设计与计算分析

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1、第二章定向井、丛式井、水平井设计与计算分析第一节定向井、水平井二维轨道设计一口定向井的实施，首先要有一个轨道设计，才能以此设计为依据进行具体的定向井钻井施工。对于不同的勘探、开发目的和不同的设计限制条件，定向井的设计方法有多种多样。而每种设计方法，都有一定的设计原则。定向井设计是一个非常重要的环节。“好的设计是成功的一半”。因此，合理地设计好井身轨道，是定向井成功的保证。一、设计原则：一口定向井的总设计原则，应该是能保证实现钻井目的，满足采油工艺及修井作业的要求，有利于安全、优质、快速钻井。在对各个设计参数的

2、选择上，在自身合理的前提下，还要考虑相互的制约。要综合地进行考虑。(一)选择合适的井眼形状复杂的井眼形状，势必带来施工难度的增加，因此井眼形状的选择，力求越简单越好。从钻具受力的角度来看：目前普遍认为，降斜井段会增加井眼的摩阻，引起更多的复杂情况。如图所示(2-1-1)，增斜井段的钻具轴向拉力的径向的分力，与重力在轴向的分力方向相反，有助于减小钻具与井壁的摩擦阻力。而降斜井段的钻具轴向分力，与重力在轴向的分力方向相同，会增加钻具与井壁的摩擦阻力。因此，应尽可能不采用降斜井段的轨道设计。图2-1-1(二)选择

3、合适的井眼曲率井眼曲率的选择，要考虑工具造斜能力的限制和钻具刚性的限制，结合地层的影响，留出充分的余地，保证设计轨道能够实现。42在能满足设计和施工要求的前提下，应尽可能选择比较低的造斜率。这样，钻具、仪器和套管都容易通过。当然，此处所说的选择低造斜率，没有与增斜井段的长度联系在一起进行考虑。另外，造斜率过低，会增加造斜段的工作量。因此，要综合考虑。常用的造斜率范围是4°-10°/100米（三）选择合适的造斜井段长度造斜井段长度的选择，影响着整个工程的工期进度，也影响着动力钻具的有效使用。若造斜井段过长，一方

4、面由于动力钻具的机械钻速偏低，使施工周期加长，另一方面由于长井段使用动力钻具，必然造成钻井成本的上升。所以，过长的造斜井段是不可取的。若造斜井段过短，则可能要求很高的造斜率，一方面造斜工具的能力限制，不易实现，另一方面过高的造斜率给井下安全带来了不利因素。所以，过短的造斜井段也是不可取的。因此，应结合钻头、动力马达的使用寿命限制，选择出合适的造斜段长，一方面能达到要求的井斜角，另一方面能充分利用单只钻头和动力马达的有效寿命。（四）选择合适的造斜点造斜点的选择，应充分考虑地层稳定性、可钻的限制。尽可能把造斜点选

5、择在比较稳定、均匀的硬地层，避开软硬夹层、岩石破碎带、漏失地层、流沙层、易膨胀或易坍塌的地段，以免出现井下复杂情况，影响定向施工。造斜点的深度应根据设计井的垂深、水平位移和选用的轨道类型来决定。并要考虑满足采油工艺的需求。应充分考虑井身结构的要求，以及设计垂深和位移的限制，选择合理的造斜点位置。（五）选择合适的稳斜段井斜角和入靶井斜角井斜角的大小，直接影响了轨迹的控制。井斜角太小时，方位不好控制。而井斜角太大时，施工难度却又增加。因此，稳斜段井斜角和入靶井斜角的选择，应充分满足轨迹控制的需要。另外，它对方位控

6、制、电测、钻速都有明显的影响。一般来讲，井斜角的大小与轨迹控制的难度有下面的关系：1．井斜角小于15°时，方位难以控制；2．井斜角在15°--40°时，既能有效地调整井斜角和方位，也能顺利地钻井、固井和电测。是较理想的井斜角控制范围；3．井斜角在40°--50°时，钻进速度慢，方位调整困难；4．井斜角大于60°，电测、完井作业施工的难度很大，易发生井壁垮塌。二、设计方法定向井的设计方法分为常规设计方法和特殊井的设计方法。常规设计方法指的是在两维平面内作的轨道设计，即设计的井眼轴线只在某个给定的铅垂面内变化，也

7、就是说，只有井斜角的变化，没有方位角的变化。把常规设计之外的所有设计方法都叫做特殊设计方法。（一）常用两维轨道设计方法目前常用的两维定向井轨道设计，采用的是恒定造斜率的设计，设计轨道由铅垂面内的圆弧和直线组成。对于这种恒定造斜率的设计，通常有下列三种设计方法。1．查图法这是国外以前常用的设计方法之一。使用这种方法设计定向井轨道，需要事先将每种造斜率钻达不同最大井斜角的数据作在同一张图上。这样，各种不同的造斜率下作出的图形，就可得到一套图表。在进行轨道设计时，根据设计造斜率的不同选择一套适用的图表。在该图上，就

8、可查出未知的设计数据。42下面就是2°/30米标准造斜率曲线图。图2-1-2查图法图表1．几何作图法这种设计方法是根据已知的设计条件，应用平面几何作图的原理，用圆规和直尺，按比例画出符合设计要求的设计轨道的图形。然后用比例尺和量角规量出需要的设计数据。H0aRHbSC图2-1-3几何作图法42由于计算机在石油钻井领域的广泛应用，查图法和几何作图法已很少在我国采用。目前使用最多的是下面将要介绍的解析计