課程石油工程3課件

第三章井眼軌道設計與控制井眼軌道

直井：設計井眼軸線為一鉛垂線，其井斜角、井底水平位移和全角變化率均在限定范圍。定向井：沿著預先設計的井眼軌道，按既定方向偏離井口垂線一定距離，鉆達一定目標的井。第三章第三章井眼軌道設計與控制井眼軌道直井：設計井眼軸線為定向井普通定向井：一個井場內僅有1口最大井斜角小于60°的定向井。斜直井：用斜直鉆機或斜井架完成，自井口開始井眼軌道一直是一段斜井段的定向井。大斜度井：最大井斜角在60°~80°范圍內的定向井水平井：最大井斜角大于或等于86°，并保持這種井斜角鉆完一定長度段的井。

長曲率半徑：6°/30m中曲率半徑：6°~20°/30m水平井中短曲率半徑：1°~20°/30m短曲率半徑：1°~10°/m

徑向水平井：k=∝

叢式井：在一個井場內有計劃地鉆出兩口或兩口以上的定向井組，其中可含1口直井。多底井（分支井）：一個井口下面有兩個或兩個以上井底的定向井。第三章定向井普通定向井：一個井場內僅有1口最大井斜角小于60°的定第一節(jié)井眼軌道設計的原則和方法一、基本概念1.井眼軌道的基本要素井眼軌道：表示井眼軸線形狀的圖形。其它基本要素如下圖所示：第三章第一節(jié)井眼軌道設計的原則和方法一、基本概念其它基本要素如井深DＷ：轉盤補心到井底的深度。測深Ｄm：某測點到轉盤補心的井眼軸線實際長度。垂深Ｄ：井眼軸線上某測點至井口轉盤所在平面的垂直距離。井斜角αi：軸線切向方向與垂線的夾角。方位角ψ：正北順時針轉至軸線上某點切線在水平面的投影的夾角。井眼曲率Rh：單位長度井段井眼軸線的切線所轉過的角度。井斜變化率Rn：單位長度井段井斜角變化值。方位變化率Ri：單位長度井段方位角變化值。井底閉合方位角Ψh

：從正北方向順時針轉至井口與井底的水平投影連線的夾角。井底水平位移Sh：井口與井底兩點在水平投影面上的直線距離。第三章井深DＷ：轉盤補心到井底的深度。測深Ｄm：某測點到轉盤補直井段造斜點增斜段最大井斜角αmax

降斜段直井段斜井深水平位移1)直井段:設計井斜角為零度的井段。2)造斜點（Ｄｋｏｐ）:開始定向造斜的位置稱為造斜點。通常以該點的井深來表示。3)造斜率（Ｒｂ）:造斜工具的造斜能力,即該造斜工具所鉆出的井段的井眼曲率。4)造(增)斜段:井斜角隨井深增加的井段。2.井身剖面井身在垂直平面內的投影第三章直井段造斜點增斜段最大井斜角αmax降斜段直井段斜井深水平

9)靶心距（ｓｔ）:在靶區(qū)平面上,實鉆井眼軸線與目標點之間的距離。6)降斜段:井斜角隨著井深的增加而減小的井段。5)穩(wěn)斜段:井斜角保持不變的井段。7)目標點:設計規(guī)定的、必須鉆達的地層位置，通常以地面井口為坐標原點的空間坐標系的坐標值來表示。8)靶區(qū)及靶區(qū)半徑（ｒｔ）:包含目標點在內的一個區(qū)域稱為靶區(qū)。在大斜度井和水平井中，靶區(qū)為包含設計井眼軌道的一個柱狀體。第三章9)靶心距（ｓｔ）:在靶區(qū)平面上,實鉆井眼軸線與目標點

1)工具彎角（θｂ）:在造斜鉆具組合中,拐彎處上下兩段的軸線間的夾角。2)工具面:在造斜鉆具組合中,由彎曲工具的兩個軸線所決定的平面。

3)反扭角（βｒ）:在使用井下動力鉆具進行定向造斜或扭方位時,動力鉆具啟動前的工具面與啟動后且加壓鉆進時的工具面之間的夾角。反扭角總是使工具面逆時針轉動。3.井眼軌道水平投影第三章1)工具彎角（θｂ）:在造斜鉆具組合中,拐彎處上5)工具面角（βｔ）：造斜工具下到井底以后，工具面所在的角度。它有兩種表示方法：高邊工具面角和磁工具面角。高邊工具面角是以高邊方向線為始邊，順時針轉到工具面與井底圓平面的交線所轉過的角度；磁工具面角為以正北方向線為始邊，順時針轉到工具面與井底圓平面的交線在水平面上的投影線所轉過的角度。4)高邊：定向井的井底是個呈傾斜狀態(tài)的圓平面，稱為井底圓；井底圓上的最高點稱為高邊；從井底圓心至高邊之間的連線所指的方向稱為高邊方向；從正北方向線順時針轉至高邊方向在水平面上的投影所轉過的角度稱為高邊方位角。第三章5)工具面角（βｔ）：造斜工具下到井底以后，6)裝置角（β）:在啟動鉆具后且加壓鉆進時,工具面所處的角度，與工具面角一樣，既可用高邊工具面表示，也可用磁工具面表示。7)安置角（βｓ）：在啟動鉆具前,工具面所處的角度。與工具面角一樣，既可用高邊工具面表示，也可用磁工具面表示。8)安全控制圓錐（柱）:以設計井眼軸線為中心所限定的圓錐（柱）空間。9)誤差橢球:由測量和計算誤差引起的井底位置不確定性所構成的以井底為中心的橢球體。第三章6)裝置角（β）:在啟動鉆具后且加壓鉆進時,工具面井眼曲率的計算1）簡單表示法方位角不變的井眼軸線此時：若AB弧有均勻曲率，則根據定義：第三章井眼曲率的計算1）簡單表示法方位角不變的井眼軸線若AB弧有均對于空間井眼軸線，可以用兩個平面來表示垂直：水平：第三章對于空間井眼軸線，可以用兩個平面來表示垂直：水平：第三章空間曲率的計算設有一空間曲線L，L上點A的定向要素為：DA、EA、NA、αA、φA、ShA；井深增加到B點，設AB弧第三章空間曲率的計算設有一空間曲線L，L上點A的定向要與整個井眼相比為小量，其長設為dl，B點的定向要素為φA+dφ。連接AB兩點，AB線段水平投影為AˊBˊ線段長=dl。DA+dD、EA+dE、NA+dN、αA+dα、ShA+dShA、線段。可以近似地認為：AB弧長=AB在垂直投影面中：αA、αA+dα在平面AAˊB內，令∠AAˊB=α，則第三章與整個井眼相比為小量，其長設為dl，B點的定向要素為φA+水平投影面中：水平投影面中：第三章水平投影面中：水平投影面中：第三章由于：則：坐標參數與基本參數間的關系：第三章由于：則：坐標參數與基本參數間的關系：第三章Rn、Ri對Rh都有影響。第三章Rn、Ri對Rh都有影響。第三章四、井眼軌道設計的原則和方法

井眼軌道的類型二維井眼軌道三維井眼軌道

設計井眼軸線僅在設計方位線所在鉛垂平面上變化的井眼軌道。

二維井眼軌道由垂直井段、增斜井段、穩(wěn)斜井段和降斜井段組合而成。

在設計井眼軸線上，既有江斜角變化又有方位角變化的井眼軌道。三維井眼軌道設計用于繞障井和現場待鉆修正井眼軌道設計。1.井眼軌道的類型第三章四、井眼軌道設計的原則和方法井眼軌道的類型二維井眼軌道三維1)根據油氣田勘探開發(fā)要求，保證實現鉆井目的；2)根據油氣田的構造特征、油氣產狀，有利于提高油氣產量和采收率，改善投資效益；3)在選擇造斜點、井眼曲率、最大井斜角等參數時，有利于鉆井、采油和修井作業(yè)；4)

在滿足鉆井目的的前提下，應盡可能選擇比較簡單的剖面類型，力求使設計的斜井深最短，以減小井眼軌道控制的難度和鉆井工作量，有利于安全、快速鉆井、降低鉆井成本。

2.設計井眼軌道的原則第三章1)根據油氣田勘探開發(fā)要求，保證實現鉆井目的；2.設計井造斜點的選擇原則3.井眼軌道設計中有關因素的選擇1)造斜點的選擇在比較穩(wěn)定的地層，避免在巖石破碎帶、漏失地層2）地層可鉆性均勻，不應有硬夾層；3）要滿足采油工藝要求；4)垂深大、水平位移小的井，造斜點應深，以簡化井身結構、加快鉆速；5)垂深小、水平位移大的井，造斜點應淺，以減少定向施工的工作量；6)在井眼方位漂移地區(qū)，應使斜井段避開方位漂移大的地層。(1)第三章造斜點的選擇原則3.井眼軌道設計中有關因素的選擇1)造斜點(3)井眼曲率井眼曲率過大會給鉆井、采油和修井作業(yè)造成困難，因此，應根據具體情況，適當選擇井眼曲率。(2)最大井斜角直井在規(guī)定井斜角內；常規(guī)井和水平井交斜角小于15°時，方位不穩(wěn)定，因此，最大井斜角應大于15°。4.井眼軌道類型的選擇

設計井眼軌道時，一般選擇簡單的二維軌道。二維軌道由垂直井段、造斜井段、穩(wěn)斜井段、降斜井段組合而成，最常用的有四種類型。

第三章(3)井眼曲率井眼曲率過大會給鉆井、采油和修井作業(yè)軌道類型直井三段制五段制“S”型直井段—造斜—穩(wěn)斜特點：造斜點淺，施工簡單，在表層套管內達最大井斜角。常用于不下中間套管的單一油層的中深井，也用于水平位移大的井和水平井。直井段—造斜段—穩(wěn)斜段—增斜段—穩(wěn)斜段一般用于水平井直井段—造斜段—穩(wěn)斜段—降斜段—穩(wěn)斜段特點：造斜深度淺，造斜完成后下表層套管，穩(wěn)斜鉆進，在達到一定水平位移后降斜，在達到油層時井斜角符合要求。通常還要下一層中間套管，最后穩(wěn)斜鉆穿油層。第三章軌道類型直井三段制五段制“S”型直井段—造斜—穩(wěn)斜特點：造斜1)掌握原始資料主要是該地區(qū)的地質剖面、地表對井位的限制條件、目的層位的垂直井深和總水平位移、自然造斜規(guī)律、工具造斜能力、鉆井技術水平以及故障提示等；2)根據井眼軌道確定原則，選定一個井眼軌道類型；3)根據原始資料選定造斜點的位置，并確定造斜率和降斜率的大??；5.二維定向井井眼軌道設計方法4)確定最大井斜角；5)計算剖面上各井段的井斜角、方位角、垂直井深、水平位移；第三章1)掌握原始資料主要是該地區(qū)的地質剖面、地表對井位的限制條6)核算井眼曲率，使其滿足對它的各種限制條件，并做出井身的控制圓柱，即誤差范圍；

7)繪制井眼軌道圖，標出安全圓柱。設計實例：已知某設計井的垂深D=3000m，水平位移Sh=1500m，方位角φ=30°，造斜點垂直深度Dkop=400m，造斜率Rb1=2°/30m，降斜率Rb2=1.5°/30m，油層垂直深度De=2700m，要求穩(wěn)斜進入油層，井斜角不大于αe=8°.目前常用的設計方法查圖法作圖法解析法第三章6)核算井眼曲率，使其滿足對它的各種限制條件，并做7)繪dDShShoSheDkopR1R2DoDeabcftego2o1hijkαmαeαmαmαeo最大井斜角αm的確定:在△kjf中：第三章dDShShoSheDkopR1R2DoDeabcftego若令：She：油層內水平位移De：油層深度有:第三章若令：She：油層內水平位移有:第三章造斜率與曲率半徑的關系：計算：第三章造斜率與曲率半徑的關系：計算：第三章井段：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):Da=

Dkop=400水平位移增量ΔSh(m):ΔSha=0

水平位移Sh(m):Sh=0

段長Δl(m):

Δla=Dkop

=0井深Dw(m):Dw=Dkop

=0DShShoSheDkopR1R2DoDeabcftego2o1hijkαmαeαmαmαeo第三章井段：O—aDShShoSheDkopR1R2DoDeabc水平位移增量ΔSh(m):ΔShab=R1(1-cosαm)=206.03

水平位移Sh(m):Shb=ΔShab=

206.03

段長Δl(m):

Δlab=R1αm/57.3=607.65井深Dw(m):Dwb=Dwa+

Δlab

=1007.65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=958.31DShShoSheDkopR1R2DoDeabcftego2o1hijkαmαeαmαmαeo第三章水平位移增量ΔSh(m):井段：a—bDShShoSheD垂直井深D(m):Dc=

Db+

ΔDbc=2115.07水平位移增量ΔSh(m):ΔShbc=ΔDbctgαm=988.32

水平位移Sh(m):Shc=Shb+ΔShbc=

1194.35

段長Δl(m):Δlbc=ΔShbc/sinαm=1521.47井深Dw(m)：Dwc=Dwb+

Δlbc

=2529.12井段：b—c;最大井斜角:40.51°方位角:

30°垂直井深增量ΔD(m):

ΔDbc=De-

Dkop-ΔDab

-ΔDcd

=1156.76DShShoSheDkopR1R2DoDeabcftego2o1hijkαmαeαmαmαeo第三章垂直井深D(m):井段：b—c;最大井斜角:40.51水平位移Sh(m):Shd=Shc+ΔShcd=

1457.9

段長Δl(m):

Δlcd=R2(αm-αe

)/57.3=1521.47井深Dw(m):

Dwd=Dwc+

Δlcd

=3179.32井段：c—d最大井斜角:40.51°方位角:

30°垂直井深增量ΔD(m):

ΔDcd=R2(sinαm-sinαe)=584.93垂直井深D(m):Dd=

Dc+

ΔDcd=2700水平位移增量ΔSh(m):ΔShcd=R2(cosαe-cosαm)=263.35

DShShoSheDkopR1R2DoDeabcftego2o1hijkαmαeαmαmαeo第三章水平位移Sh(m):井段：c—d最大井斜角:40.5水平位移Sh(m):Sht=Shd+ΔShdt=

1500.06

段長Δl(m):Δldt=ΔShdt/sinαe=302.93井深Dw(m):Dwt=Dwd+

Δldt

=3482.25井段：d—t最大井斜角:8°方位角:

30°垂直井深增量ΔD(m):ΔDdt=D-De=300垂直井深D(m):Dt=Dd+ΔDdt=3000水平位移增量ΔSh(m):ΔShdt=ΔDdttgαe=42.16DShShoSheDkopR1R2DoDeabcftego2o1hijkαmαeαmαmαeo第三章水平位移Sh(m):井段：d—tDShShoSheD6.井眼軌道隨鉆修正設計7.井眼軌道繞障或防碰設計8.叢式井總體設計的原則(1)叢式井位置、數量和井數的確定(2)防止井眼相碰

防止井眼相碰是叢式井設計和施工的關鍵。為此，我們應該注意下述幾個方面。1)井網類型。2)井眼軌道設計。3)井口布置第三章6.井眼軌道隨鉆修正設計防止井眼相碰是叢4)造斜點位置5)造斜率與最大井斜角6)鉆井次序7)控制安全圓柱8)提高測斜儀器的精度9)使用電子計算機繪制井眼防碰圖第三章4)造斜點位置第三章第二節(jié)鉆柱及下部鉆具組合設計

鉆柱的主要作用有:1)

提供鉆機到鉆頭的鉆井液通道,即輸送鉆井液；2)把地面動力傳遞給鉆頭并給鉆頭加壓,使鉆頭破碎巖石；3)起下鉆頭；鉆柱：是指自方鉆桿至鉆頭以上的鉆具管串的總稱。鉆柱由方鉆桿、鉆桿、鉆鋌、接頭和穩(wěn)定器等鉆具組成。在鉆井過程中，通過鉆柱把鉆頭和地面連接起來。第三章第二節(jié)鉆柱及下部鉆具組合設計鉆柱的主要作用有:4)

通過鉆柱可以了解鉆頭工作情況、井眼狀況及地層情況等；5)進行取心、處理井下事故與復雜情況、打撈；6)對地層流體及壓力狀況等進行測試與評價。一、

常用鉆井工具鉆具是鉆井工具的簡稱,常用鉆具包括鉆頭、鉆鋌、穩(wěn)定器、減振器、震擊器、加重鉆桿、鉆桿、方鉆桿、井底馬達和連續(xù)導向動力鉆具組合等。二、鉆柱的工作狀態(tài)及受力分析1、鉆柱的工作狀態(tài)

起下鉆:鉆柱不接觸井底，鉆柱處于懸持狀態(tài)，在自重第三章4)通過鉆柱可以了解鉆頭工作情況、井眼狀況及地層情況等；正常鉆進：部分鉆柱的重量作為鉆壓施加在鉆頭上，使得下部鉆柱受壓縮。在鉆壓小和直井條件下，鉆柱也是直的，而當壓力達到某一臨界值時，下部鉆柱將失去直線穩(wěn)定狀態(tài)，發(fā)生彎曲，并在某一點與井壁接觸，稱為鉆柱的第一次彎曲；如果繼續(xù)加大鉆壓則彎曲形狀改變，切點下移，當鉆壓增大到新的臨界值時，鉆柱彎曲出現第二個半波，著是鉆柱的第二次彎曲。如果繼續(xù)增大鉆壓，則會出現第三次彎曲。正常鉆進過程中，鉆柱處于不停的旋轉狀態(tài)，鉆柱旋轉運動的可能形式：自轉、公轉、公轉+自轉、不規(guī)則運動作用下，鉆柱處于受拉伸的直線穩(wěn)定狀態(tài)。第三章正常鉆進：部分鉆柱的重量作為鉆壓施加在鉆頭2、鉆柱的受力分析及計算不同的工作條件、不同部位，鉆柱受載荷不同：拉、壓扭矩彎矩內外壓力1）軸向載荷包括穩(wěn)態(tài)載荷和動態(tài)載荷，一般除振動嚴重外，忽略動態(tài)。第三章2、鉆柱的受力分析及計算不同的工作條件、不鉆柱軸向載荷鉆柱重量鉆井液浮力鉆壓與井壁摩擦第三章鉆柱軸向載荷鉆柱重量第三章拉力0壓力（-）（+）N（A）拉力0壓力（-）（+）NZ（B）拉力0壓力（-）（+）NW（C）拉力0壓力（-）（+）NZW（D）中和點：軸向應力線與靜液柱壓力的交點。此點的靜液柱壓力等于鉆柱中壓縮應力。中和點位置可以由鉆壓W除以單位長度浮重來確定。第三章拉力0壓力（-）（+）N（A）拉力0壓力（-）（+）NZ（B鉆進過程中鉆柱軸向載荷：Wpt為任意截面處軸向載荷；Wp為該截面以下鉆柱在空氣中的重量。若設分析截面距井底長度為L，則對于井口處：鉆柱的平均應力：第三章鉆進過程中鉆柱軸向載荷：Wpt為任意截面處2）扭矩轉盤鉆進時，鉆柱扭矩在井口處最大，鉆頭處最小。采用井下動力鉆具時，鉆頭施加給鉆柱反扭矩，扭矩在鉆頭處最大，井口處最小。

當能夠確定某一截面的鉆柱承受的扭矩時，可以計算該截面上鉆柱由于承受扭矩而產生的剪切應力

轉盤鉆進時，鉆柱所受的扭矩取決于轉盤傳給鉆柱的功率第三章2）扭矩轉盤鉆進時，鉆柱扭矩在井口處最大，鉆正常鉆進時，N的大小與鉆頭類型及直徑、巖石性質、鉆柱尺寸、鉆壓、轉速、鉆井液性能及井眼質量的功能因素有關，可以用經驗公式確定。式中：N空轉鉆柱空轉功率，kW；ρd鉆井液密度，N/m3；de鉆柱外徑，cm；L鉆柱長度，m；n轉速，r/min。刮刀鉆頭鉆進：W鉆壓，N；Db鉆頭直徑，cm。第三章正常鉆進時，N的大小與鉆頭類型及直徑、巖石性牙輪鉆頭鉆進：C為經驗系數，與巖性、鉆井液性質、井眼清潔程度、鉆頭磨損等有關。一般?。?.35~0.6。若鉆頭或鉆柱突然被卡，旋轉鉆柱的動能可能全部轉變?yōu)樽冃挝荒?，引起瞬時扭矩，產生很大的扭矩和剪應力旋轉動能第三章牙輪鉆頭鉆進：C為經驗系數，與巖性、鉆井液性變形位能：最大扭矩：3）鉆柱彎矩被卡時：

直井中鉆柱上部彎矩是由離心力引起的，鉆柱下部則是由鉆柱受壓彎曲和離心力共同作用引起的，一般下部彎曲應力大。第三章變形位能：最大扭矩：3）鉆柱彎矩被卡時：直井在彎曲井眼中，鉆柱被約束，受到彎矩的作用。彎曲狀態(tài)下，鉆柱自轉，產生交變彎曲應力。4)內外壓力內外壓力作用下產生徑向應力和周向應力第三章在彎曲井眼中，鉆柱被約束，受到彎矩的作用。彎5）其它力的作用離心力縱向振動橫向振動動載鉆柱與井壁的正壓力和摩擦力3.鉆柱強度及穩(wěn)定性校核1）強度校核鉆柱所受的四種主要載荷：第三章5）其它力的作用離心力3.鉆柱強度及穩(wěn)定性校核1）強度校核最大應力應滿足：2)穩(wěn)定性校核

無論是直井還是定向井，當鉆柱所受的軸向壓力小于一定值時，鉆柱為直線穩(wěn)定狀態(tài)；當軸向壓力大于一定值時，鉆柱就發(fā)生正弦屈曲；當軸向力繼續(xù)增大時，鉆柱就會發(fā)生螺旋屈曲。鉆柱屈曲后，鉆柱與井壁的壓力、摩擦力急劇增加，鉆柱應力增大。鉆柱失穩(wěn)及形式可用下列式子計算分析。第三章最大應力應滿足：2)穩(wěn)定性校核無論是直井還是未失穩(wěn)正弦屈曲螺旋屈曲第三章未失穩(wěn)正弦屈曲螺旋屈曲第三章4、鉆柱的破壞1）鉆柱的物理機械性能

(1)鉆柱的材質鉆柱的各個組成部分均由優(yōu)質合金鋼或優(yōu)質鋁合金制造。在API標準中，規(guī)定鉆桿的鋼級有D級、E級、95（X）級、105（G）級和135（S）級共五種。其中X級、G級和S級鉆桿為高強度鉆桿；鉆鋌和方鉆桿的鋼級為AISI4145和AISI4150，其機械物理性能見有關手冊或API公報。(2)鉆柱的物理機械性能鉆桿的強度數據主要包括鉆桿外徑、壁厚、名義重量、材質、扭力屈服強度、按最小屈服強度計算的最小抗第三章4、鉆柱的破壞1）鉆柱的物理機械性能(1)鉆柱的材質第

統(tǒng)計資料說明，絕大多數鉆柱的損壞有下述幾種情況：（1）鉆柱的疲勞破壞疲勞破壞有三種形式：純疲勞、傷痕疲勞和腐蝕疲勞。（2）鉆桿的氫脆破壞

2）鉆柱的破壞拉力、最小抗擠壓力、抗內壓力等；鉆鋌規(guī)范數據主要包括外徑、內徑、長度、質量、緊扣扭矩等。具體數據請查閱有關冊或API公報。第三章統(tǒng)計資料說明，絕大多數鉆柱的損壞有下述幾種情況5、鉆柱組合設計設計內容鉆鋌的確定內、外徑，內小、外大，受井徑限制、鉆井液流動限制，長度滿足鉆壓要求。強度足夠，鉆進不斷，盡量保證鉆井液正常循環(huán)減少能量損耗。鉆桿的確定鉆鋌的安放位置井斜?。禾峁┿@壓的鉆鋌安放在鉆具下部，鉆具上部采用鐘擺、塔式、滿眼結構。鉆井斜大或水平井：鉆鋌放在井斜較小的井段，大斜度井段或水平井段則在承壓鉆桿與下部鉆具連接。第三章5、鉆柱組合設計設計內容鉆鋌的確定內、外徑，內小、外大，受井6、下部鉆具組合設計方法1）設計原則下部鉆具組合設計的原則是:a.有效地鉆出設計的井眼軌道；b.鉆頭、馬達和測量系統(tǒng)工作穩(wěn)定性高，能加較大鉆壓，有利于提高鉆速；c.具有較高的強度和壽命；

d.便于安裝和起下。鉆井中常用的鉆具組合中包括穩(wěn)斜鉆具、降斜鉆具、防斜鉆具、造斜鉆具、增斜鉆具、幾何導向鉆井系統(tǒng)和地質導向鉆井系統(tǒng)等。下部鉆具結構如圖3-6所示。第三章6、下部鉆具組合設計方法1）設計原則鉆2）穩(wěn)斜鉆具

保持井斜角和方位角不變。穩(wěn)斜鉆具是采用剛性滿眼鉆具結構，通過增大下部鉆具組合的剛性，控制下部鉆具組合在外力作用下的變形達到穩(wěn)定井斜和方位的效果。

常用組合：鉆頭+近鉆頭穩(wěn)定器+短鉆鋌=穩(wěn)定器+單根鉆鋌+穩(wěn)定器+鉆鋌+鉆桿3）降斜鉆具和防斜鉆具

降斜鉆具用于定向井中降低井眼軌道的井斜角。防斜鉆具用于直井中抑制和防止井斜的產生。降斜鉆具一般采用鐘擺鉆具組合，利用鉆具自身的重力產生的鐘擺力實現降斜。根據設計井眼軌道要求的井斜角大小，設計鉆頭與穩(wěn)定器之間的距離，便可以改變鐘擺力的大小。第三章2）穩(wěn)斜鉆具3）降斜鉆具和防斜鉆具第三章4）造斜鉆具和增斜鉆具造斜鉆具用于從直井段沿一定方位鉆出斜井段。增斜鉆具用于增加井段待鉆部分的井斜角。常用的造斜鉆具組合為：彎接頭+井下動力鉆具、各種彎外殼井下動力鉆具（包括導向鉆井系統(tǒng)）。所有的造斜鉆具都可作為增斜鉆具使用。普通的增斜鉆具指轉盤鉆增斜鉆具。它是利用杠桿原理設計的，一般采用雙穩(wěn)定器或三穩(wěn)定器鉆具組合。它有一個近鉆頭足尺寸穩(wěn)定器為支點，第二個穩(wěn)定器與鉆頭之間的距離應根據兩穩(wěn)定器之間鉆鋌的剛性和要求的增斜率大小而定，一般距離較長。第三章4）造斜鉆具和增斜鉆具第三章

5）幾何導向鉆井系統(tǒng)幾何導向鉆井系統(tǒng)由鉆頭、導向馬達、無線隨鉆測斜儀和地面計算機系統(tǒng)組成。它的主要特點為不需要起下鉆就可以連續(xù)地完成造斜、增斜、降斜、扭方位、穩(wěn)斜鉆進，有利于提高鉆進速度和控制井眼軌道沿設計軌道鉆進。6）地質導向鉆井系統(tǒng)地質導向鉆井系統(tǒng)由鉆頭、導向馬達、無線隨鉆測井儀、無線隨鉆測斜儀和地面計算機系統(tǒng)組成。它的主要特點為為不需要起下鉆就可以連續(xù)地完成造斜、增斜、降斜、扭方位、穩(wěn)斜鉆進，有利于提高鉆進速度和控制井眼軌道，并且可以隨時測得地層參數，以便及時休修改地質設計和井眼軌道。第三章5）幾何導向鉆井系統(tǒng)6）地質導向鉆井系統(tǒng)第三章第三節(jié)井眼軌道控制理論與技術

井眼軌道控制是鉆井工作中的一項重要工作。在石油開發(fā)的早期，對井眼軌道控制并不嚴格。本世紀20年代末期，人們發(fā)現了鉆井過程中井眼彎曲問題并認識到要鉆絕對直的井是不可能的，并逐漸認識到了井斜的危害。40年代末至50年代初期，防斜成為鉆井技術領域所關注的問題。后來，利用井斜鉆成了定向井、水平井和叢式井解決了許多油田開發(fā)中的難題并取得了良好的經濟效益。從防斜打直、造斜、增斜、穩(wěn)斜到降斜，井眼軌道控制研究取得了一系列重要成果。

第三章第三節(jié)井眼軌道控制理論與技術井眼軌道操作原因：下部鉆具的工作狀態(tài)對井斜影響很大，當下部鉆具受壓產生彎曲就會使鉆頭偏斜導致井斜。井斜原因地質條件：技術原因：由于所鉆地層的傾角和非均質性使鉆頭受力不平衡。即使有性能良好的防斜鉆具，也會因操作不當而造成井斜。一、直井井斜及控制第三章操作原因：下部鉆具的工作狀態(tài)對井斜影響很大，當下部鉆具受壓產1、地質條件地層傾角、層狀地層、各向異性、巖性軟—硬交錯、斷層

最主要的作用是地層傾角，其它諸因素對井斜的作用都與地層傾角緊密相關。當地層傾角小于45°時,井眼一般沿上傾方向偏斜；當地層傾角大于60°時，井眼將順著地層面下滑發(fā)生偏斜；在45°~60°之間不穩(wěn)定。第三章1、地質條件地層傾角、層狀地層、各向異性、巖性軟—硬交錯、

鉆頭在傾斜的層狀地層中鉆進時，當鉆至每個層面交界處時，此處巖層不能長時間支持所加鉆壓而趨向沿垂直層面發(fā)生破碎。在井眼上傾一側的小斜臺很容易鉆掉。相反，在井眼下傾一側卻留有一個小斜臺；它就像小變向器作用一樣，對鉆頭施加一個橫向力，把鉆頭推向上傾一側，從而引起井斜。逐層鉆進時，斜臺大，井斜增長快。所以：地層傾角大，成層性越強，鉆壓越大，井斜越大。1)層狀地層對井斜的影響第三章鉆頭在傾斜的層狀地層中鉆進時，當鉆至2）地層各向異性對井斜的影響

由于巖層的成層狀況、層理、節(jié)理、紋理以及巖石的成分、結構、膠結物、顆粒大小等因素造成巖層在不同方向上的強度不同，一般來說垂直地層層面的強度較小，鉆進時鉆頭將沿著這個破碎阻力最小的方向傾斜。第三章2）地層各向異性對井斜的影響由于巖層的成層狀AB軟硬3）巖性交錯變化對井斜的影響（1）鉆頭從軟地層進入硬地層時

鉆頭在上傾側先接觸到硬巖石，在下傾側仍為軟巖石。這樣在鉆壓作用下，由于上傾側巖石的硬度大，可鉆性差，鉆頭吃入地層少，鉆速慢，而在下傾側，可鉆性好，吃入地層多，鉆速快，因此，井眼向上傾側偏斜。此外，鉆頭兩側受力不均勻，上傾側井底反力的合力比下傾側大。將產生彎矩扭轉鉆鉆頭，使其向上傾方向傾斜。第三章AB軟硬3）巖性交錯變化對井斜的影響（1）鉆頭從軟地層進入AB軟硬（2）鉆頭由硬地層進入軟地層時開始時由于鉆頭在軟地層一側吃入多，鉆速卡，而在硬地層一側吃入少，鉆速慢，井眼有向地層下傾方向傾斜的趨勢。但當鉆頭快鉆出硬地層時，此處巖石不能再支撐鉆頭的中負荷，巖石將沿著垂直于層面方向發(fā)生破碎，在硬地層一側留下一個臺肩，迫使鉆頭回到上傾方向。第三章AB軟硬（2）鉆頭由硬地層進入軟地層時第三章

上述分析說明，地質條件對井斜角的影響，主要是通過地層作用于鉆頭一個橫向造斜力，使鉆頭偏離原井眼軸線，且一般情況下是使井眼向上傾方向發(fā)生偏斜?？梢酝瞥鲈摰貙釉煨绷Γ河懻摚旱谌律鲜龇治稣f明，地質條件對井斜角的影響，主2、下部鉆柱彎曲對井斜的影響

由于鉆柱時穩(wěn)而發(fā)生彎曲，鉆頭及相鄰連接部分鉆柱的中心軸線偏離井眼軸線，從而使鉆頭偏離一角度β（稱為鉆頭傾角）。鉆頭槍械后對井底形成了不對稱切削，這是產生井斜的重要因素。β顯然：β越大，井斜越大。討論：1）鉆壓下于發(fā)生彎曲的臨界鉆壓時，鉆柱是直的，鉆鋌無傾斜現象；當鉆壓達到彎曲臨界鉆壓時，鉆柱發(fā)生彎曲，產生鉆頭傾角。如果鉆壓繼續(xù)增大、則切點下降，鉆頭傾角也越大。第三章2、下部鉆柱彎曲對井斜的影響由于鉆柱時穩(wěn)而發(fā)2）鉆頭直徑一定，井徑越大，鉆柱越細、則鉆鋌與井眼的間隙越大，因而鉆頭的傾角越大、井越容易鉆斜。所以從防斜角度，應選用直徑大、剛性大的鉆鋌，并盡量減小下部鉆柱與井眼的間隙，以減少鉆頭傾角。二、斜井內鉆柱的受力分析斜井井眼的斜度是增大還是減小或是保持某個平衡角度，取決于鉆頭的受力情況。假設：（1）鉆頭可以象球窩一樣自由轉動，但其橫向運動受到約束。第三章2）鉆頭直徑一定，井徑越大，鉆柱越細、則鉆鋌與井眼的間隙越大（2）鉆鋌穩(wěn)定地靠在井的低邊。（3）鉆頭由于受力情況不同，可自由地向任一方向切割。βWαTFfFiWpFd鉆壓鐘擺力地層造斜力作用在鉆頭上的力第三章（2）鉆鋌穩(wěn)定地靠在井的低邊。βWαTFfFiWpFd鉆壓作1、鉆壓

由于鉆柱彎曲，鉆壓不是沿著井眼軸線方向施加給鉆頭，而是偏離一個角度β。因此鉆壓可分解為與井眼軸線相平行的力Wo和與井眼相垂直的力Fi使鉆頭偏離井眼，造成井斜，為增斜力沿井眼軸向繼續(xù)鉆進，對井斜無影響2、鐘擺力

井內切點以下的重量Wp勢必在垂直于井壁方向產生一個分力。此力與鐘擺作用相似，將驅使鉆頭破碎井眼低側巖石，使井眼恢復垂直狀態(tài)，所以，為一減斜力。第三章1、鉆壓由于鉆柱彎曲，鉆壓不是沿著井眼3、地層造斜力

Ff取決于地層傾角和各向異性等因素，多數情況下增斜，也可以降斜（水平井）。鉆頭上作用的力：造斜力降斜力第三章3、地層造斜力Ff取決于地層傾角和各向異性討論：（1）當F1=Fd時，平衡，保持原井斜角α；（2）當F1>Fd時，α增大，此時，Fd也增大，達到一個新的大于平衡井斜角；（3）當F1<Fd時，α減小，達到一個小于的新平衡角。在直井防斜方面提出了：鐘擺鉆具偏重鉆鋌剛性滿眼鉆具各向異性地層中的平衡角數值主要取決于三個因素：鉆壓、鉆鋌尺寸和井眼尺寸。第三章討論：在直井防斜方面提出了：鐘擺鉆具偏重鉆鋌剛性滿眼鉆具三、定向井眼軌道控制理論與技術

造成井斜的原因是多方面的，如地質條件、鉆具結構、鉆井技術措施以及設備安裝質量等。但歸納起來，主要有兩方面原因：一是鉆頭與巖石的相互作用方面的原因，即由于所鉆地層的傾斜、各向異性和非均質性使井眼軌道發(fā)生彎曲；二是鉆柱力學方面的原因，即下部鉆具受壓發(fā)生彎曲變形使鉆頭偏斜和在鉆頭上產生側向力使井眼軌道發(fā)生彎曲。第三章三、定向井眼軌道控制理論與技術造成1.下部鉆具力學分析

(2)井斜角的影響

鉆具的橫向分布載荷是由于重力和井斜而產生的。當下部鉆具組合選定后,橫向分布載荷大小取決于井斜角的大小,同時軸向載荷密度也隨井斜角而變化。因此,鉆頭與地層的作用力必然與井斜角有密切的關系。降斜鉆具的降斜力隨井斜角的增大而增大;增斜鉆具、單彎導向鉆具、反向雙彎鉆具的增井斜力隨井斜角的增大而增(1)鉆壓的影響鉆壓是影響鉆頭與地層作用力的重要參數之一,而且是一個可以人為控制的鉆井參數,研究它的影響規(guī)律,對于井眼軌道的預測和控制是十分必要的。多數情況下,增井斜力隨鉆壓增加微增。第三章1.下部鉆具力學分析(2)井斜角的影響

(1)鉆壓的大,其中以增斜鉆具組合最為明顯。井斜角對穩(wěn)斜鉆具的增斜特性無明顯作用。

(3)井眼曲率的影響各種鉆具組合均具有抗彎剛度,當它們受到井眼彎曲作用時,必然出現自身的反抗效應。井眼曲率對鉆頭與地層的作用力影響很大,增斜力隨井眼造斜率的增加迅速線性下降，其中穩(wěn)斜、增斜和導向鉆具斜率最大,降斜鉆具斜率較小。某一曲率下的增斜鉆具在另一曲率下可能產生降斜力,反之亦然;某一曲率下的增方位鉆具在另一曲率下,可能產生降方位力,反之亦然。第三章大,其中以增斜鉆具組合最為明顯。井斜角對穩(wěn)斜鉆具的增斜特性

(5)井徑擴大或穩(wěn)定器偏心的影響下部鉆具組合的變形，一直受到井眼幾何形狀的嚴格約束。當遇到井徑擴大或采用偏心穩(wěn)定器導向鉆井系統(tǒng)時，井眼對鉆具的約束條件就發(fā)生了變化，從而影響到鉆柱的變形和受力狀態(tài)。井徑擴大或穩(wěn)定器偏心對不同鉆具的力學特性影響不同。對圖3-7中(b)、(c)、(d)、(e)具有近鉆頭穩(wěn)定器的鉆具影響很大，而對圖3-7中(a)穩(wěn)定器距鉆頭很遠的鉆具影響很小。其規(guī)律是井徑擴大或穩(wěn)定器(4)主法線方向的影響井眼的主法線方向即井眼的彎曲方向(類似于裝置角,增斜井眼主法線方向角為零,順時針方向為正)對增井斜力和增方位力有很大影響。第三章(5)井徑擴大或穩(wěn)定器偏心的影響偏心(偏心穩(wěn)定器窄邊向下)導致增井斜力減小、降斜力增加；井徑擴大或穩(wěn)定器偏心使方位力有所增加，但數值很小。對于多穩(wěn)定器鉆具組合，近鉆頭穩(wěn)定器與井壁的間隙對鉆頭側向力影響最大，離鉆頭越遠的穩(wěn)定器的間隙對鉆頭側向力的影響越小。第三章偏心(偏心穩(wěn)定器窄邊向下)導致增井斜力減小、降斜力增加；(7)穩(wěn)定器安放位置的影響穩(wěn)定器安放位置對鉆具的力學特性影響是很大的。所謂的”鐘擺作用”、“杠桿作用”和“滿眼穩(wěn)斜作用”等主要取決于穩(wěn)定器安放位置。當第一個穩(wěn)定器距鉆頭足夠遠時，上述鉆具都具有降斜作用；當第一個穩(wěn)定器距鉆頭較近時，在同一條件下，不同鉆具產生不同的鉆頭側向力，即使同一鉆具，在不同條件下鉆頭側向力也不同。(6)鉆井液密度的影響下部鉆具組合在充滿鉆井液的井眼里工作，必然受到浮力的作用，但鉆井液密度對鉆頭側向力的影響較小。第三章(7)穩(wěn)定器安放位置的影響(6)鉆井液密度的影響第三(8)導向鉆具彎角位置的影響向鉆具彎角的位置是導向鉆具重要的結構參數之一。隨著第一彎角到近鉆頭穩(wěn)定器距離的增加，兩種導向鉆具的增井斜力都迅速直線下降；隨著彎角間距的增加,鉆具的增井斜力直線增加。(9)導向鉆具彎角大小的影響導向鉆具彎角大小是導向鉆具重要的結構參數之一。導向鉆具的增井斜力隨第一彎角的增加而迅速線性增加，隨第二彎角的增加而迅速線性減小。(10)導向鉆具彎角裝置角的影響彎角的裝置角是導向鉆具的重要結構參數之一。鉆具的增井斜力與裝置角有關系。隨著兩穩(wěn)定器間距的增長，增井斜力增加，但增長到一定值時，反而降低。第三章(8)導向鉆具彎角位置的影響隨著兩穩(wěn)定器間距的增長，增井第三章井眼軌道設計與控制井眼軌道

直井：設計井眼軸線為一鉛垂線，其井斜角、井底水平位移和全角變化率均在限定范圍。定向井：沿著預先設計的井眼軌道，按既定方向偏離井口垂線一定距離，鉆達一定目標的井。第三章第三章井眼軌道設計與控制井眼軌道直井：設計井眼軸線為定向井普通定向井：一個井場內僅有1口最大井斜角小于60°的定向井。斜直井：用斜直鉆機或斜井架完成，自井口開始井眼軌道一直是一段斜井段的定向井。大斜度井：最大井斜角在60°~80°范圍內的定向井水平井：最大井斜角大于或等于86°，并保持這種井斜角鉆完一定長度段的井。

長曲率半徑：6°/30m中曲率半徑：6°~20°/30m水平井中短曲率半徑：1°~20°/30m短曲率半徑：1°~10°/m

徑向水平井：k=∝

叢式井：在一個井場內有計劃地鉆出兩口或兩口以上的定向井組，其中可含1口直井。多底井（分支井）：一個井口下面有兩個或兩個以上井底的定向井。第三章定向井普通定向井：一個井場內僅有1口最大井斜角小于60°的定第一節(jié)井眼軌道設計的原則和方法一、基本概念1.井眼軌道的基本要素井眼軌道：表示井眼軸線形狀的圖形。其它基本要素如下圖所示：第三章第一節(jié)井眼軌道設計的原則和方法一、基本概念其它基本要素如井深DＷ：轉盤補心到井底的深度。測深Ｄm：某測點到轉盤補心的井眼軸線實際長度。垂深Ｄ：井眼軸線上某測點至井口轉盤所在平面的垂直距離。井斜角αi：軸線切向方向與垂線的夾角。方位角ψ：正北順時針轉至軸線上某點切線在水平面的投影的夾角。井眼曲率Rh：單位長度井段井眼軸線的切線所轉過的角度。井斜變化率Rn：單位長度井段井斜角變化值。方位變化率Ri：單位長度井段方位角變化值。井底閉合方位角Ψh

：從正北方向順時針轉至井口與井底的水平投影連線的夾角。井底水平位移Sh：井口與井底兩點在水平投影面上的直線距離。第三章井深DＷ：轉盤補心到井底的深度。測深Ｄm：某測點到轉盤補直井段造斜點增斜段最大井斜角αmax

降斜段直井段斜井深水平位移1)直井段:設計井斜角為零度的井段。2)造斜點（Ｄｋｏｐ）:開始定向造斜的位置稱為造斜點。通常以該點的井深來表示。3)造斜率（Ｒｂ）:造斜工具的造斜能力,即該造斜工具所鉆出的井段的井眼曲率。4)造(增)斜段:井斜角隨井深增加的井段。2.井身剖面井身在垂直平面內的投影第三章直井段造斜點增斜段最大井斜角αmax降斜段直井段斜井深水平

9)靶心距（ｓｔ）:在靶區(qū)平面上,實鉆井眼軸線與目標點之間的距離。6)降斜段:井斜角隨著井深的增加而減小的井段。5)穩(wěn)斜段:井斜角保持不變的井段。7)目標點:設計規(guī)定的、必須鉆達的地層位置，通常以地面井口為坐標原點的空間坐標系的坐標值來表示。8)靶區(qū)及靶區(qū)半徑（ｒｔ）:包含目標點在內的一個區(qū)域稱為靶區(qū)。在大斜度井和水平井中，靶區(qū)為包含設計井眼軌道的一個柱狀體。第三章9)靶心距（ｓｔ）:在靶區(qū)平面上,實鉆井眼軸線與目標點

1)工具彎角（θｂ）:在造斜鉆具組合中,拐彎處上下兩段的軸線間的夾角。2)工具面:在造斜鉆具組合中,由彎曲工具的兩個軸線所決定的平面。

3)反扭角（βｒ）:在使用井下動力鉆具進行定向造斜或扭方位時,動力鉆具啟動前的工具面與啟動后且加壓鉆進時的工具面之間的夾角。反扭角總是使工具面逆時針轉動。3.井眼軌道水平投影第三章1)工具彎角（θｂ）:在造斜鉆具組合中,拐彎處上5)工具面角（βｔ）：造斜工具下到井底以后，工具面所在的角度。它有兩種表示方法：高邊工具面角和磁工具面角。高邊工具面角是以高邊方向線為始邊，順時針轉到工具面與井底圓平面的交線所轉過的角度；磁工具面角為以正北方向線為始邊，順時針轉到工具面與井底圓平面的交線在水平面上的投影線所轉過的角度。4)高邊：定向井的井底是個呈傾斜狀態(tài)的圓平面，稱為井底圓；井底圓上的最高點稱為高邊；從井底圓心至高邊之間的連線所指的方向稱為高邊方向；從正北方向線順時針轉至高邊方向在水平面上的投影所轉過的角度稱為高邊方位角。第三章5)工具面角（βｔ）：造斜工具下到井底以后，6)裝置角（β）:在啟動鉆具后且加壓鉆進時,工具面所處的角度，與工具面角一樣，既可用高邊工具面表示，也可用磁工具面表示。7)安置角（βｓ）：在啟動鉆具前,工具面所處的角度。與工具面角一樣，既可用高邊工具面表示，也可用磁工具面表示。8)安全控制圓錐（柱）:以設計井眼軸線為中心所限定的圓錐（柱）空間。9)誤差橢球:由測量和計算誤差引起的井底位置不確定性所構成的以井底為中心的橢球體。第三章6)裝置角（β）:在啟動鉆具后且加壓鉆進時,工具面井眼曲率的計算1）簡單表示法方位角不變的井眼軸線此時：若AB弧有均勻曲率，則根據定義：第三章井眼曲率的計算1）簡單表示法方位角不變的井眼軸線若AB弧有均對于空間井眼軸線，可以用兩個平面來表示垂直：水平：第三章對于空間井眼軸線，可以用兩個平面來表示垂直：水平：第三章空間曲率的計算設有一空間曲線L，L上點A的定向要素為：DA、EA、NA、αA、φA、ShA；井深增加到B點，設AB弧第三章空間曲率的計算設有一空間曲線L，L上點A的定向要與整個井眼相比為小量，其長設為dl，B點的定向要素為φA+dφ。連接AB兩點，AB線段水平投影為AˊBˊ線段長=dl。DA+dD、EA+dE、NA+dN、αA+dα、ShA+dShA、線段?？梢越频卣J為：AB弧長=AB在垂直投影面中：αA、αA+dα在平面AAˊB內，令∠AAˊB=α，則第三章與整個井眼相比為小量，其長設為dl，B點的定向要素為φA+水平投影面中：水平投影面中：第三章水平投影面中：水平投影面中：第三章由于：則：坐標參數與基本參數間的關系：第三章由于：則：坐標參數與基本參數間的關系：第三章Rn、Ri對Rh都有影響。第三章Rn、Ri對Rh都有影響。第三章四、井眼軌道設計的原則和方法

井眼軌道的類型二維井眼軌道三維井眼軌道

設計井眼軸線僅在設計方位線所在鉛垂平面上變化的井眼軌道。

二維井眼軌道由垂直井段、增斜井段、穩(wěn)斜井段和降斜井段組合而成。

在設計井眼軸線上，既有江斜角變化又有方位角變化的井眼軌道。三維井眼軌道設計用于繞障井和現場待鉆修正井眼軌道設計。1.井眼軌道的類型第三章四、井眼軌道設計的原則和方法井眼軌道的類型二維井眼軌道三維1)根據油氣田勘探開發(fā)要求，保證實現鉆井目的；2)根據油氣田的構造特征、油氣產狀，有利于提高油氣產量和采收率，改善投資效益；3)在選擇造斜點、井眼曲率、最大井斜角等參數時，有利于鉆井、采油和修井作業(yè)；4)

在滿足鉆井目的的前提下，應盡可能選擇比較簡單的剖面類型，力求使設計的斜井深最短，以減小井眼軌道控制的難度和鉆井工作量，有利于安全、快速鉆井、降低鉆井成本。

2.設計井眼軌道的原則第三章1)根據油氣田勘探開發(fā)要求，保證實現鉆井目的；2.設計井造斜點的選擇原則3.井眼軌道設計中有關因素的選擇1)造斜點的選擇在比較穩(wěn)定的地層，避免在巖石破碎帶、漏失地層2）地層可鉆性均勻，不應有硬夾層；3）要滿足采油工藝要求；4)垂深大、水平位移小的井，造斜點應深，以簡化井身結構、加快鉆速；5)垂深小、水平位移大的井，造斜點應淺，以減少定向施工的工作量；6)在井眼方位漂移地區(qū)，應使斜井段避開方位漂移大的地層。(1)第三章造斜點的選擇原則3.井眼軌道設計中有關因素的選擇1)造斜點(3)井眼曲率井眼曲率過大會給鉆井、采油和修井作業(yè)造成困難，因此，應根據具體情況，適當選擇井眼曲率。(2)最大井斜角直井在規(guī)定井斜角內；常規(guī)井和水平井交斜角小于15°時，方位不穩(wěn)定，因此，最大井斜角應大于15°。4.井眼軌道類型的選擇

設計井眼軌道時，一般選擇簡單的二維軌道。二維軌道由垂直井段、造斜井段、穩(wěn)斜井段、降斜井段組合而成，最常用的有四種類型。

第三章(3)井眼曲率井眼曲率過大會給鉆井、采油和修井作業(yè)軌道類型直井三段制五段制“S”型直井段—造斜—穩(wěn)斜特點：造斜點淺，施工簡單，在表層套管內達最大井斜角。常用于不下中間套管的單一油層的中深井，也用于水平位移大的井和水平井。直井段—造斜段—穩(wěn)斜段—增斜段—穩(wěn)斜段一般用于水平井直井段—造斜段—穩(wěn)斜段—降斜段—穩(wěn)斜段特點：造斜深度淺，造斜完成后下表層套管，穩(wěn)斜鉆進，在達到一定水平位移后降斜，在達到油層時井斜角符合要求。通常還要下一層中間套管，最后穩(wěn)斜鉆穿油層。第三章軌道類型直井三段制五段制“S”型直井段—造斜—穩(wěn)斜特點：造斜1)掌握原始資料主要是該地區(qū)的地質剖面、地表對井位的限制條件、目的層位的垂直井深和總水平位移、自然造斜規(guī)律、工具造斜能力、鉆井技術水平以及故障提示等；2)根據井眼軌道確定原則，選定一個井眼軌道類型；3)根據原始資料選定造斜點的位置，并確定造斜率和降斜率的大??；5.二維定向井井眼軌道設計方法4)確定最大井斜角；5)計算剖面上各井段的井斜角、方位角、垂直井深、水平位移；第三章1)掌握原始資料主要是該地區(qū)的地質剖面、地表對井位的限制條6)核算井眼曲率，使其滿足對它的各種限制條件，并做出井身的控制圓柱，即誤差范圍；

7)繪制井眼軌道圖，標出安全圓柱。設計實例：已知某設計井的垂深D=3000m，水平位移Sh=1500m，方位角φ=30°，造斜點垂直深度Dkop=400m，造斜率Rb1=2°/30m，降斜率Rb2=1.5°/30m，油層垂直深度De=2700m，要求穩(wěn)斜進入油層，井斜角不大于αe=8°.目前常用的設計方法查圖法作圖法解析法第三章6)核算井眼曲率，使其滿足對它的各種限制條件，并做7)繪dDShShoSheDkopR1R2DoDeabcftego2o1hijkαmαeαmαmαeo最大井斜角αm的確定:在△kjf中：第三章dDShShoSheDkopR1R2DoDeabcftego若令：She：油層內水平位移De：油層深度有:第三章若令：She：油層內水平位移有:第三章造斜率與曲率半徑的關系：計算：第三章造斜率與曲率半徑的關系：計算：第三章井段：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):Da=

Dkop=400水平位移增量ΔSh(m):ΔSha=0

水平位移Sh(m):Sh=0

段長Δl(m):

Δla=Dkop

=0井深Dw(m):Dw=Dkop

=0DShShoSheDkopR1R2DoDeabcftego2o1hijkαmαeαmαmαeo第三章井段：O—aDShShoSheDkopR1R2DoDeabc水平位移增量ΔSh(m):ΔShab=R1(1-cosαm)=206.03

水平位移Sh(m):Shb=ΔShab=

206.03

段長Δl(m):

Δlab=R1αm/57.3=607.65井深Dw(m):Dwb=Dwa+

Δlab

=1007.65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=958.31DShShoSheDkopR1R2DoDeabcftego2o1hijkαmαeαmαmαeo第三章水平位移增量ΔSh(m):井段：a—bDShShoSheD垂直井深D(m):Dc=

Db+

ΔDbc=2115.07水平位移增量ΔSh(m):ΔShbc=ΔDbctgαm=988.32

水平位移Sh(m):Shc=Shb+ΔShbc=

1194.35

段長Δl(m):Δlbc=ΔShbc/sinαm=1521.47井深Dw(m)：Dwc=Dwb+

Δlbc

=2529.12井段：b—c;最大井斜角:40.51°方位角:

30°垂直井深增量ΔD(m):

ΔDbc=De-

Dkop-ΔDab

-ΔDcd

=1156.76DShShoSheDkopR1R2DoDeabcftego2o1hijkαmαeαmαmαeo第三章垂直井深D(m):井段：b—c;最大井斜角:40.51水平位移Sh(m):Shd=Shc+ΔShcd=

1457.9

段長Δl(m):

Δlcd=R2(αm-αe

)/57.3=1521.47井深Dw(m):

Dwd=Dwc+

Δlcd

=3179.32井段：c—d最大井斜角:40.51°方位角:

30°垂直井深增量ΔD(m):

ΔDcd=R2(sinαm-sinαe)=584.93垂直井深D(m):Dd=

Dc+

ΔDcd=2700水平位移增量ΔSh(m):ΔShcd=R2(cosαe-cosαm)=263.35

DShShoSheDkopR1R2DoDeabcftego2o1hijkαmαeαmαmαeo第三章水平位移Sh(m):井段：c—d最大井斜角:40.5水平位移Sh(m):Sht=Shd+ΔShdt=

1500.06

段長Δl(m):Δldt=ΔShdt/sinαe=302.93井深Dw(m):Dwt=Dwd+

Δldt

=3482.25井段：d—t最大井斜角:8°方位角:

30°垂直井深增量ΔD(m):ΔDdt=D-De=300垂直井深D(m):Dt=Dd+ΔDdt=3000水平位移增量ΔSh(m):ΔShdt=ΔDdttgαe=42.16DShShoSheDkopR1R2DoDeabcftego2o1hijkαmαeαmαmαeo第三章水平位移Sh(m):井段：d—tDShShoSheD6.井眼軌道隨鉆修正設計7.井眼軌道繞障或防碰設計8.叢式井總體設計的原則(1)叢式井位置、數量和井數的確定(2)防止井眼相碰

防止井眼相碰是叢式井設計和施工的關鍵。為此，我們應該注意下述幾個方面。1)井網類型。2)井眼軌道設計。3)井口布置第三章6.井眼軌道隨鉆修正設計防止井眼相碰是叢4)造斜點位置5)造斜率與最大井斜角6)鉆井次序7)控制安全圓柱8)提高測斜儀器的精度9)使用電子計算機繪制井眼防碰圖第三章4)造斜點位置第三章第二節(jié)鉆柱及下部鉆具組合設計

鉆柱的主要作用有:1)

提供鉆機到鉆頭的鉆井液通道,即輸送鉆井液；2)把地面動力傳遞給鉆頭并給鉆頭加壓,使鉆頭破碎巖石；3)起下鉆頭；鉆柱：是指自方鉆桿至鉆頭以上的鉆具管串的總稱。鉆柱由方鉆桿、鉆桿、鉆鋌、接頭和穩(wěn)定器等鉆具組成。在鉆井過程中，通過鉆柱把鉆頭和地面連接起來。第三章第二節(jié)鉆柱及下部鉆具組合設計鉆柱的主要作用有:4)

通過鉆柱可以了解鉆頭工作情況、井眼狀況及地層情況等；5)進行取心、處理井下事故與復雜情況、打撈；6)對地層流體及壓力狀況等進行測試與評價。一、

常用鉆井工具鉆具是鉆井工具的簡稱,常用鉆具包括鉆頭、鉆鋌、穩(wěn)定器、減振器、震擊器、加重鉆桿、鉆桿、方鉆桿、井底馬達和連續(xù)導向動力鉆具組合等。二、鉆柱的工作狀態(tài)及受力分析1、鉆柱的工作狀態(tài)

起下鉆:鉆柱不接觸井底，鉆柱處于懸持狀態(tài)，在自重第三章4)通過鉆柱可以了解鉆頭工作情況、井眼狀況及地層情況等；正常鉆進：部分鉆柱的重量作為鉆壓施加在鉆頭上，使得下部鉆柱受壓縮。在鉆壓小和直井條件下，鉆柱也是直的，而當壓力達到某一臨界值時，下部鉆柱將失去直線穩(wěn)定狀態(tài)，發(fā)生彎曲，并在某一點與井壁接觸，稱為鉆柱的第一次彎曲；如果繼續(xù)加大鉆壓則彎曲形狀改變，切點下移，當鉆壓增大到新的臨界值時，鉆柱彎曲出現第二個半波，著是鉆柱的第二次彎曲。如果繼續(xù)增大鉆壓，則會出現第三次彎曲。正常鉆進過程中，鉆柱處于不停的旋轉狀態(tài)，鉆柱旋轉運動的可能形式：自轉、公轉、公轉+自轉、不規(guī)則運動作用下，鉆柱處于受拉伸的直線穩(wěn)定狀態(tài)。第三章正常鉆進：部分鉆柱的重量作為鉆壓施加在鉆頭2、鉆柱的受力分析及計算不同的工作條件、不同部位，鉆柱受載荷不同：拉、壓扭矩彎矩內外壓力1）軸向載荷包括穩(wěn)態(tài)載荷和動態(tài)載荷，一般除振動嚴重外，忽略動態(tài)。第三章2、鉆柱的受力分析及計算不同的工作條件、不鉆柱軸向載荷鉆柱重量鉆井液浮力鉆壓與井壁摩擦第三章鉆柱軸向載荷鉆柱重量第三章拉力0壓力（-）（+）N（A）拉力0壓力（-）（+）NZ（B）拉力0壓力（-）（+）NW（C）拉力0壓力（-）（+）NZW（D）中和點：軸向應力線與靜液柱壓力的交點。此點的靜液柱壓力等于鉆柱中壓縮應力。中和點位置可以由鉆壓W除以單位長度浮重來確定。第三章拉力0壓力（-）（+）N（A）拉力0壓力（-）（+）NZ（B鉆進過程中鉆柱軸向載荷：Wpt為任意截面處軸向載荷；Wp為該截面以下鉆柱在空氣中的重量。若設分析截面距井底長度為L，則對于井口處：鉆柱的平均應力：第三章鉆進過程中鉆柱軸向載荷：Wpt為任意截面處2）扭矩轉盤鉆進時，鉆柱扭矩在井口處最大，鉆頭處最小。采用井下動力鉆具時，鉆頭施加給鉆柱反扭矩，扭矩在鉆頭處最大，井口處最小。

當能夠確定某一截面的鉆柱承受的扭矩時，