第1章水平井井眼轨道设计

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。

井眼轨道五段式
五段式井眼轨道是一种常见的井眼轨道设计，它由五个主要部分组成，分别是直井段、造斜段、稳斜段、变斜段和水平段。

这种井眼轨道设计具有以下特点：
1. 直井段：直井段是井眼轨道的起始部分，它的作用是保证钻头在垂直方向上钻进，以便在钻进过程中能够顺利地进入地层。

2. 造斜段：造斜段是井眼轨道的第二部分，它的作用是使钻头从直井段进入水平井段，通过调整钻头方向，使钻头开始水平方向上的钻进。

3. 稳斜段：稳斜段是井眼轨道的第三部分，它的作用是保证钻头在水平方向上稳定钻进，以便能够有效地开发油气资源。

4. 变斜段：变斜段是井眼轨道的第四部分，它的作用是使钻头从稳斜段进入水平井段，通过调整钻头方向，使钻头开始另外水平方向上的钻进。

5. 水平段：水平段是井眼轨道的最后部分，它的作用是使钻头在水平方向上稳定钻进，以便能够有效地开发油气资源。

五段式井眼轨道设计具有结构简单、易于控制和操作方便等特点，因此在油气田开发中得到广泛应用。

然而，这种井眼轨道设计也存在一些缺点，例如在某些地层条件下，控制造斜段和变斜段的难度较大，需要较高的技术水平和经验。

此外，五段式井眼轨道设计的成本也较高，需要投入大量的资金和人力成本。

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。

水平井钻井工程设计及轨迹控制一、水平井的概述：八十年代中期以来，水平井技术在世界范围内取得了突飞猛进的进展，为提高勘探效果，提高单井产量和油层采收率，开辟了一条新的途径，给石油工业的发展带来了新的革命，胜利油田从1990年9月开始，以埕科1井为起点，展开了水平井研究与应用，针对各种类型油藏，如整合油藏、不整合油藏、稠油砾石油藏、低渗透块状砾石油藏、砂岩油藏、石炭系砂岩油藏、古潜山漏失型油藏等进行攻关研究。

“八五”期间组织了六个油田、五个院校，762名科技人员，在水平井钻井的设计技术、轨迹控制技术、钻井液技术、完井技术及测井射孔技术的五个方面共31个专题进行了四年的攻关，在理论研究、实验技术、软件技术、工具仪器研制和工具方法等方面，取得了重大技术突破，包括了16项重大科技成果在内的30项技术成果，形成了一整套水平井钻井、完井技术，截止1995年7月项目提交国家鉴定时，胜利油田完成各类水平井30口。

“八五”攻关计划完成后，水平井技术迅速转化为生产力，很快形成了大规模推广应用的局面。

到1996年底我国陆上已完成水平井94口，推广面积达到13个油田，六种类型的油气藏。

仅投产的47口科学实验水平井增产原油78吨，新增产值9.52亿元, 获直接经济效益6.46亿元。

到98年底全国陆上油田已钻成水平井204口，其中胜利油田所钻井和以技术服务形式在外油田所钻水平井共计119口。

更重要的是，“水平井是增加原油产量、提高采收率和开发特殊油藏最有效的手段之一”这一观点，得到了广大勘探开发工作者的共识，从而带动了与水平井有关的地质、油藏、采油工程等相关技术的发展，推动石油的科技进步。

自项目推广应用以来，应用的油藏类型逐步扩大，完成的水平井类型逐步增多。

除本油田以外，先后应用到塔里木、长庆、吐哈、青海、中原、江汉、河南、大港、玉门、江苏等油田，以及江苏省洪泽县非石油行业的芒硝矿开采，完成了以水平探井、阶梯水平井、连通式水平井等为代表的12种类型水平井，其经济效益十分显著，所完成的开发井稳定产值为同地区直井的3倍，其投资仅为直井投资的1.8倍左右，1997年《石油水平井钻井成套技术》被列为国家”八²五”国民经济贡献巨大的十大攻关成果。

丛式水平井轨道的设计摘要：涪陵页岩气田经过一期开采，在二期开发阶段，井眼防碰和防压裂干扰的压力显著增大。

而同时考虑井眼碰撞和压裂干扰问题的三维水平井井眼轨道设计方法研究较少。

本文首先介绍了常规水平井眼轨道的设计方法，对比分析了国内外页岩气开发井型，总结了涪陵页岩气丛式水平井井眼防碰技术难点，最后结合实例计算，介绍了靶点前移的避让压裂区井眼轨道设计方法。

分析表明，山区大型丛式水平井在我国页岩气开发中具有广阔的应用前景；结合井眼轨迹测量误差计算、井眼分离系数计算和靶点前移，可以优化设计出不仅对钻具组合的井下受力影响较少，而且可以同时满足了井眼防碰和防压裂干扰技术需求的井眼轨道。

关键词：丛式水平井；防碰；防扰；井眼轨道设计1.研究背景及意义在径济飞速发展的21世纪，各国对石油与天然气的需求量不断增加。

而常年的开采致使非常规油气资源的开发难度越来越大，以页岩气为主的非常规油气资源越来越受国内外青睐。

过去的几十年。

非常规气藏的低渗透性使其难以获得良好的非常规垂直井的开发效果，因此应采用某些增产技术来增加其产气量。

而且，这些非常规气藏的渗透率可能在开采过程中出现动态变化。

生产过程受到有效应力，气体滑移和吸附基质收缩的影响。

因此，采用合适的开采技术对非常规气藏进行开采来增加非常规气藏的产能具有十分重要的意义。

径向水平井是指曲率半径远比非常规钻井曲率半径更短的一种水平井，也称之为“超短半径水平井”。

现对径向水平井技术在非常规气藏中的适应性进行研究，为径向水平井应用于非常规气藏的进一步研究工作提供依据。

2014年，整个涪陵页岩气田焦石坝区开始进行正式的开发阶段。

在整个2015年开始投入使用。

也是我国第一个进入商业开采阶段的国家级页岩气平台。

涪陵页岩气平台井井口距离一般都在8~10m，虽然满足丛式井井口距离要求，但由于直井段较深，防斜打直困难较大，从而加大了直井段防碰难度。

轨迹监控是防碰预控的最关键环节，轨迹监控的唯一方法是测斜，通过测斜数据及时了解正钻井的轨迹变化趋势，也是防碰预控最基本的要素。