7定向井的軌跡控制

1、定向井的軌跡控制,定向井軌跡控制基本概念,1. 要求：在實鉆過程中，設法使實鉆的井眼軌跡盡可能符合設計的井眼軌道。2. 實質：井眼軌跡控制，的實質，就是不斷地控制井眼的前進方向。井眼方向由井眼的井斜角和井斜方位角來表示的。3. 井眼方向控制內容：井斜角的控制：增斜、降斜、穩(wěn)斜；井斜方位角控制：增方位、降方位、穩(wěn)方位；,增斜,增方位,穩(wěn)方位,降方位,穩(wěn)斜,降斜,,,,,,,,,,(九種組合),定向井軌跡控制的主要做法,第一階段:打

2、好垂直井段垂直井段打不好，將給造斜帶來很大的困難。要求實鉆軌跡盡可能接近鉛垂線，也就是要求井斜角盡可能小。定向井的垂直井段可以按照打直井的方法進行軌跡控制，而且比打直井要求更高，因為定向井垂直井段的施工質量是以后軌跡控制的基礎。,定向井軌跡控制的主要做法,第二階段：把好定向造斜關 這是增斜井段的一部分，但它是從垂直井段開始增斜的。由于垂直井段井斜角等于零，所以稱為“造斜”；由于垂直井段沒有井斜方位角，所以開始造斜時需要“定向”。

3、如果定向造斜段的方位有偏差，則會給以后的軌跡控制造成巨大困難。所以，定向造斜是關鍵，一定要把好這一關。 現(xiàn)代的定向造斜，除套管開窗側鉆還使用變向器外，幾乎全是使用動力鉆具造斜工具。造斜井段的長度，一般是以井斜角達到可以使用轉盤鉆的扶正器鉆具組合繼續(xù)增斜為準。這個井斜角大約為8° 至10°。,第三階段：跟蹤控制到靶點從造斜段結束，至鉆完全井，都屬于跟蹤控制階段。人們常說的軌跡控制實際多指這一階段。一.跟蹤控制的

4、主要工作內容：1.適時進行軌跡測量和軌跡計算：測量儀器的選擇；測量密度和測點密度的選擇；根據(jù)軌跡計算結果，提出下步軌跡控制要求；2.做好造斜工具的裝置方位計算：裝置角的計算；動力鉆具反扭角的計算；3.精心選擇、使用造斜工具和下部鉆具組合：工具或組合的結構選擇；造斜工具或下部組合的性能預測：憑經(jīng)驗預測；使用軟件預測；造斜工具的井下定向；,定向井軌跡控制的主要做法,定向井軌跡控制的主要做法,二.跟蹤控制需遵循的幾條原

5、則：1.既要保證中靶，又要加快鉆速。這一階段的任務是在實鉆過程中，不斷了解軌跡的變化發(fā)展情況，不斷地使用各種造斜工具或鉆具組合，使實鉆軌跡離開設計軌跡“不要太遠?！安灰h”一詞的意義在于，一方面如果“太遠”就可能造成脫靶，成為不合格井；另一方面如果始終要求實鉆軌跡與設計軌跡誤差很小，勢必要求非常頻繁地測斜，頻繁地更換造斜工具，必將大大地拖延時間，增加成本，而且還有可能造成井下復雜情況，得不償失。,定向井軌跡控制的主要做法,2.盡可

6、能多的使用轉盤鉆的扶正器鉆具組合來進行控制。這是因為轉盤鉆的鉆速比動力鉆具要高。所以在造斜段結束之后，一般都換用轉盤鉆繼續(xù)增斜，并在需要穩(wěn)斜和降斜的時候，仍然使用轉盤鉆來完成。只有在下列兩種情況下，才使用動力鉆具進行控制：(1)．使用轉盤鉆扶正器組合已難以完成增斜或降斜要求時，改用動力鉆具造斜工具進行強力增斜或降斜；(2)．轉盤鉆扶正器組合不能控制方位，而且在鉆進中常常出現(xiàn)方位偏差。當井眼方位有較大偏差，有可能造成脫靶時，必須使

7、用動力鉆具造斜工具來完成扭方位。,定向井軌跡控制的主要做法,3.盡可能利用地層的自然規(guī)律。種種地層因素導致鉆頭的不對稱切削，或引起井斜變化，或引起方位漂移：地層可鉆性的各向異性：平行層面方向與垂直層面方向，地層可鉆性不同。沿垂直地層層面方向，可鉆性發(fā)生變化；沿平行地層層面方向，可鉆性發(fā)生變化；在軌道設計和軌跡控制過程中，盡可能利用這些自然規(guī)律，減少利用工具進行控制的時間。,,造斜工具簡介動力鉆具造斜工具,動力鉆具又稱井下馬達

8、，包括渦輪鉆具、螺桿鉆具、電動鉆具三種。常用前兩種。位置：在鉆鋌和鉆頭之間。鉆井液循環(huán)驅動。動力鉆具以上整個鉆柱都不旋轉，對定向造斜非常有利。結構由三種:動力鉆具帶彎接頭；彎外殼動力鉆具；動力鉆具帶偏心墊塊；,造斜工具簡介轉盤鉆造斜工具,射流鉆頭：工作三部曲：定向噴射，大水眼沖出“斜窩”；適當加壓使鉆頭進入“窩”內，繼續(xù)噴射；邊噴射，上下活動鉆柱，擴大“斜窩”，并對井底造成沖擊；旋轉鉆進，鉆出彎曲井眼；適用地層：

9、軟地層；需要給大水眼噴嘴定向。,造斜工具簡介轉盤鉆造斜工具,槽式變向器：造斜過程：定向安置槽式變向器；加壓剪斷銷釘，旋轉鉆進鉆出導眼；起鉆并起出槽式變向器；更換擴眼鉆頭，擴大導眼；每安置一次，只能使井斜增加一個導斜角大小的角度。,造斜工具簡介轉盤鉆造斜工具,對抗器：作用：可在小范圍內改變井斜方位結構：體部為一根短鉆鋌；形狀如圖；上下兩個瓦片，用小軸相連，并被固定在體部的縱向溝槽內。改變瓦片寬度，可以實現(xiàn)增方位或

10、減方位；,造斜工具簡介轉盤鉆造斜工具,套筒形變向器：只能在小范圍內改變井眼方位。結構：心軸與鉆頭、鉆鋌連接；心軸外有套筒；套筒與心軸用小軸連接；套筒外有上下兩個“瓦片”；改變上下瓦片的位置，可以實現(xiàn)增方位或減方位；,造斜工具簡介轉盤鉆扶正器組合,此類工具不能用于改變井眼方位，僅能在已有一定斜度的井眼內改變井斜，即進行增斜、降斜或穩(wěn)斜。此類工具是在轉盤鉆的基礎上，利用靠近鉆頭的鉆鋌部分，巧妙地使用扶正器，得到各種性能的組

11、合。 20世紀80年代以來，國內外對扶正器鉆具組合的研究逐步深入。運用數(shù)學、力學和計算機工具，出現(xiàn)了微分方程法、有限元法、縱橫連續(xù)梁法、加權余量法等等方法，且都需要使用較復雜的計算機程序。在沒有計算機軟件計算在情況下，可使用現(xiàn)場常用的經(jīng)驗數(shù)據(jù)。轉盤鉆扶正器組合有三種：增斜組合；穩(wěn)斜組合；降斜組合；,造斜工具簡介轉盤鉆造斜工具,增斜鉆具組合：,按增斜能力分為強、中、弱三種。使用中要注意： 1. 鉆壓越大，增斜能力越大；

12、 2. L1越長，增斜能力越?。?3. 近鉆頭扶正器直徑減小，增斜能力也減小。 4. 注意保持低轉速。,造斜工具簡介轉盤鉆造斜工具,穩(wěn)斜鉆具組合,按穩(wěn)斜能力分為強、中、弱三種。在使用中要注意保持正常鉆壓和較高轉速。若需要更強的穩(wěn)斜組合，可使用雙扶正器串聯(lián)起來作為近鉆頭扶正器。,造斜工具簡介轉盤鉆造斜工具,降斜鉆具組合,按降斜能力分為強、弱兩種。使用中要注意：保持小鉆壓和較低轉速對于強降斜組合來說，L1越長則降斜能力越強

13、，但不得與井壁有新的接觸點。,造斜工具的定向,定向就是把造斜工具的工具面擺在預定的定向方位線上。 定向是定向井的關鍵技術。定向方法可分為兩大類：地面定向法和井下定向法。 地面定向法：在地面井口將造斜工具的工具面擺到預定的方位線上；通過定向下鉆，始終保持工具面預定方位不變，或者始終知道工具面在井下的實際方位；下鉆完后，如果工具面實際方位與預定方位不附，可在地面上通過轉盤將工具面扭到預定的定向方位上。這種方法由于工序復雜，準確性

14、差，目前已經(jīng)很少應用了。井下定向法：下鉆前給工具面做好標記，正常下鉆，將造斜工具下到井底；然后從鉆柱內下入儀器，根據(jù)工具面的標記，測量工具面在井下的實際方位；如果工具面實際方位與預定方位不附，可用轉盤調整；工序簡單，準確性高，但需要先進的定向測量儀器。關鍵技術：工具面的標記方法。,造斜工具的定向工具面的標記方法,定向齒刀標記法：適用于用氟氫酸測斜儀進行測量；齒刀上的齒尖所指方位，標志著造斜工具的工具面方位。測量時儀器

15、最下面的鉛模壓在定向齒刀上，留下齒刀的印痕，于是可知道造斜工具的工具面方位；同時，氟氫酸液瓶的液面傾斜方位代表著井斜方位。于是知道了工具面方位與井斜方位的關系。需在下鉆前在裸眼內測得井斜方位；,造斜工具的定向工具面的標記方法,定向磁鐵標記法：適用于磁性測斜儀進行測量；緊在造斜工具上面接著一根專用的無磁鉆鋌，在該無磁鉆鋌的體部裝著三對小磁鐵，其N 極方向與工具面方向的關系是已知的。測量儀器中有兩個磁性羅盤。上羅盤處在三個定向磁

16、鐵位置，可測得工具面方位；下羅盤遠離定向磁鐵，指向正北方位。兩羅盤面同時照在一張底片上，于是可知工具面在井下的實際方位。,造斜工具的定向工具面的標記方法,定向鍵標記法：既可用于用磁性測斜儀測量，也可用于陀螺測斜儀測量；定向接頭內有一個定向鍵。定向鍵所在的母線就標志著工具面的方位。測量儀器的羅盤面上有一個“發(fā)線”，在測量儀器的最下面有一個“定向鞋”，定向鞋上有一個“定向槽”，在儀器安裝時使“發(fā)線”與“定向槽”在同一個母線上對齊。

17、儀器下到井底時，定向鞋的特殊曲線使定向槽自動卡在定向鍵上，使羅盤面上的發(fā)線方位就標志了工具面的方位。在照相底片上羅盤的指針標志著井斜方位，發(fā)線標志了工具面的方位。所以可求得工具面在井下的實際方位。,定向井軌跡控制計算裝置角的概念,造斜工具得造斜率，既可用于改變井斜方位角，同時可用于改變井斜角。如何按照軌跡發(fā)展的需要去改變井斜角和井斜方位角呢？關鍵在于分配造斜率，其關鍵有在于裝置角的計算和安置。,裝置角的定義井斜鉛垂面：井眼方向

18、線所在的錢垂平面；井眼方位線所在的錢垂平面；井底圓上高邊方向線所在的錢垂平面；造斜工具面：造斜工具作用方向線與井眼軸線構成的平面；,定向井軌跡控制計算裝置角的概念,裝置角的定義井斜鉛垂面與造斜工具面的夾角(還不夠準確！)；以井斜鉛垂面為基準，順時針旋轉到造斜工具面上所轉過的角度；在井底平面上，以高邊方向線位基準，順時針旋轉到工具面與井底圓的交線上所轉過的角度；,定向井軌跡控制計算裝置角有關公式的推導,這是有關槽式變向器

19、裝置角計算公式得推導用圖。圖中的0‘0與井底圓垂直；圖中的γ角，是槽式變向器的導斜角；ω就是裝置角，ω’是ω在水平面上的投影；注意下面四張“圖式”推導圖中，,定向井軌跡控制計算裝置角有關公式的推導,這是有關彎接頭裝置角計算公式得推導用圖。圖中的0‘0與井底圓垂直；圖ω就是裝置角，ω’是ω在水平面上的投影；但是要特別注意，圖中的γ角，是彎接頭鉆出的井段的狗腿角，而不是彎接頭的彎曲角；注意下面四張“圖式”推導圖中，,定向井軌跡

20、控制計算裝置角有關計算公式,匯總上述四個圖式推導的三個獨立的公式：還有一個重要的公式，這就是狗腿角計算公式：,定向井軌跡控制計算裝置角有關計算公式,偏增角問題：觀察到裝置角與井斜角、井斜方位角之間的變化關系：裝置角在Ⅰ、Ⅱ象限，方位均增加；裝置角在Ⅲ、Ⅳ象限，方位均減小；方位角的變化界限很清楚，以00和1800為界。裝置角在Ⅰ 、Ⅳ象限，井斜角都是增加的；但裝置角在Ⅱ 、 Ⅲ象限，井斜角并非都是減小的。只在

21、綠色區(qū)域是減小，在粉紅色區(qū)域內仍然是增大的。粉紅色區(qū)域所占的角度，就是“偏增角”，以ξ表示。,定向井軌跡控制計算裝置角有關計算公式,偏增角的影響試看一例：設α=450；α=600；Δφ=600；求ω=？由公式可算得γ=48.720；用式：計算， ω=86.3860；用式：計算， ω=93.6140；,③,①,（錯誤）,（正確）,定向井軌跡控制計算裝置角的有關計算,最重要、最可靠的兩個公式(1)(2)二式

22、中，共有5個參數(shù)：α1，α2，γ，Δφ，ω；知道其中任意三個，可以求出另外兩個。事實上，巧妙地利用(1)(2)這兩個公式，就可以完成所有有關裝置角的計算。,(1),(2),定向井軌跡控制計算裝置角的有關計算,特殊裝置角扭方位1. 全力增斜ω=00；Δ α=γ；Δφ=00；2. 全力降斜ω=1800；Δ α=－γ；Δφ=00；γ =?,定向井軌跡控制計算裝置角的有關計算,特殊裝置角扭方位3. 正負900扭方位這

23、是我國現(xiàn)場上用的較多的扭方位方式。ω=900；由于偏增角的原因，此時的井斜角增量不等于零。,定向井軌跡控制計算裝置角的有關計算,特殊裝置角扭方位4. 穩(wěn)斜扭方位Δ α= 0 ，并給定Δφ ；增方位取“+”，減方位取“－”,5. 全力扭方位給定Δφ ；增方位取“+”，減方位取“－”,定向井軌跡控制計算裝置角的有關計算,裝置角的圖解法(1)．選擇一定長度線段代表單位角度，例如，以

24、１厘米代表１°。,(2)．選一原點Ｏ，作目前井底方位線OQ，并量取OA = α1，注意是以長度代表角度。(3)．以Ａ點為園心，以γ為半徑（注意以長度代表角度）畫園。 (4)．作線段OB，使∠AOB = Δφ，交園于B、B′，聯(lián)結AB和AB′。應當注意Δφ是有正負之分的。Δφ為正時，OB線在OA線的下方；Δφ為負時，OB線在OA線的上方。 (5)．用量角器量∠QAB即為增斜扭方位的裝置角ω，量∠QAB′即為降斜扭方位的

25、裝置角ω′。 (6)．用直尺量OB長度（換算成角度），即為增斜扭方位之后的井斜角α2；量OB′長度（換算成角度），即為降斜扭方位之后的井斜角α2。,定向井軌跡控制計算裝置角的有關計算,裝置角的圖解法限長扭方位給定條件：α1=220；φ1=1000；工具造斜率90/100m ；現(xiàn)要求鉆進150m將井斜方位角減小到φ2=700；請用限長扭方位方式，并求：1. 裝置角ω；2. 扭方位段的狗腿角γ；3. 扭彎方位后的井斜角α2 ；

26、4. 扭方位段的段長ΔL；,ΔL=150m,定向井軌跡控制計算裝置角的有關計算,裝置角的圖解法900扭方位給定條件：α1=220；φ1=1000；工具造斜率90/100m ；限要求將井斜方位角減小到φ2=700；請用900 扭方位方式，并求：1. 裝置角ω；2. 扭方位段的狗腿角γ；3. 扭彎方位后的井斜角α2 ；4. 扭方位段的段長ΔL；,ΔL=141m,定向井軌跡控制計算裝置角的有關計算,裝置角的圖解法穩(wěn)斜扭方位

27、給定條件：α1=220；φ1=1000；工具造斜率90/100m ；限要求將井斜方位角減小到φ2=700；請用穩(wěn)斜 扭方位方式，并求：1. 裝置角ω；2. 扭方位段的狗腿角γ；3. 扭彎方位后的井斜角α2 ；4. 扭方位段的段長ΔL；,ΔL=127m,定向井軌跡控制計算裝置角的有關計算,裝置角的圖解法全力扭方位給定條件：α1=220；φ1=1000；工具造斜率90/100m ；限要求將井斜方位角減小到φ2=700；請用全

28、力 扭方位方式，并求：1. 裝置角ω；2. 扭方位段的狗腿角γ；3. 扭彎方位后的井斜角α2 ；4. 扭方位段的段長ΔL；,ΔL=122m,定向井軌跡控制計算裝置角的有關計算,四種扭方位方式的比較：,隨著扭方位長度的減小，裝置角、狗腿角、扭完方位的井斜角，都在減小。,定向井軌跡控制計算裝置角的有關計算,Δφ與γ、α1 的關系：,解析法公式,三種圖解法,圖解法公式,對比可見：隨著γ增大，Δφ也增大；但隨著α1增大，Δφ將減小。

29、這就是井斜角大時扭方為難的原因。,定向井軌跡控制計算動力鉆具反扭角,裝置方位角的概念注意到裝置角是以井斜高邊為基準的。而高邊有是隨著井斜方位的變化而變化的。變化的基準在使用中是不方便的，于是提出裝置方位角。裝置方位角是以正北方位為基準，等于井斜方位角加上裝置角。,需要特別注意，φ1 和ω時不再一個平面上的。,定向井軌跡控制計算動力鉆具反扭角,反扭角的存在：當我們將動力鉆具帶彎接頭下到井底，并將工具面擺到裝置方位線上，然后啟動

30、，工具面將要向反時針方向旋轉一個角度，此角度稱為反扭角。反扭角的產(chǎn)生：動力鉆具啟動后，轉子受到一個順時針方向的扭矩，因而順時針方向旋轉；定子受到一個反時針方向的扭矩，因而反時針方向旋轉；由于鉆柱在井口被轉盤鎖住，不能自由旋轉，最終只能扭轉一定角度，即反扭角。反扭角以φn 表示。,定向井軌跡控制計算動力鉆具反扭角,影響反扭角的因素：1. 動力鉆具扭矩的大?。号ぞ卦酱螅磁そ窃酱?；扭矩與鉆具結構、泥漿排量、鉆壓、地層等因素有

31、關；2. 鉆柱尺寸和鋼材性能：反扭角與鉆柱長度成正比；與鉆柱斷面的極慣性矩成反比；與鉆柱鋼材的彈性模量成反比；3. 鉆柱與井壁摩阻系數(shù)：摩阻系數(shù)越大，摩擦扭矩就越大，反扭角就越?。荒ψ柘禂?shù)與泥漿性能、井壁光滑程度有關；4. 裝置角的影響：裝置角在00～1800 范圍內，將使反扭角減?。谎b置角在1800～3600 范圍內，將使反扭角增大；裝置角在“偏增角”附近，對反扭角影響達到最大；裝置角在00 和1800 附近，對反

32、扭角影響達到最??；,定向井軌跡控制計算動力鉆具反扭角,定向方位角的概念考慮到動力鉆具反扭角的影響，在給造斜工具定向時，不能將工具面對準裝置方位線，而應超過裝置方位線一個“反扭角”，即對準定向方位線。定向方位線的方位角稱為定向方位角。,定向井軌跡控制計算動力鉆具反扭角,反扭角的確定方法計算機軟件計算法：近年來出現(xiàn)的新方法。需要建立計算模型。影響精確性的主要因素是摩阻系數(shù)取值。經(jīng)驗數(shù)據(jù)法：有些動力鉆具廠家與定向井公司聯(lián)合，共同給

33、出一些經(jīng)驗數(shù)據(jù)。準確性最差；資料反算法：在實鉆過程中，利用實鉆資料，可以較好地反算反扭角。這樣得到的反扭角值，在下一步鉆進中使用，就比較準確。隨鉆測量法：需要有隨鉆測量儀器。從隨鉆測量以的顯示屏上可以清楚地看出，動力鉆具啟動后，工具面向回轉的角度（反扭角）。,定向井軌跡控制計算動力鉆具反扭角,反扭角的確定方法—經(jīng)驗數(shù)據(jù)法,定向井軌跡控制計算動力鉆具反扭角,反扭角的確定方法—經(jīng)驗數(shù)據(jù)法上頁經(jīng)驗數(shù)據(jù)表適用的條件：地層：軟～中硬

34、鉆具：20 彎接頭+27/8”鉆桿+37/8”Dyna鉆具；20 彎接頭+31/2”鉆桿+5”Dyna鉆具；20 彎接頭+41/2”鉆桿+61/4”Dyna鉆具；20 彎接頭+5”鉆桿+73/4”Dyna鉆具；20 彎接頭+5”鉆桿+95/8”Dyna鉆具；影響：在相同井深、相同裝置角下，井斜角越大，裝置角對反扭角的影響就越大。,定向井軌跡控制計算動力鉆具反扭角,反扭角的確定方法—資料反算法已知試鉆井段的資料： α 1