定向器工具面装置角对井斜角和方位角的影响.doc

斜向器定向的方位控制斜向器定向开窗具有易施工，周期短，成本低等特点，但斜向器定向影响因素多，定向误差大斜向器如何准确定向是值得关注和研究的问题，合理的定向可减少斜向器定向开窗侧钻井的造斜、纠斜、扭方位井段的长度，从而减少使用螺杆钻具、随钻测斜仪器和高泵压作业时间，达到缩短钻井周期，降低成本的目的1. 斜向器装置角对井斜和方位的影响斜向器装置角是斜向器斜面指向方向与斜向器安置处原井眼的方向线之间的夹角对于井斜为0°的垂直井眼，斜向器斜面指向方位就是新井眼的方位，斜向器导斜角的角度就是新井眼的井斜一般开窗处的井眼井斜都不为0°图1是井斜不为0°时，任意井眼方向的装置角示意图，OO1为井眼轴线，α1为原井斜，γ为斜向器导斜角当斜向器斜面按一定装置角ω安放时，所钻新井眼方向为O1Z，井斜为α2，∠ZOD=－ω在水平投影图上，O＇1O＇为原井眼方位φ1，O1＇Z＇为新井眼方位φ2Δφ为方位角增量，它是斜向器导斜角γ的水平投影根据空间几何关系，可以得到如下公式：（1）（2）（3）将公式（2）进行三角恒等变换可得到根据方图1 斜向器装置角与方位角增量投影 位角增量Δφ来计算斜向器装置角的计算公式：（4）公式（4）中有正负号，因此同样的α1、γ和Δφ有两个不同的ω值，这是因为，定向器可以装成图1中,O＇Z＇的位置，也可以装成O＇E＇的状态，前者增斜，后者减斜。

所以增斜时，公式用负号，减斜时，公式用正号原井斜α1和斜向器装置角γ都很小，公式（3）和（4）可简化为： （5） （6）规定原井斜方向的装置角为0°，从原井斜方向顺时针旋转为正把斜向器装置角按顺时针方向旋转依此为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ象限，不同象限的斜向器装置角ω对井斜和方位变化的影响情况如图2所示2.1 斜向器装置角对井斜的影响开窗位置和斜向器确定后，原井斜α1、斜向器导斜角γ为一定值，由公式（1）分析得出：新井眼的井斜α2的大小，取决于斜向器装置角ω的大小斜向器装置角ω由0°向 图2装置角在不同象限时井斜方位变化情况180°增加时，cosω的值由1向-1逐渐减小，cosα1的值逐渐增加，新井眼的井斜α2逐渐减小斜向器装置角ω在Ⅰ、Ⅳ象限时，增斜，新井眼的井斜增加，当斜向器装置角ω=0°时，新井眼的井斜增量为最大值；斜向器装置角ω在Ⅱ、Ⅲ象限时，降斜，新井眼的井斜减小，当ω=180°时，新井眼的井斜增量为最小值2.2 斜向器装置角对方位的影响由于原井斜α1、斜向器导斜角γ是确定的已知条件，由公式（2）分析得出：调整斜向器装置角ω的大小，可得到相应的方位角增量Δφ。

斜向器装置角ω在Ⅰ、Ⅱ象限，增方位，新井眼的方位φ2增加，斜向器装置角ω在Ⅲ、Ⅳ象限，减方位，新井眼的方位φ2减少实际斜向器定向时有：①原井斜α1大于斜向器导斜角γ；②原井斜α1等于斜向器导斜角γ；③原井斜α1小于斜向器导斜角γ三种情况2.2.1 原井斜大于斜向器导斜角时斜向器装置角对方位的影响要公式（4）有解，必须sin2γ—sin2α1sin2Δφ≥0，由此得Δφ的限制条件，也就是方位角最大增量Δφmaxsin2γ—sin2α1sin2Δφmax=0 （7）将公式（7）三角函数恒等变换后得到方位增量Δφ计算公式： （8）将（8）代入（4）得到使方位增量Δφ最大的装置角ωmax计算公式： （9）由图3可以看出：斜向器装置角ω由0°向±180°转动时，新井眼的井斜方位线OZ′在椭圆上有两个切点，在这两个切点处的斜向器装置角ω可取得增减方位的方位角增量最大值Δφmax，这时的装置角为ωmax和-ωmax由此得出井斜大于斜向器导斜角时，扭方位有最大值，斜向器扭方位受最大方位、图3 α1小于γ时ω与Δφ投影图 角增量的限制，需要的方位增量超出最大值时，斜向器扭方位不能一次扭成功。

2.2.2 原井斜等于斜向器导斜角时斜向器装置角对方位的影响当原井斜α1等于斜向器导斜角γ时，由图4可以看出：当斜向器装置角ω由0°向180°趋近时，Δφ逐渐增大趋近90°；当斜向器装置角ω等于180°时，新井眼井斜α2等于0°，新井眼方位φ2也等于0°因此，原井斜等于斜向器装置角时，斜向器扭方位最大方位增量趋近90°，但不等于90°；斜向器装置角ω等于180°时，可获得图4 α1等于γ时ω与Δφ投影图 0°的井斜井斜为0°或井斜很小的井段适合于螺杆钻具按要求的方位直接造斜钻进2.2.3 原井斜小于斜向器导斜角时斜向器装置角对方位的影响由图5可以看出：当斜向器装置角ω由0°向180°转动时，Δφ也逐渐增加由0°向180°增加，由此得出，原井斜小于斜向器导斜角时方位角最大增量为±180°也就是说当原井斜小于斜向器导斜角时，斜向器可以360°扭方位，方位角有较大的调整范围，斜向器扭方位可一次扭至要求方位图5α1小于γ时ω与Δφ投影图 原井斜α1、斜向器导斜角γ确定后，方位角增量Δφ由斜向器装置角ω来确定，而斜向器可扭方位的大小与原井斜α1斜向器导斜角γ的大小有关，决定最大扭方位的可能性。

2. 斜向器斜面指向方位定向和斜向器装置角定向对比分析3.1 定向应用的基准不同斜向器斜面指向方位定向，基准是地理北极，认为斜向器斜面指向方向就是定向方位斜向器装置角定向，基准是原井眼方位，根据装置斜向器斜面指向与原井眼方位之间的角度来确定新井眼方位3.2 定向应用的参数不同斜向器斜面指向方位定向应用的参数是井内固斜封隔器定位键的陀螺工具面斜向器斜面指向方位定向不考虑原井斜、方位和斜向器导斜角对新井眼方位的影响，定向简单，误差大，是目前常用的一种斜向器定向的方法斜向器装置角定向应用的参数，是开窗处原井斜、方位和井内固斜封隔器定位键的高边工具面（或用陀螺工具面计算出的高边工具面）以及斜向器导斜角，应用的参数多，考虑因素多，定向准确3.3 定向误差分析在斜向器导斜角为2.5°、井眼方位为120°和原井斜分别为0.5°、1.5°、2°、3.5°情况下，按斜向器指向不同方位定向计算出相应的误差，见下表：斜向器斜面指向定向误差计算表项目原井眼方位120°、斜向器导斜角2.5°，单位,°斜向器斜面指向方位0306090120150180210240270300330装置角-120-90-60-300306090120150180210井斜0.5°计算方位11416995120145171199229263300337误差1111950-5-9-11-11-707井斜1.5°计算方位3761821011201391581792032383002误差373122110-11-22-31-37-32032井斜2°计算方位49708610312013715417019121730022误差494026130-13-26-40-49-53053井斜2.5°计算方位607590105120135150165180195045误差604530150-15-30-45-60-756075井斜3.5°计算方位76859510812013214515516416312077误差765535180-18-35-55-76-107-180107从表中可以看出：按斜向器斜面指向方位定向时，原井斜越小，方位误差越小，原井斜越大，方位误差越大。

按斜向器斜面指向方位定向的方位误差大小与斜向器装置角有关，如斜向器导斜角为2.5°、井斜为3.5°时，斜向器装置角在330°～30°范围内，定向方位误差在18°～0°之间；斜向器装置角在150°～210°范围，定向方位误差在107°～180°之间由图1可以看出：按斜向器斜面指向方位定向时，由于原井斜、方位和斜向器导斜角的影响斜向器斜面指向方位不是新井眼的方位，原井斜越大斜向器斜面指向方位与新井眼的方位误差越大斜向器装置角定向，因为考虑了原井斜、方位和斜向器导斜角的影响，所以定向更准确图6中固斜封隔器定位键的陀螺工具面218°、井斜2°、方位270°、斜向器导斜角2.5°，将斜向器斜面反向转动48°这时斜向器斜面指向方位170°由于受原井斜、方位和斜向器导斜角的影响新井眼的方位是212°，这时的斜向器装置角是-101°斜向器按斜面指向方位定向，在保证有固斜封隔器定位键的准确测量数据时，仍有较大定向误差斜向器按装图6斜向器定向井斜投影 置角定向，原井斜、方位和定位键的测量数据必须准确，否则也会产生较大的定向误差3. 钻井测斜数据的准确性4.1 井测斜数据存在人为误差由于进行数据库管理，井斜数据的输入和调出是否正确，是不是原井测斜实际数据，甲方表示怀疑。

C2133井施工时，用陀螺在套管内测量的井斜数据与钻井测斜数据相差较大4.2 裸眼测斜数据和套管内实际数据存在偏差钻井测斜数据是在不规则的裸眼中测得的，下套管后的井眼变得规则平滑，所以套管内的井斜、方位也会发生变化，因此套管内的井斜、方位与钻井测斜数据有差别4. 陀螺测斜数据的选用5.1 陀螺测斜输出的主要参数陀螺测量的主要数据是方位、陀螺工具面、高边工具面和井斜它们相互关系见图6、图7方位：对某测点来说，这个角表示该井段的井眼方向这个角等于陀螺仪工具面读数减去高边工具面读数 图7 某一参照物为基准的测点水平投影图 图8 地理北极为基准的测点水平投影图陀螺工具面：以陀螺的纵轴为基准，探管转动的角度高边工具面：以井眼高边为始边，转动到探管基准标志的角度5.2 陀螺测量的数据是否能用，取决于测斜方法通常斜向器定向时，将固斜封隔器下入井下座封后，从套管内或钻杆内下陀螺探管测固斜封隔器定位键所在位置的陀螺工具面和其它相关数据5.2.1 套管内测量的定向数据下入井下的固斜封隔器座封后在井眼中是居中的，用双扶正器扶正陀螺探管，可准确测井斜、方位和定位键的陀螺工具面这些测量数据可作为斜向器定向的计算依据。

用双扶正器扶正陀螺探管测斜，如果在陀螺探管笔尖还没插入井下封隔器时测得的井斜、方位数据，与插上固斜封隔器定位键时测得数据基本一致，这时的陀螺测得的高边工具面可作为斜向器定向的依据，因为这时的高边工具面就是封隔器定位键在这个位置的装置角由于扶正器的作用陀螺探管转动摩阻大，笔尖不易插到封隔器的定位键上5.2.2 钻杆内测量的定向数据下钻杆并使钻杆公扣对入固斜封隔器的母扣内，陀螺探管从钻杆中下入固斜封隔器测定位键的陀螺工具面时，由于钻杆倾斜方向由井眼特性和钻杆受力状态决定，陀螺测得的井斜、方位一般不是井眼实际的井斜、方位，高边工具面不是实际的井眼方位为基准的高边。