第五章 两维定向井的设计.docx
《第五章 两维定向井的设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第五章 两维定向井的设计.docx（22页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
第五章两维定向井的设计
第五章两维定向井的设计
第一节常规两维定向井井身剖面设计原则
两维定向井是指设计的井眼轴线只是在某一个给定的铅垂面内变化，即设计的井眼轴线只有井斜角的变化，没有方位角的变化。
井身剖面的设计原则
1、应能实现钻定向井的目的
2、应尽可能利用地层的自然造斜规律
3、应有利于采油工艺的要求
4、应有利于安全、优质、快速钻井
这方面要考虑以下几个问题：
（1）选择合适的井眼曲率；
（2）选择易钻的井眼形状；
（3）选择适当的造斜点；
（4）设计井身剖面形状应与井身结构同时考虑。
第二节常规两维定向井井身剖面设计
井身剖面设计的条件、内容和步骤
一、设计条件
一般情况下，给定的设计条件有：
地面井位坐标、地下目标点坐标和目的层垂直深度和井底位置。
根据这些基本数据，通过坐标换算，可计算出设计方位角和设计水平位移。
坐标换算方法如下：
X地理北
ΔYb目标点（Xb、Yb）
Φ
ΔXS
a井口（Xa、Ya）
OY地理东
给定地面井位坐标即井口坐标（Xa、Ya），地下目标点坐标（Xb、Yb）和目标层垂直深度H
坐标换算公式如下：
S=（ΔX2+ΔY2）1/2（4-1）
tg-1|ΔY/ΔX|Φ在第Ⅰ象限
Φ=180º-tg-1|ΔY/ΔX|Φ在第Ⅱ象限（4-2）
180º+tg-1|ΔY/ΔX|Φ在第Ⅲ象限
360º-tg-1|ΔY/ΔX|Φ在第Ⅳ象限
式中：
S—设计水平位移
Φ—设计方位角
ΔX=Xb-Xa，为目标点地理北坐标与井口地理北坐标的差值
ΔY=Yb–Ya为目标点地理东坐标与井口地理东坐标的差值
例：
已知某井井口坐标：
纵4293466.8横20546701.8
井底坐标：
纵4292770横20546510
求其方位角和水平位移？
解：
ΔN=N底-N口=4292770-4293466.8=-696.8
ΔE=E底-E口=20546510-20546701.8=-191.8
该井设计方位Φ=180º+tg-1|ΔY/ΔX|=195.5º
水平位移S=（ΔN2+ΔE2）1/2=723m
二、井身剖面设计的内容和步骤
1、选择剖面类型；
2、确定增斜率和降斜率，选择造斜点；
3、求得剖面上的未知参数，一般情况下这个未知参数是全井最大井斜角αm；
4、进行井身计算，包括各井段的井斜角、垂深、水平位移、井斜方位角（三维剖面）及井深；
5、作垂直投影图和水平投影图，必要时绘出控制安全圆柱；
三、常规两维定向井井身剖面设计
常规两维定向井的剖面形状主要有两种，一种是“直—增—稳”剖面，在我国现场上称为“三段制剖面”，此种剖面又可分为低造斜点和高造斜点两类，稳斜段的长度也可长可短，甚至可以没有稳斜段，这主要根据设计的条件和要求而定。
另一种是“直—增—稳—降—稳”剖面，现场上称之为“五段制剖面”。
虽然实际所用的剖面类型很多，但它们都只是这两种剖面演变而来的，我们也可以说“三段制”剖面是“五段制剖面”的一种特殊情况。
这样，我们就可以用“五段制剖面”作为所有常规两维定向井剖面的代表。
如果能设计出“五段制剖面”，其它常规剖面都可以迎刃而解。
五段制剖面的设计方法目前主要有三种：
作图法、查图法和解析法。
下面介绍解析法设计井身剖面。
前面我们讲过，五段制井身剖面可以作为所有常规井身剖面的代表，所以我们就以五段制井身剖面来推导最大井斜角的计算公式。
如下图所示，
在直角三角形Δkfg中，
fgAOAO
tgαm===
kgaj-ak-gjHO-（R1+R2）tg（αm/2）
令R1+R2=R0，则经过变换可得：
（2R0-AO）tg2（αm/2）-2HO*tg（αm/2）+AO=0
αmHO±√HO2+AO2-2R0*AO
tg（）=（4-3）
22R0-AO
在定向井的具体条件下，上式根号前的符号应取负号，舍去正号，于是得：
αmHO-√HO2+AO2-2R0*AO
tg（）=
22R0-AO
式中：
HO=H-Hz-ΔHxz+R2*sinα″（4-4）
AO=A-ΔAxz+R2（1-cosα″）（4-5）
R0=R1+R2（4-6）
若给定条件ΔHxz,则Δaxz=ΔHxz*tgα″
HO—自造斜点至井斜降为0处的垂直长度；
AO—自造斜点至井斜降为0处的水平位移；
α″—降斜后稳斜井段的井斜角；
ΔHxz—降斜后稳斜井段的垂增；
H—设计垂深；
A—设计水平位移；
Hz—造斜点的垂深；
R1、R2—增降斜曲率半径；
18011801
R1=*；R2=*
πK1πK2
对公式（4-3）作如下讨论：
（1）式中的√HO2+AO2-2R0*AO恰好等于稳斜段bc的长度，因此我们就可以将
HO2+AO2-2R0*AO看作是一个判别式：
当HO2+AO2-2R0*AO>0时，表示剖面有稳斜段存在；
当HO2+AO2-2R0*AO<0时，表示剖面不存在，这时应修改设计条件；
当HO2+AO2-2R0*AO=0时，说明该剖面没有稳斜段；
（2）对于没有稳斜段的剖面，公式简化为：
αmAO
tg=
2HO
（3）在（4-3）式中，若2R0-AO=0，则公式变为不定式，即
αm0
tg=
20
这时按罗彼塔法则定值，得下式
αmAO
tg=
22HO
计算出最大井斜角后，就可以进行井身计算，井身计算的内容是算出各井段的垂增、平增、和段长。
对于增斜段
ΔH1=R1*sinαm
ΔA1=R1（1-cosαm）
ΔL1=αm*R1（αm单位为弧度）
对于稳斜段
ΔH2=ΔL2*cosαm
ΔA2=ΔL2sinαm
ΔL2=√HO2+AO2-2R0*AO
对于降斜段
ΔH3=R2*（sinαm-sinα″）
ΔA3=R2（cosα″-cosαm）
ΔL3=R2（αm-α″）（αm、α″单位为弧度）
总井深：
L=Hz+ΔL1+ΔL2+ΔL3+ΔLxz
为了检验井身计算是否正确，可将所有垂深相加看是否等于总垂深，再将所有各段位移相加看是否等于总位移，否则，说明计算有误。
例1：
某定向井设计垂深H=3000m，设计位移800m，设计方位30º，造斜点深Hz=500m，采用五段制剖面，设计造斜率1.8º/30m，降斜率1.2º/30m，降斜后井斜角为10º，垂深2700，试求该剖面的最大井斜角。
解：
180118030
R1=*=*=954.93m
πK1π1.8
180118030
R2=*=*=1432.39m
πK2π1.2
HO=H-Hz-ΔHxz+R2*sinα″
=3000-500-（3000-2700）+1432.39*sin10º
=2448.73m
AO=A-ΔAxz+R2（1-cosα″）
=800-300*tg10º+1432.39*（1-cos10º）
=768.86m
R0=R1+R2=2387.32m
稳斜段长：
LH=√HO2+AO2–2R0*AO=1707.75m
HO–LH
最大井斜角：
αm=2tg-1=20.96º
2R0-AO
答：
最大井斜角为20.96º。
例2：
某五段制剖面井，设计最大井斜角为30º，以1.8º/30m的降斜率降至10º，试求降斜段的垂增、平增及降斜段长。
解：
18030
R降=*=954.93m
π1.8
ΔH降=R降（sinαm-sinαb）=311.64m
ΔA降=R降（cosαb-cosαm）=113.43m
ΔL降=Δα/K降=20/（1.8/30）=333.33m
例3：
图示为定向井三段制设计轨道，已知造斜
圆弧半径R=1079m，造斜圆弧ab长680m
求造斜终点井斜角α为多少度？
aR
解：
（1）α=S/R=680/1078=0.63（弧度）b
（2）α=0.63*57.3=36.1ºα
第三节定向井软件Steerer的使用
Steerer简介
此软件自1992年开始开发。
八年来经过不断的理论到实践和实践到理论的不断反复，此软件已成为一个经过实践严格考验过的优秀软件。
此软件的作者本人自1991年至1999年一直从事定向井现场施工，先后去过菲律宾和伊朗参加定向井水平井技术服务，足迹遍布国内各大油田的定向井水平井施工现场，有丰富的现场施工经验，确实知道现场需要，并有充分的机会和现场实例来进行软件的实践检验，在这种前提下开发出来的产品是绝对值得信赖的！
为了适应世界软件技术的发展,同时也为了在软件上与国际接轨，作者采用目前最先进的软件开发技术,并大量吸取外国软件的优点,结合现场实际,开发了此Windows版定向井钻井软件,并将它命名为Steerer。
同期完成的配套软件是DDDB,DDDB包含了定向井数据库及定向井完井报告。
DDDB可与Steerer很好地共享数据。
基本功能
全新的世界级的软件界面
全面支持中英文
全面支持公英制
先进的打印机支持
测地学计算（WMM2000磁偏角计算和大地坐标转换）
万能轨道设计
定向井水平井计算及待钻井眼设计
测斜数据误差椭圆计算
邻井扫描
水平投影图、垂直投影图、三维立体图及混合视图
井身结构图
钻井时间计划图
可视平台优选
自动平台基孔编辑
弯接头及导向马达造斜率计算
工具面计算
定量钻具组合效果预测
钻具组合及水力计算
摩阻拉力和扭矩计算
与MSOffice兼容的打印输出
智能在线帮助及标准Windows帮助
井名
在菜单中，选择井名|打开，这时将出现打开文件对话框。
1.如何新建一口井？
在文件名编辑框内输入要新建的井名单击“确定”按钮，软件将提示“文件不在，是否要建立？
”，单击“是”，则此井已建立，井名将显示在标题栏上。
2.如何打开一口井？
在文件名列表框中选择所要打开的文件，单击“确定”按钮。
3.如何让一个井名成为默认井名？
在本软件的快捷方式中添加此井名，例：
“C:
\DDDC98\Steerer.exeAwell”即可。
其中“Awell”为正钻井的井名。
单位制
在您进行一口井的设计与计算之前，您首先必须设定该井的单位制。
在菜单中，选择井名|单位制，这时将出现单位对话框。
1.如何为某井设置单位制？
在单位制对话框中，单击单选钮为该井选择单位制。
2.如何进行常用单位制转换？
在单位制组合框中，选择所需转换的单位制，并在编辑框内输入合适的数据按回车键即可。
如何计算并补偿收敛角
具体做法非常简单，在软件里选取网格北（Gridnorth）作为北参考，输入井口的高斯投影坐标（即纵x，横y），点击计算收敛角按钮即可。
关于收敛角如何补偿，软件会自动处理。
图4
选项
在菜单中，选择井名|选项，这时将出现选项对话框。
1.如何设置报告页眉？
在左页眉或右页眉中输入合适页眉文本即可。
2.如何设置页码？
如果您不想显示页码，则让页码编辑框空着即可。
如果您想让第5页成为起始页，则在起始页号内“5”即可。
3.如何只打印轨道设计的第一页？
（即不打印详细轨道描述）
在选项对话框中复选上“只打印轨道设计的第一页”复选钮。
4.如何设置公司名及公司图标？
在公司名编辑框内，输入报告中所要出现的公司名；在公司图标编辑框内，输入报告中所要出现的公司图标的文件名（例如,DDDC.bmp，目前只接受Windows位图文件）。
5.如何设置绘图选项？
在绘图选项组合框中，选择或清除各种绘图选项复选框。
例如您可设置是否绘制三维曲面，是否绘制套管，是否绘制目标刻度，是否画目标，是否画网格等等。
6.如何设置从某一井深开始绘制垂直投影图、三维立体图或从某一井深开始打印设计轨道数据？
在起始井深编辑框中输入绘图或轨道数据打印的起始井深。
7.如何指定特定绘图比例？
如果您让绘图比例编辑框空着，则绘图时程序将自动选取最佳打印比例；但是如果您在比例编辑框输入绘图比例，则程序将精确地按您指定的比例绘制图像。
轨道设计
用此软件您可设计出任意的井眼轨道！
想象出一种井眼轨道，输入已知数据，您便完成了轨道设计！
设计井眼轨道时您可任意组合以下的基本曲线类型。
基本的曲线类型:
类型
设计目的
行
输入数据
（连接点以下）
2D-单圆弧
求造斜点
1
井斜角,垂深,东,北
2D-增稳
求造斜点
1
狗腿度
2
井斜角,垂深,东,北
2D-单圆弧
求井深,井斜
1
垂深,东,北
2D-增（降）稳
求狗腿度
2
井斜角,垂深,东,北
最大井斜角
1
狗腿度
2
垂深,东,北
2D-S形或水平井
最大井斜角
2
井斜角,垂深,东,北,狗腿度
（无稳斜段）
2D-S形或水平井
最大井斜角
2
井斜角,垂深,东,北,狗腿度
（无稳斜段）
3
垂深
2D-S形或水平井
最大井斜角
2
垂深,东,北,狗腿度
（无稳斜段）
3
垂深,东,北
2D-S形
最大井斜角
1
狗腿度
或水平井
3
井斜角,垂深,东,北,狗腿度
2D-S形
最大井斜角
1
狗腿度
或水平井
3
井斜角,垂深,东,北,狗腿度
4
垂深
2D-S形
最大井斜角
1
狗腿度
或水平井
3
垂深,东,北,狗腿度
4
垂深,东,北
类型
设计目的
行
输入数据
（连接点以下）
2D-S（无稳斜段）
2
垂深,狗腿度
四段式
3
井斜角,垂深,东,北,狗腿度
2
垂深,狗腿度
3
井斜角,垂深,东,北
5
垂深
2
垂深,狗腿度
3
井斜角,垂深,东,北
4
垂深,东,北
2D-S（五段式）
1
狗腿度
3
垂深,狗腿度
4
井斜角,垂深,东,北
1
狗腿度
3
垂深,狗腿度
4
井斜角,垂深,东,北
5
垂深
1
狗腿度
3
垂深,狗腿度
4
垂深,东,北
5
垂深,东,北
3D-稳斜纠偏
求方位角
1
井斜角（与接点相同）,狗腿度
>=1
垂深,东,北
求狗腿度
1
井斜角（与接点相同）,方位角
>=1
垂深,东,北
3D-变斜纠偏
求方位角
1
狗腿度
>=1
垂深,东,北
求狗腿度
>=1
方位角,垂深,东,北
3D-S
3D-S
1
狗腿度
3
方位角,垂深,东,北,狗腿度
类型
设计目的
行
输入数据
（连接点以下）
3D-S（无稳斜段）
1
狗腿度
精确着陆
2
井斜角,方位角,垂深,东,北
2
井斜角,方位角,垂深,东,北,狗腿度
3D-S
1
狗腿度
精确着陆
3
井斜角,方位角,垂深,东,北,狗腿度
另外,您还可在接点下任意添加一站点.对于这一点,您可以以任意组合输入井深,井斜角,方位角,垂深,狗腿度中的三个数.
如果您实在不知道应在何处输入什么数据,您可下拉“轨道选择组合框”,从中选择一个合适的剖面,软件将以绿色条块来对应于所选剖面类型，并提示应在设计表格中何处输入数据，然后您只需在绿色提示框内输入合适的参数,最后按一下设计按钮即可完成设计。
1.造斜点未知时，如何确定？
1）如果所要设计的是一个单圆弧剖面
则清空设计表的第一行测深列，表示造斜点井深未知；在第二行输入井斜角（例30），垂深（例2000），东（例141.42），北（例141.42）；单击设计按钮即可。
注：
不输东、北，输入闭合距（例200）、闭合方位（例45）也可以。
2）如果所要设计的是一个三段式剖面
同样清空设计表的第一行测深列；在第二行输入狗腿度（例3），在第三行输入井斜角（例30），垂深（例2000），东（例141.42），北（例141.42）；单击设计按钮即可。
3）如果所要设计的是其它类型的剖面
则必须先试算，然后调整确定。
2.已知造斜点深度的情况下如何设计一个三段式剖面：
步骤一：
在轨道设计表的第一行的站点列中输入“井口”（也可不输，或输入其它字符），在其余各列全输入“0”；
步骤二：
在第二行输入站点“造斜点”，造斜点深（例500），井斜角（例0），方位角（例0），您将发现其余各参数已全部自动算出；
步骤三：
在第三行输入狗腿度（例1.8）；
步骤四：
在第四行输入垂深（例2000），闭合位移（例600），闭合方位（例60）；
步骤五：
单击“设计”按钮即可。
如果点4是目标点，则在站点列里标上“目标”，在靶半径列里输入靶半径（例50）。
注：
您也可以从轨道类型组合框中选择“2D—增（降）（三段式）”剖面，然后根据绿色提示块输入正确的数据，最后单击设计按钮即可。
3.如何设计一个五段式剖面
从轨道类型组合框中选择“2D—S（五段式）”剖面，根据绿色提示块输入正确的数据（造斜点井深500，增斜1.8，降斜终点垂深1800，降斜率1.2，目标点井斜角5，目标点垂深2000，闭合距400，闭合方位45）单击“设计”按钮即可。
定向井目标
对于定向井靶（圆形靶），您只需在轨道设计表格的靶半径列里，输入目标点的半径即可；
定向井轨道计算
为了更精确地描述实钻轨道，更好地与国际接轨，在定向井计算模块中，我们采用了高斯投影坐标系统，对测出磁方位角，为了把它换算我网格方位，我们不仅校正了磁偏角，还校正了网格收敛角。
但是如果您出于某种原因，需要采用以往的真北参考北，也是可以的。
1．如何选用网格参考北或真北参考北并计算收敛角？
在菜单中，选择设计|轨道设计，这时将首先出现本井属性对话框。
在该对话框中选择网格参考北或真北参考北作为本井的参考北，为该井选择一井口或直接输入井口的高斯投影坐标（即纵x，横y），点击计算收敛角按钮即可。
关于收敛角如何补偿，软件会自动处理。
2．在测斜数据处理对话框中，我可以直接输入真北方位或网格方位吗？
可以，事实上，该软件支持任意类型的测斜方位，您只需在井斜方位角分组框中任选“磁性”，“真北”，“网格”之任一种即可。
在菜单中，选择计算|测斜数据，将出现如下对话框。
3.测斜数据处理对话框模块有哪些重要特性？
1）增加了“Onscreen”功能，即输入测斜数后能立即得到计算结果。
2）增加了数据拼接功能，即测斜数据无需从井口开始，而可以以任一连接点（tieinpoint）开始，该点可以有井斜、方位、位移等。
3）增加了对不同类型的井斜方位角的支持，也就是测斜方位可以是磁方位、真方位、和网格方位的任一种。
4）数据过滤，确保正确的数据输入：
为避免“垃圾进，垃圾出”的错误数据输入、输出，特采取如下措施：
①在只能输入数字的地方不允许字母输入，只能输入正数的地方屏蔽负号的键入；
②不允许超过180度的井斜数据输入到编辑框内，不允许超过360度的方位角数输入到编辑框内；
③不允许当前井深小于上一测点的井深或大于下一测点的井深；
④不允许井深小于垂深的现象出现。
绘图
1.如何绘制水平投影图垂直投影图，三维立体图和混合视图（壁挂图Wallplot）？
步骤1：
选择轨道，在菜单中，选择绘图|轨道，在对话框选择所要绘制的轨道；
步骤2：
设置绘图选项及参数，在菜单中，选择绘图|绘图数据，在对话框中设置绘图选项及参数。
步骤3：
屏幕预览和调整，调整到您满意时即可打印。
2.如何调整图像？
当图像出现在屏幕上时，您可双击鼠标调整坐标圆点，可用鼠标拖动图像，可按“I”“O”键实现图像“缩/放”，可按“＋”“—”，“[”“]”，“〈”“〉”键实现三维形的旋转，单击鼠标右键将出现选项对话框。
当您显示混合视图时，混合视图对话框将自动出现，这时您就可以实现垂直投影图、水平投影图和三维立体图的任意混排，您可在该对话框中，设置各种图形的位置、大小、比例及活动状态等，只有当某一轨道处于活动状态时您才可对它进行更多的调整。
钻具组合
1.如何计算弯接头或弯壳体的造斜率？
在菜单中，选择钻具|弯接头弯壳体选择，输入参数，单击计算即可。
2.如何进行工具面计算？
在菜单中，选择钻具|工具面，当您转移输入焦点时，软件会自动判断和计算。
当计算井段较长时建议采用恒装置角，即在对话框中，选中恒装置角复选框。
与MSOffice兼容的打印输出
Steerer的所有打印输出均可在MSOffice里直接调用，编辑和进一步美化，这是其它定向井软件目前所不具备的功能。
使用方法：
当您准备在Steerer里打印文档或图片时会弹出如下对话框：
这时回答是，Steerer将自动在当前目录下生成Windows图元文件，文件名分别为Meta1.wmf，Meta2.wmf，...，分别代表第1，2，...页。
这样您就可在Office里，使用插入菜单的插入图片文件命令插入Meta1,2,3.wmf，然后您就可在Office里编辑和进一步美化这些图片。
最后您可将它们以Email的方式通过Internet发送到世界各地。
中英文切换
在菜单中，选择语言|英语或Language|Chinese即可。
升级会员 