定向井工具面角的计算应用.doc

定向井工具面角的计算应用作者：何泳张林于文成摘要：工具面角是定向井施工时进行轨迹控制所需的重要参数，本文旨在解决定向井施工过程中如何精确设定工具 面角的问题，从而提高定向井轨迹控制的精度，提高井身质量本文主要介绍了定向井施工时使用斜面法进行扭方位计 算的基本理论公式，以及如何使用该方法进行工具面角计算，并进行了实际应用举例关键词：定向井工具面一、概述 在定向井钻井轨迹控制过程中，经常会遇到在保持井眼方位角不变的情况下改变井斜角的情况，此时称为增井斜或降井斜，而大多数情况下则需要同时改变井斜角和方位角或者有时保持井斜角不变而改 变方位角，此时称为扭方位工具面角就是定向井施工现场人员用来确定造斜工具的方向，在井斜方向 和方位方向上分配造斜率，进行井眼轨迹控制的主要参数通俗地讲工具面角指的就是造斜工具弯角的指向或位置，在现场应用中，工具面角分为两种类型： 磁性工具面和重力工具面在磁性工具面的情况下，工具面角是指以磁北极为零点顺时针旋转至造斜工 具面(造斜工具作用方向线与井眼切线所构成的平面)所转过的角度，适用于井斜较小的情况(小于3)；重力工具面指在井底平面(井底井眼的横截面)上，并斜平面(通过井眼切线的铅垂面)与井底 平面的交线上，自井眼高边(井斜平面与并底平面交线上增井斜的方向通常称为井眼高边)顺时针旋转 至造斜工具面所转过的角度，重力工具面也称为装置角，重力工具面+井底当前方位角=磁性工具面。

重力工具面一般用于井斜较大时(大予30)o二、理论公式 目前扭方位计算的典型方法是假设扭方位井段为斜平面上的圆弧，称为斜面法如图1所示，以当前井底B点处切线方向为Z轴，井眼高边方向为x轴，右手法确定增方位方向为Y轴；将B．xyz坐标 系绕Z轴顺时针旋转∞(装置角)，得到新的坐标系B．砉11‘，扭方位井段处于B．专‘坐标平面内在 计算中，当前井底的轨迹参数(o【l、由1)始终是已知的，应用微分几何原理，可推导出以下扭方位计 算的基本关系式：oN E图1：扭方位井段斜平面图2：扭方位井段描述1、已知巾、∞，扭方位井段上任意一点的井斜角计算公式：COSOr．=COS oqcos巾一sinohsin巾COS∞2、已知中、∞，扭方位井段上任意一点的方位角计算公式：培巾=sin qcos1+(COS(XtCOSlCOS CO—sinlsino)tg lk3、已知咖、∞，扭方位井段上任意一点的方位角变化计算公式：qb面i两siisln％cos巾+coq磊J sinitoalsm巾cos∞tg A4、已知仪2、巾2、t|，，工具面角计算公式：∞一舞5、已知0c 2、书2、巾，工具面角计算公式：sinoh sinA由 Sln‘1)= sih,6、已知耷2、巾、OJ，扭方位井段终点井斜角计算公式 sin阻=—sincficosd／+co—s％sintpcosco。

A击COS7、扭方位井段弯曲角计算公式(如图2)：cos,p=COScqcos％+sin％sin％cos△书或巾=譬=△L．K87其中：d 1一扭方位井段起点井斜角‘弗1一扭方位井段起点方位角Or．2一扭方位并段终点井斜角 书2一扭方位井段终点方位角△由=书2一书1咖一扭方位井段弯曲角△L一扭方位段长 R一扭方位井段的曲率半径 K一工具造斜率∞一工具面角以上公式为使用斜面法进行扭方位计算的基本理论公式，具体推导过程请参阅有关资料三、工具面角的计算在定向井现场施工中，我们经常遇到需要进行扭方位的情况例如，在实际施工中，当定向段施工 接近完成的时候，有时井斜角已经达到要求，但由于种种原因方位角还没有及时调整到预定角度，这时 就需要进行扭方位此时工具面角的设定就显得比较关键，因为如果工具面角设定不当，或者扭方位钻 进长度掌握得不准，就会造成扭方位过度，或井斜角又超过要求的情况，然后继续反向扭方位或者调整 井斜角，如此反复，就会导致定向段加长，井眼轨迹质量变坏，超过设计要求，对于后期施工造成影响 或不利而目前，在现场施工中，扭方位时工具面角的大小以及以该工具面角钻进多少进尺可以使最终 井斜角和方位角达到要求，主要依靠定向施工技术人员的经验来确定。

这种情况下，就需要定向施工技 术人员有较高的素质和丰富的施工经验，同时施工中也造成定向人员的较高的精神和心理压力此时， 如果有一套扭方位计算的速查表格，就会大大提高扭方位施工的精度，减轻工作人员的压力，提高施工 的效率由此，依据前面得到的理论公式，而实际施工中工具面角的设定都是以一个单根钻杆为单位， 即△L=9．5米，下面是以我油田目前常用的螺杆钻具计算得到的部分数据，表内工具面角为重力工具面：1、0．75单弯螺秆，实际使用时其造斜率一般约为4．70／30m，根据公式7，巾=9．5×4．7／30=I．488， 应用公式1、2得到井斜角变化和方位角变化数据88井斜变化情况表＼乃F 015 30 4560 7590105 120 135 150165180 烈文 O1．491．491．491．491．491．491．491．491．491．491．491．491．4923．493．463．37 3．233．032．78 2．49 2．16 1．81．421．03O．68O．5l45．495．45 5．345．164．924．6l4．27 3．893．53．132．8I2．592．5l67．497．457．337．136．876．546．185．85．415．064．774．584．518 9．499．459．329．118．848．5l8．147．757．37 7．036．756。

576．5110 11．4911．44 11．3111．110．8210．4810．119．729．349．0l8．748．578．511213．4913．44 13．3l13．0912．8l12．4712．0911．711．33ll 10．7410．5710．5l1415．4915．4415．3115．0914．814．4614．0813．6913．3212．9912．7312．5712．5116 17．4917．4417．317．0816．7916．4516．0715．6815-31 14．9814．7314．5714．5118 19．4919．4419．319．0818．7918．441 8．0617．6717．316．9816．7316．5716．512021．49 21．4421．321．08 20．78 20．43 20．0519．6719．318．98l 8．7318．5718．5l 2223．4923．44 23．323．07 22．7822．4322．05 21．6621．29 20．9720．7220．5720．512425．4925．44 25．325．07 24．78 24．42 24．04 23．66 23．2922．9722．7222．57 22．512627．4927．4427．327．07，26．7726．4226．04 25．6525．2924．9724．7224．5724．51 2829．4929．“29．329．0728．7728．4228．04 27．6527．2826．9726．7226．5726．5l3031．4931．44 31．331．07 30．77 30．4230．0329．6529．2828．9728．72 28．57 28．5l方位角变化情况表＼卵 ＼．90．75-150-45 ．30．15015 3045607590矾八 ＼ 0．90．75．60_45 ．30．15O 153045 60 75902．36．66．31．09．25．17．19．03 ．12．75 ．6．4O6．412．7519．0325．1731．0936．664．20．42．18．17．15．22．11．78．8．02-4．06O4．068．0211．7815．2218．1720．42 6。

13．96．12．7l10．84．8．51．5．84 ．2．97 O2．975．848．5l10．8412．7l13．968．10．57．9．76．8．42 ．6．66 _4．6．2．3502．354．66．668429．7610．5710 ．8．51 ．7．92 ．6．88 ．5．47 ．3．8．1．94 01．943．85．476．887．928．5112．7．12．6．67．5．82-4．65．3．23．1．66 01．663．234．655．826．677．1214．6．13 ．5．77．5．05 -4．04．2．82．1．45 01．452．824．04 5．055．776．13， 16 ．5．38 ．5．08-4．46．3．58 ．2．5．1．28 O1．282．53．584．465．085．38-18 4．8l -4．554．3．22 ．2．25．1．16 01．162．253．2244．554．8120-4．34—4．12．3．63．2．93 ．2．05．1．05O1．052．052．933．634．124．34 22．3．97．3．77．3．33．2．69．1．88．0．9700．971．882．693．333．773．9724—3．65．3．48—3．08．2．48一1．74加．900．91．742．483．083．483．6526．3．39．3．23．2．86．2．31．1．62 —0．84 00．841．622．3l2．863．233．39 28．3．17．3．02 ．2．68．2．17．1．52．0．78 00．781．522．172．683．023．1730．2．97 ．2．84 —2．52．2．04—1．43-0．7400．741．432．042．522．842．972、1．25。

单弯螺杆，实际使用时其造斜率一般约为10／30m，则根据公式7，山---9．5×10／30=3．167，应用公式1、2得到井斜角变化和方位角变化数据：井斜角变化情况表＼TF 015 30 45 607590 105120 135150165 180 矾＆03．173．173．173．17 3．173．17 3．173．173．173．173．173．173．1725．175．135 4．794．514．163．753．282．77 2．25I．751．341．1747．177．1l6．936．636．225．7l5．14．4l3．65 2．852．02 1．250．8369．179．18．888．548．067．476．786．015．24．373．623．052．83811．17 11．09lO．8610．489．979．33 8．67．86．976．18 5．495．0l4．8310 13．1713．0812．8412．4411．911．2410．48 9．678．85’8．077．436．996．831215．1715．0814．8314．4113．8513．17 12．411．59 10．77 10．Ol9．398．988．8314 17．17 17．0816．8216．3915．8215．1314．3513．5212．7111．9711．37 10．97 10．8316 19．1719．0818．8l18．3717．7917．0916．315．4814．6713．9413．3512．9712．8318 21．1721．0720．820．3619．7719．0618．2717．4416．6415．9l15．34 14．9614．832023．1723．0722．822．3521．7521．0320．24 19．4118．6117．917-33 16．9616．832225．1725．0724．79 24．34 23．7323．0l22．2221．3920．5919．8819．3218．9618．832427。

17270726．7926．3325．7225242 23．3722．5721．87 21．3。