第一讲 定向井轨迹基本概念
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计算井眼曲率
井眼从一个点到另一个点,井眼前进 方向变化的大小,称为方向变化角,用符 号γ表示:
K
L
目前,在国内外定向钻井工程中,有两 种表示井眼曲率的方法
一种是全角变化率:全角变化值γ
sin c
2 2 2
一种是狗腿严重度:狗腿角γ
cos cos1 cos 2 sin 1 sin 2 cos
另一种情况是根据内插的难易程度进 行选择。曲线内插的计算公式比直线内插 的公式要复杂得多。当内插工作量很大、 需要简化计算时,或者要求的内插精度不 很高时,可以选用直线法进行内插。
4)轨迹内插给定的条件
在一个测段(井段)内进行内插,需要
首先知道该测段两端点的基本参数(井深L、
井斜角a和井斜方位角Ф)和坐标值(垂深D、
给定的内插条件有两种情况:一是给定插 入点i的井深Li;二是给定插入点的垂深Di。则 可求得插入点距离上端点的井段长度△Li。和 垂增△Di。 如图1—4—2所示,可以得到一个通用的 计算公式:
(6)视平移
视平移:亦称投影位移,是水平位移在设 计方位线上的投影长度。视平移以字母V表 示。如图5—5所示,A、B二点的视平移分 别为VA、VB。 所谓设计方位线,是指在水平面上,井口 指向目标点的直线。 当实钻轨迹与设计轨迹偏差很大时甚至背 道而驰时,视平移可能成为负值。
(7)井眼曲率
井眼曲率:指井眼轨迹曲线的曲率。。 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。
垂深的增量称为垂增,垂增以ΔD表示 。 垂增ΔD=ΔDB—ΔDA
(2)水平投影长度
水平投影长度:简称水平长度或平长, 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。 水平长度的增量:称为平增。平长以字 母上表Lp示,平增以Δ Lp表示。 平长和平增在图 5—4中是指曲线的长度。
对一个测段来说,需要计算的参数有5个,即4 个坐标增量(△D,△S,△N,△E)和井眼曲率 K。 对一个测点来说,需要计算的参数有7个, 即5个直角坐标值(D,S,N,E,V)和两个极 坐标值(C,θ)。 显然,测点计算是目的,测段计算是关键。
所有计算方法对测点的计算都是一样的,它们的 区别仅仅在于测段的计算方法不同。所以我们在 给出不同计算方法的测段计算公式之前,先给出 统一的测点计算有关公式。 测点的称平移,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。此投影 线称为平移方位线。水平位移常以字母S表 示。如图5—5所示。
(4)平移方位角
平移方位角:指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。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。
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),井深常以 字母Dm或L表示,单位为米(m)。
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:某测点的井斜角等于该测点处的井 眼方向线与重力线之间夹角。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。
井斜角:α表示, 单位为度(º )。 井斜角的增量:以 Δα表示。 AB井段井斜角增量 为Δα=αA-αB。
(3)井斜方位角: 定义:某测点处的 井眼方向线投影 到水平面上,称 为井眼方位线, 或井斜方位线。 以正北方位线为 始边,顺时针方 向旋转到井眼方 位线上所转过的 角度,即井眼方 位角。
2.测段计算方法的多样性
我国钻井行业标准规定: • 手工计算时用平均角法; • 计算机计算时用校正平均角法。
1.平均角法 平均角法假设测段是一条直线,该直线的方向是上、 下两测点平均方向线。如图1—3—8所示,根据这种 假设,测段计算公式为:
2.校正平均角法
校正平均角法假设测段形状为一条圆柱螺线。 如图 5—11 所示,圆柱螺线在水平投影图上是圆弧。 圆柱螺线在圆柱面展平平面上也是圆弧,即垂直 剖面图是圆弧。根据这个假设推导的计算方法, 称为“圆柱螺线法”。这是我国著名学者郑基英 教授首先提出的。这种方法与美国人提出的“曲 率半径法”的公式表达不同,但计算结果是完全 相同的。
第一讲
定向井轨迹基本概念
第一节 井眼轨迹的基本概念
一、定向钻井定义 定义:使井身沿着预先设计的方向和轨迹钻达 目的层的钻井工艺方法。
二、轨迹的基本参数
(1)井深(Dm),又称斜深 (2)井斜角(α),单位为度
(3)井斜方位角(Φ)
(1)井深 (Dm) (1)井深 (Dm): 井深定义:指井口(通常以转盘面为基准)至
三、轨迹的图示法
目前,国内外工程上常用的图示法有两种: 1、投影图表示法:包括两张图:一张是水平 投影图,一张是垂直投影图 2、柱面图表示法:包括两张图:一张是水平 投影图,一张是垂直剖面图。
1.水平投影图
相当于机械制图中的俯视图,也相当于 将井眼轨迹这条空间曲线投影到井口所在 的水平面上。图中的坐标为 N 坐标和 E 坐 标,以井口为坐标原点。所以只要知道一 口井轨迹上所有各点的 N 、 E 坐标值就可 以很容易画出该井轨迹的水平投影图。
选择哪一种计算井眼曲率的方法: 美国等西方国家多采用狗腿严重度,而我国2000年 前的行来标准都规定采用全角变化率,2003年行业 标准则是狗腿严重度。 当转盘钻钻进的井眼轨迹接近于圆柱螺线,采用全角 变化率计算 扭方位钻进的井眼轨迹接近于斜面圆弧曲线,采用狗 腿严重度 井眼曲率的计算方法,应该与轨迹计算方法相匹配。
北南位移N和东西位移E)。
如图1-4-1所示,给定插入点的条件
有两种情况:
一种是给定Li,或△Li;
另一种是给定Di,或△Di
2.直线法内插 把一个测段假设为一条直线,已知该测 段两端点的坐标值为: 上端点:井深L1,、垂深D1、北南位移 N1、东西位移E1; 下端点:井深L2、垂深D2、北南位移N2、 东西位移E2。
(7)在一个测段内,井斜方位角的变化的绝对值不 得超过180o。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。
二、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。为此必须首先算出每个测段的坐标 增量,然后累加才能求得测点的坐标值。所 以轨迹计算分为测段计算和测点计算两部分 。
第二讲 定向井轨迹的测斜计算
一口井钻完后,我们需要知道井眼轨 迹的形状,需要知道是否打中了预计的目 标层。在实钻过程中,也需要及时了解已 钻井眼的轨迹形状,以便判断其发展趋势, 及时采取措施,进行轨迹控制。这就需要 进行轨迹测量,并根据测量数据进行轨迹 计算。这种轨迹测量,在工程术语中称作 测斜。 根据测斜数据计算井眼轨迹,称为 测斜计算。
所有的计算方法,具体计算都是从第1测段开 始,逐段向下进行的。由于第1测段的上测点 (第0测点)的坐标值是已知的,即D。=L。,S。 =0,N。=O,E。=0。这样,在算出第1测 段的坐标增量之后就可算出第1测点的坐标值。 第1测点既是第1测段的下测点,又是第2测段 的上测点。在求得第2测段的坐标增量之后,即 可计算第2测点的坐标值。
方法一: 郑基英教授
方法二: 美国
校正平均角法
三、定向井轨迹的内插和外推
(一)、井眼轨迹内插法 1.轨迹内插概述 1)轨迹内插的概念 前面我们讲过,在轨迹测量时(如图1—4—1), 只能测量每个测段两个端点(1,2)的基本参数, 而对两个端点之间的无数个点,我们是一无所知 的。当我们需要知道这些点的基本参数或坐标位 置时,可以用轨迹内插法求得。
目前广泛使用的磁力测斜仪器测得的井 斜方位角是以地球磁北方位线为基准的, 称为磁方位角。 磁北方位线与正北方位线并不重合,两 者之间的夹角,称为磁偏角。所以测斜 仪器测得的井斜方位角还需进行校正, 换算成真方位角。
校正井斜方位角
真方位与磁方位的换 算: 真方位角=磁方位角 +东磁偏角 真方位角=磁方位角 -西磁偏角
四、轨迹的计算参数
(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。
(1)垂直深度
垂直深度:简称垂深,是指轨迹上某 点至井口所在水平面的距离,垂深常以字 母D表示 ;
2.垂直剖面图
垂直剖面图的形式原理: 参看图5—7,设想经过井眼轨迹上每一 个点作一条铅垂线,所有这些铅垂线就构成了 一个曲面。这种曲面在数学上称作柱面。此曲 面有一个显著的特点,就是可以展平到一个平 面上。当此柱面展平时就形成了垂直剖面图。 实际的垂直剖面图并不是按照先作柱面然后展 平的办法得到。垂直剖面图的两个坐标是垂深 D 和水平长度上 Lp 或 S 。实际上,只要计算出 一口井轨迹上所有各点的垂深和水平长度就可 以很容易画出该井轨迹的垂直剖面图。
注意,正北方位线是指地理 子午线沿正北方向延伸的线段。 所以正北方位线和井眼方位线也 都是有向线段,都可以用矢量表 示。
• 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。 Δ Φ = Φ A- Φ B
“方向”与“方位”的区别
2)轨迹内插的用途 (1)在所有轨道设计中,当完成了测段计算 之后,需要进行分点计算时,可以根据内插原 理很快地完成分点计算; (2)一口井完钻并完成了全井轨迹测量计算 之后,需要进行中靶计算,在计算靶心距时, 需要根据内插原理求得中靶点的坐标; (3)在进行邻井距离扫描和丛式井防碰扫描计 算中,每一步扫描计算都可能用到轨迹内插来 求得扫描点的基本参数和坐标。
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)
西方国家表示井斜方位角通常使用象 限角,在Ⅰ, Ⅳ象限,用井斜方位线与正 北方位线之间的夹角表示;在Ⅱ, Ⅲ象限, 用井斜方位线与正南方位线之间的夹角表 示。象限角的值在0°~90°之间变化。
我们要在l一2井段内插入一个点i,首先要知道 1—2井段是什么形状的曲线。目前,在轨迹测 斜计算中,应用最多的假设曲线有3种:直线、 圆柱螺线和斜面圆弧曲线。本书将按照这3种 假设曲线分别给出内插计算公式。具体选用哪 种曲线进行内插,有两种情况:
一种情况是根据实钻井眼轨迹的钻 进方法进行判别。当采用转盘钻旋转钻进 时,钻出的井眼形状接近于螺旋曲线,此 时采用圆柱螺线进行内插比较合理;当采 用动力钻具带弯曲工具滑动钻进时,钻出 的井眼轨迹近似于空间斜平面上的曲线, 此时采用斜面圆弧曲线进行内插比较合理。 在任何情况下,把井段假设为直线,都是 不甚合理的。
一、对测斜计算数据的规定
测斜计算的依据,乃是测斜数据。 每个测点的测斜数据共有三项,即井深 (L)、井斜角(α)、井斜方位角 (β)。
(3)第0测点:根据测段编号的方法, 第1测段应该是第0测点与第1测点之间 所夹的测段。第0测点不是实测的,而是 人为规定的。当第1测点的井深大于25m 时,规定第0测点的井深比第1测点的井 深小25m,而且井斜角规定为零。当第1 测点的井深小于或等于25 m时,规定第 0测点的井深和井斜角均为零。
(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。 如图 5—4 所示, A 、 B 二点的水平坐标分 别为 NA 、 EA 和 NB 、 EB 。水平坐标可以有 增量,以ΔN、ΔE表示。