井眼轨道设与轨迹控制

井眼轨道设计与轨迹控制重点：1、井眼轨迹的概念；2、井斜角和井斜方位角的概念；3、井眼轨迹的表示方法；4、井眼轨迹的参数计算；5、常用的防斜与纠斜钻具组合；6、定向井轨道设计方法；7、装置角、装置方位角与反扭角的概念；8、井眼轨迹控制方法。难点：1、装置角的概念；2、定向井轨道设计方法；3、井眼轨迹控制计算。概述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垂面上的曲线。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。轨迹控制：•直井防斜打直。•特殊工艺井控制井斜和方位，使轨道与轨迹相一致。二维三维直井用途：油田开发和勘探。有井斜限制要求。定向井用途：1.地面环境条件的限制高山，湖泊，沼泽，河流，沟壑，海洋，农田或重要的建筑物等。2.地下地质条件的要求断层遮挡油藏、薄油层、倾角较大的地层钻进等。3.处理井下事故的特殊手段井下落物侧钻、打救援井等。4.提高油藏采收率的手段钻穿多套油气层、老井侧钻等。地面环境条件限制地下地质条件要求处理井下事故第一节井眼轨迹的基本概念一．轨迹的基本参数测量方法：非连续测量，间断测量；“测段”，“测点”。轨迹的三个基本参数：井深、井斜角和井斜方位角1、井深（或称为斜深、测深）井口(通常以转盘面为基准)至测点的井眼长度。以字母Dm表示，单位为米(m)。井深增量（井段）：下测点井深与上测点井深之差。以ΔDm表示。2.井斜角(α)：指井眼方向线与重力线之间的夹角。单位为度(°)。井眼方向线：过井眼轴线上某测点作井眼轴线的切线，该切线向井眼前进方向延伸的部分称为井眼方向线。井斜角增量(Δα)：下测点井斜角与上测点井斜角之差。Δα＝αB－αA3.井斜方位角φ（井眼方位角、方位角）：在水平投影图上，以正北方位线为始边，顺时针方向旋转到井眼方位线上所转过的角度。井眼方位线（井斜方位线）：某测点处的井眼方向线在水平面上的投影。井斜方位角增量Δφ：上下测点的井斜方位角之差。Δφ＝φB－φA井斜方位角的变化范围：0～360°。3.井斜方位角φ：井斜方位角的另一种表示方式：象限角：指井斜方位线与正北方位线或与正南方位线之间的夹角。象限角的变化范围：0～90之间。磁偏角：磁北方位与正北方位之间的夹角。磁偏角校正：真方位角＝磁方位角＋东磁偏角真方位角＝磁方位角－西磁偏角二．轨迹的计算参数由基本参数计算得到的参数。1.垂直深度Ｄ（垂深）：轨迹上某点至井口所在水平面的距离。垂深增量称为垂增（ΔＤ）。2.水平投影长度Lp（水平长度、平长）：井眼轨迹上某点至井口的长度在水平面上的投影，即井深在水平面上的投影长度。水平长度的增量称为平增（ΔL）。3.水平位移Ｓ（平移）：轨迹上某点至井口所在铅垂线的距离（或：在水平投影面上，轨迹上某点至井口的距离）。平移方位线：在水平投影面上，井口至轨迹上某点的连线。国外将水平位移称作闭合距。我国将完钻时的水平位移称为闭合距。4.平移方位角θ：平移方位线所在的方位角。国外，将平移方位角称作闭合方位角。国内，指完钻时的平移方位角为闭合方位角。5.Ｎ坐标和Ｅ坐标：南北坐标轴，以正北方向为正；东西坐标轴，以正东方向为正。6.视平移Ｖ：水平位移在设计方位线上的投影长度。7.井眼曲率K（“狗腿严重度”、“全角变化率”）：指井眼轨迹曲线的曲率。平均曲率：Kc=30γ/ΔDm“狗腿角”或“全角变化”（γ）：上、下二测点的两条方向线之间的夹角(空间夹角)。狗腿角的计算：(1)Lubinski公式：cosγ=cosαA·cosαB+sinαA·sinαB·cos(φB-φA)钻井行业标准计算公式：γ=(Δα2+Δφ2·sin2αc)0.5αc=(αA+αB)/2γ——该测段的狗腿角，(°)；Ｋc——该测段的平均井眼曲率，(°)/30m；αc——该测段的平均井斜角，（°）。三．井眼轨迹的图示法对一条空间曲线可以有不同的表示方法。(一)三维坐标法：(二)投影图示法：垂直投影图+水平投影图不能反映出真实的井深和井斜角。(三)柱面图示法：垂直剖面图（柱面展开图）+水平投影图柱面：设想经过井眼轨迹上每一个点作一条铅垂线，所有这些铅垂线构成的曲面称为柱面。将柱面展平，就形成了垂直剖面图。可以反映出真实的井身参数，如：井深、井斜角、垂深；作图简便。１．水平投影图投影面：水平面坐标系：以井口为原点、Ｎ坐标轴、Ｅ坐标轴。表达的参数：Ｎ坐标值、Ｅ坐标值、水平位移S、水平长度Lp、闭合距、井斜方位角φ、平移方位角θ、闭合方位角。２．垂直投影图投影面：过设计方位线的铅垂面，即井口和目标点所在的铅垂面。坐标系：原点（井口）、横坐标（视平移）、纵坐标（垂深）表达的参数：垂深D、视平移V、井斜的增减趋势。3．垂直剖面图垂直剖面：过井眼轴线上各点垂线组成的柱面展开图。坐标系：原点（井口）、横坐标（水平长度）、纵坐标（垂深）表达的参数：垂深D、水平长度Lp、井深Dm、井斜角α。第二节轨迹测量及计算目的：掌握井眼轨迹参数的测量、计算、轨迹绘图方法一、测斜方法及测斜仪简介(一)测斜仪分类按工作方式分：单点式、多点式、随钻测量（有线、无线）。按工作原理分：磁性测斜仪（罗盘）、陀螺测斜仪（高速陀螺空间指向恒定）。(二)测量内容井深Dm、井斜角α、方位角φ。(三)磁性测斜仪的工作原理仪器内主要由井斜刻度盘、罗盘、十字摆锤、照明和照相系统组成。罗盘的S极始终指北。1.井斜角的测量当测斜仪随井眼倾斜时，十字摆锤始终指向重力线方向，重力线与仪器轴线的夹角即为井斜角。由摆锤在井斜刻度盘底片上的位置读取。2.井斜方位角的测量摆锤所在铅垂线与仪器轴线（井眼方向线）构成井斜铅垂面，该井斜铅垂面与水平面的交线就是井斜方位线。摆锤在罗盘面上的投影位置所在的放射线与罗盘N极之间的夹角即为井斜方位角。（注意：在井下,罗盘标志方位与实际地理方位相反。）3.井深测量：根据电缆长度或钻柱长度。二．对测斜计算数据的规定(一)测点编号：测斜自下而上，测点编号自上而下。第一个井斜角不等于零的测点作为第一测点。(二)测段编号：自上而下编号。第i-1个点与第i点之间所夹的测段为第i测段。(三)第０测点：第１测点的井深大于25m时，第０测点的井深比第１测点的井深小25m，且井斜角规定为零。第１测点的井深小于或等于25m时，规定第０测点的井深和井斜角均为零。(四)若αi=0则计算第i测段时，φi=φi-1；计算第i+1测段时，φi=φi+1。(五)在一个测段内井斜方位角变化的绝对值不得超过180°。φi-φi-1180°时，Δφi=φi-φi-1-360°φc=(φi+φi-1)/2-180°φi-φi-1-180°时，Δφi=φi-φi-1+360°φc=(φi+φi-1)/2+180°三．轨迹计算方法(一)计算顺序：计算的目的是算出每个测点的坐标值。从第１个测段开始，逐段向下进行；算出每个测段的坐标增量；累加求得测点的坐标值。第0测点的坐标值，D0=Dm0,Lp0=0,N0=0,E0=0。(二)计算内容：测点：五个直角坐标值(D,Lp,N,E,V)，两个极坐标值(S,θ)。测段：四个坐标增量(ΔD，ΔLp，ΔN，ΔE)，井眼曲率Ｋc(三)计算方法的多样性要计算测段的四个坐标增量，就必须知道测段的几何形状。而测斜只能测上下两点的参数，测段形状未知。计算时只能假设测段形状，假设不同，计算方法不同。国内外测段计算方法正切法假设井段为直线，其方向与下测点方向一致平衡正切法假设井段为两段等长度的折线，其方向分别与上、下测点方向一致平均角法假设井段为直线，其方向为上、下测点方向的“和方向”圆柱螺线法假设测段为圆柱螺线，螺线在两端点处与上、下两测点方向相切最小曲率法假设测段为平面圆弧，圆弧在两端点处与上、下两测点方向相切(四)计算方法1.平均角法：假设测段是一条直线；该直线的方向是上下二测点处井眼方向的“和方向”（矢量和）。测段计算公式：ΔD=ΔDm·cosαcΔLp=ΔDm·sinαcΔN=ΔDm·sinαc·cosφcΔE=ΔDm·sinαc·sinφcαc=（αi-1+αi）/2φc=（φi-1+φi）/22.圆柱螺线法假设测段形状为一条等变螺旋角的圆柱螺线；其两端与上下两测点处井眼方向向切。在水平投影图上是圆弧。在垂直剖面图上也是圆弧。测段计算公式：ΔD=[2ΔDm·sin(Δα/2)·cosαc]/ΔαΔLp=[2ΔDm·sin(Δα/2)·sinαc]/ΔαΔN=[4ΔDm·sin(Δα/2)·sinαc·sin(Δφ/2)·cosφc]/(Δα·Δφ)ΔE=[4ΔDm·sin(Δα/2)·sinαc·sin(Δφ/2)·sinφc]/(Δα·Δφ)注意：公式中的Δα和Δφ的单位，求三角函数时用度，其它情况下用弧度。3.曲率半径法美国人也曾提出了以圆柱螺旋线为模型的测段参数计算方法，称之为曲率半径法。其计算结果与圆柱螺旋线法相同。只是计算公式的表达形式不同。曲率半径法测段计算公式：ΔD=ΔDm(sinαi-sinαi-1)/ΔαΔLp=ΔDm(cosαi-1-cosαi)/ΔαΔN=ΔDm(cosαi-1-cosαi)(sinφi-sinφi-1)/(Δα·Δφ)ΔE=ΔDm(cosαi-1-cosαi)(cosφi-1-cosφi)/(Δα·Δφ)注意：圆柱螺旋线法和曲率半径法的公式，在分母位置上都有Δα和Δφ（单位为弧度）。这两个增量中任一个或同时为零时，都需要另选公式计算。为解决这一问题，提出了校正平均角法。4.校正平均角法我国钻井行业标准规定使用的方法（校正平均角法）：测段计算公式：ΔD=fD·ΔDm·cosαcΔLp=fD·ΔDm·sinαcΔN=fH·ΔDm·sinαc·cosφcΔE=fH·ΔDm·sinαc·sinφc其中：fD=1-Δα2/24fH=1-(Δα2+Δφ2)/24注意：以上二式中的Δα和Δφ的单位为弧度。测段计算公式与平均角法公式的形式相似，只是在平均角法公式的基础上乘以校正系数fD和fH，因而称之为校正平均角法。关于校正平均角法的推导：在曲率半径法的基础上，进行三角变换：ciiiiiiciiiiiisinsin2sinsin2coscoscossin2cossin2sinsin221211221211将三角函数用幂级数表示：!552!33222sin4832248322sinsin取将以上几式代入曲率半径法公式，即可得到校正平均角法的计算表达式：ccmccmcmpcmDEDNDLDDsinsin)1(cossin)1(sin)1(cos)1(24222422242242第三节直井防斜技术井斜的危害：1、在地质勘探方面：造成地质资料失真；打乱合理的地下井网和开发方案。2、在钻井施工方面：恶化钻柱工作条件；易造成井壁坍塌和卡钻；易造成固井下套管困难和注水泥窜槽；纠斜侧钻增加成本。3、在开发采油方面：影响分层开采；影响修井工作；影响采收率（死油区）。一．井斜的原因地质因素，钻具因素。(一)地质因素地层倾斜和地层可钻性不均匀性两个方面。1.地层可钻性的各向异性因素沉积岩特性：垂直层面方向的可钻性高，平行层面方向的可钻性低。钻头总是有向着容易钻进的方向前进的趋势。地层倾角小于45°时，钻头偏向垂直地层层面的方向。地层倾角超过60°时，钻头沿着平行地层层面方向下滑，地层倾角在45°～60°之间时，井斜方向属不稳定状态。2.地层可钻性的纵向变化地层倾斜且软硬交错，钻头偏向垂直地层层面方向。软地层硬地层硬地层软地层3.地层可钻性的横向变化垂直于钻头轴线方向上可钻性的变化。如：在钻头的一侧下面钻遇溶洞