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1、水平井井眼轨道设计水平井井眼轨道设计5.1 水平井轨道设计的原则水平井轨道设计的原则5.2 水平井轨道设计方法水平井轨道设计方法摘选自百度文库摘选自百度文库5.1 水平井轨道设计的原则水平井轨道设计的原则 一口水平井的实施，首先要有一个轨轨轨轨道道道道设设设设计计计计，才能以此设计为依据进行具体的钻井施工。对于相同的勘探、开发目的和相同的设计限制条件，可以设计出不同的轨道，要保证设计轨道合理，就需要按轨道设计原则进行设计。一、总体原则一、总体原则1.应能实现钻水平井的目的钻水平井的目的钻水平井的目的钻水平井的目的；2.应有利于安全安全安全安全、优质优质优质优质、快速快速快速快速钻井；3.满足采
2、油工艺采油工艺采油工艺采油工艺的要求。5.1 水平井轨道设计的原则水平井轨道设计的原则二、具体设计原则二、具体设计原则1.选择合适的井眼形状井眼形状井眼形状井眼形状复杂的井眼形状，势必带来施工难度的增加，因此井眼形状的选择，力求越简单越好力求越简单越好力求越简单越好力求越简单越好；应尽可能不采用降斜井段尽可能不采用降斜井段尽可能不采用降斜井段尽可能不采用降斜井段的轨道设计 5.1 水平井轨道设计的原则水平井轨道设计的原则二、具体设计原则二、具体设计原则2.选择合适的造斜点位置造斜点位置造斜点位置造斜点位置造斜点的选择应充分考虑地层稳定性地层稳定性地层稳定性地层稳定性、可钻性可钻性可钻性可钻性的
3、限制。尽可能把造斜点选择在比较稳定、均匀的硬地层稳定、均匀的硬地层稳定、均匀的硬地层稳定、均匀的硬地层，避开避开避开避开软硬夹层、岩石破碎带、漏失地层、流沙层、易膨胀或软硬夹层、岩石破碎带、漏失地层、流沙层、易膨胀或软硬夹层、岩石破碎带、漏失地层、流沙层、易膨胀或软硬夹层、岩石破碎带、漏失地层、流沙层、易膨胀或易坍塌的地段易坍塌的地段易坍塌的地段易坍塌的地段，以免出现井下复杂情况，影响定向施工；造斜点的深度应根据设计井的垂深、水平位移设计井的垂深、水平位移设计井的垂深、水平位移设计井的垂深、水平位移和选用的轨道类型轨道类型轨道类型轨道类型来决定，并要考虑满足采油工艺满足采油工艺满足采油工艺满足
4、采油工艺的需求；应充分考虑井身结构的要求井身结构的要求井身结构的要求井身结构的要求。5.1 水平井轨道设计的原则水平井轨道设计的原则二、具体设计原则二、具体设计原则3.选择合适的井眼曲率井眼曲率井眼曲率井眼曲率井眼曲率的选择，要考虑工具造斜能力工具造斜能力工具造斜能力工具造斜能力的限制和钻具刚钻具刚钻具刚钻具刚性性性性的限制，结合地层地层地层地层的影响，留出充分的余地留出充分的余地留出充分的余地留出充分的余地，保证设计轨道能够实现；在能满足设计和施工要求的前提下，应尽可能选择比较尽可能选择比较尽可能选择比较尽可能选择比较低的造斜率低的造斜率低的造斜率低的造斜率，这样，钻具、仪器和套管都容易通过
5、，当然，造斜率过低，会增加造斜段的工作量和成本造斜率过低，会增加造斜段的工作量和成本造斜率过低，会增加造斜段的工作量和成本造斜率过低，会增加造斜段的工作量和成本，因此，要综合考虑。5.1 水平井轨道设计的原则水平井轨道设计的原则二、具体设计原则二、具体设计原则4.选择合适的稳斜段井斜角稳斜段井斜角稳斜段井斜角稳斜段井斜角稳斜段井斜角不宜太小，太小时方位不好控制太小时方位不好控制太小时方位不好控制太小时方位不好控制；稳斜段井斜角也不宜太大，太大时施工难度增加太大时施工难度增加太大时施工难度增加太大时施工难度增加；稳斜段稳斜角还应避开不利于携岩的稳斜角范围避开不利于携岩的稳斜角范围避开不利于携岩的
6、稳斜角范围避开不利于携岩的稳斜角范围。一般来讲，井斜角的大小与轨迹控制的难度有下面的关系：一般来讲，井斜角的大小与轨迹控制的难度有下面的关系：井斜角井斜角小于小于小于小于1515时，方位难以控制；时，方位难以控制；井斜角在井斜角在15401540时，既能有效地调整井斜角和方位，也能顺利地时，既能有效地调整井斜角和方位，也能顺利地钻井、固井和电测，是较理想的井斜角控制范围；钻井、固井和电测，是较理想的井斜角控制范围；井斜角在井斜角在40604060时，钻进速度慢，方位调整困难且不利于携岩；时，钻进速度慢，方位调整困难且不利于携岩；井斜角井斜角大于大于大于大于6060，电测、完井作业施工的难度很大
7、，易发生井壁垮，电测、完井作业施工的难度很大，易发生井壁垮塌。塌。5.1 水平井轨道设计的原则水平井轨道设计的原则二、具体设计原则二、具体设计原则5.尽可能减少起下钻和更换钻具的次数减少起下钻和更换钻具的次数减少起下钻和更换钻具的次数减少起下钻和更换钻具的次数 转盘钻和滑动钻进段长度的确定应结合钻头、动力马达的结合钻头、动力马达的结合钻头、动力马达的结合钻头、动力马达的使用寿命使用寿命使用寿命使用寿命，尽可能使各个井段的长度合理，一方面能满足满足满足满足轨迹控制轨迹控制轨迹控制轨迹控制的要求，另一方面能充分利用单只钻头和动力马充分利用单只钻头和动力马充分利用单只钻头和动力马充分利用单只钻头和动
8、力马达的有效寿命达的有效寿命达的有效寿命达的有效寿命；后面井段使用的钻具组合能顺利下至已钻井底后面井段使用的钻具组合能顺利下至已钻井底后面井段使用的钻具组合能顺利下至已钻井底后面井段使用的钻具组合能顺利下至已钻井底，避免划眼或专门下一趟钻进行通井。6.考虑方位漂移的影响 在轨道设计时充分利用邻井资料，确定该地区不同地层的方位漂移规律，进行考虑方位漂移的轨道设计考虑方位漂移的轨道设计考虑方位漂移的轨道设计考虑方位漂移的轨道设计。5.2 水平井轨道设计方法水平井轨道设计方法一、水平井轨道设计基本方程一、水平井轨道设计基本方程1.自由度的概念 将起点位置及方向均给定的轨道或曲线段轨道或曲线段轨道或曲
9、线段轨道或曲线段形状完全固定需要确定的独立自由变量的个数独立自由变量的个数独立自由变量的个数独立自由变量的个数称为轨道或曲线段的自由度；2.常见曲线段的自由度 直线段直线段直线段直线段的自由度为1 1；二维圆弧段二维圆弧段二维圆弧段二维圆弧段的自由度为2 2；三维圆弧段三维圆弧段三维圆弧段三维圆弧段的自由度为3 3；圆柱螺线段圆柱螺线段圆柱螺线段圆柱螺线段的自由度为3 3。5.2 水平井轨道设计方法水平井轨道设计方法一、水平井轨道设计基本方程一、水平井轨道设计基本方程3.轨道自由度井眼轨道自由度为组成该轨道的所有曲线自由度之和所有曲线自由度之和所有曲线自由度之和所有曲线自由度之和；三段式三段式
10、三段式三段式轨道自由度为4 4；五段式五段式五段式五段式轨道自由度为7 7；双增式双增式双增式双增式轨道自由度为9 9。5.2 水平井轨道设计方法水平井轨道设计方法一、水平井轨道设计基本方程一、水平井轨道设计基本方程4.轨道刚性约束和轨道刚性约束数轨道刚性约束是指设计轨道必需满足的必需满足的必需满足的必需满足的约束条件；轨道刚性约束的个数就是轨道刚性约束数。5.轨道弹性约束和轨道弹性约束数轨道弹性约束是指设计轨道最好满足的最好满足的最好满足的最好满足的约束条件；轨道弹性约束的个数就是轨道弹性约束数。6.轨道设计可进行的条件：轨道刚性约束数轨道刚性约束数轨道刚性约束数轨道刚性约束数轨道自由度轨道
11、自由度轨道自由度轨道自由度轨道刚性轨道刚性轨道刚性轨道刚性约束数约束数约束数约束数+轨道弹性约束数轨道弹性约束数轨道弹性约束数轨道弹性约束数5.2 水平井轨道设计方法水平井轨道设计方法一、水平井轨道设计基本方程一、水平井轨道设计基本方程7.需放松的轨道弹性约束数8.水平井轨道设计基本方程需放松的轨道弹性约束数需放松的轨道弹性约束数需放松的轨道弹性约束数需放松的轨道弹性约束数=轨道刚性约束数轨道刚性约束数轨道刚性约束数轨道刚性约束数+轨道轨道轨道轨道弹性约束数弹性约束数弹性约束数弹性约束数-轨道自由度轨道自由度轨道自由度轨道自由度二二维维水水平平井井三三维维水水平平井井5.2 水平井轨道设计方法
12、水平井轨道设计方法二、轨道设计基本步骤二、轨道设计基本步骤1.计算设计轨道的刚性约束数刚性约束数刚性约束数刚性约束数；2.根据轨道设计的有关原则和要求确定设计轨道的弹性约束数弹性约束数弹性约束数弹性约束数；3.根据“轨道设计可进行的条件轨道设计可进行的条件轨道设计可进行的条件轨道设计可进行的条件”确定轨道的组成；4.计算设计轨道的自由度设计轨道的自由度设计轨道的自由度设计轨道的自由度，并确定需要放松的弹性需要放松的弹性需要放松的弹性需要放松的弹性约束数约束数约束数约束数；5.列出轨道设计基本方程轨道设计基本方程轨道设计基本方程轨道设计基本方程，并求解出关键参数关键参数关键参数关键参数；6.计算
13、出设计轨道的节点参数节点参数节点参数节点参数和详细数据详细数据详细数据详细数据。轨道刚性约束数轨道刚性约束数轨道刚性约束数轨道刚性约束数轨道自由度轨道自由度轨道自由度轨道自由度轨道刚性约束数轨道刚性约束数轨道刚性约束数轨道刚性约束数+轨道弹性约束数轨道弹性约束数轨道弹性约束数轨道弹性约束数5.2 水平井轨道设计方法水平井轨道设计方法三、二维水平井轨道设计三、二维水平井轨道设计1.1.单圆弧轨道单圆弧轨道单圆弧轨道单圆弧轨道单圆弧轨道适合于短半径短半径短半径短半径或中半径水平井中半径水平井中半径水平井中半径水平井；由于整个造斜段由一段圆弧组成一段圆弧组成一段圆弧组成一段圆弧组成，一旦工具造斜率不
14、能达到设计值，轨迹控制将非常困难轨迹控制将非常困难轨迹控制将非常困难轨迹控制将非常困难；单圆弧轨道目前不是很常用不是很常用不是很常用不是很常用。5.2 水平井轨道设计方法水平井轨道设计方法三、二维水平井轨道设计三、二维水平井轨道设计1.1.单圆弧轨道单圆弧轨道单圆弧轨道单圆弧轨道轨道刚性约束数为3，即靶点垂深垂深垂深垂深HHt t、水平位移水平位移水平位移水平位移S St t和井斜井斜井斜井斜角角角角 t t；根据轨道设计的有关原则和要求确定设计轨道的弹性约束数2，即造斜点深度造斜点深度造斜点深度造斜点深度HHa a和圆弧半径圆弧半径圆弧半径圆弧半径R R；经分析单圆弧轨道满足“轨道设计可进行
15、的条件轨道设计可进行的条件轨道设计可进行的条件轨道设计可进行的条件”；因为单圆弧轨道的自由度为4，所以需放松的弹性约束数为1，假设放松造斜点深度造斜点深度造斜点深度造斜点深度；轨道设计基本方程为：5.2 水平井轨道设计方法水平井轨道设计方法三、二维水平井轨道设计三、二维水平井轨道设计2.2.双增轨道双增轨道双增轨道双增轨道双增轨道适合于中半径中半径中半径中半径或长半长半长半长半径水平井径水平井径水平井径水平井；由于双增水平井中间有一个稳稳稳稳斜段斜段斜段斜段，当工具造斜率有异常时可以起到一个调整、缓冲的作调整、缓冲的作调整、缓冲的作调整、缓冲的作用用用用；双增轨道自由度较大，可以有更多的弹性约
16、束来体现来自钻更多的弹性约束来体现来自钻更多的弹性约束来体现来自钻更多的弹性约束来体现来自钻井、采油等轨道的要求井、采油等轨道的要求井、采油等轨道的要求井、采油等轨道的要求；双增轨道是目前最为常用的水最为常用的水最为常用的水最为常用的水平井轨道平井轨道平井轨道平井轨道。5.2 水平井轨道设计方法水平井轨道设计方法三、二维水平井轨道设计三、二维水平井轨道设计2.2.双增轨道双增轨道双增轨道双增轨道轨道刚性约束数为3 3，即靶点垂深垂深垂深垂深HHt t、水平位移水平位移水平位移水平位移S St t和井斜井斜井斜井斜角角角角 t t；根据轨道设计的有关原则和要求确定设计轨道的弹性约束数5 5，即造
17、斜点深度造斜点深度造斜点深度造斜点深度HHa a、第一圆弧半径第一圆弧半径第一圆弧半径第一圆弧半径R R1 1、第一圆弧半第一圆弧半第一圆弧半第一圆弧半径径径径R R2 2、中间稳斜段井斜角中间稳斜段井斜角中间稳斜段井斜角中间稳斜段井斜角 w w和靶前稳斜段长靶前稳斜段长靶前稳斜段长靶前稳斜段长 L L5 5。经分析双增轨道满足“轨道设计可进行的条件轨道设计可进行的条件轨道设计可进行的条件轨道设计可进行的条件”；因为双增轨道的自由度为7 7，所以需放松的弹性约束数为1 1，假设放松靶前稳斜段长靶前稳斜段长靶前稳斜段长靶前稳斜段长 L L5 5 。5.2 水平井轨道设计方法水平井轨道设计方法三、
18、二维水平井轨道设计三、二维水平井轨道设计2.2.双增轨道双增轨道双增轨道双增轨道轨道设计基本方程为：5.2 水平井轨道设计方法水平井轨道设计方法三、二维水平井轨道设计三、二维水平井轨道设计3.3.三增轨道三增轨道三增轨道三增轨道三增轨道适合于中半径中半径中半径中半径或长半径水平井长半径水平井长半径水平井长半径水平井；由于在钻双增轨道水平井时钻双增轨道水平井时钻双增轨道水平井时钻双增轨道水平井时，在第一增斜段钻完后，首先要下一趟柔性钻具组合通井，然后再下刚性稳斜钻具组合钻进。这就带来了两个方面的不利，一方面多下一多下一多下一多下一趟通井钻具组合却不能多打进尺趟通井钻具组合却不能多打进尺趟通井钻具
19、组合却不能多打进尺趟通井钻具组合却不能多打进尺；另一方面，再下入刚再下入刚再下入刚再下入刚性钻具组合钻进时，钻具组合不容易通过造斜段性钻具组合钻进时，钻具组合不容易通过造斜段性钻具组合钻进时，钻具组合不容易通过造斜段性钻具组合钻进时，钻具组合不容易通过造斜段；若将双增轨道的中间稳斜段改成微增段成为三增轨道三增轨道三增轨道三增轨道后，下同一趟钻具组合，既可通井既可通井既可通井既可通井，又可打进尺又可打进尺又可打进尺又可打进尺，简化了钻具组合，节约了时间节约了时间节约了时间节约了时间，同时也减小了事故发生的可能性。5.2 水平井轨道设计方法水平井轨道设计方法四、三维水平井轨道设计四、三维水平井轨道
20、设计1.三维水平井轨道的用途用途用途用途若水平井目标点的井眼方向线所在的铅垂面内铅垂面内铅垂面内铅垂面内，存在着不存在着不存在着不存在着不允许通过或难以穿过的障碍物允许通过或难以穿过的障碍物允许通过或难以穿过的障碍物允许通过或难以穿过的障碍物，如已钻井眼、复杂的地层（盐丘、金属矿床、断层、气顶等），要设计一口水平井使其绕过障碍物钻达目标点，这样的水平井称之为绕障水平井。绕障水平井在密集丛式井密集丛式井密集丛式井密集丛式井和油田开发后期打调整井油田开发后期打调整井油田开发后期打调整井油田开发后期打调整井时会遇到。5.2 水平井轨道设计方法水平井轨道设计方法四、三维水平井轨道设计四、三维水平井轨道
21、设计1.三维水平井轨道的用途用途用途用途在钻井过程中，要使实钻轨道与设计轨道完全吻合几乎是不可能的，二者之间总会有一定的偏差。很小的偏差是允很小的偏差是允很小的偏差是允很小的偏差是允许的许的许的许的，有时也许对钻进参数或钻具组合稍作调整，仍可继续钻进；如果偏差很大偏差很大偏差很大偏差很大，就需要以原设计轨道为依据，对对对对下一段未钻井眼作出新的设计下一段未钻井眼作出新的设计下一段未钻井眼作出新的设计下一段未钻井眼作出新的设计。另外，由于地质勘探等方面的原因，需要中途改变目标点中途改变目标点中途改变目标点中途改变目标点的位置的位置的位置的位置时，也需要设计出一条新的井眼轨道。这种修正设计在钻进过
22、程中是随时可能发生的，因此称之为待钻轨道待钻轨道待钻轨道待钻轨道设计设计设计设计。待钻轨道设计通常都是三维设计三维设计三维设计三维设计。5.2 水平井轨道设计方法水平井轨道设计方法四、三维水平井轨道设计四、三维水平井轨道设计1.三维水平井轨道的用途用途用途用途对于方位漂移严重方位漂移严重方位漂移严重方位漂移严重的地区，为了有效利用地层的自然造斜规律，减少井眼轨道控制和造斜的工作量，可将井眼轨道设计成考虑方位漂移的三维轨道设计成考虑方位漂移的三维轨道设计成考虑方位漂移的三维轨道设计成考虑方位漂移的三维轨道。这样的设计对指导现场施工会更有意义。在老井侧钻尤其是定向井的侧钻中定向井的侧钻中定向井的侧
23、钻中定向井的侧钻中，往往是要钻达的油层位置不在原来定向井的剖面上，这就需要调整井斜和调整井斜和调整井斜和调整井斜和方位钻三维井眼才能到达目的层方位钻三维井眼才能到达目的层方位钻三维井眼才能到达目的层方位钻三维井眼才能到达目的层。5.2 水平井轨道设计方法水平井轨道设计方法四、三维水平井轨道设计四、三维水平井轨道设计2.2.三维绕障轨道三维绕障轨道三维绕障轨道三维绕障轨道设计三维绕障设计没有一套高效的方法没有一套高效的方法没有一套高效的方法没有一套高效的方法，需要轨道设计人员有较强的空间立体感较强的空间立体感较强的空间立体感较强的空间立体感和先进的轨道设计软件先进的轨道设计软件先进的轨道设计软件
24、先进的轨道设计软件，通过多次试算试算试算试算得到；进行三维绕障设计前，可以先进行二维设计先进行二维设计先进行二维设计先进行二维设计，然后利用防碰扫描软件进行防碰分析进行防碰分析进行防碰分析进行防碰分析，当二维设计相碰概率较大相碰概率较大相碰概率较大相碰概率较大时在进行三维绕障设计时在进行三维绕障设计时在进行三维绕障设计时在进行三维绕障设计。5.2 水平井轨道设计方法水平井轨道设计方法四、三维水平井轨道设计四、三维水平井轨道设计2.2.三维绕障轨道三维绕障轨道三维绕障轨道三维绕障轨道设计对于类似于直井的障碍物可以采用圆柱螺线法进行设计类似于直井的障碍物可以采用圆柱螺线法进行设计类似于直井的障碍物
25、可以采用圆柱螺线法进行设计类似于直井的障碍物可以采用圆柱螺线法进行设计，其原理是：先将障碍物投影到水平面上将障碍物投影到水平面上将障碍物投影到水平面上将障碍物投影到水平面上，在水平面上进行二维设计二维设计二维设计二维设计，设计好的轨道就是实际轨道的水平投影，保持目标点的垂深和井斜角不变目标点的垂深和井斜角不变目标点的垂深和井斜角不变目标点的垂深和井斜角不变，将目标点的水平位移目标点的水平位移目标点的水平位移目标点的水平位移改为投影轨道的投影长度改为投影轨道的投影长度改为投影轨道的投影长度改为投影轨道的投影长度，在过投影轨道的柱面展开图柱面展开图柱面展开图柱面展开图上进行平面设计上进行平面设计上
26、进行平面设计上进行平面设计。可以采用弹性杆挠曲线法弹性杆挠曲线法弹性杆挠曲线法弹性杆挠曲线法进行设计。5.2 水平井轨道设计方法水平井轨道设计方法四、三维水平井轨道设计四、三维水平井轨道设计3.水平井待钻轨道设计难点难点难点难点水平井待钻点是三维空间点，待钻点相对原井口有一定的水平位移和井斜、方位角，称为待钻点矢量待钻点矢量待钻点矢量待钻点矢量。靶点有井斜、方位角、水平位移和垂深的限制，称为靶靶靶靶点矢量点矢量点矢量点矢量。两个空间矢量的的连接，在几何上，需要空间曲线才能连接。5.2 水平井轨道设计方法水平井轨道设计方法四、三维水平井轨道设计四、三维水平井轨道设计3.水平井待钻轨道设计设计方法
27、设计方法设计方法设计方法一种方法是圆柱螺线法圆柱螺线法圆柱螺线法圆柱螺线法，先在水平面上设计，再转到垂直剖面图上设计。（此方法相对容易，但设计的轨道造斜率是变化的，通常会出现较高的造斜率出现较高的造斜率出现较高的造斜率出现较高的造斜率）5.2 水平井轨道设计方法水平井轨道设计方法四、三维水平井轨道设计四、三维水平井轨道设计3.水平井待钻轨道设计设计方法设计方法设计方法设计方法另一种方法是斜面圆弧法斜面圆弧法斜面圆弧法斜面圆弧法，但难度要大。关键是求解关键是求解关键是求解关键是求解一个三元强一个三元强一个三元强一个三元强非线性程组非线性程组非线性程组非线性程组EN5.2 水平井轨道设计方法水平井轨道设计方法四、三维水平井轨道设计四、三维水平井轨道设计4.4.考虑方位漂移考虑方位漂移考虑方位漂移考虑方位漂移水平井轨道设计假设通过一定的途径可以找到这样一个特殊点c和井眼方向，以c点及其井眼方向为目标进行水平井轨道设计（包括待钻轨道），对设计好的轨道考虑方位漂移影响后正好可以通过目标点t，并且井眼方向一致，这样就可以实现考虑方位漂移情况下的水平井轨道设计。