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1、水平井轨道设计水平井分类水平井分类水水平平井井分分类类水平井轨道设计问题水平井轨道设计问题(B类类)水平井轨道设计需要考虑的问题：水平井轨道设计需要考虑的问题：首要考虑的是水平井首要考虑的是水平井能否取得预期的经济效益能否取得预期的经济效益。水平井获。水平井获得经济效益的关键是目标段的设计，包括油藏类型的选择，得经济效益的关键是目标段的设计，包括油藏类型的选择，对油层厚度、性质以及剩余油分布的研究，目标段的走向、对油层厚度、性质以及剩余油分布的研究，目标段的走向、倾向、长度、完井方法等等。倾向、长度、完井方法等等。考虑两个不确定性问题考虑两个不确定性问题：目标垂深的不确定性：目标垂深的不确定性
2、：造斜率的不确定性造斜率的不确定性：考虑施工人员的考虑施工人员的轨迹控制能力轨迹控制能力，特别是增斜段的轨迹控制，特别是增斜段的轨迹控制能力，能力，是否具备必要的造斜工具和测量工具测量仪器是否具备必要的造斜工具和测量工具测量仪器等；等；考虑所选的造斜率，下套管时考虑所选的造斜率，下套管时套管能否顺利通过套管能否顺利通过？目标段的长度，还要受到众多因素的影响。目标段的长度，还要受到众多因素的影响。水平井目标区设计水平井的主要难度之一水平井的主要难度之一 井眼轨迹控制要求高 要求高，是指轨迹要求高，是指轨迹控制的目标区的要求高。控制的目标区的要求高。普通定向井的目标区是普通定向井的目标区是一个靶园
3、，井眼只要穿一个靶园，井眼只要穿过此靶园即为合格。水过此靶园即为合格。水平井的目标区则是一个平井的目标区则是一个扁平的立方体，如图所扁平的立方体，如图所示，示，不仅要求井眼准确不仅要求井眼准确进入窗口，而且要求井进入窗口，而且要求井眼的方位与靶区轴线一眼的方位与靶区轴线一致，致，俗称俗称“矢量中靶矢量中靶”。水平井的主要难度之二水平井的主要难度之二 井眼轨迹控制难度大 难难度度大大，是是指指在在轨轨迹迹控控制制过过程程中中存存在在“两两个个不不确确定定性性因因素素”。轨轨迹迹控控制制的的精精度度稍稍差差，就就有有可可能能脱脱靶靶。所所谓谓“两两个个不不确确定定性性因因素素”，一一是是目目标标垂
4、垂深深的的不不确确定定性性，即即地地质质部部门门对对目目标标层层垂垂深深的的预预测测有有一一定定的的误误差差；二二是是造造斜斜工工具具的的造造斜斜率率的的不不确确定定性性。这这两两个个不不确确定定性性的的存存在在，对对直直井井和和普普通通定定向向井井来来说说，影影响响不不大大，但但对对水水平平井来说，则可能导致脱靶。井来说，则可能导致脱靶。难难度度大大的的另另一一个个原原因因，水水平平井井的的井井眼眼曲曲率率比比普普通通定定向向井井要要高高得得多多，造造斜斜的的难难度度要要大大得得多多，需需要要水水平平井井特特殊的造斜工具。殊的造斜工具。这这一一方方面面要要求求精精心心设设计计水水平平井井轨轨
5、道道，一一方方面面要要求求具有较高的轨迹控制能力。具有较高的轨迹控制能力。两个不确定性的影响造斜率不确定可能造斜率不确定可能导致脱靶；导致脱靶；预计为预计为8/30m实际实际7.5 8.5/30m。曲率半径分别为曲率半径分别为214米，米，202米，米，229米。米。上差上差12米，下差米，下差15米。米。若油层厚度为若油层厚度为10米，米，则可能脱靶。则可能脱靶。两个不确定性的影响目标垂深的目标垂深的不确定可能不确定可能导致脱靶；导致脱靶；4 的预测的预测精度，精度，2500米深度，偏米深度，偏差差 10米。米。若油层厚度若油层厚度为为10米，则米，则可能脱靶。可能脱靶。套管可通过的最大井眼
6、曲率限制套管可通过的最大井眼曲率限制问题问题 我国的钻井手册我国的钻井手册(甲方甲方)介绍了介绍了API推荐的公式和钻井推荐的公式和钻井承包商推荐的公式，两公式的形式完全相同，只是系数不同承包商推荐的公式，两公式的形式完全相同，只是系数不同而已，如下式而已，如下式:式中：式中：套管允许通过的最大井眼曲率，套管允许通过的最大井眼曲率，；套管套管管体管体钢材的屈服强度，钢材的屈服强度，；套管管体外径，米套管管体外径，米；安全系数，安全系数，API 推荐为推荐为1.8，钻井承包商推荐钻井承包商推荐1.21.25；螺纹应力集中系数，螺纹应力集中系数，API 推荐为推荐为3 钻井承包商推荐钻井承包商推荐
7、22.25 套管可通过的最大井眼曲率限套管可通过的最大井眼曲率限制问题制问题API推荐公式存在的问题：推荐公式存在的问题：未考虑套管管体和螺纹连接强度的差别。未考虑套管管体和螺纹连接强度的差别。式中采用式中采用的是管体屈服强度，实际上真正控制的是管体屈服强度，实际上真正控制“套管可通过套管可通过的最大井眼曲率的最大井眼曲率”的因素是螺纹连接强度。的因素是螺纹连接强度。未考虑轴向力的影响。未考虑轴向力的影响。套管可通过的最大井眼曲率套管可通过的最大井眼曲率问题，就是套管可承受最大弯曲应力的问题。显然问题，就是套管可承受最大弯曲应力的问题。显然在不同的轴向应力条件下，套管可承受的最大弯曲在不同的轴
8、向应力条件下，套管可承受的最大弯曲应力也将不同。轴向应力越大，则可承受的最大弯应力也将不同。轴向应力越大，则可承受的最大弯曲应力将越小。曲应力将越小。将安全系数将安全系数 和螺纹应力集中系数和螺纹应力集中系数 分开，分开，实无必要。实无必要。套管可通过的最大井眼曲率限套管可通过的最大井眼曲率限制问题制问题存在问题举例：存在问题举例：例如，直径例如，直径244.47毫米，钢级为毫米，钢级为80，11.05mm壁厚的套管，按照壁厚的套管，按照API推荐的公式推荐的公式计算，允许通过的最大井眼曲率为计算，允许通过的最大井眼曲率为6.97；按；按钻井承包商推荐的公式计算，允许通过的最钻井承包商推荐的公
9、式计算，允许通过的最大井眼曲率为大井眼曲率为15.72，二者相差太大。，二者相差太大。胜利油田和大港油田在胜利油田和大港油田在“八五八五”水平井攻关水平井攻关期间，都曾将期间，都曾将244.47mm直径，直径，N80钢级，钢级，11.05mm壁厚的技术套管，下过壁厚的技术套管，下过16.5的井眼的井眼曲率，且未发现有什么问题。曲率，且未发现有什么问题。套管可通过的最大井眼曲率限套管可通过的最大井眼曲率限制问题制问题 在分析了套管可通过的最大井眼曲率影响因素的基础上，在分析了套管可通过的最大井眼曲率影响因素的基础上，参考了文献长庆油田的套管弯曲试验数据和胜利、大港油田的参考了文献长庆油田的套管弯
10、曲试验数据和胜利、大港油田的现场实践经验，提出了一种套管可通过的最大井眼曲率的确定现场实践经验，提出了一种套管可通过的最大井眼曲率的确定方法，并给出了计算公式：方法，并给出了计算公式：式中：套管允许通过的最大井眼曲率，；套管螺纹联结强度，；套管已承受的有效轴向力，；套管管体外径，；考虑套管螺纹应力集中等因素的系数，取K=1.65；套管管体截面积，。套管可通过的最大井眼曲率限套管可通过的最大井眼曲率限制问题制问题推荐公式的计算步骤：推荐公式的计算步骤：从钻井手册（甲方）或其他有关手册中查得套从钻井手册（甲方）或其他有关手册中查得套管的最小管的最小螺纹联结抗拉强度螺纹联结抗拉强度 。计算套管已经承
11、受的轴向力计算套管已经承受的轴向力 。计算套管可承受的弯曲引起的轴向力计算套管可承受的弯曲引起的轴向力：。计算套管可承受最大弯曲应力计算套管可承受最大弯曲应力：。将将 和和 两个系数合为一个系数两个系数合为一个系数 ，取值为，取值为1.65。考虑到单位换算，套管可通过的最大井眼曲率为：考虑到单位换算，套管可通过的最大井眼曲率为：水平段长的限水平段长的限制条件问题：制条件问题：水平段长度的限制因素：水平段长度的限制因素：目标段太长，目标段太长，下钻摩阻下钻摩阻可能大得下不下去；滑可能大得下不下去；滑动钻进加不上钻压；动钻进加不上钻压；摩阻增大，摩阻增大，受压钻柱发受压钻柱发生屈曲生屈曲失稳，更增
12、大摩失稳，更增大摩阻；阻；摩阻增大，在某种工况摩阻增大，在某种工况下，钻柱受力可能下，钻柱受力可能超过超过钻柱的强度极限钻柱的强度极限，导致，导致钻柱破坏；钻柱破坏；水平段过长，下钻或开水平段过长，下钻或开泵井内波动压力过大，泵井内波动压力过大，可能可能压漏地层压漏地层；水平段过长，起钻的抽水平段过长，起钻的抽吸可能导致吸可能导致井壁坍塌井壁坍塌。水平井轨道设计问题水平井轨道设计问题水平井轨道类型：水平井轨道类型：A类水平井轨道，适用于类水平井轨道，适用于短半径水平井。设计短半径水平井。设计A类类水平井，必须对造斜率和水平井，必须对造斜率和目标垂深掌握得很准确。目标垂深掌握得很准确。B，C类水
13、平井适用于中、类水平井适用于中、长半径水平井。长半径水平井。C类是在类是在B类的基础上发展类的基础上发展出来的。出来的。A类类水平井，多数属水平井，多数属侧钻水平侧钻水平井井。轨道设计又有其特殊性。轨道设计又有其特殊性。下面下面重点讲重点讲B、C二类水平井二类水平井的设计问题。的设计问题。水平井轨道设计问题水平井轨道设计问题(B类类)水平井轨道设计问题(B类)解决两个不确定性问题的思路为了降低分析问题的难度，为了降低分析问题的难度，将不确定性问题分成三种情将不确定性问题分成三种情况，分别予以解决。况，分别予以解决。目标垂深确定，造斜率不确定；目标垂深确定，造斜率不确定；造斜率确定，目标垂深不确
14、定；造斜率确定，目标垂深不确定；造斜率和目标垂深都不确定；造斜率和目标垂深都不确定；水平井轨道设计问题(B类)设计条件及要求存在目标垂深不确定时应给定：存在目标垂深不确定时应给定：目标层的井斜角目标层的井斜角E；目标层进入点的预计垂深目标层进入点的预计垂深HE；目标层进入点的预计垂深的误差目标层进入点的预计垂深的误差%。据此可以算得：据此可以算得：最高进入点垂深最高进入点垂深HS=HEHE%；最低进入点垂深最低进入点垂深HX=HEHE%；目标层的厚度目标层的厚度；标志层标志层与目标进入点在垂深方向距离与目标进入点在垂深方向距离；发现标志层后钻头先入长度发现标志层后钻头先入长度；存在造斜率不确定
15、时应给定：存在造斜率不确定时应给定：分别给定第一和第二造斜段的预期造斜分别给定第一和第二造斜段的预期造斜率率K1和和K2；据此可以算出相应的曲率半径据此可以算出相应的曲率半径R1和和R2；给定造斜率预期的误差，并计算出最高给定造斜率预期的误差，并计算出最高造斜率造斜率KS和最低造斜率和最低造斜率KX；据此可以算出相应的曲率半径据此可以算出相应的曲率半径RS和和RX；水平井轨道设计问题水平井轨道设计问题(B类类)第一种不确定性：第一种不确定性：目标垂深目标垂深确定确定，造斜率，造斜率不确定不确定设计思路：设计思路：1.根据最小造斜率根据最小造斜率RX和目标窗口的最低深度和目标窗口的最低深度HX，
16、设计一个下界轨道，设计一个下界轨道，同时确定造斜点垂深同时确定造斜点垂深Ha和靶前位移和靶前位移SE；2.根据最高造斜率根据最高造斜率RS和目标窗口的最高深度和目标窗口的最高深度HS，设计一个上界轨道。，设计一个上界轨道。3.根据预计造斜率根据预计造斜率R1和和R2，设计一个设计轨道。设计轨道必然处在，设计一个设计轨道。设计轨道必然处在上界和下界轨道之间，在造斜率误差范围之内，保证钻达目标。上界和下界轨道之间，在造斜率误差范围之内，保证钻达目标。水平井轨道设水平井轨道设计问题计问题(B类类)第一种不确定性：第一种不确定性：目标垂深目标垂深确定确定，造，造斜率斜率不确定不确定有关计算公式：有关计
17、算公式：造斜点垂深造斜点垂深Ha和靶前位移和靶前位移SE：最佳稳斜角计算公式：最佳稳斜角计算公式：最优进入法：进入点对准窗心最优进入法：进入点对准窗心E点；点；平行切线法：稳斜角与上界轨道相同；平行切线法：稳斜角与上界轨道相同；水平井轨道设水平井轨道设计问题计问题(B类类)第一种不确定性：第一种不确定性：目标垂深目标垂深确定确定，造，造斜率斜率不确定不确定平行切线法平行切线法RS1 R1 RX1RS2 R2 RX2 水平井轨道设计问题水平井轨道设计问题(B类类)第一种不确定性：第一种不确定性：目标垂深目标垂深确定确定，造斜率，造斜率不确定不确定最优进入法：最优进入法：水平井轨道设计问题水平井轨
18、道设计问题(B类类)第二种不确定性：第二种不确定性：造斜率造斜率确定确定，目标垂深，目标垂深不确定不确定设计思路：设计思路：1.根据给定的造斜率R1和R2以及目标垂深不确定性的所有条件，计算出最佳稳斜角opt；2.计算稳斜段长度Lw以及滑行段长度PE;3.最后计算造斜点垂深Ha和靶前位移SE;水平井轨道设计问水平井轨道设计问题题(B类类)第二种不确定性：第二种不确定性：造斜率造斜率确定确定，目标垂深，目标垂深不确定不确定有关计算公式：有关计算公式：最佳稳斜角计算公式：最佳稳斜角计算公式：当当E=900时，时，稳斜段长稳斜段长bc：水平井轨道设计问题水平井轨道设计问题(B类类)第二种不确定性：第
19、二种不确定性：造斜率造斜率确定确定，目标垂深，目标垂深不确定不确定有关计算公式：有关计算公式：滑行段长度滑行段长度PE：造斜点垂深Ha和靶前位移SE：水平井轨道设计问题水平井轨道设计问题(B类类)第三种不确定性：第三种不确定性：目标垂深目标垂深不确定不确定，造斜率，造斜率不确定不确定设计思路：设计思路：1.根据最小造斜率RX和目标窗口的最低深度HX，设计一个下界轨道，同时确定造斜点垂深Ha和靶前位移SE；2.根据预计造斜率R1和R2，以及给定的目标垂深不确定条件，计算出最佳稳斜角opt；3.最后计算稳斜段长bc及滑行段长度PE；水平井轨道设水平井轨道设计问题计问题(B类类)第三种不确定性：第三
20、种不确定性：造造斜率和目标垂深斜率和目标垂深都不都不确定确定有关计算公式：造斜点垂深Ha和靶前位移SE：最佳稳斜角opt：水平井轨道设水平井轨道设计问题计问题(B类类)第三种不确定性：第三种不确定性：造斜率和目标垂深造斜率和目标垂深都不确定都不确定有关计算公式：稳斜段长度bc 和滑行段长度PE：当E=900时，当E=900时，水平井轨道设水平井轨道设计问题计问题(C类类)基本思想：基本思想：这种轨道式在B类轨道基础上发展起来的。B类轨道在钻进过程中，当钻到稳斜段时，往往出钻到稳斜段时，往往出现稳不住的情况现稳不住的情况。若使用强稳斜组合，则组合“太硬”，扶正器太多，不利于钻柱起下和钻进。于是，
21、人们想到将稳斜段改为缓将稳斜段改为缓增段增段。钻进缓增段时，使用缓增组合(转盘钻或动力钻具钻)。这样轨迹控制反而比较容易些。u设计思路：设计思路：给定条件：造斜点垂深Da和靶前位移SE；两个主要增斜段曲率半径R1和R3；缓增段的曲率半径R2；需要计算的参数：关键是b 点和c点的位置。所以最重要的是计算出从b点到点到c点井斜角点井斜角的增量的增量2 和b点井斜角点井斜角b。b 和和2 乃是关键参数乃是关键参数。水平井轨道设水平井轨道设计问题计问题(C类类)令：水平井轨道设水平井轨道设计问题计问题(C类类)计算过渡参数：当当D0 0 时，时，当当D0 0 时，时，当当D00 且且S0 0 时，时，当当D00 且且S0 0 时，时，90 270 水平井轨道设水平井轨道设计问题计问题(C类类)计算过渡参数：计算缓增段井斜角增量2及b点和c点井斜角：水平井轨道设水平井轨道设计问题计问题(C类类)对2计算公式是否有解的判断：由于R2R1且R2R3，所以必有：当 时，必有解。当 时，缓增段长度等于零。当 D0=0 且 S0=0，时，必有R0=0 即R1=R3，否则将出现：，此时将出现无解。