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
K
(
d 2H dl 2
)2

d2N ( dl2
)2

(
d 2E dl 2
)2
二、井眼曲率及其计算方法
HN
具体方法：
O
E
HA
A SA

0
时，表示剖面有稳斜段存在。
当
H
2 0Biblioteka S022S0 R0

0
时，说明这种剖面是不存在的，
就是用作图法也作不出来。这时应该修改设计条件，或改
变增斜率和降斜率，或调整目标点坐标，或改变造斜点深
度。总之，不能出现的情况。
当
H
2 0

S
2 0

2S0 R0

0
时，说明该剖面没有稳斜段。
三、定向井井身剖面设计
（1）常规二维剖面 二维定向井剖面指设计井
眼轴线仅在设计方位线所在铅垂 平面上变化的定向井剖面。
三、定向井井身剖面设计
① 直、增、稳三段制剖面
O
最常用和最简单的井身剖面。
特点：
造斜点较浅（可减少最大井斜角）
A
使用范围：
B
靶点较浅、水平位移较大时常采用。
因造斜段完成后井斜角和方位角
变化不大，轨迹控制容易，一般井斜
αA
dl
在井轴上取一微段dl（因是微段，弦 代替了弧曲线）由左图可知
dH A'
dS
N C B' dN
A'
B
αA+dα
dH cos dl dN dN • ds cos •sin
A+d
dl ds dl dE dE • ds sin •sin
dS
dl ds dl
dH dl cos dN dl sin cos dE dl sin sin
对于没有稳斜段的剖面，即
H
2 0

S02

2S0 R0

0
时，
公式可以大大简化，可选择下述四公式中的任一个。
tg m S0
2 H0
tg m

H0 R0 S0
sin m

H0 R0
cos m

R0 S0 R0
三、定向井井身剖面设计
计算出最大井斜角以后，就可以进行井身计算，井身计算 的内容是算出各段的垂深增量（垂增）、水平位移增量 （平增）和段长。
一、定向井的基本概念
O Δα
LA A B LB
αA αB
垂直剖面上：
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）
一、定向井的基本概念
N A' A B
水平面上：
为空间井眼的水平投
B'
ΔS

影
E O
一、定向井的基本概念
一、定向井的基本要素
测点———测量仪器所在的点
N
OO
测段———相邻两测点的井段
测深———井口至测点处的井眼 实长，也称为该点的斜深，或井 深，米,L.
井斜角———测点处井眼方向线 （切线，指前）与重力线间的夹 角，度,α.
一、定向井的基本概念
N
OO
1、定向井的基本要素
方位角 ———测点处正北 方向（按顺时针旋转）至井 眼方向线在水平面上的投影 线间的夹角，度. 方位变化率 ———方位角对 井深的变化率，度/30米.
OO
井眼曲线的表示方法：
1.三维坐标图示法
2.投影图法(适于二维设计)
垂直投影图与水平投影图
3.柱面图法
垂直剖面（井斜平面）与水 平平面：实钻井眼是一条空间曲线，
设想经过这条曲线上的每一个点作一条 铅垂线，所有这些铅垂线构成一个曲面。 曲面与水平面的交线即为该井的水平投 影图。将曲面展开即为垂直剖面图
一、定向井的基本概念
N
OO
1、定向井的基本要素
井斜变化率 ———井斜角 对井深的变化率,度/30米.
垂深 ———测点的垂直深 度，米.
一、定向井的基本概念
NA B
O
水平位移———测点至井口所 在的铅垂线的距离，也称该点 的闭合距，米.
视 平 移———测点水平位移在 设计方位线上的投影，米. E 视平移与水平位移越接近，则该 井井眼方位控制得越好。
井身剖面是由各种不同类 型的单一形状组成的。
三、定向井井身剖面设计
（一）名词解释
直井段: 井斜为0
O
造斜点： 开始增加井斜的位置
工具造斜率：造斜工具在单位长度
A
增斜率：
井眼能增加的井斜值 单位长度井眼增加的 井斜值
B
C D
降斜率： 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）： 增加井斜的井段 降斜段： 降低井斜的井段 稳斜段： 控制井斜不变的井段 靶点： 设计规定的，必须钻达的地
CC
求：
DD
各段垂深、水平位移、段长、井斜、方位。
三、定向井井身剖面设计
O
A B C D
2.1 作图法原理
（对垂直投影）
(1) 定造斜点。作平行线，按井斜 半径画园，作造斜段。 (2)定井底。定进油层段，定最下 一个稳斜点。 (3)按减斜半径画园，作减斜段。
(4)画两园的切线，作稳斜段。
(5)测最大造斜角
层位置，也称目标点
O
A
B C D
E
三、定向井井身剖面设计
（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
三、定向井井身剖面设计
1、保证实现钻定向井的目的
救援：目标层位、靶区半径、简单 （快速、经济）
N坐标、E坐标和H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（H）三个坐标分量，米。
二、井眼曲率及其计算方法
r1 r2
1.定义： 井眼的曲率K： 井眼切线的倾角对于井深的变化率 L
N O
K d
dl
K表示曲线偏离直线的程度。
二、井眼曲率及其计算方法
2、考虑地面条件限制 地面条件是确定定向井井位和丛式井
平台位置的重要依据，还需考虑交通、采 油、油气集输等方面的需要。
三、定向井井身剖面设计
3、正确选择造斜点、井眼曲率、和最大 井斜角
原则：
上述参数的选择应有利于采油、修 井作业和钻井施工。
三、定向井井身剖面设计
①造斜点的选择
原则：
•选在比较稳定、均匀的地层 尽量在软——中硬地层造斜，并考虑钻 头类型
增斜段：
H1 R1 sin m
井下作业（如测井、固井、射孔、采油等）的困难。 控制原则： 定向井中应控制其最大值 5o-12o/100m，最大
不超过16o/100m。
三、定向井井身剖面设计
考虑因素：
a 保证井下动力钻具顺利通过的井眼曲率
（动力钻具刚度较大不允许弯曲而保持直线状态）
通过简单的几何分析，并作
一些近似处理有曲率半径
第二节 定向井井眼轨迹设计
定向井是指按照预先设计的井斜方位和井眼的 轴线形状进行钻进的井；
定向井是相对于直井而言，而且是以设计的井 眼轴线形状为根据；
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.
一、定向井的基本概念
N
求出狗腿严重度。
L
注意：狗腿严重度、井眼曲率、全角变化率都是相同的意义
三、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
三、定向井井身剖面设计
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：
所钻井眼达到目标点的井眼 路径或轨迹。
三维绕障设计 纠偏三维设计
三、定向井井身剖面设计
（四）定向井井身剖面的设计方法
1、内容和步骤 （1）掌握原始资料：
地质要求，地面限制、地质剖面、地层造斜 规律、工具能力，钻井技术、故障提示、井口及井 底坐标；
三、定向井井身剖面设计
（2）确定剖面类型； （3）确定造斜点、造斜率； （4）计算最大井斜角； （5）计算剖面上各井段井斜角、方位角、垂深、
E
dE
A
二、井眼曲率及其计算方法
将上三式再次求导并带入曲率公式化简整理得
d
dl

K
,
d
dl

K
K K2 K2 sin 2
对一个测段来说
K


l
, K


l
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


l
RT

125L2T 0.728(db dT )
f
1 设计时需：K
RT
三、定向井井身剖面设计
b、套管允许弯曲应力对井眼曲率的限制
套管尺寸较大，弯曲后最容易出现的破坏是丝扣滑脱或 破坏，通过数学力学分析并考虑丝扣处应力集中得到下式:
Kc
114.58 c105
K1 K2 E dc
(6)测各段的参数
三、定向井井身剖面设计
O
2.2 解析法
Hv
关键点：
a
①f点的建立 K
b
L ②S0=St-Se+R2(1-cos e)
H0
m c
j
m
f
d h O2
e
tgm

fj Kj

H0

So
R1tg
m 2

R2tg
m 2
So St
三、定向井井身剖面设计
O
Hv a
K b
H0
m c
•尽量在方位漂移不大的地层造斜 •应考虑垂深、水平位移、与最大井斜的要求，
造斜点高则水平位移大、井斜小，低则相反。
三、定向井井身剖面设计
②最大井斜角： <15o方位不稳， >45o测井、完井施工难度大、扭方位困 难、扭矩大、井壁不稳
一般15o－45o。
三、定向井井身剖面设计
③井眼曲率 井眼曲率变化的影响： 过小：造斜井段过长，增加轨迹控制工作量 过大：造成钻具偏磨、摩阻过大、键槽、其它
(度 /100米)
三、定向井井身剖面设计
4、剖面设计应有利于安全、快速钻进， 降低钻井成本
在满足钻井目的前提下，尽量选用比较简单的剖面 类型；
尽量利用地层自然造斜规律； 尽量利用拥有的造斜工具造斜能力； 尽量使井身轨迹短，尽可能保持较长的直井段。
三、定向井井身剖面设计
（三）井身剖面类型的选择
O Δα
A
R
Δl B αA αB
对方位不变的情况 垂直平面上某井段的曲率
KH


l
即只有井斜沿轴线的 变化。也叫井斜变化 率。
K H K
二、井眼曲率及其计算方法
Δl N O
1.定义
水平投影上的方位变化
(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）
新疆柯3井，井喷失控着火，几年后请 美国人来钻定向救援井。 我国自行设计、施工的数口成功的定 向救援井：濮2—151井（中原油田）、 永59井（胜利）、南2—1井（青海）。 均成功地制服了井喷失控事故。
三、定向井井身剖面设计
落鱼侧钻： 避开落鱼、一定水平位移
整块油藏： 按开发井网布置要求
三、定向井井身剖面设计
角为15o-55o。
三、定向井井身剖面设计
O
② 直、增、稳、降、稳
五段制剖面
A B
应用范围：
常用于靶点较深，水平位移 较小的定向井、多目标井等。
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）。
三、定向井井身剖面设计
O
（2）特殊二维剖面
2



l
2
sin 2
c
二、井眼曲率及其计算方法
3.鲁宾斯基导出的狗腿严重度公式
假设测段是平面曲线.公式的表达形式为直接求测段的狗腿角γ。
cos cos1 cos2 sin1 sin2 cos
狗腿严重度公式：
K
L
用上式可先求出狗腿角，再用 K