井眼轨迹设计与控制方法

水平位移增量Δ Sh (m):
f Δ Shab =R1(1-cos α 水平位移Sh(m):
m
)=206.03
R2
αe
h
αm o2
αe
Sho Sh
Shb = Δ Shab = 206.03 g e
t She 段长Δ l(m): Δ lab= R1α
m
/57.3=607.65
井深Dw(m) :
Dwb = Dwa + Δ lab =1007.65
k
De
D Do j i
b αm
h
αm o2
αe
Sho Sh
g
e
t She
段长Δ l(m): Δ lbc= Δ Shbc /sin α
m
=1521.47
井深Dw(m) :
Dwc = Dwb + Δ lbc =2529.12
o Dkop a R1 α
m
井段：c—d 最大井斜角:40.51 ° o1 方位角: 30° 垂直井深增量Δ D(m): Δ Dcd= R2 (sinα
第三章 井眼轨道设计与控制
井眼轨道
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
普通定向井：一个井场内仅有1口最大井斜角小于60°的定向井。
斜直井：用斜直钻机或斜井架完成，自井口开始井眼轨道一直是一段斜井段的定向 井。
井眼曲率Rh：单位长度井段井眼轴线的切线所转过的角度。
井斜变化率Rn：单位长度井段井斜角变化值。
方位变化率Ri：单位长度井段方位角变化值。 垂深Ｄ：井 眼轴线上某 测点至井口 转盘所在平 面的垂直距 离。 测深Ｄm：某测点到转盘补 心的井眼轴线实际长度。 井深D Ｗ ：转盘补心到井 底的深度。
井斜角α i ：轴线切向 方向与垂线的夹角。
二维井眼轨道由垂直井段、增斜井段、稳斜井段和降斜 井段组合而成。 在设计井眼轴线上，既有江斜角变化又有方位角变 化的井眼轨道。 三维井眼轨道设计用于绕障井和现场待钻修正井眼 轨道设计。
三维 井眼 轨道
2. 设计井眼轨道的原则
1) 根据油气田勘探开发要求， 2) 根据油气田的构造特征、油气产状，有利于提高油 气产量和采收率，改善投资效益； 3) 在选择造斜点、井眼曲率、最大井斜角等参数时， 有利于钻井、 4) 在满足钻井目的的前提下，应尽可能选择比较简单的 剖面类型，力求使设计的斜井深最短，以减小井眼轨道 控制的难度和钻井工作量，有利于安全、快速钻井、降 低钻井成本。
大斜度井：最大井斜角在60° ~80°范围内的定向井 水平井：最大井斜角大于或等于86° ，并保持这种井斜角钻完一定长度段的井。
定向井
水平井
长曲率半径：6° /30m
中曲率半径：6° ~20° /30m 中短曲率半径：1° ~20° /30m 短曲率半径：1° ~10°/m 径向水平井：k=∝ 丛式井：在一个井场内有计划地钻出两口或两口以上的定向井组，其中可含1口直 井。 多底井（分支井）：一个井口下面有两个或两个以上井底的定向井。
3) 根据原始资料选定造斜点的位置， 4)
5) 计算剖面上各井段的井斜角、方位角、垂直井深、
6) 核算井眼曲率，使其满足对它的各种限制条件，并做出井身的控制圆柱， 即误差范围；
7) 绘制井眼轨道图，标出安全圆柱。
设计实例 例：已知某设计井的垂深D=3000m ，水平位移Sh=1500m，方 位角φ =30°，造斜点垂直深度Dkop=400m，造斜率 Rb1=2°/30m，降斜率Rb2=1.5°/30m ，油层垂直深度 De=2700m，要求稳斜进入油层，井斜角不大于αe=8° 。
查图法
目前常用的设计方法 作图法 解析法
o
Dkop
最大井斜角αm的确定
a R1 αm o1
在△ kjf中：
k
De D Do j i b αm
c
f
d
R2
h αm o2 αe
αe
e t
g
Sho Sh
She
She ：油层内水平位移
若令：
造斜率与曲率半径的关系：
计算：
o Dkop a R1 αm o1 井段：O—a 最大井斜角:0 方位角:0 b αm c j i R2 f αe
α
max
降斜段 直井段 斜井深
水平位移
井身在垂直平面内的投影
3. 井眼轨道水平投影
N A β β β
φ O
ｔ
ｓ
B
E
β
ｒ
C
1) 工具弯角（ θ ｂ ） : 在造斜钻具组合中 , 拐弯 处上下两段的轴线间的夹角。 2) 工具面 :在造斜钻具组合中 , 由弯曲工具的两 个轴线所决定的平面。 3) 反扭角（β ｒ）:在使用井下动力钻具进行定 向造斜或扭方位时 , 动力钻具启动前的工具面与启动 后且加压钻进时的工具面之间的夹角。反扭角总是使 工具面逆时针转动。 4)高边：定向井的井底是个 呈倾斜状态的圆平面，称为井底圆；井底圆上的最高 点称为高边；从井底圆心至高边之间的连线所指的方 向称为高边方向；从正北方向线顺时针转至高边方向 在水平面上的投影所转过的角度称为高边方位角。 5)工具面角（β ｔ）：造斜工具下到井底以后， 工具面所在的角度。它有两种表示方法：高边工具面 角和磁工具面角。高边工具面角是以高边方向线为始 边，顺时针转到工具面与井底圆平面的交线所转过的 角度；磁工具面角为以正北方向线为始边，顺时针转 到工具面与井底圆平面的交线在水平面上的投影线所 转过的角度。
e
=302.93
井深Dw(m) :
Dwt = Dwd + Δ ldt =3482.25
6. 井眼轨道随钻修正设计 7. 井眼轨道绕障或防碰设计
第一节 井眼轨道设计的原则和方法
井底闭合方位角Ψ h ：从正北方向顺 时针转至井口与井底的水平投影连线 的夹角。 一、基本概念
井底水平位移Sh：井口与井底两点在 水平投影面上的直线距离。
1 井眼轨道的基本要素
方位角ψ ：正北顺时针转至轴 线上某点切线在水平面的投影的 夹角。
井眼轨道：表示井眼轴线形状的图形。
3. 井眼轨道设计中有关因素的选择
1)造斜点的选择在比较稳定的地层，避免在岩石破碎带、漏 失地层
2）地层可钻性均匀，不应有硬夹层；
(1)造斜点的 选择原则
3） 4) 垂深大、水平位移小的井，造斜点应深，以简化井身结
5) 垂深小、水平位移大的井，造斜点应浅，以减少定向施
6) 在井眼方位漂移地区，应使斜井段避开方位漂移大的地 层或利用井眼方位漂移规律钻达目标点。
k
De
D Do
垂直井深增量Δ D(m):
Δ Da= Δ Dkop=400 垂直井深D(m): Da = Dkop =400 水平位移增量Δ Sh (m): Δ Sha =0 水平位移Sh(m): Sh =0 t 段长Δ l(m): Δ la= Dkop =0 井深Dw(m) : Dw = Dkop =0
De
D Do j i
b αm
水平位移增量Δ Sh (m):
f Δ Shdt= Δ Ddt tgα e=42.16 水平位移Sh(m):
R2
αe
h
αm o2
αe
Sho Sh
Sht = Shd + Δ Shdt = 1500.06 g e
t She 段长Δ l(m): Δ ldt= Δ Shdt /sin α
5. 二维定向井井眼轨道设计方法
定向井井眼轨道设计一定要认真执行井眼轨道设计原则，选择合理的 井眼轨道类型，结合本井情况，设计出良好的井眼轨道。 1) 掌握原始资料主要是该地区的地质剖面、地表对井位的限制条件、目的 层位的垂直井深和总水平位移、自然造斜规律、工具造斜能力、钻井技术
2) 根据井眼轨道确定原则，
2.井身剖面
1) 直井段:
2) 造斜点（Ｄｋｏｐ）:开始定向造斜的位置称为
3) 造斜率（Ｒｂ）:造斜工具的造斜能力,即该造 4) 造(增)斜段:
直井段 造斜点 增斜段 最大井斜角
5) 稳斜段: 6) 降斜段:井斜角随着井深的增加而减小的井段。 7) 目标点:设计规定的、必须钻达的地层位置， 通常以地面井口为坐标原点的空间坐标系的坐标 值来表示. 8) 靶区及靶区半径（ｒｔ）:包含目标点在内的一 个区域称为靶区。在一般油气井中，靶区半径为 允许实钻井眼轨道偏离设计目标点的水平距离,靶 区为在目标点所在的水平面上,以目标点为圆心, 以靶区半径为半径的一个圆面积。在大斜度井和 水平井中，靶区为包含设计井眼轨道的一个柱状 9) 靶心距（ｓｔ）:在靶区平面上,实钻井眼轴线与 目标点之间的距离
m
k
De
D Do j i
- sinα
b α
m
e
) =584.93
垂直井深D(m): c f R2 αe Dd= Dc + Δ Dcd =2700
水平位移增量Δ Sh (m):
Δ Shcd =R2(cos α
e
-cos α
m
)=263.35
水平位移Sh(m): Shd = Shc + Δ Shcd = 1457.9
1）简单表示法
若AB弧有均匀曲率，则根据 定义：
此时：
方位角不变的井眼轴线
对于空间井眼轴线，可以用两个平面来表示
垂直：
水平：
空间曲率的计算
设有一空间曲线L，L上点A的定向要素为：DA、EA、NA、α A 、 φ A 、 ShA；井深增加到B点，设AB弧与整个井眼相比为小量，其长设为dl，B 点的定向要素为：DA+dD、EA+dE、 NA+dN、α A+dα 、 ShA+dShA 、 φ A +dφ 。连接AB两点，AB线段水平投影为AˊBˊ线段。可以近似地认为： AB弧长=AB线段长= dl。
在垂直投影面中：
α
A
、α A+dα 在平面AAˊB 内，令∠ AAˊB= α ，则
水平投影面中：
由于：
则：
坐标参数与基本参数间的关系：
Rn、Ri对Rh都有影响。
四、井眼轨道设计的原则和方法 1. 井眼轨道的类型
井 眼 轨 道 的 类 型 二维 井眼 轨道
设计井眼轴线仅在设计方位线所在铅垂平面上变化的井 眼轨道。
6) 装置角（β ）:在启动钻具后且加压钻进时,工具面所处的角度，与工具面角一样，既可用高边工
7) 安置角（β
ｓ）：在启动钻具前,工具面所处的角度。与工具面角一样，既可用高边工具面表示，
8) 安全控制圆锥（柱）: 9) 误差椭球:由测量和计算误差引起的井底位置不确定性所构成的以井底为中心的椭球体。
井眼曲率的计算
直井
直井段—造斜—稳斜
特点：造斜点浅，施工简单，在表层套管内达 最大井斜角。常用于不下中间套管的单一油层 的中深井，也用于水平位移大的井和水平井。
三段制
轨 道 类 型
直井段—造斜段—稳斜段—增斜段—稳斜段
五段制
一般用于水平井
直井段—造斜段—稳斜段—降斜段—稳斜段
“S”型
特点：造斜深度浅，造斜完成后下表层套管， 稳斜钻进，在达到一定水平位移后降斜，在达 到油层时井斜角符合要求。通常还要下一层中 间套管，最后稳斜钻穿油层。
h
αm o2
αe
Sho Sh
g
e
She
o Dkop a R1 αm o1
井段：a—b 最大井斜角:40.51 ° 方位角: 30° 垂直井深增量Δ D(m): Δ Dab= R1sinα 垂直井深D(m): c Db = Da + Δ Dab =958.31
m
k
De
Dห้องสมุดไป่ตู้Do j i
=558.31
b αm
(2)最大井斜角
(3)井眼曲率
直井在规定井斜角内；常规井和水平井交斜角小于15°时， 方位不稳定，因此，最大井斜角应大于15°。
井眼曲率过大会给钻井、采油和修井作业造成困难，因此， 应根据具体情况，适当选择井眼曲率。
4. 井眼轨道类型的选择
设计井眼轨道时，一般选择简单的二维轨道。二维轨道由垂直井段、造斜井段、稳 斜井段、降斜井段组合而成，最常用的有四种类型。
h
α
m
o2
αe
Sho Sh
g
e
t She
段长Δ l(m): Δ lcd= R2 (α m - α 57.3=1521.47 井深Dw(m) :
e
) /
o Dkop a R1 αm k o1
井段：d—t 最大井斜角: 8 ° 方位角: 30° 垂直井深增量Δ D(m): Δ Ddt=D - De =300 垂直井深D(m): c Dt= Dd+ Δ Ddt =3000
o Dkop a R1 αm o1
井段：b—c 最大井斜角:40.51 ° 方位角: 30° 垂直井深增量Δ D(m): Δ Dbc=De - Dkop - Δ Dab - Δ Dcd =1156.76 垂直井深D(m): c Dc = Db+ Δ Dbc =2115.07 水平位移增量Δ Sh (m): f R2 αe Δ Shbc = Δ Dbc tgα m=988.32 水平位移Sh(m): Shc = Shb + Δ Shbc = 1194.35