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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.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。
大偏移距水平井轨迹设计方法研究摘要：随着钻井技术特别是大偏移距水平井的不断发展，钻井的难度也不断增加，对钻井过程中的力学分析和计算要求越来越高。
由于大偏移距水平井需大幅度扭方位作业，加大了轨迹控制的难度，且钻具及套管受力较复杂，摩阻扭矩较大，水平段托压严重，易引发井下事故。
针对大偏移距水平井轨迹设计难点，本文通过对大偏移距水平井的定义进行阐述，分析了该类水平井的轨迹设计方法，对今后钻井工程设计及现场施工有一定的指导意义。
关键字：大偏移距；油田；钻井；水平井；大偏移距水平井的最大特点是水平位移大，裸眼段长，在斜井段的钻探过程中，不仅要增加井斜，还要对方位进行同步调整，极大地增加了钻柱和套管柱在井筒内的摩阻扭矩，严重制约了三维水平井的发展。
基于工厂化平台钻井模式普遍应用，水平井井眼轨迹逐渐往大偏移距方向发展。
一口井井眼轨迹的好坏很大程度上由井眼“狗腿”度决定。
“狗腿”度对摩阻具有很大影响，主要是因为在弯曲井段管柱的刚度效应明显增强，钻柱与井壁间的接触力增大，导致摩阻也随之增大。
一、大偏移距水平井定义三维水平井是指井口不在水平段方位线上的水平井，其井口到水平段方位线的垂直距离称为偏移距。
偏移距大于200m的三维水平井称为大偏移距三维水平井，偏移距介于100~200m的三维水平井成为中偏移距三维水平井，偏移距小于100m的三维水平井称为小偏移距三维水平井。
如图1所示，在水平投影图中，靶点A与靶点B构成的靶体与井口坐标O不共线，OD就是其偏移距。
OA是水平段的靶前位移，是AD实际有效靶前位移，大偏移距三维水平井在现场施工过程中主要参考有效靶前距AD、偏移距OD及垂深对实钻剖面进行优化，φ是水平井的设计方位角，φA、φB分别是靶点A、靶点B的闭合方位，φD为先期定向方位角。
图1 带靶前位移的大偏移距水平井概念描述图二、大偏移距水平井轨迹模型分析1、大偏移距水平井几何评价模型以往的水平井轨道设计优化及最优控制技术均是建立在数学或力学模型基础上，约束条件多、迭代次数多、计算复杂、无成形软件可供计算，对井眼轨迹实际可优化性及操作性不高。
2. 以煤层气钻井工程为例，进行水平定向钻井轨迹设计或者欠平衡钻井工艺技术设计。
本文选择以煤层气钻井工程为例，进行水平定向钻井轨迹设计。
煤层气，又称煤层甲烷，俗称瓦斯，人们对它爱恨交加。
爱的是它是一种清洁能源，有很大的利用价值；恨的是它是矿难的原因之一。
因此，安全有效地采集煤层气可谓是一举两得的好事。
近些年，部分国家开始用定向钻井技术开采煤层气，取得了良好效果。
定向钻井，简单说就是让向地下竖着打的井拐个弯，再顺着煤层的方向横着打井。
定向钻井采集煤层气的原理同传统方法一样，即通过抽水减压，逼出煤层气，再进行采集。
但两者的区别在于，传统方法只用竖井穿到煤层采集，而横向井顺着煤层的走势大大增加了采气的面积，因而提高了效率。
定向钻井通常在石油和天然气开发中使用较多，但近些年煤炭行业也越来越多地将这项技术用于矿山开采前的瓦斯抽放、排水、矿井探查等方面。
在煤炭领域使用这一技术的主要有美国、澳大利亚、欧洲、南非等国家和地区，而利用这一技术采集、利用煤层气的国家以美国和澳大利亚等国为主。
澳大利亚目前有17个煤矿用定向钻井技术排放井内瓦斯，以确保安全生产。
而悉尼的一家公司在2000年成功地利用这一技术在地下600米深处开出了一口商业用煤层气井。
美国的一些煤矿企业为了矿井安全和开采煤层气也热衷采用定向钻井技术。
在2000年，美国10％的煤层气井都采用了这项技术。
由于这项技术的逐步开发，部分美国和澳大利亚企业的煤层气产量都得到了提高。
资料显示，定向钻井的纵向深度一般在600～1200米，横向煤层钻井长度可达到400米。
据美国某钻探公司的个例统计，采用横井采气比传统的单一竖井采气的初期产量可高出10倍，气井的生产寿命也会增加。
根据对某些项目的估算，运用定向钻井法商业采集煤层气的内部回报率为15～18％，明显高于传统竖井采集法约3％的内部回报率。
1 定向水平井的井身类型井身结构设计原则有许多条，其中最重要的一条是满足保护储层实现近平衡压力钻井的需要，因为我国大部分油气田均属于多压力层系地层，特别是韩城地区，构造复杂，经过大范围地层沉降，上覆地层压力较大，只有将储层上部的不同孔隙压力或破裂压力地层用套管封隔，才有可能采用近平衡压力钻进储层。
井眼轨迹计算方法
一、几何方法
几何方法是较为直观和简单的一种计算井眼轨迹的方法。
1.勘探法：根据钻孔信息和地质数据，绘制井眼轨迹图。
可以通过确定钻井工程中各个断面的形状和井眼位置，进而绘制出整个井眼轨迹。
2.旋转法：将井眼轨迹分解成一系列横截面，然后将各个横截面绕轴线旋转，形成井眼轨迹。
3.连杆分解法：将井眼轨迹看作一系列直线段和曲线段的组合，可以将井眼分解成若干个连杆（直线段）和曲柄（曲线段）的组合，然后根据连杆和曲柄的长度和方向，计算出井眼轨迹。
二、数学方法
数学方法是较为精确和复杂的一种计算井眼轨迹的方法。
1.转角法：根据每个测斜点的倾角和方位角，计算井眼轨迹的转角。
通过积分计算，可以得到井眼轨迹的长度和方向。
2.空间曲线法：将井眼轨迹看作一条空间曲线，通过数学模型计算出井眼轨迹在三维空间中的坐标。
3.轨迹方程法：通过建立井眼轨迹的参数方程或差分方程，计算出井眼轨迹在每个点的坐标。
4.迭代法：通过不断迭代，逐步优化井眼轨迹的计算结果。
常用的迭代方法包括牛顿法、高斯赛德尔迭代法等。
在实际应用中，通常会结合几何方法和数学方法，综合考虑测量数据的精度、计算复杂度等因素，选择适合的计算方法来计算井眼轨迹。
总结起来，井眼轨迹计算方法主要包括几何方法和数学方法。
几何方法较为直观和简单，适用于初步计算和绘制井眼轨迹图；数学方法较为精确和复杂，适用于精确计算井眼轨迹的长度和方向。
在实际应用中，可以根据具体情况选择合适的计算方法来计算井眼轨迹。
井眼轨迹设计与控制方法井眼轨迹设计与控制方法是指在石油工程领域中，为了实现最佳的钻井效果，需要设计合适的井眼轨迹，并通过控制方法来实施钻进操作。
井眼轨迹设计和控制方法的目的是确保井眼能够贯穿目标层，并达到钻井目标。
以下是井眼轨迹设计和控制方法的一般步骤和原则。
1.收集地质和地下信息：了解地质和地下条件对井眼轨迹设计的影响，包括地层构造、断层、岩性、陷落带等信息。
通过地质勘探技术，如地震勘探、测井等方法获得地下信息。
2.考虑钻进目标：确定钻井目标并制定井眼轨迹设计的目标，包括垂直井、平曲井、S型井、水平井等。
3.选择合适的钻头和井壁稳定措施：根据地层岩性和井眼设计目标，选择适当的钻头和井壁稳定措施，以减少钻井风险。
4.采用合适的井眼轨迹设计软件：使用井眼轨迹设计软件，根据地质和目标要求，进行井眼轨迹设计。
软件可以根据用户的输入参数，提供最佳的井眼轨迹设计方案。
5.优化井眼轨迹设计：根据设计的井眼轨迹，进行优化，以满足目标要求、降低钻井风险和成本。
6.完善设计：进行设计审查并完善井眼轨迹设计。
井眼轨迹控制方法的原则如下：1.根据地质情况进行实时调整：在钻井过程中，根据地质情况和实时测井数据，适时调整井眼轨迹设计。
控制方法可以包括调整钻头类型、调整钻井液密度等。
2.使用工具进行测量和记录：使用相关测量工具，如测井仪器、鱼雷测井等，对井眼轨迹进行实时测量和记录。
这些测量数据可用于分析地层情况和优化井眼轨迹设计。
3.采用适当的工具和技术：选择合适的工具和技术，如导航仪器和测量工具，帮助实施井眼轨迹控制。
这些工具可以提供准确的测量数据和实时导航。
4.数据分析和反馈：通过分析测量数据和井斜数据，对当前井眼轨迹进行评估和反馈。
根据评估结果，进行必要的调整和控制。
5.培训和提高技能：培训钻井工程师和工人，提高其井眼轨迹设计和控制的技能水平。
这样可以确保钻井操作的安全和高效。
总之，井眼轨迹设计和控制方法是确保钻井工程顺利进行的重要环节。
摘要随着钻井技术的发展，水平井的应用也越来越广泛，同普通竖井相比，水平井有着诸多优点。
通过查阅资料以及相关知识的学习，做出了比较浅显的水平井井眼轨迹的设计。
水平井钻井施工常受到地下复杂地质条件、井下仪器安全要求、工具造斜率能力，入靶条件等因素的限制.在水平井实际施工过程中，往往需要对原轨道设计进行优化，使之能够更加符合现场实际施工要求.又好又快的完成施工。
优化设计技术在油田实际水平井施工中，得到了广泛的运用，取得了很好的效果。
大大提高了水平井施工的成功率。
合理的井眼轨道设计是成功控制井眼轨道的关键。
准确、快速、合理地设计多约条件下的三维井眼轨道是人们期待解决的问题。
文中建立了给定目标点位置和井眼方向的三维轨道设计的一般数学模型，利用矢量分析理论得到了约束变量间的解析表达式和井眼轨道计算式。
这种方法避免了求解多维非线性方程组，设计计算简单、精确。
应用该模型成功地解决了复杂的多约束条件下的三维井眼轨道设计这一难题，具有普遍适用性，可广泛用于设计各种类型水平井、定向井和多目标井，为井眼轨道控制提供了更为准确的理论依据。
关键词：水平井；三维井眼轨道；设计；数学模型；精确解AbstractThe horizontal well drilling often complicated by the underground geological conditions，mine safety requirements for equipment，tools，ability to create the slope，into the target conditions and other factors.Horizontal well in the actual construction process，often need to optimize the design of the original track，to enable more in line with the actual construction site requirements.Fast completion of construction .Optimal design of horizontal wells in Oil Field actual construction ，has been widely used and achieved very good results. Greatly improved the success rate of construction of horizontal wells .Abstract ：the reasonable success of well trajectory design is the key to control the well trajectory.Accurate，fast，rational design of more than about three-dimensional hole under the track is to be expected to solve the problem .The paper established the position of a given target point and the direction three-dimensional borehole general mathematical modal of track design，vector analysis theory has been constrained variables and the analytical expression of well trajectory formula. This method avoids the solution of multidimensional equations，design solve complex multi-dimensional constraint conditions of the well trajectory design problem has general applicability，can be widely used in the design of various types of horizontal wells，directional wells and multi-target well，the borehole Orbit control provides a more accurate theoretical basis.Key words：horizontal wells；three well trajectory；design；mathematical model；exact solution目录第1章概述 (1)1.1课题研究的背景、目的及意义 (1)1.2 国外水平井井眼轨迹设计发展状况 (1)1.3 研究的主要内容 (4)第2章水平井的基本概念及井眼轨迹的基本参数 (6)2.1 水平井的基本概念 (6)2.2水平井井眼轨迹的基本参数 (6)第3章水平井井眼轨迹设计的影响因素及原则 (10)3.1水平井井眼轨迹设计的影响因素 (10)3.2 水平井井眼轨迹设计的原则 (11)第4章井眼延伸方向预测及轨迹控制原则 (13)4.1井眼轨迹预测依据 (13)4.2 井眼轨迹控制原则 (14)第5章水平井井眼轨迹描述方法 (17)5.1井眼轨迹图示法 (17)5.2 井眼轨迹计算方法 (19)5.3 井眼轨迹描述与地层关系 (22)第6章二维轨道设计模型及其精确解 (24)6.1 问题的提出 (24)6.2 设计模型 (25)6.3模型求解 (26)6.4 应用 (27)6.5 关于二维条件下水平井井眼轨迹设计的优点 (28)第7章三维轨道设计 (29)7.1 问题的提出 (29)7.2 数学模型建立 (30)7.3 井眼轨道计算 (32)7.4 计算模型的应用 (33)7.5 关于三维条件下水平井经验轨迹设计的优点 (34)结论 (35)参考文献 (36)致谢 (36)第1章概述1.1课题研究的背景、目的及意义水平井钻井涉及许多关键技术，轨道设计是其中之一，它直接影响水平井的经济效益及成败。
水平井轨迹设计操作说明一、根据井组生成轨迹剖面设计水平井1、选择水平井设计方式在平面图上单击鼠标右键，选择“设计水平井”→“井组方式”图1-1 选择井组方式2、设置水平井设计剖面依次选中需要的参考井，创建两个井组，然后右键选择“设置剖面方向”，按住鼠标左键给定一个井轨迹设计剖面的方向，右键选择“完成连井”，生成有这些井组构造的参考剖面和轨迹设计剖面，且界面自动转换到参考剖面。
图1-2 完成连井3、提取虚拟井的储层信息在参考井剖面中将已知井的地层、砂层都对应连接好，然后在剖面图幅中右键选择“提取设计井地层属性”或者“提取设计井砂层属性”进行虚拟井储层信息的自动提取图1-3 设计井地层属性的提取图1-4 设计井砂层属性的提取4、激活水平井设计剖面在参考井剖面图幅上右键选择“激活水平井轨迹设计剖面”，软件的界面会自动转换到水平井轨迹设计剖面，如下图所示图1-5 激活水平井设计剖面5、设计井轨迹在水平井轨迹设计剖面中，选择右侧工具栏上的“激活图层”，将井轨迹设计图层激活；选择右侧工具栏上的“井口”，回到设计剖面图幅中在需要设计井口的位置双击，井口就会出现在对应的地方；图1-6 设定井口选择右侧工具栏的“靶点”，在剖面中的目的层段双击设置靶点，设置到第二个靶点时，会弹出剖面类型的选择对话框图1-7 剖面类型选择对话框软件针对水平井轨迹设计提供了4中模式，分别为：①增-稳-增；②增-增-增；③阶梯井；④拱形井；选择需要的类型，点击下一步，出现水平井参数对话框图1-8 水平井参数对话框对井口及靶点的参数进行调整，并在井名处设定一个井名，点击“完成”，就会在剖面中出现设计的井轨迹图1-9 生成井轨迹6、井轨迹的编辑单击右侧工具栏上的“轨迹编辑”，再选中轨迹，轨迹呈现出可编辑状态，移动结点，可对轨迹进行编辑图1-10 井轨迹编辑7、井轨迹风格的设置选中井轨迹，右键“设置风格”图1-11 设置井轨迹风格出现井轨迹风格设置的对话框图1-12 井轨迹属性对话框对轨道、井导眼、标注等进行设置，点击确定，轨迹就以设定的风格显示在剖面上图1-13 井轨迹显示8、模板的保存选中井轨迹右键，选择“保存轨道风格为模板”，弹出对话框，输入模板的名称，单击确定.图1-14 井轨迹模板9、剖面表格、标题、方位角的显示选中轨迹，再点选一下右侧工具栏的“剖面表格”，则设计轨道剖面数据表显示在剖面上，通过拖动可以移动它在平面图上的位置，也可以拖拉边框调整表格的大小。
第二部分水平井轨迹设计和控制技术⏹水平井的井眼轨道的基础知识水平井的基本术语水平井的井眼轨道类型⏹水平井设计的基本内容水平井的设计思路和基本方法水平井轨迹设计的主要内容水平井井眼轨迹设计的原则和有关因素水平井的剖面设计⏹水平井井眼轨迹的控制技术水平井井眼轨迹控制的实现方法水平井井眼轨迹控制工具和定向方法水平井井眼轨迹的控制技术(一)水平井的基本术语井深：又称斜深或测深，指井口至测点的井眼长度；垂深：指轨迹上某点至井口水平面的垂直距离；井斜角：井眼轴线上某测点的井眼方向线（切线）和重力线之间的夹角，称为井斜角；方位角：某测点处井眼方向线投影到水平面上（井眼方位线）与正北方向的夹角（顺时针向），即方位角；水平位移：指轨迹上某点至井口所在铅垂线的距离。
井斜变化率：单位井段内，井斜角的变化值；方位变化率: 单位井段内，井斜方位角的变化值；全角变化率：单位井段内，井眼前进的方向在三维空间内的角度变化。
（也称“狗腿严重度”、“井眼曲率”）磁偏角：在某一地区内，其磁北极方向线与地理北极方向线之间的夹角。
靶区：根据地质和钻井工艺的要求,规定井眼轨迹穿行的区域范围。
(一)水平井的基本术语●入靶点：是指地质设计规定的目标起始点。
●终止点：是指地质设计规定的目标结束点。
●靶前位移：是指入靶点的水平位移。
●水平段长：入靶点与终止点的轨道长度。
●圆柱靶：即沿水平段设计井眼轴线的半径为R 米的圆柱。
●矩形靶：即纵向为a 米,横向为b 的长方体。
(一)水平井的基本术语（二）井眼轨道的类型二维井眼轨道井眼轨道的类型三维井眼轨道◆二维井眼轨道由垂直井段、增斜井段、稳斜井段和降斜井段组合而成。
◆在设计井眼轴线上，既有井斜角变化又有方位角变化的井眼轨道。
◆三维井眼轨道设计用于绕障井和现场待钻修正井眼轨道设计。
二维井眼轨道◆设计的井眼轴线仅在设计方位所在的铅垂平面上变化的井眼轨道。
井身剖面基本类型◆水平井多为长曲率半径和中曲率半径水平井◆根据地质目标、油层情况、地质要求、靶前位移，选择单增、双增、三增等不同的剖面类型KAFSEHO 1R1R2CBI hNO2O3R3三增剖面KA FT S EHJO1O 2R 1R2CBII hN双增剖面KA DS2OR1BS1C单增剖面水平井设计是一个“先地下后地面，自下而上，综合考虑，反复寻优”的过程。
