定向井钻井空间圆弧轨道计算的问题探究

定向井钻井空间圆弧轨道计算的问题探究

王钢

胜利钻井工程公司钻井工程技术公司定向技术服务部山东省257096

摘要：作为一种在现实应用中比较典型的井眼轨道模型，空间圆弧在多目标井、分支井和侧钻井等一些三维井眼的轨道设计中得到了广泛的推广和使用。鉴于对这些三维井眼轨道的设计和计算，一般而言都应用在垂直剖面图与水平投影图之中上，因此这就相应的增加了问题的复杂性。鉴于这种情况，当前通常使用的计算公式为近似公式。

关键词：定向井；井空间圆弧轨道计算；问题探究

定向井钻井技术已经发展较长时间，随着应用程度的日益深入，如何进一步提高定向井钻井质量和效率成为钻井工作的重点。因此，有必要对定向井钻井施工中的前期准备工作和具体钻进中的关键环节和问题进行探究，提高定向井钻井质量。所谓的定向井钻井，具体而言是指在对其进行钻井的过程中，不是竖直的设计井眼，而是要与井眼有着相应的距离。进行钻井是要按照之前已经设计好的轨道采取钻井，最后则要依据设计的最终要求来达到相应的目的和层位。对于定向井钻井而言，对其轨道的控制与设计是最重要的关键步骤。要不断的优化定向井的轨道设计，为更快更好的引导钻井，保证其能够达到目的层提供有力的技术支持。

1定向井钻井技术

1.1定向钻井造斜

造斜点的选择在定向井的施工中是非常重要的，如果能够选择一个合适的造斜点可以从根本上降低钻井的难度、提高企业效益、提高钻井速度。在施工过程中选择造斜点时，要对下列因素进行考虑：

由于地层岩性不同，所以在选取造斜点的时候一定要根据油井地质设计来选择，尽量选择岩层较浅的且成岩的地层。伴随着钻井深度的增加，相应位置的岩石的硬度就会越来越大，因此在施工时会造成施工困难，影响工程进度。由于砂岩地层井径稳定，而泥页岩受潮后不稳定，实际施工过程中，可以尽量将造斜点选择在砂岩当中，

再者，除去地层岩性的影响，磁性干扰也是造斜点过程中的一个不可忽视的影响因素。由于目前施工中用的定向仪器属于磁性仪器，如果有表层，那么就要在选择造斜点时要尽可能避开套管（最好选择在套管鞋下50米），这样一来不仅可以降低磁性干扰，同时避免井下螺杆钻具损失套管鞋。

此外，最大井斜角在选择定向井造斜点时必须作为一个重要依据。如果造斜点的选择太深导致井斜角增大，施工难度会因此大大增加；反之，造斜点的方位稳定性会受到影响。因此在造斜点选择时，一定要综合考虑各个因素，确定最佳造斜点。

1.2定向井钻井轨迹控制

定向井钻井的轨迹控制主要可以分为两种情况：直井段施工和定向井段施工。1）直井段钻井施工，要先采用单点测斜方式对油井斜角以及方位角进行测量，以便能够对钻进参数进行实时地控制，确保钻井施工过程中定向井的井斜角和水平位移在误差范围内。在直井段钻井作业完成之后，用轮钻头替换钻头进行通井，再对剖面进行修正。2）定向井段施工，首先要依据直井段的井斜及其位移情况，对造斜点和剖面进行选择，尽可能地选择摩阻小、扭矩小的修正剖面施工，并且进行不断修正。再根据修正剖面设计造斜率，钻进过程中按照每次10m的井段采取复合、滑动相结合的钻进方式，以保证定向井钻井轨迹的平滑，从而降低钻井的摩阻和扭矩，优化钻井轨迹。

定向井轨迹控制的基本原理是通过选择合适的钻井工具对不同的井段进行钻进，并且在钻进过程中通过不断地优化和调整钻井参数使得井眼轨迹能够准确中靶，尽可能接近设计的井眼轨迹，保证整个施工过程中准确、高效的完成钻井工作。

1.2.1造斜段与降斜段轨迹控制技术

造斜井段施工时需要选择合适的钻井工具和单弯螺杆钻具组合从造斜点开始施工，根据预先设计的井眼曲率造斜，直到井斜达到设计要求，降斜段也必须按照设计要求使用螺杆钻具对井眼轨迹进行降斜。

1.2.2稳斜井段轨迹控制技术

可以通过使用三扶正强稳定钻具组合对稳斜井段进行轨迹控制。钻井每钻进一百米到一百五十米，然后进行定点测斜并且分析该结果。如果偏差太大选用倒换钻具组合，或者可以直接应用MWD随钻测量仪器对钻进轨迹进行目标跟踪，保证稳斜井段轨迹的精度。

2圆弧井段上任意点井斜角和方位角

在采取斜平面法进行三维定向井钻井轨道设计时，其弯曲的井段是一段空间圆弧。一些研究学者已经给定了井斜角与方位角要跟随着弯曲角不断变化的相关计算公式，在公式中的通常出现的系数表达式里，除了有端点井斜角与方位角的计算之外，还应用了装置角。另外的研究学者结合实际情况，还制定了另外的一组井斜角与方位角的相关计算公式，这个公式是在斜平面的倾斜角与倾斜方位角的基础之上。

当能够确定两个端点的井斜角与方位角的基础上，唯一可以确定的就是圆弧所在的斜平面的空间位置，因此圆弧上面的任意点的井斜角与方位角都是某个参数的单变量函数。

本文结合具体实际情况，给出了一套新型的计算方式。具体而言，就是有效的结合井斜角与方位角，来将其展示成为弯曲角的变量函数。在现实生活中，合理有效的采用本文提出的新公式，可以给出在井底参数预测的基础上面的定常井眼曲率预侧模型。而相关学者所采用的立体几何关系的推导公式，能够将斜平面倾斜角与倾斜方位角概念进行有效的结合和利用，这两个概念虽然具有有较强的物理意义，可是却导致比较繁杂和琐碎的计算过程。

3算例验证和对比

根据相关文献对所给出的计算例子针对计算空间的圆弧井段斜角以及方位角的新公式进行有效的验证。

当一个水平井钻到井深到1250M处时，井斜角α1=42°，其方位角则为β1=135°。当其工具的造斜能力能够达到K=7°/25M时，则要求当井的斜角α2=45°，其方位角β2=115°。根据上面的要求来设计出其调整轨道。

结合公式来对弯曲角进行计算：θ=12.2368°

4结束语

通过上文可知，在坐标增量恒等式的基础上面来科学有效的使用初等方法进行推导，从而有效的给定了计算空间圆弧井段上面任意一个点的井斜角与方位角的新的公式，这样的公式结构比较简单，并且拥有形式相对对称和便于计算等方面的特点。同时还要使用文献算例来对新公式进行一系列的对比和验算，从而保证计算结果同文献中的计算结果保持一致。

在本文中所得到的计算井斜角与方位角的新公式，能够在对圆弧形进行定向井轨迹设计，还可以应用在实钻测斜数据，对其进行加密的处理，同时可以有效的控制钻井轨迹等。

参考文献：

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