本科毕业论文水平井井眼轨迹确定方法研究

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1、东北石油大学本科生毕业设计（论文）摘 要随着钻井技术的发展，水平井的应用也越来越广泛，同普通竖井相比，水平井有着诸多优点。通过查阅资料以及相关知识的学习，做出了比较浅显的水平井井眼轨迹的设计。 水平井钻井施工常受到地下复杂地质条件、井下仪器安全要求、工具造斜率能力，入靶条件等因素的限制.在水平井实际施工过程中，往往需要对原轨道设计进行优化，使之能够更加符合现场实际施工要求.又好又快的完成施工。优化设计技术在油田实 际水平井施工中，得到了广泛的运用，取得了很好的效果。大大提高了水平井施工的成功率。合理的井眼轨道设计是成功控制井眼轨道的关键。准确、快速、合理地设计多约条件下的三维井眼轨道是人们期待

2、解决的问题。文中建立了给定目标点位置和井眼方向的三维轨道设计的一般数学模型，利用矢量分析理论得到了约束变量间的解析表达式和井眼轨道计算式。这种方法避免了求解多维非线性方程组，设计计算简单、精确。应用该模型成功地解决了复杂的多约束条件下的三维井眼轨道设计这一难题， 具有普遍适用性，可广泛用于设计各种类型水平井、定向井和多目标井，为井眼轨道控制提供了更为准确的理论依据。关键词：水平井；三维井眼轨道；设计；数学模型；精确解 AbstractThe horizontal well drilling often complicated by the underground geological cond

3、itions， mine safety requirements for equipment，tools，ability to create the slope，into the target conditions and other factors.Horizontal well in the actual construction process，often need to optimize the design of the original track，to enable more in line with the actual construction site requiremen

4、ts.Fast completion of construction .Optimal design of horizontal wells in Oil Field actual construction ，has been widely used and achieved very good results. Greatly improved the success rate of construction of horizontal wells .Abstract ：the reasonable success of well trajectory design is the key t

5、o control the well trajectory.Accurate，fast，rational design of more than about three-dimensional hole under the track is to be expected to solve the problem .The paper established the position of a given target point and the direction three-dimensional borehole general mathematical modal of track de

6、sign，vector analysis theory has been constrained variables and the analytical expression of well trajectory formula. This method avoids the solution of multidimensional equations，design solve complex multi-dimensional constraint conditions of the well trajectory design problem has general applicabil

7、ity，can be widely used in the design of various types of horizontal wells，directional wells and multi-target well，the borehole Orbit control provides a more accurate theoretical basis.Key words：horizontal wells； three well trajectory；design；mathematical model；exact solution目 录第1章 概述1 1.1课题研究的背景、目的及意

8、义1 1.2 国外水平井井眼轨迹设计发展状况2 1.3 研究的主要内容4第2章 水平井的基本概念及井眼轨迹的基本参数5 2.1 水平井的基本概念5 2.2水平井井眼轨迹的基本参数5第3章 水平井井眼轨迹设计的影响因素及原则9 3.1水平井井眼轨迹设计的影响因素9 3.2 水平井井眼轨迹设计的原则10第4章 井眼延伸方向预测及轨迹控制原则12 4.1井眼轨迹预测依据12 4.2 井眼轨迹控制原则13第5章 水平井井眼轨迹描述方法16 5.1井眼轨迹图示法16 5.2 井眼轨迹计算方法18 5.3 井眼轨迹描述与地层关系21第6章 二维轨道设计模型及其精确解23 6.1 问题的提出23 6.2 设

9、计模型24 6.3模型求解25 6.4 应用26 6.5 关于二维条件下水平井井眼轨迹设计的优点27第7章 三维轨道设计28I 7.1 问题的提出28 7.2 数学模型建立29 7.3 井眼轨道计算31 7.4 计算模型的应用32 7.5 关于三维条件下水平井经验轨迹设计的优点33结 论34参考文献35致 谢37II第1章 概述1.1课题研究的背景、目的及意义水平井钻井涉及许多关键技术，轨道设计是其 中之一，它直接影响水平井的经济效益及成败。有人认为水平井轨道设计只是简单的几何问题，这种观点是完全错误的。实际上，水平井轨道的优化设计必须综合考虑油藏、钻井、采油的具体条件，涉及流体力学、渗流力学

10、、岩石力学、管柱力学等多学科。水平井轨道优化设计就是能够优质、快速、低成本地完成钻井作业，并且能最大限度地提高水平井产能。常见的两维水平轨道有单增和双增轨道两种。对于单增水平井来说，需确定的参数有造斜点井深、造斜率、水平段长、方位角和目标段的稳斜角，上述参数中可根据地层及造斜工具确定造斜点井深和造斜率第一稳段井斜角可根据造斜工具和油藏位置来确定因此直接影响水平经济效益关系到水平井成败只有三个参数：即水平段长度方位角和目标段井斜角，所谓水平井轨道优化设计也就是如何确定这三个参数。水平井钻井技术是在定向井技术基础上发展起来的一项钻井新技术。由于定向井水平井能够扩大油气层裸露面积，对于提高油气井单井

11、产量，油气采集率效果显著，特别是对于薄层油气藏，高压低渗油藏以及井间剩余油等特殊油气藏。应用水平井开发具有明显的优势，所以水平井技术已经成为当今重要的钻井技术。今后也必将作为勘探开发的重要技术得到进一步发展。针对油气井发生损坏甚至报废不断增加的情况以及降低钻井投入的实际需要，老井的修复和侧钻将不断受到重视，水平井作为提高油气开发效率的重要手段在侧钻井中将会得到新的发展。与此同时，超短半径水平井，径向水平井也将会取得新的进展以及形成配套技术，为老井修复，死井俘获提供重要技术支持。针对油气井发生损坏甚至报废不断增加的情况以及降低钻井投入的实际需要老井的修复和侧钻将不断受到重视，水平井作为提高油气开

12、的的效率的重要手段。在侧钻井中将会得到新的发展与此同时超短半径水平井径向水平井也将会取得新的进展以致形成配套技术，为老井修复，死井复活提供重要技术支持。1.2 国内外水平井井眼轨迹设计发展状况国外水平井钻井技术始于20世纪30年代，发展于80年代，特别是经过近10多年的迅速发展，使其水平井钻完井工艺技术较为完善，专用工具、仪器完善配套。并将水平井技术作为开发油藏的常规技术广泛推广应用。水平井完钻优化设计技术、井眼轨迹控制技术、下部钻具组合优选、确保施工安全和防止油层污染的钻井液完井液技术、组合完井工艺技术、大扭矩多级马达、可控弯接头、变经稳定器、水力加压器、高效PDC钻头、MWD和LWD仪器等

13、一大批先进的工艺技术、工具和仪器在水平井钻井中广泛应用，创造多项水平井井深、水平位移、水平段长度和水平井施工周期等世界纪录。同时，由于水平井的普遍应用，使原油产量和采收率得意提高，原油成本降低，取得显著的经济效益。进入20世纪90年代以来，世界水平井轨道设计以更快的速度推广和普及，成为提高油田勘探开发综合效益的重要途径。1990年国外钻成水平井1290口，是1989年的5.2倍；1995年钻成水平井2590口，又比1990年增加了一倍以上。在1990-1995年的6年中，世界上共钻成水平井12590口，是1984-1989的6年中所钻水平井总数的近15倍。据国外某公司介绍，截止1994年美国所

14、钻的7000余口井中，中半径，长半径、短半径水平井各占有88%，9%和3%。在以前的油气勘探开发过程中，定向井技术的运用比较广泛，并发挥着重要作用，随着技术研究的突破，水平井钻井技术取得了较快的发展并逐渐得到了广泛的应用。油田水平井钻井技术在油气勘探开发中具有显著的优势，它能够扩大油气层裸露面积，不仅能够提高油气井的产量，还能够显著提高油气采收率的效果，是现在运用得比较广泛的钻井技术，由于其优势明显，在将来的油气勘探开发中，该技术会取得进一步发展，并将得到更为广泛的运用。水平井钻井技术是上世纪80年代国际石油界迅速发展，并日益完善的一项综合技术，它包括水平井油藏工程和优化设计技术、水平井井眼轨

15、道控制技术、水平井钻井液与油层保护技术、水平井测井和水平井完井技术等一系列重要技术，它综合了多种学科的一些先进技术成果。由于水平井钻井主要以提高老油区、薄油层、边际油区等油气产量或油气采收率为根本目标，所以，已经投产的水平井绝大多数带来了十分巨大的经济效益，因此水平井技术被誉为石油工业发展过程中的一项“重大突破”。近日，由我国第二大油田胜利油田钻井工程技术公司所属单位完成的分支水平井TK908DH井顺利完钻，并创出了我国分支水平井5239.88米的最深新记录，标志着我国分钻井技术跨人世界先进行列。70年代末到80年代，我国新发现的大多数油气地质储量，基本上都是边缘地区低压，低渗透油藏和稠油藏，

16、采用常规方法开采已变得很不经济;处于开发中后期的东部老油田含水上升问题非常突出，严重影响油气产量。开发剩余可开采储量己成为当务之急。但薄油层、低压渗透油层采用常规方法开采所带来的高投入和低产出已成为不可忽视的问题。国外的实践证明，水平井技术正是解决这些问题的重要涂径。油田水平井钻井技术现状分析经过多年的技术攻关与推广运用，油田水平井钻井技术取得了发展和进步，具体表现在以下几个方面1：（1）超薄油层水平井钻井技术。该技术改变了运用常规的水平井技术难以实现对超薄油层有效开发难情况，它的运用，大大推动了超薄油层的有效开发，目前该技术已经较为成熟；（2）大位移井钻井技术。该技术主要运用于“海油陆采”钻

17、井，在井身轨道设计和轨迹控制上采用了悬链线剖面，保证了施工的顺利进行，取得了良好的效果；（3）欠平衡水平井钻井技术。在欠平衡井中运用水平井钻井技术能够达到更好的开发效果，但是增加了钻井难度。经过对相关技术改造之后，形成了配套钻井技术，取得了良好的开发效果；（4）分支井钻井技术。该技术起步较早，经过技术攻关和研究，该技术越来越成熟，并取得良好的开采效果；（5）丛式水平井钻井技术。该技术能够大幅度提高钻井效益和勘探开发效益。一些油田运用该技术也取得了良好的效益，显著的提高了钻井的综合效益；（6）其它技术。除了上述技术之外，油田水平井钻井技术还包括：“小井眼水平井钻井技术：复合大井眼水平井井钻井技术

18、、阶梯式水平井钻井技术、井间剩余油开发技术、双井连通水平井钻井技术、短半径、超短半径水平井技术。这些技术在实际运用中发挥各自的作用，并且随着技术的攻关和研究运用，这些技术取得在实际运用中发挥各自的作用，并且随着技术的攻关和研究运用，这些技术取得了不断的进步，在油气勘探开发中发挥越来越重要的作用，收到的效果也更加显著。油田水平井钻井技术发展趋势通过分析油山泉平井钻井技术的现状，并结合当前水平井技术研究的实际情况，可以预知该技术将来的发展趋势2：（1）FEWD、LWD的应用将更广泛。经过多年的勘探开发，大型整装油田已经投 入了开发，在开发中，如果使用直井技术或者常规定向井技术，开发所收到的效果往往

19、不佳，一些地区存在着大量薄油层储量，在开发这些薄油层的工作中，为了找到油层，保证油层的钻穿率，必须采用随钻地层储量评价技术，而FEWD、LWD是实现油田精细开发的重要保证，在将来油气勘探中必将有着更为广泛的运用；（2）大位移水平井钻井技术将得到发展。该技术主要适用于海岸油田的开发，在这些地区进行油气资源开发，由于水深比较浅，海上钻井平台不能适用，运用滩涂人工岛的投资太大，并且存在着巨大的风险。而大位移水平井钻井技术正好适应了这些地区油气资源的开发，必将得到更为广泛的运用；（3）旋转导向钻井技术会取得突破。该技术是位移井的核心技术，也是当今世界先进的钻井技术，随着技术的公关和突破，该技术将逐渐被

20、运用到勘探开采实际工作中，并将形成配套技术，海油陆采、海上平台钻井是该技术的主要运用领域；（4）深层水平井钻井技术将得到新的发展。油田的勘探开发将从浅、中深井向深 井、超深井方向发展，尤其是对于采用直井开发效果比较差的儒，水平井技术会得到 更加广泛的运用。要想推广水平井技术，必须在耐高温、耐高压、测量处理技术等方面取得重要进展，并且形成配套技术的情况下才能推广和运用，并且测量控制技术是将来发展的重点方向；（5）分支水平井技术将有的新的进展，该技术既能够提高单井产量，又能够提高钻井的综合效益，它在现场试验和运用的基础上，必将取得新的发展，并形成配套技术，该技术未来重点的攻关方向是进一步提高完井级

21、别；（6）开窗水平井将得到更普遍应用。由于油气井会发生损坏甚至出现报废现象，为了保证勘探开发工作的顺利进行，对老井进行修复和侧钻将会受到不断的重视，水平井在侧钻井中将会有新的发展，并为老井修复、死井复活提供技术支持； （7）多井联合SAGD开发将会普遍应用。实际运用表明，该技术能够使产液量明显增多，将单井蒸汽吞吐变成了连续开发生产，不仅提高了油气的生产能力，还使得油气采收率大大得到了提高，因此，该技术必将得到广泛的运用：重点发展水平井钻井技术。在将来的油气资源勘探和开发中，要想有所突破并 实现有效开发，必须以先进的工程技术作为保障，而水平井钻井技术正好满足这方面的 需求，是将来应该重点发展的技

22、术；钻井技术需要突破和创新。在油气资源勘探开发的过程中，往往会出现勘探区 域不断扩大，开发难度不断增加的情况，这无疑对钻井技术提出了更高的要求。为了更好的适应这种情况，需要对钻井技术进行创新和突破，其中，水平井钻井技术是重展的方向；水平井为钻井技术发展打下良好的基础。通过多年的技术攻关和实际推广运用，一些油田拥有了多项钻井配套新技术，并且以水平井为代表，这为钻井技术的近一步发展创造了良好的条件，奠定坚实的基础；将来必须进一步加大创新力度。油田水平井钻井技术要想取得进一步发辰 国内产生重要的影响，并与国际先进的技术接轨，就必须加大创新的力度，以不断耳 新的突破和进展，满足自身发展的需求，提高市场

23、竞争力。 1.3 研究的主要内容通过本文的研究，了解水平井井眼轨迹确定的基本知识，包括描述井眼轨迹的基本参数，随后从介绍水平井的基本知识入手，介绍了水平井的基本概念以及确定描述井眼轨迹的基本参数，有了理论基础后，研究了井眼轨迹设计的影响因素及原则、以及井眼轨迹的描述方法。最后中建立了给定目标点位置和井眼方向的二维、三维轨道设计的一般数学模型，利用矢量分析理论得到了约束变量间的解析表达式和井眼轨道计算式。这种方法避免了求解多维非线性方程组，设计计算简单、精确。应用该模型成功地解决了复杂的多约束条件下的三维井眼轨道设计这一难题， 具有普遍适用性，可广泛用于设计各种类型水平井、定向井和多目标井，为井

24、眼轨道控制提供了更为准确的理论依据。第2章 水平井的基本概念及井眼轨迹的基本参数2.1 水平井的基本概念水平井就是井斜角达到或接近90，井身沿着水平方向钻进一定长度的井。井眼在油层中水平延伸相当长一段长度。有时为了某种特殊的需要，井斜角可以超过90，“向上翘”。一般来说，水平井适用于薄的油气层或裂缝性油气藏，目的在于增大油气层的裸露面积3。水平井按照井眼曲率大小可分为以下几类。表2-1水平井分类类别造斜率/（/30m）井眼曲率半径/(m)水平井长度/(m)长半径水平井2-6860-280300-1700中半径水平井6-20280-85200-1000中短半径水平井20-8085-20200-5

25、00短半径水平井30-15060-10100-300超短半径水平井需特殊转向器0.330-60按水平段特性和功能可分为：阶梯水平井、分支水平井、鱼骨状水平井、多底水平井、双水平井、长水平段水平井等。2.2水平井井眼轨迹的基本参数测斜：一口实钻井的井眼轴线乃是一条空间曲线。为了进行轨迹控制，要了解这条空间曲线的形状进行的轨迹测量。目前常用的测斜方法并不是连续测斜，而是每隔一定长度的井段测一个点。这些井段被称为“测段”，这些点被称为“测点”。测深(MD)：指井口(通常以转盘面为基准)至测点的井眼长度。国外称为测量井深。井深是以钻柱或电缆的长度来量测。测深既是测点的基本参数之一，又是表明测点位置的标

26、志。井深：指井口(通常以转盘面为基准)至钻头的井眼长度，也有人称之为斜深。滞后距：指测点至钻头的距离。井底水平位移：它是指井口与井底两点在水平面上投影的连线长度，又称闭合距，单位为m。 视平移：水平位移在设计方位线上的投影长度。 造斜点：开始定向造斜的位置。以该点井深表示。 造斜率：表示造斜工具的造斜能力。其值等于该造斜工具所钻出的井段的井眼曲率。 增斜（降）率：是指增（降）斜井段的井斜变化率。正为增，负为降。 工具面：在造斜钻具组合中，有弯曲工具的两个轴线所确定的那个面，与磁北方向的夹角为工具面角。反扭角：定向或扭方位时，井下动力钻具启动前的工具面与启动后加压钻进时的工具面之间的夹角。定向角

27、（装置角）：井下动力钻具启动后，工具面所处的位置（方位）。磁偏角：在某一地区，磁北极方向线与地理北极方向线之间的夹角，称该地区的磁偏角。正为东磁偏角，负为西磁偏角。井斜角（Inc）：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。井眼方向线与重力线之间的夹角就是井斜角。显然，井眼方向线与重力线都是有向线段。井斜角表示了井眼轨迹在该测点处倾斜的大小。井斜角常以希腊字母表示，单位为度()。一个测段内井斜角的增量总是下测点井斜角减去上测点井斜角，以表示。 图2-1井斜角示意图井斜方位角：某测点处的井眼方向线投影到水平面上，称为井眼方位线，或井斜方位线。以正北方位线为

28、始边，顺时针方向旋转到井眼方位线上所转过的角度，即井眼方位角。注意，正北方位线是指地理子午线沿正北方向延伸的线段。所以正北方位线和井眼方位线也都是有向线段，都可以用矢量表示。 图2-2 井斜方位角示意图井斜方位角常以字母表示，单位为度()。井斜方位角的增量是下测点的井斜方位角减去上测点的井斜方位角，以表示。井斜方位角的值可以在0360 范围内变化。全角变化量：过井眼轴线相邻两测点所作的向井眼前进方向延伸的切线之间的夹角称为全角变化量。它反映了相邻两测点间井斜与方位的空间角度的变化量。又称狗腿角或全变化角。单位为（）。 井斜变化率：单位井段内井斜角的变化值称为井斜变化率。通常以两测点间井斜角的变

29、化量与两测点间井段长度的比值表示。常用单位为（）/25m、（）/30m。方位变化率：单位井段内方位角的变化值称为方位变化率。通常以两测点间方位角的变化量与两测点间井段长度的比值表示。常用单位为（）/25m、（）/30m。 全角变化率：它是指单位长度井段内全角的变化值。或在单位井段内井眼前进的方向在三维空间内的角度变化。它既包含了井斜角的变化又包含着方位角的变化。又称狗腿严重度或井眼曲率。单位为（）/25m、（）/30m。K= /L +(/L)2sin2 (1+ 2)/2。垂直深度：简称垂深，是指轨迹上某点至井口所在水平面的距离。垂深的增量称为垂增。垂深常以字母表示，垂增以表示。图2-3 垂直深

30、度示意图水平投影长度：简称水平长度或平长，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。水平长度的增量称为平增。平长以字母P表示，平增以P表示。 N坐标和E坐标：是指轨迹上某点在以井口为原点的水平面坐标系里的坐标值。 图2-4 水平投影长度示意图水平位移：简称平移，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。此投影线称为平移方位线。水平位移常以字母S表示。平移方位角：指平移方位线所在的方位角，即以正北方位为始边顺时针转至平移线上所转过的角度，常以字母表示。闭合距与闭合方位：国外将水平位移称作 闭合距(Closure Distan

31、ce)，将平移方位角称作闭合方位角(Closure Azimuth)。我国现场常特指完钻时的水平位移为闭合距，平移方位角为闭合方位角。 视平移：有人称为投影位移，英文称Vertical Section，是水平位移在设计方位线上的投影长度。视平移以字母表示。视平移也可以定义为水平位移在设计方位线上的投影。 图2-5 平移与视平移示意图第3章 水平井井眼轨迹设计的影响因素及原则3.1水平井井眼轨迹设计的影响因素3.1.1 地质条件从造斜点到入靶，实控井眼轨迹穿越多种地层。不同的地层造斜率也不尽相同。一般来讲，造斜点处地层相对松软，不易起井斜，造斜中往往达不到设计造斜率要求；入靶前要穿越油盖层，油盖

32、层的特点是坚硬，定向时易大幅度的增斜。很难控制井斜和方位变化率，施工时尽量采取复合钻进方式。3.1.2 井下仪器安全要求水平井井眼曲率比较大，为确保随钻测斜仪器以及井下安全，必须考虑MWD仪器的弯曲能力和地质导向承受能力。一般来说，现有的MWD测量仪器能满足中曲率半径水平井的测量要求：FEWD仪器要求最大造斜率小于等于25/100m。3.1.3 工具造斜能力及入靶条件原轨道设计造斜率基本是上下稳定的数值。特别是入靶时设计的造斜率很高。但是在实际施工过程中一旦进入油层，这个造斜率往往无法实现，很容易打沉。现在大部分老油区的水平井施工并不是通过打导眼的方法来确定油层深度，而是通过邻井资料对比和该区

33、块的地震剖面图来确定油层深度，往往实际油顶垂深和设计垂深有差别，实钻过程中必须留出下探或上调的余量。3.1.4 水平井测井解释的常见问题通过水平井测井解释能够更好的进行水平井井眼轨迹的设计，水平井测井解释与垂直井测井解释大致相同，但测井条件和地层环境的特殊性导致在曲线显示、数据处理以及综合解释等方面又有所不同，灵活运用垂直井的测井解释经验对大斜度和水平井的综合解释很重要。在大斜度和水平井的综合解释中，首先要注意的是测井仪器、大斜度或水平井眼与地层的空间相对位置关系，井眼轨迹和地层剖面的二维或三维显示对综合解释有很大帮助。大斜度和水平井主要针对的是储层，但在钻井过程中，由于技术因素钻头因素对钻头

34、经常是进入储层但不久又钻入非目的层。其次是在解释中要综合考虑各种影响因素，如仪器的测量位置、井眼、侵入、地层的各向异性以及非均质性等。这些影响因素有些可借助实验或数值模拟方法进行校正，有些则是需要通过所积累的解释经验来加以排除。然后是注意进行抽象思维和逆向思维，比较水平井测井与垂直井测井间的响应异同，这种异同不只是定性的，更多的应该是定量化的。垂直井的测井解释经验会产生惯性，但现实是往往二者间表象相同但产生的机理不同，方法在水平面会产生什么样的结果，而在垂直方向又会产生哪些差异，这些需要经常进行分析和比较。最后是要善于利用各种资料和工具。定位井或邻井测井信息、录井取心测试结果、区域地质地震资料

35、、实验或数值模拟方法等等有助于综合解释5。3.2 水平井井眼轨迹设计的原则3.2.1 靶区设计原则（1）对裂缝性油藏面设计侧钻方位应与裂缝垂直相交，以便尽可能地钻遇裂缝；对砾岩油藏，侧钻方位应与高渗方向垂直相交，以扩大泄油面积；（2）由于储层内泥岩夹层严重影响储层的垂直渗透率，如果水平段平行于地层层面，泄油田面积仅限制在水平段所在的油层内，靶区倾角设计应该使井眼与地层层面成一定角度，以便尽可能地钻遇油层；（3）侧钻方位，靶前位移设计应该使靶区避开原井水淹区域，以免新老井眼窜通影响正常生产，一般要求目标靶区距离原井120-150m6。3.2.2 井身剖面类型侧钻水平井由于完成井身剖面的进尺有限及

36、要求在尽可能小的垂增内达到水平，所选择的剖面类型一般都比较简单。侧钻水平井项目实施初期增采用单增型剖面，后根据原井井况及井眼轨迹控制难易程度，改用双增型剖面。单增剖面要求对储层位置与工具造斜率掌握较难，侧钻点也比较固定，但侧钻井尺较短，有利于减少钻井工作量，缩短施工周期；而双增型剖面对工具造斜能力、开窗位置和地层自然造斜规律适应性好，有调节余地，施工风险较小7。3.2.3 井眼轨迹控制范围井眼轨迹控制范围包括垂向允许偏差、横向允许偏差哈与水平段长度。允许偏差主要受两方面因素的影响：一方面为了将水平段有效地控制在剩余油富集区内，应严格控制允许偏差；另一方面出于技术经济方面的考虑，又要适当放宽允许

37、偏差。而水平段长度除应该满足增产要求外，还应考虑目前工艺技术水平。因此，侧钻水平井靶区设计应综合考虑储层地质条件、技术水平与经济成本等因素，在满足地质要求的前提下，尽量加大允许偏差，以便于井眼轨迹控制，降低钻井成本。3.2.4 井眼曲率的确定在侧钻水平井井眼轨迹设计中，井眼曲率是一个很重要的参数。井眼曲率过大，转盘钻进困难，井下复杂情况较多；而井眼曲率过小则会增加螺杆钻具造斜进尺，从而增加了井眼轨迹控制工作量，影响钻井进度。根据国产单弯外壳螺杆钻具造斜特性，有线随钻测斜仪使用条件及中半径水平井井眼曲率要求，侧钻水平井井眼轨迹设计曲率一般控制在（12-15）/30m之间。第4章 井眼延伸方向预测

38、及轨迹控制原则4.1井眼轨迹预测依据由力学可知，力是改变物体运动状态的原因。物体运动状态包括速度（就钻井而言主要指机械钻速的大小）、方向，钻井上主要是指井斜角和井斜方位角（或者井斜变化率和井斜方位变化率）。通过研究表明，钻头前进方向是由钻头受力状态所决定。钻头受力状态又是由近钻头钻具组合结构受力变形、钻井工艺参数、井眼轨迹的几何形状和地层决定的8。就目前，因尚无准确预测，计算井眼延伸方向的力学一数学模型。井眼轨迹延伸方向的实用程序：实时监测单项预测分析：1. 测斜结果计算对比分析2. 待钻地层因素分析3. 近钻头钻具组合受力分析4. 实钻外推预测综合评价井眼延伸方向决策1. 施工工艺措施2.

39、施工工艺参数图4-1 井眼延伸方向实用程序图（1）测斜结果计算对比分析。实现时时监测，并通过测斜结果进行计算，采用测斜结果绘图的方法，预测井眼延伸方向的趋势；（2）待钻地层因素分析。考虑地质特性引起的井眼轨迹的自然飘逸作用，充分结合邻井资料和经验分析预测井眼延伸方向的趋势；（3）近钻头钻具组合受力分析（软件预测）。对近钻头钻具组合结构进行受力变形分析。考虑其钻具组合结构类型（造斜、增斜、降斜、稳斜钻具组合）、地层特性、井眼轨迹几何形状、工艺参数的相互影响。通过构建力学一教学数学模型软件预测的延伸方向趋势；（4）实钻外推预测。实钻外推预测是更换新钻具组合下至井底后用规定的钻井工艺参数钻进10-3

40、0m，通过测斜计算出该段的实际造斜率，在依据MWD的方向传感器（i+1）点距钻头距离，用外推法预测出钻头处（i+2）点的方向参数。方向参数有：井斜角： 方位角： 再依据该点（i+2）及待钻井段长度L，K继续用外推法预测待钻井段终点（i+3）处的方向参数（，）。现场通过钻井工程技术人员对以上各项预测结果进行对比分析综合评价，最终预测出井眼延伸的方向9。4.2 井眼轨迹控制原则控制理论中控制的定义，是指被控制对象中某一(某些)被控制量，克服干扰影响达到预先要求状态的手段(或操作)。井眼轨迹控制就是在钻井施工过程中通过一定的手段使实钻井眼轨迹尽量能符合设计的井眼轨道最终保证中靶的过程。通过运用控制理

41、论对井眼轨迹控制分析可知，目前的井眼轨迹控制系统是一个开环的人工控制系统(图4-2)，其具体内容为：控制对象一钻头；被控制量一井斜角和井斜方位角(或井斜变化率和井斜方位变化率)；给定量一井眼轨道参数(最大井斜角、闭合方位角、规定靶区)和给定的地层特性；给定量一井眼轨道参数（最大井斜角、闭合方位角、规定靶区）和给定的地层特性；操作量（控制量）一BHA结构、钻压、转盘转速、排量和工具面角等；扰动量一地层产状误差、井壁不规则性、岩石不均匀性、岩性分布变化、井底共况及其他随机因素（如井塌、断层等）。由此可以看出，井眼轨迹控制是一项多目标，多扰动的复杂动态控制过程。因目前尚不能通过数学模型计算做出准确的

42、判断、现场工程技术人员只能通过预测做出决策。随着钻井工艺及检测技术的发展，通过研究控制理论及实践经验归纳总结出一套井眼轨迹控制系统的控制原则。 设计参数BHA检测仪器钻头（状态）地层因素干扰决策（变更）预 测图4-2 井眼轨迹控制系统示意框图4.2.1 既要保证中靶，又要提高钻速度在实钻过程中，要随时准确地预测井眼轨迹的延伸方向，选择合适的造斜工具或钻具组合，使实钻轨迹偏离设计轨道不要太远。不要太远的意义在于，一方面如果太远就可能造成脱靶，成为不合格井；另一方面如果始终要求实钻轨迹与设计轨道误差很小，势必要求非常频繁地测斜、更换造斜工具，造成多次钻进间断，增加成本，还有可能造成井下复杂情况，得

43、不偿失。所以，何时用更换钻具的方法来控制井眼轨迹，就成了井眼轨迹的关键。控制要点：在待钻井段内，如果因地层因素产生的自然漂移或通过调整工艺参数可使井眼轨迹恢复到设计轨道上，则可通过调整钻井工艺参数继续钻进，否则更换其他钻具组合进行控制。推荐预测判据1：当前工具的造斜率：K=（/30m）预测继续待钻井眼所需的造斜率：K=（/30m）当KK时，可继续钻进，否则应起钻更换钻具采用其它控制方式。推荐预测判据2：现用钻具组合钻达目标点的总漂移量：方位偏差：当时，可继续钻进，否则需扭方位。两种判据的适用条件：待钻井眼地层特性与已钻井眼地层特性接近，近钻头钻具组合不变。4.2.2 尽可能多的使用转盘钻+近钻

44、头钻具组合来进行轨迹控制由于转盘钻的机械钻速比动力钻具钻要高，所以在造斜段结束之后，一般都要换用转盘钻继续增斜、稳斜或降斜。根据预测只有在出现下列情况之一时，才使用动力钻具进行控制10： （1）使用转盘钻扶正器组合已难以完成增斜或降斜要求时；（2）转盘钻扶正器组合不能控制方位，当井眼方位有较大偏差，有可能造成脱靶时。4.2.3 尽可能利用地层的自然造斜规律钻井工程技术人员应熟知：地层特性导致钻头的不对称切削、侧向切削，或引起井斜变化，或引起方位漂移的规律，并根据预测结果尽可能的利用其特性，以减少更换工具进行控制的次数。4.2.4 在条件允许的情况下尽可能使用导向钻具+MWD使用导向钻具+MWD

45、+准确的井眼方向预测，在完成一口井的施工时无需因井眼轨迹控制问题而更换钻具组合。即造斜、增斜、降斜、扭方位施工时滑动钻进，稳斜施工时复合钻进。它不但减少了钻进工作间断次数，还避免了因起下钻而引起的井下复杂情况，从而大大降低钻井成本。以上式中：井斜角；井斜角方位角；D垂深；L井眼长度；i测点；目前井底的井斜方位角；目标方位角；K在用钻具组合的方位漂移率。第5章 水平井井眼轨迹描述方法随着油气田的勘探开发程度不断提高，大斜度井、水平井越来越多。井眼轨迹的分析日趋重要。如果钻井前的准备分析工作不够，导致设计的井眼轨迹不能准确钻遇目的层，或者即使设计合理，但实际钻井施工时，未能控制井眼轨迹完全按照设计

46、的要求而存在偏差，都会导致水平井的开发效果不佳，不能达到预期的地质目的和生产效果。在对水平井井眼轨迹分析时，理论上已知井眼轨迹上每一点的井深、井斜角和方位角就可确定井眼轨迹的其它参数，进而确定井眼轨迹。采用最小曲率半径法精确计算井眼轨迹，才能准确解释井眼轨迹与地层的关系，才能对钻井工作进行准确的指导，才能对水平井测井资料做出正确的评价11。5.1井眼轨迹图示法图5-1 三维坐标法一条空间曲线可以用一个空间坐标系或两个平面坐标系来描述。对于井眼轨迹，目前常见的有三种图示法：三维坐标法、投影图法和柱面图法。（1）三维坐标法是用右手空间坐标系O-XYZ(或O-NEH)描绘井眼轨迹的方法。通常以井口为

47、坐标原点，以正北(N)方向为X轴的正向，正东(E)方向为Y轴的正向，Z轴铅垂向下指向地心垂深(H)的方向(如图5-1)。优点：可在一个坐标系内把井眼轨迹完整的描绘出来。缺点：不能给人以充分的立体感，不能形象、直观的反映井斜角、方位角等井眼轨迹参数的真实值。（2）投影图法：投影图法需要两张图垂直投影图和水平投影图(如图5-2)。前者是将井眼轨迹投影到某个铅垂面上，如原设计轨迹是二维剖面，那么这个铅垂面就是设计平面：后者是将井眼轨迹投影到水平面上。垂直投影图相当于机械图中的侧视图，水平投影图相当于俯视图12。a-三维坐标法;b-垂直投影图;c-水平投影图图5-2 投影坐标法优点：对于指导现场施工十

48、分有益。从图上可以直观的看出实钻轨迹沿设计轨迹的钻进情况，是需要增斜还是需要降斜；是需要增方位还是需要减方位。而且根据这两张图也不难想象出井眼轨迹的空间形态。缺点：垂直投影图不能反映井深、井斜角等参数的真实值。（3）柱面图法：柱面图法也需要两张图垂直剖面图和水平投影图。水平投影图和投影图法是相同的。垂直剖面图的形成过程可以这样理解：设想经过井眼轨迹上每一点作一条铅垂线，这些铅垂线便构成了一个柱面。柱面是可展曲面，将其展为平面后，井眼轨迹也随之变成了平面曲线，这就是井眼轨迹的垂直剖面图13 (如图5-3)。优点：通过垂直剖面图和水平投影图容易想象出井眼轨迹的空间形态。若将垂直剖面图沿水平投影图的

49、形状弯曲，即可恢复井眼轨迹的空间形态。可反映井眼轨迹的井深、垂深、井斜角、水平长度、方位角及其增量等井深参数的真实值。这个优点是该图示法的显著特色。a-柱面的形成;b-垂直剖面图;c-水平投影图图5-3 柱面图法这三种图示法各有特点，使用时可根据具体情况进行选择。如：计算从式井组中各井之间的相互关系，常采用三维坐标法;井眼轨迹设计与计算，多采用柱面法;实钻轨迹与设计轨迹进行对比，一般用投影图法。5.2 井眼轨迹计算方法人们设计了不同种类的测量方法来获得在某一特定井深的井斜角和方位角，然后将这些数据通过各种计算求出井眼真实的垂直井深(TVD)以及南北和东西水平坐标，即z、x和y值。这里主要介绍一

50、种计算精度较高的方法最小曲率半径法。斜井的井眼轨迹大多是不规则的，为了更好地分析中靶情况，了解井眼轨迹变化，需要利用井眼的井斜角和井斜方位数据对井眼轨迹进行详细描述。以前计算井眼轨迹时大多采用折线方法，这种方法假设弯曲的井眼是由很多直线段组成。实际的井眼是连续弯曲的，因此采用折线法计算井眼轨迹必然会带来较大的误差。计算机的引入，使采用较复杂的最小曲率半径法计算井眼轨迹成为可能，从而也使井眼轨迹的计算精度大大提高。如图5所示，假设a、b两点间的井轴长度(L-L)被分成无限小井段，设d为d在Z轴上的投影，d为d小段上井斜角的变化。可写出微分式：图5-4 无限小井段的放大图解设整个a、b段的曲率是常

51、数，则常数。由图5-4可知，故=cos，分离变量d=cosd积分=可得：Z-Z=（sina-sina）(5-1)式（5-1）的意义是，测量深度从L增至L，井斜角从a变a为时，ab井段的垂直深度Z变化到Z。同理，设d为d在X-Y平面上的投影，d为d小段上的方位角变化值，可以得到ab井段在水平面上的变化情况。 X-X= （5-2）y-y=(5-3)式5-1、5-2和5-3分别是ab井段的空间位置从a点变化到b点时，在直角坐标系中x、y、z轴方向上变化的一般式。第n个采样点处的x、y、z分别为：X=(5-4)y=(5-5)Z=(5-6)在第n个采样点处的水平位移为：S=(5-7)在第n个采样点处的闭

52、合方位为：(5-8)式5-4、5-5、5-6、5-7和5-8是计算井眼轨迹数据东西位移、南北位移、垂直深度、水平位移和闭合方位的标准公式。从上述公式中可以看出，当，时，通过求极限可以简化为：Z-Z=（L-L）cos(5-9) x-x=(L-L)sinsin （5-10）同折线法公式：y-y=(L-L)sinsin (5-11)显然，折线法计算公式是最小曲率半径法在井斜角和方位角不变时的特殊情况。5.3 井眼轨迹描述与地层关系水平井测井曲线特征与水平井井眼的位置和井斜角关系密切，那么相应的测井解释必须考虑如何确定地层界面(简称层面)，井眼与层面的相对位置关系对测井曲线的影响校正等技术核心问题。显

53、示水平井的井眼轨迹首先要确定它的主方位，一般用井眼轨迹俯视图来辅助选择，选择井眼轨迹的主方位为投影方向。在此基础上，采用最小曲率法利用井斜和井眼方位测数据，经过坐标变换计算出井眼轨迹14。图5-5H-B水平井测井曲线镜相重复段一个油藏中钻水平井，钻井过程中很容易钻出油层顶底界面，通过调整又可进入地层。这种现象虽然对水平井井眼设计不利，造成井眼轨迹常常会以地层为轴上下波动，但为测井解释提供了更丰富的地层构造和岩性变化信息。我们可以利用地层构造和岩性变化引起的测井信息改变来反演局部地层构造形态，即确定层面。下面以水平井测井实例说明层面确定方法。图5-5 为H-B水平井一段测井曲线图，该井设计水平位

54、移平行于构造等高线，水平位移方向为南东135。在53025345米井段，GR100API，为泥岩层测井响应；而5302米井斜角为91.5，5324米井斜角为90，5340米井斜角为87.3，说明该段井眼轨迹反映为上翘和向下纠斜的钻井过程。该井在5302米处钻出CIII顶界面，钻至5326米处开始纠斜，在5345米处钻回到CIII中，测井曲线以5326米处为镜面呈镜相重复。所以，该段地层应以5302米和5345米两个点为CIII顶界面点。结合井斜校深数据，5302米点的垂直深度为5053.4米，5345米点的垂直深度为5053.6米，比5324米处深了0.2米，说明CIII顶界面在5302-53

55、45米井段向水平位移方向(南东135)倾斜。由以上例子我们可得到井眼轨迹在钻出和钻回同一油层底界面时，测井曲线会出现镜像重复特征，这种现象在水平井段中普遍存在，是水平井不同层段测井响应对比的重要依据，也可用于拾取地层关键界面点。当井眼轨迹在钻出和钻回同一油层底界面时，我们可以确定同一油层在不同位置的界面点，确定水平井段地层的构造形态。同样，当钻井井眼轨迹沿地层界面滑行时，测井曲线特征能反映井眼轨迹的相对位置。第6章 二维轨道设计模型及其精确解6.1 问题的提出 二维井眼轨道设计是指设计轨道只在同一铅垂平面内变化，即只有井斜角的变化，而没有井斜方位的变化。常规二维轨道设计由直线和圆弧段组成，其形

56、式多种多样，但典型的有三段制（直+增+斜）、五段制（直+增+稳+降+直）和双增型（直+增+稳+增+直）3种类型，如图6-1所示，常规二维井眼轨道其控制简单，在油气钻井中得到了广泛的应用在设计二维井眼轨道时，常用上面三种典型的轨道形式，其求解方式是15图6-1 典型的二维井眼轨道形式给定轨道设计参数，求解稳斜段的井斜角和稳斜段长，但针对不同的问题和要求，有时需要更灵活的轨道组合形式，以及灵活地求解轨道设计参数，这时就难以满足要求。如根据轨道控制工艺或采油生产的要求，需要限定稳斜段井斜角和稳斜段长，这时就需要反复进行计算来达到设计目的。文献建立了两种典型的三维井眼轨道设计模型，可组成多种轨道形式，

57、且求得了模型的精确解，可用于各种类型的井眼轨道设计。由于二维井眼轨道设计没有方位变化，可以有更多和更灵活的求解方式。6.2 设计模型通过对图6-2 的形状观察及相关的知识获得，我们设计二维井眼轨道模型如图6-3所示。如图6-3中D为原点，设在井口或设计起始点，H为垂深，S为位移，T为目标点。设计轨道由图中的、五段组成，即直线段+圆弧段+直线段+圆弧段+直线段。H、S为目标点垂深和位移，给定的已经参数。L、L、L和a、a、a分别为直线段的长度和井斜角，R、R为两个圆弧段的曲率半径。设计变量圆弧段对应的井眼曲率K、K，直线段长度和井斜角8个参数。图6-2 一般二维圆弧型井眼轨道设计模型 由图6-2

58、 可知，二维井眼轨道设计模型的约束方程为：(6-1)方程（6-1）是根据双增型轨道形式列出。对增降五段制S型轨道，方程相同，但是取负值。约束条件：双增型为、S型为对三段制（J）型轨道，取方程（6-1）中的前三项，或令，即为：（6-2）曲率半径和井眼曲率的换算关系为单位变换系数，即曲率单位/值，一般为30m。在设计轨道时，根据实际需要可令直线段长度为零，可选取一个或两个圆弧段，以及两个圆弧段同向（双增斜段）或反向（增降斜段），由此可组成多种不同的设计形式，满足各种设计要求。由此可见，所建立的二维井跟轨道设计模型具有一般性，具有普遍适用性，可很好地满足常规定向井、水平井和多目标井的井眼轨道设计要求

59、。下面讨论模型的求解问题16。6.3模型求解由约束方程（6-1）可知，8个轨道设计变量，任意给定6个参数，既可判断方程是否有解。在有解情况下，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。以求解和为例。由方程（6-1）可得：(6-3)其中，解方程（6-3）可得：(6-4)(6-5)计算井斜角的另一公式为：(6-6)方程（6-3）有解的条件是对S型轨道，计算公式相同，取负值。当时，不能同时求解和，以及和，此时方程元解或有多种组合解。为了满足轨道设计的求解的灵活性，避免在设计过程中进行反复试算，通过求解约束方程（6-1），能得到不同设计变量的组合解，且全部为精确

60、解。这样，轨道设计计算简单、快速、精确能很好地适应各种设计需要。二维井眼轨道设计模型有28种求解公式。6.4 应用本文建立的二维井眼轨道设计模型具有代表性和普遍适用性，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，而且还可直线段长度为零，由此组成了多种轨道剖面型式：(1)直线段+圆弧段+直线段+圆弧段+直线段（L10，L20，L3=0）；(2)直线段+圆弧段+直线段+圆弧段（L10，L20，L3=0）；(3)直线段+圆弧段+圆弧段+直线段（L10，L2=0，L30）；(4)圆弧段+直线段+圆弧段+直线段（L1=0，L20，L0）；(5)直线段+圆弧段+圆弧段（L10，L2

61、=0，L3=0）；(6)圆弧段+直线段+圆弧段（L1=0，L20，L3=0）；(7)圆弧段+圆弧段+直线段（L1=0，L2=0，L30）；(8)圆弧段+圆弧段（L1=0，L2=0，L3=0）；(9)直线段+圆弧段+直线段（L10，L20，R2=0，L3=0）；(10)直线段+圆弧段（L10，L2=0，R2=0，L3=0）；(11)圆弧段+直线段（L1=0，L20，R2=0，L3=0）；(12)圆弧段（L1=0，L2=0，R2=0，L3=0）；应用所建立的二维井眼轨道设计模型和求解公式，设计了在二维条件下的水平井井眼轨迹的通用模型及其计算方法。在设计时，可做到灵活、快速、精确的设计，能满足多种设计需求，在实践中得到了很好的应用。6.5 关于二维条件下水平井井眼轨迹设计的优点（1）本文建立的二维井眼轨道设计模型具有代表性和普遍适用性，在井眼轨迹设计方面有着广泛的应用，完善了井眼轨道设计方法；（2）求得了设计模型的全部精确解，且给出了有解的判别式，因此，设计计算简单、精确、快速，避免了在设计过程中进行试算的麻烦，提高了设计效率和设计灵活性；（3）设计模型在实践中得到了很好的应用，验证了该设计模型和方法的正确性、合理性及有效性。第7章 三维轨道设计7.1 问题的提出随着钻井技术的发展，对井眼轨道设计提出了更高的要求。多目标井、侧钻井等 的井U及轨道设计及调整轨道设计都是三维的。对