第5章 井眼轨道设计与轨迹控制

Di
Ei Ei1 Ei
Si
N
2 i
Ei2
D
i tan1(Ei / Ni（) Ni 0)
0
i 180 tan1(Ei / Ni（) Ni 0)
Vi Si cos(0 i )
i 1，2，...，n
(Di-1,Lpi-1)
(Di, Lpi)
N
0 Vi i
目标点方位线
(Ni-1,Ei-1)
4．若αi= 0，对第i测段取：φi=φi-1；对第i+1测段取：φi+1=φi 。 5．在一个测段内，井斜方位角变化的绝对值不得超过180°。
φi-φi-1>180°时， Δφi=φi-φi-1-360° φc=(φi+φi-1)/2-180°
φi-φi-1<-180°时，Δφi=φi-φi-1+360°
(7)狗腿角γ与井眼曲率K
★ 狗腿角γ（全角变化）： 轨迹上两点间的井眼方向变化的角度（两点的井眼Biblioteka 向线的夹角）。ADma
a
a
K
ΔD m
N
a’
－N
a
E
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二、轨迹的计算参数
计算方法：
★ 狗腿角γ
◆ Lubinski公式： cosγ=cosαA·cosαB + sinαA·sinαB·cos(φB-φA)
方位角以字母φ表示，单位为度（°）。 方位角增量：下测点井斜方位角与上测点 井斜方位角之差。用Δφ表示。
Δφ ＝φB－φA
16
第一节 井眼轨迹的基本概念
一、 轨迹的基本参数 二、 轨迹的计算参数 三、 轨迹的图示方法
17
二、轨迹的计算参数
垂直深度、水平长度、水平位移、平移方位角、Ｎ坐标和Ｅ 坐标、视平移、井眼曲率。
减震
29
一、测斜方法及测斜仪简介
4.磁性照像测斜仪的工作原理
仪器内主要由井斜刻度盘、罗盘、十字摆 锤、照明和照相系统组成。罗盘的S极始终指 地磁北极。
（1）井深测量: 根据电缆长度或钻柱长度。
（2）井斜角的测量
当测斜仪随井眼倾斜时，仪器轴线即为测点切线， 而十字摆锤始终指向重力线方向，重力线与仪器轴 线的夹角即为井斜角。由摆锤在井斜刻度盘底片上 的位置读取。
2.地下地质条件要求 断层遮挡油藏、薄油层、倾角较大的地层钻进等。
3.处理井下事故 井下落物侧钻、打救援井等。
4.提高油藏采收率 钻穿多套油气层、老井侧钻等。
3
海油陆探、海油陆采
4
西江24-3海上平台
开发边际油田
西江24-1边际油田
5
阶梯水平井开发断层油气藏
6
处理井下事故
7
水平井技术提高开采效率
轨迹在设计方位 线所在的铅垂面上 的投影。
原点：井口
横坐标：视平移 V
纵坐标：垂深 D
轨迹在水平面 上的投影。
原点：井口
坐标轴：N，E
缺点：垂直投影图不能真实地反映井深Dm 和井斜角α等轨迹参数。
V V
D
N
θ S LP
E
α’
目标点
φ
设计方位线
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三、井眼轨迹的图示方法
3. 柱面展开图示法 垂直剖面图 + 水平投影图
一、 轨迹的基本参数 二、 轨迹的计算参数 三、 轨迹的图示方法
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三、井眼轨迹的图示方法
1.三维图示法 坐标系：0-D-N-E
借助辅助面，能形象 直观地反映出井眼的形状 和走向。但不能反映出真 实的井身参数，且作图难 度大。
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三、井眼轨迹的图示方法
2. 投影图示法 垂直投影图 + 水平投影图
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三、轨迹计算方法
3.测段计算方法
（1）平均角法 假设:测段为直线，其方向为
上、下测点井斜角和方位角平均值 确定的井眼方向。
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一、轨迹的基本参数
三个基本参数：井深、井斜角、井斜方位角
1.井深（或称为斜深、测深）
井口(以转盘面为基准)至井眼轨迹上某点（测点）的井眼长度。
井深以字母 D m 表示，单位为米(m)。 井深增量（段长）:下测点井深与上测点井深之差。以ΔDm 表示。
2.井斜角
井眼轨迹上某点的切线向井眼前进方向延伸 的部分（称井眼方向线）与重力线（铅垂线） 之间的夹角。
D
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第二节 轨迹测量及计算
一、测斜方法及测斜仪简介 二、对测斜数据的规定 三、轨迹计算方法
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一、测斜方法及测斜仪简介
1.测量内容
井深Dm、井斜角α、方位角φ
2.测斜仪分类
单点式 按工作方式分： 多点式
随钻测量（有线、无线）
按工作原理分： 磁性测斜仪（罗盘、磁通门） 陀螺测斜仪
3.测斜仪结构
扶正 密封 电源 钟机 相机 测角装置
0.6万吨
扩大泄油面积 增加控制储量 提高油井产能
直井的3－5倍以上（L=300m）
8
薄油层开发
油层薄，中靶难
需要有合适的角度，才能达 到矢量入靶
角度偏大
角度偏小
9
薄油层开发
井眼轨迹在油层最佳位置穿行难
层薄，地层倾角变化，有时上翘或下倾
精确控制几千米远的钻头走向难度大 10
分支井钻井提高采收率
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算例计算：
已知：
αa=29o, αb=31o φa=80o, φb=280o
求:γ,Kc（用行业公式）?
ΔDm=30m
解：
γ=(Δα2+Δφ2·sin2αc)0.5 =[4+(2000.5)2]0.5=100.2
Kc=100.2o/30m
规定：在一个不长的测段内
（1）φi-φi-1>180°时： Δφi=φi-φi-1-360°，φc=(φi+φi-1)/2-180°
国外将水平位移称作闭合距。国内将完钻时的水平位移称为闭合距。
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二、轨迹的计算参数
（4）平移方位角
以正北方线为始边顺时针转至平移方位线上所转过的角度（θ）。 国外将平移方位角称作闭合方位角。 国内指完钻时的平移方位角为闭合方位角。
（5）Ｎ坐标和Ｅ坐标
轨迹上某点在以井口为原点的水平面坐标系里的坐标值。南北方向和 东西方向为水平面坐标系里的坐标轴。坐标值分别用字母 N、E 表示，相 应的增量用ΔN、ΔE 表示。
平衡正切法
假设测段为两 段等长度的折 线，其方向分 别与上、下测 点方向一致。
平均角法
假设测段为直 线，其方向为 上、下测点井 斜角和方位角 平均值确定的 井眼方向。
圆柱螺线法
假设测段为圆 柱螺线，螺线 在两端点处与 上、下两测点 方向相切。
最小曲率法
假设测段为空 间斜平面圆弧 ，圆弧在两端 处与上、下测 点方向相切。
(Ni,Ei)
38
E
三、轨迹计算方法
2.测段坐标增量的计算
（1）计算方法多样性 根据测斜参数计算测段的四个坐标增量，就必须知道测段的几何形状。
而测斜只能测上下两点的参数，测段形状未知。计算时只能假设测段形状。 假设不同，计算方法不同。
国内外测段计算方法
正切法
假设测段为 直线，其方 向与下测点 方向一致。
（6）视平移
水平位移在设计方位线上的投影长度。用字母 V 表示。
V S cos( 0 )
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二、轨迹的计算参数
计算参数：
A
(1)垂深D (2)平长Lp (3)平移S
D D a ma a
(4)平移方位角θ
(5)N \E坐标
a
(6)视平移V
Sa
Lpa
N
a’
t
－N
a
a
E
Va Scos(a t )
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（2） φi-φi-1<-180°时： Δφi=φi-φi-1+360°，φc=(φi+φi-1)/2-180°
Δφ=(280-80)-360=-160
γ=(Δα2+Δφ2·sin2αc)0.5
=[4+(160 0.5)2]0.5=80.02 Kc=80.02o/30m
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第一节 井眼轨迹的基本概念
◆ 行业标准计算公式： γ=(Δα2+Δφ2·sin2αc)0.5 αc——井段的平均井斜角， （°） ， αc=(αA+αB)/2
★ 井眼曲率 K——井眼轨迹曲线的曲率（又称为狗腿严重度 或全角变化率）。
Kc=30γ/ΔDm
Ｋc——井段的平均井眼曲率，(°)/30m；
ΔDm—— 轨迹上两点间的井眼长度（段长）。
井斜角以字母α表示，单位为度（°）。
井斜角增量:下测点井斜角与上测点井斜角之
差。用Δα表示。
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一、轨迹的基本参数
三个基本参数：井深、井斜角、井斜方位角
3.井斜方位角（或称方位角）
以某点正北方位线为始边顺时针旋转至该 点井斜方位线所转过的角度。（井眼轴线上某 点的井眼方向线在水平面上的投影称为井斜方 位线）
5.磁偏角及校正
真方位角=磁方位角 + 东磁偏角 真方位角=磁方位角 – 西磁偏角
地北极
东磁 偏角
磁北极
西磁 偏角
A
磁方
B
位角
磁偏角示意图
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第二节 轨迹测量及计算
一、测斜方法及测斜仪简介 二、对测斜计算数据的规定 三、轨迹计算方法
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二、对测斜计算数据的规定
1．测点编号：测斜自下而上，测点编号则自上而下。第一个井斜
（1）垂直深度（垂深）
轨迹上某点至井口所在水平面的距离（D)。垂深增量称为垂增（ΔＤ）。
（2）水平投影长度（水平长度、平长）
轨迹上某点至井口的井眼轨迹在水平面上投影的长度（LP)，水平长度的 增量称为平增（ΔLP）。
（3）水平位移（平移）
轨迹上某点至井口所在铅垂线的距离（S）。或轨迹上某点至井口的距离 在水平面上的投影。此投影线又称为平移方位线。
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概述
◆ 轨迹控制技术的发展
轨迹控制：直井防斜、定向钻井 ★ 20世纪20年代末，发现井斜，直井防斜技术。 ★ 20世纪30年代初，在海边向海里打定向井取得成功，定向井技术迅速
发展和广泛应用。
★ 20世纪30~40年代，转盘钻井经验预测定向钻井法。 ★ 20世纪50~70年代，井底动力钻具经验预测定向钻井法。 ★ 20世纪80年代，滑动导向钻井法，MWD技术。 ★ 20世纪90年代至今，旋转导向钻井法，轨迹自动控制技术，几何导向与地质导
（3）井斜方位角的测量 摆锤所在铅垂线与仪器轴线（井眼方向线）
构成井斜铅垂面，该井斜铅垂面与水平面的交线 就是井斜方位线。摆锤在罗盘面上的投影位置所 在的放射线与罗盘N极之间的夹角即为井斜方位角。
30
一、测斜方法及测斜仪简介
4.磁性照像测斜仪的工作原理
N
N
W
E
W
E
S
31
S
一、测斜方法及测斜仪简介
■.计算内容：
测点：五个直角坐标值( D , Lp ,N , E , V )， 两个极坐标值( S ,θ) 。
测段：四个坐标增量( ΔD，ΔLp，ΔN，ΔE )， 井眼曲率Ｋc 。
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三、轨迹计算方法
1.测点各参数计算公式
LPi
Lp
Di Di1 Di
LPi LPi1 LPi
Ni Ni1 Ni
φc=(φi+φi-1)/2+180°
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二、对测斜计算数据的规定
由a点顺时针到b点： ‖ Δφ ‖>180°
由a点逆时针到b点： ‖ Δφ ‖<180°
在不太长的测段内，应该是由a点逆时针钻到b点。因此，
井斜方位角增量为： Δφ= Φb-φa-360 °
平均方位角为： Φc= (φb+φa)/2-180°
过轨迹上的每一点作 轨迹在水平面上的
铅垂线，所有铅垂线便 投影。
构成一个曲面，称为柱 坐标系：以井口为
面。将此柱面展开就形 原点、Ｎ坐标轴、
Lp
成垂直剖面图。
Ｅ坐标轴。
原 点：井口
表达的参数：Ｎ坐
横坐标：平长 LP 纵坐标：垂深 D 表达的参数：垂深D、 水平长度Lp、井深Dm 、井斜角α 。
标值、Ｅ坐标值、 水平位移S、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。
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第二节 轨迹测量及计算
一、测斜方法及测斜仪简介 二、对测斜数据的规定 三、轨迹计算方法
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三、轨迹计算方法
■.计算顺序：计算的目的是算出每个测点的坐标值。 – 从第１个测段开始，逐段向下进行； – 算出每个测段的坐标增量；累加求得测点的坐标值。
– 第0测点的坐标值，D0=Dm0 , Lp0=0, N0=0, E0=0 。
角不等于零的测点作为第1测点，然后向下类推编号。
2．测段编号：自上而下编号。第i-1 测点与第 i 测点之间所夹的测段
为第i测段，有n个测点，就有n个测段。
3．第０测点：第１测点的井深大于25m 时，第０测点的井深比第１测
点的井深小25m，且井斜角规定为零。第１测点的井深小于或等于25m时，规定 第０测点的井深和井斜角均为零。
第五章 井眼轨道设计 与轨迹控制
1
概述
◆ 轨道与轨迹的概念
轨道——设计的井眼轴线 轨迹——实钻的井眼轴线
A 井口
轨道 轨迹
目标点
2
概述
◆ 直井： 轨道为一条铅垂线的井。 ◆ 定向井： 设计目标点与井口不在一条铅垂线的井。
定向井用途：
1.地面环境条件限制钻直井 高山、湖泊、沼泽、河流、沟壑、海洋、农田或重要的建筑物等。
向技术、MWD、LWD、FEWD技术。
12
本章内容提要
第一节 井眼轨迹的基本概念 第二节 轨迹测量及计算 第三节 直井防斜技术 第四节 定向井轨道设计 第五节 定向井造斜工具及轨迹控制 第六节 水平井钻井技术简介
13
第一节 井眼轨迹的基本概念
一、 轨迹的基本参数 二、 轨迹的计算参数 三、 轨迹的图示方法