定向井水平井轨迹控制技术
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第一节 定向井基础
一、 定向井的基本概念 定向井是指按照预先设计的井斜方位和井眼轴线形状进行钻进的井，有三大井身要素，即：
井深，井斜角、井斜方位角。
（1）井深：指井口（转盘面）至井底的井眼实际长度，人们通常称为斜深，单位为米，用小 写字母 m 表示。
（2）测深：指井口（转盘面）至测点间的井眼实际长度，人们常称为测深。国外称为测量井 深（Measure Depth），通常是以钻柱长度或电缆来量测的，也可说是测点的井深，通常是以测量 装置（Angle Unit）的中点所在井深为准。单位为米，用小写字母 m 表示。
1
井口
ΦA
A
B αA
αB
井眼方向线
A 正北方位线
井底
B
ΦB
重力线
井斜方位线
图 2.1.1 井斜角示意图
图 2.1.2 井斜方位角示意图
（5）磁方位角：磁力测斜仪测得的井斜方位角是以地球磁北方位线为准的，称磁方位角。
（6）磁偏角：磁北方位线与真北方位线并不重合，两者之间有一个夹角，这个夹角称为磁偏 角。磁偏角又有东磁偏和西磁偏角之分，当磁北方位线在正北方位线以东时，称为东偏角；当磁北 方位线在正北方位线以西时称为西偏磁偏角。•进行磁偏角校正时按以下公式计算：
此第一套公式是根据空间微分几何原理推导出来的，公式推导严密，具有普遍性，适合于各种 形状的井眼。
第二套公式：（由于误差较大，现场使用少略）
第三套公式：
γ＝√α12＋α22－2α1α2COSΔΦ
来自百度文库
B
a2
γ
0
A
a1
图 2.1.5 第三套公式的图解法
3
（10）垂深：即垂直深度，某测点的垂直深度，以 H 表示。•是指井身任意一点至转盘面所在 平面的铅垂距离。
我国的定向井钻井开始于 1956 年，在 60 年代，曾达到了相当高的水平，钻出了许多高难度的 定向井，与当时世界先进水平的差距并不大。我国是世界上第二个钻成水平井的国家。但在 60 年 代中期以后，我们与世界先进水平的差距拉大了，直到 70 年代中后期，开始大力研究和发展定向 井，80 年代以后，我国积极地学习国外先进技术，二十多年来，国外在定向井钻井技术最主要的 进展是随钻测量仪器的出现和发展，螺杆钻具、金刚石钻头、可控弯接头和旋转导向钻井等工具发 展，以及近几年来，自动化钻井系统、旋转地质导向钻井系统的出现与发展，都显著地提高了定向 井钻井的技术水平。目前我国定向井钻井的主要差距仍然是仪器、工具和设备方面。
第二章 定向井井眼轨迹控制技术
前言
定向井是指按照预先设计的井斜方位和井眼轴线形状进行钻进的井，是相对于直井而言的，而 且是以设计的井眼轴线形状为依据。直井的井斜角为零度，没有井斜方位角。尽管实钻的直井都有 一定的井斜角，有的井斜角甚至很大，但仍然属于直井。定向井又可分为二维定向井和三维定向 井。也是以设计的井眼轴线形状为依据划分的。凡是井眼轴线形状只在某个铅垂平面上变化的定向 井，称为两维定向井，它们的井斜角是变化的，而井斜方位角则是不变的。三维定向井则是既有井 斜角的变化，又有井斜方位角的变化。实钻的两维定向井，其井眼轴线都是既有井斜角的变化，又 有井斜方位角的变化，但它仍然属于两维定向井。
真方位角＝磁方位角＋东偏磁偏角 真方位角=磁方位角－西偏磁偏角
真北极
真北极方位线
东磁偏角
磁北方向线
A地
西磁偏角
B地
图 2.1.3 磁偏角示意图
（7•）井斜变化率：是指井斜角随井深变化的快慢程度，常以 Kα表示，•精确的讲井斜变化 率是井斜角度（α）对井深（L•）的一阶导数。
⊿α Kα＝ ───
⊿L 井斜变化率的单位为每米度，表示为（°/m），应用过程中常以（°/100m）或（°/30m）。 （8）井斜方位变化率：是指井斜方位角随井深变化的快慢程度，常用 KΦ表示。实际应用中 简称方位变化率，计算公式如下：
（11）水平投影长度：是指自井口至某一点的井眼长度在水平投影面上的曲线长度。以 S•表 示。
（12）水平位移：简称平移，是指在水平投影面上，井眼曲线上某一点到井口的距离。在国外 又称为闭合距( Closure Distance)。
（13）平移方位角：又称为闭合方位角（Closure Azimuth），常用θ表示，•是指在水平面投 影面上，以正北方位线为始边顺针方向转至平移方位线上所转过的角度。
定向井在石油勘探与开发中得到了广泛的应用。在地面上难以建立或不允许建立井场和安装钻 井设备进行钻井的地区，要勘探开发地下的石油，唯一的办法是从该地区附近打定向井，在海洋或 湖泊等水域上勘探开发石油，最好是建立固定平台或从岸边打定向井和丛式定向井。当在钻达油气 层所经过的地层中，有难以穿过的复杂地层时，用定向井可以绕过这些复杂地层。为了扩大勘探效 果和增加油井产量，可以打多底井、水平井以及丛式水平井、分支井或径向水平井等。在发生断钻 具、卡钻以及井喷着火等恶性钻井事故的情况下，钻侧钻井、救援井是处理此类事故的有效方法。
γ Ｋ＝───
ΔL 实际钻井中，井眼曲率的计算方法：目前计算井眼曲率的方法有很多。主要有三套：
第一套公式：在某一个测段内，计算公式如下：
K＝√（Kα2＋KΦ2sin2αc）， γ=√（⊿α2＋⊿Φ2sin2αc）
在某一个测段内，井眼曲率图解见图 2.1.4。
ΔΦ
B γ
αc 0
A C
Δa
图 2.1.4 第一套公式的图解
⊿Φ ＫΦ＝───
⊿L 井 斜 方 位 变 化 率 的 单 位 为 每 米 度 ， 表 示 为 （ ° /m ） ， 应 用 过 程 中 常 以 （ ° /100m ） 或 （ ° /30m）。
2
（9）全角变化率：是指井眼前进方向变化的快慢或井眼弯曲的程度。从一个点到另一个点， 井眼前进方向变化的角度（两点处井眼前进方向线之间的夹角），•该角度既反映了井斜角度的变 化又反映了方位角度的变化，通常称为全角变化值。•两点间的全角变化值γ相对与两点间井眼长 度ΔL 变化的快慢称为井眼的全角变化率，也叫井眼曲率。用公式表达如下：
（3）井斜角：测点处的井眼方向线与重力线之间的夹角，称为该点的井斜角（见图 2.1.1）。•井斜角常常用希腊字母α表示。单位为度，用符号（°）表示。
（4•）井斜方位角：是指以正北方位线为始边，顺时针旋转至井斜方位线所转过的角度（见图 2.1.2）。•井斜方位角常以希腊字母Φ表示。单位为度，用符号（°）表示。实际应用过程中常常 简称为方位角。
一、 定向井的基本概念 定向井是指按照预先设计的井斜方位和井眼轴线形状进行钻进的井，有三大井身要素，即：
井深，井斜角、井斜方位角。
（1）井深：指井口（转盘面）至井底的井眼实际长度，人们通常称为斜深，单位为米，用小 写字母 m 表示。
（2）测深：指井口（转盘面）至测点间的井眼实际长度，人们常称为测深。国外称为测量井 深（Measure Depth），通常是以钻柱长度或电缆来量测的，也可说是测点的井深，通常是以测量 装置（Angle Unit）的中点所在井深为准。单位为米，用小写字母 m 表示。
1
井口
ΦA
A
B αA
αB
井眼方向线
A 正北方位线
井底
B
ΦB
重力线
井斜方位线
图 2.1.1 井斜角示意图
图 2.1.2 井斜方位角示意图
（5）磁方位角：磁力测斜仪测得的井斜方位角是以地球磁北方位线为准的，称磁方位角。
（6）磁偏角：磁北方位线与真北方位线并不重合，两者之间有一个夹角，这个夹角称为磁偏 角。磁偏角又有东磁偏和西磁偏角之分，当磁北方位线在正北方位线以东时，称为东偏角；当磁北 方位线在正北方位线以西时称为西偏磁偏角。•进行磁偏角校正时按以下公式计算：
此第一套公式是根据空间微分几何原理推导出来的，公式推导严密，具有普遍性，适合于各种 形状的井眼。
第二套公式：（由于误差较大，现场使用少略）
第三套公式：
γ＝√α12＋α22－2α1α2COSΔΦ
来自百度文库
B
a2
γ
0
A
a1
图 2.1.5 第三套公式的图解法
3
（10）垂深：即垂直深度，某测点的垂直深度，以 H 表示。•是指井身任意一点至转盘面所在 平面的铅垂距离。
我国的定向井钻井开始于 1956 年，在 60 年代，曾达到了相当高的水平，钻出了许多高难度的 定向井，与当时世界先进水平的差距并不大。我国是世界上第二个钻成水平井的国家。但在 60 年 代中期以后，我们与世界先进水平的差距拉大了，直到 70 年代中后期，开始大力研究和发展定向 井，80 年代以后，我国积极地学习国外先进技术，二十多年来，国外在定向井钻井技术最主要的 进展是随钻测量仪器的出现和发展，螺杆钻具、金刚石钻头、可控弯接头和旋转导向钻井等工具发 展，以及近几年来，自动化钻井系统、旋转地质导向钻井系统的出现与发展，都显著地提高了定向 井钻井的技术水平。目前我国定向井钻井的主要差距仍然是仪器、工具和设备方面。
第二章 定向井井眼轨迹控制技术
前言
定向井是指按照预先设计的井斜方位和井眼轴线形状进行钻进的井，是相对于直井而言的，而 且是以设计的井眼轴线形状为依据。直井的井斜角为零度，没有井斜方位角。尽管实钻的直井都有 一定的井斜角，有的井斜角甚至很大，但仍然属于直井。定向井又可分为二维定向井和三维定向 井。也是以设计的井眼轴线形状为依据划分的。凡是井眼轴线形状只在某个铅垂平面上变化的定向 井，称为两维定向井，它们的井斜角是变化的，而井斜方位角则是不变的。三维定向井则是既有井 斜角的变化，又有井斜方位角的变化。实钻的两维定向井，其井眼轴线都是既有井斜角的变化，又 有井斜方位角的变化，但它仍然属于两维定向井。
真方位角＝磁方位角＋东偏磁偏角 真方位角=磁方位角－西偏磁偏角
真北极
真北极方位线
东磁偏角
磁北方向线
A地
西磁偏角
B地
图 2.1.3 磁偏角示意图
（7•）井斜变化率：是指井斜角随井深变化的快慢程度，常以 Kα表示，•精确的讲井斜变化 率是井斜角度（α）对井深（L•）的一阶导数。
⊿α Kα＝ ───
⊿L 井斜变化率的单位为每米度，表示为（°/m），应用过程中常以（°/100m）或（°/30m）。 （8）井斜方位变化率：是指井斜方位角随井深变化的快慢程度，常用 KΦ表示。实际应用中 简称方位变化率，计算公式如下：
（11）水平投影长度：是指自井口至某一点的井眼长度在水平投影面上的曲线长度。以 S•表 示。
（12）水平位移：简称平移，是指在水平投影面上，井眼曲线上某一点到井口的距离。在国外 又称为闭合距( Closure Distance)。
（13）平移方位角：又称为闭合方位角（Closure Azimuth），常用θ表示，•是指在水平面投 影面上，以正北方位线为始边顺针方向转至平移方位线上所转过的角度。
定向井在石油勘探与开发中得到了广泛的应用。在地面上难以建立或不允许建立井场和安装钻 井设备进行钻井的地区，要勘探开发地下的石油，唯一的办法是从该地区附近打定向井，在海洋或 湖泊等水域上勘探开发石油，最好是建立固定平台或从岸边打定向井和丛式定向井。当在钻达油气 层所经过的地层中，有难以穿过的复杂地层时，用定向井可以绕过这些复杂地层。为了扩大勘探效 果和增加油井产量，可以打多底井、水平井以及丛式水平井、分支井或径向水平井等。在发生断钻 具、卡钻以及井喷着火等恶性钻井事故的情况下，钻侧钻井、救援井是处理此类事故的有效方法。
γ Ｋ＝───
ΔL 实际钻井中，井眼曲率的计算方法：目前计算井眼曲率的方法有很多。主要有三套：
第一套公式：在某一个测段内，计算公式如下：
K＝√（Kα2＋KΦ2sin2αc）， γ=√（⊿α2＋⊿Φ2sin2αc）
在某一个测段内，井眼曲率图解见图 2.1.4。
ΔΦ
B γ
αc 0
A C
Δa
图 2.1.4 第一套公式的图解
⊿Φ ＫΦ＝───
⊿L 井 斜 方 位 变 化 率 的 单 位 为 每 米 度 ， 表 示 为 （ ° /m ） ， 应 用 过 程 中 常 以 （ ° /100m ） 或 （ ° /30m）。
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（9）全角变化率：是指井眼前进方向变化的快慢或井眼弯曲的程度。从一个点到另一个点， 井眼前进方向变化的角度（两点处井眼前进方向线之间的夹角），•该角度既反映了井斜角度的变 化又反映了方位角度的变化，通常称为全角变化值。•两点间的全角变化值γ相对与两点间井眼长 度ΔL 变化的快慢称为井眼的全角变化率，也叫井眼曲率。用公式表达如下：
（3）井斜角：测点处的井眼方向线与重力线之间的夹角，称为该点的井斜角（见图 2.1.1）。•井斜角常常用希腊字母α表示。单位为度，用符号（°）表示。
（4•）井斜方位角：是指以正北方位线为始边，顺时针旋转至井斜方位线所转过的角度（见图 2.1.2）。•井斜方位角常以希腊字母Φ表示。单位为度，用符号（°）表示。实际应用过程中常常 简称为方位角。