12-13 井眼轨道设计与轨迹控制.pptx

第1页：井眼轨道设计与轨迹控制钻井工程

井眼轨道设计与轨迹控制钻井工程

第2页：井眼轨道

• 井眼轨道：一口井开钻之前，预先设计的井眼轴线形状。直井轨道：过井口的铅垂线定向井轨道：二维定向井：过井口和目标点的铅锤面上的曲线。三维定向井：具有不同曲率的空间曲线。轨道设计：定向井、水平井、侧钻井、大位移井等。井眼轨迹：一口井实际钻成后的井眼轴线形状。轨迹控制：
• 直井防斜打直；
• 特殊工艺井控制井斜和方位，使轨道和轨迹相一致。

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第18页：第1节定向井井眼轨道设计常规定向井

第1节定向井井眼轨道设计常规定向井：大斜度井：水平井：上翘井：大位移井：水平位移与垂深之比大于2.0一、定向井轨道分类二维定向井：常规二维定向井-井段形状由直线和圆弧线组成。

非常规二维定向井：除直线和圆弧曲线外，还有特殊曲线，如：悬链线、二次抛物线等。

三维定向井：纠偏三维定向井，绕障三维定向井。

—最大稳斜角

第19页：常规二维定向井轨道设计

二、常规二维定向井轨道设计1、设计原则（1）能实现钻定向井的目的（2）有利于安全、优质、快速钻井轨道形状简单，尽量保证较长的直井段，容易实现钻进尽量减小最大井斜角，以便减小钻井难度，小倾角定向井；，中倾角定向井；大于，大倾角定向井；最大井斜角不得小于15度，否则井斜方位不易稳定。

选择合适的造斜点位置。

地层：硬度适中，无坍塌、缩径、高压、易漏。

深度：根据垂深、水平位移、剖面类型等确定。

垂深大、位移小、造斜点应深一些，避免长稳斜段；垂深小、位移大、造斜点应浅一些，减小定向施工工作量。

第20页：合适的井眼曲率

• 选择合适的井眼曲率：小，造斜段长，钻速低
• 大，摩阻大，起下钻、下套管等作业困难
• 保持均匀，避免急弯，防止阻卡
• 保证钻具顺利通过。—起下钻允许的最大曲率，度/100m
• —动力钻具长度，m
• —钻头直径，mm
• —动力钻具直径，mm
• —安全间隙值，软地层f =0
• 硬地层f = 3~6 mm。

第21页：保证下套管顺利及考虑套管的弯曲强度

保证下套管顺利及考虑套管的弯曲强度：—下套管允许最大曲率，0/100m；—钢材弹性模量，Pa；—套管外径，mm；—套管钢材屈服极限，Pa；—安全系数，1.2~1.25；—丝扣应力集中系数，1.7~2.5。

（3）有利于采油工艺的要求：尽量减小井眼曲率，以改善油管和抽油杆的工作条件。

尽量以较小井斜角的直井段（斜直或垂直）进入油气层，以利于安装电潜泵，坐封封隔器及其他井下作业。

第22页：轨道类型常规二维定向井轨道有四种类型

2、轨道类型常规二维定向井轨道有四种类型：三段式多靶三段式五段式双增式

第23页：二维定向井轨道形状

二维定向井轨道形状

第24页：内容及步骤

• 3、设计条件、内容及步骤（1）设计条件由地质、采油部门提供的要求：
• 目标点位置：
• 目标段位置：由钻井工程要求和设计原则确定的数据：造斜点深度井眼曲率

第25页：内容及步骤选择轨道形状

• （2）设计内容及步骤
• 选择轨道形状：给定，选用三段式；给定，选用五段式或多靶三段式；给定，且较大，用双增式。
• 确定造斜点位置，造斜率，降斜率，第二造斜率；
• 计算关键参数：最大井斜角，稳斜段长度；
• 计算各井段井身参数：
• 绘制垂直剖面图和水平剖面图。

第26页：轨道的设计计算

4、轨道的设计计算：以五段式轨道为例，已知：（1）计算关键参数：（如图）

第27页：

第28页：令：则：由：得

令：则：由：得：

第29页：各井段参数增斜段

（2）计算各井段参数增斜段：稳斜段：降斜段：目标段：

第30页：不同轨道类型的关键参数的计算造斜

5、不同轨道类型的关键参数的计算造斜段井眼曲率半径计算公式：的单位为（1）三段式给定时，计算

第31页：三段式•给定，计算•给定，计算

• （1）三段式
• 给定，计算
• 给定，计算

第32页：多靶三段式给定

（2）多靶三段式给定：计算：（倒推设计法）（3）五段式已知条件：中间参数：

第33页：双增式给定条件

（4）双增式给定条件：中间参数：注意：以上各轨道类型计算公式中所有符号的含义见教材图5-20、5-21、5-22、5-23中的标注，尤其是应注意不同轨道时的和的取值。

第34页：井段计算及设计结果

6、井段计算及设计结果表示对每个井段计算出段长、垂增、平增三个参数。

（1）增斜段（4）双增轨道的第二增斜段（2）稳斜段（5）目标段（3）降斜段（关键参数）已求出（已知条件）

第35页：第2节定向造斜工具及轨迹控制造斜

第2节定向造斜工具及轨迹控制造斜：由垂直井段开始钻出一定方位的斜井段的工艺过程。

造斜点：开始造斜时的深度。

垂直井段开始倾斜的起点。

造斜工具：井底动力钻具造斜工具；转盘钻造斜工具。

一、井底动力钻具造斜工具动力钻具（井下马达）：涡轮钻具、螺杆钻具、电动钻具。

工作特点：在钻进过程中，动力钻具外壳和钻柱不旋转，有利于定向造斜。

第36页：动力钻具造斜工具的种类三种

• １、动力钻具造斜工具的种类三种：弯接头、弯外壳、偏心垫块。（1）弯接头造斜原理：
• 迫使钻头倾斜，造成对井底的不对称切削；
• 井壁迫使弯曲部分伸直，钻柱弹性力使钻头产生侧向切削
• 弯角越大，造斜率越大；一般为0.5 ~ 2.5度；
• 弯曲点以上的钻柱刚度越大，造斜率越大；
• 弯点至钻头的距离越小且重量越小，造斜率越大；
• 钻速越小，造斜率越高。（2）弯外壳马达（原理与弯接头类似）（3）偏心垫块杠杆原理，垫块作为支点。

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第38页：转盘钻造斜工具变向器

• 二、转盘钻造斜工具变向器、射流钻头和扶正器组合。1、变向器结构及原理如图：
• 早期造斜工具
• 现在仅用于套管内开窗侧钻，或不适宜用动力钻具的井内。

第39页：射流钻头钻头上安装1个大喷嘴

2、射流钻头钻头上安装1个大喷嘴，2个小喷嘴，大喷嘴射流冲击出斜井眼。

第40页：扶正器钻具组合仅

• 3、扶正器钻具组合仅用于有一定斜度的井眼内进行增斜、降斜和稳斜。（1）增斜组合（杠杆原理）
• 分为强、中、弱三种增斜组合
• 钻压越大，造斜能力越大；越长，增斜能力越小。
• 近钻头扶正器直径减小，增斜能力也减小。
• 使用时应保持低转速。增斜钻具组合

第41页：稳斜组合

• （2）稳斜组合（刚性满眼钻具原理）：
• 分为强、中、弱三种稳斜组合
• 使用中注意保持正常的钻压和较高的转速。
• 可使用双扶正器串联代替近钻头扶正器增强稳斜效果。稳斜钻具组合

第42页：降斜组合

• （3）降斜组合（钟摆原理）：
• 分为强、弱两种降斜组合
• 使用中注意保持小钻压和较低的转速。
• 对于强降斜组合，越长，降斜能力越强，但不能与井壁有新的接触点。降斜钻具组合

第43页：定向井轨迹控制的基本方法垂直段

• 垂直井段利用防斜打直技术（满眼钻具、钟摆钻具）。
• 定向造斜段使用动力钻具造斜工具造斜，套管开窗侧钻用变向器，造斜段长度一般以井斜角达到8 ~ 10度为准。
• 增斜井段一般用动力钻具定向造斜到一定角度（8 ~ 10度）后，换用转盘钻利用增斜钻具组合继续增斜。
• 稳斜井段尽可能使用转盘钻扶正器钻具组合进行控制。
• 扭方位井段转盘钻扶正器组合不能控制井斜方位，必须利用动力钻具造斜工具扭方位。

第44页：扭方位的计算装置角

四、扭方位的计算装置角的计算动力钻具反扭角的计算定向方位角的计算。

1、装置角的概念OA线称为“高边方向线”，C点是钻头中心，OC线称为“装置方位线”。

以高边方向线为始边，顺时针旋转到装置方向线所转过的角度，称为“造斜工具装置角”。

用w表示。

第45页：造斜工具作用方向线与钻柱轴线构成的平面

• 工具面：造斜工具作用方向线与钻柱轴线构成的平面（弯接头的两条交叉轴线所在的平面）。装置角也称工具面角。井斜铅锤面：过井斜方位线的铅锤面。高边方向线：井底平面上自井眼低边指向井眼高边的方向线。装置方位角：装置角与井斜方位角之和。以表示。
• 是装置角的两种不同表现形式，称为高边模式工具面角，称为正北（磁北）模式工具面角。
• 是井底平面（斜面）上的角度，不易测量。
• 是水平面上的角度，可以测量，用于定向。
• 在0 ~ 360度内变化，顺时针为“+”，逆时针为“-”

第46页：装置角与井斜角

2、装置角与井斜角、方位角的关系（1）基本关系：

第47页：w对的影响全增斜全降斜近似稳斜

（2）w对的影响全增斜全降斜近似稳斜90度扭方位稳斜扭方位增斜增方位降斜增方位降斜减方位增斜减方位

第48页：

第49页：装置角的计算已知条件

3、装置角的计算已知条件：目前井斜角，方位角；欲达井斜角，方位角；工具造斜率。

求解内容：造斜工具装置角w,所要钻进井段的长度。

（1）解析法注意：求w时反余弦的定义域为0 ~ 180度。

设上述三个公式中，共有7个参数：显然若已知其中四个就可以求另外三个，可根据扭方位的实际情况灵活运用。

第50页：图解法

（2）图解法（1）选择比例尺，用单位线段长度表示单位角度，例如：1厘米代表1度。

（2）选原点为O，作斜线OQ作为目前井底方位线，在OQ上量取OA =（3）以A点为圆心，以r为半径画圆。

（4）作线段OB，使，为正时，OB线在OA线下方；为负时，OB线在OA线上方；线段OB交圆于B，B’两点，联结AB ,AB’。

（5）即为增斜扭方位的装置角w，即为降斜扭方位的装置角w’。

（6）OB长度（换算成角度），即为增斜扭方位后井斜角OB’长度（换算成角度），即为降斜扭方位后的井斜角。

第51页：

第52页：已知要求扭完方位以后的井斜角为18度

例题：已知要求扭完方位以后的井斜角为18度，试求装置角w和扭方位的井段长度。

解：由解析公式可求得：由图解法可从图中量得：

第53页：已知要求扭完方位以后的井斜角为18度

例题2：已知要求扭完方位以后的井斜角为18度，试求：装置角w和扭方位的井段长度。

解：由解析公式可求得：由图解法可从图中量得：

第54页：图解法求装置角w的原理

4、图解法求装置角w的原理由图解法的步骤及图示可以看出：根据图示法假设：根据解析基本关系式，且考虑：当和很小时：将图解法与解析基本关系式进行比较可以看出注意：图解法只适用和较小时的情况。

第55页：动力钻具反扭角的计算

4、动力钻具反扭角的计算（1）反扭角的概念由于动力钻具反扭矩，使钻柱反时针扭转的角度，称为动力钻具的反扭角，用表示。

反扭角将使已确定好的装置角减小。

造斜工具定向时的方位角称为定向方位角，用表示。

（2）影响反扭角的因素反扭矩的大小；钻柱长度；钻柱断面的极惯性矩；钻柱与井壁之间的摩擦力；装置角大小。

第56页：反扭角的计算由于影响因素的不确定性

（3）反扭角的计算由于影响因素的不确定性，只能采用资料反算法。

已知条件：求解步骤：1）求试钻井段的狗腿角：2）求试钻井段的实际装置角：注意：当时，取“+”；当时，取“-”。

3）求实际反扭角：

第57页：造斜工具的定向定向

• 五、造斜工具的定向定向：使造斜工具作用方位指向预定方位的工艺。1、地面定向法
• 地面摆工具面：造斜工具下井前，地面调整好工具面下井。
• 打印标记（“+ ”）：钻杆同一母线两端接头打印“+ ”标记。
• 定向下钻：记录每两根钻杆角度偏差，计算总偏差，根据总偏差扭方位。2、井下定向法井下定向的关键是要知道原井斜方位和工具面方位。（1）定向齿刀法
• 氢氟酸测斜仪+铅模+定向齿刀
• 氢氟酸液瓶的液面倾斜方向指示井斜方位
• 铅模上留下的齿刀印痕指示造斜工具的工具面方位。

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第59页：磁铁定向法

• （2）磁铁定向法（双罗盘定向法）双罗盘测斜仪+定向磁铁（安装在无磁钻铤上）
• 上罗盘处在定向磁铁位置，指针标志工具面方位
• 下罗盘远离定向磁铁，指针指向正北方位。（3）定向键法（螺鞋定向法）磁性或陀螺测斜仪+螺鞋（定向鞋）+定向键
• 定向键安装在造斜工具上，其所在母线指示工具面方位。
• 测斜仪螺鞋上的定向槽所在母线与罗盘上的“法线”对齐。
• 测量时，定向槽卡在定向键上，“法线”的方位就是工具面方位。

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第62页：各种定向方法及其使

3、各种定向方法及其使用（1）双罗盘定向仪+定向磁铁需使用无磁钻铤，可用于直井定向和斜井定向。

（2）陀螺仪+定向键无需使用无磁钻铤，可用于直井定向和斜井定向。

（3）磁罗盘测斜仪+定向键目前使用最多的定向方法。

必须使用无磁钻铤，可用于直井定向和斜井定向。

（4）氢氟酸测斜仪+定向齿刀只能在斜井内使用，方法比较落后。

（5）地面定向法可用于直井定向和斜井定向，方法比较落后。

（6）随钻测斜仪+定向键目前最先进的定向方法，可以做到随钻定向。

第63页：垂直钻井系统

六、已投入商业运作的导向钻井系统（1）垂直钻井系统（VDS）：德国用于深井及超深井防斜垂直钻井用；（2）自动定向钻井系统（ADD）：美国能源部提出的；（3）自动导向系统（AGS）：美国Steve Bell公司研制；（4）旋转导向钻井系统（SRD）：美国CAMCO公司推出；（5）IDEAL和PowerDrive系统：Schlumberger(Anadrill)公司（6）旋转闭环钻井系统（RCLS）：美国Baker Hughes公司；

第64页：地质导向钻井简介地质导向

七.地质导向钻井简介地质导向是综合钻井、随钻测井/测斜、地质录井及其他各项参数，实时判断是否钻遇泥岩以及识别泥岩位于井眼的上部还是下部，并及时调整钻头在油层中穿行，具体表现在：1)根据近钻头电阻率和自然伽玛判断钻头处的岩性；2)根据ARC衰减电阻率和相位电阻率差别判断钻头是否接近泥岩；3)根据AND提供的顶密度和底密度判断泥岩位置；4)根据AND提供的顶密度和底密度计算地层倾角；5)根据随钻测井电阻率曲线的极化角现象识别地层界面；6)根据钻时和气体数据，结合岩屑判断钻头处岩性；7)结合扭矩和D指数判断钻头处岩性；8)利用地层韵律性，结合砂岩粒度变化判断井眼位于油层中的位置。

第65页：目前国外Schlumbe

目前国外Schlumberger和Baker Hughes公司拥有此项技术。

Schlumberger公司(Anadrill)于1993年推出了IDEAL系统之后，又推出了Power Drive系统：PowerDrive Xtra (475, 675, 900)PowerDrive XceedPowerDrive X5 (475, 675, 825, 900, 1100)PowerDrive vorteXBaker Hughes拥有RCLS(闭环旋转自动导向)系统：AuotTrak RCLSAutoTrak G3 RCLS和Navigator系统。

但目前只进行高价技术服务而不出售商品工具，已收到巨大经济回报。

截止到2004.4.10，INTEQ的AutoTrak RCLS累计进尺超过10,000,000ft，目前每天全球钻井进尺超过8,000ft。

第66页：第六节水平井钻井技术简介

第六节水平井钻井技术简介一、定义：水平井

第六节水平井钻井技术简介一、定义：水平井是指井眼轨迹达到水平以后，井眼继续延伸一定长度的定向井，延伸长度要大于油层厚度的六倍。二、水平井的分类：根据从垂直井段向水平井段转弯时的曲率半径大小进行分类。

第67页：水平井设计程序和框图

三、水平井设计程序和框图水平井设计程序和框图是1992年11月由美国石油工程协会和地质家协会、地球物理家协会和测井分析家协会共同开会约定的。

该设计内容（如图）是由地质、钻井、采油油藏、成本核算四部分人员共同合作完成的。

第68页：

第69页：Highly sophist

Highly sophisticated directional drilling systems are able to probe below the surface–even horizontally andfor extended distances–to reach prospective oil and gas reservoirs in less time and with more reliability.美国高精度定向钻井系统可以用更少的时间更可靠地探测到地下油气储集层：定向钻井、水平钻井、大位移钻井、爪型（辐射）钻井和多分支钻井。

五、发展和应用

第70页：委内瑞拉Petrozuata水平

委内瑞拉Petrozuata水平井几何形状

第71页：

第72页：能源集团统计

截止2000年为止，美国、加拿大和世界其他国家所钻的水平井数及美国钻机动用情况如图世界水平井数量统计表据美国HIS能源集团统计（Janury/Febuary2000 PetroMin），截至1999年5月，全世界水平井数量共计20430口国家水平井井数完井数量（包括多分支井）油田10口水平井以上的油田油公司美国89981282123594994加拿大82211011239469300世界其他地区321132156396430667个国家204302620923222271600

第73页：国外水平井技术指标

• 国外水平井技术指标水平井最大水平段达6118米；水平井最大垂深6062米；水平井最大单井进尺10172米；双侧向水平井总水平段长度达4550.1米（垂深1389.9米）；多分支水平井总水平段长度达到11342米。（注：数据截至2001年）水平井的新应用水平井作为注入井，提高产量
• 分支水平井开采多个产层
• 开采老油田剩余油
• 多目标开发产层
• 开采气藏或疏松砂岩油藏
• 水平井资料用于油藏描述
• 薄层油藏、注水剖面修正、持续增产

第74页：本章小结一钻井技术发展回顾旋转

本章小结一钻井技术发展回顾旋转钻井发展阶段（1）初期阶段（萌芽阶段）1900—1920年（20年）（2）发展阶段（经验钻井阶段）1920—1950年（30年）（3）科学化钻井阶段：1950—现在（50年）前期阶段1950—1980（30年）后期阶段1980—现在约20年（后期阶段又称现代钻井阶段）

第75页：•深水•高温高压•环境安全•E&D效益•

• 挑战：
• 深水
• 高温高压
• 环境安全
• E&D效益
• 降低成本水平井20430口最大水平段达6118米多底井总水平段长度达到11342米大位移井最大位移10728米先进技术：
• 水平井
• 大位移井
• 多分支井
• 欠平衡钻井
• 地质导向钻井
• 顶部驱动装置
• 膨胀管技术50’s60’s70’s80’s90’s2000+

第76页：科学化钻井后期阶段—主要技术成果

二、科学化钻井后期阶段—主要技术成果（1）井下信息实时检测、传输、处理、分析地层参数钻井参数井眼参数使用MWD、LWD、SWD、DDS、GST和FEWD等随钻测量技术（2）开发了井下导向和井下闭环钻井系统（3）发展了新钻井技术水平井钻井技术多分支井钻井技术欠平衡压力钻井技术小井眼钻井技术、连续油管钻井技术

第77页：角与近钻头测斜器

三、现代钻井技术发展趋势（一）向信息化、智能化方向发展1信息化钻井技术（1）随钻测量(MWD)（80年代初）井斜角方位角与近钻头测斜器（MNB）配合使用（2）随钻测井(LWD)（80年代中）地层电阻率体积密度中子孔隙度自然伽马四参数组合随钻测井仪（实时获得所钻地层岩性及所含流体状况）（3）随钻地震(SWD)（80年代末）钻头待钻地层前方岩石类型、孔隙度、孔隙压力,其他声学敏感岩石参数。

钻头旋转破岩振动为震源,钻杆顶部和井口埋检波器接收信号。

第78页：集成钻井信息系统

（4）随钻地层评价(FEWD)（90年代）井眼方位角、井斜角、钻压、扭矩、应力、流体压力、泥浆密度、及地层孔隙度、岩石密度与MWD、LWD结合使用，组成集成钻井信息系统（IDIS）（5）地质导向技术(GST)（90年代）（6）随钻井下钻井动态数据实时检测和处理技术（DDS）DDS可测钻井8种参数，12个数据。

A井底钻压、扭矩和两个正负方向的弯矩；B井底液柱压力和环空压力；C钻柱纵向加速度和两个方向横向加速度；D钻头转速和井下温度。

第79页：发出集成钻井系统

2智能化钻井技术将井下导向工具、测试工具、作业控制三者联系在一块组成闭环钻井系统，称智能化钻井技术。

1990年由数家大石油公司合作，历时5年，耗资$1000万开发出集成钻井系统（IDS）和集成钻井作业系统（IDO）。

井下闭环钻井发展阶段（四个发展阶段）（1）井下开环阶段（2）井下半闭环阶段（3）井下全闭环阶段（4）地面井下全闭环阶段井下闭环钻井导向工具和方法（1）滑动式导向工具；（2）旋转式导向工具。

第80页：垂直钻井系统

已投入商业运作的导向钻井系统（1）垂直钻井系统（VDS）：德国用于深井及超深井防斜垂直钻井用；（2）自动定向钻井系统（ADD）：美国能源部提出的；（3）自动导向系统（AGS）：美国Steve Bell公司研制；（4）旋转导向钻井系统（SRD）：美国CAMCO公司推出；（5）IDEAL和PowerDrive系统：Schlumberger(Anadrill)公司（6）旋转闭环钻井系统（RCLS）：美国Baker Hughes公司。

第81页：向多学科紧密结合

(二)向多学科紧密结合、提高油井产量和油田采收率方向发展以水平井、分支井为代表本章结束！