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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。
定向井井身轨迹的计算方法
杨涛
【期刊名称】《中国煤炭地质》
【年(卷),期】2009(021)0z1
【摘要】定向的目的就是使井身轨迹按照设计的方位、位移达到目标点,井身轨迹图是根据测井数据经过计算得出的.目前普遍采用"两点法"来计算相邻两测点间的小段井眼中心的垂直深度、水平位移、南北坐标、东西坐标、水平位移等.对"两点法"中不同计算方法的公式应用范围及误差进行了对比.以化122-24石油定向井的数据为例,运用平均角法和最小曲率法进行了测斜数据的计算,计算结果表明最小曲率法比平均角法更为合理.
【总页数】3页(P74-75,109)
【作者】杨涛
【作者单位】中煤地质工程总公司北京大地特勘分公司,北京,100073
【正文语种】中文
【中图分类】P634.7
【相关文献】
1.定向井井身轨迹的计算方法 [J], 杨涛
2.测距选择与施工方式对定向井井身轨迹计算的影响 [J], 翟文涛
3.浅析定向井井身轨迹最优化方法 [J], 陈震;赵韬
4.大位移定向井井身轨迹优化与实例分析 [J], 边秀武
5.定向井井场优选与井身轨迹优化分析 [J], 崔登云
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定向井轨迹设计与控制技术探讨随着定向井钻井数量的逐渐增多，定向井轨迹设计与控制逐渐受到重视。
文章从定向井轨迹剖面设计入手，对定向井轨迹控制中的不同阶段进行了探讨，对提高定向井轨迹控制精度具有积极作用。
标签：轨迹控制；剖面设计；定向井定向井的井眼轨迹控制技术是定向井钻井成套技术中的关键环节。
定向井施工成败的关键是能否控制井眼轨迹的变化。
1 轨迹剖面简介定向井井身剖面的选择对于钻井施工的安全、高效、降低成本起着至关重要，四段制轨迹剖面易形成键槽，岩屑床，起下钻和钻井过程中摩阻扭矩大，易卡钻，给井下安全带来极大隐患。
经过理论计算分析，并结合大庆地质情况，三段制或者五段制井眼轨迹剖面成为大庆定向井施工的首选对象，这两种轨迹剖面具有轨迹短、投资少、效益高、利于井眼轨迹控制等特点。
2 井眼轨迹控制技术2.1 直井段轨迹控制定向井直井段的井眼轨迹控制原则是防斜打直。
有人认为常规定向井（指单口定向井）直井段钻不直影响不大，通过后续的调整最终也可中靶，这种想法是不对的。
因为当钻至造斜点，如果直井段不直，造斜点处不仅因为有一定的井斜角而影响定向造斜的顺利完成，还会因为这个井斜角形成一定的水平位移而影响下一步钻进的井眼轨迹控制。
所以在直井段施工中，采用塔式钻具组合或钟摆钻具组合，配以合理的钻进参数，每钻进100-120米测斜一次，及时监测井斜的变化趋势，如发现井斜有增大趋势，及时调整钻井参数，加密测斜，必要情况下进行螺杆钻具纠斜。
造斜点前100m采取轻压吊打，严格控制钻进参数，保证造斜点处的井斜不超过0.5°。
2.2 造斜段轨迹控制造斜就是从造斜点开始强制钻头偏离垂直方向增斜钻进的过程。
由于大位移水平井直井段多数存在井斜方位，且方位与新设计方位不一致，所以必须利用定向井计算软件计算出直井段各点轨迹参数，同时根据最后几个测点趋势，预测出井底的井斜角和方位角，计算出井底水平位移、垂深、闭合方位、视位移、视垂距等参数。
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。
煤矿井下近水平随钻测量定向钻孔轨迹设计与计算方法石智军;许超;李泉新【摘要】On the basis of basic theory of directional drilling and MWD technical characteristic in underground coal mine, design content, computational method and design process of directional borehole trajectory in underground coal mine were studied. By defining the basic parameters of borehole trajectory, building the coordinate system of borehole trajectory design, stipulating representing method of borehole trajectory graph, a method of directional borehole trajec-tory design and calculation, including plane design, section design and check was provided. Practical application proved that the method met the accuracy demands of the directional borehole design and guided drilling.%以定向钻进基础理论为依据，结合煤矿井下近水平随钻测量定向钻进技术特点，研究煤矿井下定向钻孔轨迹设计内容、计算方法及设计流程。
通过定义钻孔轨迹基本参数，建立钻孔设计坐标系以及规定钻孔轨迹图形表示方法，形成一套包括钻孔轨迹平面设计、剖面设计及轨迹参数校核等关键环节的钻孔轨迹设计和计算方法。
定向井大井眼轨迹控制技术与应用研究随着石油勘探和开发的深入，油田开采已经从传统的常规井向复杂、多变的非常规油气资源过渡。
在这个过程中，非常规油气资源的开发已经成为石油勘探开发领域的一个重要趋势。
定向井和大井眼轨迹控制技术的研究与应用对于提高油气开采效率和降低成本具有重要意义。
本文将从定向井大井眼轨迹控制技术的基本原理、方法和应用进行详细介绍和分析。
一、定向井大井眼轨迹控制技术的基本原理1. 定向井的定义和特点定向井是指在垂直井的基础上，通过合理的井眼轨迹设计和控制技术，使得井眼轨迹不再垂直，而是朝向目标油田地层，从而提高油气的开采效率。
定向井的特点包括：井眼轨迹复杂、井深较大、井眼弯曲度较大、工程技术难度大等。
2. 大井眼轨迹控制技术的定义和特点大井眼是指井眼的直径超过8.89厘米（3.5英寸）的井眼。
大井眼轨迹控制技术是指通过合理的井眼轨迹设计和控制技术，使得大井眼的井眼轨迹能够达到设计要求，从而满足作业要求。
大井眼轨迹控制技术的特点包括：井眼直径大、井眼轨迹复杂、控制精度高等。
1. 定向井大井眼轨迹设计方法定向井大井眼轨迹设计是指根据地质结构和矿层分布，选择合适的井眼轨迹形式和参数，使得井眼轨迹能够有效地穿过目标地层，实现油气的产量最大化。
定向井大井眼轨迹设计方法包括：平面轨迹设计、垂直井眼深度设计、水平井眼深度设计、井眼弯曲率设计等。
定向井大井眼轨迹控制方法是指通过合适的井眼轨迹控制技术，使得井眼轨迹能够达到设计要求。
定向井大井眼轨迹控制方法包括：钻井液性能控制、地层动力学控制、钻具运输控制等。
随着页岩气开发的深入，定向井大井眼轨迹控制技术在页岩气开发中得到了广泛的应用。
通过合理的井眼轨迹设计和控制技术，能够有效地穿过页岩气层，实现页岩气的连续生产。
定向井大井眼轨迹控制技术在页岩气开发中的应用为页岩气的高效开发提供了重要的技术支撑。
水平井是指井眼的有效水平长度大于井眼垂直长度的特殊井眼形式。
1.井眼轨迹的基本概念1.1定向井的定义定向井是按预先设计的井斜角、方位角及井眼轴线形状进行钻进的井。
（井斜控制是使井眼按规定的井斜、狗腿严重度、水平位移等限制条件的钻井过程）。
1.2井眼轨迹的基本参数所谓井眼轨迹，实指井眼轴线。
测斜：一口实钻井的井眼轴线乃是一条空间曲线。
为了进行轨迹控制，就要了解这条空间曲线的形状，就要进行轨迹测量，这就是“测斜”。
测点与测段：目前常用的测斜方法并不是连续测斜，而是每隔一定长度的井段测一个点。
这些井段被称为“测段”，这些点被称为“测点”。
基本参数：测斜仪器在每个点上测得的参数有三个，即井深、井斜角和井斜方位角。
这三个参数就是轨迹的基本参数。
井深：指井口(通常以转盘面为基准)至测点的井眼长度，也有人称之为斜深，国外称为测量井深(Measure Depth)。
井深是以钻柱或电缆的长度来量测。
井深既是测点的基本参数之一，又是表明测点位置的标志。
井深常以字母Ｌ表示，单位为米(m)。
井深的增量称为井段，以ΔＬ表示。
二测点之间的井段长度称为段长。
一个测段的两个测点中，井深小的称为上测点，井深大的称为下测点。
井深的增量总是下测点井深减去上测点井深。
井斜角：井眼轴线上每一点都有自己的井眼前进方向。
过井眼轴线上的某点作井眼轴线的切线，该切线向井眼前进方向延伸的部分称为井眼方向线。
井眼方向线与重力线之间的夹角就是井斜角。
井斜角常以希腊字母α表示，单位为度(°)。
一个测段内井斜角的增量总是下测点井斜角减去上测点井斜角，以Δα表示。
井斜方位角：井眼轴线上每一点，都有其井眼方位线；称为井眼方位线，或井斜方位线。
井眼轴线上某点处的井眼方向线投影到水平面上，即为该点的井眼方位线（井斜方位线）以正北方位线为始边，顺时针方向旋转到井眼方位线（井斜方位线）上所转过的角度，即井眼方位角。
井斜方位角常以字母θ表示，单位为度(°)。
井斜方位角的增量是下测点的井斜方位角减去上测点的井斜方位角，以Δθ表示。
井斜方位角的值可以在0～360°范围内变化。
磁偏角：目前广泛使用的磁性测斜仪是以地球磁北方位为基准的。
磁北方位与正北分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分位线的东面，西磁偏角指磁北方位线在正北分位线的西面。
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－西磁偏角象限角：井斜方位角还有另一种表示方式，称“象限角”它是指井斜方位线与正北方位线或与正南方位线之间的夹角。
象限角在 0～90度之间变化。
书写时需注明所在的象限，如N67.5°W 。
1.3井斜变化率与井斜方位变化率井斜角和井斜方位角是在随着井深而不断变化的。
既然在变化，就有变化快慢之分。
变化率就是变化的快慢。
井斜变化率：是指井斜角随井深变化的程度，以Ｋα表示。
严格地讲，井斜变化率是井斜角α对井深Ｌ的一阶导数，可写为：以增量代替微分，以相邻二测点间的井斜角变化值（Δα）与二测点间井段长度（ΔL ）的比值来表示井斜变化率的。
求得的乃是该测段的平均井斜变化率：井斜方位变化率：是指井斜方位角随井深变化的程度，以Ｋφ表示。
严格地讲，井斜方位变化率是井斜方位角φ 对井深Ｌ的一阶导数，可写为：•以增量代替微分，以相邻二测点间的井斜方位角变化值（Δφ ）与二测点间井段长度（ΔL ）的比值来表示井斜方位变化率的。
求得的乃是该测段的平均井斜方位变化率：1.4井眼轴线形状的图示法三维坐标图示法：井眼轴限的特点：形状复杂，结构简单。
无法给人以立体感。
需要采用辅助面增强立体感。
只在特殊时候采用。
图2-3三维坐标图柱面图表示法：垂直剖面图的形成：实钻井眼是一条空间曲线，设想经过这条曲线上的每一个点作一条铅垂线，所有这些铅垂线就构成了一个曲面。
这个曲面与水平面的交线就是这口井的水平投影图。
这个曲面乃是柱面，它的显著特点，是可以展平到平面上。
当这个柱面展平时，井眼轴线也被展到平面上，这就是井眼轴线的垂直剖面图。
最大特点：柱面展平后，井眼长度和井斜角都保持不变。
图2-4垂直柱面图此法曾在我国油田现场得到广泛使用。
包括两张图：一是水平投影图，相当于俯视图，与投影图表示法相同；一是垂直剖面图(横坐标P，纵坐标D)，与垂直投影图不同，它不是在某个铅垂平面上的投影。
优点：凭着这两张图，即可了解井眼的空间形状；可以反映出井身参数的真实值。
作图容易，利用测斜资料算出每个测点的坐标位置，即可作图。
图2-5水平投影图与迟滞剖面图投影图表示法：相当于机械制图中的视图表示法，在国外使用广泛。
这种图示法包括两张图：一张是水平投影图，相当于俯视图。
一张是垂直投影图，相当于侧视图，其投影面选在原设计方位线所在的铅垂平面上(横坐标V，纵坐标D)。
投影图主要用于指导施工。
优点：从图上可直接看出，需要增斜还是需要降斜，需要增方位还是需要减方位。
也可根据这张图，可以想象出井眼轴线的空间形状。
缺点：这种垂直投影图不能反映出井身参数的真实值。
图2-6垂直投影图与水平投影图2.4其他井身参数垂直深度：简称垂深，是指轨迹上某点至井口所在水平面的距离。
垂深的增量称为垂增。
垂深常以字母Ｄ表示，垂增以ΔＤ表示。
水平投影长度：简称水平长度或平长，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。
水平长度的增量称为平增。
平长以字母Ｐ表示，平增以ΔＰ表示。
Ｎ坐标和Ｅ坐标：是指轨迹上某点在以井口为原点的水平面坐标系里的坐标值。
图2-7水平投影长度与水平坐标示意图水平位移：简称平移，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。
此投影线称为平移方位线。
水平位移常以字母Ｓ表示。
平移方位角：指平移方位线所在的方位角，即以正北方位为始边顺时针转至平移线上所转过的角度，常以字母θ表示。
闭合距与闭合方位：国外将水平位移称作闭合距(Closure Distance)，将平移方位角称作闭合方位角(Closure Azimuth)。
我国现场常特指完钻时的水平位移为闭合距，平移方位角为闭合方位角。
水平位移和水平长度是完全不同的概念。
图2-8平移与视平移示意图2.5井眼轴线在柱面图上的曲率图2-9垂直剖面与水平投影图柱面图上的曲率：垂直剖面图上的曲率：等于井斜角对井深的一阶导数，以KH 表示。
正好等于井斜变化率K α。
水平投影图上的曲率：等于井斜方位角对水平投影长度的一阶导数，以KA 表示。
他与井斜方位变化率不同。
ααK dLd K H ==ααφφφsin sin K dL d ds d K A =⋅==2.6井眼曲率及其计算狗腿角的概念： 井斜角表示井眼偏离铅垂线的程度。
井斜不仅有斜度变化，还有井斜方位的变化 。
井斜角和井斜方位角的不断变化，反映了井眼前进方向的变化。
井眼轴线上，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。
图2-10“狗腿角”示意图井眼曲率的概念：井眼弯曲的程度，井段长度不变，狗腿角越大，则井眼前进方向变化的越快，井眼弯曲越厉害，井眼曲率越大。
几种叫法：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。
井眼曲率计算方法: 有公式计算法 、查图法、图解法、查表法和尺算法等五种。
后四种皆来源于公式计算法。
公式计算法又可分为三套。
第一套计算公式：根据空间微分几何原理推导，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：αφsin ⋅=A K K αα222sin Φ+=K K K α422sin A H K K K +=L K∆∆=ααL K ∆∆=φφ221ααα+=c令： 则： 第二套计算公式：这是Lubinsky 先生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：式中 ： 若用半角和平均角形式表达,则可得:第三套计算公式这套公式源于沙尼金图解法，其表达式为：这显然是任意三角形余弦定理的表达式，因而也可用图解法来解γ： （1）选取一定比例，以一定长度代表单位角度，作线段ＯＡ，使其长度代表α1 ；（2）作ＯＢ线段，使∠ＢＯＡ＝ΔΦ；（3）按步骤（1）的比例，量ＯＢ＝α2 ；（4）连接Ａ、Ｂ，并量ＡＢ的长度，按步骤（1）的比例换算成角度，即为γ。
井眼曲率计算方法的选择cL L K αα222sin •⎪⎭⎫ ⎝⎛∆∆Φ+⎪⎭⎫ ⎝⎛∆∆=L K ∆=γcααγ222sin ∆Φ+∆=∆Φ••+•=cos sin sin cos cos cos 2121ααααγ12φφφ⎪⎭⎫⎝⎛∆+⎪⎭⎫⎝⎛∆Φ⎪⎭⎫⎝⎛∆=⎪⎭⎫ ⎝⎛2sin sin 2cos 2sin 2sin 22222φααγc φααααγ∆-+=cos 2212221第一套公式，数学推导严密，是用于各种形状的井眼，具有普遍性。
第二套公式是建立在假设井段是平面曲线，而且是平面圆弧曲线的前提下推导，适用于平面曲线的井眼，例如，用弯曲动力钻具定向钻进钻出的井眼。
第三套公式本身就是近似公式，只能是用于井斜角较小，井斜方位角也较小的情况下。
我国定向井标准化委员会制定的标准规定：使用第一套计算公式。
3定向井井眼轨道的最优化设计方法对定向井井眼轨道的基木要求有三点：井眼轨道最短。
以节省工时、降低成木；井眼光滑。
曲率均匀。
没有台阶、狗腿。
以利于女全生产；靶区穿入点与靶点最近。
以满足油田开发要求对井眼轨道的设计方法目前已有多种.如曲率半径法、悬链线法、柱而法、斜平而法、旋转线法、常曲率法、模拟法等。
这此计算方法使施下人员用简单计算下具对井眼轨道进行逐点求解。
模拟试算成为可能。
但其不足是易受设计人的主观因素干扰。
不能定定量表述其设计结果是否为最优方案。
3.1定向井井眼轨道的最优化数学模型.常用的圆弧形定向井井眼轨道按其形状可归为三类：直—增—稳型、直—增—稳—降型、直—增—稳—增（降）—稳型。
3.1.1直-增-稳型井眼轨道的最优化数学模型图3-1为该型井眼轨道示意图。
已知井口坐标（x o ,y o ）；靶点坐标（x c ，y c ）；靶区半径r ；最大许用造斜率k ；造斜点可选垂深D amin ，D amax ；下中间套管可选垂深D bmin ，D bmax ；工具可达造斜率k 0。
图3-1由已知条件可知：造斜率半径kR 87.1719=；B 点水平位移)cos 1(1α-=R S ；B 点垂深αsin 12R Z Z +=；B 点测深K R Z L /11α+=；C 点水平位移αsin 2BC L S =；C 点测深BCL L L +=1。
