钻井工程1213井眼轨道设计与轨迹控制
钻井工程：第五章 井眼轨道设计与轨迹控制说课讲解
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。
中国石油大学(北京)油气井工程考研复习总结：第5章井眼轨道设计和轨迹控制
第五章井眼轨道设计和轨迹控制1、井眼轨道：一口井开钻之前，预先设计的井眼轴线形状。
井眼轨迹：一口井实际钻成后的井眼轴线形状。
2、井眼轨迹的基本参数（99、00、02、03、04、08）①井深：井口至测点的井眼长度。
②井斜角：指井眼方向线与重力线之间的夹角。
③井斜方位角：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向线上所转过的角度。
井眼方位线：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。
3、磁偏角（04、05）：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4、井眼轨迹的计算参数①垂直深度D （垂深）：轨迹上某点至井口所在水平面的距离。
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。
③水平位移S （平移）：轨迹上某点至井口所在的铅垂线的距离。
④平移方位角θ：平移方位线所在的方位角。
⑤N 坐标和E 坐标：南北坐标轴，以正北方向为正；东西坐标轴，以东北方向为正。
⑥视平移V ：水平移在设计方位线上的投影长度。
⑦井眼曲率K （03）：指井眼轨迹曲线的曲率。
mc D K ∆=/30γ狗腿脚（08）：上下二测点的两条方向线之间的夹角（空间夹角）。
5、井斜的原因（02、04）⑴地质因素：地层倾斜和地层可钻性不均匀①地层可钻性各向异性因素；②地层可钻性的纵向变化；③地层可钻性的横向变化。
⑵钻具因素：钻具的倾斜和弯曲①引起钻头倾斜，在井底形成不对称切削；②使钻头受侧向力作用，产生侧向切削。
⑶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。
6、导致钻具倾斜和弯曲的原因⑴钻具和井眼有一定的空隙；⑵钻压的作用，钻柱受压靠近井壁或发生弯曲；⑶钻具本身的弯曲，转盘安装不平、井加安装不正等。
7、底部钻具组合BHA （Bottom Hole Assembly ）（06）：靠近钻头的那部分钻具的总称。
井眼轨迹设计与控制方法
井眼轨迹设计与控制方法
1.地层条件：在设计井眼轨迹时需要考虑地层的性质、构造、压力等因素，以确定适合的钻井方法和工具。
2.钻井目标：包括井筒垂直深度、水平延伸距离、井眼倾斜角度等，根据具体的钻井目标确定井眼轨迹设计方案。
3.施工能力：包括钻机能力、钻具能力等，确保能够实施设计的井眼轨迹。
静态方法是指在井眼轨迹设计之前，先进行地质勘探和数据分析，结合已有的地层数据、水力地质条件等，通过计算机辅助工具进行模拟和优化设计，得到最优的井眼轨迹。
动态方法是指在钻井过程中，根据实时的地质、钻井工程和测井数据进行调整和优化井眼轨迹。
常用的方法有测井导向、地磁地力导航、地震导向、连续测定和微地震测定。
井眼轨迹的控制方法主要包括两个方面：一是井眼测定和测量，二是实时调整和控制。
井眼测定和测量是指通过各种测量工具，如测深、倾斜度、方位角、动力学参数等，对井眼轨迹进行测量和测定，从而获得井眼的实际情况。
实时调整和控制是指根据井眼测量和测定的结果，通过相应的调整控制方法，按照设计要求对井眼轨迹进行调整和控制。
常用的控制方法有钻头定向工具、定向套管、钻井液调整、堵漏、裸眼控制等。
总的来说，井眼轨迹设计与控制方法是一个复杂且关键的过程，需要综合考虑地层条件、钻井目标和施工能力等因素，并结合静态和动态的设
计方法，以及井眼测定和测量、实时调整和控制方法，确保钻井工程的安全和顺利进行。
井眼轨迹设计与控制方法
水平位移增量Δ Sh (m):
f Δ Shab =R1(1-cos α 水平位移Sh(m):
m
)=206.03
R2
αe
h
αm o2
αe
Sho Sh
Shb = Δ Shab = 206.03 g e
t She 段长Δ l(m): Δ lab= R1α
m
/57.3=607.65
井深Dw(m) :
Dwb = Dwa + Δ lab =1007.65
o Dkop a R1 αm o1
井段：b—c 最大井斜角:40.51 ° 方位角: 30° 垂直井深增量Δ D(m): Δ Dbc=De - Dkop - Δ Dab - Δ Dcd =1156.76 垂直井深D(m): c Dc = Db+ Δ Dbc =2115.07 水平位移增量Δ Sh (m): f R2 αe Δ Shbc = Δ Dbc tgα m=988.32 水平位移Sh(m): Shc = Shb + Δ Shbc = 1194.35
第三章 井眼轨道设计与控制
井眼轨道
直井：设计井眼轴线为一铅垂线，其井斜角、井底水平位移和全角变化率均 在限定范围。 定向井：沿着预先设计的井眼轨道，按既定方向偏离井口垂线一定距离，钻 达一定目标的井
普通定向井：一个井场内仅有1口最大井斜角小于60°的定向井。
斜直井：用斜直钻机或斜井架完成，自井口开始井眼轨道一直是一段斜井段的定向 井。
k
De
D Do j i
b αm
h
αm o2
αe
Sho Sh
g
e
t She
段长Δ l(m): Δ lbc= Δ Shbc /sin α
(完整版)井眼轨道设与轨迹控制
3．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 。
第二节 轨迹测量及计算
假设井段 假设测段为 为直线， 圆柱螺线， 其方向为 螺线在 上、下测 两端点处与 点方向的 上、下两测 “和方向” 点方向相切
假设测段为 平面圆弧， 圆弧在 两端点处与 上、下两测 点方向相切
(四)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：
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。
关于校正平均角法的推导：
在曲率半径法的基础上，进行三角变换：
sin i
sin
i1
2sii1
2
2sin2 cosc
一．井斜的原因
地质因素，钻具因素。
(四)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 。
(五)在一个测段内
井斜方位角变化的绝对值不得超过180°。
φi-φi-1>180°时， Δφi=φi-φi-1-360° φc=(φi+φi-1)/2-180°
φi-φi-1<-180°时，Δφi=φi-φi-1+360° φc=(φi+φi-1)/2+180°
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：
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)
井眼轨迹设计与控制方法
井眼轨迹设计与控制方法井眼轨迹设计与控制方法是指在石油工程领域中，为了实现最佳的钻井效果，需要设计合适的井眼轨迹，并通过控制方法来实施钻进操作。
井眼轨迹设计和控制方法的目的是确保井眼能够贯穿目标层，并达到钻井目标。
以下是井眼轨迹设计和控制方法的一般步骤和原则。
1.收集地质和地下信息：了解地质和地下条件对井眼轨迹设计的影响，包括地层构造、断层、岩性、陷落带等信息。
通过地质勘探技术，如地震勘探、测井等方法获得地下信息。
2.考虑钻进目标：确定钻井目标并制定井眼轨迹设计的目标，包括垂直井、平曲井、S型井、水平井等。
3.选择合适的钻头和井壁稳定措施：根据地层岩性和井眼设计目标，选择适当的钻头和井壁稳定措施，以减少钻井风险。
4.采用合适的井眼轨迹设计软件：使用井眼轨迹设计软件，根据地质和目标要求，进行井眼轨迹设计。
软件可以根据用户的输入参数，提供最佳的井眼轨迹设计方案。
5.优化井眼轨迹设计：根据设计的井眼轨迹，进行优化，以满足目标要求、降低钻井风险和成本。
6.完善设计：进行设计审查并完善井眼轨迹设计。
井眼轨迹控制方法的原则如下：1.根据地质情况进行实时调整：在钻井过程中，根据地质情况和实时测井数据，适时调整井眼轨迹设计。
控制方法可以包括调整钻头类型、调整钻井液密度等。
2.使用工具进行测量和记录：使用相关测量工具，如测井仪器、鱼雷测井等，对井眼轨迹进行实时测量和记录。
这些测量数据可用于分析地层情况和优化井眼轨迹设计。
3.采用适当的工具和技术：选择合适的工具和技术，如导航仪器和测量工具，帮助实施井眼轨迹控制。
这些工具可以提供准确的测量数据和实时导航。
4.数据分析和反馈：通过分析测量数据和井斜数据，对当前井眼轨迹进行评估和反馈。
根据评估结果，进行必要的调整和控制。
5.培训和提高技能：培训钻井工程师和工人，提高其井眼轨迹设计和控制的技能水平。
这样可以确保钻井操作的安全和高效。
总之，井眼轨迹设计和控制方法是确保钻井工程顺利进行的重要环节。
钻井工第十章井眼轨道设计与轨迹控制
• 测量原理为：
利用安装在测斜仪器内的加速度计和磁通门磁力计可测量出x、 y、z方向地球重力加速度分量，测量出x、y、z方向的地磁分量，
并可由这些测量值计算出井斜角、方位角以及工具面角等参数。
安装在测斜仪器内的加速度计和磁通门
• 使用ESS时的要求：（1）检查水眼，不能小 于仪器外径。（2）井下正常才能测斜。投测 时，钻具内必须灌满泥浆。（3）根据井下测 量时间及温度，选用合适的电池。（4）当仪 器在地面组装并开动定时器时，秒表也要同时 开动，秒表与定时器同步以使操作人员准确地 知道何时测量和测量的次数。起钻时在起出一 柱卸扣时，要卡紧液压大钳的下钳头，保证井 下钻具静止，同时记准时间，以方便读取数据。 （5）每次测量时，对仪器检查。应检查一下 磁磁倾角、重力加速度计总值、磁通门总值是 否正常。若不正常，则可能仪器损坏或仪器未 进无磁，受到钻具的磁干扰。（6）要算准井 深。(7)投测多点时，探管底部要放置弹簧，防 止悬挂胶棒震断损坏仪器。（8）测完后，取 出电磁筒中的电磁，清洁仪器各部分。
O
N（i） E（j）
r
D（k）
25
第一节 井眼轨迹的基本概念
二、轨迹的计算参数
r=Ni+Ej+Dk
l
N ( l ) =0sin α cos φ d l ⎫ ∫ l E ( l ) =0 ∫ sin α sin φ d ⎬ l l D ( l ) =0 ∫ cos α d l
d 2 r d r2 2 K b =d l 2 l d
第二节 轨迹测量及计算 一、测斜方法
3、磁性测斜仪的工作原理
仪器内主要由井斜刻度盘、罗 盘、十字摆锤、照明和照相系统组 成。罗盘的S极始终指北。 （1）井斜角的测量
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
第5章 井眼轨道设计与轨迹控制
Di
Ei Ei1 Ei
Si
N
2 i
Ei2
D
i tan1(Ei / Ni（) Ni 0)
0
i 180 tan1(Ei / Ni（) Ni 0)
Vi Si cos(0 i )
i 1，2，...，n
(Di-1,Lpi-1)
(Di, Lpi)
N
0 Vi i
目标点方位线
(Ni-1,Ei-1)
4．若αi= 0，对第i测段取：φi=φi-1；对第i+1测段取：φi+1=φi 。 5．在一个测段内，井斜方位角变化的绝对值不得超过180°。
φi-φi-1>180°时， Δφi=φi-φi-1-360° φc=(φi+φi-1)/2-180°
φi-φi-1<-180°时，Δφi=φi-φi-1+360°
(7)狗腿角γ与井眼曲率K
★ 狗腿角γ（全角变化）： 轨迹上两点间的井眼方向变化的角度（两点的井眼Biblioteka 向线的夹角）。ADma
a
a
K
ΔD m
N
a’
－N
a
E
21
二、轨迹的计算参数
计算方法：
★ 狗腿角γ
◆ Lubinski公式： cosγ=cosαA·cosαB + sinαA·sinαB·cos(φB-φA)
方位角以字母φ表示，单位为度（°）。 方位角增量：下测点井斜方位角与上测点 井斜方位角之差。用Δφ表示。
Δφ ＝φB－φA
16
第一节 井眼轨迹的基本概念
一、 轨迹的基本参数 二、 轨迹的计算参数 三、 轨迹的图示方法
17
二、轨迹的计算参数
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。
第五章井眼轨道设计与轨迹控制
二维
三维
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。
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：
根据电缆长度或钻柱 长度。
二．对测斜计算数据的规定
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) 。
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
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。 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。
钻井工程-12-13-井眼轨道设计与轨迹控制
b 2 arctan ( De Dmw ) / 2 Re Se
（1）三段式
• 给定
Dt , St ,0 , Dkop , b ，计算 K z , Dmw
Rz ( Dt Dkop St / tan b ) /tan( b / 2) K z 1719/ Rz Dmw ( Dt Dkop Rz sin b ) / cos b
• 给定 Dt , St ,0 , K z ,b ， 计算 Dkop , Dmw
Dkop Dt St / tan b Rz tan( b / 2)
Dmw ( Dt Dkop Rz sin b ) / cos b
（2）多靶三段式 给定： Dt , Dkop , K z ,0 , t , Dmm 计算： St , Dmw , b ; （ 倒推设计法 ）
（4）双增轨道的第二增斜段
Dzz Rzz (sin t sin b ) S zz Rzz (cos b cos t ) Dmzz Rzz ( t b ) / 180
（关键参数）已求出（5）目标段 （已知条件） （2）稳斜段
Dmw DW Dmw cos b S w Dmw sin b
材图5-20、5-21、5-22、5-23 中的标注，尤其是
应注意不同轨道时的
Dt
和
St
的取值。
6 、井段计算及设计结果表示
对每个井段计算出段长、垂增、平增三个参数。
（1）增斜段
Dz Rz sin b S z Rz (1 cos b ) Dmz Rz b / 180
• 特殊工艺井控制井斜和方位，使轨道和轨迹相一致。
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。
【资料】钻井工程-12-13-井眼轨道设计与轨迹控制汇编
（3）有利于采油工艺的要求：
尽量减小井眼曲率，以改善油管和抽油杆的工作条件。
尽量以较小井斜角的直井段（斜直或垂直）进入油气 层，以利于安装电潜泵，坐封封隔器及其他井下作业。
2、 轨道类型
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 双增式
二维定向井轨道形状
3、设计条件、内容及步骤
b 2arctan(De Dmw) /2Re Se
（1）三段式
• 给定 Dt,St,0,Dk o, p b，计算 Kz,Dmw
Rz (Dt Dk opSt/tanb)/tanb(/2)
Kz 171/R9z
Dmw(Dt Dk opRzsinb)/cosb
• 给定 D t,St,0,Kz,b， 计算 Dkop,Dmw
则： 由：
tan
b
Se D e R e tan
b 2
2 tan( b )
tan
b
1 tan
2 2( b )
2
得： tan b D e
D
2 e
S
2 e
2 R eS e
2
2Re Se
D mw
D
2 e
S
2 e
2 R eS e
（2）计算各井段参数
增斜段： 稳斜段： 降斜段： 目标段：
D z R z sin b
钻井工程-12-13-井眼轨道设计 与轨迹控制
第1节 定向井井眼轨道设计
常规定向井： 大斜度井： 水平井：
b 15 ~60 b 60 ~85
b 90
b —最大稳斜角
上翘井：
b 90 ~120
大位移井： 水平位移与垂深之比大于 2.0
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1节 定向井井眼轨道设计
常规定向井： 大斜度井： 水平井：
b 15 ~ 60 b 60 ~ 85
b 90
b —最大稳斜角
上翘井：
b 90 ~ 120
)2得： tan Nhomakorabea De De2 Se2 2ReSe
2
2Re Se
Dmw De2 Se2 2ReSe
（2）计算各井段参数
增斜段： 稳斜段： 降斜段： 目标段：
Dz Rz sin b
S z Rz (1 cosb )
Dmz
Rz b
180
Dw Dmw cosb
Sw Dmw sin b
钻井工程
井眼轨道设计与轨迹控制
中国石油大学（北京） 2012年11月15日
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锤面上的曲线。 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。
（1）设计条件 由地质、采油部门提供的要求：
• 目标点位置：Dt , St ,0 • 目标段位置：Dt , St , Dmm,t ,0
由钻井工程要求和设计原则确定的数据：
造斜点深度 Dkop 井眼曲率 K
（2）设计内容及步骤
• 选择轨道形状：
给定 Dt , St ,0 ，选用三段式；
给定 Dt , St , Dmm,t ,0 ，选用五段式或多靶三段式；
Dn Rn (sin b sin t )
Sn Rn (cos t cosb )
Dmn
Rn ( b
t
)
180
Dt Dmm cost
Sm Dmm sin t
5、不同轨道类型的关键参数的计算
造斜段井眼曲率半径
计算公式：
R
30
Kc
180
1719 Kc
Kc 的单位为 (/ 30m), R(m)
（1）三段式
轨道形状简单，尽量保证较长的直井段，容易实现钻进 尽量减小最大井斜角，以便减小钻井难度
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度，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，避免长稳斜段； 垂深小、位移大、造斜点应浅一些，减小定向施工工作量。
给定 Dt , St ,0 , Dkop , Kz 时，计算 b , Dmw
De Dt Dkop
Se St Re Rz Dmw (De2 Se2 2ReSe )0.5
b 2 arctan(De Dmw ) /2Re Se
（1）三段式
• 给定 Dt , St ,0, Dkop ,b，计算 Kz , Dmw
给定 Dt , St , Dmm,t ,0 ，且 t 较大，用双增式。 • 确定造斜点位置 Dkop，造斜率 Kz ，降斜率 Kn ， 第二
造斜率 Kzz ；
• 计算关键参数：最大井斜角b ，稳斜段长度 Dmw ；
• 计算各井段井身参数： D, S, Dm • 绘制垂直剖面图和水平剖面图。
4、轨道的设计计算： 以五段式轨道为例，
Rz (Dt Dkop St / tanb ) /tan(b / 2)
Kz 1719/ Rz
Dmw (Dt Dkop Rz sinb ) / cosb
• 给定 Dt , St ,0, Kz ,b ， 计算 Dkop , Dmw
Dkop Dt St / tanb Rz tan(b / 2) Dmw (Dt Dkop Rz sinb ) / cosb
dT —动力钻具直径，mm ； f —安全间隙值，软地层 f =0 ; 硬地层 f = 3~6 mm 。
保证下套管顺利及考虑套管的弯曲强度：
Kcm
114.58*105
c1c2 Edc
s
K cm —下套管允许最大曲率，0/100m； E —钢材弹性模量，Pa ；
dc —套管外径， mm ； s —套管钢材屈服极限， Pa ； c1 —安全系数，1.2~1.25 ； c2 —丝扣应力集中系数， 1.7~2.5 。
大位移井： 水平位移与垂深之比大于 2.0
一、定向井轨道分类
二维定向井：常规二维定向井-井段形状由直线和圆弧线组成。
非常规二维定向井：除直线和圆弧曲线外，还有 特殊曲线，如：悬链线、二 次抛物线等。
三维定向井：纠偏三维定向井，绕障三维定向井。
二、常规二维定向井轨道设计
1、设计原则 （1）能实现钻定向井的目的 （2）有利于安全、优质、快速钻井
Dmm
c os t
Rn
s in t
(Rz
Rn
)
tan
b
2
令： 则： 由：
Se St Dmm sin t Rn (1 cost )
De Dt Da Dmm cost Rn sin t
Re Rz Rn
tan b
De
Se Re tan
b
2
2 tan( b )
tan b
1
2
tan 2 (b
已知： Dt , St , Dmm,t ,0, Dkop , Kz , Kn
（1）计算关键参数：b , Dmw （如图）
tanb
fg ef
Dt
Da
St Dmm sint Rn (1 cost )
Rz
tan b
2
Rn
tan b
2
Dmm
c os t
Rn
s in t
Dt
Da
St Dmm sint Rn (1 cost )
（3）有利于采油工艺的要求：
尽量减小井眼曲率，以改善油管和抽油杆的工作条件。
尽量以较小井斜角的直井段（斜直或垂直）进入油气 层，以利于安装电潜泵，坐封封隔器及其他井下作业。
2、 轨道类型
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 双增式
二维定向井轨道形状
3、设计条件、内容及步骤
选择合适的井眼曲率：
Kc 小，造斜段长，钻速低； Kc 大，摩阻大， 起下钻、下套管等作业困难；
保持 Kc 均匀，避免急弯，防止阻卡； 保证钻具顺利通过。
Km
33.37(db dT ) L2T
f
Km —起下钻允许的最大曲率，度/100m ；
LT —动力钻具长度，m ；
db —钻头直径，mm ；