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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，钻达一定目标的井第三章,,定向井,第三章,第一节 井眼轨道设计的原则和方法,一、基本概念 1 .井眼轨道的基本要素 井眼轨道：表示井眼轴线形状的图形其它基本要素如下图所示：,第三章,第三章,,1) 直井段:设计井斜角为零度的井段 2) 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 3) 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 4) 造(增)斜段:井斜角随井深增加的井段,2.井身剖面,井身在垂直平面内的投影,第三章,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 6) 降斜段:井斜角随着井深的增加而减小的井段,5) 稳斜段:井斜角保持不变的井段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体。

,第三章,1) 工具弯角（θｂ）: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（βｒ）: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,3. 井眼轨道水平投影,第三章,5)工具面角（βｔ）：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第三章,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，既可用高边工具面表示，也可用磁工具面表示 7) 安置角（βｓ）：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，也可用磁工具面表示 8) 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 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第三章,井眼曲率的计算,1）简单表示法,方位角不变的井眼轴线,此时：,若AB弧有均匀曲率，则根据定义：,第三章,对于空间井眼轴线，可以用两个平面来表示,垂直：,水平：,第三章,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、αA 、 φA 、ShA；井深增加到B点，设AB弧,第三章,在垂直投影面中： αA 、αA+dα在平面AAˊB 内，令∠ AAˊB= α，则,第三章,水平投影面中：,水平投影面中：,第三章,由于：,则：,坐标参数与基本参数间的关系：,第三章,Rn、Ri对Rh都有影响第三章,四、井眼轨道设计的原则和方法,井眼轨道的类型,二维井眼轨道,三维井眼轨道,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。

1. 井眼轨道的类型,第三章,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2. 设计井眼轨道的原则,第三章,造斜点的选择原则,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； 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1),第三章,(3)井眼曲率,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2)最大井斜角,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°。

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第三章,直井,三段制,五段制,“S”型,,,,,第三章,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、钻井技术水平以及故障提示等； 2) 根据井眼轨道确定原则，选定一个井眼轨道类型； 3) 根据原始资料选定造斜点的位置，并确定造斜率和降斜率的大小；,5. 二维定向井井眼轨道设计方法,4) 确定最大井斜角；,5) 计算剖面上各井段的井斜角、方位角、垂直井深、,水平位移；,第三章,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：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° .,目前常用的设计方法,查图法 作图法 解析法,,第三章,d,最大井斜角αm的确定:,在△ kjf中：,第三章,若令：,She ：油层内水平位移 De：油层深度,有:,第三章,造斜率与曲率半径的关系：,计算：,第三章,井段：O—a 最大井斜角:0 方位角:0 垂直井深增量ΔD(m): ΔDa= ΔDkop=400 垂直井深D(m): Da = Dkop =400 水平位移增量ΔSh (m): ΔSha =0 水平位移Sh(m): Sh =0 段长Δl(m): Δla= Dkop =0 井深Dw(m) : Dw = Dkop =0,第三章,水平位移增量ΔSh (m): ΔShab =R1(1-cos αm )=206.03 水平位移Sh(m): Shb = ΔShab = 206.03 段长Δl(m): Δlab= R1αm /57.3=607.65 井深Dw(m) : Dwb = Dwa + Δlab =1007.65,井段：a—b 最大井斜角:40.51 ° 方位角: 30° 垂直井深增量ΔD(m): ΔDab= R1sinαm =558.31 垂直井深D(m):Db = Da + ΔDab =958.31,第三章,垂直井深D(m): Dc = Db+ ΔDbc =2115.07 水平位移增量ΔSh (m): ΔShbc = ΔDbc tgαm=988.32 水平位移Sh(m): Shc = Shb + ΔShbc = 1194.35 段长Δl(m): Δlbc= ΔShbc /sin αm =1521.47 井深Dw(m) ： Dwc = Dwb + Δlbc =2529.12,井段：b—c ; 最大井斜角:40.51 ° 方位角: 30° 垂直井深增量ΔD(m): ΔDbc=De - Dkop - ΔDab - ΔDcd =1156.76,第三章,水平位移Sh(m): Shd = Shc + ΔShcd = 1457.9 段长Δl(m): Δlcd= R2 (αm - αe ) / 57.3=1521.47 井深Dw(m) : Dwd = Dwc+ Δlcd =3179.32,井段：c—d 最大井斜角:40.51 °方位角: 30° 垂直井深增量ΔD(m): ΔDcd= R2 (sinαm - sinαe ) =584.93,垂直井深D(m): Dd= Dc + ΔDcd =2700 水平位移增量ΔSh (m): ΔShcd =R2(cos αe -cos αm )=263.35,第三章,水平位移Sh(m): Sht = Shd + ΔShdt = 1500.06 段长Δl(m): Δldt= ΔShdt /sin αe =302.93 井深Dw(m) : Dwt = Dwd + Δldt =3482.25,井段：d—t 最大井斜角: 8 ° 方位角: 30° 垂直井深增量ΔD(m): ΔDdt=D - De =300 垂直井深D(m):Dt= Dd+ ΔDdt =3000 水平位移增量ΔSh (m):ΔShdt= ΔDdt tgαe=42.16,第三章,6. 井眼轨道随钻修正设计 7. 井眼轨道绕障或防碰设计 8. 丛式井总体设计的原则 (1) 丛式井位置、数量和井数的确定 (2) 防止井眼相碰,防止井眼相碰是丛式井设计和施工的关键。

为此，我们应该注意下述几个方面 1) 井网类型 2) 井眼轨道设计 3) 井口布置,第三章,4) 造斜点位置 5) 造斜率与最大井斜角 6) 钻井次序 7) 控制安全圆柱 8) 提高测斜仪器的精度 9) 使用电子计算机绘制井眼防碰图,第三章,第二节 钻柱及下部钻具组合设计,钻柱的主要作用有: 1) 提供钻机到钻头的钻井液通道,即输送钻井液； 2) 把地面动力传递给钻头并给钻头加压,使钻头破碎岩石； 3) 起下钻头；,钻柱：是指自方钻杆至钻头以上的钻具管串的总称钻柱由方钻杆、钻杆、钻铤、接头和稳定器等钻具组成在钻井过程中，通过钻柱把钻头和地面连接起来第三章,4) 通过钻柱可以了解钻头工作情况、井眼状况及地层情况等； 5) 进行取心、处理井下事故与复杂情况、打捞； 6) 对地层流体及压力状况等进行测试与评价一、 常用钻井工具, 钻具是钻井工具的简称,常用钻具包括钻头、钻铤、稳定器、减振器、震击器、加重钻杆、钻杆、方钻杆、井底马达和连续导向动力钻具组合等二、钻柱的工作状态及受力分析,1、钻柱的工作状态,起下钻:钻柱不接触井底，钻柱处于悬持状态，在自重,第三章,正常钻进：部分钻柱的重量作为钻压施加在钻头上，使得下部钻柱受压缩。

在钻压小和直井条件下，钻柱也是直的，而当压力达到某一临界值时，下部钻柱将失去直线稳定状态，发生弯曲，并在某一点与井壁接触，称为钻柱的第一次弯曲；如果继续加大钻压则弯曲形状改变，切点下移，当钻压增大到新的临界值时，钻柱弯曲出现第二个半波，着是钻柱的第二次弯曲如果继续增大钻压，则会出现第三次弯曲 正常钻进过程中，钻柱处于不停的旋转状态，钻柱旋转运动的可能形式：自转、公转、公转+自转、不规则运动,作用下，钻柱处于受拉伸的直线稳定状态第三章,2、钻柱的受力分析及计算,不同的工作条件、不同部位，钻柱受载荷不同：,拉、压 扭矩 弯矩 内外压力,,1）轴向载荷 包括稳态载荷和动态载荷，一般除振动严重外，忽略动态第三章,钻柱轴向载荷,钻柱重量 钻井液浮力 钻压 与井壁摩擦,,第三章,中和点：轴向应力线与静液柱压力的交点此点的静液柱压力等于钻柱中压缩应力中和点位置可以由钻压W除以单位长度浮重来确定第三章,钻进过程中钻柱轴向载荷：,Wpt为任意截面处轴向载荷；Wp为该截。