定向井井身剖面设计

1第2章定向井井身剖面设计第一节轨道设计概述一、设计条件：一般要给定的有：目标点垂深、水平位移、设计方位角等；给定进入目标的要求(例如：目标点或目标段的井斜角)。二、设计内容：根据设计条件，设计出合适的轨道。三、轨道设计的关键：造斜点选择，增斜率和降斜率的选择（需要经验）；轨道关键参数的求得（需要先进的计算公式）。四、轨道自由度及轨道约束方程1、自由度（DOF）的概念将起点位置及方向均给定的轨道或曲线段形状完全固定需要确定的独立自由变量个数称为轨道或曲线段的自由度。2、起点给定时各种曲线段的自由度直线段的自由度为1；二维圆弧段的自由度为2；三维圆弧段的自由度为3。3、轨道自由度为组成轨道的所有曲线段自由度之和，如：三段式轨道的自由度为4；五段式轨道的自由度为7；双增式轨道的自由度为7。4、目标点的约束条件称为轨道约束方程，如：三段式轨道的约束方程数为2；五段式轨道的约束方程数为3；双增式轨道的约束方程数为3。5、轨道设计时需要补充确定的参数个数为轨道自由度和轨道约束方程数之差，如：三段式轨道需要补充确定的参数个数为4-2=2；2五段式轨道需要补充确定的参数个数为7-3=4；双增式轨道需要补充确定的参数个数为7-3=4。五、轨道设计的一般步骤根据轨道约束方程数和需要指定的参数之和等于轨道自由度的原则选择轨道形状；确定需要指定的参数大小（如造斜点、增斜率、降斜率等）；建立轨道约束方程组，推导关键参数计算公式；井身参数计算及轨迹绘图。第二节二维常规轨道设计一、一般会给定的条件目标点的垂深Ht、水平长度St（井口可移动时相当于没给定）、井斜角αt（单靶时无要求）及设计方位角θ0；造斜点井深Ha及造斜点处的井斜角αa；造斜半径R1和R2；一般情况下，造斜点以上设计成垂直井段，αa=0；如果使用斜井钻机，则αa≠0，可根据给定的Ha和αa计算出Sa。aaaHStan二、轨道形状选择凡无特殊要求的单靶定向井，均选择三段式轨道；井口可以移动的多靶定向井，可选多靶三段式轨道；井口不可移动的多靶定向井，需按如下计算结果进行判断选择：eeeeeebSRRSHH2221tan2aateRHHHsin1aateRSSScos11RRe若tb，则选五段式轨道；若tb，则选双增式轨道；3若tb，则选多靶三段式轨道三、多靶三段式轨道设计1、已知条件目标点的垂深Ht、井斜角αt及设计方位角θ0；造斜点井深Ha及造斜点处的井斜角αa；造斜半径R1；2、建立约束方程ttwataHLRHcossinsin1双双增增式式轨轨道道五段式轨道三段式轨道多多靶靶三三段段式式轨轨道道43、求出关键参数LwtatatwRHHLcossinsin14、各节点参数计算（将节点以上各段增量累加即可得到各节点参数）直线段增量公式下下sincos二维圆弧段增量公式下上上下上下coscos)sin(sin)(RSRHRL（增斜段取正，降斜段为负）5、分点参数计算二维圆弧段jajLLLRLjaj/)sin(sinajajRHH)cos(cosjaajRSS0cosjjSN5ab0sinjjSE（增斜R取正，降斜R为负）二维直线段jajLLLajajajLHHcos0cosjjSN0sinjjSE四、双增式轨道设计1、已知条件Ht、St、αt及θ0；Ha、αa及R1和R2；Ldt2、建立约束方程组ttdttbbwbaattdtbtbwabaSLRLRSHLRLRHsincoscossincoscoscossinsincossinsin21213、求关键参数αb和LwOSO1O2αaHtR1HaStR2αbαtHabtdcf6212121sincoscoscossinsinRRRLRRSSSLRRHHHetdttaatetdttaateebwbeebwbeSLRHLRcoscoscossin222222arctanarctaneeeweeeeeebRSHLHSRSHR以上公式同样适用于三段式和五段式轨道：对于三段式轨道：R2=0；Ldt=0；对于五段式轨道：R2为负值（因为第二段为降斜段）。二维常规轨道设计课后作业：2-1某定向井设计条件：Ht=1418m，St=930m，Ha=190m，αa=0，K1=3°/30m，试设计该井轨道。2-2给定条件：Ht=3230m，St=1970m，αt=17.50，Ha=270m，αa=0，R1=810m，R2=1580m，靶前稳斜段长482m，试设计该井轨道。要求：先根据轨道自由度和约束条件选择轨道形式，然后根据有关公式进行设计，设计结果按下表形式给出。井段项目第1段…第n段井深(m)井斜角(°)垂深(m)水平长度(m)第三节微曲稳斜轨道设计一、用途：7常规轨道在增斜到稳斜角之后，有一段稳斜井段。如果稳斜井段较短，则不会有太大问题。如果稳斜井段很长，在钻进过程中，往往出现“稳不住”的情况。解决“稳不住”的问题，有两种方法：使用常规稳斜钻具组合，往往出现降斜。这时可以将轨道设计成“微降稳斜轨道”；设计成“微增稳斜轨道”，在钻进时采用微增钻具组合。微增组合的刚度比稳斜组合的刚度要小，有利于钻柱起下，有利于防止卡钻事故。“微降稳斜轨道”和“微增稳斜轨道”，都属于“微曲稳斜轨道”。二、一般会给定的条件目标点的垂深Ht、水平长度St（井口可移动时相当于没给定）、井斜角αt（单靶时无要求）及设计方位角θ0；造斜点井深Ha及造斜点处的井斜角αa；造斜半径R1、R2和微曲段半径Rw；一般情况下，造斜点以上设计成垂直井段，αa=0；如果使用斜井钻机，则αa≠0，可根据给定的Ha和αa计算出Sa。aaaHStan三、轨道形状选择凡无特殊要求的单靶定向井，均选择三段式微曲稳斜轨道；井口可以移动的多靶定向井，可选多靶三段式微曲稳斜轨道；井口不可移动的多靶定向井，需按如下计算结果进行判断选择：aateRHHHsin1aateRSSScos1eeeeweewbHSSHRRSHRRRtan22sin221222111若tb，则选五段式微曲稳斜轨道；若tb，则选双增式微曲稳斜轨道；若tb，则选多靶三段式微曲稳斜轨道。四、多靶三段式微曲稳斜轨道设计8aHaSHHtatdR1RwbtbSt1、已知条件目标点的垂深Ht、井斜角αt及设计方位角θ0；造斜点井深Ha及造斜点处的井斜角αa；造斜半径R1和微曲段半径Rw。2、建立约束方程tbtwabaHRRHsinsinsinsin13、求出关键参数αb111sinsinsinRRRRHHwtwaatb4、各节点参数计算和分点参数计算同二维常规轨道设计。五、双增式微曲稳斜轨道设计1、已知条件Ht,St,αt及θ0；Ha,αa,R1,R2及Rw；Ldt2、建立约束方程组ttdttccbwbaattdtctbcwabaSLRRRSHLRRRHsincoscoscoscoscoscoscossinsinsinsinsinsin212193、求关键参数αb和αctdttaatetdttaateLRRSSSLRRHHHsincoscoscossinsin2121ecwbwecwbwSRRRRHRRRRcoscossinsin212121222221122122212212cosarctan2sinRRRRSHRRRRHSSHRRSHRRRRwweewwbceeeeweewwb对于三段式微曲稳斜轨道：R2=0；Ldt=0；对于五段式微曲稳斜轨道：R2为负值（因为第二段为降斜段）。[例2-1]：某定向井设计条件：Ht=1418m，St=930m，Ha=190m，αa=0，K1=3°/30m，Kw=0.3°/30m，试设计该井轨道。1、分析：该井Ht和St是给定的，t没给定，说明是一口单靶定向井，Kw=0.3°/30m说明该井为微曲稳鞋轨道，因此，该井应采用三段式微曲稳斜轨道。三段式微曲稳斜轨道的自由度为5，例题中已经给定的约束条件也是5，其中，OSO1O2αaHtR1HaStR2αbαtHabtdcf10Ht=1418m和St=930m是轨道约束方程条件，Ha=190m、K1=3°/30m和Kw=0.3°/30m是附加约束条件，αa=0是轨道起点条件，不是约束。由于轨道约束数和自由度数相等，因此轨道形状可以确定。2、求解：（1）求取轨道关键参数αb和αt)(04.357sincoscos)(1228cossinsin2121mLRRSSSmLRRHHHtdttaatetdttaate00)(578.57293.0/30180)(9578.5723/3018021dtwLRmRmR)(71.48)(85.02cos)(63.36)(6393.0arctan2sin2122222112212221221radRRRRSHRRRRradHSSHRRSHRRRRwweewwbteeeeweewwb（2）求各节点参数0tan)(1900)(190cos/aaaaaaaaHSmHmHL)(17.113coscos)(87.531)sin(sin)(63.36)(33.556)(111mRSSmRHHmRLLbaabababbabab)(930coscos)(1418)sin(sin)(71.48)(73.1763)(mRSSmRHHmRLLcbwbtbcwbttbcwbt井段项目oaabbt井深(m)0~190556.331763.7311井斜角(°)00~36.6348.71垂深(m)0~190531.871418水平长度(m)0113.17930微曲稳斜轨道设计课后作业：2-3已知：Ht=3230m，St=1970m，αt=17.50，Ha=270m，αa=0，R1=810m，R2=1580m，Rw=5800m，靶前稳斜段长482m，试设计该井轨道。要求：先根据轨道自由度和约束条件选择轨道形式，然后根据有关公式进行设计，设计结果按下表形式给出。井段项目第1段…第n段井深(m)井斜角(°)垂深(m)水平长度(m)第四节待钻轨道设计一、问题的提出在定向井轨道控制过程中，由于各种因素的影响，常常会使实钻轨迹与设计轨道间出现偏差，若这种偏差较小，不影响中靶，可继续钻进，否则就需要进行待钻轨道设计。由于实钻轨迹井底的井斜方位线与目标点所在的设计方位线通常不会重合，因此待钻轨道设计属于三维轨道设计。二、一般会给定的条件当前井底的所有参数，包括垂深Ho、水平长度So、N坐标No、E坐标Eo、井斜角αo及方位角φo等；目标点的垂深Ht、N坐标Nt和E坐标Et；各造斜段的半径R1、R2等；12根据中靶要求不同，