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。

H0a RHbS 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/Kb②求θ的角度值：ΔS=Tb-RΔV=Tv-Kopθ=arctg(ΔS/ΔV)③求φ的角度值:φ=arccos(R/L)④求最大井斜角:am=φ-θ④求稳斜段段长度:KOP R ΔSLΔVθ αmTV 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22V S L ∆+∆=22R L H +=够对任何两个未知参数进行求解，这就使得定向井轨道设计变得更加灵活，更加多样化了。

（二）特殊定向井轨道设计方法对于特殊定向井的轨道设计，则根据其钻井目的和设计条件的限制，采用了各种不同的方法。

如：1．多增降轨道设计 2.缓降轨道设计3. 缓降轨道设计4.悬链轨道设计5.三维轨道设计三、特殊要求定向井的轨道设计（一）多目标井设计图2-1-5 多目标井示意图如图2-1-5所示，在断块油田内，由于非垂直断层的封闭，沿断层聚集形成了一串的多套含油、气层。

多目标井的钻探目的是为了让定向井井眼轨迹按规定的井斜角和方位角钻穿这一串油、气藏，以使该井眼轨迹能代替多口直井的作用，发挥更大的经济效益，因此，地质方面给出了两个靶点。

分别代表井眼贯穿油层的开始点和终止点。

该如何这样的井设计呢？如图2-1-6所示，这种井的设计是这样进行的：由两个靶点计算出入靶井斜角和方位角，然后反推井口位置。

其中包括了对造斜率的选择、稳斜段长和造斜点的选择。

KOP R αmαm HT V T B 图2-1-6已知条件：αm-------最大井斜角Kb-------造斜率Tv-------设计垂深Tb-------设计位移求：Kop------造斜点H--------稳斜段长度求解步骤：①求造斜段的曲率半径：R=1÷Kb②求稳斜段段长度：③求造斜点Kop=Tv-H*cos αm-R*sin αm多目标井的设计靶区仍然是水平面上的圆形区域，其轨迹控制难度较一般定向井略难。

（二）二维水平井轨道设计水平井的轨道设计在算法上类似于多目标井，但其设计思想有根本的不同。

它的钻探目的是要在油层内水平钻进一段距离，尽量增加油层的暴露面积，以提高单井的产量。

水平井的设计靶区是一垂直于设计入靶线的平面（称作法面）上的矩形区域。

也称作入靶窗口。

由于入靶窗口的上下限通常在十米之内，因此其控制难度很大，在轨迹控制时的一点失误，都有可能导致最后的脱靶。

常用的水平井二维轨道设计类型有三种：单圆弧型—设计轨道从造斜点到入靶点，由一段圆弧组成。

适合中曲率半径和短曲率半径的水平井。

双增稳型—设计轨道从造斜点到入靶点，由两圆弧段和连接这两圆弧段的稳斜段组成，适合中半径和长半径水平井。

三段增斜型—这种设计类型是由双增稳型发展而来的，设计轨道从造斜点到入靶点，由三个圆弧段组成。

适合中半径和长半径水平井。

mm b R T H ααsin )cos 1(--=将稳斜段改为增斜段，是因为钻双增稳型水平井时，在第一增斜段钻完后，首先要下一趟柔性钻具组合通井，然后再下刚性稳斜钻具组合钻进。

这就带来了两个方面的不利。

一方面多下一趟通井钻具组合却不能多打进尺。

另一方面，再下入刚性钻具组合钻进时，钻具组合不容易通过造斜段。

改成稳斜段后，下同一趟钻具组合，既可通井，又可打进尺，简化了钻具组合，节约了时间，同时也减小了事故发生的可能性。

下面，介绍双增类型水平井轨道设计的计算方法：H0R1 S1α1 mγβ H3HH1L R2H2α2S Sn图2-1-7如图所示，图2-1-7已知：H------设计垂深S------入靶点位移S0-----水平段长a1-----第一增斜终点井斜角确定：H0----造斜点K1----第一增斜率K2----第二增斜率a2----第二增斜终点井斜角L-----稳斜段长度则：曲率半径为：R 1=1/ K 1R 2=1/ K 2R 0= R 1- R 2H 3=H- H 0- R 2×sina 2S 2=S+ R 2×cosa 2- R 1第一段增斜终点井斜角为：稳斜段长度为：第二节 定向井、水平井的三维轨道设计三维轨道设计主要应用于以下几个方面：第一，对于方位漂移严重的地区，为了有效利用地层的自然造斜规律，减少井眼轨道控制和造斜的工作量，可将井眼轨道设计成考虑方位漂移的三维轨道。

这样的设计对指导现场施工会更有意义。

这种设计称为方位漂移设计。

第二，若地面井位和目标点固定，而在由它们所确定的铅垂面内，存在着不允许通过或难以穿过的障碍物，如已钻井眼、复杂的地层（盐丘、金属矿床、断层、气顶等），要设计一口定向井使其绕过障碍物钻达目标点，这样的定向井称之为绕障定向井。

绕障定向井在密集丛式井和油田开发后期，用定向钻井方法打调整井时会遇到。

第三，在钻井过程中，要使实钻轨道与设计轨道完全吻合几乎是不可能的，二者之间总会有一定的偏差。

很小的偏差是允许的，有时也许对钻进参数或钻具组合稍作调整，仍可继续钻进；如果偏差很大，就需要以原设计轨道为依据，对下一段未钻井眼作出新的设计。

另外，由于地质勘探等方面的原因，需要中途改变目标点的位置时，也需要设计出一条新的井眼轨道。

这种修正设计在钻进过程中是随时可能发生的，因此称之为随钻修正设计。

第四，在老井侧钻尤其是定向井的侧钻中，往往是要钻达的油层位置不在原来定向井的剖面上，这就需要调整井斜和方位钻三维井眼才能到达目的层。