1、12 13o 三维轨迹设计必要性分析o 三维侧钻轨迹设计方法o 三维轨迹设计关键技术o 三维轨迹设计软件开发o 三维轨迹设计软件应用o 结论与认识三维轨迹设计必要性分析o对用斜向器开窗的侧钻水平井来说，在进行三维井眼轨迹设计时原井眼轨迹对斜向器定向是有影响的。这种影响在原井眼井斜越大时表现越突出。o一般的三维轨迹设计软件在进行侧钻水平井轨迹设计时，其设计过程不能优选节点参数，只能将整个轨迹设计成三维扭方位轨迹，加大了现场施工操作的难度。o 优化侧钻水平井三维轨迹设计有助于避免斜向器定向及扭方位时完全个人经验化，实现一定程度的量化、科学化，以尽可能短的滑动进尺钻达目标井深，避免定向失误、缩短钻井
2、周期、节约钻井成本。o为了使现场定向井工程师能准确地把握实钻轨迹参数与控制趋势，确保准确中靶；对侧钻水平井三维轨迹进行优化设计，解决其存在的上述问题，可最大限度地排除设计人员经验干扰，使经验补偿作用越来越小；侧钻水平井三维轨迹优化设计有助于避免斜向器盲目定向及井下动力钻具盲目扭方位，以尽可能短的钻井进尺钻达目标井深，缩短钻井周期、节约钻井成本。三维侧钻轨迹设计方法基本假设基本假设a a侧钻水平井所钻曲线段是在空间两个斜平面上的曲线段。侧钻水平井所钻曲线段是在空间两个斜平面上的曲线段。b b侧钻水平井曲线段主要由动力钻具以滑动钻进方式完成。侧钻水平井曲线段主要由动力钻具以滑动钻进方式完成。c c
3、侧钻水平井曲线段由几段定曲率曲线光滑连接而成，侧钻水平井曲线段由几段定曲率曲线光滑连接而成，且曲且曲线的曲率主要由动力钻具的造斜率决定。线的曲率主要由动力钻具的造斜率决定。d d任一定曲率曲线段内，任一定曲率曲线段内，动力钻具的造斜能力及工具面角基动力钻具的造斜能力及工具面角基本保持不变。本保持不变。三维侧钻轨迹设计方法三维侧钻轨迹设计关键技术关关 键键 技技 术术 斜向器定向优化斜向器定向优化三维轨迹数学模型三维轨迹数学模型三维轨迹设计判别三维轨迹设计判别三维轨迹剖面优化设计及节点优选三维轨迹剖面优化设计及节点优选三维井眼轨迹优化设计的关键技术判别标准：侧钻点不在目标靶区垂直平面内判别标准：
4、侧钻点不在目标靶区垂直平面内判别判别方法：目标垂距方法：目标垂距 0 0 根据根据目标垂距计算图目标垂距计算图可得约束方程：可得约束方程：1 1 三维轨迹设计判别技术三维轨迹设计判别技术22BACBNAEPOiiiiiiPO式中式中 EbEaBaabaabENNNEEC)()(abNNA0CBNAE推导可得推导可得 NEVAiTiLaiLtPiTfLafPfOAf 双斜面求解计算模型)coscos()()sinsinsinsin()()cossincossin()(ffiiifDfffiiiifEfffiiiifNDDXEEXNNXNEtDNEtDENtXXtgXXXtgXXX22222iff
5、fttiiifffftttiiiifffftttiiiDDEENNcoscoscossinsinsinsinsinsincossincossincossin2 2 双斜面轨道约束方程及推导双斜面轨道约束方程及推导结果结果三维轨迹设计关键技术三维井眼轨迹优化设计的关键技术斜向器定向原理图定向装置定向装置角角3 3 斜向器定向优化斜向器定向优化斜向器最大扭转方位角计算公式斜向器最大扭转方位角计算公式1maxsinsinsin斜向器装置方位角公式斜向器装置方位角公式1costgtg侧眼初始井斜角计算公式侧眼初始井斜角计算公式cossinsincoscoscos112结论结论o根据侧钻水平井施工特点，
6、采用双斜面五段制剖面设计，根据侧钻水平井施工特点，采用双斜面五段制剖面设计，能使施工中的实钻轨迹有充分的调整井段，可以适时弥补能使施工中的实钻轨迹有充分的调整井段，可以适时弥补工具实际造斜率误差。在确定造斜率时，第二造斜段造斜工具实际造斜率误差。在确定造斜率时，第二造斜段造斜率可取得比第一造斜段造斜率稍低，这样在后期油藏位置率可取得比第一造斜段造斜率稍低，这样在后期油藏位置发生变化时有利于调整，并实现中靶。发生变化时有利于调整，并实现中靶。o针对不同井的不同情况，优选中间稳斜角，目标井斜角，针对不同井的不同情况，优选中间稳斜角，目标井斜角，采用双斜面顺算法，确定目标垂面内二维轨迹起点节点参采用
7、双斜面顺算法，确定目标垂面内二维轨迹起点节点参数。通过优选的目标垂面二维节点参数，实现了现场轨迹数。通过优选的目标垂面二维节点参数，实现了现场轨迹控制各阶段的量化：三维轨迹设计在初始段扭方位，中间控制各阶段的量化：三维轨迹设计在初始段扭方位，中间段在合适的井段从三维扭方位段变为目标垂面内二维轨迹。段在合适的井段从三维扭方位段变为目标垂面内二维轨迹。提高了现场轨迹控制的精确性、科学性。提高了现场轨迹控制的精确性、科学性。4 4 三维轨迹剖面优化设计及节点优选三维轨迹剖面优化设计及节点优选三维井眼轨迹优化设计的关键技术三维轨迹设计软件开发设计模式选择实钻计算插值计算井底预测待钻设计原井轨迹分析目标
8、靶区坐标转换侧钻点选择-计算-分析目标垂面与原井轨迹交汇点识别套管开窗方式段铣开窗斜向器开窗斜向器定向分析斜向器定向设计二维设计三维设计应用应用Excel VBAExcel VBA开发了侧钻水平井三维轨迹设计程序开发了侧钻水平井三维轨迹设计程序 程序结构示意图该程序包含该程序包含1010大模大模块块，分散在，分散在1212个工个工作表内，界面友好作表内，界面友好，操作简单。程序，操作简单。程序结构示意图如右所结构示意图如右所示：示：20082008年至今，运用自主研发的三维轨迹设计程序在新疆年至今，运用自主研发的三维轨迹设计程序在新疆油田设计并完成了油田设计并完成了1414口中曲率侧钻水平井施
9、工，设计造斜率口中曲率侧钻水平井施工，设计造斜率与实际造斜率差值基本在与实际造斜率差值基本在1 1左右，现场指导性强。下面给左右，现场指导性强。下面给出出1414口侧钻水平井运用三维轨迹优化设计程序设计的造斜率口侧钻水平井运用三维轨迹优化设计程序设计的造斜率与实钻平均造斜率的统计表。与实钻平均造斜率的统计表。井号井号LULU91649164 LULU30573057 LULU31073107 LULU11541154 SNSN66496649 LULU21182118 LULU21072107LULU21602160 LULU30963096LULU30763076LULU71557155LU
10、LU30923092LULU30723072C C12401240设计设计造斜造斜率率2121191918.5518.5514.314.318.2218.221414181815.515.5212119.3719.37151519.8919.8919.619.612.2712.27实钻实钻平均平均造斜造斜率率20.620.67 719.3919.3918.2218.2214.514.518.7518.7513.813.817.517.515.215.220.120.1191915.3615.3620.5420.5419.119.11313陆梁已完钻14口侧钻水平井设计与实钻造斜率统计表（单位:
11、30m）三维轨迹设计软件应用1 1 三维轨迹优化设计示例（以三维轨迹优化设计示例（以SN6649SN6649井为例）井为例）SN6649SN6649侧钻水平井设计侧钻点位置侧钻水平井设计侧钻点位置2373m2373m，通过轨迹设计，通过轨迹设计程序的节点计算模块计算得，目标垂距：程序的节点计算模块计算得，目标垂距：29.88m29.88m，侧钻点，侧钻点与目标垂面不共面，判别为三维轨迹设计。与目标垂面不共面，判别为三维轨迹设计。首先运用三维轨迹设计判别技术确定给定井眼的属性首先运用三维轨迹设计判别技术确定给定井眼的属性三维轨迹设计软件应用该井设计使用斜向器导斜角为该井设计使用斜向器导斜角为2.
12、52.5，原井眼侧钻点位置，原井眼侧钻点位置2373m2373m处井斜角处井斜角2.312.31,方位角方位角309.99309.99，该井目标垂面设，该井目标垂面设计方位为计方位为235.62235.62，通过，通过优选期望方位优选期望方位，斜向器定向设计，斜向器定向设计模块程序计算得到如下图所示结果模块程序计算得到如下图所示结果 其次运用斜向器优化设计技术，计算斜向器定向装置角其次运用斜向器优化设计技术，计算斜向器定向装置角SN6649井斜向器定向计算三维轨迹设计软件应用通过双斜面三维轨迹设计模块，输入合适中稳角通过双斜面三维轨迹设计模块，输入合适中稳角4848，计算得，计算得到符合现场定
13、向井工程师所需要的三维轨迹：到符合现场定向井工程师所需要的三维轨迹：三维轨迹设计软件应用 三维剖面优化设计三维剖面优化设计三维常规双斜面设计三维常规双斜面设计井深井深段长段长井斜角井斜角方位角方位角井深井深段长段长井斜角井斜角方位角方位角237323730 00.440.44200200237323730 02.52.5235.62235.622408240835350.440.442002002408240835352.52.5235.62235.622468.852468.8560.8560.8536.9336.93184.39184.392447.842447.84303025.5225
14、.52198.39198.392469.712469.710.870.8736.9336.93184.39184.392477.842477.84303025.5225.52198.39198.392528.822528.8259.1159.114848235.62235.622507.842507.84303040.5540.55216.20216.202528.822528.820 04848235.62235.622537.842537.84303056.9856.98225.25225.252595.542595.5466.7266.7288.0388.03235.62235.6225
15、67.842567.84303073.8673.86231.36231.362595.542595.540 088.0388.03235.62235.622592.822592.8224.9824.9888.0388.03235.64235.642755.652755.65160.11160.1188.0388.03235.62235.622752.93160.11160.1188.03235.642 2 三维轨迹优化设计与三维常规双斜面设计对比分析三维轨迹优化设计与三维常规双斜面设计对比分析三维轨迹设计软件应用 由上表分析可知：三维轨迹优化剖面设计的思路很清晰，在初始井段由上表分析可知：三维
16、轨迹优化剖面设计的思路很清晰，在初始井段大力扭方位，在设计至中稳斜角大力扭方位，在设计至中稳斜角4848时，轨迹已由三维变向为二维轨迹，时，轨迹已由三维变向为二维轨迹，便于现场施工操作；而常规双斜面剖面设计，其设计在两个斜面内不停的便于现场施工操作；而常规双斜面剖面设计，其设计在两个斜面内不停的扭方位至到目标靶点，如上表所示，绿表中常规设计扭方位井段从扭方位至到目标靶点，如上表所示，绿表中常规设计扭方位井段从2408m2408m扭至扭至2592.82m2592.82m而红表优化剖面设计中扭方位井段从而红表优化剖面设计中扭方位井段从2408m2408m扭至扭至2528.82m2528.82m即即
17、结束结束，大大缩短了扭方位井段，符合现场施工要求。，大大缩短了扭方位井段，符合现场施工要求。轨迹优化轨迹优化三维轨迹设计软件应用2 2 三维轨迹优化设计与三维常规双斜面设计对比分析三维轨迹优化设计与三维常规双斜面设计对比分析定向优化定向优化项目项目原井眼方位原井眼方位120120,斜向器导斜角斜向器导斜角2.52.5,单位单位斜向器斜斜向器斜面指向方面指向方位位0 0303060609090120120150150180180210210240240270270300300330330装置角装置角-120120-90-90-60-60-30-300 0303060609090120120150
18、150180180210210井斜井斜0.50.5计算方位计算方位1111414169699595120120145145171171199199229229263263300300337337误差误差111111119 95 50 0-5-5-9-9-11-11-11-11-7-70 07 7井斜井斜1.51.5计算方位计算方位3737616182821011011201201391391581581791792032032382383003002 2误差误差37373131222211110 0-11-11-22-22-31-31-37-37-32-320 03232井斜井斜2 2计计算方
19、位算方位4949707086861031031201201371371541541701701911912172173003002222误差误差49494040262613130 0-13-13-26-26-40-40-49-49-53-530 05353井斜井斜2.52.5计算方位计算方位6060757590901051051201201351351501501651651801801951950 04545误差误差60604545303015150 0-15-15-30-30-45-45-60-60-75-7560607575误差曲线误差曲线对比优化设计与常规三维设计，常规三维设计存在定向
20、设计误差大，大对比优化设计与常规三维设计，常规三维设计存在定向设计误差大，大斜度井段扭方位设计与现场施工严重不符等问题。不进行优化设计，在斜度井段扭方位设计与现场施工严重不符等问题。不进行优化设计，在现场施工中会造成以下问题：现场施工中会造成以下问题：1 1、原井井斜大时将有可能出现斜向器定向失误，给后续施工带来困难。、原井井斜大时将有可能出现斜向器定向失误，给后续施工带来困难。2 2、大斜度井段摩阻大，扭方位困难，螺杆造斜率难以预测，大大增加了、大斜度井段摩阻大，扭方位困难，螺杆造斜率难以预测，大大增加了轨迹控制的难度；轨迹控制的难度；3 3、大斜度段扭方位，往往需要摆工具面至、大斜度段扭方
21、位，往往需要摆工具面至9090进行，而且要消耗大量进行，而且要消耗大量垂深，这在薄层侧钻时容易造成脱靶。垂深，这在薄层侧钻时容易造成脱靶。因此三维轨迹优化剖面设计比常规双斜面轨迹设计更科学、准确性高、因此三维轨迹优化剖面设计比常规双斜面轨迹设计更科学、准确性高、现场指导性强。现场指导性强。三维轨迹设计软件应用四、结论及认识1 1、本文所推导的斜向器定向计算公式，为侧钻水平井三、本文所推导的斜向器定向计算公式，为侧钻水平井三维轨迹的科学设计奠定了基础。依托斜向器定向设计计维轨迹的科学设计奠定了基础。依托斜向器定向设计计算的三维轨迹优化设计程序在现场中可以提高斜向器定算的三维轨迹优化设计程序在现场
22、中可以提高斜向器定向准确程度、缩短侧眼扭方位、滑动钻进井段长度，更向准确程度、缩短侧眼扭方位、滑动钻进井段长度，更符合现场施工实际。符合现场施工实际。2 2、双斜面五段制轨迹剖面是目前现场最实用的侧钻水平双斜面五段制轨迹剖面是目前现场最实用的侧钻水平井轨迹设计剖面，通过固定中稳角的方法，可以为现场井轨迹设计剖面，通过固定中稳角的方法，可以为现场提供合适的节点设计参数，实用性强。提供合适的节点设计参数，实用性强。3 3、依托依托VBAVBA编程环境结合编程环境结合Excel ChartExcel Chart对象，编制了三维对象，编制了三维侧钻水平井轨迹设计计算程序，图形界面友好，简单、侧钻水平井
23、轨迹设计计算程序，图形界面友好，简单、实用，对硬件要求低，适用于普通实用，对硬件要求低，适用于普通OfficeOffice办公电脑，可办公电脑，可为工程设计人员提供更准确、更直观的轨迹设计与控制为工程设计人员提供更准确、更直观的轨迹设计与控制计算平台。计算平台。谢谢大家！)coscos()()sinsinsinsin()()cossincossin()(ffiiifDfffiiiifEfffiiiifNDDXEEXNNX 理量的意义理量的意义 返回返回 软件界面软件界面 返回返回1010大模块大模块1、原井轨迹计算2、节点分析3、单增设计4、双增设计5、单面设计6、双面设计7、实钻计算8、距离
24、扫描9、控制分析10、投影图输出三维轨迹设计软件开发 斜向器定向原理图斜向器定向原理图 返回 目标垂距计算图 返回返回 水平投影图 返回返回原井参数对斜向器指向与初始井眼方向误差的影响项目项目原井眼方位原井眼方位120120,斜向器导斜角斜向器导斜角2.52.5,单位单位斜向器斜面斜向器斜面指向方位指向方位0 0303060609090120120150150180180210210240240270270300300330330装置角装置角-120-120-90-90-60-60-30-300 0303060609090120120150150180180210210井斜井斜0.50.5计算
25、方位计算方位1111414169699595120120145145171171199199229229263263300300337337误差误差111111119 95 50 0-5-5-9-9-11-11-11-11-7-70 07 7井斜井斜1.51.5计算方位计算方位3737616182821011011201201391391581581791792032032382383003002 2误差误差37373131222211110 0-11-11-22-22-31-31-37-37-32-320 03232井斜井斜2 2计计算方位算方位49497070868610310312012
26、01371371541541701701911912172173003002222误差误差49494040262613130 0-13-13-26-26-40-40-49-49-53-530 05353井斜井斜2.52.5计算方位计算方位6060757590901051051201201351351501501651651801801951950 04545误差误差60604545303015150 0-15-15-30-30-45-45-60-60-75-7560607575返回返回1 返回返回2返回斜向器定向公式推导斜向器定向公式推导斜向器定向程序优化设计斜向器定向程序优化设计指导轨迹设计
27、指导轨迹设计)sin(sinsinsinsincossin212122tg1cos2tgtg1 1斜向器定向装置角公式斜向器定向装置角公式)sin(sinsinsinsincossin212122tg1 1=1 1三维轨迹设计关键技术斜向器定向优化技术斜向器定向优化技术三维轨迹设计关键技术3 斜向器定向优化技术斜向器定向优化技术 用上述公式进行计算可以看出，侧钻点井斜角越用上述公式进行计算可以看出，侧钻点井斜角越大，斜向器装置方位角与设计侧钻方位角差值越大，大，斜向器装置方位角与设计侧钻方位角差值越大，该结果表明：当井斜角较大时，斜向器扭方位能力是该结果表明：当井斜角较大时，斜向器扭方位能力是有限的，如使用设计侧钻方位对斜向器进行定向，更有限的，如使用设计侧钻方位对斜向器进行定向，更难取得最佳效果。具体计算结果后面有个实例。难取得最佳效果。具体计算结果后面有个实例。返回返回
