钻井工程-12-13-井眼轨道设计与轨迹控制

井眼轨道设计与轨迹控制中国石油大学（北京）2012年11月15日钻井工程井眼轨道：一口井开钻之前，预先设计的井眼轴线形状。直井轨道：过井口的铅垂线定向井轨道：二维定向井：过井口和目标点的铅锤面上的曲线。三维定向井：具有不同曲率的空间曲线。轨道设计：定向井、水平井、侧钻井、大位移井等。井眼轨迹：一口井实际钻成后的井眼轴线形状。轨迹控制：•直井防斜打直；•特殊工艺井控制井斜和方位，使轨道和轨迹相一致。第1节定向井井眼轨道设计常规定向井：大斜度井：水平井：上翘井：大位移井：水平位移与垂深之比大于2.0一、定向井轨道分类二维定向井：常规二维定向井-井段形状由直线和圆弧线组成。非常规二维定向井：除直线和圆弧曲线外，还有特殊曲线，如：悬链线、二次抛物线等。三维定向井：纠偏三维定向井，绕障三维定向井。60~15b85~60b90b120~90bb—最大稳斜角二、常规二维定向井轨道设计1、设计原则（1）能实现钻定向井的目的（2）有利于安全、优质、快速钻井轨道形状简单，尽量保证较长的直井段，容易实现钻进尽量减小最大井斜角，以便减小钻井难度，小倾角定向井；，中倾角定向井；大于，大倾角定向井；最大井斜角不得小于15度，否则井斜方位不易稳定。选择合适的造斜点位置。地层：硬度适中，无坍塌、缩径、高压、易漏。深度：根据垂深、水平位移、剖面类型等确定。垂深大、位移小、造斜点应深一些，避免长稳斜段；垂深小、位移大、造斜点应浅一些，减小定向施工工作量。30~1560~3060选择合适的井眼曲率：小，造斜段长，钻速低；大，摩阻大，起下钻、下套管等作业困难；保持均匀，避免急弯，防止阻卡；保证钻具顺利通过。cKcKcK2)(37.33TTbmLfddK—起下钻允许的最大曲率，度/100m；—动力钻具长度，m；—钻头直径，mm；—动力钻具直径，mm；—安全间隙值，软地层f=0;硬地层f=3~6mm。fddLKTbTm保证下套管顺利及考虑套管的弯曲强度：cscmEdccK21510*58.114—下套管允许最大曲率，0/100m；—钢材弹性模量，Pa；—套管外径，mm；—套管钢材屈服极限，Pa；—安全系数，1.2~1.25；—丝扣应力集中系数，1.7~2.5。21ccdEKsccm（3）有利于采油工艺的要求：尽量减小井眼曲率，以改善油管和抽油杆的工作条件。尽量以较小井斜角的直井段（斜直或垂直）进入油气层，以利于安装电潜泵，坐封封隔器及其他井下作业。2、轨道类型常规二维定向井轨道有四种类型：三段式多靶三段式五段式双增式二维定向井轨道形状3、设计条件、内容及步骤（1）设计条件由地质、采油部门提供的要求：•目标点位置：•目标段位置：由钻井工程要求和设计原则确定的数据：造斜点深度井眼曲率0,,ttSD0,,,,tmmttDSDKDkop（2）设计内容及步骤•选择轨道形状：给定，选用三段式；给定，选用五段式或多靶三段式；给定，且较大，用双增式。•确定造斜点位置，造斜率，降斜率，第二造斜率；•计算关键参数：最大井斜角，稳斜段长度；•计算各井段井身参数：•绘制垂直剖面图和水平剖面图。0,,ttSD0,,,,tmmttDSD0,,,,tmmttDSDtkopDzKnKzzKbmwDmDSD,,4、轨道的设计计算：以五段式轨道为例，已知：（1）计算关键参数：（如图）nzkoptmmttKKDDSD,,,,,,,0mwbD,2tan)(sincos)cos1(sinsincos2tan2tan)cos1(sintanbnztntmmattntmmttntmmbnbzattntmmtbRRRDDDRDSRDRRDDRDSeffgeeeemweeeeeeebbbbbeeebnzetntmmatetntmmteSRSDDSRSRSDDRDSRRRRDDDDRDSS2222tan)2(tan1)2tan(2tan2tantansincos)cos1(sin22222令：则：由：得：（2）计算各井段参数增斜段：tmmmtmmttbnmnbtnntbnnbmwwbmwwbzmzbzzbzzDSDDRDRSRDDSDDRDRSRDsincos180)()cos(cos)sin(sinsincos180)cos1(sin稳斜段：降斜段：目标段：5、不同轨道类型的关键参数的计算造斜段井眼曲率半径计算公式：的单位为（1）三段式给定时，计算ccKKR171918030)(),30/(mRmcKzkopttKDSD,,,,0mwbD,eemwebeeeemwzetekopteSRDDSRSDDRRSSDDD2/)(arctan2)2(5.022（1）三段式•给定，计算•给定，计算bkopttDSD,,,,0mwzDK,bbzkoptmwzzbbtkoptzRDDDRKSDDRcos/)sin(/1719)2/tan(/)tan/(bzttKSD,,,,0mwkopDD,bbzkoptmwbzbttkopRDDDRSDDcos/)sin()2/tan(tan/（2）多靶三段式给定：计算：（倒推设计法）（3）五段式已知条件：中间参数：mmtzkoptDKDD,,,,,0;,,bmwtDSbbzkoptmwttzkopttRDDDRDDScos/)sin(tan)2/tan(nzkoptmmttKKDDSD,,,,,,,0eemwebeeeemwnzetntetnkopteSRDDSRSDDRRRRSSRDDD2/)(arctan2)2()cos1(sin5.022（4）双增式给定条件：中间参数：zzmmtzkopttKDKDSD,,,,,,,0eemwebeeemwzzzetzzztetzzkopteSRDDRSDDRRRRRSSRDDD/)(arctan2)(cossin5.0222注意：以上各轨道类型计算公式中所有符号的含义见教材图5-20、5-21、5-22、5-23中的标注，尤其是应注意不同轨道时的和的取值。tDtS6、井段计算及设计结果表示对每个井段计算出段长、垂增、平增三个参数。（1）增斜段（4）双增轨道的第二增斜段（2）稳斜段（5）目标段（3）降斜段180/)cos1(sinbzmzbzzbzzRDRSRDbmwwbmwWmwDSDDDsincos180/)()cos(cos)sin(sintbnmnbtnntbnnRDRSRD180/)()cos(cos)sin(sinbtzzmzztbzzzzbtzzzzRDRSRDtmmmtmmmmmDSDDDsincos（关键参数）已求出（已知条件）第2节定向造斜工具及轨迹控制造斜：由垂直井段开始钻出一定方位的斜井段的工艺过程。造斜点：开始造斜时的深度。垂直井段开始倾斜的起点。造斜工具：井底动力钻具造斜工具；转盘钻造斜工具。一、井底动力钻具造斜工具动力钻具（井下马达）：涡轮钻具、螺杆钻具、电动钻具。工作特点：在钻进过程中，动力钻具外壳和钻柱不旋转，有利于定向造斜。１、动力钻具造斜工具的种类三种：弯接头、弯外壳、偏心垫块。（1）弯接头造斜原理：•迫使钻头倾斜，造成对井底的不对称切削；•井壁迫使弯曲部分伸直，钻柱弹性力使钻头产生侧向切削•弯角越大，造斜率越大；一般为0.5~2.5度；•弯曲点以上的钻柱刚度越大，造斜率越大；•弯点至钻头的距离越小且重量越小，造斜率越大；•钻速越小，造斜率越高。（2）弯外壳马达（原理与弯接头类似）（3）偏心垫块杠杆原理，垫块作为支点。二、转盘钻造斜工具变向器、射流钻头和扶正器组合。1、变向器结构及原理如图：•早期造斜工具•现在仅用于套管内开窗侧钻，或不适宜用动力钻具的井内。2、射流钻头钻头上安装1个大喷嘴，2个小喷嘴，大喷嘴射流冲击出斜井眼。3、扶正器钻具组合仅用于有一定斜度的井眼内进行增斜、降斜和稳斜。（1）增斜组合（杠杆原理）•分为强、中、弱三种增斜组合•钻压越大，造斜能力越大；越长，增斜能力越小。•近钻头扶正器直径减小，增斜能力也减小。•使用时应保持低转速。增斜钻具组合1L（2）稳斜组合（刚性满眼钻具原理）：•分为强、中、弱三种稳斜组合•使用中注意保持正常的钻压和较高的转速。•可使用双扶正器串联代替近钻头扶正器增强稳斜效果。稳斜钻具组合（3）降斜组合（钟摆原理）：•分为强、弱两种降斜组合•使用中注意保持小钻压和较低的转速。•对于强降斜组合，越长，降斜能力越强，但不能与井壁有新的接触点。1L降斜钻具组合三、定向井轨迹控制的基本方法垂直段、造斜段、增斜段、稳斜段、降斜段、扭方位等。1、垂直井段利用防斜打直技术（满眼钻具、钟摆钻具）。2、定向造斜段使用动力钻具造斜工具造斜，套管开窗侧钻用变向器，造斜段长度一般以井斜角达到8~10度为准。3、增斜井段一般用动力钻具定向造斜到一定角度（8~10度）后，换用转盘钻利用增斜钻具组合继续增斜。4、稳斜井段尽可能使用转盘钻扶正器钻具组合进行控制。5、扭方位井段转盘钻扶正器组合不能控制井斜方位，必须利用动力钻具造斜工具扭方位。四、扭方位的计算装置角的计算动力钻具反扭角的计算定向方位角的计算。1、装置角的概念OA线称为“高边方向线”，C点是钻头中心，OC线称为“装置方位线”。以高边方向线为始边，顺时针旋转到装置方向线所转过的角度，称为“造斜工具装置角”。用w表示。工具面：造斜工具作用方向线与钻柱轴线构成的平面（弯接头的两条交叉轴线所在的平面）。装置角也称工具面角。井斜铅锤面：过井斜方位线的铅锤面。高边方向线：井底平面上自井眼低边指向井眼高边的方向线。装置方位角：装置角与井斜方位角之和。以表示。•是装置角的两种不同表现形式，称为高边模式工具面角，称为正北（磁北）模式工具面角。•是井底平面（斜面）上的角度，不易测量。•是水平面上的角度，可以测量，用于定向。•在0~360度内变化，顺时针为“+”，逆时针为“-”wwww,ww,2、装置角与井斜角、方位角的关系（1）基本关系：cmKDw/30cossinsincoscoscoscossinsincoscoscos2121112（2）w对的影响,,),cos(cos,01212w,),cos(cos,1801212w,,coscoscos,901212w121tan/)2/tan(cos,w，已知360270,270180,18090,900、装置角的计算已知条件：目前井斜角，方位角；欲达井斜角，方位角；工具造斜率。求解内容：造斜工具装置角w,所要钻进井段的长度。（1）解析法1122cKmDKDwm/30)sin/(sin)coscos(coscoscossinsincoscoscos1212121注意：求w时反余弦的定义域为0~180度。设,cosCw-arccosCw0,;arccos,0当当Cw上述三个公式中，共有7个参数：显然若已知其中四个就可以求另外三个，可根据扭方位的