第六章、井眼轨迹设计与控制
第一节、概述
当今的科学技术提供了预测地下油气藏位置的手段，而从地面确定位置到地下确定油气藏通道的建立，只有通过钻井工程来达到。钻井工程的钻进原理前面的章节已经阐述，本章要解决的问题是如何来设计这一条通道的轨迹以及如何控制钻进过程，使实际钻进路径和设计轨迹一致。一种情况是：当地面井口位置就在地下油气藏的正上方，采用铅直井井眼轨迹设计，此时设计的轨迹就是从地面井口位置到地下油气藏的一条铅直线，轨迹控制的问题是如何防止实钻轨迹过大地偏离出铅垂线（这一过程称为“井斜控制”）。另一种情况是：当地面井口位置不在地下油气藏的正上方或钻井目标有特殊要求，将按专门的钻井目的和要求设计对应的井眼轨迹，并在钻进过程中一直进行井眼轨迹控制，使井眼沿预先设计的井眼轨迹钻达预定目标。工程上把第一种情况的井称为直井，第二种情况的井称为定向井或根据目标和轨迹的情况分为丛式井、侧钻井、水平井、大位移井、分支井等。
定向井的应用范围广阔：
1．地面限制。油田所处地面不利于或不允许设置井场钻井或搬家安装受到极大障碍。如房屋建筑、城镇、河流、沼泽、高山、港口、道路、海洋、沙漠等地面条件限制。
图6-1 定向井在油气田勘探开发中的应用
a-勘探海底油田；b-海上钻井利用平台；c-控制断层；d-地面条件限制；
e-盐丘附近钻井；f-增大出油量；g-多底井；h-救援井
1
2．地下地质条件要求。由于地质构造特点，定向井能更有利于发现油藏、增加开发速度。如控制断层、探采盐丘突起下部的油气层、探采高角度裂缝性油气藏、开发薄油层油藏等。
3．钻井技术的需要。需用定向井来处理井下复杂情况或易斜地层的钻井。如我国自行设计、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。
4．其它方面的应用如过江管道的铺设、煤层气的开发、地热井的钻井等。
定向井引入石油钻井界约在19世纪后期，当时的定向井是在落鱼周围侧钻。世界上第一口真正有记录的定向井是1932年美国人在加利福尼亚亨延滩油田完成。当时浅海滩下油田的开发是在先搭的栈桥上竖井架钻井。美国一位有创新精神的钻进承包商改变了这种做法，他在陆地上竖井架，使井眼延伸到海床下，由此开创了定向钻井新纪元。1934年，德国的克萨斯康罗油田一口井严重井喷。一位有丰富想象力的工程师提出用定向井技术来解决。在距失控井一定距离钻一口定向井，井底与失控井相交，然后向井内泵入重浆压住失控井，这是世界上第一口定向救援井。二战后随着生产的发展、海洋石油的开发、井下动力钻具的研制以及计算技术的进步，促进了定向井技术的发展。
我国的第一口定向井是1955年在玉门油田钻成，井号为C2－15井。1965年在四川油田钻成了我国第一口水平井，磨三井，水平延伸160m，是世界上第二个钻成水平井的国家。四川油田的草16井，1987年钻成，是一口过长江定向井。70年代以来，我国海洋定向井迅速发展，在渤海湾海上钻丛式定向井，在一个钻井平台上施工多达12口（目前已达35口以上）定向井。胜利油田的河50丛式井组，1988年完成，一个陆地平台钻成42口定向井。
由于石油天然气勘探开发的需要，在我国第七个五年计划期间，定向井、丛式井钻井工艺技术获得突破性进展，大踏步进入生产实用阶段，其水平跨入世界先进行列。采用这项技术打成了一大批多目标并、三维绕障井、高精度定向勘探井，满足了地质勘探上的特殊需要，并且成功地运用丛式井组整装开发了沈阳、二连、江苏的卞杨等三个油田。“七五”期间全国共钻成定向井4317口，为“六五”期间的4．65倍，少占用土地万亩以上，节约资金3亿元。
辽河油田在杜48断块的10号平台钻17口井，平均井深2344．2m，最大井斜28°，最大水平位移1633．3m，中靶率达到100％，平均建井周期32天，平均机械钻速9．12m／hr，这个平台和相同日数的单井相比少占工业用地123亩，节约76％，节约成本119．7万元。
四川石油管理局1987年成功地钻成隆40－1丛式井组，最大井斜角90°，开创了我国深层、硬地层打大斜度井的先河。该井完钻井深3130米，垂直井深2290．04米，最大水平位移1459．44米，在气层内进尺532米，等于目的层垂直厚度的5倍，该井打出了我国大斜度定向井的新水平。
胜利油田根据油藏地面建设十分密集，地下老井很多（达14口）的实际情况，采用了多目标、绕障打油田开发井的先进技术，应用计算机剖面绘图，防碰扫描、三维绕障程序、丛式井防干扰装置，随钻定向造斜与扭方位技术以及电子多点测量等一系列井眼轨迹控制技术，打成了我国目前陆上丛式井完井口数最多的井组—河50丛式井组，共有42口井，其中多目标井有5口，平台占地面积65亩，比单井少占地335亩，节约土地84．5％。
2
第二节、定向井井眼轨迹设计
定向井在施工前必须按专门的钻井目的和要求设计对应的井眼轨迹。该设计轨迹必须在现有的装备、工艺和技术条件下满足勘探开发的要求。设计时要考虑能经济地钻达目标的路径或轨迹，要考虑地质因素对要用的井底钻具组合的影响以及可能最终影响井眼轨迹的其它因素。定向井施工是使井眼沿预先设计的井眼轨迹钻达预定目标的过程，所以设计的定向井轨迹是施工的依据和检验的标准。
一、基本要素
定向井的井眼轨迹是空间的一条曲线，为了能结合工程参数描述该曲线，需要掌握定向井的基本要素：
任一点到井口的井眼长度
称为该点的井深，也称为
该点的测量井深或斜深，
单位为米, 常用字母L表
示；
2．井斜角：井眼轴线
上任一点的井眼方向线
（切线，指向前方）与通
过该点的重力线间之间的
夹角，称为该点处的井斜
角，单位为度，常用字母
α表示；
3．方位角：井眼轴线
上任一点的正北方向线与
该点的井眼方向线在水平
面投影线间的夹角，称为
该点处方位角，单位为度，
常用字母φ表示；
4．井斜变化率：单位
长度井段内井斜角的改变
值称为井斜变化率。通常
图6-2 井斜角和方位角
以两测点间的井斜角的变
化值与两测点间井段长度
的比值表示。常用单位为
3
4
度／30米，用字母K α表示：
)
16(---=
A
B A
B L L K ααα
式中：
m L L m
K B A B A 测点处测量井深，、上下（、测点处井斜角，、上下（、井斜变化率，B)A B)A /-?
-?-ααε
5．方位变化率：单位长度井段内方位角的改变值称为方位变化率。通常以两测点间的方位角的变化值与两测点间井段长度的比值表示。常用单位为单位为度／30米，用字母K φ表示：
)
26(---=
A
B A
B L L K φφφ
式中：
m
L L m
K B A B A 测点处测量井深，、上下（、测点处方位角，、上下（、方位变化率，B)A B)A /-?
-?-φφφ
6．垂深：井眼轴线上任一点到井口所在水平面的距离称为该点的垂深，单位为米； 7．水平位移：井眼轴线上任一点到井口所在的铅垂线的距离，称为该点的水平位移，单位为米；
其中的井深、井斜角和方位角为定向井井眼轨迹的基本要素，掌握了井眼轴线任一点的这三要素，也就掌握了井眼轴线的球坐标，就能把井眼轴线精确描述出来。当然，对于实际的井眼，由于测量技术和成本的原因，我们只能获得井眼轴线上有限点的三要素，这样，我们对实际井眼轨迹的描述就有一定的近似性。
二、井眼曲率
井眼曲率是井眼设计和施工中的一个非常重要的参数，它决定着设计的可行性、经济性和安全性。井眼曲率大，可以在较短的弯曲井段获得所需的较大的井斜角，从而节省造斜进尺和施工费用。但是，井眼曲率过大会加剧钻具磨损，甚至造成断钻具事故。过大的井眼曲率也使钻具通过困难并给后期的完井作业和采油工程增加麻烦。
井眼的曲率的定义为：单位井段长度内井眼切线倾角的改变。通常以两测点间切线倾角的变化值与两测点间井段长度的比值表示。下面分三种情况来讨论井眼曲率的计算方法：
1. 只有井斜角变化的井段：
5
此种井段处于一个垂直平面内，井段两测点间的切线倾角的变化即为井斜角变化，因此该井段井眼曲率等于该井段的井斜变化率：
)36(---=
=A
B A
B L L K K ααα
2. 只有方位角变化的井段：
此种情况井段井段两测点间的切线倾角的变化即为方位角变化，因此该井段井眼曲率等于该井段的方位变化率：
)46(---=
=A
B A
B L L K K φφφ
3．同时有井斜角变化和方位角变化的井段：
如图所示，图中的AB 表示空间井眼轴线段，A 和B 为L 上相邻的两个测点。为清楚起见，将B 点切线移到A 点（即在A 点作B 点切线的平行线），并延长A 、B 两点的切线交水平面EON 于A /、B /，连接OA /和OB /，则A /OB /为方位角增量，角A /AB /就是井眼空间井眼曲线在A 、B 两测点间切线倾角的变化值，又称为全角变化或全角，用β表示。OAA /为A 点井斜角，OAB /为B 点井斜角。由图可知全角就是A 点切线矢量和B 点切线矢量间的夹角。由两矢量间夹角的计算公式有：
B A B A B A ννμμλλβ++=cos
式中： A A A νμλ、、—A 点切线的方向余弦（A 点切线分别于x 、y 、z 轴方向之间夹角的余弦）
B B B νμλ、、—B 点切线的方向余弦
有下列关系式成立：
??
?
??
===A A A A A A A A ανφαμφαλcos sin sin cos sin
图6-3 全角变化示意图
6
??
?
??
===B B B B B B B B ανφαμφαλcos sin sin cos sin
将代入式得到：
B A B B A A B B A A ααφαφαφαφαβcos cos sin sin sin sin cos sin cos sin cos ++= )cos(sin sin cos cos cos A B B A B A φφααααβ-+=
由此解得：
)56()]
cos(sin sin cos [cos cos 1--+=-A B B A B A φφααααβ
井眼曲率为：
)66()]
cos(sin sin cos [cos cos 1---+=
-=-A
B A B B A B A A B L L L L K φφααααβ
例 测量数据如下表，计算两测点之间的井眼曲率K ，单位为度/30米：
计算：
米
度/30309.02000
2100)]148145cos(5.5sin 5.4sin 5.5cos 5.4[cos cos 301=-?-???+???=-K
三、井眼轨迹设计原则
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对于裂缝性油藏轨迹设计应横穿裂缝；薄油层油藏应采用大斜度或水平井；低渗块状油层可考虑采用多底井；救援井应根据目标层位、靶区半径的要求设计简单、快速、经济的井眼轨；落鱼侧钻仅需要设计轨迹避开落鱼、有一定的水平位移；对于整块油藏应按开发井网布置要求设计轨迹。
2、考虑地面条件限制
地面条件限制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。
3、正确选择造斜点、井眼曲率、和最大井斜角
上述参数的选择应有利于采油、修井作业和钻井施工。
（1）造斜点造斜点的选择－应选在比较稳定、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。造斜点高则水平位移大、井斜小，低则相反。最大井斜角＜15?则方位不稳，最大井斜角>45?则测井、完井施工难度大、扭方位困难、扭矩大、井壁不稳，故一般最大井斜角为15?－45?。
（2）井眼曲率井眼曲率不宜过小，以免造斜井段过长，增加轨迹控制工作量。井眼曲率不宜过大，以免造成钻具偏磨、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。定向井中应控制其最大值5?－12?／100m，最大不超过16?／100m。
井眼曲率应能保证井下动力钻具顺利通过（动力钻具刚度较大不充许弯曲而保持直线状态）。井眼曲率应保证套管的安全。
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。
四、井眼轨迹类型的选择
1．二维定向井井眼轨迹
二维定向井井眼轨迹指设计井眼轴线处于设计方位线所在铅垂平面上的定向井井眼轨迹。定向井井眼轨迹有多种多样，常用的有两种，即三段制井眼轨迹和五段制井眼轨迹：（1）直、增、稳三段制井眼轨迹。最常用和最简单的井眼轨迹。造斜点较浅（可减少最大井斜角），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15?－45?。
（2）直、增、稳、降、稳五段制剖面
常用于靶点较深，水平位移较小，入靶点有井斜要求的定向井（小水平位移深定向井采用三段制井眼轨迹难控制）、多目标井等。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。
7
8
2．三维定向井井眼轨迹
三维定向井井眼轨迹指设计的井眼轨迹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。在实钻井眼偏离设计轨迹时要进行的纠偏设计也是三维设计。
五、井眼轨迹的设计
1．内容和步骤
（1）掌握原始资料，包括地质要求、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；
（2）确定井眼轨迹类型； （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。
定向井井眼轨迹设计方法有：查图法、作图法、解析法。国内目前普遍采用解析法。下面以五段制井眼轨迹为例，介绍井眼轨迹设计的计算方法
2．五段制（S 型）井眼轨迹设计计算
已知：
造斜点井深m H Z ,；
总垂深m H ,、总水平位移m A ,；
增斜率m K 100/,1?、降斜率m K 100/,2?； 降斜终点的井斜角?'',α；
降斜终点到目标点的垂深增量m H XZ ,。
解析法的关键在于推导出最大井斜角的计算公式。
11100
180K R ?=
π
2
2100
180K R ?
=
π 如图6-4所示，在直角三角形Kfg ?中，
9
2
)(2100
0m
m a
tg R R H A gj
ak aj A kg fg tga +-=--==
令021R R R =+则
2
000
m
m a
tg R H A tga -=
此式经过变换可得
图6-4 推导最大井斜角示意图
10
02
2)2(
)2(00200=+--A a
tg H a tg A R m m 0
00
02
0200222A R A R A H H a tg m --+±= 在定向井的具体条件下，上式根号前的符号应取负号，舍去正号，于是得
0002
0200222A R A R A H H a tg m --+-=
（6-7）
式中的000R A H 和、按下式计算： "sin 20αR H H H H z X z +?-－＝
（6-8） )"cos 1(20α-+?-=R A A A z X
（6-9）
210R R R +=
（6-10）
若给定条件，z X H ?则"αtg H A z X z X ?=? 对于公式（2－16），可作如下讨论：
当02002
020 A H A H -+时，表示剖面有稳斜段存在。
当02002020 A H A H -+时，
（2－16）式为虚根，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02002020 A H A H -+的情况。
当02002
020=-+A H A H 时，说明该剖面没有稳斜段。
对于没有稳斜段的剖面，即02002020=-+A H A H 时，公式可以大大简化，可选择下
述四公式中的任一个。
00
2
H A tg
m
=
α
000
A R H tg m -=
α
sin R H m =
α
11
0cos R A R m -=
α 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H ?）、水平位移增量（平增A ?）和段长L ?。
增斜段：
180
)cos 1(sin 111111m
m m R L R A R H απαα=
?-=?=? 第一稳斜段：
02
02
0222222sin cos A R A H L L A L H m
m -+=??=??=?αα
降斜段：
)
(180
)cos (cos )
sin (sin 232323ααπαααα''-=
?-''=?''-=?m m m R L R A R H 第二稳斜段：
2
2
XZ
XZ XZ XZ XZ H A L tg H A ?+?=?''?=?α
总井深：
XZ Z L L L L H L ?+?+?+?+=321
设计例1：某定向井设计全井垂深H=2500m ，总水平位移A ＝1380m ，要求垂深在1500m （1L H ）处，水平位移1L A =860~890m ，?=15"α
井口坐标：X ：4286107 Y ：20548829.9 井底坐标：X ：4286220
Y ：20549630
试设计成“S 型”井眼。
① 选定造斜点m H z 450=，增斜率m K 100/71?
=降斜率m K 100/42?=，
12
m H z x 300=?。
② 求设计方位角φ。
'58814286107
42862209
.20548829205496301
?=--=-tg φ
③ 求最大井斜角m α。
m K R 51.818100
18011=?=
π
m R 39.14321001802=?=
π
π
2120.731m
15sin 39.14323004502500=??+--=o H
1348.423m
)15cos 1(39.14321530013800=?-?+??-=tg A
m R R R o 90.225021=+=
423
.134890.22502423
.134891.22502423.1348731.2120731.21202221
-???-+-=-tg
m α
计算当'3254?=m α时，垂深1500m 处的位移1L A ：
m
tg R H H R A m
m Z L m L 753.881 tg54.53)sin54.53818.51-450-(1500)cos54.53-(1818.51 )sin ()cos 1(1111=????+??=?--+-=ααα
符合设计垂深1500m 处位移860~890m 的条件，故'3254?=m α是可取的。 ④ 各井段计算。 增斜段：
m H 66.66653.54sin 51.8181=?=? m
A 62.343 )53.54cos 1(51.8181=?-?=?
13
m
R L 085.779 18053.5451.818180
max 11=?
?=??=?π
π
α
稳斜段：
m L 377.495 423.134890.22502423.1348731.2120222=??-+=? m
L H 414.28753.54cos 377.495 cos max
22=??=??=?α
m A 475.40353.54sin 377.4952=??=?
降斜段：
m
H 93.795 )15sin 53.54(sin 39.14323=?-??=?
m
A 523.552 )53.54cos 15(cos 39.14323=?-??=?
m
L 4.988 180)1553.54(39.14323=??-??=?π
稳斜段：
m H XZ 300=?
m tg tg H A XZ XZ 385.801530015=??=???=? m L XZ 583.310=?
总井深：
m
L 44.3023 583
.3104.988377.495085.779450=++++=
整理计算结果得下表，井眼曲率校核略。
14
'
设计例2。三段制井眼轨迹设计
此种情况下第二稳斜段长度为0（可视为?H xz =0；?A xz =0），第二增斜段长度为0（可视为R 2=0），将这些条件代入式（6-7）—（6-10），即可求出三段制轨迹的设计最大井斜角，其他参数可根据最大井斜角求出。
设计例3。水平井井眼轨迹设计
见上图，此轨迹图与前述“S ”型井眼类似，差别仅在于R2用于增斜，此时仅需在式（6-7）—（6-10）中将R2用负值代入即可。
第三节、井眼轨迹测量计算
一、井眼轨迹测量
为了能知道实钻井眼是否和设计的井眼相一致，为了判断是否能钻达钻井目标，必须测定地下井眼的位置。而实际地下井眼的位置和实钻井眼轨迹是通过测量不同井深处的井斜角和方位角并利用下面将要介绍的计算方法来一一确定的。另外，为了给造斜器、射流钻头上的大喷嘴、偏心稳定器、弯接头或弯外壳在井下确定方向（简称定向），还需要测量工具面角。因此，实钻井眼轨迹的测量需要使用能够在井身不同深度测量井斜角、方位角及工具面角的测量仪器。井眼相对于地面井口的位置可以根据累积的测量结果计算出来。井眼轨迹测量的目的如下：
1．随钻监测实钻井眼轨迹以保证钻达既定目标。
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。
3．确保正钻进的井没有与附近已钻成的井相交的危险。
4．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．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．沿井身计算出井眼曲率以评价井身质量。
7．为完井工程提供井眼轨迹数据。
早在20年代，当发现许多所谓的直井实际上井眼偏斜达30O时，就开始进行油井测斜了。这些大斜度是造成某些早期油田钻遇许多干井的原因。最早的测斜仪器是氢氟酸瓶。它的测斜原理是：仪器内容器是玻璃圆筒，内装有氢氟酸。如果仪器在倾斜位置停留一段时间，则酸将与玻璃起反应并在圆筒面上留下指示水平的刻痕，据此刻痕可计算出井斜角。由于定向钻井的日益普遍，对测斜提出了更多、更高的要求。需要在不同井深测量井斜及方位并据此计算并绘制井口至井底的轨迹。后来出现了采用井下机械照相和电子照相装置进行测斜。60年代以后已具备了很好的测斜仪器及测斜方法。海上油田的开发由于钻井费用极高，而海上平台钻一口定向井测斜要占总钻井时间的10％。因此下入单点测斜仪测斜和造斜工具定向非常昂贵。这就对采用更加复杂的测斜仪器和方法如有线测斜及更为先进的无线测斜起到了刺激的作用。测斜技术的改进可以对井眼轨迹更好的了解。连续监测为定向钻井人员提供了可随时改变钻井参数以影响井眼方位角及井斜角的可能。
1．井斜和方位测量
如前所述，实钻井眼轨迹的测量实质上是井下井斜和方位的测量。根据不同的测量原理又有多种井斜方位测量仪。在实际的测斜仪器中，井斜和方位测量仪器是整套装在一个壳体里面，由电池、井下发电机或地面供电。测量工具用光滑的钢绳下入井内或在下钻时装在钻铤里面下入，也可从地面投入。某些陀螺测斜工具装在电缆上入井，这样可以在地面记录测量结果，并用电缆为仪器提供电能。干电池驱动的陀螺测斜工具装在细钢丝绳上入井。如果
15
16
测量工具装在靠近钻头的井底钻具里，并在钻进过程中进行测量，则称这种测量工具为随钻测量（MWD ）工具。
（1）．罗盘重垂式井斜方位测量
该种测斜仪测量井斜角基本技术原理是采用地球重力场、表面水平和悬垂原理，测量方位角是采用测量大地磁场水平分力方向的罗盘测量原理。图6-7是利用该原理的一种测斜仪的原理图：测角装置由一个装在充满透明液体的圆筒里的罗盘和测角装置构成。0?～20?测角装置（图6-7）包括一个摆动极为灵敏的测锤（1）、井斜角刻度盘 （2）和罗盘（3），井斜角刻度盘是一块刻有很多同心圆的光学玻璃片。测量时仪器轴线与井身轴线相重合，但测锤轴线永远为铅垂线。井斜角刻度盘上各同心圆刻度读数代表井斜角的大小。所以当带有十字丝的测锤投影到井斜角刻度盘上时，十字丝在同心圆刻度线上的读数就是井斜角。因为刻度盘是透明的玻璃，所以测锤还能投影到刻度盘下面的罗盘上，从而同时记录了井眼的方位角。根据所期望的井眼井斜角可选用刻度为0－10 O 、0－20 O 或15－90 O 的不同大小的测角装置以便于读出测量结果。在地面，将圆形底片从仪表筒内取出进行冲洗和读出结果。图6-8
所示为冲洗出的单点测斜仪像片的实例。要读出角度，应当自带有刻度圈的玻璃中心至摆的
图6-5 0?～20?测角装置
1—测锤；2—井斜角刻度盘；3—罗
盘
图6-6冲洗出的单点测斜仪像片实例。 10?角装置 50?角装置 井斜角：5.5?
井斜角：30? 方位角：N43?E
方位角：N38?W
十字线画一条直线。由中心向外至十字线数出圈数来求出井斜角，在圆形像片上环绕圆周的径向线之间插值求出方位角。
从磁性测斜仪像片上读出的结果必须进行磁偏角校正。应将全部测量结果用真方位记录下来。磁偏角大小依地理位置而定。还应注意到每个测点所记录的测深即为仪器进行测量的深度。所以为了求出测深必须知道仪器和井底或钻头之间的距离。
（2）．加速度计磁力计井斜方位测量
图6-7 安装在测斜仪器内的加速度计和磁通门
利用安装在测斜仪器内的加速度计和磁通门磁力计（见图6-7）可测量出x、y、z方向地球重力加速度分量，测量出x、y、z方向的地磁分量，并可由这些测量值计算出井斜角、方位角以及工具面角。
①加速度计
图2—2—1为位移式加速度计原理图，摆组件被支承在一对挠性簧片组上，每组由三片按120°分布的簧片组成。当沿输入轴有加速度输入时，摆组件相对于壳体发生位移，位移经电容式信号输出，再经伺服放大器在力矩器线圈形成恢复力矩。检测力矩器线圈电流的大小即可知加速度大小。
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图6-8 挠性加速度计示意图
②磁力计
磁通门磁力计（见图6-9）是基于磁调制原理，即利用被测磁场中铁磁材料磁心在交变磁场的饱和励磁下其磁感应强度与磁场强度的非线性关系来测量弱磁场的一种方法。
图6-9 双心磁通门示意图
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图6-10为双磁心探头的工作原理。磁心1和2彼此平行，它们处于同—磁场强度为H 。的被
测磁场中，励磁磁场在两磁心中方向相反。图6—10a 和b 分别为磁心的简化磁化曲线和励磁磁场的波形。当被测的磁场B0=0时，磁心的磁感应强度波形上下对称，则由探测线圈感应的谐波互相抵消，使总输出的电压为零。当沿磁心的轴向有被测磁场作用时，每个磁心所产生的交变磁感应强度在正负半周内的饱和程度不一样，它们产生一个不对称的梯形磁感应强度B1和B2，其相位差为180o，如图6—10c 所示。从而，当被测的磁场B0≠0时，磁心中总的磁感应强度将有一微变。从这里看到，探测线圈中的感应电动势，来源于探头磁心的视在磁导率随时间的变化。见图6—10d 。探测线圈中最后合成的输出电压见图6—10e 。将这个不对称的电压曲线进行谐波分析后，会看到它的二次谐波电压幅值与被测的磁场成正比，并且其相位也随被测的磁场极性而改变。
（3）．磁偏角与无磁钻
以地磁场为基础测量井眼方位的测量仪器要对真北极和磁北极之间的差进行修正。磁偏角是磁北极和真北极之间的夹角，该角随时间而变化，并取决于地理位置和地球的表面特征（见图6-11）。除了对真北极作修正外，使用磁测量工具时必须特别注意防止磁干扰的影响。这种干扰可能是由于紧靠钢钻铤引起的，也可能是由邻近的套管和具有磁性的地层所至。利用无磁钻铤可以把罗盘和罗盘上下的磁钢和磁场分开，并可防止对地磁场的干扰。所需要的
图6-10 双磁心磁探头的工作原理
a)磁心的磁化曲线 b)励磁磁场波形 c)磁感应强度曲线 d)磁导率曲线 e)探测线圈输出的电压波形
1、2—磁心1和2的波形
2
无磁钻铤数量取决于几个因素，包括井眼的方位和井斜角，和按照其纬度测出的井的地理位置。在高北纬区，分磁场强度很小，罗盘读数易受附近其它磁流的影响。因而应当下入较多的无磁钻铤将其它磁源的影响减至最底限度。可以利用图表（见图6-12）估算出应下入的无磁钻铤数量和钻铤内罗盘的位置。
图6-11地球水平磁场强度分布图
图6-12无磁钻铤长度确定
1区—18'钻铤曲线A 下；25'钻铤曲线B 下；30'钻铤曲线C 下；串联18'+25'钻铤曲线C 上；
2区—30'钻铤曲线A 下；60'钻铤曲线B 下（加找中器）；60'钻铤曲线C 下（近钻头稳定器）；90'钻铤曲线C 上； 3区—60'钻铤曲线A 下（加找中器）；60'钻铤曲线B 下（近钻头稳定器）；90'钻铤曲线C 下。
（4）．陀螺方位测量
在已下套管的井内使用磁性罗盘时，钢套管的影响会得出错误的测量结果。在附近有下过套管的井的裸眼井内测量时也会如此。丛式井平台上一口定向井初始造斜时，由于紧靠已下套管的各邻井使用磁性测斜仪是不可靠的。在这种情况下必须用不受磁场影响的陀螺罗盘代替磁罗盘。
三维多靶点深井轨迹控制技术 一、概况 QK18-2油田位于歧口区块，大大小小的断层很多，地层相当复杂。QK18-2油田分北块、南块、中块，主要钻探沙河街的油层，平台结构3X4，间距2.0X2.3m，结构北角358.9度，井身剖面全部为三维多靶点定向井，方位最大变化68度，井斜最大变化35.86度。平均井深3515.64米，最深井深3938.42米，靶区半径控制范围:50m。QK18-2平台分两次批钻方式，第一批钻5口井，第二批钻7口井。QK18-2平台全部钻三维定向井的第一个丛式井平台，是丛式井集束作业难度最大的一个平台之一。 二、井身设计 第一类定向井（P3、P4、P6）：平均井深在3247米左右，目的层为沙河街。 井身结构：17-1/2”井眼+12-1/4”井眼+8-1/2”井眼 第二类定向井（P1、P8）：平均井深在3919米左右，目的层为沙河街。 井身结构：26”井眼+17-1/2”井眼+12-1/4”井眼+8-1/2”井眼 四、平台槽口图和井位图
五、项目难点 1、深井作业安全问题。 2、克服摩阻，保证滑动钻进。 3、二次造斜，二次造斜点深，是否容易造斜，是否滑得动。 4、合理优化轨迹。 六、施工思路 大位移三维多靶点定向井最大的困难是如何克服摩阻，保证滑动钻进和井眼轨迹合理控制。在井眼轨迹需要调整时，能够及时的调整，如果各方面原因不能调整时，怎样合理的把困难有效的克服，顺利中靶，是我们工作的重点。 1、总结本地区各地层的漂移规律，合理利用地层的自然漂移规律，达到有效控制井眼轨迹的目的。 2、裸眼井段长，摩阻大，扶正器托压严重，不能滑动钻进时，在轨迹控制不失控的情况下，合理利用井身结构，把困难转移到下一个井段或改变钻具组合。 3、合理选择第二造斜点，合理选择造斜率。 4、从始至终，要准确的预测井眼轨迹。 5、合理选择马达弯角，使之能够满足井眼轨迹控制的需要。 6、优化井眼轨迹，降低作业难度。 七、井眼轨迹控制 下面以P8井为例介绍井眼轨迹控制技术，中间穿插其它井遇到特殊情况下的轨迹控制：1、26"井眼轨迹控制 26"井眼主要任务是防斜打直，做好防碰扫描。利用大钟摆钻具，轻压吊打，钻进至208米，投测多点起钻。钻井参数控制：钻压：0.5~2.5吨；排量：4200升/分；转速：80转/分；平均机械钻速：62.45米/小时。 2、17-1/2"井眼轨迹控制 钻具组合：17-1/2"PDC+9-5/8"AKO(1.5)+16-1/2"STB+8"F/V+8"NMDC1+8"MWD+8"NMDC1 +7-3/4"(F/J+JAR)+X/O+5"HWDP13 P8井17-1/2"井眼造斜，造斜点248米，按照设计轨迹开始造斜，平均机械钻速45米/小时，钻进至683米造斜结束。反扭角20~40度。17-1/2"井眼主要在平原组和明化段，可钻性好，钻进至1213米17-1/2"井眼结束。井眼轨迹控制较困难： 1）17-1/2"井眼的欠扶正器尺寸选择有限，只有16-5/8"和16-1/2"两种，几乎没有选择的余地。 2）降斜率0.5~1度/30米，漂移率0.4~1.5度/30米。 3）裸眼井段长，滑动困难。裸眼井段超过600米之后，摩阻大，钻具托压严重。 3、12-1/4"井眼轨迹控制 钻具组合： 12-1/4"PDC+9-5/8"AKO(1.15)+11-1/4"STB+8"F/V+8"NMDC1+8"MWD+8"NMDC+7-3/4"(F/J +JAR)+X/O+5"HWDP10 P8井三维多靶点定向井，12-1/4"井眼主要控制好井斜、方位，越靠近设计轨迹越好。轨迹控制原则是，12-1/4"井眼稳斜稳方位，把二次造斜点推迟到8-1/2"井眼，降低作业时间。轨迹控制原则从始而终贯穿12-1/4"井眼。12-1/4"井眼完钻原则是进入东营组50米下9-5/8"套管。明化镇地层的漂移规律：降斜率为0.2~0.5度/30米，漂移率-0.2~0.3度/30米；进入馆陶组，降斜率为0.1~0.3度/30米，馆陶底部井斜有微增斜趋势，增斜率0.1~0.5度/30米；方位较稳定。馆陶底部有微增斜趋势后，滑动钻进非常困难，这也是使用PDC钻头的缺点，采取划眼和降低钻压的方法控制井眼轨迹。12-1/4"井眼的困难是裸眼井段长，滑动困难，必
井眼轨道设计与轨迹控制培训教材习题集 四、简答题 1. 井眼轨迹的基本参数有哪些？为什么将它们称为基本参数？ 答：井眼轨迹基本参数包括：井深、井斜角、井斜方位角。这三个参数足够表明井眼中一个测点的具体位置。 2. 方位与方向的区别何在？请举例说明。井斜方位角有哪两种表示方法？二 者之间如何换算？ 答： 方位都在某个水平面上，而方向则是在三维空间内（当然也可能在水平面上）。 方位角表示方法：真方位角、象限角。 3. 水平投影长度与水平位移有何区别？视平移与水平位 移有何区别？答：水平投影长度是指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。水平位移是指轨迹上某点至井口所在铅垂线的距离，或指轨迹上某点至井口的距离在水平面上的投影。在实钻井眼轨迹上，二者有明显区别，水平长度一般为曲线段，而水平位移为直线段。 视平移是水平位移在设计方位上的投影长度。 4. 狗腿角、狗腿度、狗腿严重度三者的概念有何不同？答：狗腿角是指测段上、下二测点处的井眼方向线之间的夹 角（注意是在空间的夹角）。狗腿严重度是指井眼曲率，是井眼轨迹曲线的曲率。 5. 垂直投影图与垂直剖面图有何区别？ 答：垂直投影图相当于机械制造图中的侧视图，即将井眼轨迹投影到铅垂平面上；垂直剖面图是经过井眼轨迹上的每一点做铅垂线所组成的曲面，将此曲面展开就是垂直剖面图。 6. 为什么要规定一个测段内方位角变化的绝对值不得超 过180 实际资料中如果超过了怎么办？ 答：因为假设一个测段内方位角沿顺时针变化超过180° 时，沿逆时针其变化则小于180°，所以一个测段内方位角变化的绝对值不得 超过180°。实际资料中超过了，则可用如下方法计算： 当4- 4-1 > 180°时， △①i =O i -①i-1 -360 当①i-①i-i v -180 o时， △①i=O i-①i-i +360 o 7．测斜计算，对一个测段来说，要计算那些参数？对一个测点来说，需要
水平井 无论是定向井，还是水平井，控制井眼轨迹的最终目的都是要按设计要求中靶。但因水平井的井身剖面特点、目的层靶区的要求等与普通定向井和多目标井不同，在井眼轨迹控制方面具有许多与定向井、多目标井不同的新概念，需要建立一套新的概念和理论体系来作为水平井井眼轨迹控制的理论依据和指导思想。在长、中半径水平井的井眼轨迹控制模式的形成和验证过程中，针对不断出现的轨迹控制问题，建立了适应于水平井轨迹控制特点的几个新概念。 地质给出的水平井靶区通常是一个在目的层内以设计的水平井眼轨道为轴线的柱状靶，其横截面多为矩形或圆。可以把这个柱状靶看成是由无数个相互平行的法面平面组成，因此，控制水平井井眼轨迹中靶，与普通定向井、多目标井是个截然不同的新概念，主要体现是: 井眼轨迹中靶时进入的平面是一个法平面（也称目标窗口），但中靶的靶区不是一个平面，而是一个柱状体，因此，不仅要求实钻轨迹点在窗口平面的设计范围内，而且要求点的矢量方向符合设计，使实钻轨迹点在进入目标窗口平面后的每一个点都处于靶柱所限制的范围内。也就是说，控制水平井井眼轨迹中靶的要素是实钻轨迹在靶柱内的每一点的位置要到位（即入靶点的井斜角、方位角、垂深和位移在设计要求的范围内），也就是我们所讲的矢量中靶。 对一口实钻水平井，从造斜点到目的层入靶点的设计垂深增量和水平位移增量是一定的，如果实钻轨迹点的位置和矢量方向偏离设计轨道，势必改变待钻井眼的垂深增量和位移增量的关系，也直接影响到待钻井眼轨迹的中靶精度。水平井钻井工程设计中所给定的钻具组合是在一定的理论计算和实践经验的基础上得出的，随着理性认识的深化和实践经验总结，设计的钻具组合钻出实际井眼轨迹与设计轨道曲线的符合程度会不断提高。但是，由于井下条件的复杂性和多变性，这个符合程度总是相对的。实钻井眼轨迹点的位置相对于设计轨道曲线总是会提前、或适中、或滞后，点的井斜角大小也可能是超前、适中、或滞后。 实钻轨迹点的位置和点的井斜角大小对待钻井眼轨迹中靶的影响规律是：①实钻轨迹点的位置超前，?相当于缩短了靶前位移。此时若井斜角偏大，会使稳斜钻至目的层所产生的位移接近甚至超过目标窗口平面的位置，必将延迟入靶，且往往在窗口处脱靶。②轨迹点位置适中，?若此时井斜角大小也适中，是实钻轨迹与设计轨道符合的理想状态。但若井斜角大小超前过多，往往需要加长稳斜段，可能造成延迟入靶，或在窗口处脱靶。③轨迹点的位置滞后，?相当于加长靶前位移。此时若井斜角偏低，就需要提高造斜率以改变待钻井眼垂深和位移增量之间的关系，往往要采用较高的造斜率而提前入靶。 实践表明，控制轨迹点的位置接近或少量滞后于设计轨道，并保持合适的井斜角，有利于井眼轨迹的控制。点的井斜角偏大可能导致脱靶或入靶前所需要的造斜率偏高。实际上，水平井造斜段井眼轨迹控制也是轨迹点的位置和矢量方向的综合控制，这对于没有设计稳斜调整段的井身剖面更是如此。在实际井眼轨迹控制过程中，我们根据造斜段井眼轨迹控制的新概念和实钻轨迹点的位置、点的井斜角大小对待钻井眼轨迹中靶的影响规律，将造斜井段井眼轨迹的控制程度限定在有利于入靶点矢量中靶的范围内。也就是说，在轨迹预测计算结果表明有余地、并有后备工具条件时，应当充分发挥动力钻具的一次造斜能力，以提高工作效率，减少起下钻次数。
第24卷 第12期2008年6月 甘肃科技 Gansu S cience and Technolo gy Vol.24 N o.12 J un. 2008井眼轨道设计及监控软件的开发 王慕玮1,范海燕2 (1.新疆油田公司井下作业公司,新疆克拉玛依834000;2.新疆油田公司装备处,新疆克拉玛依834000) 摘 要:W PM S井眼轨道设计及监控软件实现了井眼二维轨道和三维轨道设计模型的统一,轨道设计参数关系明确,剖面类型任意组合,采用解析法对设计参数精确求解,且能任意求解轨道设计参数,克服了以往在三维井眼轨道设计中利用数值法等难以求解的缺点,能在极短时间之内设计出合理的井眼轨道。满足定向井、水平井、侧钻井、分支井及多目标井等各种类型的井眼轨道设计和随钻轨道设计的需要。 关键词:水平井;井眼;轨迹;设计;监控 中图分类号:T E242 1 井眼轨道的设计 1.1 二维井眼轨道模型 典型的二维井眼轨道形式如图1,二维井眼轨道设计一般模型如图2所示。(所有图进单栏,排版时将此句删掉) 设计模型不仅包含了常规的三段制(J型),五段制(S型)和双增型轨道,而且还可令直线段长度为零,由此组成多种轨道剖面型式。具有8个轨道设计变量,任意给定6个参数,即可判定方程是否含有解。在有解的情况下,可唯一确定另外2个设计参数。对8个变量,任选2个进行求解组合,可得到28种求解方式。 应用所建立的二维经验轨道设计模型和求解公式,开发了井眼轨道设计软件。在设计时,可作到灵活,快速,精确的设计,能满足用户多种设计需求,在实践中得到了很好的应用,同时也验证了模型的正确性和有效性。 1.2 三维井眼轨道模型 三维井眼轨道设计模型如图3。
第五章井眼轨道设计与轨迹控制 1．井眼轨迹的基本参数有哪些？为什么将它们称为基本参数？08 答： 井眼轨迹基本参数包括：井深、井斜角、井斜方位角。这三个参数足够表明井眼中一个测点的具体位置，所以将他们称为基本参数。 2．方位与方向的区别何在？请举例说明。井斜方位角有哪两种表示方法？二者之间如何换算？ 答： 方位都在某个水平面上，而方向则是在三维空间内（当然也可能在水平面上）。 方位角表示方法：真方位角、象限角。 3．水平投影长度与水平位移有何区别？视平移与水平位移有何区别? 答： 水平投影长度是指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。水平位移是指轨迹上某点至井口所在铅垂线的距离，或指轨迹上某点至井口的距离在水平面上的投影。在实钻井眼轨迹上，二者有明显区别，水平长度一般为曲线段，而水平位移为直线段。 视平移是水平位移在设计方位上的投影长度。 4．狗腿角、狗腿度、狗腿严重度三者的概念有何不同？ 答： 狗腿角是指测段上、下二测点处的井眼方向线之间的夹角（注意是在空间的夹角）。狗腿严重度是指井眼曲率，是井眼轨迹曲线的曲率。 5．垂直投影图与垂直剖面图有何区别？ 答： 垂直投影图相当于机械制造图中的侧视图，即将井眼轨迹投影到铅垂平面上；垂直剖面图是经过井眼轨迹上的每一点做铅垂线所组成的曲面，将此曲面展开就是垂直剖面图。 6．为什么要规定一个测段内方位角变化的绝对值不得超过180 ？实际资料中如果超过了怎么办？ 答： 7．测斜计算，对一个测段来说，要计算那些参数？对一个测点来说，需要计算哪些参数？测段计算与测点计算有什么关系？ 答： 测斜时，对一个测段来说，需要计算的参数有五个：垂增、平增、N坐标增量、E坐标增量和井眼曲率；对一个测点来说，需要计算的参数有七个：五个直角坐标值（垂深、水平长度、N坐标、E坐标、视平移）和两个极坐标（水平位移、平移方位角）。
水平井井眼轨迹控制 第一章水平井的分类及特点 (2) 第二章水平井设计 (4) 第三章水平井井眼轨迹控制基础 (8) 第四章水平井井眼轨迹控制要点 (13) 第五章水平井井眼轨迹施工步骤 (21)
第一章水平井的分类及特点 水平井的概念：是最大井斜角保持在90°左右（大于86°），并在目的层中维持一定长度的水平井段的特殊井（通常大于油层厚度的6倍）。 一、水平井分类 二、各类水平井工艺特点及优缺点
三、水平井的优点和应用 1、开发薄油藏油田，提高单井产量。
2、开发低渗透油藏，提高采收率。 3、开发重油稠油油藏，有利于热线均匀推进。 4、开发以垂直裂缝为主的油藏，钻遇垂直裂缝多。 5、开发底水和气顶活跃油藏，减缓水锥、气锥推进速度。 6、利用老井侧钻采出残余油，节约费用。 7、用丛式井扩大控制面积。 8、用水平井注水注气有利于水线气线的均匀推进。 9、可钻穿多层陡峭的产层。 10、有利于更好的了解目的层性质。 11、有利于环境保护。 第二章水平井设计 一、设计思路和基本方法： 简而言之，就是“先地下后地面，自下而上，综合考虑，反复寻优”的过程。
二、水平井靶区参数设计 与定向井不同，水平井的靶区一般是一个包含水平段井眼轨道的长方体或拟柱体。靶区参数主要包括水平段的井径、方位、长度、水平段井斜角、水平段在油藏中的垂向位置、靶区形状和尺寸。 1、水平段长度设计 设计方法：根据油井产量要求，按照所期望的产量比值（即水平井日产量是临近直井日产量的几倍），来求解满足钻井工艺方面的约束条件的最佳水平段长度值。约束条件主要有钻柱摩阻、扭矩，钻机提升能力，井眼稳定周期，油层污染状况等。 2、水平段井斜角的确定 应综合考虑地层倾角、地层走向、油层厚度以及具体的勘探开发要求。 βα±?=90H ，β为地层真倾角 当地层倾角较大而水平段斜穿油层时，则应考虑地层视倾角的影响，[])cos(90H H d tg arctg Φ-Φ-?=βα， d Φ为地层下倾方位角，H Φ为 水平段设计方位角 3、水平段垂向位置确定 油藏性质决定了水平段的设计位置。对于无底水、无气顶的油藏，水平段宜置于油层中部；对于有底水或气顶的油藏，水平段应尽量远离油水或气水边界；对于既有底水又有气顶的油藏，
SY/T6332 –1997 水平井轨迹控制技术 Bit tyajectory control technology for horizontal well 1 范围 本标准规定了水平井井眼轨迹控制技术的准备、施工、相关安全措施及资料的要求. 本标准适用于长、中半径水平井的施工。其它类型的特殊定向井亦可参照使用。 2 应用标准 下列标准所包含的条文，通过在本标准中引用而构成为本标准的条文。本标准出版时，所示版本均为有效.所有标准都会被修订，使用本标准的各方应探讨使用下列标准最新版本的可能性。 SY 5272-91 常规钻进安全技术规程 SY/T 5416-1997 随钻测斜仪测量规程 SY/T 5435-92 两维常规定向井轨道设计与轨迹绘图方法 SY 5472-92 电子陀螺测斜仪测量规程 SY 5547-92 井底动力钻具使用维修和管理 SY/T 5619-93 定向井下部钻具组合设计作法 3 定义 本标准采用下列定义。 3.1 广义调整井段generalized adjusting section
用于调整井眼轨迹的井段。可以是稳斜井段，也可以是曲率较小的增斜井段。 3.2 倒装钻具组合invert BHA 在钻大斜度井段和水平段时，为了给钻头加压，将部分重量较轻的钻具放到钻具组合下部，把钻铤、加重钻杆等较重的钻具放到直井段或较小井斜段的钻具组合。 3.3 中靶预测target prediction 根据实钻井眼轨迹到达的位置及方位，对中靶前待钻井眼的长度、位移、造斜率及方位调整量进行预测。 3.4 有线测量方式wireline survey method 特指在水平井施工中，采用有线测量仪分段测取大斜度或水平段已钻井段的轨迹所需的井斜、方位数据的测量方式。 4 井眼轨迹控制要求 4.1 直井段控制符合井身质量要求。 4.2 实际井眼轨迹到达靶窗时，在规定的靶窗内，其井斜、方位值还要满足在现有轨迹控制能力范围内确保轨迹在靶体中延伸的要求。 4.3 水平段轨迹应在设计要求的靶区范围之内。 5 准备 5.1 工具 5.1.1根据不同类型的水平井分别按附录A(标准的附录)和附录B （标准的附录）的要求准备。 5.1.2井底动力钻具的准备除符合SY 5547 的相关规定外，还应检
中文摘要 井眼轨迹的三维显示 摘要 本文介绍了国内外井眼轨迹三维显示技术的研究现状，归纳了常规二维定向井轨道设计原则和几种轨道类型的计算方法，以及井眼轨迹测斜计算的相关规定、计算模型假设和轨迹计算方法。从井位、井下测量和计算三个方面对井眼轨迹误差进行了讨论并简要说明了不同的井眼轨迹控制。在此基础之上，利用VB和MATLAB软件编制了井眼轨迹的三维显示软件，并简要介绍了该软件的设计流程、主要功能和难点处理，指出了软件的不足之处，展示了井眼轨迹三维绘图的所有运行界面，并附上软件说明书。最后，对井眼轨迹三维显示开发的研究方向进行了展望。 关键字井眼轨迹三维显示 MATLAB Visual Basic 轨迹计算轨道设计误差分析
重庆科技学院本科生毕业设计英文摘要 Abstract In this paper, at home and abroad well trajectory 3-D display technology of the status quo，Summarized the conventional two-dimensional directional well the track design principles and track several types of calculation method，And the well trajectory inclinometer terms of the relevant provisions, the model assumptions and trajectory calculation. From the wells, underground measurement and calculation of the three aspects of the well trajectory error was discussed and a brief description of the different well trajectory control. On this basis, using VB and MATLAB software produced a hole trajectory of the three-dimensional display software, and gave a briefing on the software design process, and difficulties in dealing with the main function, pointed out the inadequacy of the software, demonstrated the well trajectory 3-D graphics interface all the running, along with software manuals. Finally, the well trajectory 3-D display development direction of the prospect. Keyword:Well trajectory；3-D display；MATLAB ；Visual Basic；trajectory calculation ；trajectory design ；Error Analysis
水平井井眼轨迹控制技术 水平井井眼轨迹控制工艺技术是水平井钻井中的关键，是将水平井钻井理论、钻井工具仪器和施工作业紧密结合在一起的综合技术，是水平井钻井技术中的难点，原因是影响井眼轨迹因素很多，水平井井眼轨迹的主要难点是： 1．工具造斜能力的不确定性，不同的区块、不同的地层，工具造斜能力相差较大 2．江苏油田为小断块油藏，油层薄，区块小，一方面对靶区要求高，另一方面增加了目的层垂深的不确定性。 3．测量系统信息滞后，井底预测困难。 根据以上技术难点，需要解决三个技术关键： 1、提高工具造斜率的预测精度。 2、必须准确探明油层顶层深度，为入窗和轨迹控制提供可靠依据。 3、做好已钻井眼和待钻井眼的预测，提高井眼轨迹预测精度。 动力钻具选择 一、影响弯壳体动力钻具造斜能力的主要因素 影响弯壳体动力钻具的造斜能力的主要因素有造斜能力钻具结构因素和地层因素及操作因素三大类。其中主要的是结构因素，其次是地层因素。 （一）动力钻具结构因素影响 1．弯壳体角度对工具造斜率的影响 单双弯体弯角是影响造斜工具造斜能力的主要因素。 在井径一定情况下，弯壳体的弯角对造斜率的影响很大，随着弯壳体角度的增大，造斜率呈非线性急剧增大。 2．弯壳体近钻头稳定器对工具造斜率的影响。 弯壳体近钻头稳定器的有无，对工具造斜率影响很大。如Φ165mm1°15′有近钻头稳定器平均造斜率达到30°/100米，无近钻头稳定器平均造斜率仅为20°/100米左右，相差近50%。 如陈3平3井使1°30′Φ172mm不带稳定器单弯螺杆平均造斜率为25°/100米，井身轨迹控制要求，复合钻进后，滑动钻进，造斜率仅为16-20°/100米。 3．改变近钻头稳定器到下弯肘点之距离对工具造斜率的影响 通过移动下稳定器位置可以改变近钻头稳定器至下肘点之距离。上移近钻头稳定器可大大提高工具的造斜能力，并且在井径扩大程度较大的情况下，造斜能力的上升幅度比井径扩大较小时要大。 (二）松散地层对工具造斜率的影响 据分析可知，下部钻具组合的造斜能力主要取决于钻头侧向力，而钻头侧向力来源于近
第六章井眼轨迹设计与控制 第一次作业 1、已知某井的几个测段数据如下表所示（测段长均为30m），试计算每个测段的井眼曲率。分别用最小曲率法和空间曲线法计算，并加以对比。 解： 此处前二个测段采用的是最小曲率法，后二个测段的是采用空间曲线法。因此解题并不完整. （1）采用最小曲率法计算前二个测段井眼曲率 由公式：K=cos-1[cosαA cos B+sinαA sinαB cos(φB-φA)]*30/(L B-L A)（°/30m） 并注意到测段长均为30m，可得： 对于第一个测段：K=cos-1[cos35cos38+sin35sin38cos8]*30/30=5.62（°/30m）对于第二个测段：K=cos-1[cos25cos30+sin25sin30cos0]*30/30=5.00（°/30m） （2）采用空间曲线法计算后二个测段井眼曲率 由公式：Δα=αB-αA（°） αV=(αA+αB)/2（°） K=[Δα2+Δφ2sin2αV]1/2/ΔL*30（°/30m） 并注意到测段长均为30m，可得： 对于第三个测段： Δα=15-10=5（°） Δφ=80（°） αV=(10+15)/2=12.5（°） K=[52+802sin212.5]1/2/30*30=18.02（°/30m） 对于第四个测段： Δα=56-60=-4（°） Δφ=79（°） αV=(60+56)/2=58（°） K=[（-4）2+792sin258]1/2/30*30=67.12（°/30m） 答：该四个测段的井眼曲率依次为5.62°/30m、5.00°/30m、18.02°/30m、67.12°/30m。
–1997 水平井轨迹控制技术 Bit tyajectory control technology for horizontal well 1 范围 本标准规定了水平井井眼轨迹控制技术的准备、施工、相关安全措施及资料的要求. 本标准适用于长、中半径水平井的施工。其它类型的特殊定向井亦可参照使用。 2 应用标准 下列标准所包含的条文，通过在本标准中引用而构成为本标准的条文。本标准出版时，所示版本均为有效.所有标准都会被修订，使用本标准的各方应探讨使用下列标准最新版本的可能性。 SY 5272-91 常规钻进安全技术规程 SY/T 5416-1997 随钻测斜仪测量规程 SY/T 5435-92 两维常规定向井轨道设计与轨迹绘图方法 SY 5472-92 电子陀螺测斜仪测量规程 SY 5547-92 井底动力钻具使用维修和管理 SY/T 5619-93 定向井下部钻具组合设计作法 3 定义 本标准采用下列定义。 3.1 广义调整井段 generalized adjusting section 用于调整井眼轨迹的井段。可以是稳斜井段，也可以是曲率较小的增斜井段。 3.2 倒装钻具组合 invert BHA 在钻大斜度井段和水平段时，为了给钻头加压，将部分重量较轻的钻具放到钻具组合下部，把钻铤、加重钻杆等较重的钻具放到直井段或较小井斜段的钻具组合。 3.3 中靶预测 target prediction 根据实钻井眼轨迹到达的位置及方位，对中靶前待钻井眼的长度、位移、造斜率及方位调整量进行预测。 3.4 有线测量方式 wireline survey method
特指在水平井施工中，采用有线测量仪分段测取大斜度或水平段已钻井段的轨迹所需的井斜、方位数据的测量方式。 4 井眼轨迹控制要求 4.1 直井段控制符合井身质量要求。 4.2 实际井眼轨迹到达靶窗时，在规定的靶窗内，其井斜、方位值还要满足在现有轨迹控制能力范围内确保轨迹在靶体中延伸的要求。 4.3 水平段轨迹应在设计要求的靶区范围之内。 5 准备 5.1 工具 5.1.1根据不同类型的水平井分别按附录A(标准的附录)和附录B（标准的附录）的要求准备。 5.1.2井底动力钻具的准备除符合SY 5547 的相关规定外，还应检测弯外壳体井下马达的弯曲角度。 5.1.3除反向双弯外壳体井下马达外，其它弯外壳体井下马达的下稳定器推荐采用偏心稳定器。 5.2 测斜仪器 斜测仪器应符合SY/T 5416 和 SY 5472 相关的规定。 5.3 资料 5.3.1 水平井钻井设计。 5.3.2 收集同地区完钻井的有关资料。 6 施工 6.1 直井段 6.1.1 配钻井液开钻。 6.1.2 采用防斜钻具组合钻进。 6.1.3 不允许使用刮刀钻头。 6.1.4 钻进中用单点测斜仪监测井斜、方位，钻完后测量全井段的多点数据。 6.1.5 有磁干扰的井段应使用陀螺测斜仪进行测量。 6.1.6 丛式井直井段作水平局部放大图，及时采取防碰措施。 6.2 定向增斜段 6.2.1 要点 6.2.1.1 定向时，合理确定装置角。 6.2.1.2 参照同地区方位漂移规律合理确定方位提前量。 6.2.1.3 使用随钻测斜仪。在有磁干扰的情况下，采用陀螺测斜仪。6.2.1.4 施工中，根据测量数据及时作出实钻轨迹图，与设计轨道进行对比，指导井眼轨迹控制。
. 第五章井眼轨道设计与轨迹控制 1．井眼轨迹的基本参数有哪些？为什么将它们称为基本参数？08 答： 井眼轨迹基本参数包括：井深、井斜角、井斜方位角。这三个参数足够表明井眼中一个测点的具体位置，所以将他们称为基本参数。 2．方位与方向的区别何在？请举例说明。井斜方位角有哪两种表示方法？二者之间如何换算？ 答： 方位都在某个水平面上，而方向则是在三维空间内（当然也可能在水平面上）。 方位角表示方法：真方位角、象限角。 方位线位置真方位角与象限角关系 真方位角＝象限角第一象限 真方位角＝180°第二象限－象限角 真方位角＝180°＋象限角第三象限 －象限角360°真方位角＝第四象限 水平投影长度与水平位移有何区别？视平移与水平位移有何区别．?3 答：水平投影长度是指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。水平位移是指轨迹上某点至井口所在铅垂线的距离，或指轨迹上某点至井口的距离在水平面上的投影。在实钻井眼轨迹上，二者有明显区别，水平长度一般为曲线段，而水平位移为直线段。视平移是水平位移在设计方位上的投影长度。 4．狗腿角、狗腿度、狗腿严重度三者的概念有何不同？答：狗腿角是指测段上、下二测点处的井眼方向线之间的夹角（注意是在空间的夹角）。狗腿严重度是指井眼曲率，是井眼轨迹曲线的曲率。 ．5 垂直投影图与垂直剖面图有何区别？答：垂直投影图相当于机械制造图中的侧视图，即将井眼轨迹投影到铅垂平面上；垂直剖面图是经过井眼轨迹上的每一点做铅垂线所组成的曲面，将此曲面展开就是垂直剖面图。 6．？实际资料中如果超过了怎么办？180 为什么要规定一个测段内方位角变化的绝对值不得超过答： 测斜计算，对一个测段来说，要计算那些参数？对一个测点来说，需要计算哪些参数？测段计算与测7．点计算有什么关系？答：坐标增量和井眼曲率；测斜时，对一个测段来说，需要计算的参数有五个：垂增、平增、N坐标增量、E 坐标、视平移）对一个测点来说，需要计算的参数有七个：五个直角坐标值（垂深、水平长度、E坐标、N 和两个极坐标（水平位移、平移方位角）。. .
水平井井眼轨道控制 班级：采油60901 学号：200962276 序号：4 姓名：蒋凯 指导老师：卢林祝
在长、中半径水平井的井眼轨迹控制模式的形成和验证过程中，针对不断出现的轨迹控制问题，建立了适应于水平井轨迹控制特点的几个新概念。 一、水平井的中靶概念 地质给出的水平井靶区通常是一个在目的层内以设计的水平井眼轨道为轴线的柱状靶，其横截面多为矩形或圆。可以把这个柱状靶看成是由无数个相互平行的法面平面组成，因此，控制水平井井眼轨迹中靶，与普通定向井、多目标井是个截然不同的新概念，主要体现是: 井眼轨迹中靶时进入的平面是一个法平面（也称目标窗口），但中靶的靶区不是一个平面，而是一个柱状体，因此，不仅要求实钻轨迹点在窗口平面的设计范围内，而且要求点的矢量方向符合设计，使实钻轨迹点在进入目标窗口平面后的每一个点都处于靶柱所限制的范围内。也就是说，控制水平井井眼轨迹中靶的要素是实钻轨迹在靶柱内的每一点的位置要到位（即入靶点的井斜角、方位角、垂深和位移在设计要求的范围内），也就是我们所讲的矢量中靶。 二、水平井增斜井段井眼轨迹控制的特点及影响因素 对一口实钻水平井，从造斜点到目的层入靶点的设计垂深增量和水平位移增量是一定的，如果实钻轨迹点的位置和矢量方向偏离设计轨道，势必改变待钻井眼的垂深增量和位移增量的关系，也直接影响到待钻井眼轨迹的中靶精度。 水平井钻井工程设计中所给定的钻具组合是在一定的理论计算
和实践经验的基础上得出的，随着理性认识的深化和实践经验总结，设计的钻具组合钻出实际井眼轨迹与设计轨道曲线的符合程度会不断提高。但是，由于井下条件的复杂性和多变性，这个符合程度总是相对的。实钻井眼轨迹点的位置相对于设计轨道曲线总是会提前、或适中、或滞后，点的井斜角大小也可能是超前、适中或滞后。 实钻轨迹点的位置和点的井斜角大小对待钻井眼轨迹中靶的影响规律是： ①实钻轨迹点的位置超前，相当于缩短了靶前位移。此时若井斜角偏大，会使稳斜钻至目的层所产生的位移接近甚至超过目标窗口平面的位置，必将延迟入靶，且往往在窗口处脱靶。 ②轨迹点位置适中，若此时井斜角大小也适中，是实钻轨迹与设计轨道符合的理想状态。但若井斜角大小超前过多，往往需要加长稳斜段，可能造成延迟入靶，或在窗口处脱靶。 ③轨迹点的位置滞后，相当于加长靶前位移。此时若井斜角偏低，就需要提高造斜率以改变待钻井眼垂深和位移增量之间的关系，往往要采用较高的造斜率而提前入靶。 实践表明，控制轨迹点的位置接近或少量滞后于设计轨道，并保持合适的井斜角，有利于井眼轨迹的控制。点的井斜角偏大可能导致脱靶或入靶前所需要的造斜率偏高。实际上，水平井造斜段井眼轨迹控制也是轨迹点的位置和矢量方向的综合控制，这对于没有设计稳斜调整段的井身剖面更是如此。 在实际井眼轨迹控制过程中，我们根据造斜段井眼轨迹控制的新
云南化工Yunnan Chemical Technology Mar.2018 Vol.45，No.3 2018年3月第45卷第3期 1 井眼轨迹控制技术 我们主要根据某一台井，其中5口定向井以及1口水平井。1）对这6口井来说，其造斜点是比较高的，而且地层比较软，在进行下钻的过程中，倾斜的地方就会非常容易出现由于发生阻碍二采区划眼手段，这样就容易形成新的井眼；2）对于底层的深度大于1000m的井而言，其成岩的性质是比较差的，这时候需要注意防止坍塌现象的出现，并且避免粘附性卡钻；当钻进等操作遇到不是非常平整的面的时候，这时候必须要注意防止倾斜以及防止泄露；3）对于下部地层来说，其地质情况是相对比较复杂的，而且可钻性是非常差的，这样就会容易出现坍塌以及泄露的情况。4）对于目的层而言，其中靶的半径大概是30m，因此对中靶的质量要求还是比较高的，这时候应该对井眼的轨迹进行严格的控制，如果有必要可以对作业的方位进行调整，如果井是比较深的，就必然会将施工难度增加。 2 对钻具组合进行设计 对于从式井钻井的钻具来说，通常采取的就是井下动力钻具，并且根据MWD将钻测量以及动力钻具组合起来提供导向。 对于钻井系统，通常采取的技术就是滑动导向复合钻井技术，不仅可以非常轻松的实现定向以及增斜的目的，还可以轻松的实现稳斜以及降斜的目的。在对井眼轨迹的实际情况进行参考之后可以对轨迹进行必要的调整，这样不仅可以将井的倾斜角降低，将定向速度提升上去，还可以将扭方位的次数降低下去。 3 井眼轨迹控制技术 3.1 直井段 对于定向井以及水平井直井来说，在对井身的轨迹进行控制的主要原则就是防止斜打直。当直井段并不是非常直得时候，钻井过程中钻到造斜点时，在这个地方会存在一定的井斜角，这对定向造斜是不是可以顺利的完成具有直接影响，而且位于上面部分的井斜所产生的位移也会对下一步井身轨迹控制造成一定的影响。如果在造斜点的位移小于零，为了能够满足实际的设计需求，在进行实际的施工过程中应该进行更大的造斜率以及更大的井斜角度；但是如果位移大于零，需要操作的与上述情况相反。如果在造斜点的位移是朝着所设计的方向两侧有所偏移，就会由原来的二维定向井变成三位定向井，而且在接下来的井身轨迹过程中也会产生一定的困难。对于丛式井而言，如果在直井段发生一定的井斜，会非常容易产生由于从式井里面的两口定向井的直井段的井眼发生相互碰撞而产生一定的安全事故，不仅会让新的井眼报废，也会让原来的井眼破坏。如果在直井段防斜打直已经与钻好的井发生相互碰撞时，为了在这种情况也可以顺利进行，通常采取的措施就是通过利用井下动力钻具，MWD随着钻侧斜仪与动力钻具的导向钻井技术相互配合。 3.2 造斜段 对于造斜段而言，其主要的特点就是造斜点比较高，而且地层也是比较软的，在向下钻进的过程中在造斜段会非常容易发生由于遭遇阻碍而采取划眼手段，这时候就会非常容易出现重新钻出来的井眼。因此在进行下钻或者是通井的过程中，如果遭遇阻碍，应该马上采取划眼的方式从而避免出现新的井眼。在进行造斜的过程中通常会采取滑动钻进同旋转钻进相互结合的方式并且缓慢的进行增斜，并且在已经规定好的造斜率进行造斜。为了确保井眼的轨迹是非常平滑的，对造斜率而言所遵循的方式应该是先低后高，对井眼的轨迹进行严格的控制，这样可以减少过大的不平衡情况。 4 结语 当从式井组的井槽位置已经确定以后，相关工作人员可以将位移大的井放在外围，位移小的井放置于内部。对于定向井而言，通常可采用井下动力钻具完成多种滑动导向符合钻井工序，通过上提造斜点、降低井斜角以及提升定向速度等措施延长稳斜段、缩短降斜断。 参考文献： [1] 蒋维.石油钻井工艺技术优化[J].云南化工,2017,44(12):77-78. [2] 党文辉,张文波,刘颖彪,等.金龙2井区复杂地层水平井井眼方 位优化探讨[J].钻采工艺,2015(5):99-101. [3] 何秋延.塔里木油田钻井过程中的安全管理措施[J].云南化 工,2017,44(12):84+86. 收稿日期：2018-1-22 作者简介：边跃龙，中石化中原石油工程有限公司技术公司。 doi：10.3969/j.issn.1004-275X.2018.03.131 浅析复杂地层钻井井眼轨迹控制技术 边跃龙 （中石化中原石油工程有限公司技术公司，河南 郑州 450000） 摘 要：主要针对钻井过程中遇到的一些比较复杂的地层特点以及轨迹控制的难点进行了介绍，对不同井段轨迹数据以及轨迹控制的难点进行了分析、对不同井眼轨迹控制技术进行了研究，还对各项钻井参数进行优化、对井深的轨迹进行了合理的控制，这样可以很好的达到施工标准。因为选择了比较好合适的井眼轨迹控制技术，所以可以很好的将轨迹的控制能力提升上去。 关键词：大位移钻井；底部钻具组合；轨迹控制 中图分类号：TE242 文献标识码：B 文章编号：1004-275X（2018）03-169-01 ·169·
Mine Engineering 矿山工程, 2016, 4(4), 144-148 Published Online October 2016 in Hans. https://www.doczj.com/doc/b715052737.html,/journal/me https://www.doczj.com/doc/b715052737.html,/10.12677/me.2016.44022 文章引用: 张瑞平, 高飞, 许倩, 郑红军, 蒋天涯, 苗青. 水平井井眼轨迹控制误差分析[J]. 矿山工程, 2016, 4(4): Error Analysis of Horizontal Well Path Control Ruiping Zhang 1, Fei Gao 2, Qian Xu 1, Hongjun Zheng 1, Tianya Jiang 1, Qing Miao 1 1CNPC Xibu Drilling Directional Drilling Technology Services Company, Urumqi Xinjiang 2 Xinjiang Oil Field Co. Development Corporation, Karamay Xinjiang Received: Sep. 30th , 2016; accepted: Oct. 14th , 2016; published: Oct. 19th , 2016 Copyright ? 2016 by authors and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). https://www.doczj.com/doc/b715052737.html,/licenses/by/4.0/ Abstract With many new directional wells and horizontal wells (such as Multilateral wells, Cluster wells, ERW, SAGD, Fire Flooding wells) application, the geological environment is becoming more com-plex. The accuracy requirement of monitoring and controlling the trajectory of horizontal well in drilling is higher and higher, especially in the old wells and ultra dense marginal reservoirs wells. Due to the environment, the precision of the instrument, the change of the magnetic field, and so on, the influence of the factors on the measuring instrument in the measuring process is measured. So there is deviation between the real drilling trajectory and design trajectory. By recognizing the importance of measuring instrument error on trajectory control, this error can be reduced in slim hole trajectory control, and it also can improve the control precision of the well trajectory. It can reduce the risk of well drilling and improve the accuracy of the target. It has great realistic signi-ficance to field operation. Keywords Trajectory Control, Horizontal Well, Measurement Error, SAGD 水平井井眼轨迹控制误差分析 张瑞平1，高 飞2，许 倩1，郑红军1，蒋天涯1，苗 青1 1中国石油西部钻探定向井技术服务公司，新疆 乌鲁木齐 2 新疆油田公司开发公司，新疆 克拉玛依 Open Access