1、5.1 水平井軌道(gudo)設(shè)計(jì)的原則 一口水平井的實(shí)施，首先要有一個(gè)軌道設(shè)計(jì)，才能以此設(shè)計(jì)為依據(jù)進(jìn)行具體的鉆井施工。對(duì)于相同的勘探、開發(fā)目的(md)和相同的設(shè)計(jì)限制條件，可以設(shè)計(jì)出不同的軌道，要保證設(shè)計(jì)軌道合理，就需要按軌道設(shè)計(jì)原則進(jìn)行設(shè)計(jì)。一、總體原則應(yīng)能實(shí)現(xiàn)鉆水平井的目的(md)；應(yīng)有利于安全、優(yōu)質(zhì)、快速鉆井；滿足采油工藝的要求。第1頁(yè)/共27頁(yè)第一頁(yè)，共27頁(yè)。5.1 水平井軌道(gudo)設(shè)計(jì)的原則二、具體設(shè)計(jì)原則選擇合適的井眼形狀復(fù)雜的井眼形狀，勢(shì)必帶來施工難度的增加，因此井眼形狀的選擇，力求越簡(jiǎn)單(jindn)越好；應(yīng)盡可能不采用降斜井段的軌道設(shè)計(jì) 第2頁(yè)/共27頁(yè)第二頁(yè)，共2

2、7頁(yè)。5.1 水平井軌道設(shè)計(jì)(shj)的原則二、具體設(shè)計(jì)原則選擇合適的造斜點(diǎn)位置造斜點(diǎn)的選擇應(yīng)充分考慮地層穩(wěn)定性、可鉆性的限制。盡可能把造斜點(diǎn)選擇在比較穩(wěn)定、均勻的硬地層，避開軟硬夾層、巖石破碎帶、漏失地層、流沙層、易膨脹或易坍塌的地段，以免出現(xiàn)井下復(fù)雜情況，影響定向施工；造斜點(diǎn)的深度(shnd)應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)井的垂深、水平位移和選用的軌道類型來決定，并要考慮滿足采油工藝的需求 ；應(yīng)充分考慮井身結(jié)構(gòu)的要求 。第3頁(yè)/共27頁(yè)第三頁(yè)，共27頁(yè)。5.1 水平井軌道(gudo)設(shè)計(jì)的原則二、具體設(shè)計(jì)原則選擇合適的井眼曲率井眼曲率的選擇，要考慮工具造斜能力的限制和鉆具剛性的限制，結(jié)合地層的影響，留出充分的

3、余地，保證(bozhng)設(shè)計(jì)軌道能夠?qū)崿F(xiàn)；在能滿足設(shè)計(jì)和施工要求的前提下，應(yīng)盡可能選擇比較低的造斜率，這樣，鉆具、儀器和套管都容易通過，當(dāng)然，造斜率過低，會(huì)增加造斜段的工作量和成本，因此，要綜合考慮。第4頁(yè)/共27頁(yè)第四頁(yè)，共27頁(yè)。5.1 水平井軌道(gudo)設(shè)計(jì)的原則二、具體設(shè)計(jì)原則選擇合適的穩(wěn)斜段井斜角穩(wěn)斜段井斜角不宜太小，太小時(shí)方位(fngwi)不好控制；穩(wěn)斜段井斜角也不宜太大，太大時(shí)施工難度增加；穩(wěn)斜段穩(wěn)斜角還應(yīng)避開不利于攜巖的穩(wěn)斜角范圍。 一般來講，井斜角的大小與軌跡控制的難度有下面的關(guān)系：井斜角小于15時(shí)，方位難以控制； 井斜角在1540時(shí)，既能有效地調(diào)整井斜角和方位，也能順

4、利地鉆井、固井和電測(cè)，是較理想的井斜角控制范圍； 井斜角在4060時(shí)，鉆進(jìn)速度慢，方位調(diào)整困難且不利于攜巖；井斜角大于60，電測(cè)、完井作業(yè)施工的難度很大，易發(fā)生(fshng)井壁垮塌。 第5頁(yè)/共27頁(yè)第五頁(yè)，共27頁(yè)。5.1 水平井軌道(gudo)設(shè)計(jì)的原則二、具體設(shè)計(jì)原則盡可能減少起下鉆和更換鉆具的次數(shù) 轉(zhuǎn)盤鉆和滑動(dòng)鉆進(jìn)段長(zhǎng)度的確定應(yīng)結(jié)合(jih)鉆頭、動(dòng)力馬達(dá)的使用壽命，盡可能使各個(gè)井段的長(zhǎng)度合理，一方面能滿足軌跡控制的要求，另一方面能充分利用單只鉆頭和動(dòng)力馬達(dá)的有效壽命；后面井段使用的鉆具組合能順利下至已鉆井底，避免劃眼或?qū)ｉT下一趟鉆進(jìn)行通井?？紤]方位漂移的影響 在軌道設(shè)計(jì)時(shí)充分利用鄰

5、井資料，確定該地區(qū)不同地層的方位漂移規(guī)律，進(jìn)行考慮方位漂移的軌道設(shè)計(jì)。第6頁(yè)/共27頁(yè)第六頁(yè)，共27頁(yè)。5.2 水平井軌道設(shè)計(jì)(shj)方法一、水平井軌道設(shè)計(jì)基本方程自由度的概念 將起點(diǎn)位置及方向均給定的軌道或曲線段形狀完全固定需要確定(qudng)的獨(dú)立自由變量的個(gè)數(shù)稱為軌道或曲線段的自由度； 常見曲線段的自由度 直線段的自由度為1；二維圓弧段的自由度為2；三維圓弧段的自由度為3；圓柱螺線段的自由度為3。第7頁(yè)/共27頁(yè)第七頁(yè)，共27頁(yè)。5.2 水平井軌道設(shè)計(jì)(shj)方法一、水平井軌道設(shè)計(jì)基本方程軌道自由度井眼軌道自由度為組成該軌道的所有(suyu)曲線自由度之和；三段式軌道自由度為4；五

6、段式軌道自由度為7；雙增式軌道自由度為9。 第8頁(yè)/共27頁(yè)第八頁(yè)，共27頁(yè)。5.2 水平井軌道設(shè)計(jì)(shj)方法一、水平井軌道設(shè)計(jì)基本方程軌道剛性約束和軌道剛性約束數(shù)軌道剛性約束是指設(shè)計(jì)軌道必需(bx)滿足的約束條件；軌道剛性約束的個(gè)數(shù)就是軌道剛性約束數(shù)。軌道彈性約束和軌道彈性約束數(shù)軌道彈性約束是指設(shè)計(jì)軌道最好滿足的約束條件；軌道彈性約束的個(gè)數(shù)就是軌道彈性約束數(shù)。軌道設(shè)計(jì)可進(jìn)行的條件：第9頁(yè)/共27頁(yè)第九頁(yè)，共27頁(yè)。5.2 水平井軌道設(shè)計(jì)(shj)方法一、水平井軌道設(shè)計(jì)(shj)基本方程需放松的軌道彈性約束數(shù)水平井軌道設(shè)計(jì)(shj)基本方程tniitniiSSHH11tniitniitni

7、iEENNHH111二維水平井三維水平井第10頁(yè)/共27頁(yè)第十頁(yè)，共27頁(yè)。5.2 水平井軌道(gudo)設(shè)計(jì)方法二、軌道設(shè)計(jì)基本步驟計(jì)算設(shè)計(jì)軌道的剛性約束數(shù)；根據(jù)軌道設(shè)計(jì)的有關(guān)原則和要求確定設(shè)計(jì)軌道的彈性約束數(shù)；根據(jù)“軌道設(shè)計(jì)可進(jìn)行的條件”確定軌道的組成；計(jì)算設(shè)計(jì)軌道的自由度，并確定需要放松(fn sn)的彈性約束數(shù)；列出軌道設(shè)計(jì)基本方程，并求解出關(guān)鍵參數(shù)；計(jì)算出設(shè)計(jì)軌道的節(jié)點(diǎn)參數(shù)和詳細(xì)數(shù)據(jù)。第11頁(yè)/共27頁(yè)第十一頁(yè)，共27頁(yè)。5.2 水平井軌道(gudo)設(shè)計(jì)方法三、二維水平井軌道設(shè)計(jì)單圓弧軌道單圓弧軌道適合(shh)于短半徑或中半徑水平井；由于整個(gè)造斜段由一段圓弧組成，一旦工具造斜率不

8、能達(dá)到設(shè)計(jì)值，軌跡控制將非常困難；單圓弧軌道目前不是很常用。第12頁(yè)/共27頁(yè)第十二頁(yè)，共27頁(yè)。5.2 水平井軌道(gudo)設(shè)計(jì)方法三、二維水平井軌道設(shè)計(jì)單圓弧軌道軌道剛性約束數(shù)為3，即靶點(diǎn)垂深Ht、水平位移St和井斜角t；根據(jù)軌道設(shè)計(jì)的有關(guān)原則和要求確定設(shè)計(jì)軌道的彈性約束數(shù)2，即造斜點(diǎn)深度(shnd)Ha和圓弧半徑R；經(jīng)分析單圓弧軌道滿足“軌道設(shè)計(jì)可進(jìn)行的條件” ；因?yàn)閱螆A弧軌道的自由度為4，所以需放松的彈性約束數(shù)為1，假設(shè)放松造斜點(diǎn)深度(shnd)；軌道設(shè)計(jì)基本方程為： ttttttaSLRHLRHsincos1cossin33第13頁(yè)/共27頁(yè)第十三頁(yè)，共27頁(yè)。5.2 水平井軌道設(shè)

9、計(jì)(shj)方法三、二維水平井軌道設(shè)計(jì)雙增軌道雙增軌道適合于中半徑或長(zhǎng)半徑水平井；由于雙增水平井中間有一個(gè)穩(wěn)斜段，當(dāng)工具造斜率有異常時(shí)可以起到一個(gè)調(diào)整、緩沖的作用；雙增軌道自由度較大，可以有更多的彈性約束來體現(xiàn)來自鉆井(zun jn)、采油等軌道的要求；雙增軌道是目前最為常用的水平井軌道。第14頁(yè)/共27頁(yè)第十四頁(yè)，共27頁(yè)。5.2 水平井軌道設(shè)計(jì)(shj)方法三、二維水平井軌道設(shè)計(jì)雙增軌道軌道剛性(n xn)約束數(shù)為3，即靶點(diǎn)垂深Ht、水平位移St和井斜角t；根據(jù)軌道設(shè)計(jì)的有關(guān)原則和要求確定設(shè)計(jì)軌道的彈性約束數(shù)5，即造斜點(diǎn)深度Ha、第一圓弧半徑R1、第一圓弧半徑R2、中間穩(wěn)斜段井斜角w和靶前

10、穩(wěn)斜段長(zhǎng)L5。經(jīng)分析雙增軌道滿足“軌道設(shè)計(jì)可進(jìn)行的條件” ；因?yàn)殡p增軌道的自由度為7，所以需放松的彈性約束數(shù)為1，假設(shè)放松靶前穩(wěn)斜段長(zhǎng)L5 。第15頁(yè)/共27頁(yè)第十五頁(yè)，共27頁(yè)。5.2 水平井軌道設(shè)計(jì)(shj)方法三、二維水平井軌道設(shè)計(jì)雙增軌道軌道設(shè)計(jì)基本(jbn)方程為： tttwwwwttwtwwwaSLRLRHLRLRHsincoscossincos1cossinsincossin521521第16頁(yè)/共27頁(yè)第十六頁(yè)，共27頁(yè)。5.2 水平井軌道(gudo)設(shè)計(jì)方法三、二維水平井軌道設(shè)計(jì)(shj)三增軌道三增軌道適合于中半徑或長(zhǎng)半徑水平井；由于在鉆雙增軌道水平井時(shí)，在第一增斜段鉆完后

11、，首先要下一趟柔性鉆具組合通井，然后再下剛性穩(wěn)斜鉆具組合鉆進(jìn)。這就帶來了兩個(gè)方面的不利，一方面多下一趟通井鉆具組合卻不能多打進(jìn)尺；另一方面，再下入剛性鉆具組合鉆進(jìn)時(shí)，鉆具組合不容易通過造斜段；若將雙增軌道的中間穩(wěn)斜段改成微增段成為三增軌道后，下同一趟鉆具組合，既可通井，又可打進(jìn)尺，簡(jiǎn)化了鉆具組合，節(jié)約了時(shí)間，同時(shí)也減小了事故發(fā)生的可能性。 第17頁(yè)/共27頁(yè)第十七頁(yè)，共27頁(yè)。5.2 水平井軌道設(shè)計(jì)(shj)方法四、三維水平井軌道設(shè)計(jì)三維水平井軌道的用途若水平井目標(biāo)點(diǎn)的井眼方向線所在的鉛垂面內(nèi)，存在著不允許通過或難以(nny)穿過的障礙物，如已鉆井眼、復(fù)雜的地層（鹽丘、金屬礦床、斷層、氣頂?shù)龋?/p>

12、，要設(shè)計(jì)一口水平井使其繞過障礙物鉆達(dá)目標(biāo)點(diǎn)，這樣的水平井稱之為繞障水平井。繞障水平井在密集叢式井和油田開發(fā)后期打調(diào)整井時(shí)會(huì)遇到。 第18頁(yè)/共27頁(yè)第十八頁(yè)，共27頁(yè)。5.2 水平井軌道(gudo)設(shè)計(jì)方法四、三維水平井軌道設(shè)計(jì)三維水平井軌道的用途在鉆井過程中，要使實(shí)鉆軌道與設(shè)計(jì)軌道完全(wnqun)吻合幾乎是不可能的，二者之間總會(huì)有一定的偏差。很小的偏差是允許的，有時(shí)也許對(duì)鉆進(jìn)參數(shù)或鉆具組合稍作調(diào)整，仍可繼續(xù)鉆進(jìn)；如果偏差很大，就需要以原設(shè)計(jì)軌道為依據(jù)，對(duì)下一段未鉆井眼作出新的設(shè)計(jì)。另外，由于地質(zhì)勘探等方面的原因，需要中途改變目標(biāo)點(diǎn)的位置時(shí)，也需要設(shè)計(jì)出一條新的井眼軌道。這種修正設(shè)計(jì)在鉆進(jìn)過

13、程中是隨時(shí)可能發(fā)生的，因此稱之為待鉆軌道設(shè)計(jì)。待鉆軌道設(shè)計(jì)通常都是三維設(shè)計(jì)。 第19頁(yè)/共27頁(yè)第十九頁(yè)，共27頁(yè)。5.2 水平井軌道設(shè)計(jì)(shj)方法四、三維水平井軌道設(shè)計(jì)三維水平井軌道的用途對(duì)于方位漂移嚴(yán)重的地區(qū)，為了有效利用地層的自然造斜規(guī)律，減少井眼軌道控制和造斜的工作量，可將井眼軌道設(shè)計(jì)成考慮方位漂移的三維軌道。這樣的設(shè)計(jì)對(duì)指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工會(huì)更有意義。在老井側(cè)鉆尤其是定向井的側(cè)鉆中，往往是要鉆達(dá)的油層位置不在原來定向井的剖面(pumin)上，這就需要調(diào)整井斜和方位鉆三維井眼才能到達(dá)目的層。 第20頁(yè)/共27頁(yè)第二十頁(yè)，共27頁(yè)。5.2 水平井軌道設(shè)計(jì)(shj)方法四、三維水平井軌道設(shè)計(jì)三

14、維繞障軌道設(shè)計(jì)三維繞障設(shè)計(jì)沒有一套高效的方法，需要軌道設(shè)計(jì)人員(rnyun)有較強(qiáng)的空間立體感和先進(jìn)的軌道設(shè)計(jì)軟件，通過多次試算得到；進(jìn)行三維繞障設(shè)計(jì)前，可以先進(jìn)行二維設(shè)計(jì)，然后利用防碰掃描軟件進(jìn)行防碰分析，當(dāng)二維設(shè)計(jì)相碰概率較大時(shí)在進(jìn)行三維繞障設(shè)計(jì)。第21頁(yè)/共27頁(yè)第二十一頁(yè)，共27頁(yè)。5.2 水平井軌道設(shè)計(jì)(shj)方法四、三維水平井軌道設(shè)計(jì)三維繞障軌道設(shè)計(jì)對(duì)于類似于直井的障礙物可以采用圓柱螺線法進(jìn)行(jnxng)設(shè)計(jì)，其原理是：先將障礙物投影到水平面上，在水平面上進(jìn)行(jnxng)二維設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)好的軌道就是實(shí)際軌道的水平投影，保持目標(biāo)點(diǎn)的垂深和井斜角不變，將目標(biāo)點(diǎn)的水平位移改為投影軌道

15、的投影長(zhǎng)度，在過投影軌道的柱面展開圖上進(jìn)行(jnxng)平面設(shè)計(jì)。 可以采用彈性桿撓曲線法進(jìn)行(jnxng)設(shè)計(jì)。第22頁(yè)/共27頁(yè)第二十二頁(yè)，共27頁(yè)。5.2 水平井軌道設(shè)計(jì)(shj)方法四、三維水平井軌道設(shè)計(jì)(shj)水平井待鉆軌道設(shè)計(jì)(shj)難點(diǎn)水平井待鉆點(diǎn)是三維空間點(diǎn)，待鉆點(diǎn)相對(duì)原井口有一定的水平位移和井斜、方位角，稱為待鉆點(diǎn)矢量 。 靶點(diǎn)有井斜、方位角、水平位移和垂深的限制，稱為靶點(diǎn)矢量。 兩個(gè)空間矢量的的連接，在幾何上，需要空間曲線才能連接。 第23頁(yè)/共27頁(yè)第二十三頁(yè)，共27頁(yè)。5.2 水平井軌道(gudo)設(shè)計(jì)方法四、三維水平井軌道設(shè)計(jì)水平井待鉆軌道設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)方法一種方法是圓柱螺線法，先在水平面上設(shè)計(jì)，再轉(zhuǎn)到垂直剖面圖上設(shè)計(jì)。（此方法相對(duì)容易，但設(shè)計(jì)的軌道造斜率是變化(binhu)的，通常會(huì)出現(xiàn)較高的造斜率）第24頁(yè)/共27頁(yè)第二十四頁(yè)，共27頁(yè)。5.2 水平井軌道(gudo)設(shè)計(jì)方法四、三維水平井軌道設(shè)計(jì)(shj)水平井待鉆軌道設(shè)計(jì)(shj)設(shè)計(jì)(shj)方法另一種方法是斜面圓弧法，但難度要大。WTO1O2CDEF1212R1R2WTDTCDCDCDWCWTDTCDCDCDWCWTDTCDCDWCEEELENNNLNHHHLHsinsincossincos第25頁(yè)/共2