第二章定向井的设计
02 定向井井眼轨迹设计解析
二、井眼曲率及其计算方法
O Δα A B αA
对方位不变的情况 垂直平面上某井段的曲率
R
Δl
KH
l
即只有井斜沿轴线的 变化。也叫井斜变化 率。
α
B
K H K
二、井眼曲率及其计算方法
1.定义
水平投影上的方位变化
Δl
N
O
(叫水平投影曲率） 不等于该段井眼的实际方位变化率， 因该段的水平投影长度一般不等于空 间实际长度。（K为空间实际井眼的 方位变化率）
KA
S
ΔS
KA
K sin
二、井眼曲率及其计算方法
2. 空间曲线法求井眼曲率
依据：
根据微分几何原理，一条空间曲 L dN dE
dH
线的曲率K有公式
d 2H 2 d 2N 2 d 2E 2 K ( 2 ) ( 2 ) ( 2 ) dl dl dl
二、井眼曲率及其计算方法
H
井眼能增加的井斜值
B C D O A
增斜率： 降斜率：
单位长度井眼增加的 井斜值 单位长度井眼降低的 井斜值
E
三、定向井井身剖面设计
（一）名词解释
造斜段（增斜段）： 降斜段： 稳斜段： 靶点：
增加井斜的井段
B C D O A
降低井斜的井段 控制井斜不变的井段 设计规定的，必须钻达的地
层位置，也称目标点
以 c ( c
1 2
2
)
代替，( 1、2)分别为上下测点井斜角
可得井眼曲率
K
2 sin c l l
2
2
二、井眼曲率及其计算方法
定向井第二讲
定向井轨道设计的内容包括： (1)选择轨道类型； (2)确定井眼曲率(包括增斜率、降斜 率、方位变化率)； (3)造斜点的确定；
(4)轨道关键参数的计算； (5)轨道节点和分点计算； (6)设计结果输出。 前3项内容需要根据设计条件和要求 进行选择和确定；后3项是重点介绍的内 容，对于不同的轨道类型，这3项内容也 有所不同。
待钻井段是相对于已钻井段而言的，意 思是等待钻进的井段。 待钻轨道是从目前井底出发，钻达某个 目标点的。所以，所有待钻轨道设计都必须 给定两个点的坐标位置：一个是出发点(目前 井底)，一个是目标点。除了给定两个点的坐 标位置外，还有两个点处的井眼方向。根据 井眼方向是否给定，可将待钻轨道分为两种 情况：
轨道设计依据的条件有两种：一种是 由地质、采油部门提供的分层地质情况预告 和目标点或目标井段的有关数据，如目标点 的垂深、水平位移以及设计方位等；一种是 由钻井工程部门根据设计原则和钻井的条件 选定的造斜点位置、造斜率的大小等。 将给定和选定的条件汇集于表2—2—1 中。表中各符号的解释如下：
(2)有利于采油工艺的要求。在可能的情况 下，减小井眼曲率以改善油管和抽油杆的工 作条件。进入目的层的井段井斜角应尽量小 些，最好是垂直井段，以利于安装电潜泵、 坐封封隔器及其他井下作业。
(3)尽可能利用地层的自然规律。我们所 钻的沉积岩地层，由于倾斜、可钻性的各向异 性、可钻性的垂向和横向的变化以及其他地质 因素，具有自然造斜和使井跟方位漂移的规律。 充分利用这些规律，可以大大减小使用工具进 行轨迹控制的工作量。 (4)应有利于减小钻井难度。以便安全、 优质、快速、低成本地完成钻井。
(2)绕障或防碰要求。在设计方位线上， 可能存在某种障碍不允许设计轨道穿过，例 如，已经存在的老井，或某种不容易穿过的 地层或地质现象等。要求设计轨道要绕过这 些障碍。防碰要求主要是针对丛式井提出的， 设计结果中要给出防碰设计的有关内容。
定向井设计及运用毕业设计
定向井设计及运用毕业设计一、引言随着石油资源开发的持续增长和石油勘探技术的不断发展，定向井技术已成为油田开发中不可或缺的重要手段。
该技术通过对地层构造进行分析和预测，实现了在地表之外的特定方向上对油气资源的探测和开采。
本文旨在对定向井的设计和运用进行深入研究，通过理论分析和实际案例，探讨定向井技术在石油勘探与开发中的作用和应用。
二、定向井的概念和特点定向井是一种在特定方向上进行定向钻探的井眼，其设计和施工过程需要充分考虑地层构造、井口位置、井眼弯曲半径等因素。
相比于传统垂直井，定向井具有以下特点：1. 可以实现对特定目标层的精确定位，从而提高钻井的命中率和生产效果；2. 可以在有限的地表范围内探测更大的地下资源区域，降低开采成本；3. 可以减少井口数量，降低对地表环境的影响，减少基础施工工程。
三、定向井设计的关键技术1. 地层构造分析：通过地震勘探、岩心分析、电测井等手段，获取地下地层构造的信息，为定向井设计提供依据；2. 井眼路径规划：根据地层情况、井口位置和开发目标，确定井眼的钻探路径和弯曲半径，确保井眼能够精确进入目标层；3. 钻井液和定向钻具选型：根据钻井环境和地层情况，选择适合的钻井液和定向钻具，保证井眼的稳定和钻进效率；4. 地面控制技术：通过测量地面定位、罗盘测量和定向井仪器监控，实现对井眼轨迹的实时监测和调整。
四、定向井的应用案例以某油田为例，其地质构造为复杂的抗形构造，目标油气层埋藏深度较大，传统垂直钻井难以精确定位目标层。
通过进行定向井设计和施工，成功实现了对目标层的准确定位和精准开采，为油田的高效开发提供了可靠技术支持。
五、结语定向井技术作为石油勘探与开发中的重要手段，在提高勘探效率、降低勘探成本和减少环境影响方面发挥着重要作用。
通过深入研究定向井的设计和运用，可以更好地应用该技术，为油田开发提供科学的技术支持。
希望通过本文的介绍，能够加深对定向井技术的理解，促进其在石油勘探与开发中的广泛应用。
定向井
C
特点：
D
难度较三段制剖面大，主要
原因是有降斜段。降斜段会增大
扭矩、摩阻（如小水平位移深定
向井采用三段制剖面轨迹难控制
）。
第二节 定向井井身剖面设计
O
2、特殊二维剖面
为了减少摩阻 2.1 悬线剖面 2.2 抛物线剖面
第二节
定向井井身剖面设计
3、三维定向井剖面
三维定向井剖面指在设计 的井身剖面上既有井斜角的 变化又有方位角的变化。
垂直平面上：
每一点的井深与空 间井眼的井深一样,每 一点的井斜角与与空间 井眼对应的井斜角一致 。（不是直接投影）
第一节 定向井的基本概念
N A A B 水平面上：
B
为空间井眼的水平投
S
影
E O
第一节 定向井的基本概念
一、定向井基本要素
测深 ———井口至测点处的井
眼实长，米。 Measured depth（ MD)
第二节 定向井井身剖面设计
一、名词解释
直井段: 井斜角为0 造斜点：开始定向造斜的位置 增斜段：井斜角随井深增加的井段 定向造斜段：造斜点以下的增斜段 稳斜段：井斜不变的井段 降斜段：井斜角随井深增加而减小
O
A
B C D
的井段
E
第二节 定向井井身剖面设计
一、名词解释
目标点：设计规定必须钻达的地下空
第一章 定向钻井
概述 第一节 定向井的基本概念 第二节 定向井井身剖面设计 第三节 实际井眼轴线的计算和绘制 第四节 定向井的井斜和方位控制 第五节 定向仪器及定向工具
第一节 定向井的基本概念
第一节 定向井的基本概念
井眼曲线的表示方法：垂直平面与水平平面
第一节 定向井的基本概念
定向井水平井课件
对钻具进行全面检查，确保其完好无损，并进行必要的保养。
设备部署
根据工程设计和现场实际情况，合理部署设备，确保钻探工作的 顺利进行。
施工计划与组织
1 2
施工进度计划
制定详细的施工进度计划，确保按期完成钻探任 务。
安全生产措施
制定完善的安全生产措施，确保钻探过程中的安 全。
3
人员组织与培训
水平钻井技术
定义
水平钻井技术是指钻孔轨迹在地 下某一深度处与地面成一定角度， 并在该深度处沿水平方向钻进的
钻井技术。
关键技术
水平钻井的关键技术包括水平段 钻进、斜向器和随钻测量等技术。
应用场景
水平钻井技术广泛应用于石油、 天然气等矿产资源的勘探开发， 可提高单井产量和储量动用程度，
降低开发成本。
定向井水平井集成技术
定义
定向井水平井集成技术是将定向钻井技术和水平钻井技术 有机结合，实现钻孔沿预定轨迹精确进入目的层并在目的 层内进行水平延伸的钻井技术。
关键技术
定向井水平井集成技术的关键技术包括轨迹设计、定向工 具和测量技术、水平段钻进和钻井液技术等。
应用场景
定向井水平井集成技术广泛应用于复杂地层和隐蔽性矿产 资源的勘探开发，可提高勘探开发效益和资源利用率。
风险成本
定向井和水平井钻井过程中存在多种风险，如地层复杂多变、钻井液 性能不稳定等，可能引发安全事故或工程失败，导致高额风险成本。
安全挑战
地层复杂多变
定向井和水平井钻井过程中可能会遇到各种复杂地层，如软硬交错地层、裂缝发育地层等 ，这些地层容易引发井下复杂情况和事故。
钻井液性能不稳定
钻井液是定向井和水平井钻井中的重要介质，其性能稳定性对钻井安全至关重要。若钻井 液性能不稳定，可能导致井壁坍塌、钻屑堆积等事故。
《定向井的基础知识》课件
定向井的钻井液
定向井钻井液是定向井钻井过程中的循环介质，它能够起到冷却、润滑、携带岩 屑等作用，同时对钻头和井壁起到保护作用。
定向井钻井液通常由水、油、化学添加剂等组成，具有较低的摩擦系数、良好的 携岩能力和防塌性能等特点。
定向井的钻井工具
定向井钻井工具包括弯接头、无磁钻铤、稳定器等，它们能 够协助定向井钻头实现钻进过程中的定向控制。
安全性原则
轨道设计应确保钻井施工的安 全，避免因设计不当导致的井 眼坍塌、卡钻等事故。
环保原则
轨道设计应尽量减少对环境的 破坏，合理利用资源，保护生
态环境。
定向井轨道设计的参数
01
02
03
04
井口坐标
井口位置的经度、纬度、高程 等参数。
井底坐标
井底位置的经度、纬度、深度 等参数。
井眼轨迹
包括井眼的起点、终点、方向 、倾斜角、弯曲度等参数。
பைடு நூலகம் THANKS
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随着技术的不断进步和应用领域的拓展，定向井技术 将不断向智能化、高效化和环保化方向发展。
01
03
定向井技术将更加注重环保和可持续发展，采用更加 环保的钻井技术和材料，减少对环境的负面影响，为
油气产业的可持续发展做出贡献。
04
定向井技术将与人工智能、大数据等先进技术相结合 ，实现更加智能化和自动化的钻井过程，提高钻井效 率和安全性。
ABCD
测斜施工
在钻孔施工过程中，定期进行测斜施工，了解钻 孔的角度变化情况。
纠偏施工
在进行纠偏措施后，进行纠偏施工，对钻孔进行 修正，使其符合设计要求。
定向井的完井施工
完井施工准备
完成钻孔施工后，进行完井施工准备， 包括设备撤离、场地清理等工作。
4定向井设计
第三节
实际井眼轴线的计算和绘制
三、主要计算方法
（脚标1表示上测点、角标2表示下测点）
1、平均角法
此法认为：两测点间的测段为一直线，该直线的方向为上、下二 测点处井眼方向的“平均方向”。 已知：α1、φ1、α2、φ2、∆L
1
α1
α=
α1 + α 2
2
φ=
φ1 + φ 2
2
2
α2
定向井培训材料—邢忠玺
2.2.3.1平均角法
此法认为两相邻测点之间的井眼为一直线，该直线 的井斜角a和方位角q等于上下两测点相应角度的算 术平均值 公式：Av=(A1+A1)/2 Qv=Q1+Q2)/2 △H= △LcosAv △S= △LsinAv △N= △LsinAv*cosQv △E= △LsinAv*sinQv
定向井培训材料—邢忠玺
第三节
将柱面展开为平面：
实际井眼轴线的计算和绘制
S dh
N
H
ds
E
定向井培训材料—邢忠玺
第三节
R = 180 •
实际井眼轴线的计算和绘制
3、园柱螺线法（曲率半径法） 园柱螺线法（曲率半径法）
∆L π ∆α ∆ H = R sin α 2 − sin α ∆ S = R (cos α ∆S r = • ∆φ π ∆ N = r (sin φ 180 ∆α = α ∆φ = φ
定向井培训材料—邢忠玺
第二节 定向井井身剖面设计
作方位图
N
ϕ
E
定向井培训材料—邢忠玺
第二节 定向井井身剖面设计
小结： 小结：
•基本概念 •井身剖面设计原则
造斜点 井眼曲率 最大井斜角
1.1.2定向井
第二节 定向井井身剖面设计
设计的最终目的：
• 选择满足要求的井身剖面类型 • 设计剖面结构参数
井身剖面：well profile
所钻井眼达到目标点的井眼 路径或轨迹。又叫井眼轨迹 (well trajectory)
井身剖面的构成
井身剖面是由各种不同类 型的单一形状空间直线段或曲 线段光滑连接而成。常用的曲 线段为圆弧段
井斜角 ———测点处井眼方向
线（切线，指前）与重力 线间
的夹角，度。 Inclination,Inc 方位角 ———测点处正北方向
与井眼方向线的水平面投影线间 的夹角，度， Azimuth,direction,head
第一节 定向井的基本概念
一、定向井的基本要素
N
OO
井斜变化率 ——— 井斜角对井深的变化率， 度/30米 (build rate,drop rate)
一、定向井的测量概述
一、定向井的基本要素
N A
A
E O
B
闭合方位角—在水平投影 图上测点处正北方 向与闭合方位线间 的夹 角，度 (closure azimuth)
第一节 定向井的基本概念
一、定向井的基本要素
N坐标、E坐标和TVD坐标—测点在 以井口为原点的NEHO三维坐标系里 的北（N）、东（E）、垂深（TVD） 三个坐标分量，米。 North, east coordinate 垂深 ——测点的垂直深度，米
假设稳斜段的长度为 L
垂深增量
H Lcos
水平位移增量
S Lsin
北坐标增量
E
N S cos Lsin cos
东坐标
定向钻井轨道设计概述ppt课件
定向井轨道设计原则
• (续上页) – 6.钻机功率应比相同井深的直井用钻机功率大30～50%。3000～3500米 的定向井应用4500米钻机，4500米的定向井应用6000米钻机； – 7.定向井裸眼段内尽可能不搞中途测试。必要时需经过充分论证，防止 井下事故； – 8.探井一定要注意及时测斜，尽可能在每次起钻前投测“多点”；以防 万一井喷着火需要打救援井时，有井眼轨迹的数据； – 9.丛式井要注意井口井底布置、造斜点位置和钻井顺序： • 开钻顺序：除直井首先打外，其他定向井应该先打造斜点高的井， 后打造斜点低的井； • 位移大的井放在外围，造斜点相对高； • 位移小的井放在内部，造斜点相对低； • 相邻两口井的造斜点应该上下错开100米； – 10.海上丛式井可使用倾斜导管或弯曲导管；
度定
井的1.5～2倍。
向井 3. 由于造斜、测斜、扭方位以及井下复杂原因，每米钻井成本显
著增大。
1. 井斜角在600～1200，包括水平井在内。
大斜 2. 起下钻及下套管困难，摩阻摩扭大，加钻压难，管柱受力复杂； 度定 3. 缆线作业困难，测斜测井及射孔作业需特殊技术； 向井 4. 井下复杂情况增多，卡钻、键槽、岩屑床、井塌、井漏，等等；
5. 固井完井困难：固井质量难以保证；完井作业也困难；
3
定向井的分类(按轨道形状而分)
• 三维定向井：
– 单目标三维定向井； – 多目标三维定向井(Designer Wells)； – 施工中待钻设计轨道；
• 二维定向井：
– 二维常规定向井轨道； – 多增降率轨道； – 缓曲代稳轨道； – 水平井轨道； – 大位移井轨道；
2
定向井的分类(按井斜角大小而分)
小斜 度定 向井
1. 2. 3.
02 定向井井眼轨迹设计
j
m
m 2arctg H0
H
2 0
2 R0 S 0
S02
2R0 S0
R0 R1 R2
L H0 He Hv R2 sine
f S0 St Se R2 (1 cose )
d h O2
e
So
Se
三、定向井井身剖面设计
讨论：
当
H
2 0
S02
2S0 R0
①多增降率剖面
②缓降稳剖面
解决大段稳斜稳不住而提出
③双增稳剖面
为了减少摩阻和解决大段稳
斜稳不住而提出
④ 悬线剖面
⑤ 抛物线剖面
三、定向井井身剖面设计
（3）三维定向井剖面
O 三维定向井剖面指在设计的
井身剖面上既有井斜角的变化又 有方位角的变化。
常用于在地面井口位置与设 计目标点之间的铅垂平面内，存 在井眼难以通过的障碍物（如： 已钻的井眼、盐丘等），设计井 需要绕过障碍钻达目标点。
水平位移、段长； （6）校核曲率,并作图(标注控制圆柱--误差范围)。
关键步骤为2与3、4步。
设计方法有：查图法、作图法、解析法。国内目前均用解 析法。
三、定向井井身剖面设计
2、五段制（S型）剖面设计推O 导
已知：
造斜点井深
总垂深、总水平位移 增斜率、降斜率
AA BB
降斜后稳斜段井斜角、水平位移增量和垂深增量。
K A S
ΔS
KA
K
sin
二、井眼曲率及其计算方法
L dN
dE
2. 空间曲线法求井眼曲率
依据： 根据微分几何原理，一条空间曲 dH 线的曲率K有公式
定向井技术(第一章第二章)
靶体的前端面称为靶窗，靶底是指水平井靶体的后端面。入靶点是 指水平井设计轨道或实钻轨迹与靶窗的交点，水平井设计轨道 或实钻轨迹与靶底的交点称为终止点。
第十六页，共40页。
A
o
a
靶窗
a
a b
<300 m
b
~1500 m
b
c
~2400 m
第十七页，共40页。
➢由于受当时的技术条件限制，60年代末至70年代末，水 平井技术发展迟缓，经济因素受技术约束，低成本的压裂 技术。
➢80年代以来，加速发展：多种类型油气藏钻水平井开发试 验取得显著成效；现代水平井钻井技术、测试技术，提高了 成功率，降低了成本。
➢1988年，钻水平井近200口。
第九页，共40页。
第一章 绪 论
第二章 水平井的类型和用途
分支水平井：从主井筒侧钻的水平或近似水平的井筒。
➢ 先钻成大斜度主井筒（有时钻成水平井），然后从适当位置 侧钻分支井筒。 ➢ 先钻垂直主井筒至生产层底部，再从井底以上适当位置向四周钻
若干个分支井筒。
➢ 或者，钻垂直井至生产层顶部或稍高处，然后分岔。亦可利用旧 井侧钻分支水平井筒。
• 苏义脑著，水平井井眼轨道控制；
• 韩志勇，定向井设计与计算；
• 刘希圣主编，钻井工艺原理《中册》；
• 闫 铁，李士斌，深部井眼岩石力学理论与实践
第一页，共40页。
第一章 绪 论
1.1 井眼轨道 按井眼轨道分类： 垂直井：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。
定向井井身剖面设计
04
绘制剖面图
根据计算出的参数，绘制定向井剖面 图，标明各段的长度、角度和位置等 信息。
03 定向井井身剖面设计方法
基于地质资料的剖面设计
总结词
考虑地质条件和岩石力学特性
详细描述
根据地质资料，如地层分布、岩石力学特性、地下水情况等，设计定向井的井 身剖面，以确保钻井过程中的安全性和稳定性。
04
定向井井身剖面设计需要遵循一定的设计原则，包括 优化井身结构、控制井眼轨迹、降低摩阻和扭矩等。
展望
随着科技的不断发展，定向井井身剖面设计将更 加智能化和自动化。例如，利用人工智能技术进 行智能优化设计，利用传感器和远程监控技术实 现钻井过程的实时监测和调控。
随着非常规油气资源的不断开发，定向井井身剖 面设计将更加注重复杂地层的钻井技术。例如， 针对页岩、煤层和礁灰岩等复杂地层的钻井技术 将得到更广泛的应用。
05 定向井井身剖面设计案例 分析
案例一：某油田定向井剖面设计
总结词
复杂地质条件下的优化设计
详细描述
该油田地质条件复杂，存在多套地层，地层倾角大，且存在断层和裂缝发育。为了提高钻遇率，设计 了一种多段定向井剖面，采用阶梯式降斜设计，以适应不同地层条件，同时优化了钻具组合和钻井液 性能，提高了钻井效率。
案例二：某气田定向井剖面优化
总结词
提高产能的优化设计
详细描述
该气田要求钻遇储层后能够实现高效开采。为了提高产能， 对定向井剖面进行了优化设计，采用大斜度定向井，以增加 储层裸露面积，同时优化了完井方式，采用了复合完井技术 ，提高了气井的产能和采收率。
案例三：某煤田定向井剖面设计
定向井设计讲义
定向井设计讲义一、钻井工程设计包括的内容：地质设计；钻井工程设计；施工进度设计；成本预算。
1、地质设计内容：（1）区域地质概况；（2）沉积环境、邻井情况（产油、气、水）；（3）地面位置（井位、坐标、地理位置）；（4）设计目的：井深、目的层、完井方法；（5）地质分层：层位、岩性、特殊情况、断层、倾角、走向等；（6）取资料（录井）：捞砂样、气测、综合录井；（7）取心：何层位、取心进尺；（8）测井资料：井段、测何种类（简易中途、全套）；（9）测试；（10）地层孔隙压力预测：邻井试油压力、预测曲线；（11）附图。
2、钻井工程设计：（1）地面井位选择；（2）钻机选择及井身结构；（3）钻头类型选择及数量；（4）钻具及下部组合；（5）钻井参数及水力参数；（6）钻井液类型、性能（包括防腐要求）；（7）各层套管设计及固井设计；（8）井控设计及工艺技术要求；（9）油气井固控设计要求；（10）地层孔隙压力监测；（11）地层漏失试验；（12）防止油气层损害；（13）环境保护要求；（14）安全生产措施；（15）施工进度计划；（16）全井成本预算。
二、定向井设计（一）、井身剖面的设计原则1、能实现钻定向井的目的；2、应尽可能利用地层的自然造斜规律；3、在选择造斜点、井眼曲率、最大井斜角等参数时，应有利于钻井、采油和修井作业；4、在满足钻井目的的前提下，力求使设计的全井斜井深最短，有利于安全、优质、快速钻井，降低钻井成本；这方面要考虑以下几个问题：（1）、选择合适的井眼曲率；（2）、选择易钻的井眼形状；（3）、选择适当的造斜点；（4）、设计的井身剖面形状应与井身结构同时考虑。
（5）.优质的钻井液。
（二）剖面设计中有关因素的选择：1、造斜点的选择：（1）造斜点应选择在比较稳定的地层，避免在岩石破碎带，漏失地层，流砂层或容易坍塌等复杂地层定向造斜，以免出现井下复杂情况，影响定向施工。
（2）应选在可钻性较均匀的地层。
避免在硬夹层定向造斜。
定向井技术
摘要定向井技术是当今世界石油勘探开发领域最先进的钻井技术之一，它是由特殊井下工具、测量仪器和工艺技术有效控制井眼轨迹，使钻头沿着特定方向钻达地下预定目标的钻井工艺技术。
采用定向井技术可以使地面和地下条件受到限制的油气资源得到经济、有效的开发，能够大幅度提高油气产量和降低钻井成本，有利于保护自然环境，具有显著的经济效益和社会效益。
定向井就是使井身沿着预先设计的井斜和方位钻达目的层的钻井方法。
本文介绍的主要是定向井及水平井的应用。
关键字：定向井水平井及前沿技术发展1、定向钻井的目的：1、地面条件限制；如高山、大河、湖泊、海洋、城市、建筑等；2、地下条件限制；如地下断层、盐丘、穹窿等复杂地层；3、钻井工艺要求；如侧钻井、救援井、丛式井、分支井等；4、开发油气藏的需要。
钻水平井的目的是：1、开发低渗透、低孔隙度油气藏；2、丛式钻井和海洋钻井的需要。
主要内容有：1、定向井和水平井剖面设计；2、定向井和水平井井眼轨迹测量和计算；3、定向井和水平井井眼轨控制原理和技术。
发展状况：最早的定向井是用于井下落鱼而无法继续钻进的侧钻井；用专门的工具及技术钻定向井则始于1895年。
真正钻定向井是1930年在美国的加里福尼亚开采海岸浅层石油。
1934年用于井喷失控的救援井。
广泛使用定定向井是在最近20年。
在此基础上为了开发低渗透油气藏和海洋、从式井的需要又出现了水平井技术。
目前，定向井水平井已发展到很高的水平，应用越来越广泛，在剖面设计，轨迹测量、控制技术已相当完善。
井深超过8000米，水平位移达5000米。
井斜角达800以上，即所谓大斜度井。
2、定向井的基本要素1、井斜角。
井眼轴线的垂直投影平面上，任一点的切线与垂线的夹角，；2、方位角。
井眼轴线的水平投影上任一点的切线与正北方向的夹角，；3、水平位移。
是井底的水平投影与井口的水平投影之间的距离；4、井斜变化率。
井眼单位长度井深井斜角的变化值；5、方位变化率。
单位长度井深方位角的变化值；6、全角变化率（井眼曲率或狗腿度），同时表示井斜和方位变化的程度；7、测量深度（MD）。
定向井井身剖面设计
第2章定向井井身剖面设计第一节轨道设计概述一、设计条件：✧一般要给定的有：目标点垂深、水平位移、设计方位角等；✧给定进入目标的要求(例如：目标点或目标段的井斜角)。
二、设计内容：✧根据设计条件，设计出合适的轨道。
三、轨道设计的关键：✧造斜点选择，增斜率和降斜率的选择（需要经验）；✧轨道关键参数的求得（需要先进的计算公式）。
四、轨道自由度及轨道约束方程1、自由度（DOF）的概念✧将起点位置及方向均给定的轨道或曲线段形状完全固定需要确定的独立自由变量个数称为轨道或曲线段的自由度。
2、起点给定时各种曲线段的自由度✧直线段的自由度为1；✧二维圆弧段的自由度为2；✧三维圆弧段的自由度为3。
3、轨道自由度为组成轨道的所有曲线段自由度之和，如：✧三段式轨道的自由度为4；✧五段式轨道的自由度为7；✧双增式轨道的自由度为7。
4、目标点的约束条件称为轨道约束方程，如：✧三段式轨道的约束方程数为2；✧五段式轨道的约束方程数为3；✧双增式轨道的约束方程数为3。
5、轨道设计时需要补充确定的参数个数为轨道自由度和轨道约束方程数之差，如：✧三段式轨道需要补充确定的参数个数为4-2=2；✧ 五段式轨道需要补充确定的参数个数为7-3=4； ✧ 双增式轨道需要补充确定的参数个数为7-3=4。
五、轨道设计的一般步骤✧ 根据轨道约束方程数和需要指定的参数之和等于轨道自由度的原则选择轨道形状； ✧ 确定需要指定的参数大小（如造斜点、增斜率、降斜率等）； ✧ 建立轨道约束方程组，推导关键参数计算公式； ✧ 井身参数计算及轨迹绘图。
第二节 二维常规轨道设计一、一般会给定的条件✧ 目标点的垂深Ht 、水平长度St （井口可移动时相当于没给定） 、井斜角αt （单靶时无要求）及设计方位角θ0； ✧ 造斜点井深Ha 及造斜点处的井斜角αa ； ✧ 造斜半径R1 和R2 ；✧ 一般情况下，造斜点以上设计成垂直井段，αa=0；如果使用斜井钻机，则αa ≠ 0 ，可根据给定的Ha 和αa 计算出Sa 。
第二章---定向井的设计
第二章定向井的设计2.1 定向井设计的准备2.1.1 定向井基本技术术语钻井工程师首先必须熟练定向井中的一些术语。
(1) 造斜点，Kick-Off Point 或 K.Ｏ.P，即井眼开始从垂直井段倾斜的起点。
(2) 井斜角，Inclination或INC，即井眼某一点的轴线的切线与铅直线之间的夹角。
(3) 方位角是表示井眼偏斜的方向，它是指井眼轴线在水平面的投影的方向与正北方向之间的夹角。
(4) 井斜变化率，指单位长度（100英尺或30米）内井斜角的变化值，而单位长度内方位角变化值则称为方位变化率。
(5) 垂深(True Vertical Depth)，TVD，深度零点到测点水平面的距离。
(6) 闭合距和闭合方位，闭合距指水平面上测点到井口的距离；闭合方位即在水平投影图上，测点与井口联线与正北方向的夹角(7) Lead Angle，导角或方位提前角，预计造斜时的方向线与靶点方向线(目标方向)的夹角。
2.1.2 作业者应提供的设计资料(1) 井名、数量、地区；(2) 井的垂深；(3) 水平位移与方位；(4) 靶区描述与限制；(5) 井眼尺寸与套管程序；(6) 泥浆程序；(7) 邻井位置及可能的测斜数据；(8) 邻井的钻井资料；(9) 钻井承包商的名称及钻机号；(10) 钻杆描述(11) 钻铤及加重钻杆的资料；(12) 泵型号、马力、缸套尺寸、冲程及额定泵压等；(13) 工具运输和人员计划；(14) 能提供的通讯；(15) 承包商及作业者代表的名字与电话；(16) 钻井工具的最小井径；(17) 定向钻井人员的食宿；(18) 狗腿严重度限制；(19) 轨迹测量方式；(20) 任何其他有关情况。
2.1.3 服务公司应提供的设计资料(1) 一份(或几份)定向井设计图；(2) 服务公司计划提供的工具及设备清单；(3) 非磁钻铤的要求；(4) 磁偏角；(5) 推荐的测量方式；(6) 总体定向钻井方案；(7) 责任定向井工程师的名字、地址及电话；(8) 准备使用的测量计算方法；(9) 人员、设备的运输计划。
第二章 定向井、丛式井、水平井设计与计算分析
第二章定向井、丛式井、水平井设计与计算分析第一节定向井、水平井二维轨道设计一口定向井的实施，首先要有一个轨道设计，才能以此设计为依据进行具体的定向井钻井施工。
对于不同的勘探、开发目的和不同的设计限制条件，定向井的设计方法有多种多样。
而每种设计方法，都有一定的设计原则。
定向井设计是一个非常重要的环节。
“好的设计是成功的一半”。
因此，合理地设计好井身轨道，是定向井成功的保证。
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。
定向井-定向钻井基础
降斜率：单位长度井眼降低的井斜值
E
二、定向井井身剖面设计的原则
1、保证实现钻定向井的目的
根据不同的定向井钻 井目的对定向井井身剖面 进行合理设计 例如： 裂缝性油藏：横穿裂缝 薄油层：大斜度或水平井 低渗块状油层：多底井
救援：目标层位、靶区半径、简单（快速、经济） 落鱼侧钻：避开落鱼、一定水平位移
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。平均曲率：Kc=γ/ΔL “狗腿角”或“全角变化”（γ）：上、下二测点的两条方向 线之间的夹角(空间夹角)。 狗腿角的计算： (1)Lubinski公式：
cosγ=cosαA·cosαB+sinαA·sinαB·cos(φB-φA)
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．垂直投影图
投影面：过设计方位线的铅垂面，即井口和目标点所在
的铅垂面。
坐标系：原点(井口)、横坐标(视平移)、纵坐标(垂深) 表达的参数：垂深D、视平移V、井斜的增减趋势
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）、
井深
2530.00 2560.00 (2540.00) 2542.96
井斜角
38
45
Hale Waihona Puke 40.3341.02
井斜方位角 178
165
173.87
172.60
第四节 定向井井身剖面设计
主要内容：
•基本概念 •井身剖面设计原则
造斜点 井眼曲率 最大井斜角
•剖面类型 •设计方法
目的：
• 选择满足要求的井身剖面类型 • 设计剖面结构参数
定向钻井
• • • •
B点参数为： 井斜角α2 方位角φ2 井深L2
60
装置角ω与A B 两点参数的关系
cos 2 cos1 cos sin 1 sin cos sin sin tg sin 1 cos cos1 sin cos
47
第三章
井斜及方位的控制
一 、装置角的概念 造斜工具弯曲方向 所在平面与原井斜 方向所在的铅垂面 的夹角
48
造 斜 工 具 面 ω
井 斜 铅 垂 面
49
钻进过程 ω=0 ：垂直剖面图
50
钻进过程 ω=0 ：水平投影图
51
52
53
54
装置角对井斜角和方位角的影响
工具面
井斜铅垂面
ω
55
arccos(cos 1 cos )
5. 稳斜扭方位：
tg 2 arccos( ) tg1
63
装置角的图解法
φ O N
α1
A
1 .在图纸上划出方位线ON 2 .以ON为始边作OA，使
∠NOA=φ,以OA 长度表示α1
64
装置角的图解法
φ
O N
Δφ
A
D
B
3. 以A为圆心，以全角变化量β为半径画圆， 延长OA 交于D. 4. 以OA 为始边，量取方位角增量Δφ作 OB,连接AB. 65
41
造斜方法及造斜工具
一、井底动力钻具造斜 1. 工具
1) 2) 3) 4) 弯接头 单弯动力钻具 双弯动力钻具 涡轮偏心短节
42
2.原理
弯接头
井底动力钻具
43
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第二章定向井的设计2.1 定向井设计的准备2.1.1 定向井基本技术术语钻井工程师首先必须熟练定向井中的一些术语。
(1) 造斜点，Kick-Off Point 或 K.Ｏ.P，即井眼开始从垂直井段倾斜的起点。
(2) 井斜角，Inclination或INC，即井眼某一点的轴线的切线与铅直线之间的夹角。
(3) 方位角是表示井眼偏斜的方向，它是指井眼轴线在水平面的投影的方向与正北方向之间的夹角。
(4) 井斜变化率，指单位长度（100英尺或30米）内井斜角的变化值，而单位长度内方位角变化值则称为方位变化率。
(5) 垂深(True Vertical Depth)，TVD，深度零点到测点水平面的距离。
(6) 闭合距和闭合方位，闭合距指水平面上测点到井口的距离；闭合方位即在水平投影图上，测点与井口联线与正北方向的夹角(7) Lead Angle，导角或方位提前角，预计造斜时的方向线与靶点方向线(目标方向)的夹角。
2.1.2 作业者应提供的设计资料(1) 井名、数量、地区；(2) 井的垂深；(3) 水平位移与方位；(4) 靶区描述与限制；(5) 井眼尺寸与套管程序；(6) 泥浆程序；(7) 邻井位置及可能的测斜数据；(8) 邻井的钻井资料；(9) 钻井承包商的名称及钻机号；(10) 钻杆描述(11) 钻铤及加重钻杆的资料；(12) 泵型号、马力、缸套尺寸、冲程及额定泵压等；(13) 工具运输和人员计划；(14) 能提供的通讯；(15) 承包商及作业者代表的名字与电话；(16) 钻井工具的最小井径；(17) 定向钻井人员的食宿；(18) 狗腿严重度限制；(19) 轨迹测量方式；(20) 任何其他有关情况。
2.1.3 服务公司应提供的设计资料(1) 一份(或几份)定向井设计图；(2) 服务公司计划提供的工具及设备清单；(3) 非磁钻铤的要求；(4) 磁偏角；(5) 推荐的测量方式；(6) 总体定向钻井方案；(7) 责任定向井工程师的名字、地址及电话；(8) 准备使用的测量计算方法；(9) 人员、设备的运输计划。
2.1.4 井眼尺寸(1) 目前的常规定向工具能满足6”～17-1/2”井眼的定向钻井；(2) 大尺寸井眼比较容易控制井眼轨迹，而小井眼则相对较难，因为小井眼需使用更小、更柔的钻铤、钻杆；(3) 小尺寸井眼中，地层因素对轨迹的影响较大。
2.1.5 套管程序(1) 定向井中使用的套管有13-3/8”、10-3/4”、9-5/8”、7-5/8”、7”，甚至更小的套管；(2) 如果井眼轨迹很光滑，没有很大的狗腿，那么即使在大井斜井段，也能顺利进行下套管作业；(3) 井眼倾斜井段，应在套管上加扶正器以支撑套管，避免在下套管过程中，发生压差粘卡；(4) 在大井斜井段，可使用较厚的套管以避免磨损；(5) 大多数定向井可采用直井中的套管程序；(6) 对于深井或大斜度井，应该考虑在钻杆上加橡胶保护箍以避免损坏套管或钻杆。
2.1.6 泥浆程序(1) 定向钻井泥浆程序十分重要，合理的泥浆应有足够的携砂能力和润滑性，以减少卡钻的机会；(2) 泥浆性能控制对减少定向井钻柱拉伸与扭矩也很重要；(3) 泥浆中应加润滑剂，泥浆比重与粘度必须随时控制；(4) 如果以泥浆作为钻井液，那么在正常压力井段，应使用高般土，低规固相含量的泥浆，这样将有利于清洁井眼；(5) 水泥基浆中加6～8%的柴油，将保证良好的润滑性能以减少钻具磨阻和压差卡钻；然而在水域钻井，一定要避免污染水域；(6) 如果有异常高压井段,要求泥浆比重达到12.oppg或更高，那么应考虑在钻开该高压地层前，下一层保护套管，以封固所有正常压力井段；(7) 能用清水钻直井的地区,同样也用清水钻定向井。
2.1.7 造斜点选择(1) 造斜点通常是越浅越好；(2) 一般来说浅层造斜比深层造斜容易一些，因为深层地层往往胶结良好；(3) 造斜点至少应在前一层套管鞋以下50米，以避免损坏套管鞋；(4) 尽量在大段砂层中造斜，因为砂层的井径稳定，而页岩段较易受到冲蚀；(5) 对一口定向井来说，初始造斜的井斜、方位非常重要；(6) 造斜后的井斜角大小也要考虑，通常井斜在25°以上井眼方位较稳定，而井斜较小时(5°～20°)，井斜、方位都比较难控制。
2.1.8 靶的形状与尺寸(1) 定向井设计的第一步就是确定靶区；(2) 靶区开头与尺寸通常由地质构造、产层位置决定，并考虑油区油井分布情况；(3) 然而，靶区应经过广泛讨论后再确定，以避免靶区定得太小，不现实，从而导致作业费用大大增加。
2.1.9 平台最佳位置选择(1) 选择最优井位，利用地层的自然漂移趋势,是非常必要的；(2) 地层走势对井斜有很大的影响；(3) 通过软、硬交错的地层，通常钻头倾向于垂直地层层面钻进；(4) 如果层状地层倾角大于45°，通常钻头倾向于平行地层层面钻进；(5) 同样，地层走势对方位漂移有影响。
如果预计钻进方向同于地层上倾方向，方位将按钻头自然漂移趋势漂移，而井斜将增加很快；(6) 如果预计钻进方向在地层上倾方向的左边，钻头将向右漂移；如果预计钻进方向在地层上倾方向的右边，钻头将向左漂移；(7) 因此在地面条件允许的情况下，应尽量利用地层走势，最大限层地减少井眼的漂移。
2.1.10 造斜率选择(1) 大多数定向井造斜率为2°～3°/30m；如果需要在浅层造斜段获得较大位移，造斜率可提高到3.5～5°/30m；(2) 造斜时，井斜应稳步增加，直到最大井斜。
2.1.11 最大井斜角(1) 常规定向井,一般最大井斜在20°～60°之间；(2) 如果井斜大小(低于20°)，则井眼的井斜、方位都较难控制；(3) 井斜大于60°将使钻具摩阻大大增加，并且难于进行用常规测井工具的测井。
渤海定向井1993年所钻SZ36-1-B10井，最大井斜65°，测井时工具所通过井段的最大井斜为62°，而在65°井段，反复通井，测井仪器均不能通过。
2.1.12 降斜率(1) 对于“S”型井眼，通常降斜段降斜率选择1°～2°/30m；(2) 如果降斜后仍然要钻较长的井段，必须采用较小的降斜率，平缓降斜，以避免键槽卡钻。
2.1.13 导角(方位提前角)(1) 导角就是指实际造斜时的方位与设计方位的差值。
(2) 通常对于转盘钻进时，钻头有右漂趋势，但有些定向井方位左漂。
(3) 为利用这一自然漂移趋势，通常是造斜时的方位在设计方位的左边，即比设计方位小某一角度，即导角。
(4) Southern Louisiana Offshore 定向井作业中，最大导角达15°～30°并且定向控制很成功。
2.1.14 狗腿严重度(1) 狗腿严重度是描述井眼轨迹全角变化的尺度。
通常以每30米井段的全角变化表示。
(2) 通常狗腿较大的井段应反复划眼，以减小严重程度和形成键槽的可能，同时也能减小钻柱旋转时挠曲，避免损坏钻具。
(3) 狗腿严重度计算公式：a: Cos Dog-Leg=﹝Cos(Inc1)×Cos(Inc2)+Sin(Inc1)×Sin(Inc2)×Cos(Direction Change)﹞b: Dog Leg=Cos-12.1.15 允许的方位偏移与极限(1) 定向钻进时，初始造斜方向或在设计方位的左边或右边，(即选定导角)，然后通过自然漂移钻达靶区，井眼轨迹是一条空间曲线。
(2) 但是对导角也有一个限制，在井眼密集的井网中，要求定向井轨迹保持在以设计井眼轴线为中心的圆柱内，以避免与邻井相碰。
(3) 同样，由于油藏特性和地质地层条件，也对导角的大小有一定的限制。
2.1.16 邻井和钻柱的磁场对测量仪器的影响(1) 用过的钻柱通常已被磁化，因此测量时需用非磁钻铤。
(2) 同时，邻井的套管产生的磁场对测量有影响，因此也要加以考虑。
2.2 定向井轨迹设计与计算2.2.1 定向井剖面类型选择在进行定向设计的时候,首先应根据井身剖面设计的原则确定一种井身剖面。
井身的剖面类型很多。
选择合适的井身剖面不是一位容易的事。
它必须考虑到地质条件、套管程序、目的层的位置以及钻井技术水平等因素。
根据目前国内外的资料和经验，最常用的井身剖面有三种。
如图2-1 所示：类形1，如图2-1A所示，这种剖面造斜深度较低，通常在表层套管内即达到所需的井斜角，以后一直稳斜钻至目的层位。
该剖面最常用于不下中间套管和单一油层的中深井，也可用于要求水平位移很大，井深较深的井。
类型2，如图2-1B所示，这种剖面造斜井深较浅。
造斜完后，下表层套管然后稳斜钻进。
在达到预定的水平位移后降斜钻进，直到井眼垂直，然后下中间套管。
最后使井眼垂直进入油层。
该剖面适用于地层情况复杂需要下中间套管，而且油层较多的井。
采用这种剖面，井距易于保持均匀。
在斜井段处于较软的上部地层便于造斜。
类型3，如图2-1C所示。
这种剖面具有大段的垂直井段，与其它类型的剖面相比井斜角可能大一些，且位移小一些。
由于造斜点较深，地层胶结较好，因此造斜费时较长，且造斜段没有用套管封固。
图2-1A 图2-1B 图2-1C上述几种剖面类型，并不是一成不变的。
在生产实践中，常常根据实际情况灵活应用，设计出许多剖面。
例如悬链线，二次抛物线等井身剖面，选用这类井身剖面，钻具摩阻小。
2.2.2 井身剖面的设计方法(1) 定向井井身剖面的设计方法有三种：作图法、查图法、解析法。
由于计算机技术的迅速普及且精度高，因此解析法成为最广泛使用的一种方法。
(2) 解析法的计算方法2.2.1中所述的第二类型井身剖面，即五段制剖面“直-增-稳-降-稳”，可以作为所有常规井剖面的代表，故下面以这种剖面为例说明其设计计算方法。
例1：已知条件：全井总垂井H，靶点垂深Ht，设计方位Ф0，进入油层角度α”，试设计该定向井。
设计步骤：①初步确定井身剖面类型采用五段制，即“直-增-稳-降-稳”。
图2-1为剖面示意图图2-2：剖面示意图②选定造斜点，即确定垂直井段Hv③选定增斜率和降斜率增斜率Δα1，降斜率Δα2，则增斜、降斜井段的曲率半径分别为：1 1R1=----------- R1=-----------Δα1 Δα2④计算最大井斜角αmax通过几何关系，求得方程得：αmax-1（HO-（HO2+AO2-2RO*AO）1/2）/(2RO-AO)式中:HO=Ht-Hv+R2*sinα*AO=At+R1-R2*cosα*RO=R1+R2井身剖面的计算，按照曲率半径法原理通过计算机实现。
2.2.3 实际井眼轴线的计算方法(1) 井眼轨迹的测量方法分类，共分为三类七种方法：第一类：直线法，包括正切法和平均角法。