钻井工程第五章 井眼轨道设计与轨迹控制说课讲解.docx
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钻井工程第五章井眼轨道设计与轨迹控制说课讲解
钻井工程：
第五章井眼轨道设计与轨迹控制
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
第一象限
真方位角＝象限角
第二象限
真方位角＝180°－象限角
第三象限
真方位角＝180°＋象限角
第四象限
真方位角＝360°－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）。
轨迹计算时，必须首先算出每个测段的坐标增量，然后才能求得测点的坐标值。
8．平均角法与校正角法有什么区别？
实际计算结果可能有什么差别？
答：
平均角法假设测段是一条直线，该直线的方向是上下二测点处井眼方向的“和方向”（矢量和）。
校正平均角法假设测段形状为一条圆柱螺线。
校正平均角法的计算公式是在平均角计算公式的基础上加入了校正系数。
9．直井轨迹控制的主要任务是什么？
答：
直井轨迹控制的主要任务就是要防止实钻轨迹偏离设计的铅垂直线。
一般来说实钻轨迹总是要偏离设计轨道的，问题在于能否控制井斜的度数或井眼的曲率在一定范围之内。
10． 引起井斜的地质原因中最本质的两个因素是什么？
二者如何起作用？
答：
最本质的两个因素是地层可钻性的不均匀性和地层的倾斜。
沉积岩都有这样的特征：
垂直层面方向的可钻性高，平行层面方向的可钻性低。
在地层倾斜的情况下，当地层倾角小于45°时，钻头前进方向偏向垂直地层层面的方向，于是偏离铅垂线；当倾角超过60°以后，钻头前进方向则是沿着平行地层层面方向下滑，也要偏离铅垂线；当地层倾角在45°～60°之间时，井斜方向属不稳定状态。
11． 引起井斜的钻具原因中最主要的两个因素是什么？
他们又与什么因素有关？
答：
钻具导致井斜的主要因素是钻具的倾斜和弯曲。
导致钻具倾斜和弯曲的主要因素：
首先，由于钻具直径小于井眼直径，钻具和井眼之间有一定的间隙。
其次，由于钻压的作用，下部钻具受压后必将靠向井壁一侧而倾斜。
12． 井径扩大如何引起井斜？
如何防止井径扩大？
答：
井眼扩大后，钻头可在井眼内左右移动，靠向一侧，也可使受压弯曲的钻柱挠度加大，于是转头轴线与井眼轴线不重合，导致井斜。
要防止井径扩大，首先要有好的钻井液护壁技术；其次可以抢在井径扩大以前钻出新的井眼。
13． 满眼钻具组合控制井斜的原理是什么?
它能使井斜角减小吗？
08
答：
满眼钻具组合采用在钻铤上适当安装扶正器（近钻头扶正器、中扶正器、上扶正器、第四扶正器），采用扶正器组合的办法解决井斜问题。
满眼钻具组合并不能减小井斜角，只能做到使井斜角的变化（增斜或将斜）很小或不变化。
14． 钟摆钻具组合控制井斜的原理是什么？
为什么使用它钻速很慢？
08
答：
钟摆钻具组合在钻柱的下部适当位置加一个扶正器，该扶正器支撑在井壁上，使下部钻柱悬空，则该扶正器以下的钻柱就好像一个钟摆，也要产生一个钟摆力。
此钟摆力的作用是使钻头切削井壁的下侧，从而使新钻的井眼不断降斜。
钟摆钻具组合的性能对钻压特别敏感。
钻压加大，则增斜力加大，钟摆力减小。
钻压再增大，还会将扶正器以下的钻柱压弯，甚至出现新的接触点，从而完全失去钟摆组合的作用。
所以钟摆钻具组合在使用中必须严格控制钻压，故钻速很慢。
15． 定向井如何分类？
常规二维定向井包括哪些？
答：
根据轨道的不同，定向井可分为二维定向井和三维定向井两大类，按照井斜角的大小，可将定向井分为三类：
井斜角在15°～30°的属小倾斜角定向井；井斜角在30°～60°的属中倾斜角定向井；井斜角超过60°的属大倾斜角定向井。
常规二维定向井轨道有四种类型：
三段式、多靶三段式、五段式和双增式。
16． 从钻井工艺的角度看，定向井的最大井斜角是大点好还是小点好？
答：
在可能的条件下，尽量减小最大井斜角，以便减小钻井的难度。
但最大井斜角不得小于15°，否则井斜方位不易稳定。
17． 多靶三段式与三段式有何区别？
轨道设计方法有何不同？
答：
多靶三段式的轨道给定条件中，没有目标的水平位移。
多靶三段式在设计中需要求出目标点的水平位移，确定地面上的井位，所以被称为“倒推设计法”。
18． 轨道设计的最终结果包括哪些内容？
答：
设计结果包括：
井斜角/°、垂增/m、垂深/m、平增/m、平移/m、段长/m和井深/m。
19． 动力钻具造斜工具有哪几种形式？
他们的造斜原理有何共同之处？
答：
动力钻具又称井下马达，包括涡轮钻具、螺杆钻具、电动钻具三种。
动力钻具接在钻铤之下，钻头之上。
在钻井液循环通过动力钻具时，驱动动力钻具转动并带动钻头旋转破碎岩石。
动力钻具以上的整个钻柱都可以不旋转。
这种特点对于定向造斜非常有利。
20． 螺杆钻具在定向井造斜方面有何优点？
答：
螺杆钻具的扭矩与压力降成正比。
压力降可从泵压表上读出，扭矩则反映所加钻压的大小，所以可以看着泵压表打钻。
根据泵压表上的压力降还可以换算出钻头上的扭矩，从而可以较为准确的求得反扭矩。
这是螺杆钻具在定向钻井应用中的突出优点。
21． 变向器与射流钻头造斜原理有什么不同？
它们能连续造斜吗？
答：
变向器是钻出小井眼扩眼并增斜来钻井的，射流钻头是利用一个大喷嘴中喷出的强大射流形成的冲击来造斜的，它们不能连续造斜。
22． BHA是什么意思？
它有什么用途？
08
答：
BHA（BottomHoleAssembly）为靠近钻头的那部分钻具，称为“底部钻具组合”。
BHA是定向造斜的关健，通过它进行定向井轨迹控制。
23． 轨迹控制的三个阶段的主要任务各是什么？
答：
（1）打好垂直井段。
在钻垂直井段时要求实钻轨迹尽可能接近铅垂线，也就是要求井斜角尽可能小。
（2）把好定向井造斜关。
如果定向造斜段的方位有偏差，则会给以后的轨迹控制造成巨大困难。
所以定向造斜是关键。
（3）跟踪控制到靶点。
从造斜段结束，至钻完全井，都属于跟踪控制阶段。
这一阶段的任务是在钻进过程中，不断了解轨迹的变化发展情况，不断地使用各种造斜工具或钻具组合，对井眼轨迹进行控制，原则就是既要保证中靶，又要加快钻速。
24． 高边方向与装置方向线各是怎样形成的？
这两条线是否处在同一平面上?
答：
我们假设造斜工具放在井内时不受井眼地限制，钻头将在井底地外面。
旋转钻柱，则钻头中心点将画出一个与井底圆同心地圆。
井底圆上地最高点与圆心的连线称为“高边方向线”，转头中心与圆心的连线称为“装置方向线”。
两条线都在井底平面上。
25． 装置角有什么重要意义？
当装置角等于240时，井眼轨迹将如何发展？
答：
可以根据装置角算出钻具的高边，确定钻头的位置。
26． 有了装置角为什么还要有装置方位角？
它们之间有什么关系？
答：
装置方位角可以正确指出弯接头在井下的装置角的大小。
装置方位角是装置角与井斜方位角之和。
27． 动力钻具反扭角是如何产生的？
为什么反扭角总是使装置角减小？
答：
动力钻具在工作中，液流作用于转子并产生扭矩，传给钻头去破碎岩石。
液流同时也作用于定子，使定子受到一反扭矩。
此反扭矩将有使钻柱旋转的趋势，但由于钻柱在井口处是被锁住的，所以只能扭转一定的角度，此角度称为反扭角。
28． 什么是定向？
定向的目的和意义是什么？
答：
定向就是把造斜工具的工具面摆在预定的定向方位线上。
在扭方位计算中，我们可以算出造斜工具的定向方位角，定向可以知道造斜工具在井下的状况，以及使造斜工具的工具面正好处在预定的定向方位。
29． 井下定向的工艺过程有哪些？
答：
井下定向法是先用正常下钻法将造斜工具下到井底，然后从钻柱内下入仪器测量工具面在井下实际方位；如果实际方位与预定方位不符，亦可在地面上通过转盘将工具面扭到预定的定向方位上。
30． 定向键法是如何使测量仪器中罗盘的”发线”与造斜工具的工具面对准？
答：
在测量仪器的罗盘面上有一个“发线”，在测量仪器的最下面有一个“定向鞋”，定向鞋上有一个“定向槽”，在仪器安装时使“发线”与“定向槽”在同一个母线上对齐。
当仪器下到井底时，定向鞋的特殊曲线将使定向槽自动卡在定向键上，从而使罗盘面上的发线方位能表示造斜工具的工具面方位。
31． 无磁钻铤在定向中的作用是什么？
什么情况下需要使用无磁钻铤？
答：
使用无磁钻铤是为了消除钻铤磁性对磁性测斜仪的影响。
在安装磁性测量装置的位置，应使用无磁钻铤。
32． 水平井分类的依据是什么?
为什么要分类？
答：
水平井的分类是根据从垂直井段向水平井段转弯时的转弯半径（曲率半径）的大小进行的。
因为各类水平井的曲率半径不同，钻井所用的设备、工具和方法不同，固井、完井方法也不一样。
33． 水平井的难度主要表现在哪些方面？
引起这些难度的原因是什么?
答：
（1）水平井的轨迹控制要求高，难度大。
要求高，是指轨迹控制的目标区要求高。
水平井的目标区是一个扁平的立方体，不仅要求井眼准确进入窗口，而且要求井眼的方位与靶区轴线一致，俗称“矢量中靶”。
难度大，是指在轨迹控制过程中存在“两个不确定性因素”。
一是目标垂深的不确定性；二是造斜工具的造斜率的不确定性。
这两个不确性的存在，对直井和普通定向井来说，不会有很大的影响，但对水平井来说，则可能导致脱靶。
（2）管柱受力复杂。
由于井眼的井斜角大，井眼曲率大，管柱在井内运动将受到巨大的摩阻，致使起下钻困难，下套管困难，给钻头加压困难；在大斜度和水平井段需要使用“倒装钻具”，下部的钻杆将受轴向压力，压力过大将出现失稳弯曲，弯曲之后摩阻更大；摩阻力、摩扭矩和弯曲应力将显著增大，使钻柱的受力分析、强度设计和强度校核比直井和普通定向井更为复杂；由于弯曲应力很大，在钻柱旋转条件下应力交变,将加剧钻柱的疲劳破坏。
（3）钻井液密度选择范围变小，容易出现井漏和井塌。
地层的破裂压力和坍塌压力随井斜角和井斜方位角而变化；在水平井段，地层破裂压力不变，而随着水平井段的增长，井内钻井液液柱的激动压力和抽吸压力将增大，也将导致井漏和井塌。
（4）岩屑携带困难。
由于井眼倾斜，岩屑在上返过程中将沉向井壁的下侧，堆积起来，形成“岩屑床”。
特别是在井斜角45°～60°的井段，已形成的“岩屑床”会沿井壁下侧向下滑，形成严重的堆积，从而堵塞井眼。
（5）井下缆线作业困难。
在大斜度和水平井段，测井仪器不可能依靠自重滑到井底。
（6）保证固井质量的难度大。
一方面由于大斜度和水平井段的套管在自重下贴在下井壁，居中困难；另一方面钻井液在凝固过程中析出的自由水将集中在井眼上侧，从而形成一条沿井眼上侧的“水槽”，大大影响固井质量。
（7）完井方法选择和完井工艺难度大。
水平井井眼曲率较大时，套管将难以下入，无法使用射孔完井法，将不得不采用裸眼完井或筛管完井法等。
这将使完井方法不能很好地与地层特性相适应，将给采油工艺带来难度。
34． 井斜方位角与象限角的换算：
（1）将下列方位角用象限角表示：
50，90，175，200，315，0；
（2）将下列象限角用方位角表示：
S13.5E，S70W，N50E，N33W。
答：
35． 试用两种井眼曲率公式分别计算表中所列三个测斜的井眼曲率。
测 段
１
２
３
段长/m
３３
３５
３５
井斜角
３
８０
３５
井斜角
３
８５
３９
方位角
１５
１００
３０３
方位角
１９４
１６０
２９５
曲率（方法1）
曲率（方法２）
答：
36． 求下列各测段的井斜方位角增量和平均井斜方位角。
测 段
1
2
3
4
300
185
3
45
10
25
355
230
答：
37． 请分别用平均角法和校正平均角法完成下表数据的测斜计算。
已知设计方位角。
L/m
N/m
E/m
D/m
V/m
DLS//30m
1524.24
6.11
1.06
1532.24
17.34
0.89
1542.89
19.00
358.2
1551.94
20.12
0.99
答：
38． 验算表5-1中某些测段及测点的计算结果。
答：
39． 钟摆钻具组合扶正器最优距离的计算。
已知条件为：
mm，,mm（内径75mm）,E=20.594Pa，=1.33kg/L，设计允许最大井斜角3，钻压P=120kN。
试求该组合的中扶正器距离钻头的最优距离。
40． 某定向井设计目标点垂深800m，水平位移为200m，造斜点垂深500m，造斜率1.8/30m，设计轨道形状为三段式。
试设计该井轨道，并按表列项目计算有关未知参数。
节 点
井斜角
垂深
水平位移
井深
O
K
ｂ
t
41． 某井拟设计为双增轨道，设计条件如下：
造斜点垂深，完钻点垂深，完钻点位移，目标段长，第一造斜率，第二造斜率。
试设计该轨道，并按表列项目计算有关未知参数。
节 点
井斜角
垂深
水平位移
井深
O
K
ｂ
Ｃ
ｔ
ｄ
42． 某井拟设计为多靶三段式轨道，已知设计条件为造斜点垂深，目标点垂深，目标段井斜角，目标段长，给定造斜率。
试设计该轨道，并按表列项目计算有关未知参数。
节 点
井斜角
垂深
水平位移
井深
O
K
ｂ
ｔ
ｄ
43． 某井钻至2000m深处，井斜方位角102。
根据轨迹控制要求，希望钻进100m使井斜角达到33，井斜方位角达到70。
求造斜工具的装置角和造斜率。
44． 某井方位控制计算：
已知目前井底井斜角22.5，井斜方位角205，造斜工具的造斜率为4.5/30m，装置角定为95，求钻进120m以后的井斜角和井斜方位角值。
45． 定向井方位与方向的区别何在？
井斜方位角有那两种表示方法？
二者之间如何换算？
答：
“方向”与“方位”是有区别的。
方位线是水平面上的矢量，而方向线则是空间的矢量。
只要讲到方位、方位线、方位角，都是在某个水平面上；而方向和方向线则是在三维空间内（当然也可能在水平面上）。
井眼方向线是指井眼轴线上某一点处井眼前进的方向线。
该点的井眼方位线则指该点井眼方向线在水平面上的投影。
目前广泛使用的磁性测斜仪是以地球磁北方位为基准的。
磁北方位与正北方位并不重合而是有个夹角，称为磁偏角。
磁偏角又分为东磁偏角和西磁偏角。
东磁偏角指磁北方位线在正北方位线的东面，西磁偏角指磁北方位线在正北方位线的西面。
用磁性测斜仪测得的井斜方位角称为磁方位角，并不是真方位角，需要经过换算求得真方位角。
这种换算称为磁偏角校正。
换算的方法如下：
真方位角＝磁方位角＋东磁偏角
真方位角＝磁方位角－西磁偏角
46． 已知某井第一测点测深650m，井斜角7°，方位角110°；第二测点测深680m，井斜角11°，方位角130°。
用平均角法计算两测点间的垂深增量（单位：
m）、北坐标增量（单位：
m）和东坐标增量（单位：
m）;并计算出两测点间的井眼曲率（单位：
°/100m）。
答：
垂深增量=Lcos=30cos（9）=29.63m
北坐标增量=Lsincos=30sin（9）cos（120）=2.346m
东坐标增量=Lsinsin=30sin（9）sin（120）=4.063m
井眼曲率：
=16.9 °/100m
47． 分析造成井斜的原因，简述控制井斜的基本方法和原理。
答：
08
造成井斜的原因主要有：
（1）地质因素
a.地层可钻性的各向异性，即地层可钻性在不同方向上的不均匀性。
b.地层可钻性的纵向变化。
C.地层可钻性的横向变化。
（2）钻具原因
下部钻具的倾斜和弯曲，引起钻头倾斜，在井底形成不对称切削；或使钻头受到侧向力的作用，迫使钻头进行侧向切削。
（3）井眼扩大
井眼扩大,钻头可在井眼内左右移动，靠向一侧，也可使受压弯曲的钻柱挠度加大，于是钻头轴线与井眼轴线不重合，导致井斜。
控制井斜的基本方法有：
（1）满眼钻具组合控制井斜
如果钻具直径与钻头直径完全相等，上述三个井斜原因就都会被克服。
（2）钟摆钻具组合控制井斜
钻柱的下部适当位置加一个扶正器，该扶正器支撑在井壁上，使下部钻柱悬空，则该扶正器以下的钻柱就好像一个钟摆，产生一个钟摆力，其作用是使钻头切削井壁的下侧，从而使新的井眼不断降斜。
48． 分析（图示）斜井内下部钻柱的受力情况，指出作用在钻头上的力中哪些力为造斜力，哪些力为减斜力？
各项同性地层中，井斜平衡角数值主要取决哪些因素？
答：
如图所示为下部钻柱在斜井内的受力情况。
井斜角为，钻铤靠在井壁的低边，并在切点T处与井壁接触，作用在钻头上的力有：
（1） 钻压P
钻压分解为:
平行于井眼轴线的力 PO=Pcos 对井斜无影响
垂直于井眼轴线的力 Fi=Psin 是增斜力
（2） 钟摆力
是减斜力
（3） 地层造斜力Ff
Ff是增斜还是减降斜取决于地层倾角大小和各向异性因素。
井斜平衡角的数值主要取决于三个因素：
钻压、钻铤尺寸和井眼尺寸。
49． 简述定向井剖面的具体设计方法。
所设计的井眼曲率要受到哪些因素的制约，为什么？
答：
具体方法：
（1）掌握原始资料主要是该地区的地质剖面，地表对井位的限制条件，目的层位的垂直井深和总的水平位移，自然造斜规律，工具的造斜能力，钻井技术水平以及故障提示等。
（2）根据井身剖面确定原则，选定一个井身剖面类型。
（3）根据原始资料选定造斜点的位置，并确定造斜率和将斜率的大小。
（4）确定最大井斜角
（5）计算剖面上各井段的井斜角，方位角，垂直井深，水平位移。
（6）校核井眼曲率，使其满足对各种条件的限制，并作出井身的控制圆柱。
井眼曲率的限制：
（1）井下动力钻具的限制,应力问题。
（2）套管的限制，应力问题。
（3）测井及完井的限制，下入问题。
（4）起下钻阻卡及键槽的限制，高摩阻问题。
50． 简述定向井扭方位作业中装置角的定义及其对方位和井斜的影响。
答：
井底平面上以高边方位线为始边顺时针旋转到造斜工具装置方向线所转过的角度。
00
900
2700
1800
增斜
增方位
降斜
增方位
降斜
减方位
增斜
减方位
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