22)()(V V H H H H -+--=α1
21211)
)((H H V V H H V V e e ----=2
1R R R +=
(1) 选择H z 、R 1、R 2，求α1、L
令：
解剖面方程得：
（2）选择R 1、R 2、α1，求：H z 、L
解剖面方程得：
（3）选择R 1、R 2、L ，求：H z 、α1
解剖面方程得：
令：
则：
2
21cos αR R V A e --=A
R R A B B arctg --+-=2
2212α2
2sin αR H B +∆=1
1cos sin ααB A L +=1
2121112211)cos (cos )cos 1()
sin (sin sin αααααααtg R R V R R H H e e z -+----+-=1
12211sin )cos (cos )cos 1(αααα----=R R V L e 2
21cos αR R V C e --=2
2cos αR H D e +=
（4）选择R 1、H z 、α1，求：R 2、L
解剖面方程得：
（5）选择R 1、α1、L ，求：R 2、H z
根据剖面方程直接求得：
（6）选择H z 、R 1、L ，求：R 2、α1
解剖面方程得：
令：
R
C C R L L arctg --+-=2
2212α1
1cos sin ααL R D H z --=)
cos 1(11α--=R V E e 1
1sin αR H F -∆=)
cos(2cos cos sin 121112ααααα+--=E F R 1
122sin )cos (cos ααα--=R E L 1
21112cos cos sin )cos 1(αααα----=L R V R e )
sin (sin cos sin 212111αααα----=R L R H H e z 2
121cos sin ααR L R V G e ++-=
则：
（7）选择R 2、H z 、α1，求：R 1、L
根据剖面方程直接求得：
（8）选择R 2、L 、α1，求：R 1、H z
根据剖面方程直接求得：
（9）选择R 2、L 、H z ，求：R 1、α1
2
21cos sin ααL R H I ++∆=212sin )(cos ααR V H L J e --∆+=I J L
G arctg --=21α1
21112cos cos sin )cos 1(αααα----=L R V R e []1
212111cos 1)cos(1cos sin ααααα-----∆=R V H R e 1
12211sin )cos (cos )cos 1(αααα----=R R V L e 1
12211cos 1)cos (cos sin αααα----=R L V R e )
sin (sin cos sin 212111αααα----=R L R H H e z
解剖面方程得：
令：
N=M
则：
（10）选择H z 、L 、α1，求：R 1、R 2
解剖面方程得：
令：
则：
3．剖面类型和设计方法的选择：
在各种设计中，每种方法的选择项内，凡是有R 1、R 2、L 的可以分别取“0”或都取
)
cos 1(12α-+=R V K e 2
2sin αR L H M ++∆=)(
21801K
M arctg -︒=α1
12121cos 1cos sin ααα-+--=R L R K R 1
sin αL V P e -=1
cos αL H Q -∆=1
1221cos 1)cos (cos ααα---=R P R )
sin(sin sin sin )cos 1(2121112αααααα-+---=P Q R
“0”，R2还可以取“-”值；V2、V e、α2也可以分别取“0”或都取“0”，这样就可以在基本剖面的基础上形成多种剖面。

如：
当R2取“-”时，降斜段为增斜段；
当R2=0时，无降斜段；
当L=0时，无稳斜段；
当α2=0时，最后一段为直井段；
当V2-V e=0时最后一段没有；
当R2=0，L=0，V2-V e=0时是“直—增”剖面等等。

总之，可形成四大剖面类型：
（1）直—增—稳—降（增）—稳（直）剖面
设计方法（1）~（10）
（2）直—增—降（增）—稳（直）剖面
设计方法（2）、（5）、（6）、（8）、（9）、（10）
（3）直—增—稳剖面
设计方法（1）、（2）、（3）、（7）、（8）、（9）
（4）直—增剖面
设计方法（3）、（8）、（9）。

二．待钻井眼的井身剖面设计
当实钻轨迹（坐标位置或井眼方向矢量）偏离设计线时，要进行轨迹中靶预测或直接进行待钻井眼剖面设计，也叫随钻修正设计或纠偏设计。

下面就对两维剖面的的待钻井眼进行设计研究，如图（3）所示，目前井底点P，其参数如下：
ΔH—距目标点的垂深差，垂增，（m）；
ΔA—距目标点的位移差，平增；（m）
αP—P点的井斜角，（°）
K—待钻井眼的井斜变化率，（°/100m）
R—待钻井眼曲率半径，（m）
L—待钻井眼稳斜段长，（m）
α—待钻井眼最终井斜角，（°）
当选定K（R）时，可求得α和L。

令：E=ΔH+RsinαP
F=ΔA-RcosαP
则：
F R R
F
E
E
arctg
--
+
-
=
2 2
2 2
α
讨论：
（一）当E 2+F 2-R 2=0时无稳斜段；
（二）当E2+F2-R2＜0时须降斜，取K 为负值；
（三）当R-F=0时，
三．定向井/水平井工程设计简介：
定向井/水平井工程设计内容主要包括：
（一）钻井主要设备：
1．钻机系统：包括规格、功率、最大负荷等。

2．井架：型号、负荷、高度、补心高等。

3．泥浆泵：型号、功率、最高压力等。

4．动力设备：柴油机、发电机、压风机、顶驱等设备的型号、功率、台数、负荷
等。

5．固控设备：罐类、振动筛、除沙器、除泥器、沙泵等设备的型号、功率、个数、
性能等。

6．井控设备：封井器、控制系统、节流管汇等设备的型号、耐压、等性能。

（二）井身结构：
开钻次数、井眼尺寸×井深、 套管层次、套管尺寸×井深、口袋要求、水泥返高等内容。

（三）轨道剖面设计：
1．关键点（段）数据
2．完整剖面数据表
3．计算有关磁参数。

（四）送井钻具：
1．钻铤、钻杆、无磁钻杆（钻铤）、加重钻杆、各类接头等；
2．特殊工具：动力钻具、振击器、键槽破坏器、水力加压器等；
3．稳定器、钻具保护器、减阻接头等。

（五）钻具组合、钻进参数、主要技术措施等。

（六）井下安全技术措施，事故提示和预防。

（七）套管串结构、要求和固井技术措施。

E
F arctg 2=α。