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第1章水平井井眼轨道设计

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中浅层水平井井眼轨道优化设计与现场施工

中浅层水平井井眼轨道优化设计与现场施工
２ ０ １ ３年第 ４ ０卷 第 １ ０期
探 矿 工程 （ 岩 土钻掘 工程 ）
４ ３
中浅层水 平井井眼轨道优化设计与现场施工
李增 乐
（ 大庆钻 探工程公 司钻 井工程技 术研 究院 ， 黑龙 江 大庆 １ ６ ３ ４ １ ３ ）
摘 要 ： 针对大庆油 田中长 、 长水平段水平井 钻井 施工和下套管过程 中摩 阻、 扭矩大 ， 导致钻井 速度慢 ， 而井 眼浸 泡
探矿工程 （ 岩土钻掘工程 ）
表１ 三 种 井 眼轨 道 的摩 阻预 测 计 算 数 据 择合理 的 井 眼 曲率 是 减少 接 触 力 的重 要 措 施 。而 井 眼 曲率 的 大小 直 接 受 制 于靶 前距 的 大小 ， 如果靶前 距 过小 ， 则 造 斜段 短 ， 井 眼 曲率 大 ， 钻 具 的
近年来 ， 随着水 平 井在 大庆 油 田的推 广应 用 ， 中
短、 短水平 段 水平 井钻 井技 术 已经相 当成 熟 ， 而对 于
变 曲率 法 ２种 。恒 曲率法 指 造 斜 率 为 常 量 ， 变 曲率 法 指造 斜率 为 变量 。变 曲率 法 又 可 分 为 悬链 线 、 准 悬 链 线等方 法 Ｊ ， ３种 方 法 的优 缺 点 在 很 多 文献 中 均 有 明确 的说 明 ， 在此 不再 赘述 。 假 设水 平位 移 ３ ０ ０ ０ ｍ， 套 管 内摩 阻 系数 ０ ． ２ ０ ，
ｄ ｌ ｅ — ｌ ｏ ｎ ｇ ａ ｎ ｄ ｌ ｏ ｎ ｇ ｈ ｏ ｒ ｉ ｚ ｏ ｎ ｔ ａ ｌ ｗ ｅ ｌ ｌ ｓ ｉ ｎ Ｄａ ｑ ｕ ｉ ｎ ｇ ｏ ｉ ｌ ｆ ｉ ｅ ｌ ｄ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｂ ｏ ｒ ｅ ｈ ｏ ｌ ｅ ｗ ａ ｌ ｌ ｃ ｏ ｌ ｌ ａ ｐ ｓ ｉ ｎ ｇ ｌ ｅ ｄ ｂ ｙ ｌ ｏ ｎ ｇ ｔ ｉ ｍｅ ｃ ｏ ｎ ｔ ａ ｃ ｔ ｗｉ ｔ ｈ ｄ ｒ ｉ ｌ ｉ ｎ ｇ

水平定向钻井轨迹设计

水平定向钻井轨迹设计

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。

井眼轨道设计与控制

井眼轨道设计与控制

b αm
c
R2
αm
αe
o2
ShoSh
井段：O—a
最大井斜角:0
方位角:0
垂直井深增量ΔD(m):
ΔDa= ΔDkop=400 垂直井深D(m):
f αe
Da = Dkop =400 水平位移增量ΔSh (m): ΔSha =0
ge
水平位移Sh(m): Sh =0 t 段长Δl(m): Δla= Dkop =0
5)工具面角（βｔ）：造斜工具下到井底以后， 工具面所在的角度。它有两种表示方法：高边工具面 角和磁工具面角。高边工具面角是以高边方向线为始 边，顺时针转到工具面与井底圆平面的交线所转过的 角度；磁工具面角为以正北方向线为始边，顺时针转 到工具面与井底圆平面的交线在水平面上的投影线所 转过的角度。
6) 装置角（β）:在启动钻具后且加压钻进时,工具面所处的角度，与工具面角一样，既可用高边工
She
井深Dw(m) : Dw = Dkop =0
o Dkop
a
k De D Do
j i
h
R1
o1
αm
b αm
c
R2
αm
αe
o2
ShoSh
井段：a—b
最大井斜角:40.51 °
方位角: 30°
垂直井深增量ΔD(m):
ΔDab= R1sinαm =558.31 垂直井深D(m):
Db = Da + ΔDab =958.31
目前常用的设计方法
查图法 作图法 解析法
o Dkop
a
R1
o1
αm
k
De
b
D Do
αm c
最大井斜角αm的确定 在△ kjf中：

井眼轨道 五段式

井眼轨道 五段式

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。

高平1井井眼轨道与井身结构设计

高平1井井眼轨道与井身结构设计

Ｓｈａ ｎｄｏ ｇ， ５ ０１ Ｃｈｉ ｎ ２ ７ ７， ｎａ）
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ｗ ｅ ｌＧ ａ ｓｒ ｃ ： ｌ ｏｐｉ ｉ ｎ ＥＲＤ ｏｒｚ ｎｔ ｌｗ ｅ ｌ ｆ Ｓ ｎｇ ｉＯ ｉｆｅｄ．Ｉ ｓ ｕｓ ｄ ｔ ｖｅｏｐ ｓ ｖｅ ａ ｎｇ １ ｓ ａ ｈ ｉｏ ａ ｌ ｏ ｈｅ ｌ ｌｉ ｌ ｔ ｉ ｅ ｏ ｄｅ ｌ ｅ ｒ ｌ
＿＿． ＿
Ｉ —
Ｃｊ
同
平 １井 井 眼 轨 道 与 井 身 结 构 设 计
冯 光 通 。 马 凤 清 。 曹 向峰。 高 凯。
（ ．中 国石 油 大 学 （ 东 ）石 油 工 程 学 院 ， 东 东 营 １ 华 山
２ ７ ６ ； ．中 国石 化 胜 利 石 油 管 理 局 钻 井 工 艺 研 究 院 ， ５０ １２ 山东 东 营
中 图分 类 号 ： ＴＥ２ ２ 文 献标 识 码 ： Ａ 文章 编 号 ：０ 卜０ ９ （ ０ ０ ０ － ０ ３ ０ １ ０ ８０ ２ １ ） ６０ ３ —４
Ｔ ｅＴ ａ ｔｒ ｎ ａ ｉ ｇＰ ｏ ｒ ｍ ｅ ｉｎ ｏ ｅｌ ｏ ｉ ｇ １ ｈ ｒ ｊ ｃｏ ｙａ ｄ Ｃ ｓ ｒ ｇ ａ Ｄ ｓｇ ｆＷ ｌ Ｇａ ｐ ｎ ｅ ｎ
ｔ ｒ ｔ ｏｃ ｔ ｄ ｗｉｈｉ ａ ｇｅ ｓ ｌ ａ ｅ ｔ ｎ ３ ｋｍ ． ｔ Ｉ ｓＴＶＤ ｓ ｓ ｌ ｂｕｔｈｏ ｉｏ ａ ｅ ｔｏ ｓ ｌ ｒ ｅ ｉ ｍａ ｌ ｒｚ ｎｔ ｌｓ ｃ ｉ ｎ ｉ ａ ｇ ．Ｔｈｅ ｋ ｙ ｔ ｃ ｅ ｅ ｈｎｏ ｏ ｅ ｆｔ ｓ ｌ ｇｉｓ ｏ ｈｉ
２７１） ５ ０ ７
摘 要 ： 高平 １井 是胜 利 油 田部 署 的 一 口大位 移 水 平 井探 井 ， 主要 目的是 利 用水 平 井技 术钻 探 平 面 ３ｋ 范 围 内 ｍ

井眼轨道设计与控制

井眼轨道设计与控制

方位角ψ ：正北顺时针转至轴 线上某点切线在水平面的投影 的夹角。
井眼曲率Rh：单位长度井段井眼轴线的切线所转过的角度。
井斜变化率Rn：单位长度井段井斜角变化值。 垂深Ｄ：井 眼轴线上某 测点至井口 转盘所在平 面的垂直距 离。 方位变化率Ri：单位长度井段方位角变化值。 测深Ｄm：某测点到转盘补 心的井眼轴线实际长度。 井斜角α i ：轴线切 向方向与垂线的夹角。 井深D Ｗ ：转盘补心到 井底的深度。
第五章
第一节 井眼轨道设计的原则和方法
3. 井眼轨道水平投影 1) 工具弯角（θ ｂ）:在造斜 钻具组合中 , 拐弯处上下两段的 轴线间的夹角。 2) 工具面 : 在造斜钻具组合 中 , 由弯曲工具的两个轴线所决 定的平面。 3) 反扭角（β ｒ）:在使用井 下动力钻具进行定向造斜或扭方 位时 , 动力钻具启动前的工具面 与启动后且加压钻进时的工具面 之间的夹角。反扭角总是使工具 面逆时针转动。
第三章
第一节 井眼轨道设计的原则和方法
一、基本概念
1 .井眼轨道的基本要素
井眼轨道：表示井眼轴线形状的图形。
其它基本要如下图所示：
第五章
第一节 井眼轨道设计的原则和方法
井底水平位移Sh：井口与井底两点 在水平投影面上的直线距离。 井底闭合方位角Ψ h ：从正北方向 顺时针转至井口与井底的水平投影 连线的夹角。
第五章 第一节 井眼轨道设计的原则和方法
第五章 第一节 井眼轨道设计的原则和方法
与整个井眼相比为小量，其长设为dl，B点的定向要素为 DA+dD、EA+dE、 NA+dN、αA+dα、 ShA+dShA 、 φA +dφ。连接AB两点，AB线段水平投影为AˊBˊ 线段。可以近似地认为：AB弧长=AB线段长= dl。 在垂直投影面中：

水平井优化设计


1、单增剖面：（直-增-稳） 、单增剖面：（直 增 稳 ：（ 就是从造斜点开始， 就是从造斜点开始，用一个固定 的造斜率， 的造斜率，将井斜角增至水平段设计 井斜角。该剖面的造斜点、 井斜角。该剖面的造斜点、造斜率是 一个相对固定的值， 一个相对固定的值，都取决于井口到 窗口的水平位移的长度。 窗口的水平位移的长度。
小井眼侧钻水平井井眼轨道设计 1、侧钻点的选择 必须通过多方面综合考虑，从中选择较合适的侧钻 点。 ①、侧钻点应避开混浆带，尽量选在固井质量好的井段。 ②、选择砂岩层侧钻，有利于提高实钻初始造斜率，使 钻头尽快离开老井眼。 ③、尽量避免形成扭方位过大的局面，给钻井施工和井 眼轨迹控制带来较大的难度。 ④、造斜点深度的选择应有利于实现地质目标，为进入 目标层形成优良的侧钻、造斜、探油层井段，为钻水平 井段提供优质的井眼剖面。 ⑤、如果有水层，初始定向造斜井段应尽量避开水层。
复杂剖面的使用：用于具有井口的限制， 防碰的限制，油藏特点的限制的水平钻 井中。 所表现的特点是：井眼控制难度大，施 工中容易出现复杂事故。
大位移水平井剖面设计原则 ①、选择中等造斜率进行剖面设计。由于浅层水 平井钻经地层胶结差，岩性松散，易随钻扩径， 因此，应选择现有工具的中等造斜率进行设计， 以免造成施工被动。 ②、为了减小井眼曲率的影响，对于高造斜率的 中半径水平井剖面，特别是靶窗纵向允许误差较 小时，应采用低造斜率入靶，以减小上部井段高 造斜率的曲率效应，有利于水平段的井斜控制。 ③、设计造斜率应保证较大尺寸的完井套管或筛 管能顺利下入。
由于造斜率的增大，一般弯接头和单 点定向仪器已经无法完成造斜和定向要 求，必须采用导向马达和无线随钻定向 仪器完成井眼的定向造斜。可钻出长度 为1000m左右的水平段。可以裸眼完井、 下割缝衬管完井、下衬管完井、下衬管 和套管外部封隔器完井，或用水泥固井 射孔完井。该井型能有效地获得增产。

水平井

2096.59
93.1
1755.69
646.83
0.5331
5 1/2″套管开窗侧钻水平井
2600
2408
96.5
2042
265.9
0.60
109
2005
中原油田
15
濮1-侧平193
5 1/2″套管开窗侧钻水平井
2788
2401
91.3
2137
500
0.60
158.11
2）测深：测点的井深，是以测量装置（Angle Unit）的中点所在井深为准。
3）井斜角：该测点处的井眼方向线与重力线之间的夹角（见图1．1）。井斜角常以希腊字母α表示，单位为度。
4）井斜方位角：是指以正北方位线为始边，顺时针旋转至井斜方位线所转过的角度（见图1．2）。井斜方位角常以希腊字母Φ表示，单位为度。实际应用过程中常常简称为方位角。
多种无线随钻测斜系统投入工业使用和发展了电子测量系统和陀螺测量系统
定向井钻井水平
精度要求不高
中深定向井
可打准确度较高的定向救援井和大组丛式井
钻成大量水平井，从大半径水平井到小半径水平井、多底泄油井
我国定向钻井技术发展情况
内容年代
60年代
80年代
90年代
剖面设计及轨迹计算方法
设计采用查表法、图解法等精度不高的方法
95.2
5399.99
337.81
1.4
276.7
2004
塔河油田
3
丰收3-平1
8 1/2″井眼常规水平井
2448.28
2120.7
96.2
1690
669.1
0.38
333.48
2004

【精品完整版】水平井井眼轨迹确定方法

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。

北布扎奇水平井井眼轨道设计与施工实践

１ 概 况
二开 ： ２ ２ ２ ｒｍ 钻 头 ×４ ３ ８ ｍ＋ １７ ８ ｍ ２． ５ ａ ２． ７ ７．ｒ ａ 油套 ×４ ２ ８ ｍ。 ２．７ 三开 ： 『５ ． ｍｍ 钻 头 × ６ ５ ｊ １２ ４ ２ ５ ｍ＋ ｊ １ ４ ３ ２ １ ． ｍｍ 尾 『 管 ×（０ ￣６ ４ ｍ。 ４０ ５）
（） ３在做井眼轨道设计时 ， 必须考虑好如何施工 ， 设 计 可行 性必 须保证 。 （） ４ 同时 ， 量选用 较低 的造斜 率 ， 尽 当需要选 用高 造 斜率 时 ， 量缩 短这种 井段 ， 尽 以降 低施工 难度 ， 必要 时选 择较 小 的设 计人 靶点井 斜后 ， 在水 平段靶 区内把井 斜调
整合 适 。
参考文献 ：
据现 有螺杆 造斜 能力 做 出轨 迹设 计 ： 开造斜 段第 一段 三
造斜 率 设 计 在 １ ￣３ ｍ 左 右 ； 二 段 设 计 在 （ ８ ～ ］／ ０ 第 １。 ２ 。／ ０ 甲方要 求 三 开 段 设 计 造斜 率 在 ２ 。３ ｍ 以 Ｏ） ３ ｍ（ ０／ ０
４ ９ ４ ４ 为 砂 岩 段 ， ５ ｍ 处 垂 深 ４ １ ６ ｍ， 开 始 ５￣ ７ｍ ４９ ２． ０ 一
钻井参数 ： 钻压 ３ ｔ排量 １Ｉ ｓ ～４， ４ ／。 在水 平段 下入 １０ ２ｍｍ１ ２。 弯 螺杆 ， 可 能保 ． ５单 尽 证 在油 层 中穿 行 ， 同时 控 制井 眼 曲率 和井 眼横 向偏 移 ， 使 井 眼尽 可 能光滑 ， 确保 完井筛 管下 至预定 位置 。
Ｅ］ 高德利 ， Ｊ 刘希圣 ， 井 眼轨道控制 ［ ． 等． Ｍ］石油大学 出版社 ，
１ ９４ ９ ．
内） 。施工 时 ， 一 段下 人 ５ １０ 第 ２ ２ｍｍ１ ７。 弯 螺 杆 ， 『 ． ５单 第
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间曲线投影到设计方位线所在的铅垂面（即：井 口和目标点所在的铅锤面）。
坐标原点：井口 横坐标：视平移 V 纵坐标：垂深 D 该方法不能反映出真实的井深和井斜角。 柱面图示法应用最广
二、轨迹的基本概念
井深、井斜角和井斜方位角—轨迹的三个基本参数 (1) 井深（斜深、测深） 定义：井口（通常以转盘面为基准）至测点的轨迹长度。 井深增量（井段长度）：下测点井深与上测点井深之差。
C 式中： m
— 套管允许通过的最大井眼曲率，° 30m；
Pj — 套管螺纹联结强度， kN ；
PE — 套管已承受的有效轴向力，kN ； D — 套管管体外径，cm ；
o
K
— 考虑套管螺纹应力集中等因素的系数，取K=1.65； — 套管管体截面积， cm 。
2
中国石油大学（北京） 张辉
A
套管可通过的最大井眼曲率限制问题
α (2) 井斜角 （ ）
指井眼方向线与重力线之间的夹角。单位为 （ 井眼方向线：
过井眼轴线上某测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。
）
井斜角增量（ Δα ）：
下测点井斜角与上测点井斜角之差。
Δα = α B − α A
(3) 井斜方位角（方位角）φ
在水平投影图上，以正北方位线 为始边，顺时针方向旋转到井眼方位 线上所转过的角度。
19
答案：
δ = 10 ° φF = 140° φ0= 90°
αT = 90 − tg [tgδ ⋅ cos(φ0 − φF )]
o −1
αT = 90 - atan (tan 10 cos (90 - 140)
= 83.53°
20
设计方位改变
若设计方位角为270°（正西方向）， 求：目标段的井斜角？
中国石油大学（北京） 张辉
一、水平井轨道设计原则
1. 水平井井眼轨道设计应考虑问题
④ 考虑施工人员的轨迹控制能力，特别是增斜段的轨迹控制 能力，是否具备必要的造斜工具和测量工具测量仪器等； ⑤ 施工的难易程度； ⑥ 考虑钻柱的强度； ⑦ 所选的造斜率，下套管时套管能否顺利通过？ ⑧ 套管磨损； ⑨ 考虑两个不确定性问题：目标垂深的不确定性；造斜率的 不确定性。 ⑩ 采油工艺。
Ｎ
井眼方位线（井斜方位线）：
某测点处的井眼方向线在水平面上 的投影。
φΑ
Ａ Ｏ
φΒ
Ｂ Ｅ
井斜方位角增量 Δφ
：
上下测点的井斜方位角之差。
Δφ = φ B − φ A
井斜方位角的变化范围：
0 ~ 360
井斜方位角的另一种表示方式： 象限角：指井眼方位线与正北方位线或与正南方位线之间的夹角。 象限角的变化范围：
第1章 水平井井眼轨道设计方法
第一节 基本概念 第二节 水平井目标区设计 第三节 水平井井眼轨道设计
中国石油大学（北京） 张辉
概 述
井眼轨道：一口井开钻之前，预先设计的井眼轴线形状。 直井轨道：过井口的铅垂线 定向井轨道：（两维、三维） 轨道设计：定向井、水平井、侧钻井、大位移井等。
井眼轨迹：一口井实际钻成后的井眼轴线形状。 轨迹控制： • 直井防斜打直； • 特殊工艺井控制井斜和方位，使轨道和轨迹相一致。
A O
T
B
C
α T = 90o − tg −1[tgδ ⋅ cos Δφ ]
Φ0为设计方位角，φF为地层下倾方位角。
水平井是否有效益的关键 ——水平井目标区设计
A
井眼方位线是井眼方向线在水平面上的投影。 OB为设计方位线，AB为井眼设计方向线。 tan δ = OA OC cos Δφ = OC OB
Cm = 16.693( Pj − PE ) Do × K × A
中国石油大学（北京） 张辉
一、水平井轨道设计原则
2. 轨道优化设计原则
摩阻、摩扭最小； 井段长度最短； 定向施工简单，难度小。
API推荐公式存在的问题： 未考虑套管管体和螺纹连接强度的差别。式中采用的 是管体屈服强度，实际上真正控制“套管可通过的最大 井眼曲率”的因素是螺纹连接强度。 未考虑轴向力的影响。套管可通过的最大井眼曲率问 题，就是套管可承受最大弯曲应力的问题。显然在不 同的轴向应力条件下，套管可承受的最大弯曲应力也 将不同。轴向应力越大，则可承受的最大弯曲应力将 越小。 将安全系数 K1 和螺纹应力集中系数 K 2 分开， 实无必要。
中国石油大学（北京） 张辉
套管可通过的最大井眼曲率限制问题
存在问题举例：
例如，直径244.47毫米，钢级为Ｎ－80 ， 11.05mm壁厚的套管，按照API推荐的公 式计算，允许通过的最大井眼曲率为6.97 ； 按钻井承包商推荐的公式计算，允许通过的最 大井眼曲率为15.72，二者相差太大。 胜利油田和大港油田在“八五”水平井攻关期 间，都曾将244.47mm直径，N80钢级， 11.05mm壁厚的技术套管，下过16.5的井 眼曲率，且未发现有什么问题。
0 ~ 90 之间。
（4）垂直深度 D （垂深）
轨迹上某点至井口所在水平 面的垂直距离。
O
Ａ点 垂直 井深
（5）水平位移 Lp（平移）
轨迹上某点至井口所在铅 垂线的水平距离，（或：在水 平投影面上，轨迹上某点至井 口的直线距离SA）。
Lp
Ａ点水平位移 Ａ点测量井深：Ｌ＝ＯＡ
DA
A
ΔL
Ａ点井斜角
αA
候选目标油气藏 法 律 地质依据 经营战略
油气藏筛选 租赁约束 市场预测 经济评价预测 规则条例
详细的油气藏分析
生产战略
增产措施/修井
完井对策
详细的设计 钻 井
完井试油后回顾总结
水平井是否有效益的关键 ——水平井目标区设计
• 目标段井斜角的计算 (倾斜油层)
已知：地层倾角δ；目 标段设计方位线OB与地 层下倾方位线OC的夹 角为Δφ=φ0-φF； 求：目标段的井斜角αT
中国石油大学（北京） 张辉
套管可通过的最大井眼曲率限制问题
在分析了套管可通过的最大井眼曲率影响因素的基础 上，参考了文献长庆油田的套管弯曲试验数据和胜利、大港油 田的现场实践经验，提出了一种套管可通过的最大井眼曲率的 确定方法，并给出了计算公式： 16.693( Pj − PE )
Cm = Do × K × A
第1章 水平井井眼轨道设计方法
第一节 基本概念 第二节 水平井目标区设计 第三节 水平井井眼轨道设计
中国石油大学（北京） 张辉
第三节 水平井井眼轨道设计
一、设计原则 二、几种常用的轨迹剖面类型 三、井眼轨道设计
中国石油大学（北京） 张辉
一、水平井轨道设计原则
1. 水平井井眼轨道设计应考虑问题
① 首要考虑的是水平井能否取得预期的经济效益。水平井获 得经济效益的关键是目标段的设计，包括油藏类型的选 择，对油层厚度、性质以及剩余油分布的研究，目标段的 走向、倾向、长度、完井方法等等。 ② 钻机和顶部驱动的能力； ③ 考虑摩阻摩扭的大小；
α c —该测段的平均井斜角， （ ）
井眼轨迹的三大基本要素：井深、井斜角、方位角
第1章 水平井井眼轨道设计方法
第一节 基本概念 第二节 水平井目标区设计 第三节 水平井井眼轨道设计
中国石油大学（北京） 张辉
水平井计程序 和框图
水平井设计程序 和框图是1992年11 月由美国石油工程 协会和地质家协会 、地球物理家协会 和测井分析家协会 共同开会约定的。 该设计内容（如 图）是由地质、采 油油藏、钻井、成 本核算四部分人员 共同合作完成的。
水平段长的限制条件问题：
• 限制水平段长度的因素： – 1. 目标段太长，下钻摩阻可能大 得下不下去；滑动钻进加不上钻 压； – 2. 摩阻增大，受压钻柱发生屈曲 失稳，更增大摩阻； – 3. 摩阻增大，在某种工况下，钻 柱受力可能超过钻柱的强度极 限，导致钻柱破坏； – 4. 水平段过长，下钻或开泵井内 波动压力过大，可能压漏地层； – 5. 水平段过长，起钻的抽吸可能 导致井壁坍塌。
推荐公式的计算步骤：
从《钻井手册（甲方）》或其他有关手册中查得套管 的最小螺纹联结抗拉强度 Pj 。 计算套管已经承受的轴向力 PE 。 计算套管可承受的弯曲引起的轴向力：Pe = Pj − PE 。 Pe 计算套管可承受最大弯曲应力： σ b = 。 A 将 K1 和 K 2 两个系数合为一个系数 K ，取值为 1.65 。 考虑到单位换算，套管可通过的最大井眼曲率为：
(6) 井眼曲率：井眼轨迹曲线的曲率。 指单位井眼长度内井眼全角的变化值，通常也叫狗腿严重度。 （也称“全角变化率”）。
K = 30γ / ΔDm
度/30m 狗腿角，度
井段长度，m
狗腿角：上下二测点的两条方向线之间的夹角（空间夹角）。 Lubinski公式：
cosγ = cosα A ⋅ cosαB + sinα A ⋅ sinαB ⋅ cos(φB − φA )
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井眼方位角的设计要考虑井壁稳定性
井壁坍塌
椭圆形井眼的 长轴方向即为 最小水平主地 应力方向
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井壁崩落椭圆法确定水平地应力方向
水平最大主应力
水平最小主应力
井壁崩落形成 椭圆形井眼
由于井壁崩落椭圆的长轴方向总是与最小水平主地应力方 向一致，即与最大水平地应力方向垂直，因此可借用井壁 崩落椭圆来确定地应力的方向。
第一节 井眼轨迹的基本概念
一、轨迹的图示方法 二、轨迹的基本概念
一、轨迹的图示方法
实钻井眼轨迹是一条空间曲线，可以有不同的表示方法。 1. 三维坐标法：X、Y、Z 2. 柱面图示法：垂直剖面图 （柱面展开图） + 水平投影图 垂直剖面图：经过井眼轨迹上每
一个点作一条铅垂线，这些铅垂线构 成了一个曲面，称为柱面。将此柱面 展开到一个平面上，就形成了垂直剖 面图。