定向井纠偏、绕障设计新方法.doc

定向井纠偏、绕障设计新方法谢国民何开平喻先进（江汉石油管理局钻井工程处）摘要：定向井实用三维设计-方位比较法，给出了造斜工具每钻进10m进行一次装置角补偿值定量设 计与计算方法，设计曲线与实钻轨迹相符合，解决了平面和现行三维理论设计与实际施工工艺不一 致的问题，设计的井身数据精度高，现场应用效果好，通过江汉油出2 口井5个井段的实际应用， 可以指导实际施工主题词：定向井；三维；设计；方法；原理；步骤1冃IJ吕定向钻井是沿着预先设计的井眼轴线钻达目的层的钻井方法井眼轴线的设计是定 向钻井工艺的首要部分，定向井井身轴线设计方法很多，各种设计方法无疑在定向钻井 生产中起着不可忽视的作用，然而现有的各种设计都不能满足定向井实际施工的需要， 存在着许多不足为了寻求一种切实可行的设计方法，本文提出一种定向井纠偏、绕障 设计新方法■方位比较法，该方法给出了造斜工具装置角不可能恒定及其解决的办法， 为尽快完成纠方位工作，少打进尺，在设计中釆用每钻进10m补偿一次工具装置角的方 法，这种工具装置角的补偿值从概念性第一次实现定量计算，解决了理论设计与实际施 工工艺不一致的问题2定向井设计方法评选2.1平面设计及其局限性到目前为止，二维定向井剖面类型已有十几种，但是，无论哪一种类型的二维剖面, 设计时都不考虑井眼轴线方位变化，故其设计+方法比较简单。

但在实际施工中，井眼 轴线往往难于保持在同一平面Z内，表现为测量数据（井斜角、方位角）都在改变，也 就是说在实际生产中往往会因地质、钻具组合和钻井参数等的影响，使井身方位偏离原 设计方位同样在一些特殊的绕障井或丛式井中，要求井身方位要作变化，而不能局限 于同一平面内，显然平面设计就不能再满足要求了为了解决牛产实际，对定向井井眼 轴线设计要同吋考虑井斜角和方位角变化，采用定向井三维设计2.2三维设计方法及其不足定向井三维设计有斜平面法、螺旋法，基本原理是应用空间解析几何方法，将三维 空间问题转化为平面来处理斜平面法是利用通过纠方位初始点与目标点，建立一个斜 平面，在该平面内找到一条恰当的曲线代表待钻井眼轴线，从而反映待钻井眼在钻进过 程中，井斜角、方位角随井深的增加而变化的状况螺旋法则假定待钻井眼可以保持井 斜角不变，只作方位角改变，待钻井眼即为一条等距离螺旋线这两种方法设计的特点 都是预先确定一条空间曲线，将纠方位初始点与目标点连接起来代表待钻井眼轴线在 定向井实际施工中，普遍采用动力钻具加弯接头的钻具组合来控制井斜、方位的改变， 因此就存在造斜工具装置角的问题，而造斜工具的装置角是随着井眼方位变化而变化 的，它不是一个恒定值，装置角的改变量|△⑵|等于井眼方位的变化量|A^|o斜平面法 和螺旋法在设计、计算时将工具装置角设定为恒定值，就口前定向钻井工艺技术尚无法 解决工具装置角与井眼方位角同步变化的问题。

因此设计的井眼轴线在实际施工时无法 实现，无法保持井眼轴线在同i平面内，实钻井眼必定偏离设计，这是目前三维设计方 法的不足Z处在定向井纠方位时，工具装置角e与造斜率K以及井斜角有如下关系：a2 = cos-1 (cos- cos K - sin ax - sin K cos 69) (1)当工具装置角⑵=|90 I，(1)式变为：a2 = cos-1 (cos6T]・cosK)螺旋法认为造斜率K相对于昇斜角来说较小把cosK作为1来处理从而推导出 可以稳定井斜角进行纠方位事实上，当初始井斜角不论为何值，造斜率K的余弦函数 值都不可忽略，尤其是当初始井斜角不太大时更是这样从理论上分析，定向井纠方位 吋，要想稳定井斜角只改变井眼方位是不可能的综上所述，斜平面法和螺旋法三维设计，虽然在形式上可以找到一条表示待钻井眼 的空间曲线，反映待钻井眼井斜角、方位角同时变化的情况，但其理论推导和假设条件 都与实际施工工艺相差较大，设计岀的待钻井眼在实际生产中是无法实现的为了寻求 一种与牛产实际相符合而施工工艺乂允许的三维设计方法，木文提出严重实用的三维设 计方法一方位比较法3定向井纠偏绕障设计一方位比较法在实际生产中，由于多种主客观原因，井眼方向偏离原设计，就要进行定向纠方位 工作。

在现有的定向钻井工艺及装备条件下，普遍采用动力钻具带弯接头来完成纠方位 工作，这一待钻井眼的设计，原有的平面设计就不再适用了，斜平面法和螺旋法三维设 计，因其理论推导与假设条件都与生产实际有较大的差异，设计出的待钻井眼在实际施 工中无法实现一设计数学模型不够真实我们知道，工具装置角是个瞬时值而不是恒定值生产中无法使工具装置角随同井 眼方位同步改变而保持恒定；其次在纠方位钻进过程中，工具装置角绝对值逐渐减小， 如不作适时补偿，势必引起井斜变化率心不断增大，而方位变化率Kg则不断减小，使 纠方位钻进井段延长许多，其至无法得到足够的方位改变量，使实际施工增加困难和肓 目性目前，对于实际井身轴线的测量尚无直接测量方法，只能通过井身各个间断点，测 量其对应的井斜和方位角，利用井深、井斜和方位角三要素计算出相对应的坐标量表征 井身轴线测量上的不连续性，以及两测点之间的井眼形状又有多种假设，鉴于上述原 因，在设计中我们就不着重强调待钻井眼的形状，重点考虑在允许的全角变化率条件下 预算出待钻井眼三要素，用最小曲率法计算岀对应的三维坐标值，随时建立新的坐标系, 将点方位与该点到目标点的要求方位进行比较，直到两者方位一致或在允许的误差范围 内，同时考虑到尽快完成纠方位工作少打进尺，将工具装置角的递减量在适当时机加以 补偿，以满足实际施工的需要，这种设计方法我们称之为定向井实用三维设计一方位比 较法。

3.1设计原理在分析定向钻井纠方位时，依据解析儿何原理，可以得到造斜工具的装置角G、造 斜率K、井斜角Q以及方位角0的变化量有如下的数学关系:△0二 tg((sinKsin69/(sincosK + cossinKcos69)) (2)其中:ax:前测点的井斜角；a2：后测点的井斜角；K：单位长度井身长度的造斜率；co :工具装置角；△0：前后两测点的方位角变化量在(1) (2)式中，造斜率K是造斜工具、地层岩性和钻井参数的综合指数一般 情况下难以准确预计，可以用统计方法分析原始资料后提出经验值，也可以施工通过相 邻两测点的井斜角和方位角变化，推算出下一井段将出现的造斜率，其计算式可用下式 计算：K = cos-1 (cos• cosa2 + sinsina2 cos△) (3)工具的装置角⑵可以根据实际需要给定但是应注意是憐时值，所以确定的工具 装置角G只是定向起时的初始值，当钻过山井段后，如果井眼方位改变了 "0角度，那 么工具装置角也就有d⑵角的变化，为简化讨论起见，用"、和△⑵来代替〃/、如和 do),从(1) (2)式中可以明显得到：(1 )当69 = 0时*, COSO? = COS(Q| + K),即Q2=G|+K,这就是造斜工具与原井眼 方向一致时，沿着原方位増初，无方位变化的平面増斜。

2) 当co = 180时，cosa? = cos - K),即a2 = - K ,这就是造斜工具与原井眼方向相反时，无方位变化的平而降斜3) co = 90时，cosa? = cose cosK ,且有值最大，这个方位变化量最大只 是发生在瞬间，当钻进/井段后，井眼方位发生了 的变化，随即工具装置角也同时 发生了 Ae的改变因此当工具装置角qv90,在不断的钻进中，井斜变化率是逐 渐上升的，而方位变化率K0则是逐渐减小的，这种变化速度与原井斜角⑦和造斜率K 有关表1列出了当初始工具装置角血=90时，不同初始井斜角少和造斜率K条件下, 钻进10米后井斜角禺和变化量Aa表1血=90条件下，⑦、K、a?和变化量的关系K （度/100 米）0 (度)禺(度)\a (度)455.01590.0159855.06340.06341255.14160.1416499.00880.0088899.03520.03521299.07900.079041515.00520.005281515.02000.0200121515.04680.0468表1中列出的△变化量是以装置角恒定90时钻进10米后的变化量。

但在实际中, 钻过10米后装置角小于90 了，由此引起的△变化量显然大于表所列Z数同时，当 造斜率一定时，井斜变化率Ka与方位变化率K0有如下关系：K = (K： + K；sii?a) (4)Bl井身輻线垂宜剖面图 B2井身水平投老图从上式可以看出，在总的造斜率K上，井斜变化率K&与方位变化率K0正是由工具 装置角0决定分配的在定向纠方位钻进过程中，一次定向安放好造斜工具之后，即决 定了工具的初始装置角，随着井眼的延伸，井身方位逐渐按要求改变，这时工具装置角 绝对值也逐渐减小，井斜变化率就随着装置角的减小而上升，直到Ka = K时，同方位 增斜，而方位变化率K0则随装置角的减小而减小，直到K0=O时，无方位变化根据 这个原理，用（1）和（2）式就可以对待钻井眼任意点的井斜角和方位角作出预算如 图1和2所示T为目标点，0〜q为已钻井身轴线，0]点明显偏离设计，在q点建立 新的坐标E、N\H\,则Op就是该点到目标点的要求方位0：将预算的井斜角和方位角及 对应井深，换算成相应的坐标量，采用逐步逼近的方法到2点，当2点的方位与该点 到目标点T的要求方位0；—致吋结束三维设计从（）2点到目标点T是在（）2丁平面内增降 稳斜问题。

因此6〜2便是纠方位段的待钻井身轴线然而在实际施工时，会因工具装 置角的逐渐减小，使方位变化率也随之下降，致使U〜2无限延长，甚至到K0下降 至零时，仍达不到所需的井身方位，因此在设计中应适时作工具装置角的补偿，与此同 时考虑到工具装置角是个瞬时变量，所以计算井段越小越好根据实际可能采取以每米 井段为计算单元，每10米井段（相当于1个钻杆单根长度）为一次工具装置角补偿， 并规定当点方位与该点到目标点所要求方位差在3〜5度时，不再作工具装置角的补偿, 是以每米计算并作方位比较，直到0；与九一致或在允许误差范围而将井斜角和方位 角换算成相应的坐标，采用最小曲率饪换算因在每一补偿工具装置角的井段井身轴线, 就是以造斜率K为曲率的空间曲线，所以实际设计的待钻井眼轴线002是由多段（段数 即为工具装置角补偿次数）同曲率K曲线组成的空间曲线组，这组空间曲线的曲率必须 满足允许曲率为条件3. 2设计程序步骤为了实际工作需要，我们将平面设计、绕障设计以及钻进时因井身方位偏离原设计 后，作修改设计归在一起，下面重点说明修改设计程序步骤：作修改设计时，图1中的1点就是做纠方位的起点，那么对应于0〜1段的井身是 已钻井眼。

其设计步骤为：（1）将已钻井眼的测斜数据用最小曲率法计算出对应于1点的垂深东坐标耳和 北坐标N[, 1点的井斜角方位角始，目标点的垂深H、位移S和要求方位0是设计的 已知参数；(2) 将坐标平移到1点，求出1点到目标点T的要求方位，0；=々t((E-EJ/(N-NJ) 并与点方位必作比较，根据两者的差值决定工具装置角及其符号工具装置角G取正号, 则井眼方位右旋，反之井眼方位左旋；(3) 确定造斜率，一般造斜率K可用经验数值，也可按试钻反算取得，但必须是允 许曲率Z内；(4) 用前述(1) (2)两式计算岀每钻进1米后的井斜角少和方位角0,工具装置 角减小量△,后1米的结果％+|、0+］和△+】，应以前1米0、0、△作为计算基数 在这里我们作了一个近似假设，。