1、1第五章第五章 井眼轨道设计与控制井眼轨道设计与控制第一节第一节 井眼轨迹的基本概念井眼轨迹的基本概念第二节第二节 轨迹测量及计算轨迹测量及计算第三节第三节 定向井井眼轨道设计定向井井眼轨道设计第四节第四节 直井防斜技术直井防斜技术2 一、一、基本概念基本概念(一一)井眼轨迹的基本要素井眼轨迹的基本要素z井深井深z井斜角井斜角z井斜井斜方位角方位角z磁偏角磁偏角z垂垂深深z平长平长z水平位移水平位移z平移方位角平移方位角z N坐标和坐标和E坐标坐标z井眼曲率井眼曲率z全角变化率全角变化率3基本要素z油气井：油气井：以勘探开发以勘探开发石油和天然气为目的，石油和天然气为目的，在地层中钻出的具有在
2、地层中钻出的具有一定深度的圆柱形孔一定深度的圆柱形孔眼。眼。z井眼轴线井眼轴线:井眼中心线。井眼中心线。z井眼轨道井眼轨道:表示井眼轴表示井眼轴线形状的图形。线形状的图形。4基本要素 假设井眼轨迹是一条空间曲线，则假设井眼轨迹是一条空间曲线，则可以用空间直角坐标系来描述。选可以用空间直角坐标系来描述。选取笛卡尔坐标系取笛卡尔坐标系。原点。原点选在井口处；选在井口处；轴指向正北轴指向正北,单位矢单位矢量为量为；轴指向正东，单位矢量轴指向正东，单位矢量为为；轴垂直向下，单位；轴垂直向下，单位矢量为矢量为。oN(i)E(j)D(k)rotnbADmkjirDENo5(一一)井眼轨迹的基本要素井眼轨迹
3、的基本要素测量方法：非连续测量，间断测量。测量方法：非连续测量，间断测量。“测段测段”，“测点测点”。井井深、井斜角和井斜方位角深、井斜角和井斜方位角-轨迹的三个基本参数。轨迹的三个基本参数。(1)(1)井深井深（或称为斜深、测深）（或称为斜深、测深）井口井口(通常以转盘面为基准通常以转盘面为基准)至测点的井眼长度。至测点的井眼长度。以字母以字母D Dm m表示，单位为米表示，单位为米(m)(m)。井深增量（井段）：井深增量（井段）：下测点井深与上测点井深之差。以下测点井深与上测点井深之差。以DDm m表示。表示。6(2)(2)井斜角井斜角()()：井斜角增量井斜角增量()：下测点井斜角与上测
4、点下测点井斜角与上测点井斜角井斜角之差。之差。B BA A 指井眼方向线与重力线之间的夹角。单位为度指井眼方向线与重力线之间的夹角。单位为度()。井眼方向线：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。前进方向延伸的部分称为井眼方向线。7(3)(3)井斜方位角井斜方位角井眼方位线（井斜方位线）：井眼方位线（井斜方位线）：某测点处的井眼方向线某测点处的井眼方向线在水平面上的投影。在水平面上的投影。井斜方位角增量井斜方位角增量 ：上下测点的井斜方位角之差。：上下测点的井斜方位角之差。B BA A 在水
5、平投影图上，以正北方位线为始边，顺时针方向旋转到井眼在水平投影图上，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。方位线上所转过的角度。井斜方位角的变化范围井斜方位角的变化范围：0 0360360。8(3)(3)井斜方位角井斜方位角：象限角：象限角：指井斜方位线与正北方位线或指井斜方位线与正北方位线或与正南方位线之间的夹角。与正南方位线之间的夹角。井斜方位角的另一种表示方式井斜方位角的另一种表示方式-象限角：象限角：磁偏角校正磁偏角校正：真方位角磁方位角东磁偏角真方位角磁方位角东磁偏角 真方位角磁方位角西磁偏角真方位角磁方位角西磁偏角象限角的变化范围：象限角的变化范围：0 09
6、090之间。之间。磁偏角磁偏角：磁北方位与正北方位之间磁北方位与正北方位之间的夹角。的夹角。西磁偏角西磁偏角东磁偏角东磁偏角9二轨迹的计算参数二轨迹的计算参数(3)(3)水平位移（平移）水平位移（平移）：轨迹上某点至井口所在铅垂线的距离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）。（或：在水平投影面上，轨迹上某点至井口的距离）。平移方位线：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。国外将水平位移称将水平位移称闭合距闭合距。我国将完钻时的水平位移称为我国将完钻时的水平位移称为闭合距闭合距。由基本参数计算得到的
7、参数。由基本参数计算得到的参数。(1)(1)垂直深度（垂深）：垂直深度（垂深）：轨迹上某点至井口所在水平面的距离。轨迹上某点至井口所在水平面的距离。垂深增量称为垂增垂深增量称为垂增()。(2)(2)水平投影长度水平投影长度L Lp p（水平长度、平长）：（水平长度、平长）：井眼轨迹上某点至井口的井眼轨迹上某点至井口的长度长度在水平面上的投影，即井深在在水平面上的投影，即井深在水平面上的投影长度。水平面上的投影长度。水平长度的增量称为平增（水平长度的增量称为平增（LL）。）。10(4)(4)平移方位角平移方位角：平移方平移方位线所在的方位角。位线所在的方位角。国外，将平移方位角称作国外，将平移方
8、位角称作闭合方位角。闭合方位角。国内，指完钻时的平移方国内，指完钻时的平移方位角为位角为闭合方位角闭合方位角。(5)(5)坐标和坐标：坐标和坐标：南北坐南北坐标轴，以正北方向为正；标轴，以正北方向为正；东西坐标轴，以正东方向为正。东西坐标轴，以正东方向为正。(6)(6)视平移：视平移：水平位移在水平位移在设计方位线设计方位线上的投上的投影长度。影长度。11(7)(7)井眼曲率井眼曲率K K（“狗腿严重度狗腿严重度”、“全角变化率全角变化率”）：）：狗腿角的计算：狗腿角的计算：LubinskiLubinski公式：公式：cos=cosAcosB+sinAsinBcos(B-A)指井眼轨迹曲线的曲
9、率。指井眼轨迹曲线的曲率。平均曲率平均曲率:K Kc c=30/Dm=30/Dm“狗腿角狗腿角”或或“全角变化全角变化”（）：）：上、下二测点的两条方向线之间的夹角上、下二测点的两条方向线之间的夹角(空间夹角空间夹角)。我国钻井行业标准计算公式：我国钻井行业标准计算公式：=(=(2 2+2 2sinsin2 2c c)0.50.5 c c=(=(A A+B B)/2)/2 该测段的狗腿角，该测段的狗腿角，()；c c该测段的平均井眼曲率，该测段的平均井眼曲率，()/30m)/30m；c c该测段的平均井斜角，（该测段的平均井斜角，（）。）。1213靶点靶点VA设计方位线设计方位线14（二）轨迹
10、图示法（二）轨迹图示法、水平投影图、水平投影图投影面：投影面：水平面水平面 坐标系：坐标系：以井口为原点、坐标轴、坐标轴；以井口为原点、坐标轴、坐标轴；表达的参数：表达的参数：坐标值、坐标值、水平位移坐标值、坐标值、水平位移S S、水平长度水平长度L Lp p、井斜方位角、井斜方位角、平移方位角平移方位角、垂直投影图、垂直投影图投影面：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；过设计方位线的铅垂面，即井口和目标点所在的铅垂面；表达的参数：表达的参数：垂深垂深D D、视平移、视平移V V、井斜的增减趋势；、井斜的增减趋势；坐标系：坐标系：原点原点(井口井口)、横坐标、横坐标(视平
11、移视平移)、纵坐标、纵坐标(垂深垂深)。153 3、垂直剖面图垂直剖面图垂直剖面：垂直剖面：过井眼轴线上各点垂线组成的柱面展开图；过井眼轴线上各点垂线组成的柱面展开图；坐标系：坐标系：原点原点(井口井口)、横坐标、横坐标(水平长度水平长度)、纵坐标、纵坐标(垂深垂深)；表达的参数：表达的参数：垂深垂深D D、水平长度、水平长度L Lp p、井深、井深D Dm m、井斜角、井斜角 。16垂直投影图与水平投影图垂直投影图与水平投影图17垂直剖面图与水平投影图垂直剖面图与水平投影图18z 井身剖面由井身剖面由直井段、造斜段、稳直井段、造斜段、稳斜段、增斜段、降斜段斜段、增斜段、降斜段和和水平段水平段
12、组合而成。组合而成。z 直井段直井段:设计井斜角为零度的井设计井斜角为零度的井段。段。z 造斜点（造斜点（）:开始定向造开始定向造斜的位置称为造斜点。通常以该斜的位置称为造斜点。通常以该点的井深来表示。点的井深来表示。z 造斜率（造斜率（）:造斜工具的造斜造斜工具的造斜能力能力,即该造斜工具所钻出的井即该造斜工具所钻出的井段的井眼曲率。段的井眼曲率。z 造造(增增)斜段斜段:井斜角随井深增加井斜角随井深增加的井段。的井段。z 稳斜段稳斜段:井斜角保持不变的井段。井斜角保持不变的井段。z 降斜段降斜段:井斜角随着井深的增加井斜角随着井深的增加而减小的井段而减小的井段。z 水平段：水平段：井斜角大
13、于井斜角大于8686度的井段。度的井段。直井段造斜点造斜段增斜段水平段直井段降斜段稳斜段 一、一、基本概念基本概念(三三)井身剖面及精度控制井身剖面及精度控制amax19井身剖面及精度控制z 目标点目标点:设计规定的、必须钻达的地层位置，称为目标点。设计规定的、必须钻达的地层位置，称为目标点。通常以地面井口为坐标原点的空间坐标系的坐标值来表示。通常以地面井口为坐标原点的空间坐标系的坐标值来表示。z 靶区及靶区半径（靶区及靶区半径（）:包含目标点在内的一个区域称为包含目标点在内的一个区域称为靶区。在一般油气井中，靶区半径为允许实钻井眼轨迹偏靶区。在一般油气井中，靶区半径为允许实钻井眼轨迹偏离设计
14、目标点的水平距离离设计目标点的水平距离,靶区为在目标点所在的水平面靶区为在目标点所在的水平面上上,以目标点为圆心以目标点为圆心,以靶区半径为半径的一个圆面积。以靶区半径为半径的一个圆面积。z 安全控制圆锥（柱）安全控制圆锥（柱）:以设计井眼轴线为中心以设计井眼轴线为中心,所限定的圆所限定的圆锥（柱）空间。锥（柱）空间。z 靶心距（靶心距（）:在靶区平面上在靶区平面上,实钻井眼轴线与目标点之实钻井眼轴线与目标点之间的距离。间的距离。z 误差椭球误差椭球:由测量和计算误差引起的井底位置不确定性所由测量和计算误差引起的井底位置不确定性所构成的以井底为中心的椭球体。构成的以井底为中心的椭球体。20目标
15、点和误差椭球 o设计井眼设计井眼实钻井眼实钻井眼目标点目标点误差椭球误差椭球油层油层靶心距靶心距21直井和定向井的靶区和控制圆锥直井和定向井的靶区和控制圆锥 靶区靶区靶区半径靶区半径控制圆锥控制圆锥井口井口油层油层22二二、各参数之间的数学关系、各参数之间的数学关系(一一)基本参数基本参数 在石油工程中，井眼轨道参数是通过在石油工程中，井眼轨道参数是通过下入井眼内的下入井眼内的测斜仪器测斜仪器测出的，它测出测出的，它测出的是一系列离散井深点所对应的的是一系列离散井深点所对应的和和，通过它们可以确定出其它参，通过它们可以确定出其它参数，所以将它们称为基本参数。数，所以将它们称为基本参数。(二二)
16、坐标参数坐标参数 用于描述井眼轨道的空间位置。主要用于描述井眼轨道的空间位置。主要有北坐标，东坐标，垂直深度。有北坐标，东坐标，垂直深度。(三三)挠曲参数挠曲参数 描述井眼轨道的描述井眼轨道的弯曲和扭转程度。弯曲和扭转程度。主要主要有有和和。23(四四)坐标参数与基本参数的关系坐标参数与基本参数的关系lllllDllEllN000dcos)(dsinsin)(dcossin)(L-为井口到计算点的曲线长度为井口到计算点的曲线长度24三、油气井分类三、油气井分类 (按井眼轨道按井眼轨道)（1）直井）直井（Vertical well）设计井眼轴线为一铅垂线，实钻井眼轴线大体沿设计井眼轴线为一铅垂线
17、，实钻井眼轴线大体沿铅垂方向，其井斜角、井底水平位移和全角变化率均铅垂方向，其井斜角、井底水平位移和全角变化率均在限定范围内的井。在限定范围内的井。（2）定向井）定向井(Directional well)沿着预先设计的井眼轨道沿着预先设计的井眼轨道,按既定的方向偏离井口按既定的方向偏离井口垂线一定距离垂线一定距离,钻达目标的井。钻达目标的井。25定向井可分为定向井可分为 ：普通定向井、大斜度井、丛式井、普通定向井、大斜度井、丛式井、多底井、斜直井、水平井多底井、斜直井、水平井等。等。普通定向井普通定向井:在一个井场内仅有一口最大井斜角小于在一个井场内仅有一口最大井斜角小于6060的的 定向井。
18、定向井。大斜度井大斜度井:在一个井场内仅有一口最大井斜角在在一个井场内仅有一口最大井斜角在60608686范范围内的定向井。围内的定向井。丛式井丛式井:在一个井场内有计划地钻出的两口或两口以上的定向在一个井场内有计划地钻出的两口或两口以上的定向井组井组,其中可含一口直井。其中可含一口直井。多底井多底井:一个井口下面有两个或两个以上井底的定向井。一个井口下面有两个或两个以上井底的定向井。斜直井斜直井:用倾斜钻机或倾斜井架完成的用倾斜钻机或倾斜井架完成的,自井口开始井眼轨道自井口开始井眼轨道一直是一段斜直井段的定向井一直是一段斜直井段的定向井。26 2728 （3 3）水平井）水平井(Horizo
19、ntal well)(Horizontal well)在一个井场内仅有一口最大井斜角大于或等于在一个井场内仅有一口最大井斜角大于或等于8686,并保持这种角度钻完一定长度的水平段的定向并保持这种角度钻完一定长度的水平段的定向井。井。水平井分为：水平井分为：长曲率半径水平井长曲率半径水平井 （造斜率小于（造斜率小于6 6/30/30）；）；中曲率半径水平井中曲率半径水平井 （造斜率为（造斜率为1 1/6 6/30m/30m）；）；短曲率半径水平井短曲率半径水平井 (造斜率为造斜率为1 11010/)；径向水平井径向水平井 (造斜率为无穷大造斜率为无穷大)。29油层直井30 解决水锥问题解决水锥问
20、题31一井双探一井双探32扩大泄油面积扩大泄油面积 增加控制储量增加控制储量 提高油井产能提高油井产能0.6万吨直井的5倍以上（L=300m）水平井技术适合于薄层的开采水平井技术适合于薄层的开采33油层薄，中靶难油层薄，中靶难需要有合适的角度，才能达需要有合适的角度，才能达到矢量入靶到矢量入靶角度偏大角度偏大角度偏小角度偏小薄油层开发薄油层开发34井眼轨迹在油层最佳位置穿行难井眼轨迹在油层最佳位置穿行难精确控制几千米远的钻头走向难度大精确控制几千米远的钻头走向难度大层薄，地层倾角变化，有时上翘或下倾层薄，地层倾角变化，有时上翘或下倾薄油层开发薄油层开发35四、四、井眼井眼轨道设计的原则和方法轨
21、道设计的原则和方法 （一）、（一）、井眼轨道的类型井眼轨道的类型（二）（二）、设计井眼轨道的原则、设计井眼轨道的原则（三）（三）、井眼轨道设计中有关因素、井眼轨道设计中有关因素的选择的选择（四）（四）、井眼轨道类型的选择、井眼轨道类型的选择36（一）、井眼轨道的类型（一）、井眼轨道的类型 按设计井眼轨道在空间直角坐标系中的形状按设计井眼轨道在空间直角坐标系中的形状,可分为可分为二维井眼轨道和三维井眼轨道。二维井眼轨道和三维井眼轨道。二维井眼轨道是指设计井眼轴线仅在设计方位线所二维井眼轨道是指设计井眼轴线仅在设计方位线所在铅垂平面上变化的井眼轨道。在铅垂平面上变化的井眼轨道。三维井眼轨道是指在设
22、计的井眼轴线上三维井眼轨道是指在设计的井眼轴线上,既有井斜角既有井斜角变化变化,又有方位角变化的井眼轨道。又有方位角变化的井眼轨道。.二维井眼轨道二维井眼轨道 二维井眼轨道组成二维井眼轨道组成 垂直井段、垂直井段、增斜井段、增斜井段、稳斜井段稳斜井段 降斜井段降斜井段 37井眼轨道的类型 .三维井眼轨道三维井眼轨道 三维井眼轨道设计用于绕障井和现场待钻修正井三维井眼轨道设计用于绕障井和现场待钻修正井眼轨道设计。若在地面井口位置与设计目标点之间的眼轨道设计。若在地面井口位置与设计目标点之间的铅垂平面内铅垂平面内,存在着井眼难于直接通过的障碍物存在着井眼难于直接通过的障碍物(如已如已钻的井眼、岩丘
23、、气顶等），则设计的井眼轨道需要钻的井眼、岩丘、气顶等），则设计的井眼轨道需要绕过障碍物到达目标点。在钻进过程中，井眼轨道总绕过障碍物到达目标点。在钻进过程中，井眼轨道总是要偏离设计井眼轨道，为了保证钻达目标点，必须是要偏离设计井眼轨道，为了保证钻达目标点，必须时刻修正钻进参数；此时由于井底的方位角与设时刻修正钻进参数；此时由于井底的方位角与设计的计的方位角不一致，必须进行三维轨道设计。方位角不一致，必须进行三维轨道设计。38（二）、设计井眼轨道的原则（二）、设计井眼轨道的原则 （1 1）根据油气田勘探开发要求）根据油气田勘探开发要求,保证实现钻井保证实现钻井目的。目的。（2 2）根据油气田的
24、构造特征、油气产状，有）根据油气田的构造特征、油气产状，有利于提高油气产量和采收率，改善投资效益。利于提高油气产量和采收率，改善投资效益。（3 3）在选择造斜点、井眼曲率、最大井斜角）在选择造斜点、井眼曲率、最大井斜角等参数时，有利于钻井、采油和修井作业。等参数时，有利于钻井、采油和修井作业。（4 4）在满足钻井目的的前提下，应尽可能选）在满足钻井目的的前提下，应尽可能选择比较简单的剖面类型，力求使设计的斜井深择比较简单的剖面类型，力求使设计的斜井深最短，以减小井眼轨道控制的难度和钻井工作最短，以减小井眼轨道控制的难度和钻井工作量，有利于安全、快速钻井、降低钻井成本。量，有利于安全、快速钻井、
25、降低钻井成本。39（二）、设计井眼轨道的原则（二）、设计井眼轨道的原则 （1 1）根据油气田勘探开发要求）根据油气田勘探开发要求,保证实现钻井保证实现钻井目的。目的。（2 2）根据油气田的构造特征、油气产状，有）根据油气田的构造特征、油气产状，有利于提高油气产量和采收率，改善投资效益。利于提高油气产量和采收率，改善投资效益。（3 3）在选择造斜点、井眼曲率、最大井斜角）在选择造斜点、井眼曲率、最大井斜角等参数时，有利于钻井、采油和修井作业。等参数时，有利于钻井、采油和修井作业。（4 4）在满足钻井目的的前提下，应尽可能选）在满足钻井目的的前提下，应尽可能选择比较简单的剖面类型，力求使设计的斜井
26、深择比较简单的剖面类型，力求使设计的斜井深最短，以减小井眼轨道控制的难度和钻井工作最短，以减小井眼轨道控制的难度和钻井工作量，有利于安全、快速钻井、降低钻井成本。量，有利于安全、快速钻井、降低钻井成本。40（三）、井眼轨道设计中有关因素的选择（三）、井眼轨道设计中有关因素的选择 1.1.造斜点的选择造斜点的选择 (1)(1)造斜点应选择在比较稳定的地层造斜点应选择在比较稳定的地层,避免在岩石破碎带、漏避免在岩石破碎带、漏失地层、流砂层或容易坍塌等复杂地层定向造斜。失地层、流砂层或容易坍塌等复杂地层定向造斜。(2)(2)地层可钻性均匀，不应有硬夹层。地层可钻性均匀，不应有硬夹层。(3)(3)要满
27、足采油工艺要求。要满足采油工艺要求。(4)(4)垂深大、水平位移小的井，造斜点应深，以简化井身结垂深大、水平位移小的井，造斜点应深，以简化井身结构、加快钻速。构、加快钻速。(5)(5)垂深小、水平位移大的井，造斜点应浅，以减少定向施垂深小、水平位移大的井，造斜点应浅，以减少定向施工的工作量。工的工作量。(6)(6)在井眼方位漂移地区，应使斜井段避开方位漂移大的地在井眼方位漂移地区，应使斜井段避开方位漂移大的地层或利用井眼方位漂移规律钻达目标点。层或利用井眼方位漂移规律钻达目标点。41.最大井斜角最大井斜角 对于直井对于直井,井斜角控制在规定的范围内。对于常规定向井和水井斜角控制在规定的范围内。
28、对于常规定向井和水平井平井,当井斜角小于当井斜角小于1515时，方位不稳定，所以时，方位不稳定，所以,最大井斜角应大最大井斜角应大于于1515。3.3.井眼曲率井眼曲率 在钻井中在钻井中,井眼曲率是一个重要参数。井眼曲率过大会给钻井眼曲率是一个重要参数。井眼曲率过大会给钻井、采油和修井作业造成困井、采油和修井作业造成困难。因此，应根据具体情况，适当选难。因此，应根据具体情况，适当选择井眼曲率的最大值。择井眼曲率的最大值。井眼轨道设计中有关因素的选择42 设计井眼轨道时，一般选择简单的二维轨道。二维轨道设计井眼轨道时，一般选择简单的二维轨道。二维轨道由垂直井段、造斜井段、稳斜井段、降斜井段组合而
29、成，由垂直井段、造斜井段、稳斜井段、降斜井段组合而成，最常用的有四种类型。最常用的有四种类型。（四）、井眼轨道类型的选择（四）、井眼轨道类型的选择三段制五段制S 型直井43 直井段造斜段水平段侧钻水平井直井段造斜段稳斜段造斜段水平段常规水平井44侧钻水平井技术是指使用专门井下工具，从老井侧钻水平井技术是指使用专门井下工具，从老井套管内侧钻而成的水平井。它是在侧钻井技术、水平套管内侧钻而成的水平井。它是在侧钻井技术、水平井技术和小井眼技术的基础上发展起来的代表九十年井技术和小井眼技术的基础上发展起来的代表九十年代钻井水平的新技术，不仅能使老井复活，而且可以代钻井水平的新技术，不仅能使老井复活，而
30、且可以大幅度提高单井产量和采收率。大幅度提高单井产量和采收率。454647484950515253545556各种剖面类型设计5758防止设计井与邻井相碰59防碰扫描三维图6061钻柱强度校核6263646566第二节第二节 轨迹测量及计算轨迹测量及计算1 1、随钻监测实钻井眼轨迹以保证钻达既定目标；、随钻监测实钻井眼轨迹以保证钻达既定目标；2 2、当需用造斜工具定向钻进时，将造斜工具按要求的方向定向；、当需用造斜工具定向钻进时，将造斜工具按要求的方向定向；3 3、确保正钻进的井没有与附近已钻成的井相交的危险；、确保正钻进的井没有与附近已钻成的井相交的危险；4 4、确定钻遇的各地层的真垂深、以
31、绘制出准确的地质剖面图；、确定钻遇的各地层的真垂深、以绘制出准确的地质剖面图；5 5、为了监测油层特性及钻进救险井要确定准确的井底位置；、为了监测油层特性及钻进救险井要确定准确的井底位置；6 6、沿井身计算出井眼曲率以评价井身质量；、沿井身计算出井眼曲率以评价井身质量；7 7、为完井工程提供井眼轨迹数据。、为完井工程提供井眼轨迹数据。井眼轨迹测量的目的：井眼轨迹测量的目的：67第二节第二节 轨迹测量及计算轨迹测量及计算一、测斜方法及测斜仪简介一、测斜方法及测斜仪简介 1 1、测斜仪分类、测斜仪分类 按工作原理分：磁性测斜仪按工作原理分：磁性测斜仪(罗盘罗盘)、陀螺测斜仪陀螺测斜仪(高速陀螺空间
32、指向恒定高速陀螺空间指向恒定)。按工作方式分：单点式、多点式、随钻测量按工作方式分：单点式、多点式、随钻测量(有线、无线有线、无线)。2 2、测量内容、测量内容 井深井深DmDm、井斜角、井斜角、方位角、方位角。683 3、磁性测斜仪的工作原理、磁性测斜仪的工作原理仪器内主要由井斜刻度盘、罗仪器内主要由井斜刻度盘、罗盘、十字摆锤、照明和照相系盘、十字摆锤、照明和照相系统组成。罗盘的统组成。罗盘的S S极始终指北。极始终指北。（1 1）井斜角的测量）井斜角的测量当测斜仪随井眼倾斜时，十字摆锤始当测斜仪随井眼倾斜时，十字摆锤始终指向重力线方向，重力线与仪器轴终指向重力线方向，重力线与仪器轴线的夹角
33、即为线的夹角即为井斜角井斜角。由摆锤在井斜。由摆锤在井斜刻度盘底片上的位置读取。刻度盘底片上的位置读取。69（2 2）井斜方位角的测量）井斜方位角的测量 摆锤所在铅垂线与仪器轴摆锤所在铅垂线与仪器轴线（井眼方向线）构成井斜铅线（井眼方向线）构成井斜铅垂面，该井斜铅垂面与水平面垂面，该井斜铅垂面与水平面的交线就是井斜方位线。摆锤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在罗盘面上的投影位置所在的放射线与罗盘放射线与罗盘N N极之间的夹角极之间的夹角即为井斜方位角。即为井斜方位角。（3 3）井深测量：）井深测量：根据电缆长度或钻柱长度。根据电缆长度或钻柱长度。70MWD/LWDMWD/L
34、WD整套仪器由整套仪器由井下数据测量系统、井下数据测量系统、数据传输系统、数据传输系统、地面数据采集和处理地面数据采集和处理系统系统组成。组成。MWD Measurement While Drilling.LWD Logging While Drilling.FEWD Formation Evaluation While Drilling.71国内国内MWDMWD配备现状配备现状单单 位位配套仪器类型配套仪器类型胜利定向井公司胜利定向井公司斯派里森公司斯派里森公司MWDMWD、通用公司、通用公司QDT-MWDQDT-MWD、科学钻井、科学钻井SDI-MWDSDI-MWD胜利油田钻井院胜利油田钻
35、井院英国吉奥林公司英国吉奥林公司OrienteerOrienteer大港定向井公司大港定向井公司斯派里森公司斯派里森公司MWDMWD、通用公司、通用公司QDT-MWDQDT-MWD、哈里伯顿公司的探路者系统、哈里伯顿公司的探路者系统中海油技术服务公司中海油技术服务公司斯派里森公司斯派里森公司MWDMWD、斯伦贝榭、斯伦贝榭SLIM-ONESLIM-ONE、大庆油田钻井院大庆油田钻井院贝克休斯公司贝克休斯公司NaviNavi-Gator-Gator江汉油田钻井院江汉油田钻井院科学钻井科学钻井SDI-MWDSDI-MWD、英国吉奥林公司、英国吉奥林公司OrienteerOrienteer长庆油田钻
36、井院长庆油田钻井院英国吉奥林公司英国吉奥林公司OrienteerOrienteer华北油田钻井院华北油田钻井院科学钻井科学钻井SDI-MWDSDI-MWD、通用公司、通用公司QDT-MWDQDT-MWD克拉玛依油田钻井院克拉玛依油田钻井院通用公司通用公司QDT-MWDQDT-MWD中原油田钻井院中原油田钻井院科学钻井科学钻井SDI-MWDSDI-MWD、通用公司、通用公司QDT-MWDQDT-MWD辽河油田钻井院辽河油田钻井院通用公司通用公司QDT-MWDQDT-MWD四川油田四川油田斯派里森公司斯派里森公司MWDMWD、通用公司、通用公司QDT-MWDQDT-MWD新星公司德州地质所新星公司
37、德州地质所通用公司通用公司QDT-MWDQDT-MWD72国内国内LWDLWD配备现状配备现状单单 位位配套仪器类型配套仪器类型胜利定向井公司胜利定向井公司斯派里森公司斯派里森公司FEWD胜利油田钻井院胜利油田钻井院英国吉奥林公司英国吉奥林公司Orienteer大港定向井公司大港定向井公司贝克休斯公司贝克休斯公司MPR中海油技术服务公司中海油技术服务公司斯派里森公司斯派里森公司FEWD/贝克休斯公司贝克休斯公司On-Track大庆油田钻井院大庆油田钻井院贝克休斯公司贝克休斯公司MPR长庆油田钻井院长庆油田钻井院英国吉奥林公司英国吉奥林公司Orienteer73二对测斜计算数据的规定二对测斜计算
38、数据的规定5 5在一个测段内，在一个测段内，井斜方位角变化的绝对值不得超过井斜方位角变化的绝对值不得超过180180。i i-i-1i-1180180时，时，i i=i i-i-1i-1-360-360 c c=(=(i i+i-1i-1)/2-180)/2-180 i i-i-1i-1-18000，=arccosC=arccosC ；当当0 1 1时，取时，取“”；当；当2 2 1 1时，取时，取“”。3)3)求实际反扭角求实际反扭角nn：n n=s s-1 1 实实108第四节第四节 直井防斜技术直井防斜技术3 3、在开发采油方面：、在开发采油方面：影响分层开采；影响修井工作；影响分层开采
39、；影响修井工作；影响采收率（死油区）。影响采收率（死油区）。井斜的危害：井斜的危害：1 1、在地质勘探方面：、在地质勘探方面：造成地质资料失真；打乱合理的地下造成地质资料失真；打乱合理的地下井网和开发方案。井网和开发方案。2 2、在钻井施工方面：、在钻井施工方面：恶化钻柱工作条件；易造成井壁坍塌恶化钻柱工作条件；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。增加成本。109一井斜的原因一井斜的原因1 1、地质因素、地质因素 地层倾斜地层倾斜和和地层可钻性不均匀性地层可钻性不均匀性两个方面。两个方面。地质因素，钻具因素
40、。地质因素，钻具因素。地层倾角小于地层倾角小于4545时，钻头偏向垂直地层层面的方向；时，钻头偏向垂直地层层面的方向；地层倾角超过地层倾角超过6060时，钻头沿着平行地层层面方向下滑；时，钻头沿着平行地层层面方向下滑；地层倾角在地层倾角在45456060之间时，井斜方向属不稳定状态。之间时，井斜方向属不稳定状态。（1 1）地层可钻性的各向异性因素）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。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。钻头总是有向着容易钻进的方向前进的趋势。110软地层硬地层硬地层软
41、地层1 1、地质因素、地质因素(2)(2)、地层可钻性的纵向变化、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。地层倾斜且软硬交错，钻头偏向垂直地层层面方向。1112 2、钻具因素、钻具因素主要因素是主要因素是钻具的倾斜和弯曲钻具的倾斜和弯曲。“底部钻具组合底部钻具组合”(Bottom Hole Assembly)(Bottom Hole Assembly)，简称，简称BHABHA。引起钻头倾斜，在井底形成不对称切削。引起钻头倾斜，在井底形成不对称切削。使钻头受侧向力的作用，产生侧向切削。使钻头受侧向力的作用，产生侧向切削。3 3、井眼扩大、井眼扩大 钻头在井眼内左右移动，
42、靠向一侧，钻头轴线与钻头在井眼内左右移动，靠向一侧，钻头轴线与井眼轴线不重合，导致井斜。井眼轴线不重合，导致井斜。导致钻具倾斜和弯曲的原因：导致钻具倾斜和弯曲的原因：钻具和井眼之间有一定间隙。钻具和井眼之间有一定间隙。钻压的作用，钻柱受压靠近井壁或发生弯曲。钻压的作用，钻柱受压靠近井壁或发生弯曲。钻具本身弯曲；转盘安装不平、井架安装不正等。钻具本身弯曲；转盘安装不平、井架安装不正等。112（3 3）地层可钻性的横向变化）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。垂直于钻头轴线方向上可钻性的变化。如：如：在钻头的一侧下面钻遇溶洞或较疏松的地层，在钻头的一侧下面钻遇溶洞或较疏松的地层，
43、而另一侧则钻遇较致密的地层。而另一侧则钻遇较致密的地层。113114二、满眼钻具组合控制井斜二、满眼钻具组合控制井斜方法：方法：在下部钻具适当位置上安装在下部钻具适当位置上安装3 34 4个扶正器。个扶正器。扶正器尺寸：扶正器尺寸：d=dd=dh h-d-ds s=1.0=1.0 2.0 mm2.0 mm由钻具引起井斜的原因可归结为：由钻具引起井斜的原因可归结为：钻头对井底的不对称切削；钻头对井底的不对称切削；钻头轴线相对于井眼轴线发生倾斜；钻头轴线相对于井眼轴线发生倾斜；钻头上的侧向力导致对井底的侧向切削。钻头上的侧向力导致对井底的侧向切削。基本原理：基本原理：增大下部钻具组合的尺寸和刚度，
44、近似增大下部钻具组合的尺寸和刚度，近似“填满井眼填满井眼”，防止，防止钻柱弯曲和倾斜。钻柱弯曲和倾斜。解决这些问题的方法之一是让钻具填满井眼，即：解决这些问题的方法之一是让钻具填满井眼，即：满眼钻具组合。满眼钻具组合。115、YXY YXY 组合的结构组合的结构近钻头扶正器、中扶正器、上扶正器、第四扶正器。近钻头扶正器、中扶正器、上扶正器、第四扶正器。作用：作用：近扶正器：近扶正器：抵抗侧向力，防止侧向切削和不对称切削。抵抗侧向力，防止侧向切削和不对称切削。中扶正器：中扶正器：保证中扶正器与钻头之间的钻柱不发生弯曲。其安保证中扶正器与钻头之间的钻柱不发生弯曲。其安放位置需严放位置需严格计算。格
45、计算。上扶正器：上扶正器：保证钻具上至少有保证钻具上至少有3 3个稳定点与井壁接触，从而保个稳定点与井壁接触，从而保证井眼的直线证井眼的直线性。性。第四扶正器第四扶正器：增大下部钻柱的刚度，协助中扶防止钻柱弯曲。：增大下部钻柱的刚度，协助中扶防止钻柱弯曲。二、满眼钻具组合控制井斜二、满眼钻具组合控制井斜116二、满眼钻具组合控制井斜二、满眼钻具组合控制井斜4sin16mqJECpLL Lp p-中扶距钻头的最优长度，中扶距钻头的最优长度，m m；C-C-扶正器与井眼的半间隙，扶正器与井眼的半间隙，C=(dC=(dh h-d-ds s)/2)/2，m m；d dh h井眼直径，井眼直径，m m；
46、d dm m扶正器外径，扶正器外径，m m；E-E-钻铤钢材的杨氏模量，钻铤钢材的杨氏模量，kN/mkN/m2 2 ；J-J-钻铤截面的轴惯性矩，钻铤截面的轴惯性矩，m m4 4 ；q qm m-钻铤在钻井液中的线重，钻铤在钻井液中的线重，kN/mkN/m ；-允许的最大井斜角，允许的最大井斜角，()。根据等截面梁纵横弯曲理论中的挠度计算公式和压杆稳定的临界载荷计根据等截面梁纵横弯曲理论中的挠度计算公式和压杆稳定的临界载荷计算公式，并进行处理求导可得最优位置：算公式，并进行处理求导可得最优位置：、YXY YXY 组合组合“中扶中扶”位置的计算位置的计算64)(44cicoddJ基本物理模型：基
47、本物理模型：一端固定、一端铰支的纵横弯曲梁。一端固定、一端铰支的纵横弯曲梁。117例题：例题：已知钻头直径已知钻头直径216mm216mm，扶正器直径，扶正器直径215mm215mm，钻铤钢材的杨氏模量为，钻铤钢材的杨氏模量为2.05942.059410108 8kN/mkN/m2 2，钻铤外径，钻铤外径178mm178mm，内径，内径71.4mm71.4mm，钻井液密度，钻井液密度1.25 1.25 g/cmg/cm3 3，钻铤线重，钻铤线重1.6 kN/m1.6 kN/m，允许的最大井斜角，允许的最大井斜角3 3，求中扶距钻头的最，求中扶距钻头的最优长度。优长度。解：解：根据给定条件，可求
48、得：根据给定条件，可求得：J=J=(d(dcoco4 4-d-dcici4 4)/64=0.48)/64=0.481010-4-4m m4 4,q qm m=1.6(1-=1.6(1-d d/s s)=1.34 kN/m)=1.34 kN/m,c=(d c=(dh h-d-ds s)/2=0.0005 m)/2=0.0005 m L Lp p=(16CEJ)/(Q=(16CEJ)/(Qm msin)sin)0.250.25=5.789 m =5.789 m。118三、钟摆钻具组合控制井斜三、钟摆钻具组合控制井斜在下部钻柱的适当位置在下部钻柱的适当位置安装一个扶正器，当发安装一个扶正器，当发生井
49、斜时，该扶正器支生井斜时，该扶正器支撑在井壁上形成支点，撑在井壁上形成支点，使下部钻柱悬空。则该使下部钻柱悬空。则该扶正器以下的钻柱就好扶正器以下的钻柱就好象一个钟摆，产生一个象一个钟摆，产生一个钟摆力。钻头在此钟摆钟摆力。钻头在此钟摆力的作用下切削下井壁。力的作用下切削下井壁。从而使新钻的井眼从而使新钻的井眼 不断降斜。不断降斜。1 1、钟摆钻具组合的原理、钟摆钻具组合的原理119三、钟摆钻具组合控制井斜三、钟摆钻具组合控制井斜2 2、YXYYXY钟摆钻具组合设钟摆钻具组合设计计 钻头上的钟摆力：钻头上的钟摆力：可产生最大钟摆力的最优扶正器可产生最大钟摆力的最优扶正器安放位置计算：安放位置计
50、算：W W-钻压，钻压，kNkN；d dh h-井径，井径，m m；d dc c-钻铤直径，钻铤直径，m m。考虑到扶正器磨损和考虑到扶正器磨损和 井径扩大，使用距离比井径扩大，使用距离比计计 算距离适当减小。算距离适当减小。L LS S=(0.9=(0.90.95)L0.95)Lz zsin21zmdLqF 222246.18404.82sin2chddmABACBzrrJECrWBqAL120三、钟摆钻具组合控制井斜三、钟摆钻具组合控制井斜(1)1)、多数用于井斜角较大的井纠斜。直井内无防斜作用、多数用于井斜角较大的井纠斜。直井内无防斜作用.(2)(2)、其性能对钻压特别敏感。钻压增大，则
