定向井井眼轨迹计算.ppt

2020/6/4,定向井井眼轨迹计算,2020/6/4,井眼轨迹的基本概念,测点与测段可测参数测点的井深，用L表示；测点的井斜角，用α；测点的方位角，用φ。,2020/6/4,井眼轨迹的其他参数,垂深H、N坐标N、E坐标E水平位移A和视平移VS井眼曲率K,2020/6/4,二、井眼曲率的计算,1.井眼曲率的概念井斜角和方位角的大小决定了井眼前进的方向。从一点到另一点，井眼前进方向变化的角度（两点处井眼前进方向线之间的夹角），既反映了井斜角的变化，又反映了井斜方位角的变化。人们将此角度称为全角变化值，或称为狗腿角，通常以γ表示。井眼曲率也称为全角变化率，又称狗腿严重度简称为狗腿度，都是同一个概念，是指单位长度井段内狗腿角的大小。,2020/6/4,根据空间微分几何原理，可得对于一个测段来说，以和代入，并以测段平均井斜角代替公式中的α，得到,二、井眼曲率的计算2.第一套计算公式,2020/6/4,井轴上取微段dL。根据微分几何原理，微段的曲率为根据几何关系，,二、井眼曲率的计算2.第一套计算公式（证明）,2020/6/4,对上三式再求导，并令则可得将三式代入并化简即有,二、井眼曲率的计算2.第一套计算公式（证明）,2020/6/4,这是Lubinsky根据空间平面圆弧曲线推导的。假定测段是斜面圆弧曲线，则测段的狗腿角γ可由上面第一式计算得到，狗腿角γ除以段长ΔL就得到该段曲率。,二、井眼曲率的计算3.第二套计算公式,2020/6/4,由△CDE和△C’DE得二式联立可得由几何关系可得此四式代入上式可得,二、井眼曲率的计算3.第二套计算公式（证明1）,2020/6/4,三、测斜计算方法1.测斜计算概述,测斜计算的意义指导施工将计算结果绘图，及时掌握井眼轨迹发展的趋势，及时采取有效措施；资料保存井眼轨迹的数据，是一口井的最重要数据之一，对钻井、采油、修井、开发，都有重要意义。测斜计算的基本依据测斜数据（L，α，φ）测斜计算方法的多样性,2020/6/4,三、测斜计算方法2.对测斜计算数据的规定,用于计算全井轨迹的计算数据必须是测斜仪测得的数据．磁性测斜仪测得的方位角数据，须根据当地当年的磁偏角，进行校正．测点中若有一测点井斜角为零，则该点方位角等于相邻测点的方位角．方位角变化，在一个测段内不超过180。若方位角变化的绝对值大于180,应按反转方向计算。,2020/6/4,[例1-2]计算以下两测段的方位角增量和平均井斜方位角（1）上测点井斜方位角350，下测点井斜方位角2550；（2）上测点井斜方位角3350，下测点井斜方位角250；,三、测斜计算方法2.对测斜计算数据的规定,2020/6/4,三、测斜计算方法3.测斜计算的一般过程,假设测段形状计算测段的坐标增量ΔH,ΔN,ΔE、水平长度增量ΔS和井眼曲率K根据测段增量计算测点坐标参数和其他参数，包括H，N，E，S，A，θ，V，共计七项。,设计方位角,,2020/6/4,三、测斜计算方法4.测斜计算方法正切法,正切法又称下切点法。假设测段为一直线，方向与下测点井眼方向一致。所有方法中最简单的，计算误差最大的。,ΔH,H,2020/6/4,三、测斜计算方法4.测斜计算方法平均角法,平均角法又称角平均法。假设测段为一直线，其方向的井斜角和方位角分别为上、下两测点的平均井斜角和平均方位角。,式中,ΔH,H,2020/6/4,三、测斜计算方法4.测斜计算方法平衡正切法,假设一个测段由两段组成，每段等于测段长度的一半，方向分别为上、下测点的井眼方向。这种方法在国外用的比较多。,ΔH1,ΔH2,ΔH,H,2020/6/4,三、测斜计算方法4.测斜计算方法圆柱螺线法（曲率半径法）,1968年，美国人G.J.Wilson提出了曲率半径法。其假设条件为测段为一圆滑曲线，该曲线与上、下二测点处的井眼方向相切，而且该曲线在垂直剖面图和水平投影图上都是圆弧。1975年，我国郑基英教授提出了圆柱螺线法。他的假设条件是两测点间的测段是一条等变螺旋角的圆柱螺线，螺线在两端点处与上、下二测点处的井眼方向相切。可以证明，曲率半径法和圆柱螺线法的假设是一致的。,2020/6/4,三、测斜计算方法曲率半径法计算公式,,H,S,2020/6/4,三、测斜计算方法圆柱螺线法计算公式,可以证明，曲率半径法和圆柱螺线法的计算公式是一样的。,2020/6/4,三、测斜计算方法圆柱螺线法（曲率半径法）特殊情况处理,第一种情况α1α2；φ2≠φ1；即Δα0；Δφ≠0。,,,2020/6/4,三、测斜计算方法圆柱螺线法（曲率半径法）特殊情况处理,第二种情况α1≠α2；φ2φ1；即Δα≠0；Δφ0。,,,2020/6/4,三、测斜计算方法圆柱螺线法（曲率半径法）特殊情况处理,第三种情况α1α2；φ2φ1；即Δα0；Δφ0。,,,2020/6/4,三、测斜计算方法4.测斜计算方法校正平均角法,三角函数sinx可以展开成马克劳林无穷级数的形式当x小于1时，此级数收敛很快，可近似取前两项，即当x为（Δα/2）或（Δφ/2）时，则有,2020/6/4,三、测斜计算方法4.测斜计算方法校正平均角法,将此二式代入到圆柱螺线法公式中，可得,这就是校正平均角法的计算公式,令,公式变为平均角法的形式，但多了两个系数fA和fH。fA和fH，可以看作是校正平均角法的校正系数。,2020/6/4,三、测斜计算方法校正平均角法的优点,校正平均角法是从圆柱螺线法公式经过简化而推导出来的。校正平均角法的计算精度，几乎与圆柱螺线法完全相同。最大优点方法简单，不存在特殊情况处理问题。当式中的括弧等于1时，公式变为平均角法。所以，我国定向井标准化委员会规定，当使用电算进行测斜计算时，要使用校正平均角法。,2020/6/4,三、测斜计算方法4.测斜计算方法最小曲率法（斜面圆弧法）,1975年，美国人提出了最小曲率法。其假设条件为测段为一圆弧线，该圆弧与上、下二测点处的井眼方向相切。可以证明圆弧线是两测点间曲率最小的曲线，最小曲率法因此得名，最小曲率法在国内外的测斜计算中得到广泛的应用。,2020/6/4,三、测斜计算方法最小曲率法计算公式,2020/6/4,三、测斜计算方法5.测斜计算方法的对比选择,上述七种计算方法可分为三类由于曲线法优于直线法和折线法。因此，手算采用平均角法，电算采用曲线法。动力钻具钻出的井眼用最小曲率法；转盘钻钻出的井眼用圆柱螺线法。,2020/6/4,三、测斜计算方法5.测斜计算方法的对比选择,我国标准化委员会规定手算用平均角法，电算用校正平均角法。正切法，公认是不准确的，目前已经废弃。下面我们仅仅对比其他六种方法。我们将六种计算方法的公式进行数学变换，将其平增和垂增的公式都变化为平衡正切法的公式形式乘一个系数K。,2020/6/4,平衡正切法,平均角法的系数,校正平均角法系数,圆柱螺线法系数,2020/6/4,最小曲率法（斜面圆弧法）的系数,2020/6/4,三、测斜计算方法5.测斜计算方法的对比选择,例1-3测段的参数为α1330；α2370；φ11960；φ22160；ΔL30m。,2020/6/4,三、测斜计算方法5.测斜计算方法的对比选择,由于Δα≤γ，按照五种方法的Ｋ值的大小，可以排出顺序最小曲率法和平均角法（二者谁大取决于实际计算条件）圆柱螺线法校正平均角法平衡正切法校正平均角法与圆柱螺线法的计算值相差非常小，所以，在实际工作中，完全可以用校正平均角法代替圆柱螺线法，而且也有必要作此代替。平衡正切法的计算值总是小于曲线法的计算值。平均角法的计算值介于圆柱螺线法和最小曲率法两种曲线法的计算结果之间，是最接近曲法的计算结果。所以，手算（包括使用计算器）应该选用平均角法。,2020/6/4,定向井井眼轨道设计原则,一口定向井的实施，首先要有一个轨道设计，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、总体原则应能实现钻定向井的目的；应有利于安全、优质、快速钻井；满足采油工艺的要求。,2020/6/4,二、具体设计原则选择合适的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；应尽可能不采用降斜井段的轨道设计,2020/6/4,二、具体设计原则选择合适的造斜点位置造斜点的选择应充分考虑地层稳定性、可钻性的限制。尽可能把造斜点选择在比较稳定、均匀的硬地层，避开软硬夹层、岩石破碎带、漏失地层、流沙层、易膨胀或易坍塌的地段，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、水平位移和选用的轨道类型来决定，并要考虑满足采油工艺的需求；应充分考虑井身结构的要求。,2020/6/4,二、具体设计原则选择合适的井眼曲率井眼曲率的选择，要考虑工具造斜能力的限制和钻具刚性的限制，结合地层的影响，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，应尽可能选择比较低的造斜率，这样，钻具、仪器和套管都容易通过，当然，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。,2020/6/4,二、具体设计原则选择合适的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；稳斜段井斜角也不宜太大，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。,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小于15时，方位难以控制；井斜角在1540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；井斜角在4060时，钻进速度慢，方位调整困难且不利于携岩；井斜角大于60，电测、完井作业施工的难度很大，易发生井壁垮塌。,2020/6/4,尽可能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、动力马达的使用寿命，尽可能使各个井段的长度合理，一方面能满足轨迹控制的要求，另一方面能充分利用单只钻头和动力马达的有效寿命；后面井段使用的钻具组合能顺利下至已钻井底，避免划眼或专门下一趟钻进行通井。,2020/6/4,井眼轨迹的设计程序,①根据地质提供的靶点三维坐标，计算水平段长度，水平段稳斜角，及方位角。②确定井身剖面类型。③确定水平井钻井方法及造斜率，选定合适的靶前位移。④利用计算软件，初步计算井身剖面分段数据。⑤对初定剖面进行摩阻、扭矩计算分析，通过调整设计参数，选取摩阻扭矩最小的剖面。⑥根据初定剖面的靶前位移及设计方位角，计算出井口坐标，并到现场落实。⑦根据复测井口坐标，对设计方位及剖面数据进行微调，完成剖面设计。,2020/6/4,定向井轨迹计算软件,定向井轨迹计算软件的三个主要功能是井眼轨迹设计、轨迹计算和防碰扫描。其它辅助功能有磁参数计算、图形处理和输出、资料和数据的输出等。最常用的定向井软件是Landmark公司的Compass，国产软件Navigator。,