第五章 两维定向井的设计

第五章两维定向井的设计

第一节常规两维定向井井身剖面设计原则

两维定向井是指设计的井眼轴线只是在某一个给定的铅垂面内变化，即设计的井眼轴线只有井斜角的变化，没有方位角的变化。

井身剖面的设计原则

1、应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、应有利于采油工艺的要求

4、应有利于安全、优质、快速钻井

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）设计井身剖面形状应与井身结构同时考虑。

第二节常规两维定向井井身剖面设计

井身剖面设计的条件、内容和步骤

一、设计条件

一般情况下，给定的设计条件有：地面井位坐标、地下目标点坐标和目的层垂直深度和井底位置。根据这些基本数据，通过坐标换算，可计算出设计方位角和设计水平位移。

坐标换算方法如下：

X 地理北

地理东

给定地面井位坐标即井口坐标（X a、Y a），地下目标点坐标（X b、Y b）和目标层垂直深度H

坐标换算公式如下：

S=（ΔX2 +ΔY2）1/2 （4-1） tg-1|ΔY /ΔX | Φ在第Ⅰ象限

Φ= 180º- tg-1|ΔY /ΔX | Φ在第Ⅱ象限（4-2） 180º+ tg-1|ΔY /ΔX | Φ在第Ⅲ象限

360º- tg-1|ΔY /ΔX | Φ在第Ⅳ象限

式中：S —设计水平位移

Φ—设计方位角

ΔX= X b - X a，为目标点地理北坐标与井口地理北坐标的差值

ΔY= Y b–Y a为目标点地理东坐标与井口地理东坐标的差值例：已知某井井口坐标：纵 4293466.8 横 20546701.8

井底坐标：纵 4292770 横 20546510

求其方位角和水平位移？

解：ΔN=N底- N口=4292770-4293466.8=-696.8

ΔE= E底- E口=20546510-20546701.8=-191.8

该井设计方位Φ=180º+ tg-1|ΔY /ΔX |=195.5º

水平位移S=（ΔN2 +ΔE2）1/2 =723m

二、井身剖面设计的内容和步骤

1、选择剖面类型；

2、确定增斜率和降斜率，选择造斜点；

3、求得剖面上的未知参数，一般情况下这个未知参数是全井最大井斜角αm；

4、进行井身计算，包括各井段的井斜角、垂深、水平位移、井斜方位角（三维剖面）及井深；

5、作垂直投影图和水平投影图，必要时绘出控制安全圆柱；

三、常规两维定向井井身剖面设计

常规两维定向井的剖面形状主要有两种，一种是“直—增—稳”剖面，在我国现场上称为“三段制剖面”，此种剖面又可分为低造斜点和高造斜点两类，稳斜段的长度也可长可短，甚至可以没有稳斜段，这主要根据设计的条件和要求而定。

另一种是“直—增—稳—降—稳”剖面，现场上称之为“五段制剖面”。

虽然实际所用的剖面类型很多，但它们都只是这两种剖面演变而来的，我们也可以说“三段制”剖面是“五段制剖面”的一种特殊情况。这样，我们就可以用“五段制剖面”作为所有常规两维定向井剖面的代表。如果能设计出“五段制剖面”，其它常规剖面都可以迎刃而解。五段制剖面的设计方法目前主要有三种：作图法、查图法和解析法。下面介绍解析法设计井身剖面。

前面我们讲过，五段制井身剖面可以作为所有常规井身剖面的代表，所以我们就以五段制井身剖面来推导最大井斜角的计算公式。

如下图所示，

在直角三角形Δkfg 中，

fg A O A O tg αm = = =

kg aj-ak-gj H O -( R 1 + R 2 )tg(αm/2)

令R 1 + R 2 =R 0，则经过变换可得：

（2R 0- A O ）tg 2

(αm/2) - 2H O *tg(αm/2) + A O =0

αm H O ±√ H O 2+ A O 2 -2R 0*A O

tg( ) = （4-3） 2 2R 0- A O

在定向井的具体条件下，上式根号前的符号应取负号，舍去正号，于是得：

αm H

O

- √H O2+ A O2 -2R0*A O

tg( ) =

2 2R0- A

O

式中：H

O

=H-Hz-ΔHxz + R2*sinα″（4-4）

A

O

=A-ΔAxz + R2(1-cosα″) （4-5） R0 =R1 + R2（4-6）若给定条件ΔHxz,则Δaxz=ΔHxz*tgα″

H

O

—自造斜点至井斜降为0处的垂直长度；

A

O

—自造斜点至井斜降为0处的水平位移；

α″—降斜后稳斜井段的井斜角；

ΔHxz—降斜后稳斜井段的垂增；

H—设计垂深；

A—设计水平位移；

Hz—造斜点的垂深；

R1 、R2—增降斜曲率半径；

180 1 180 1

R1= * ； R2= *

π K1 π K2

对公式（4-3）作如下讨论：

（1）式中的√H O2+ A O2-2R0*A O 恰好等于稳斜段bc的长度，因此我们就可以将

H O 2+ A

O

2 -2R

0*A O看作是一个判别式：

当 H

O 2+ A

O

2 -2R

0*A O > 0时，表示剖面有稳斜段存在；

当 H

O 2+ A

O

2 -2R

0*A O < 0时，表示剖面不存在，这时应修改设计条件；

当 H

O 2+ A

O

2 -2R

0*A O = 0时，说明该剖面没有稳斜段；

（2）对于没有稳斜段的剖面，公式简化为：

αm A

O

tg =

2 H

O