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第四章 三维多目标定向井轨道设计井眼按照其轴线形状可以分为三类：垂直井、二维定向井和三维定向井。
这个分类并不是根据实钻的井眼形状，而是根据设计的井眼形状来分的。
原设计的两维定向井，实钻出来的井眼形状都是三维的，但它们仍被称为两维定向井。
这好象原来设计为垂直井，而实钻出来的井眼都有一定的井斜角和方位角。
它仍被称为垂直井一样。
只有当设计的井眼轴线，既有井斜角变化，又有方位角的变化，才能称为三维定向井。
三维定向井的设计和施工，都比两维定向井困难，三维设计的思路和方法，是将三维设计转化为两维设计。
本文重点讨论三维双目标及三目标的设计的问题。
第一节 一般三维双目标定向井轨道设计三维双目标定向井的设计，其设计方法与一般普通定向井设计一样，在已知第一靶垂深1H 、第一靶方位1φ、第一靶位移1A ，第二靶方位2φ、第二靶位移2A 、第二靶垂深2H ，造斜点井深a D ，第一靶后增降斜率z K 和变方位曲率K 参数下，进行基本参数计算。
1、基本参数计算1.1 计算两靶位移差和两靶垂深差12A A A -=∆ 12H H H -=∆1.2 计算过渡参数a e D H D -=1 1A S e =z z K R /5730=1.3 计算最大井斜角)2/(2(2221max e z e z e e e S R S R S D D tg -++⋅=-α1.4 各井段参数的计算和结果验算1.4.1 增斜段参数max α⋅+=z a z R D Lmax sin α⋅=z z R D)cos 1(max α-=z z R S1.4.2稳斜段参数e z e e w S R S D L 222-+=max cos α⋅=w w L D max sin α⋅=w w L S 2、扭方位段的设计中第一靶后，后续设计为扭方位设计。
其设计方式有：可设计为稳斜变方位井段后接变井斜（或稳井斜）稳方位井段的设计。
令：2H D t =2A S t = 2φφ=b 11cos φ⋅=A N b 11sin φA E b = 1H D b = max α=b A 1φφ=b wz b L L L +=2.1 设计水平投影图的主要参数 1sin φt t S E =1cos φt t S N =1A S b =扭方位点自b 点至t 点的设计示意图见图1，图2图1 扭方位设计2.2 扭方位轨道设计方法2.2.1设计水平投影图的主要参数计算变方位段水平投影曲率半径a R :πα5400sin 2⋅=K R b a（1） 计算变方位段方位扭转角A(见图3)'-'+-+=t a t t a t t a N R E arctg E R N E R arctg A 222（2）计算水平投影总长度S:)2(18022'⋅-++⋅⋅+=t a t t ab E R N E R A S S π （3）式（2）、（3）中''t t N E ,分别按下列式子计算：b b t b b t t N N E E N φφcos )(sin )(-+-=' （4）b b t b b t t N N E E E φφsin )(cos )(---=' （5）2.2.2垂直剖面图的设计计算变方位段终点与目标点连线井斜角c α：tt D S arctg Lc ∆∆=α （6） 式（6）中t t D S ∆∆,分别按下列式子计算：180πα⋅⋅--=∆b a b t t tg R A D D D （7）5.022)2('-+=∆t a t t t E R N E S （8）图2 扭方位水平投影图2.2.3 变方位段终点与目标点之间井段设计：A ：变方位段终点与目标点之间井段设计为增（降）斜段，计算井斜角变化t α∆增斜段（或降斜段）曲率半径)(n z R R 和轨道长度t L ∆。
02定向井井眼轨迹设计解析定向井井眼轨迹设计是一项重要的工作，它对于成功完成定向井任务至关重要。
一个合理的井眼轨迹设计可以确保井眼轨迹在储层目标上的准确位置，有助于实现钻井目标的高效达成，并最大化产出。
井眼轨迹设计的目标是安全、经济、高效地达到钻井目标。
在进行井眼轨迹设计时，需要综合考虑以下因素：1.井位布置：井位的选择是井眼轨迹设计的基础。
在选择井位时，需要充分考虑储层位置、产能分布、地质条件等因素，以确保最佳井位布置。
2.井眼弯曲：井眼轨迹设计中，需要考虑井眼弯曲的角度和半径，以确保钻井设备能够顺利通过管柱并避免钻井事故的发生。
3.接触储层的长度：在确定井眼轨迹的设计时，需要确定接触储层的长度。
根据储层情况，可能需要调整井眼轨迹的角度和位置，以确保最大限度地接触到储层。
4.钻井流程：井眼轨迹的设计需要根据钻井流程来考虑，包括井口钻头运动、钻头下压和旋转等。
通过合理的井眼轨迹设计，可以最大程度地提高钻井效率，减少钻井时间和成本。
5.地震数据和井速数据：井眼轨迹的设计还需要考虑地震数据和井速数据。
通过分析这些数据，可以更好地预测井眼轨迹，减少风险，提高钻井成功率。
在进行井眼轨迹设计时，通常会使用计算机软件进行模拟和优化。
这些软件可以根据输入的数据和条件，生成最佳的井眼轨迹设计方案。
在生成方案后，还需要进行验证和调整，以确保方案的可行性和成功性。
总结起来，定向井井眼轨迹设计是一项综合性、复杂性的工作。
它需要综合考虑多种因素，包括井位布置、井眼弯曲、接触储层长度、钻井流程和地震数据等。
通过合理的井眼轨迹设计，可以提高钻井效率，减少风险，并最大化产出。
三维多目标定向井轨道设计三维多目标定向井轨道设计是指在油气勘探开发过程中，在不同的地质构造和井筒要求下，通过合理设计井轨道来实现井眼在空间中的精确控制和定向钻探。
这种井轨道设计通常涉及到多种目标，包括垂直井深、水平井段长度、井眼贯通地层的位置和角度等。
本文将对三维多目标定向井轨道设计进行详细的论述，并提出一种优化设计方法。
首先，三维多目标定向井轨道设计需要考虑的第一个目标是垂直井深。
垂直井深是指垂直井段的长度，它与井眼贯穿地层的位置和角度密切相关。
在实际勘探开发过程中，根据不同的地质构造和目标层位，垂直井段的长度可能有所不同。
例如，在层理平缓的区域，垂直井深可以比较短，而在地质构造复杂的区域，垂直井深可能需要加长，以便更好地钻遇目标地层。
其次，三维多目标定向井轨道设计还需要考虑水平井段的长度。
水平井段的长度是指井眼贯通地层后，水平井的长度。
水平井段的长度对于油气开发具有重要的意义，它决定了井眼对目标地层的有效测井和采油效果。
因此，在三维多目标定向井轨道设计中，需要充分考虑水平井段长度，选择合适的长度以满足油气开发的要求。
另外，三维多目标定向井轨道设计还需要考虑井眼贯穿地层的位置和角度。
井眼贯穿地层的位置和角度对于井眼测井、钻探工作和地层采样具有重要意义。
在三维井轨道设计中，需要通过合理的位置和角度来确保井眼能够准确贯穿目标地层，同时能够满足测井和采样的要求。
为了优化三维多目标定向井轨道设计，我们可以采用遗传算法进行优化求解。
遗传算法是一种模拟生物进化过程的优化算法，通过模拟自然界的遗传和进化过程，获得最优解。
在三维多目标定向井轨道设计中，我们可以将井轨道设计的不同参数作为遗传算法的个体基因，通过交叉和变异操作来产生新的个体，然后根据井轨道设计的质量评价函数来评估每个个体的适应度。
最后，通过不断迭代遗传算法的过程，直到达到收敛条件，可以获得三维多目标定向井轨道设计的最优解。
这种优化设计方法可以充分考虑不同目标的权衡和互相制约关系，能够得到更合理的井轨道设计方案。
轨 道 设 计
一． 井身轨道设计方法
(一) 定向井/水平井两维剖面设计方法和设计类型选择
1．前言：
常规定向井/水平井剖面类型有十一种，每一种类型的设计方法又很多。
过去大多数文献介绍的剖面类型不全面、设计方法也很单一，公式复杂，不利于编制计算机程序和实际设计工作。
本章介绍了各种剖面类型和各种设计方法的统一的数学模型，具有系统性、全面性，简洁、明了，对于研究定向井/水平井的剖面设计和实际编程应用都具有积极的指导意义和实际价值。
2．剖面设计方法：
把最具有一般性的无段制剖面作为基本剖面，在此基础上，选择和改变一些参数，可变成多种剖面类型。
下面就介绍各种剖面的选择和设计方法。
如图（2）在地质给定的靶点坐标和井口坐标，确定和计算如下基本剖面参数： H 1---第一靶点垂深，m
V 1---第一靶点水平位移，m
H 2---第二靶点垂深，m
V 2---第二靶点水平位移，m
H e ---降斜终点垂深，m （一般选择在第一靶点上30~50m ）
L---稳斜段长度，m
R 1---第一增斜段曲率半径，m
R 2---第二增斜段曲率半径，m
H z --造斜点垂深，m
α1---第一增斜段终点井斜角，°
最终井斜角α2 ，单位°
降斜终点位移V e
规定：当H 2=H 1时，H e =H 1，V e =V 1，H e -H z =ΔH
2
122121
22)()(V V H H H H -+--=α1
21211)
)((H H V V H H V V e e ----=2
1R R R +=
(1) 选择H z 、R 1、R 2，求α1、L
令：
解剖面方程得：
（2）选择R 1、R 2、α1，求：H z 、L
解剖面方程得：
（3）选择R 1、R 2、L ，求：H z 、α1
解剖面方程得：
令：
则：
2
21cos αR R V A e --=A
R R A B B arctg --+-=2
2212α2
2sin αR H B +∆=1
1cos sin ααB A L +=1
2121112211)cos (cos )cos 1()
sin (sin sin αααααααtg R R V R R H H e e z -+----+-=1
12211sin )cos (cos )cos 1(αααα----=R R V L e 2
21cos αR R V C e --=2
2cos αR H D e +=
（4）选择R 1、H z 、α1，求：R 2、L
解剖面方程得：
（5）选择R 1、α1、L ，求：R 2、H z
根据剖面方程直接求得：
（6）选择H z 、R 1、L ，求：R 2、α1
解剖面方程得：
令：
R
C C R L L arctg --+-=2
2212α1
1cos sin ααL R D H z --=)
cos 1(11α--=R V E e 1
1sin αR H F -∆=)
cos(2cos cos sin 121112ααααα+--=E F R 1
122sin )cos (cos ααα--=R E L 1
21112cos cos sin )cos 1(αααα----=L R V R e )
sin (sin cos sin 212111αααα----=R L R H H e z 2
121cos sin ααR L R V G e ++-=
则：
（7）选择R 2、H z 、α1，求：R 1、L
根据剖面方程直接求得：
（8）选择R 2、L 、α1，求：R 1、H z
根据剖面方程直接求得：
（9）选择R 2、L 、H z ，求：R 1、α1
2
21cos sin ααL R H I ++∆=212sin )(cos ααR V H L J e --∆+=I J L
G arctg --=21α1
21112cos cos sin )cos 1(αααα----=L R V R e []1
212111cos 1)cos(1cos sin ααααα-----∆=R V H R e 1
12211sin )cos (cos )cos 1(αααα----=R R V L e 1
12211cos 1)cos (cos sin αααα----=R L V R e )
sin (sin cos sin 212111αααα----=R L R H H e z
解剖面方程得：
令：
N=M
则：
（10）选择H z 、L 、α1，求：R 1、R 2
解剖面方程得：
令：
则：
3．剖面类型和设计方法的选择：
在各种设计中，每种方法的选择项内，凡是有R 1、R 2、L 的可以分别取“0”或都取
)
cos 1(12α-+=R V K e 2
2sin αR L H M ++∆=)(
21801K
M arctg -︒=α1
12121cos 1cos sin ααα-+--=R L R K R 1
sin αL V P e -=1
cos αL H Q -∆=1
1221cos 1)cos (cos ααα---=R P R )
sin(sin sin sin )cos 1(2121112αααααα-+---=P Q R
“0”，R2还可以取“-”值；V2、V e、α2也可以分别取“0”或都取“0”，这样就可以在基本剖面的基础上形成多种剖面。
如：
当R2取“-”时，降斜段为增斜段；
当R2=0时，无降斜段；
当L=0时，无稳斜段；
当α2=0时，最后一段为直井段；
当V2-V e=0时最后一段没有；
当R2=0，L=0，V2-V e=0时是“直—增”剖面等等。
总之，可形成四大剖面类型：
（1）直—增—稳—降（增）—稳（直）剖面
设计方法（1）~（10）
（2）直—增—降（增）—稳（直）剖面
设计方法（2）、（5）、（6）、（8）、（9）、（10）
（3）直—增—稳剖面
设计方法（1）、（2）、（3）、（7）、（8）、（9）
（4）直—增剖面
设计方法（3）、（8）、（9）。
二．待钻井眼的井身剖面设计
当实钻轨迹（坐标位置或井眼方向矢量）偏离设计线时，要进行轨迹中靶预测或直接进行待钻井眼剖面设计，也叫随钻修正设计或纠偏设计。
下面就对两维剖面的的待钻井眼进行设计研究，如图（3）所示，目前井底点P，其参数如下：
ΔH—距目标点的垂深差，垂增，（m）；
ΔA—距目标点的位移差，平增；（m）
αP—P点的井斜角，（°）
K—待钻井眼的井斜变化率，（°/100m）
R—待钻井眼曲率半径，（m）
L—待钻井眼稳斜段长，（m）
α—待钻井眼最终井斜角，（°）
当选定K（R）时，可求得α和L。
令：E=ΔH+RsinαP
F=ΔA-RcosαP
则：
F R R
F
E
E
arctg
--
+
-
=
2 2
2 2
α
讨论：
（一）当E 2+F 2-R 2=0时无稳斜段；
（二）当E2+F2-R2＜0时须降斜，取K 为负值；
（三）当R-F=0时，
三．定向井/水平井工程设计简介：
定向井/水平井工程设计内容主要包括：
（一）钻井主要设备：
1．钻机系统：包括规格、功率、最大负荷等。
2．井架：型号、负荷、高度、补心高等。
3．泥浆泵：型号、功率、最高压力等。
4．动力设备：柴油机、发电机、压风机、顶驱等设备的型号、功率、台数、负荷
等。
5．固控设备：罐类、振动筛、除沙器、除泥器、沙泵等设备的型号、功率、个数、
性能等。
6．井控设备：封井器、控制系统、节流管汇等设备的型号、耐压、等性能。
（二）井身结构：
开钻次数、井眼尺寸×井深、 套管层次、套管尺寸×井深、口袋要求、水泥返高等内容。
（三）轨道剖面设计：
1．关键点（段）数据
2．完整剖面数据表
3．计算有关磁参数。
（四）送井钻具：
1．钻铤、钻杆、无磁钻杆（钻铤）、加重钻杆、各类接头等；
2．特殊工具：动力钻具、振击器、键槽破坏器、水力加压器等；
3．稳定器、钻具保护器、减阻接头等。
（五）钻具组合、钻进参数、主要技术措施等。
（六）井下安全技术措施，事故提示和预防。
（七）套管串结构、要求和固井技术措施。
E
F arctg 2=α。
