02-定向井井眼轨迹设计解析

第二节定向井井眼轨迹设计定向井是指按照预先设计的井斜方位和井眼的轴线形状进行钻进的井；定向井是相对于直井而言，而且是以设计的井眼轴线形状为根据；直井的井斜角为零度，没有井斜方位角；尽管实钻的直井都有一定的井斜角，有的井斜角甚至很大，但仍然属于直井.一、定向井的基本概念井眼曲线的表示方法：1.三维坐标图示法2.投影图法(适于二维设计)垂直投影图与水平投影图NOO3.柱面图法垂直剖面（井斜平面）与水平平面：实钻井眼是一条空间曲线，设想经过这条曲线上的每一个点作一条铅垂线，所有这些铅垂线构成一个曲面。曲面与水平面的交线即为该井的水平投影图。将曲面展开即为垂直剖面图一、定向井的基本概念垂直剖面上：每一点的井深与空间井眼的井深一样,每一点的井斜角与与空间井眼对应的井斜角一致。（不是直接投影）OαBαAΔαABLBLA一、定向井的基本概念水平面上：为空间井眼的水平投影ANEBA'B'OΔS一、定向井的基本概念一、定向井的基本要素NOO测点———测量仪器所在的点测段———相邻两测点的井段测深———井口至测点处的井眼实长，也称为该点的斜深，或井深，米,L.井斜角———测点处井眼方向线（切线，指前）与重力线间的夹角，度,α.一、定向井的基本概念1、定向井的基本要素NOO方位角———测点处正北方向（按顺时针旋转）至井眼方向线在水平面上的投影线间的夹角，度.方位变化率———方位角对井深的变化率，度/30米.一、定向井的基本概念1、定向井的基本要素NOO井斜变化率———井斜角对井深的变化率,度/30米.垂深———测点的垂直深度，米.一、定向井的基本概念NEABON坐标、E坐标和H坐标———测点在以井口为原点的NEHO三维坐标系里的北（N）、东（E）、垂深（H）三个坐标分量，米。水平位移———测点至井口所在的铅垂线的距离，也称该点的闭合距，米.视平移———测点水平位移在设计方位线上的投影，米.视平移与水平位移越接近，则该井井眼方位控制得越好。二、井眼曲率及其计算方法1.定义：井眼的曲率K：井眼切线的倾角对于井深的变化率dldKK表示曲线偏离直线的程度。NOr1r2L对方位不变的情况垂直平面上某井段的曲率lKHOαBαAΔαΔlR即只有井斜沿轴线的变化。也叫井斜变化率。ABKKH二、井眼曲率及其计算方法1.定义水平投影上的方位变化(叫水平投影曲率）不等于该段井眼的实际方位变化率，因该段的水平投影长度一般不等于空间实际长度。（K为空间实际井眼的方位变化率）sinKKASKANOΔlΔS二、井眼曲率及其计算方法2.空间曲线法求井眼曲率依据：根据微分几何原理，一条空间曲线的曲率K有公式222222222)()()(dlEddlNddlHdKdHdEdNL二、井眼曲率及其计算方法二、井眼曲率及其计算方法具体方法：在井轴上取一微段dl（因是微段，弦代替了弧曲线）由左图可知NAA'B'A+ddSEABHNEHAdHOdlαAsinsinsinsincossinsincoscoscosdldEdldsdsdEdldEdldNdldsdsdNdldNdldHdldHdSA'αA+dαdNdESAC将上三式再次求导并带入曲率公式化简整理得KdldKdld,222sinKKK)2(21cc以代替，(1、2)分别为上下测点井斜角对一个测段来说lKlK,cllK222sin可得井眼曲率二、井眼曲率及其计算方法二、井眼曲率及其计算方法3.鲁宾斯基导出的狗腿严重度公式假设测段是平面曲线.公式的表达形式为直接求测段的狗腿角γ。LK狗腿严重度公式：cossinsincoscoscos2121求出狗腿严重度。用上式可先求出狗腿角，再用LK注意：狗腿严重度、井眼曲率、全角变化率都是相同的意义三、定向井井身剖面设计•基本概念•井身剖面设计原则造斜点井眼曲率最大井斜角•剖面类型•设计方法主要内容：目的：选择满足要求的井身剖面类型设计剖面结构参数井身剖面：所钻井眼达到目标点的井眼路径或轨迹。井身剖面是由各种不同类型的单一形状组成的。三、定向井井身剖面设计（一）名词解释OABCDE直井段:井斜为0造斜点：开始增加井斜的位置工具造斜率：造斜工具在单位长度井眼能增加的井斜值增斜率：单位长度井眼增加的井斜值降斜率：单位长度井眼降低的井斜值三、定向井井身剖面设计（一）名词解释OABCDE造斜段（增斜段）：增加井斜的井段降斜段：降低井斜的井段稳斜段：控制井斜不变的井段靶点：设计规定的，必须钻达的地层位置，也称目标点三、定向井井身剖面设计（二）定向井井身剖面设计的原则1、保证实现钻定向井的目的根据不同的定向井钻井目的对定向井井身剖面进行合理设计例如：裂缝性油藏：横穿裂缝薄油层：大斜度或水平井低渗块状油层：多底井三、定向井井身剖面设计1、保证实现钻定向井的目的救援：目标层位、靶区半径、简单（快速、经济）新疆柯3井，井喷失控着火，几年后请美国人来钻定向救援井。我国自行设计、施工的数口成功的定向救援井：濮2—151井（中原油田）、永59井（胜利）、南2—1井（青海）。均成功地制服了井喷失控事故。三、定向井井身剖面设计落鱼侧钻：避开落鱼、一定水平位移整块油藏：按开发井网布置要求三、定向井井身剖面设计2、考虑地面条件限制地面条件是确定定向井井位和丛式井平台位置的重要依据，还需考虑交通、采油、油气集输等方面的需要。三、定向井井身剖面设计3、正确选择造斜点、井眼曲率、和最大井斜角原则：上述参数的选择应有利于采油、修井作业和钻井施工。三、定向井井身剖面设计①造斜点的选择原则：•选在比较稳定、均匀的地层尽量在软——中硬地层造斜，并考虑钻头类型•尽量在方位漂移不大的地层造斜•应考虑垂深、水平位移、与最大井斜的要求，造斜点高则水平位移大、井斜小，低则相反。三、定向井井身剖面设计②最大井斜角：15o方位不稳，45o测井、完井施工难度大、扭方位困难、扭矩大、井壁不稳一般15o－45o。三、定向井井身剖面设计③井眼曲率井眼曲率变化的影响：过小：造斜井段过长，增加轨迹控制工作量过大：造成钻具偏磨、摩阻过大、键槽、其它井下作业（如测井、固井、射孔、采油等）的困难。控制原则：定向井中应控制其最大值5o-12o/100m，最大不超过16o/100m。三、定向井井身剖面设计考虑因素：a保证井下动力钻具顺利通过的井眼曲率（动力钻具刚度较大不允许弯曲而保持直线状态）通过简单的几何分析，并作一些近似处理有曲率半径fddLRTbTT)(728.01252TRK1设计时需：三、定向井井身剖面设计b、套管允许弯曲应力对井眼曲率的限制套管尺寸较大，弯曲后最容易出现的破坏是丝扣滑脱或破坏，通过数学力学分析并考虑丝扣处应力集中得到下式:)100/(1058.114215米度cccdEKKK三、定向井井身剖面设计4、剖面设计应有利于安全、快速钻进，降低钻井成本在满足钻井目的前提下，尽量选用比较简单的剖面类型；尽量利用地层自然造斜规律；尽量利用拥有的造斜工具造斜能力；尽量使井身轨迹短，尽可能保持较长的直井段。三、定向井井身剖面设计（三）井身剖面类型的选择（1）常规二维剖面二维定向井剖面指设计井眼轴线仅在设计方位线所在铅垂平面上变化的定向井剖面。三、定向井井身剖面设计特点：造斜点较浅（可减少最大井斜角）使用范围：靶点较浅、水平位移较大时常采用。因造斜段完成后井斜角和方位角变化不大，轨迹控制容易，一般井斜角为15o-55o。OAB①直、增、稳三段制剖面最常用和最简单的井身剖面。三、定向井井身剖面设计应用范围：常用于靶点较深，水平位移较小的定向井、多目标井等。特点：难度较三段制剖面大，主要原因是有降斜段。降斜段会增大扭矩、摩阻（如小水平位移深定向井采用三段制剖面轨迹难控制）。OABCD②直、增、稳、降、稳五段制剖面三、定向井井身剖面设计（2）特殊二维剖面①多增降率剖面②缓降稳剖面解决大段稳斜稳不住而提出③双增稳剖面为了减少摩阻和解决大段稳斜稳不住而提出④悬线剖面⑤抛物线剖面O三、定向井井身剖面设计（3）三维定向井剖面三维定向井剖面指在设计的井身剖面上既有井斜角的变化又有方位角的变化。常用于在地面井口位置与设计目标点之间的铅垂平面内，存在井眼难以通过的障碍物（如：已钻的井眼、盐丘等），设计井需要绕过障碍钻达目标点。三维绕障设计纠偏三维设计O三、定向井井身剖面设计（四）定向井井身剖面的设计方法1、内容和步骤（1）掌握原始资料：地质要求，地面限制、地质剖面、地层造斜规律、工具能力，钻井技术、故障提示、井口及井底坐标；三、定向井井身剖面设计（2）确定剖面类型；（3）确定造斜点、造斜率；（4）计算最大井斜角；（5）计算剖面上各井段井斜角、方位角、垂深、水平位移、段长；（6）校核曲率,并作图(标注控制圆柱--误差范围)。关键步骤为2与3、4步。设计方法有：查图法、作图法、解析法。国内目前均用解析法。三、定向井井身剖面设计2、五段制（S型）剖面设计推导已知：造斜点井深总垂深、总水平位移增斜率、降斜率降斜后稳斜段井斜角、水平位移增量和垂深增量。求：各段垂深、水平位移、段长、井斜、方位。ABCDOABCD三、定向井井身剖面设计(6)测各段的参数OABCD2.1作图法原理（对垂直投影）(1)定造斜点。作平行线，按井斜半径画园，作造斜段。(2)定井底。定进油层段，定最下一个稳斜点。(3)按减斜半径画园，作减斜段。(4)画两园的切线，作稳斜段。(5)测最大造斜角三、定向井井身剖面设计2.2解析法关键点：①f点的建立②S0=St-Se+R2(1-cose)OabcdfmmKjO2SoHvH0L22210mmtgRtgRHSKjfjtgomhe三、定向井井身剖面设计St)cos1(sin2222020210002000200eetevemRSSSRHHHRRRSRSSRHHarctg三、定向井井身剖面设计OabcdfmmKjO2SoHvH0LheSe讨论：当时，表示剖面有稳斜段存在。当时，说明这种剖面是不存在的，就是用作图法也作不出来。这时应该修改设计条件，或改变增斜率和降斜率，或调整目标点坐标，或改变造斜点深度。总之，不能出现的情况。当时，说明该剖面没有稳斜段。三、定向井井身剖面设计02002020RSSH02002020RSSH02002020RSSH三、定向井井身剖面设计对于没有稳斜段的剖面，即时，公式可以大大简化，可选择下述四公式中的任一个。002HStgm000SRHtgm00sinRHm000cosRSRm02002020RSSH三、定向井井身剖面设计计算出最大井斜角以后，就可以进行井身计算，井身计算的内容是算出各段的垂深增量（垂增）、水平位移增量（平增）和段长。增斜段：180)cos1(sin111111mmmRLRSRH三、定向井井身剖面设计第一稳斜段：002020222222sincosSRSHLLSLHmm降斜段：)(180)cos(cos)sin(sin232323emmeemRLRSRH三、定向井井身剖面设计第二稳斜段：总井深：22))eXZXZeeXZHHSLtgHHS（（XZZLLLLHL321作方位图NE三、定向井井身剖面设计如果考虑牙轮钻头钻进时可能出现的井眼右偏的趋势（右手飘移），需将方位角提前一角度，叫超前角。NE0三、定向井井身剖面设计（四）定向井井身剖面的设计方法3、三维定向井设计（1）初设水平投影图上的曲率KA;（2）进行水平投影图设计;（3）据水平投影图上的井眼长度S、已知垂深H进行垂直剖面图设计;（4）校核井眼曲率