钻井轨迹控制基础知识

软地层
硬地层
硬地层
软地层
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（3）地层可钻性的横向变化 垂直于钻头轴线方向上可钻性的变化。 如：在钻头的一侧下面钻遇溶洞或较疏松的地层，而另
一侧则钻遇较致密的地层。
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2、钻具因素
主要原因是钻具的倾斜和弯曲。 引起钻头倾斜，在井底形成不对称切削。 使钻头受侧向力的作用，产生侧向切削。 “底部钻具组合”( Bottom Hole Assembly )，简称BHA 。 导致钻具倾斜和弯曲的原因： 钻具和井眼之间有一定间隙。 钻压的作用，钻柱受压靠近井壁或发生弯曲。
第五章
井眼轨道设计 与轨迹控制
1
薄油层开发
油层薄，中靶难
需要有合适的角度，才 能达到矢量入靶
角度偏大
角度偏小
2
薄油层开发
井眼轨迹在油层最佳位置穿行难
层薄，地层倾角变化，有时上翘或下倾
精确控制几千米远的钻头走向难度大
3
4
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。 井眼轨迹：一口井实际钻成后的井眼轴线形状。 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。
注意：公式中的 Δα和
Δφ 的 单 位，求三角函
数时用（°），其它 情况下用弧度。
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（3）曲率半径法
美国人也曾提出了以圆柱螺旋线为模型的测段参数计算方 法，称之为曲率半径法。其计算结果与圆柱螺旋线法相同。只
是计算公式的表达形式不同。
曲率半径法测段计算公式：
Dm (sin i sin i 1 ) Dm (cos i 1 cos i ) L p Dm (cos i 1 cos i )(sini sin i 1 ) N Dm (cos i 1 cos i )(cosi 1 cosi ) E D
其中：
2 fD 1 24 2 2 fH 1 24
注意：以上二式中的Δ α 和Δ φ 的单位为弧度。
测段计算公式与平均角法公式的形式相似，只是在平均角法公 式的基础上乘以校正系数fD和fH，因而称之为校正平均角法。
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第三节
井斜的危害：
直井防斜技术
1、在地质勘探方面：造成地质资料失真；打乱合理的地 下井网和开发方案。
2
180
i i 1 180时，
i i i 1 360
c
i i 1
2
180
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三．轨迹计算方法
1、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 。 2、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 。
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。
最小曲率法
假设测段为平 面圆弧，圆弧 在两端处与上 、下测点方向 相切。 27
4、计算方法 （1）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：
(4) 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
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二．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（Δ Ｄ）。 (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（Δ L）。 (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。
作图简便。
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三．井眼轨迹的图示法
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 。
5
二维
三维
6
概述：
直井用途：油田开发和勘探。有井斜限制要求。 定向井用途： 1.地面环境条件的限制 高山，湖泊，沼泽，河流，沟壑，海洋，农田或重要的 建筑物等。 2.地下地质条件的要求 断层遮挡油藏、薄油层、倾角较大的地层钻进等。 3.处理井下事故的特殊手段 井下落物侧钻、打救援井等。 4.提高油藏采收率的手段 钻穿多套油气层、老井侧钻等。
０测点的井深和井斜角均为零。
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4．若αi= 0，则计算第i 测段时，φ i= φ
i-1；计算第
i+1测段时，φ i=φ i+1 。
5．在一个测段内，井斜方位角变化的绝对值不得超 过180°。
i i 1 180时，
i i i 1 360
c
i i 1
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第二节
一．测斜方法
轨迹测量及计算
目的：掌握井眼轨迹参数的测量、计算、轨迹绘图方法。
1、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）。 2、测量内容 井深Dm、井斜角α 、方位角φ 。
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二．对测斜计算数据的规定
钻具本身弯曲；转盘安装不平、井架安装不正等。
3、井眼扩大
钻头在井眼内左右移动，靠向一侧，钻头轴线与井眼 轴线不重合，导致井斜。
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二．满眼钻具组合控制井斜
由钻具引起井斜的原因可归结为： ①．钻头对井底的不对称切削； ②．钻头轴线相对于井眼轴线发生倾斜； ③．钻头上的侧向力导致对井底的侧向切削。 解决这些问题的方法之一是让钻具填满井眼，即： 满眼钻具组合。 基本原理： 增大下部钻具组合的尺寸和刚度，近似“填满井眼 ”，防止钻柱弯曲和倾斜。 方法： 在下部钻具适当位置上安装3～4个扶正器。 扶正器尺寸：Δd=dh-ds=1.0 ～2.0 mm
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。
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(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 )： 下测点井斜角与上测点 井斜角之差。
30 平均曲率: K c Dm
狗腿角（γ ）的计算： Lubinski公式：
cos cos A cos B sin A sin B cos(B A )
钻井行业标准计算公式：
2 2 sin 2 c c A B
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，（°）。
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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。
(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。
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(7) 井眼曲率K（“狗腿严重度”、“全角变化率”）： 指井眼轨迹曲线的曲率。
沉积岩特性：垂直层面方向的可钻性高，平行层面方向
的可钻性低。 钻头总是有向着容易钻进的方向前进的趋势。地层 倾角小于 45°时，钻头偏向垂直地层层面的方向。地层 倾角超过 60°时，钻头沿着平行地层层面方向下滑，地 层倾角在45°～60°之间时，井斜方向属不稳定状态。
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一．井斜的原因
1、地质因素 （2）地层可钻性的纵向变化 地层倾斜且软硬交错，钻头偏向垂直地层层面方向。
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地面环境条件限制
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地下地质条件要求
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处理井下事故
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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”。 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）
井口(通常以转盘面为基准)至测点的井眼长度。
注意：圆柱螺旋线法 和曲率半径法的公式 ，在分母位置上都有 Δα和Δφ（单位为弧度 ）。这两个增量中任 一个或同时为零时， 都需要另选公式计算 。
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（4）校正平均角法 我国钻井行业标准规定使用的方法（校正平均角法）： 测段计算公式： D f D Dm c o cs
L p f D Dm s i c n N f H Dm s i c nc o c s E f H Dm s i c ns icn