定向井工程设计

第一节定向井、水平井二维轨道设计

一、设计原则：

一口定向井的总设计原则，应该是能保证实现钻井目的，满足采油工艺及修井作业的要求，有利于安全、优质、快速钻井。在对各个设计参数的选择上，在自身合理的前提下，还要考虑相互的制约。要综合地进行考虑。

(一)选择合适的井眼形状

复杂的井眼形状，势必带来施工难度的增加，因此井眼形状的选择，力求越简单越好。

从钻具受力的角度来看：目前普遍认为，降斜井段会增加井眼的摩阻，引起更多的复杂情况。如图所示(2-1-1)，增斜井段的钻具轴向拉力的径向的分力，与重力在轴向的分力方向相反，有助于减小钻具与井壁的摩擦阻力。而降斜井段的钻具轴向分力，与重力在轴向的分力方向相同，会增加钻具与井壁的摩擦阻力。因此，应尽可能不采用降斜井段的轨道设计。

图2-1-1

(二)选择合适的井眼曲率

井眼曲率的选择，要考虑工具造斜能力的限制和钻具刚性的限制，结合地层的影响，留出充分的余地，保证设计轨道能够实现。

在能满足设计和施工要求的前提下，应尽可能选择比较低的造斜率。这样，钻具、仪器和套管都容易通过。当然，此处所说的选择低造斜率，没有与增斜井段的长度联系在一起进行考虑。

另外，造斜率过低，会增加造斜段的工作量。因此，要综合考虑。

常用的造斜率范围是4°-10°/100米

（三）选择合适的造斜井段长度

造斜井段长度的选择，影响着整个工程的工期进度，也影响着动力钻具的有效使用。

若造斜井段过长，一方面由于动力钻具的机械钻速偏低，使施工周期加长，另一方面由于长井段使用动力钻具，必然造成钻井成本的上升。所以，过长的造斜井段是不可取的。

若造斜井段过短，则可能要求很高的造斜率，一方面造斜工具的能力限制，不易实现，另一方面过高的造斜率给井下安全带来了不利因素。所以，过短的造斜井段也是不可取的。

因此，应结合钻头、动力马达的使用寿命限制，选择出合适的造斜段长，一方面能达到要求的井斜角，另一方面能充分利用单只钻头和动力马达的有效寿命。

（四）选择合适的造斜点

造斜点的选择，应充分考虑地层稳定性、可钻的限制。尽可能把造斜点选择在比较稳定、均匀的硬地层，避开软硬夹层、岩石破碎带、漏失地层、流沙层、易膨胀或易坍塌的地段，以免出现井下复杂情况，影响定向施工。

造斜点的深度应根据设计井的垂深、水平位移和选用的轨道类型来决定。并要考虑满足采油工艺的需求。

应充分考虑井身结构的要求，以及设计垂深和位移的限制，选择合理的造斜点位置。

（五）选择合适的稳斜段井斜角和入靶井斜角

井斜角的大小，直接影响了轨迹的控制。

井斜角太小时，方位不好控制。而井斜角太大时，施工难度却又增加。因此，稳斜段井斜角和入靶井斜角的选择，应充分满足轨迹控制的需要。另外，它对方位控制、电测、钻速都有明显的影响。

一般来讲，井斜角的大小与轨迹控制的难度有下面的关系：

1．井斜角小于15°时，方位难以控制；

2．井斜角在15°--40°时，既能有效地调整井斜角和方位，也能顺利地钻井、固井和电测。是较理想的井斜角控制范围；

3．井斜角在40°--50°时，钻进速度慢，方位调整困难；

4．井斜角大于60°，电测、完井作业施工的难度很大，易发生井壁垮塌。

二、设计方法

定向井的设计方法分为常规设计方法和特殊井的设计方法。

常规设计方法指的是在两维平面内作的轨道设计，即设计的井眼轴线只在某个给定的铅垂面内变化，也就是说，只有井斜角的变化，没有方位角的变化。

把常规设计之外的所有设计方法都叫做特殊设计方法。

（一）常用两维轨道设计方法

目前常用的两维定向井轨道设计，采用的是恒定造斜率的设计，设计轨道由铅垂面内的圆弧和直线组成。对于这种恒定造斜率的设计，通常有下列三种设计方法。

1．查图法

这是国外以前常用的设计方法之一。使用这种方法设计定向井轨道，需要事先将每种造斜率钻达不同最大井斜角的数据作在同一张图上。这样，各种不同的造斜率下作出的图形，就可得到一套图表。在进行轨道设计时，根据设计造斜率的不同选择一套适用的图表。在该图上，就可查出未知的设计数据。

下面就是2°/ 30米标准造斜率曲线图。

图2-1-2 查图法图表

2．几何作图法

这种设计方法是根据已知的设计条件，应用平面几何作图的原理，用圆规和直尺，按比例画出符合设计要求的设计轨道的图形。然后用比例尺和量角规量出需要的设计数据。

H0

a R

H

b

S C

图2-1-3 几何作图法

由于计算机在石油钻井领域的广泛应用，查图法和几何作图法已很少在我国采用。目

前使用最多的是下面将要介绍的解析计算法。

3．解析计算法

解析计算法是根据已知设计条件，应用解析计算公式求解出设计轨道的各个未知参数的

方法。这种方法由于计算复杂、工作量太大，在计算机普及之前，未能得到广泛的应用。

而在现在，已经广泛应用于定向井的设计之中。这种计算方法的最大特点是计算准确、求

解对象可灵活改变。

下面以“直—增—稳”三段制轨道类型，介绍解析计算法的设计步骤。

已知条件：Kop —造斜点 Kb---造斜率

Tv---设计垂深 Tb---设计位移

求：αm---求最大井斜角

H----稳斜段长度

求解步骤：

①求造斜段的曲率半径：R=1/Kb

②求θ的角度值：

ΔS=Tb-R

ΔV=Tv-Kop

θ=arctg(ΔS/ΔV)

③求φ的角度值:

φ=arccos(R/L)

④求最大井斜角:am=φ-θ

④求稳斜段段长度:

KOP R ΔS

L

ΔV

θ αm

TV TB

图2-1-4 解析计算法图形

以前在采用查图法和几何作图法进行轨道设计时，通常都是只能求解某个固定的未知

参数，由于计算机在石油钻井领域的广泛应用，现在的定向井轨道设计已经基本上采用了

计算机设计，这就使得轨道设计的灵活性得到了充分的体现，配合解析几何设计方法，能

2

2V S L ∆+∆=22R L H +=