《钻井5-井眼轨道设计与控制》.ppt

第五章 井眼轨道设计与控制Chapter 5 . Design and Control of Well PathChapter 5 . Design and Control of Well Path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 定向井井眼轨道设计第四节 直井防斜技术1一、 基本概念 (一)井眼轨迹的基本要素z井深 z井斜角 z井斜方位角 z磁偏角z垂深 z平长 z水平位移 z平移方位角 z N坐标和E坐标 z井眼曲率 z全角变化率2基本要素z油气井：以勘探开发 石油和天然气为目的 ，在地层中钻出的具 有一定深度的圆柱形 孔眼z井眼轴线:井眼中心线 z井眼轨道:表示井眼轴 线形状的图形3基本要素假设井眼轨迹是一条空间曲线，则 可以用空间直角坐标系来描述选 取笛卡尔坐标系ＯＮＥＤ原点Ｏ 选在井口处；Ｎ轴指向正北,单位矢 量为ｉ；Ｅ轴指向正东，单位矢量 为ｊ；Ｄ轴垂直向下，单位矢量为 ｋ oN(i)E(j)D(k)rotnbAαDm4(一)井眼轨迹的基本要素测量方法：非连续测量，间断测量测段”，“测点”井深、井斜角和井斜方位角----轨轨迹的三个基本参数。

(1) 井深（或称为斜深、测深） 井口(通常以转盘面为基准)至测点的井眼长度以字母Dm表示，单位为米(m) 井深增量（井段）：下测点井深与上测点井深之差以ΔDm表示5(2) 井斜角(α)：井斜角增量(Δα)：下测测点井斜角与上测测点井斜角之差 Δα＝αB－αA 指井眼方向线与重力线之间的夹角单位为度(°) 井眼方向线：过井眼轴线上某测点作井眼轴线的切线，该切线向井眼 前进方向延伸的部分称为井眼方向线6(3) 井斜方位角φ井眼方位线（井斜方位线）： 某测测点处处的井眼方向线线在水平面上的投影 井斜方位角增量Δφ ：上下测点的井斜方位角之差 Δφ ＝φB－φA 在水平投影图上，以正北方位线为始边，顺时针方向旋转到井眼方位线上所转过的角度井斜方位角的变化范围：0～360°7(3)井斜方位角φ：井斜方位角的另一种表示方式---象限角：磁偏角校正： 真方位角＝磁方位角＋东磁偏角 真方位角＝磁方位角－西磁偏角象限角的变化范围： 0～90之间磁偏角： 磁北方位与正北方位之间的 夹角西磁偏角东磁偏角8二．轨迹的计算参数由基本参数计算得到的参数1) 垂直深度Ｄ（垂深）：轨迹上某点至井口所在水平面的距离 。

垂深增量称为垂增(ΔＤ)2) 水平投影长度Lp（水平长度、平长）：井眼轨迹上某点至井口的长度在水平面上的投影，即井深在 水平面上的投影长度 水平长度的增量称为平增（ΔL）9(4) 平移方位角θ：平移方 位线所在的方位角 Ø国外，将平移方位角称作 闭合方位角 Ø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：南北坐 标轴，以正北方向为正； 东西坐标轴，以正东方向为正 (6) 视平移Ｖ： 水平位移在设计方位线上的投 影长度10(7) 井眼曲率K（“狗腿严重度”、“全角变化率”）：狗腿角的计算： Lubinski公式： cosγ=cosαA·cosαB+sinαA·sinαB·cos(φB-φA)指井眼轨迹曲线的曲率平均曲率: Kc=30γ/ΔDm“狗腿角”或“全角变化”（γ）： 上、下二测点的两条方向线之间的夹角(空间夹角)我国钻井行业标准计算公式：γ=(Δα2+Δφ2·sin2αc)0.5 αc=(αA+αB)/2 γ——该测段的狗腿角，(°)； Ｋc——该测段的平均井眼曲率，(°)/30m；αc——该测段的平均井斜角，（°） 1112靶点VA设计方位线13（二）轨迹图示法１、水平投影图投影面：水平面 坐标系：以井口为原点、Ｎ坐标轴、Ｅ坐标轴； 表达的参数：Ｎ坐标值、Ｅ坐标值、水平位移S、 水平长长度Lp、井斜方位角φ、平移方位角θ２、垂直投影图投影面：过设计方位线的铅垂面，即井口和目标点所在的铅垂面； 表达的参数：垂深D、视平移V、井斜的增减趋势；坐标系：原点(井口)、横坐标(视平移)、纵坐标(垂深)。

143、垂直剖面图Ø垂直剖面：过井眼轴线上各点垂线组成的柱面展开图； Ø坐标系：原点(井口)、横坐标(水平长度)、纵坐标(垂深)； Ø表达的参数：垂深D、水平长度Lp、井深Dm、井斜角α 15垂直投影图与水平投影图16垂直剖面图与水平投影图17z 井身剖面由直井段、造斜段、稳 斜段、增斜段、降斜段和水平段 组合而成 z 直井段:设计井斜角为零度的井 段￿￿ z 造斜点（Ｄｋｏｐ）:开始定向造 斜的位置称为造斜点通常以该 点的井深来表示￿￿ z 造斜率（Ｒｂ）:造斜工具的造斜 能力,即该造斜工具所钻出的井 段的井眼曲率 z 造(增)斜段:井斜角随井深增加 的井段￿￿ z 稳斜段:井斜角保持不变的井段 z 降斜段:井斜角随着井深的增加 而减小的井段 z 水平段：井斜角大于86度的井段 直井段造斜点 造斜段增斜段水平段直井段降斜段稳斜段一、 基本概念 (三)井身剖面及精度控制amax18井身剖面及精度控制z 目标点:设计规定的、必须钻达的地层位置，称为目标点 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 z 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迹偏 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。

z 安全控制圆锥（柱）:以设计井眼轴线为中心,所限定的圆 锥（柱）空间 ￿￿ z 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 z 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19目标点和误差椭球o设计井眼实钻井眼目标点误差椭球油层靶心距20直井和定向井的靶区和控制圆锥靶区靶区半径控制圆锥井口油层21二、各参数之间的数学关系(一)基本参数￿￿在石油工程中，井眼轨道参数是通过 下入井眼内的测斜仪器测出的，它测出的 是一系列离散井深点所对应的井斜角井斜角和方方 位角位角，通过它们可以确定出其它参数，所 以将它们称为基本参数￿￿ (二)坐标参数￿￿用于描述井眼轨道的空间位置主要 有北坐标，东坐标，垂直深度￿￿ (三)挠曲参数￿￿描述井眼轨道的弯曲和扭转程度主要 有曲率曲率和挠率挠率￿￿ 22(四)坐标参数与基本参数的关系L-----为井口到计算点的曲线长度23三、油气井分类类 (按井眼轨轨道)（1）直井 （Vertical well）设计井眼轴线为一铅垂线，实钻井眼轴线大体沿 铅垂方向，其井斜角、井底水平位移和全角变化率均 在限定范围内的井。

￿￿（2）定向井(Directional well) 沿着预先设计的井眼轨道,按既定的方向偏离井口 垂线一定距离,钻达目标的井24定向井可分为 ：普通定向井、大斜度井、丛式井、 多底井、斜直井、水平井等 普通定向井:在一个井场内仅有一口最大井斜角小于60°的 定向井 大斜度井:在一个井场内仅有一口最大井斜角在60°～86°范 围内的定向井￿￿ 丛式井:在一个井场内有计划地钻出的两口或两口以上的定向 井组,其中可含一口直井￿￿ 多底井:一个井口下面有两个或两个以上井底的定向井 斜直井:用倾斜钻机或倾斜井架完成的,自井口开始井眼轨道 一直是一段斜直井段的定向井 ￿￿25丛式井垂直剖面图丛式井垂直剖面图丛式井垂直剖面图丛式井垂直剖面图26河５０丛式井组是我国目前最大的陆地丛式井组河５０丛式井组是我国目前最大的陆地丛式井组 该井组在长３８４米、宽１１０米的区域内布井６该井组在长３８４米、宽１１０米的区域内布井６ 排共４２口，钻穿油层５５０层２０４６．９米，油排共４２口，钻穿油层５５０层２０４６．９米，油 水同层２９９层１１３２水同层２９９层１１３２. .１米27（3）水平井(Horizontal well) 在一个井场内仅有一口最大井斜角大于或等于 86°,并保持这种角度钻完一定长度的水平段的定向 井。

水平井分为：长曲率半径水平井 （造斜率小于6°/30 ｍ）；中曲率半径水平井 （造斜率为1°/ｍ～6°/30m）；短曲率半径水平井 (造斜率为1°～10°/ｍ) ；径向水平井 (造斜率为无穷大) 28l l水平井由于增加了井筒与油层的接水平井由于增加了井筒与油层的接 触触 面积，从而可大大提高单井产量面积，从而可大大提高单井产量油层直井水平井钻井的目的（一）水平井钻井的目的（一）29解决水锥问题水平井钻井的目的（二）水平井钻井的目的（二）30一井双探31扩大泄油面积 增加控制储量 提高油井产能0.6万吨直井的5倍以上（L=300m）水平井技术适合于薄层的开采32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薄油层开发33井眼轨迹在油层最佳位置穿行难精确控制几千米远的钻头走向难度大层薄，地层倾角变化，有时上翘或下倾薄油层开发34四、 井眼轨道设计的原则和方法 （一）、 井眼轨道的类型 （二） 、设计井眼轨道的原则 （三） 、井眼轨道设计中有关因素 的选择 （四） 、井眼轨道类型的选择35（一）、井眼轨道的类型按设计井眼轨道在空间直角坐标系中的形状,可分为 二维井眼轨道和三维井眼轨道。

￿￿二维井眼轨道是指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￿￿三维井眼轨道是指在设计的井眼轴线上,既有井斜角 变化,又有方位角变化的井眼轨道￿￿１.二维井眼轨道￿￿二维井眼轨道组成垂直井段、增斜井段、稳斜井段降斜井段￿36井眼轨道的类型２.三维井眼轨道￿￿三维井眼轨道设计用于绕障井和现场待钻修正井 眼轨道设计若在地面井口位置与设计目标点之间的 铅垂平面内,存在着井眼难于直接通过的障碍物(如已 钻的井眼、岩丘、气顶等），则设计的井眼轨道需要 绕过障碍物到达目标点在钻进过程中，井眼轨道总 是要偏离设计井眼轨道，为了保证钻达目标点，必须 时刻修正钻进参数；此时由于井底的方位角与设计的 方位角不一致，必须进行三维轨道设计￿￿37（二）、设计井眼轨道的原则（1）根据油气田勘探开发要求,保证实现钻井 目的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、采油和修井作业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。

38（二）、设计井眼轨道的原则（1）根据油气田勘探开发要求,保证实现钻井 目的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、采油和修井作业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39（三）、井眼轨道设计中有关因素的选择1.造斜点的选择￿￿(1)造斜点应选择在比较稳定的地层,避免在岩石破碎带、漏 失地层、流砂层或容易坍塌等复杂地层定向造斜￿￿(2)地层可钻性均匀，不应有硬夹层￿￿(3)要满足采油工艺要求￿￿(4)垂深大、水平位移小的井，造斜点应深，以简化井身结 构、加快钻速￿￿(5)垂深小、水平位移大的井，造斜点应浅，以减少定向施 工的工作量￿￿(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￿￿40２.最大井斜角￿￿对于直井,井斜角控制在规定的范围内对于常规定向井和水 平井,当井斜角小于15°时，方位不稳定，所以,最大井斜角应大 于15°。

￿￿ 3.井眼曲率￿￿在钻井中,井眼曲率是一。