第五章 井眼轨道设计与轨迹控制
◆ 轨道与轨迹的概念轨道 ——设计的井眼轴线轨迹 ——实钻的井眼轴线概 述
A 井口目标点轨道轨迹
1.地面环境条件限制钻直井高山、湖泊、沼泽、河流、沟壑、海洋、农田或重要的建筑物等。
2.地下地质条件要求断层遮挡油藏、薄油层、倾角较大的地层钻进等。
3.处理井下事故井下落物侧钻、打救援井等。
4.提高油藏采收率钻穿多套油气层、老井侧钻等。
定向井用途：
概 述
◆ 直井：轨道为一条铅垂线的井
◆ 定向井：设计目标点与井口不在一条铅垂线的井概 述
◆ 轨迹控制技术的发展轨迹控制：直井防斜、定向钻井
★ 20世纪 20年代末，发现井斜，直井防斜技术。
★ 20世纪 30年代初，在海边向海里打定向井取得成功，定向井技术迅速发展和广泛应用。
★ 20世纪 30~40年代，转盘钻井经验预测定向钻井法
★ 20世纪 50~70年代，井底动力钻具经验预测定向钻井法
★ 20世纪 80年代，滑动导向钻井法,MWD技术
★ 20世纪 90年代至今，旋转导向钻井法，轨迹自动控制技术，几何导向与地质导向技术,MWD,LWD,FEWD技术本章内容提要第一节 井眼轨迹的基本概念第二节 轨迹测量及计算第三节 直井防斜技术第四节 定向井轨道设计第五节 定向井造斜工具及轨迹控制第一节 井眼轨迹的基本概念一,轨迹的基本参数二,轨迹的计算参数三,轨迹的图示方法一、轨迹的基本参数三个基本参数：井深、井斜角、井斜方位角
1.井深（或称为斜深、测深）
井口 (以转盘面为基准 )至井眼轨迹上某点 （测点） 的井眼长度 。
井深以字母 D m 表示，单位为 米 (m)。井深增量（段长）以 ΔDm 表示。
2.井斜角井眼轨迹上某点的切线向井眼前进方向延伸的部分 （称井眼方向线） 与重力线 （铅垂线） 之间的夹角 。
井斜角以字母 α 表示，单位为度 （ ° ） 。井斜角增量用 Δα表示。
3.井斜方位角 （或称方位角）
以某点 正北方位线 为始边顺时针旋转至该点 井斜方位线 所转过的角度。
（井眼轴线上某点的井眼方向线在水平面上的投影 称为井斜方位线 ）
方位角以字母 φ 表示，单位为度 （ ° ） 。方位角增量用 Δφ表示。
第一节 井眼轨迹的基本概念一,轨迹的基本参数二,轨迹的计算参数三,轨迹的图示方法垂直深度、水平长度、水平位移、平移方位角、Ｎ坐标和Ｅ
坐标、视平移、井眼曲率。
（ 1）垂直深度（垂深）
轨迹上某点至井口所在水平面的距离 （ D)。垂深增量称为垂增（ Δ Ｄ ）。
（ 2）水平投影长度（水平长度、平长）
轨迹上某点至井口的井眼轨迹在水平面上投影的长度 （ LP)，水平长度的增量称为平增（ Δ LP）。
（ 3）水平位移（平移）
轨迹上某点至井口所在铅垂线的距离 （ S）。或轨迹上某点至井口的距离在水平面上的投影。此投影线又称为 平移方位线 。
国外将水平位移称作 闭合距 。国内将完钻时的水平位移称为 闭合距 。
二、轨迹的计算参数
（ 4）平移方位角以正北方线为始边顺时针转至平移方位线上所转过的角度 （ θ ）。
国外将平移方位角称作 闭合方位角 。
国内指完钻时的平移方位角为 闭合方位角 。
（ 5）Ｎ坐标和Ｅ坐标轨迹上某点水平面上的投影在以井口为原点，南北方向和东西方向为坐标轴的水平面坐标系里的坐标。 分别用字母 N,E 表示，相应的增量用 ΔN、
Δ E 表示。
（ 6）视平移水平位移在设计方位线上的投影长度 。用字母 V 表示。
)c o s ( 0 SV
二、轨迹的计算参数
(7) 井眼曲率 K（狗腿严重度、全角变化率）
★ 狗腿角 γ （ 全角变化）：
轨迹上两点间的井眼方向变化的角度 （两点的井眼方向线的夹角）。
◆ Lubinski公式：
cosγ =cosα A·cosα B + sinα A·sinα B·cos(φ B-φ A)
◆ 行业标准计算公式：
γ =(Δα2+Δφ2·sin2α c)0.5
α c—— 井段的平均井斜角,（ ° ）,α c=(α A+α B)/2
★ 井眼曲率 K—— 井眼轨迹曲线的曲率。
Kc=γ/ΔDm
Ｋ c—— 井段的平均井眼曲率,(° )/m；
ΔDm—— 轨迹上两点间的井眼长度（段长）。
二、轨迹的计算参数第一节 井眼轨迹的基本概念一,轨迹的基本参数二,轨迹的计算参数三,轨迹的图示方法
1.三维图示法坐标系,0-D-N-E
借助辅助面，能形象直观地反映出井眼的形状和走向。但不能反映出真实的井身参数，且作图难度大。
三、井眼轨迹的图示方法
2,投影图示法垂直投影图 + 水平投影图轨迹在设计方位线所在的铅垂面上的投影。
原点：井口横坐标,视平移 V
纵坐标,垂深 D
轨迹在水平面上的投影。
原点：井口坐标轴,N,E
缺点：垂直投影图不能真实地反映 井深 Dm
和 井斜角 α等轨迹参数。 E
V
D
φ
α’
S
θ
N
LP
V
目标点设计方位线三、井眼轨迹的图示方法
3,柱面展开图示法垂直剖面图 + 水平投影图过轨迹上的每一点作铅垂线，所有铅垂线便构成一个曲面，称为柱面。
将此柱面展开就形成 垂直剖面图 。
原 点：井口横坐标,平长 LP
纵坐标,垂深 D
优 点
（ 1）容易想象轨迹形状
（ 2）能真实反映井身参数
（ 3）作图简便
pL
D
三、井眼轨迹的图示方法第二节 轨迹测量及计算一、测斜方法及测斜仪简介二、对测斜数据的规定三、轨迹计算方法
1.测量内容井深 Dm、井斜角 α,方位角 φ
一、测斜方法及测斜仪简介
地面记录陀螺电子陀螺多点陀螺单点陀螺陀螺测斜仪无线随钻有线随钻随钻测斜仪多点工作方式单点工作方式电子测斜仪多点测斜仪单点测斜仪照像测斜仪磁性测斜仪
2.测斜仪分类电源 钟机 相机 测角装置密封 减震扶正
3.测斜仪结构
4.磁性照像测斜仪的工作原理仪器内主要由井斜刻度盘、罗盘、十字摆锤、照明和照相系统组成。罗盘的 S极始终指地磁北极。
（ 2）井斜角的测量当测斜仪随井眼倾斜时，仪器轴线即为测点切线，
而十字摆锤始终指向重力线方向，重力线与仪器轴线的夹角即为井斜角。由摆锤在井斜刻度盘底片上的位置读取。
（ 3）井斜方位角的测量摆 锤所在铅垂线与仪器轴线（井眼方向线）构成井斜铅垂面，该井斜铅垂面与水平面的交线就是井斜方位线。摆锤在罗盘面上的投影位置所在的放射线与罗盘 N极之间的夹角即为井斜方位角。
一、测斜方法及测斜仪简介
（ 1）井深测量,根据电缆长度或钻柱长度。
4.磁性照像测斜仪的工作原理
EW
N
S
E EWW
一、测斜方法及测斜仪简介
5.磁偏角及校正东磁偏角 西磁偏角地北极磁北极磁方位角A B
磁偏角示意图真方位角 =磁方位角 + 东磁偏角真方位角 =磁方位角 –西磁偏角一、测斜方法及测斜仪简介第二节 轨迹测量及计算一、测斜方法及测斜仪简介二、对测斜数据的规定三、轨迹计算方法
1．测点编号,测斜自下而上，测点编号则自上而下。第一个井斜角不等于零的测点作为第 1测点。
2．测段编号,自上而下编号。第 i-1 测点与第 i 测点之间所夹的测段为第 i测段。
3．第０测点,第１测点的井深大于 25m 时，第０测点的井深比第１测点的井深小 25m，且井斜角规定为零。第１测点的井深小于或等于 25m时，规定第０测点的井深和井斜角均为零。
4．若 α i= 0,对第 i测段取,φ i=φ i-1；对第 i+1测段取,φ i=φ i+1 。
5,在一个测段内，井斜方位角变化的绝对值不得超过 180° 。
φ i-φ i-1>180° 时,Δφi=φ i-φ i-1-360°
φ c=(φ i+φ i-1)/2-180°
φ i-φ i-1<-180° 时,Δφi=φ i-φ i-1+360°
φ c=(φ i+φ i-1)/2+180°
二、对测斜计算数据的规定由 a点顺时针到 b点：
‖ Δφ‖ >180°
由 a点逆时针到 b点：
‖ Δφ‖ <180°
在不太长的测段内，应该是由 a点逆时针钻到 b点
。因此，井斜方位角增量为：
Δφ= Φb-φa-360 °
平均方位角为：
Φc= (φ i+φ i-1)/2-180°
ab
二、对测斜计算数据的规定第二节 轨迹测量及计算一、测斜方法及测斜仪简介二、对测斜数据的规定三、轨迹计算方法
1.测点坐标值计算公式
n...21i
)c o s (SV
)0N)N/E(t a n1 8 0
)0N)N/E(t a n
ENS
EEE
NNN
LLL
DDD
i0ii
iii
1
i
iii
1
i
2
i
2
ii
i1ii
i1ii
Pi1PiPi
i1ii
，，，
（
（
三、轨迹计算方法
(Ni,Ei)
i?
0? iV
N
E
目标点方位线i-1
2.测段坐标增量的计算
（ 1）计算方法多样性根据测斜参数计算测段的四个坐标增量，就必须知道测段的几何形状。
而测斜只能测上下两点的参数，测段形状未知。计算时只能假设测段形状。
假设不同，计算方法不同。
国内外测段计算方法正切法假设测段为直线，其方向与下测点方向一致。
平衡正切法假设测段为两段等长度的折线，其方向分别与上、下测点方向一致。
平均角法假设测段为直线，其方向为上、下测点井斜角和方位角平均值确定的井眼方向 。
圆柱螺线法假设测段为圆柱螺线，螺线在两端点处与上、下两测点方向相切。
最小曲率法假设测段为空间斜平面圆弧
，圆弧在两端处与上、下测点方向相切。
三、轨迹计算方法
3.测段计算方法
（ 2）平均角法假设,测段为直线，其方向为上、
下测点井斜角和方位角平均值确定的井眼方向。
测段计算公式：
ΔD = ΔDm·cosαc
ΔLp = ΔDm·sinαc
ΔN = ΔDm·sinαc·cosφc
ΔE = ΔDm·sinαc·sinφc
三、轨迹计算方法
3.测段计算方法
（ 2）圆柱螺旋线法假设测段形状为一条等变螺旋角
(dα /dDm=常数）的圆柱螺线；其两端与上下两测点处井眼方向相切。在水平投影图上是圆弧。在垂直剖面图上也是圆弧。
测段计算公式：
ΔD=[2ΔDm·sin(Δα/2) ·cosαc] / Δα
ΔLp=[2ΔDm·sin(Δα/2) ·sinαc] / Δα
ΔN=[4ΔDm·sin(Δα/2) ·sinαc
·sin(Δφ/2) ·cosφc]/(Δα·Δφ)
ΔE=[4ΔDm·sin(Δα/2) ·sinαc
·sin(Δφ/2) ·sinφc]/(Δα·Δφ)
注意,Δα,Δφ单位为弧度。
三、轨迹计算方法
/mDR
/PLr
3.测段计算方法
（ 3）校正平均角法圆柱螺线法计算公式的分母上有
Δα,Δφ，一旦有一个增量为零就无法计算。郑基英教授对,圆柱螺线法,
进行了过 数学处理 提出,校正平均角法,。
测段计算公式：
Δ D = fD·Δ Dm·cosα c
Δ Lp = fD·Δ Dm·sinα c
Δ N = fH·Δ Dm·sinα c·cosφ c
Δ E = fH·Δ Dm·sinα c·sinφ c
fD = 1-Δα2/24
fH = 1-(Δα2 +Δφ2)/24
注意,Δα和 Δφ的单位为弧度。
圆柱螺线法的简化处理劳林级数,sinx=x-x3/3!+x5/5!-…
取前两项,sinx≈x-x3/6
将圆柱螺线法公式中的 sin(Δα/2)
,sin(Δφ/2)展开,
sin(Δα/2)=(Δα/2)(1-Δα2/24)
sin(Δφ /2)=(Δφ /2)(1-Δφ2/24)
将上两式代入圆柱螺线法公式中，
便可的校正平均角法公式。
之所以称之为校正平均角法，因为其计算公式比平均角法只多一个
“校正”系数。
三、轨迹计算方法第三节 直井防斜技术概 述
☆ 井斜的概念实钻井眼轨迹偏离设计铅垂线的情况。
☆ 井斜的危害
（ 1）打乱油田井网布置
（ 2）影响勘探开发的准确性
（ 3）影响采油工艺,封隔器坐封不严；抽油杆磨损、疲劳；下泵困难等
（ 4）影响钻井工艺,钻柱磨损、疲劳；键槽卡钻；起下钻、下套管困难；固井质量差
☆ 直井防斜技术的发展
20世纪 20年代末，发现井斜
50年代,Lubinski等首次提出钟摆钻具防斜
60年代,Hoch首次提出满眼钻具防斜
20世纪 90年代，垂直导向钻井系统第三节 直井防斜技术一、井斜的原因
1）地质因素：地层可钻性的不均匀性和地层的层理与倾斜
2）钻具因素：钻具的倾斜和弯曲
3）井眼因素：井眼扩大第三节 直井防斜技术一、井斜的原因
1,地质因素
（ 1）地层可钻性的各向异性沉积岩特性,垂直层面方向可钻性高，易钻；平行层面方向可钻性低，难钻井 斜 趋 势,钻头总是有向钻井阻力小的方向前进的趋势。
地层倾角 <45°,钻头偏向垂直地层层面的方向；
地层倾角 >60 °,钻头沿平行地层层面方向下滑；
地层倾角在 45° ~ 60 ° 之间，井斜方向不稳定。
井斜变化规律：
第三节 直井防斜技术一、井斜的原因
1,地质因素
（ 2）地层软硬交错硬软v2
v1
钻头两侧地层软硬不同，
切削速度不同，钻头向地层上倾方向偏斜。
钻头钻至交界面时，压垮硬薄层，留下小台肩，把钻头推向地层上倾方向。
硬软小斜向器第三节 直井防斜技术一、井斜的原因
1,地质因素
（ 3）地层可钻性的横向变化在井眼的一侧钻遇溶洞或较疏松的地层，而在另一侧则钻遇较致密的地层，
则导致钻头在井眼两侧切削速度不同，从而造成井斜。
下部钻具的倾斜和弯曲将产生两种后果：
1）引起钻头倾斜，在井底形成不对称切削。
2）使钻头受侧向力的作用，产生侧向切削。
第三节 直井防斜技术一、井斜的原因
2,钻具倾斜和弯曲导致钻具倾斜和弯曲的原因,
（ 1）钻具和井眼之间有一定间隙。
（ 2）钻压的作用，钻柱受压靠近井壁或发生弯曲。
（ 3）钻具本身弯曲；转盘安装不平、井架安装不正等。
第三节 直井防斜技术一、井斜的原因
2,钻具倾斜和弯曲
3.井眼扩大
（ 1）钻头在井眼内左右移动，靠向一侧，导致井斜。
（ 2）受压弯曲的钻柱的挠度加大，钻头偏斜加剧。
W β
Wsinβ
钻头受侧向力作用二、满眼钻具组合控制井斜第三节 直井防斜技术
1,原理采用尺寸较大、刚度较强的下部钻具组合（ BHA),“填满”井眼。能够
,（ 1） 承受较大的钻压而不发生弯曲，有效限制钻头偏斜；（ 2）支撑在井壁上，抵抗钻头上的侧向力，限制钻头横移。
常用的满眼钻具：
◆ 刚性满眼扶正器组合，扶正器直径略小于钻头直径；
◆ 方钻铤，其截面对角线长度略小于钻头直径。
2.满眼钻具组合设计
YXY组合,钻挺 + 3~4个扶正器近扶,支撑井壁，抵抗侧向力，限制钻头偏斜。
中扶,保证中扶正器与钻头之间的钻柱不发生弯曲。
上扶,增大下部钻柱刚度,协助中扶防止钻柱弯曲四扶,增大下部钻柱的刚度，协助中扶防止钻柱弯曲。
二、满眼钻具组合控制井斜第三节 直井防斜技术
4 s i n16
mq
JEC
pL
64
44 )( cico ddJ
Lp
例题,已知钻头直径 216mm,扶正器直径 215mm,钻铤钢材的杨氏模量为 2.0594× 108kN/m2,钻铤外径 178mm,内径 71.4mm,钻井液密度 1.25 g/cm3,钻铤线重 1.6 kN/m,允许的最大井斜角 3°,
求 YXY组合的中扶距钻头的最优长度。
解：根据给定条件，可求得：
J =?（ dco4-dci4） /64 = 0.48× 10-4 m4,
qm =（ 1-?d/?s） q = 1.34 kN/m,
c =（ dh-ds） /2 = 0.0005 m
Lp = [(16C·E·J)/(qm·sinα )]0.25 = 5.789 m 。
二、满眼钻具组合控制井斜第三节 直井防斜技术
3.满眼钻具的使用
（ 1）用于防斜和稳斜，不能纠斜。
（ 2）可有效地控制井眼曲率，不能控制井斜角的大小。
（ 3）“以快保满，以满保直”。使用满眼钻具的关键在于一个,满,字。
间隙对满眼钻具组合性能影响显著。设计间隙一般为 Δ d=dh-ds=0.8-1.6mm。
当间隙 Δ d达到或超过两倍的设计值时，应及时更换或修复扶正器。在易坍塌井段，要抢在井径扩大以前钻出新的井眼。
（ 4）在井眼曲率大的井段使用，容易卡钻。因此在钻进软硬交错，或倾角较大的地层时，要注意适当减小钻压，勤划眼，以便消除可能出现的,狗腿,。
二、满眼钻具组合控制井斜第三节 直井防斜技术三、钟摆钻具组合控制井斜第三节 直井防斜技术
1,原理在已斜的井眼中，钻具处于倾斜状态。切点以下部分钻柱在重力的作用下使钻头对井眼的下侧井壁产生一个压力，此力称为钟摆力。钻头在此钟摆力的作用下切削下井壁。从而使新钻的井眼不断降斜。
增大钟摆力的途径：
1）加大钻铤尺寸，增加重力；
2）减小钻压，提高切点高度；
3）安装扶正器，提高切点高度。
三、钟摆钻具组合控制井斜第三节 直井防斜技术
2,扶正器位置的计算
（ 2） YXY计算模式
2
2
2
2
4
6.1 8 4
04.82
s i n
2
ch
dd
m
A
BACB
z
r
rJEC
rWB
qA
L
（ 1）扶正器位置对钟摆力的影响偏高，扶正器以下钻挺将与井壁接触形成新切点，钟摆力减小；
偏低，钟摆力小；
最优位置应该是，扶正器以下钻柱弯曲后刚要接触井壁，但尚未形成新切点，此时钟摆力达到最大。
3,钟摆钻具组合的使用
(1) 主要用于纠斜或降斜。不能稳斜。
(2) 其性能对钻压特别敏感。钻压增大，则增斜力增大，钟摆力减小。使用时必须严格控制钻压。
(3) 在直井内使用小钻压,吊打,可以防斜。
(4) 不能有效控制井眼曲率，易形成“狗腿”。
(5) 间隙对钟摆钻具组合性能的影响比较明显，因此扶正器直径磨损时要及时更换。
三、钟摆钻具组合控制井斜第三节 直井防斜技术第四节 定向井井眼轨道设计一、概述二、常规二维定向井的轨道设计一、概 述
2,定向井的类型
1,定向井的概念按照一定的目的要求，有控制地使井身沿着设计的方向和路线钻达预定的地下目标（靶位）和目的层段的井。
常规定向井,?m = 15° ～ 60°
大斜度井,?m = 60° ～ 85°
水平井,?m ≈ 90°
大位移井,水平位移与垂深之比大于 2.0。
按井斜角分：
三维定向井,纠偏、绕障，既有井斜角变化，又有方位变化。
按轨道类型分二维定向井 常规：由直线和圆弧组成的铅垂平面上的曲线。非常规：由直线、圆弧和变曲率曲线（悬链线、
抛物线）等组成的铅垂平面上的曲线。
井身剖面的概念井身剖面 是指轨道的垂直剖面图。
二维定向井轨道的水平投影图为一条直线，只需要设计垂直剖面图。故轨道设计又常称为 井身剖面设计。
三维定向井的轨道设计不称为井身剖面设计注意：二维定向井轨道的垂直剖面图即其垂直投影图。
横坐标,Lp=V=S
3,井身剖面及术语
mmD?
一、概 述第四节 定向井井眼轨道设计一、概述二、常规二维定向井的轨道设计
（一）设计原则二、常规二维定向井轨道设计
1.能实现钻定向井的目的
2.有利于安全、优质、快速钻井
3.有利于采油工艺
（二）设计内容
1.选择轨道类型
2.选择造斜点深度
3.选择造斜工具及其造斜率
4.井身参数计算
（三）常用轨道类型及其选择二、常规二维定向井轨道设计
mmD?
给定靶点参数（ Dt,St,θ0），
无其它要求，选用三段式。
给定 Dt,θ0,αt,ΔDmm
采用多靶三段式。
二、常规二维定向井轨道设计
mmD? mmD?
（三）常用轨道类型及其选择已知 St,Dt,θ0,αt,ΔDmm，且
αt较小，选用五段式轨道。
已知 St,Dt,θ0,αt,ΔDmm，
且 αt较大时，选用双增式剖面。
二、常规二维定向井轨道设计
（三）设计计算方法
1．三段式轨道设计
E
N
t
0
t0?
Dt
St
S
D
b
Rza
Dkop
b?
b?
（ 1）选择造斜点,Dkop
（ 2）选择造斜工具，确定造斜率,Rz=1/Kz
(注意 Kz要化为每米弧度单位参与计算 )
（ 3）井身参数计算：
最大井斜角：
mwD?
稳斜段长度：
各井段坐标增量及段长
b?
mwD?
给定靶点参数（ Dt,St,θ0），无其它要求，选用三段式。
二、常规二维定向井轨道设计
（三）设计计算方法
1．三段式轨道设计
ee
mwe
b SR
DD
2a r c t a n2?
eeeemw SRSDD 222
k opte DDD
te SS?
ze RR?
式中：
E
N
t
0
t0?
Dt
St
S
D
b
Rza
Dkop
b?
b?
mwD?
0
St
二、常规二维定向井轨道设计
（三）设计计算方法
2．多靶三段式轨道设计
mmD?
给定 Dt,θ0,αt,ΔDmm
采用多靶三段式。
t?
Dkop
zR
d
t?
zR
o
Dt
tt?（ 1）确定造斜点深度
（ 2）选择造斜工具，确定造斜率
（ 3）确定造斜点和井口位置
（ 4）计算井身参数目标点水平位移：
mwD?
稳斜段长度：
各井段坐标增量及段长
ts
mwD?
E
N
t0?
二、常规二维定向井轨道设计
（三）设计计算方法
2．多靶三段式轨道设计
ttzk o ptt RDDS t a n)]2/t a n ([
t
tzk o pt
mw
RDDD
c o s
)s i n(
0
St mmD?
t?
Dkop
zR
d
t?
zR
o
Dt
tt?
mwD?
E
N
t0?
3．五段式已知 St,Dt,θ0,αt,ΔDmm，且 αt
较小，选用五段式轨道。
二、常规二维定向井轨道设计
（三）设计计算方法
a
Dkop Rz Oz
b?
Dt
S
D
t
d
mmD?
t?
0
St
Rn
On
b
c
mwD?
（ 1）选择造斜点,Dkop
（ 2）选择造斜工具，确定造斜率（ Rz=1/Kz）
和降斜率（ Rn=1/Kn)
(注意 Kz和 Kn要化为每米弧度单位参与计算 )
（ 3）井身参数计算：
最大井斜角：
mwD?
稳斜段长度：
各井段坐标增量及段长
b?
E
N
t0?
二、常规二维定向井轨道设计
（三）设计计算方法
3．五段式轨道设计
ee
mwe
b SR
DD
2a r c t a n2?
eeeemw SRSDD 222
tnk o pte RDDD?s i n
)co s1( tnte RSS
nze RRR
式中：
a
Dkop Rz Oz
b?
Dt
S
D
t
d
mmD?
t?
0
St
Rn
On
b
c
mwD?
E
N
t0?
4．双增式已知 St,Dt,θ0,αt,ΔDmm，且 αt
较大时，选用双增式剖面。
二、常规二维定向井轨道设计
（三）设计计算方法
dt?
t
tS
tD
D
S0
mmD?
zzR
b?
b
c
zRaaD
mwD?
（ 1）选择造斜点,Dkop
（ 2）选择造斜工具，确定造斜率：
Rz=1/Kz,Rzz=1/Kzz)
（ 3）井身参数计算：
最大井斜角：
mwD?
稳斜段长度：
各井段坐标增量及段长
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E
N
t0?
二、常规二维定向井轨道设计
（三）设计计算方法
4．双增式轨道设计
ee
mwe
b SR
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222
eeemw RSDD
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式中：
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t
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E
N
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第五节 造斜工具及轨迹控制一、定向钻井工艺过程二、造斜工具及轨迹控制三、扭方位计算四、造斜工具定向
3,定向钻进转盘钻 + 固定稳定器组合转盘钻 + 可变径稳定器组合滑动导向钻具 + 转盘钻 —— 复合钻进旋转导向工具：几何导向；地质导向轨迹测量：单、多点测斜,MWD,LWD,FEWD
第五节 造斜工具及轨迹控制一、定向钻井工艺过程目标点定向钻进
1,垂直井段钻进转盘钻 + 防斜钻具组合
2,定向造斜旋转定向法：转盘钻 + 井底斜向器滑动定向法：井下动力钻具 + 弯接头；弯外壳螺杆钻具轨迹测量：单、多点测斜，随钻测斜造斜点钻直井段定向造斜第五节 造斜工具及轨迹控制二,造斜工具及轨迹控制技术几个基本概念：
（ 1）造斜工具：用于改变井眼方向（井斜角和方位角）的专用工具。
（ 2）造斜率,造斜工具在单位长度井眼内使井眼方向改变的角度。
造斜工具的实际造斜率等于所钻井段的井眼曲率。
（ 3）轨迹控制：借助于造斜工具和测量仪器对钻头前进方向进行控制，及时纠正偏差。
第五节 造斜工具及轨迹控制
1,斜向器
● 转盘钻定向钻井最早使用的造斜工具。
● 原理：变向器导斜面给钻头施加一侧向力。
● 工艺特点：
不能连续造斜，需要多次起下钻，工艺复杂，效率低。
● 用途：
全角调整式定向工具,目前主要用于套管开窗测钻。
二,造斜工具及轨迹控制技术斜向器造斜工艺过程第五节 造斜工具及轨迹控制二,造斜工具及轨迹控制技术
2,射流钻头
● 转盘钻定向钻井早期使用的造斜工具。
● 原理：不对称射流冲出斜井眼。
● 工艺特点：
不能连续造斜，需多次定向和启动转盘修整井眼。
● 用途：
全角调整式定向工具,目前主要缺乏动力钻具的情况下在软地层中使用。
第五节 造斜工具及轨迹控制二,造斜工具及轨迹控制技术
3,固定扶正器组合
◆ 特点,（ 1）在斜直井段和水平井段使用。
（ 2）转盘钻用井斜调整式导向工具，只能用于控制井斜角，不能改变井眼方位角。
（ 1）增斜组合：杠杆原理
◆ 结构及原理：
第五节 造斜工具及轨迹控制二,造斜工具及轨迹控制技术
（ 2）稳斜组合：刚性满眼原理
3,固定扶正器组合第五节 造斜工具及轨迹控制二,造斜工具及轨迹控制技术
3,固定扶正器组合
（ 3）降斜组合：钟摆原理第五节 造斜工具及轨迹控制二,造斜工具及轨迹控制技术
4,滑动造斜工具
◆ 型式,弯接头（弯钻杆） +动力钻具弯外壳螺杆钻具
◆ 原理：在钻头上产生侧向力
◆ 用 途：全角调整式造斜工具，主要用于定向造斜和轨迹控制第五节 造斜工具及轨迹控制二,造斜工具及轨迹控制技术
4,滑动导向工具
◆ 结构：弯外壳螺杆钻具 + 欠尺寸稳定器 + MWD
直外壳动力钻具 + 遥控弯接头 + MWD
◆ 工作原理：
（ 1）滑动钻进 —— 定向造斜
（ 2）旋转钻进 —— 稳斜
（ 3）复合钻进 —— 改变滑动和旋转钻进的相对比例，
可获得两种造斜率之间的 任何一种造斜率。
◆ 用 途：全角调整式导向工具，既可用于定向造斜，又可用于轨迹调整。
带单弯螺杆钻具的双稳定器滑动导向钻具组合第五节 造斜工具及轨迹控制二,造斜工具及轨迹控制技术
4,滑动导向工具带异向双弯螺杆钻具的双稳定器滑动导向钻具组合第五节 造斜工具及轨迹控制二,造斜工具及轨迹控制技术
4,滑动导向工具带同向双弯螺杆钻具的双稳定器滑动导向钻具组合第五节 造斜工具及轨迹控制二,造斜工具及轨迹控制技术
4,滑动导向工具
（ 1）类型：
遥控型 (排量、投球、钻压 )
如,法国的 VARISTAB
自控型 (检测 +CPU+执行机构 )
如,Halliburton的 HVGS
（ 2）用途,
1）通过遥控或自控调整稳定器的外径，达到不起下钻即可调整工具造斜特性的目的。
2）只能用来改变井斜，不能用来改变方位。
3）在斜井眼或水平井眼内使用,
第五节 造斜工具及轨迹控制二,造斜工具及轨迹控制技术
5,可变径稳定器组合导向工具 机构导 向机 构第五节 造斜工具及轨迹控制二,造斜工具及轨迹控制技术
6,旋转导向钻井系统
（ 1）系统组成
（ 2）导向方式几何导向 —— 根据预先设计的井眼轨道和实时检测的井眼轨迹的偏差矢量控制井眼轨迹。
地质导向 —— 利用 随钻测井 实时采集的近钻头处地质地层参数，超前预测和识别油气层，并根据需要调整井眼轨迹，引导钻头准确钻达油气富集区域。
第五节 造斜工具及轨迹控制二,造斜工具及轨迹控制技术
6,旋转导向钻井系统
（ 3）三种典型的旋转导向钻井系统简介
● AutoTrak 旋转闭环钻井系统（ RCLS）
● PowerDrive 旋转导向钻井系统（ SRD）
● Geo-Pilot 旋转导向自动钻井系统第五节 造斜工具及轨迹控制三、扭方位计算
1,装置角的概念
★ 装置角用来描述钻头在井底圆周上的位置。
★ 在井底圆周上，由井眼低边指向井眼高边的射线，称为 高边方向线 。过高边方向线的铅垂面即为 井斜铅垂面 。
★ 造斜工具轴线构成的平面称为 工具面 。
★ 工具面与井底平面的交线称为 装置方向线,
它指示造斜工具的作用方向。
★ 装置角,在井底平面上，以高边方向线为始边，顺时针转至装置方向线所转过的角度，称为装置角,用 ω表示。或井斜铅垂面与造斜工具面的夹角。
装置方向线扭方位：当已钻井眼方位不符合设计要求时，用造斜工具对井眼方位进行调整的操作。
第五节 造斜工具及轨迹控制三、扭方位计算
1,装置角的概念
★ 装置方位角,等于当前井底井斜方位角加上装置角,Φω=φ1+ω 。
近似指示造斜工具的作用方位。
★ 工具面角 的概念高边模式的工具面角，即 装置角 。
正北（磁北）模式的工具面角，近似为 装置方位角 。
第五节 造斜工具及轨迹控制三、扭方位计算
2,装置角与井斜角、方位角的关系
（ 1）基本关系式
c o ss i nc o sc o ss i n
s i ns i n
t a n
c o ss i ns i nc o sc o sc o s
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11
2121
1
21
第五节 造斜工具及轨迹控制三、扭方位计算
2,装置角与井斜角、方位角的关系
（ 2）一般规律
◇ ω=0,cosα2=cos（ α1+γ）,
全力增斜；
◇ ω=180,cosα2=cos（ α1-γ）
全力降斜；
◇ ω=± 90,cosα2=cosα1cosγ，
α1≈α2，近似稳斜；
◇ α1=α2时,稳斜扭方位，
cosω=－ tan(γ/2)/tanα1
ω=0°
ⅠⅡ
Ⅲ Ⅳ
ω=90°
ω=180°
ω=-90° (270 ° )
增斜减斜增方位减方位偏增角
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1
21
第五节 造斜工具及轨迹控制三、扭方位计算
3,装置角等参数的计算计算公式
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m
K
D
c o ss i ns i nc o sc o sc o s
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c o sc o sc o s
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2121
1
21
上述三个公式中，共有七个参数：
α1,α2,Δφ,γ,kc,ω,ΔDm
已知其中四个参数，可求出的另外三个。
”之间变化，取“在时：当
”；之间变化，取“在时：当
1 8 0~0
0
1 8 0~0
0
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1
211
注 意第五节 造斜工具及轨迹控制三、扭方位计算
4,动力钻具反扭角及其计算
（ 1）反扭角的概念作用在动力钻具定子上的反扭矩，使外壳及钻柱反向扭转，在紧靠动力钻具的钻柱断面上所转过的角度，称为动力钻具的反扭角，记为 φn。
（ 2）定向方位角
φs=φ1+ω+φn
φ1
ω
φn
φn
φs
N
E
原井底井斜方位造斜工具定向方位
（ 3）反扭角计算方法 ——试钻资料反算法方法、步骤祥见课本 P204。
第五节 造斜工具及轨迹控制四、造斜工具的定向定向：把造斜工具的工具面摆在预定的设计方位线上
1,定向磁铁定向法（双罗盘定向法）
罗盘仪
+ 定向罗盘
+ 定向磁铁第五节 造斜工具及轨迹控制四、造斜工具的定向
2,定向键定向法罗盘仪、陀螺仪 + 定向法线 + 骡鞋 + 定向键第六节 水平井钻井技术简介定义：水平井是指井眼轨迹达到水平以后，井眼继续延伸一定长度的定向井。延伸的长度要大于油层厚度的六倍。
水平井的分类：根据从垂直井段向水平井段转弯时的曲率半径的大小进行分类。
类别 造斜率 ( ° / 30 m) 井眼曲率半径 （ m) 水平段长度 (m)
长半径 2 ～ 6 860 ～ 2 80 300 ～ 1 70 0
中半径 6 ～ 20 280 ～ 85 200 ～ 1 00 0
中短半径 20 ～ 80 85 ～ 20 200 ～ 5 00
短半径 30 ～ 15 0 60 ～ 10 100 ～ 3 00
超短半径 特殊转向器 0.3 30 ～ 60
◆ 轨道与轨迹的概念轨道 ——设计的井眼轴线轨迹 ——实钻的井眼轴线概 述
A 井口目标点轨道轨迹
1.地面环境条件限制钻直井高山、湖泊、沼泽、河流、沟壑、海洋、农田或重要的建筑物等。
2.地下地质条件要求断层遮挡油藏、薄油层、倾角较大的地层钻进等。
3.处理井下事故井下落物侧钻、打救援井等。
4.提高油藏采收率钻穿多套油气层、老井侧钻等。
定向井用途：
概 述
◆ 直井：轨道为一条铅垂线的井
◆ 定向井：设计目标点与井口不在一条铅垂线的井概 述
◆ 轨迹控制技术的发展轨迹控制：直井防斜、定向钻井
★ 20世纪 20年代末，发现井斜，直井防斜技术。
★ 20世纪 30年代初，在海边向海里打定向井取得成功，定向井技术迅速发展和广泛应用。
★ 20世纪 30~40年代，转盘钻井经验预测定向钻井法
★ 20世纪 50~70年代，井底动力钻具经验预测定向钻井法
★ 20世纪 80年代，滑动导向钻井法,MWD技术
★ 20世纪 90年代至今，旋转导向钻井法，轨迹自动控制技术，几何导向与地质导向技术,MWD,LWD,FEWD技术本章内容提要第一节 井眼轨迹的基本概念第二节 轨迹测量及计算第三节 直井防斜技术第四节 定向井轨道设计第五节 定向井造斜工具及轨迹控制第一节 井眼轨迹的基本概念一,轨迹的基本参数二,轨迹的计算参数三,轨迹的图示方法一、轨迹的基本参数三个基本参数：井深、井斜角、井斜方位角
1.井深（或称为斜深、测深）
井口 (以转盘面为基准 )至井眼轨迹上某点 （测点） 的井眼长度 。
井深以字母 D m 表示，单位为 米 (m)。井深增量（段长）以 ΔDm 表示。
2.井斜角井眼轨迹上某点的切线向井眼前进方向延伸的部分 （称井眼方向线） 与重力线 （铅垂线） 之间的夹角 。
井斜角以字母 α 表示，单位为度 （ ° ） 。井斜角增量用 Δα表示。
3.井斜方位角 （或称方位角）
以某点 正北方位线 为始边顺时针旋转至该点 井斜方位线 所转过的角度。
（井眼轴线上某点的井眼方向线在水平面上的投影 称为井斜方位线 ）
方位角以字母 φ 表示，单位为度 （ ° ） 。方位角增量用 Δφ表示。
第一节 井眼轨迹的基本概念一,轨迹的基本参数二,轨迹的计算参数三,轨迹的图示方法垂直深度、水平长度、水平位移、平移方位角、Ｎ坐标和Ｅ
坐标、视平移、井眼曲率。
（ 1）垂直深度（垂深）
轨迹上某点至井口所在水平面的距离 （ D)。垂深增量称为垂增（ Δ Ｄ ）。
（ 2）水平投影长度（水平长度、平长）
轨迹上某点至井口的井眼轨迹在水平面上投影的长度 （ LP)，水平长度的增量称为平增（ Δ LP）。
（ 3）水平位移（平移）
轨迹上某点至井口所在铅垂线的距离 （ S）。或轨迹上某点至井口的距离在水平面上的投影。此投影线又称为 平移方位线 。
国外将水平位移称作 闭合距 。国内将完钻时的水平位移称为 闭合距 。
二、轨迹的计算参数
（ 4）平移方位角以正北方线为始边顺时针转至平移方位线上所转过的角度 （ θ ）。
国外将平移方位角称作 闭合方位角 。
国内指完钻时的平移方位角为 闭合方位角 。
（ 5）Ｎ坐标和Ｅ坐标轨迹上某点水平面上的投影在以井口为原点，南北方向和东西方向为坐标轴的水平面坐标系里的坐标。 分别用字母 N,E 表示，相应的增量用 ΔN、
Δ E 表示。
（ 6）视平移水平位移在设计方位线上的投影长度 。用字母 V 表示。
)c o s ( 0 SV
二、轨迹的计算参数
(7) 井眼曲率 K（狗腿严重度、全角变化率）
★ 狗腿角 γ （ 全角变化）：
轨迹上两点间的井眼方向变化的角度 （两点的井眼方向线的夹角）。
◆ Lubinski公式：
cosγ =cosα A·cosα B + sinα A·sinα B·cos(φ B-φ A)
◆ 行业标准计算公式：
γ =(Δα2+Δφ2·sin2α c)0.5
α c—— 井段的平均井斜角,（ ° ）,α c=(α A+α B)/2
★ 井眼曲率 K—— 井眼轨迹曲线的曲率。
Kc=γ/ΔDm
Ｋ c—— 井段的平均井眼曲率,(° )/m；
ΔDm—— 轨迹上两点间的井眼长度（段长）。
二、轨迹的计算参数第一节 井眼轨迹的基本概念一,轨迹的基本参数二,轨迹的计算参数三,轨迹的图示方法
1.三维图示法坐标系,0-D-N-E
借助辅助面，能形象直观地反映出井眼的形状和走向。但不能反映出真实的井身参数，且作图难度大。
三、井眼轨迹的图示方法
2,投影图示法垂直投影图 + 水平投影图轨迹在设计方位线所在的铅垂面上的投影。
原点：井口横坐标,视平移 V
纵坐标,垂深 D
轨迹在水平面上的投影。
原点：井口坐标轴,N,E
缺点：垂直投影图不能真实地反映 井深 Dm
和 井斜角 α等轨迹参数。 E
V
D
φ
α’
S
θ
N
LP
V
目标点设计方位线三、井眼轨迹的图示方法
3,柱面展开图示法垂直剖面图 + 水平投影图过轨迹上的每一点作铅垂线，所有铅垂线便构成一个曲面，称为柱面。
将此柱面展开就形成 垂直剖面图 。
原 点：井口横坐标,平长 LP
纵坐标,垂深 D
优 点
（ 1）容易想象轨迹形状
（ 2）能真实反映井身参数
（ 3）作图简便
pL
D
三、井眼轨迹的图示方法第二节 轨迹测量及计算一、测斜方法及测斜仪简介二、对测斜数据的规定三、轨迹计算方法
1.测量内容井深 Dm、井斜角 α,方位角 φ
一、测斜方法及测斜仪简介
地面记录陀螺电子陀螺多点陀螺单点陀螺陀螺测斜仪无线随钻有线随钻随钻测斜仪多点工作方式单点工作方式电子测斜仪多点测斜仪单点测斜仪照像测斜仪磁性测斜仪
2.测斜仪分类电源 钟机 相机 测角装置密封 减震扶正
3.测斜仪结构
4.磁性照像测斜仪的工作原理仪器内主要由井斜刻度盘、罗盘、十字摆锤、照明和照相系统组成。罗盘的 S极始终指地磁北极。
（ 2）井斜角的测量当测斜仪随井眼倾斜时，仪器轴线即为测点切线，
而十字摆锤始终指向重力线方向，重力线与仪器轴线的夹角即为井斜角。由摆锤在井斜刻度盘底片上的位置读取。
（ 3）井斜方位角的测量摆 锤所在铅垂线与仪器轴线（井眼方向线）构成井斜铅垂面，该井斜铅垂面与水平面的交线就是井斜方位线。摆锤在罗盘面上的投影位置所在的放射线与罗盘 N极之间的夹角即为井斜方位角。
一、测斜方法及测斜仪简介
（ 1）井深测量,根据电缆长度或钻柱长度。
4.磁性照像测斜仪的工作原理
EW
N
S
E EWW
一、测斜方法及测斜仪简介
5.磁偏角及校正东磁偏角 西磁偏角地北极磁北极磁方位角A B
磁偏角示意图真方位角 =磁方位角 + 东磁偏角真方位角 =磁方位角 –西磁偏角一、测斜方法及测斜仪简介第二节 轨迹测量及计算一、测斜方法及测斜仪简介二、对测斜数据的规定三、轨迹计算方法
1．测点编号,测斜自下而上，测点编号则自上而下。第一个井斜角不等于零的测点作为第 1测点。
2．测段编号,自上而下编号。第 i-1 测点与第 i 测点之间所夹的测段为第 i测段。
3．第０测点,第１测点的井深大于 25m 时，第０测点的井深比第１测点的井深小 25m，且井斜角规定为零。第１测点的井深小于或等于 25m时，规定第０测点的井深和井斜角均为零。
4．若 α i= 0,对第 i测段取,φ i=φ i-1；对第 i+1测段取,φ i=φ i+1 。
5,在一个测段内，井斜方位角变化的绝对值不得超过 180° 。
φ i-φ i-1>180° 时,Δφi=φ i-φ i-1-360°
φ c=(φ i+φ i-1)/2-180°
φ i-φ i-1<-180° 时,Δφi=φ i-φ i-1+360°
φ c=(φ i+φ i-1)/2+180°
二、对测斜计算数据的规定由 a点顺时针到 b点：
‖ Δφ‖ >180°
由 a点逆时针到 b点：
‖ Δφ‖ <180°
在不太长的测段内，应该是由 a点逆时针钻到 b点
。因此，井斜方位角增量为：
Δφ= Φb-φa-360 °
平均方位角为：
Φc= (φ i+φ i-1)/2-180°
ab
二、对测斜计算数据的规定第二节 轨迹测量及计算一、测斜方法及测斜仪简介二、对测斜数据的规定三、轨迹计算方法
1.测点坐标值计算公式
n...21i
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)0N)N/E(t a n1 8 0
)0N)N/E(t a n
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（
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三、轨迹计算方法
(Ni,Ei)
i?
0? iV
N
E
目标点方位线i-1
2.测段坐标增量的计算
（ 1）计算方法多样性根据测斜参数计算测段的四个坐标增量，就必须知道测段的几何形状。
而测斜只能测上下两点的参数，测段形状未知。计算时只能假设测段形状。
假设不同，计算方法不同。
国内外测段计算方法正切法假设测段为直线，其方向与下测点方向一致。
平衡正切法假设测段为两段等长度的折线，其方向分别与上、下测点方向一致。
平均角法假设测段为直线，其方向为上、下测点井斜角和方位角平均值确定的井眼方向 。
圆柱螺线法假设测段为圆柱螺线，螺线在两端点处与上、下两测点方向相切。
最小曲率法假设测段为空间斜平面圆弧
，圆弧在两端处与上、下测点方向相切。
三、轨迹计算方法
3.测段计算方法
（ 2）平均角法假设,测段为直线，其方向为上、
下测点井斜角和方位角平均值确定的井眼方向。
测段计算公式：
ΔD = ΔDm·cosαc
ΔLp = ΔDm·sinαc
ΔN = ΔDm·sinαc·cosφc
ΔE = ΔDm·sinαc·sinφc
三、轨迹计算方法
3.测段计算方法
（ 2）圆柱螺旋线法假设测段形状为一条等变螺旋角
(dα /dDm=常数）的圆柱螺线；其两端与上下两测点处井眼方向相切。在水平投影图上是圆弧。在垂直剖面图上也是圆弧。
测段计算公式：
ΔD=[2ΔDm·sin(Δα/2) ·cosαc] / Δα
ΔLp=[2ΔDm·sin(Δα/2) ·sinαc] / Δα
ΔN=[4ΔDm·sin(Δα/2) ·sinαc
·sin(Δφ/2) ·cosφc]/(Δα·Δφ)
ΔE=[4ΔDm·sin(Δα/2) ·sinαc
·sin(Δφ/2) ·sinφc]/(Δα·Δφ)
注意,Δα,Δφ单位为弧度。
三、轨迹计算方法
/mDR
/PLr
3.测段计算方法
（ 3）校正平均角法圆柱螺线法计算公式的分母上有
Δα,Δφ，一旦有一个增量为零就无法计算。郑基英教授对,圆柱螺线法,
进行了过 数学处理 提出,校正平均角法,。
测段计算公式：
Δ D = fD·Δ Dm·cosα c
Δ Lp = fD·Δ Dm·sinα c
Δ N = fH·Δ Dm·sinα c·cosφ c
Δ E = fH·Δ Dm·sinα c·sinφ c
fD = 1-Δα2/24
fH = 1-(Δα2 +Δφ2)/24
注意,Δα和 Δφ的单位为弧度。
圆柱螺线法的简化处理劳林级数,sinx=x-x3/3!+x5/5!-…
取前两项,sinx≈x-x3/6
将圆柱螺线法公式中的 sin(Δα/2)
,sin(Δφ/2)展开,
sin(Δα/2)=(Δα/2)(1-Δα2/24)
sin(Δφ /2)=(Δφ /2)(1-Δφ2/24)
将上两式代入圆柱螺线法公式中，
便可的校正平均角法公式。
之所以称之为校正平均角法，因为其计算公式比平均角法只多一个
“校正”系数。
三、轨迹计算方法第三节 直井防斜技术概 述
☆ 井斜的概念实钻井眼轨迹偏离设计铅垂线的情况。
☆ 井斜的危害
（ 1）打乱油田井网布置
（ 2）影响勘探开发的准确性
（ 3）影响采油工艺,封隔器坐封不严；抽油杆磨损、疲劳；下泵困难等
（ 4）影响钻井工艺,钻柱磨损、疲劳；键槽卡钻；起下钻、下套管困难；固井质量差
☆ 直井防斜技术的发展
20世纪 20年代末，发现井斜
50年代,Lubinski等首次提出钟摆钻具防斜
60年代,Hoch首次提出满眼钻具防斜
20世纪 90年代，垂直导向钻井系统第三节 直井防斜技术一、井斜的原因
1）地质因素：地层可钻性的不均匀性和地层的层理与倾斜
2）钻具因素：钻具的倾斜和弯曲
3）井眼因素：井眼扩大第三节 直井防斜技术一、井斜的原因
1,地质因素
（ 1）地层可钻性的各向异性沉积岩特性,垂直层面方向可钻性高，易钻；平行层面方向可钻性低，难钻井 斜 趋 势,钻头总是有向钻井阻力小的方向前进的趋势。
地层倾角 <45°,钻头偏向垂直地层层面的方向；
地层倾角 >60 °,钻头沿平行地层层面方向下滑；
地层倾角在 45° ~ 60 ° 之间，井斜方向不稳定。
井斜变化规律：
第三节 直井防斜技术一、井斜的原因
1,地质因素
（ 2）地层软硬交错硬软v2
v1
钻头两侧地层软硬不同，
切削速度不同，钻头向地层上倾方向偏斜。
钻头钻至交界面时，压垮硬薄层，留下小台肩，把钻头推向地层上倾方向。
硬软小斜向器第三节 直井防斜技术一、井斜的原因
1,地质因素
（ 3）地层可钻性的横向变化在井眼的一侧钻遇溶洞或较疏松的地层，而在另一侧则钻遇较致密的地层，
则导致钻头在井眼两侧切削速度不同，从而造成井斜。
下部钻具的倾斜和弯曲将产生两种后果：
1）引起钻头倾斜，在井底形成不对称切削。
2）使钻头受侧向力的作用，产生侧向切削。
第三节 直井防斜技术一、井斜的原因
2,钻具倾斜和弯曲导致钻具倾斜和弯曲的原因,
（ 1）钻具和井眼之间有一定间隙。
（ 2）钻压的作用，钻柱受压靠近井壁或发生弯曲。
（ 3）钻具本身弯曲；转盘安装不平、井架安装不正等。
第三节 直井防斜技术一、井斜的原因
2,钻具倾斜和弯曲
3.井眼扩大
（ 1）钻头在井眼内左右移动，靠向一侧，导致井斜。
（ 2）受压弯曲的钻柱的挠度加大，钻头偏斜加剧。
W β
Wsinβ
钻头受侧向力作用二、满眼钻具组合控制井斜第三节 直井防斜技术
1,原理采用尺寸较大、刚度较强的下部钻具组合（ BHA),“填满”井眼。能够
,（ 1） 承受较大的钻压而不发生弯曲，有效限制钻头偏斜；（ 2）支撑在井壁上，抵抗钻头上的侧向力，限制钻头横移。
常用的满眼钻具：
◆ 刚性满眼扶正器组合，扶正器直径略小于钻头直径；
◆ 方钻铤，其截面对角线长度略小于钻头直径。
2.满眼钻具组合设计
YXY组合,钻挺 + 3~4个扶正器近扶,支撑井壁，抵抗侧向力，限制钻头偏斜。
中扶,保证中扶正器与钻头之间的钻柱不发生弯曲。
上扶,增大下部钻柱刚度,协助中扶防止钻柱弯曲四扶,增大下部钻柱的刚度，协助中扶防止钻柱弯曲。
二、满眼钻具组合控制井斜第三节 直井防斜技术
4 s i n16
mq
JEC
pL
64
44 )( cico ddJ
Lp
例题,已知钻头直径 216mm,扶正器直径 215mm,钻铤钢材的杨氏模量为 2.0594× 108kN/m2,钻铤外径 178mm,内径 71.4mm,钻井液密度 1.25 g/cm3,钻铤线重 1.6 kN/m,允许的最大井斜角 3°,
求 YXY组合的中扶距钻头的最优长度。
解：根据给定条件，可求得：
J =?（ dco4-dci4） /64 = 0.48× 10-4 m4,
qm =（ 1-?d/?s） q = 1.34 kN/m,
c =（ dh-ds） /2 = 0.0005 m
Lp = [(16C·E·J)/(qm·sinα )]0.25 = 5.789 m 。
二、满眼钻具组合控制井斜第三节 直井防斜技术
3.满眼钻具的使用
（ 1）用于防斜和稳斜，不能纠斜。
（ 2）可有效地控制井眼曲率，不能控制井斜角的大小。
（ 3）“以快保满，以满保直”。使用满眼钻具的关键在于一个,满,字。
间隙对满眼钻具组合性能影响显著。设计间隙一般为 Δ d=dh-ds=0.8-1.6mm。
当间隙 Δ d达到或超过两倍的设计值时，应及时更换或修复扶正器。在易坍塌井段，要抢在井径扩大以前钻出新的井眼。
（ 4）在井眼曲率大的井段使用，容易卡钻。因此在钻进软硬交错，或倾角较大的地层时，要注意适当减小钻压，勤划眼，以便消除可能出现的,狗腿,。
二、满眼钻具组合控制井斜第三节 直井防斜技术三、钟摆钻具组合控制井斜第三节 直井防斜技术
1,原理在已斜的井眼中，钻具处于倾斜状态。切点以下部分钻柱在重力的作用下使钻头对井眼的下侧井壁产生一个压力，此力称为钟摆力。钻头在此钟摆力的作用下切削下井壁。从而使新钻的井眼不断降斜。
增大钟摆力的途径：
1）加大钻铤尺寸，增加重力；
2）减小钻压，提高切点高度；
3）安装扶正器，提高切点高度。
三、钟摆钻具组合控制井斜第三节 直井防斜技术
2,扶正器位置的计算
（ 2） YXY计算模式
2
2
2
2
4
6.1 8 4
04.82
s i n
2
ch
dd
m
A
BACB
z
r
rJEC
rWB
qA
L
（ 1）扶正器位置对钟摆力的影响偏高，扶正器以下钻挺将与井壁接触形成新切点，钟摆力减小；
偏低，钟摆力小；
最优位置应该是，扶正器以下钻柱弯曲后刚要接触井壁，但尚未形成新切点，此时钟摆力达到最大。
3,钟摆钻具组合的使用
(1) 主要用于纠斜或降斜。不能稳斜。
(2) 其性能对钻压特别敏感。钻压增大，则增斜力增大，钟摆力减小。使用时必须严格控制钻压。
(3) 在直井内使用小钻压,吊打,可以防斜。
(4) 不能有效控制井眼曲率，易形成“狗腿”。
(5) 间隙对钟摆钻具组合性能的影响比较明显，因此扶正器直径磨损时要及时更换。
三、钟摆钻具组合控制井斜第三节 直井防斜技术第四节 定向井井眼轨道设计一、概述二、常规二维定向井的轨道设计一、概 述
2,定向井的类型
1,定向井的概念按照一定的目的要求，有控制地使井身沿着设计的方向和路线钻达预定的地下目标（靶位）和目的层段的井。
常规定向井,?m = 15° ～ 60°
大斜度井,?m = 60° ～ 85°
水平井,?m ≈ 90°
大位移井,水平位移与垂深之比大于 2.0。
按井斜角分：
三维定向井,纠偏、绕障，既有井斜角变化，又有方位变化。
按轨道类型分二维定向井 常规：由直线和圆弧组成的铅垂平面上的曲线。非常规：由直线、圆弧和变曲率曲线（悬链线、
抛物线）等组成的铅垂平面上的曲线。
井身剖面的概念井身剖面 是指轨道的垂直剖面图。
二维定向井轨道的水平投影图为一条直线，只需要设计垂直剖面图。故轨道设计又常称为 井身剖面设计。
三维定向井的轨道设计不称为井身剖面设计注意：二维定向井轨道的垂直剖面图即其垂直投影图。
横坐标,Lp=V=S
3,井身剖面及术语
mmD?
一、概 述第四节 定向井井眼轨道设计一、概述二、常规二维定向井的轨道设计
（一）设计原则二、常规二维定向井轨道设计
1.能实现钻定向井的目的
2.有利于安全、优质、快速钻井
3.有利于采油工艺
（二）设计内容
1.选择轨道类型
2.选择造斜点深度
3.选择造斜工具及其造斜率
4.井身参数计算
（三）常用轨道类型及其选择二、常规二维定向井轨道设计
mmD?
给定靶点参数（ Dt,St,θ0），
无其它要求，选用三段式。
给定 Dt,θ0,αt,ΔDmm
采用多靶三段式。
二、常规二维定向井轨道设计
mmD? mmD?
（三）常用轨道类型及其选择已知 St,Dt,θ0,αt,ΔDmm，且
αt较小，选用五段式轨道。
已知 St,Dt,θ0,αt,ΔDmm，
且 αt较大时，选用双增式剖面。
二、常规二维定向井轨道设计
（三）设计计算方法
1．三段式轨道设计
E
N
t
0
t0?
Dt
St
S
D
b
Rza
Dkop
b?
b?
（ 1）选择造斜点,Dkop
（ 2）选择造斜工具，确定造斜率,Rz=1/Kz
(注意 Kz要化为每米弧度单位参与计算 )
（ 3）井身参数计算：
最大井斜角：
mwD?
稳斜段长度：
各井段坐标增量及段长
b?
mwD?
给定靶点参数（ Dt,St,θ0），无其它要求，选用三段式。
二、常规二维定向井轨道设计
（三）设计计算方法
1．三段式轨道设计
ee
mwe
b SR
DD
2a r c t a n2?
eeeemw SRSDD 222
k opte DDD
te SS?
ze RR?
式中：
E
N
t
0
t0?
Dt
St
S
D
b
Rza
Dkop
b?
b?
mwD?
0
St
二、常规二维定向井轨道设计
（三）设计计算方法
2．多靶三段式轨道设计
mmD?
给定 Dt,θ0,αt,ΔDmm
采用多靶三段式。
t?
Dkop
zR
d
t?
zR
o
Dt
tt?（ 1）确定造斜点深度
（ 2）选择造斜工具，确定造斜率
（ 3）确定造斜点和井口位置
（ 4）计算井身参数目标点水平位移：
mwD?
稳斜段长度：
各井段坐标增量及段长
ts
mwD?
E
N
t0?
二、常规二维定向井轨道设计
（三）设计计算方法
2．多靶三段式轨道设计
ttzk o ptt RDDS t a n)]2/t a n ([
t
tzk o pt
mw
RDDD
c o s
)s i n(
0
St mmD?
t?
Dkop
zR
d
t?
zR
o
Dt
tt?
mwD?
E
N
t0?
3．五段式已知 St,Dt,θ0,αt,ΔDmm，且 αt
较小，选用五段式轨道。
二、常规二维定向井轨道设计
（三）设计计算方法
a
Dkop Rz Oz
b?
Dt
S
D
t
d
mmD?
t?
0
St
Rn
On
b
c
mwD?
（ 1）选择造斜点,Dkop
（ 2）选择造斜工具，确定造斜率（ Rz=1/Kz）
和降斜率（ Rn=1/Kn)
(注意 Kz和 Kn要化为每米弧度单位参与计算 )
（ 3）井身参数计算：
最大井斜角：
mwD?
稳斜段长度：
各井段坐标增量及段长
b?
E
N
t0?
二、常规二维定向井轨道设计
（三）设计计算方法
3．五段式轨道设计
ee
mwe
b SR
DD
2a r c t a n2?
eeeemw SRSDD 222
tnk o pte RDDD?s i n
)co s1( tnte RSS
nze RRR
式中：
a
Dkop Rz Oz
b?
Dt
S
D
t
d
mmD?
t?
0
St
Rn
On
b
c
mwD?
E
N
t0?
4．双增式已知 St,Dt,θ0,αt,ΔDmm，且 αt
较大时，选用双增式剖面。
二、常规二维定向井轨道设计
（三）设计计算方法
dt?
t
tS
tD
D
S0
mmD?
zzR
b?
b
c
zRaaD
mwD?
（ 1）选择造斜点,Dkop
（ 2）选择造斜工具，确定造斜率：
Rz=1/Kz,Rzz=1/Kzz)
（ 3）井身参数计算：
最大井斜角：
mwD?
稳斜段长度：
各井段坐标增量及段长
b?
E
N
t0?
二、常规二维定向井轨道设计
（三）设计计算方法
4．双增式轨道设计
ee
mwe
b SR
DD
a r c t a n2?
222
eeemw RSDD
tzzk o pte RDDD?s i n
)co s1( tzzzte RRSS
zzze RRR
式中：
dt?
t
tS
tD
D
S0
mmD?
zzR
b?
b
c
zRaaD
mwD?
E
N
t0?
第五节 造斜工具及轨迹控制一、定向钻井工艺过程二、造斜工具及轨迹控制三、扭方位计算四、造斜工具定向
3,定向钻进转盘钻 + 固定稳定器组合转盘钻 + 可变径稳定器组合滑动导向钻具 + 转盘钻 —— 复合钻进旋转导向工具：几何导向；地质导向轨迹测量：单、多点测斜,MWD,LWD,FEWD
第五节 造斜工具及轨迹控制一、定向钻井工艺过程目标点定向钻进
1,垂直井段钻进转盘钻 + 防斜钻具组合
2,定向造斜旋转定向法：转盘钻 + 井底斜向器滑动定向法：井下动力钻具 + 弯接头；弯外壳螺杆钻具轨迹测量：单、多点测斜，随钻测斜造斜点钻直井段定向造斜第五节 造斜工具及轨迹控制二,造斜工具及轨迹控制技术几个基本概念：
（ 1）造斜工具：用于改变井眼方向（井斜角和方位角）的专用工具。
（ 2）造斜率,造斜工具在单位长度井眼内使井眼方向改变的角度。
造斜工具的实际造斜率等于所钻井段的井眼曲率。
（ 3）轨迹控制：借助于造斜工具和测量仪器对钻头前进方向进行控制，及时纠正偏差。
第五节 造斜工具及轨迹控制
1,斜向器
● 转盘钻定向钻井最早使用的造斜工具。
● 原理：变向器导斜面给钻头施加一侧向力。
● 工艺特点：
不能连续造斜，需要多次起下钻，工艺复杂，效率低。
● 用途：
全角调整式定向工具,目前主要用于套管开窗测钻。
二,造斜工具及轨迹控制技术斜向器造斜工艺过程第五节 造斜工具及轨迹控制二,造斜工具及轨迹控制技术
2,射流钻头
● 转盘钻定向钻井早期使用的造斜工具。
● 原理：不对称射流冲出斜井眼。
● 工艺特点：
不能连续造斜，需多次定向和启动转盘修整井眼。
● 用途：
全角调整式定向工具,目前主要缺乏动力钻具的情况下在软地层中使用。
第五节 造斜工具及轨迹控制二,造斜工具及轨迹控制技术
3,固定扶正器组合
◆ 特点,（ 1）在斜直井段和水平井段使用。
（ 2）转盘钻用井斜调整式导向工具，只能用于控制井斜角，不能改变井眼方位角。
（ 1）增斜组合：杠杆原理
◆ 结构及原理：
第五节 造斜工具及轨迹控制二,造斜工具及轨迹控制技术
（ 2）稳斜组合：刚性满眼原理
3,固定扶正器组合第五节 造斜工具及轨迹控制二,造斜工具及轨迹控制技术
3,固定扶正器组合
（ 3）降斜组合：钟摆原理第五节 造斜工具及轨迹控制二,造斜工具及轨迹控制技术
4,滑动造斜工具
◆ 型式,弯接头（弯钻杆） +动力钻具弯外壳螺杆钻具
◆ 原理：在钻头上产生侧向力
◆ 用 途：全角调整式造斜工具，主要用于定向造斜和轨迹控制第五节 造斜工具及轨迹控制二,造斜工具及轨迹控制技术
4,滑动导向工具
◆ 结构：弯外壳螺杆钻具 + 欠尺寸稳定器 + MWD
直外壳动力钻具 + 遥控弯接头 + MWD
◆ 工作原理：
（ 1）滑动钻进 —— 定向造斜
（ 2）旋转钻进 —— 稳斜
（ 3）复合钻进 —— 改变滑动和旋转钻进的相对比例，
可获得两种造斜率之间的 任何一种造斜率。
◆ 用 途：全角调整式导向工具，既可用于定向造斜，又可用于轨迹调整。
带单弯螺杆钻具的双稳定器滑动导向钻具组合第五节 造斜工具及轨迹控制二,造斜工具及轨迹控制技术
4,滑动导向工具带异向双弯螺杆钻具的双稳定器滑动导向钻具组合第五节 造斜工具及轨迹控制二,造斜工具及轨迹控制技术
4,滑动导向工具带同向双弯螺杆钻具的双稳定器滑动导向钻具组合第五节 造斜工具及轨迹控制二,造斜工具及轨迹控制技术
4,滑动导向工具
（ 1）类型：
遥控型 (排量、投球、钻压 )
如,法国的 VARISTAB
自控型 (检测 +CPU+执行机构 )
如,Halliburton的 HVGS
（ 2）用途,
1）通过遥控或自控调整稳定器的外径，达到不起下钻即可调整工具造斜特性的目的。
2）只能用来改变井斜，不能用来改变方位。
3）在斜井眼或水平井眼内使用,
第五节 造斜工具及轨迹控制二,造斜工具及轨迹控制技术
5,可变径稳定器组合导向工具 机构导 向机 构第五节 造斜工具及轨迹控制二,造斜工具及轨迹控制技术
6,旋转导向钻井系统
（ 1）系统组成
（ 2）导向方式几何导向 —— 根据预先设计的井眼轨道和实时检测的井眼轨迹的偏差矢量控制井眼轨迹。
地质导向 —— 利用 随钻测井 实时采集的近钻头处地质地层参数，超前预测和识别油气层，并根据需要调整井眼轨迹，引导钻头准确钻达油气富集区域。
第五节 造斜工具及轨迹控制二,造斜工具及轨迹控制技术
6,旋转导向钻井系统
（ 3）三种典型的旋转导向钻井系统简介
● AutoTrak 旋转闭环钻井系统（ RCLS）
● PowerDrive 旋转导向钻井系统（ SRD）
● Geo-Pilot 旋转导向自动钻井系统第五节 造斜工具及轨迹控制三、扭方位计算
1,装置角的概念
★ 装置角用来描述钻头在井底圆周上的位置。
★ 在井底圆周上，由井眼低边指向井眼高边的射线，称为 高边方向线 。过高边方向线的铅垂面即为 井斜铅垂面 。
★ 造斜工具轴线构成的平面称为 工具面 。
★ 工具面与井底平面的交线称为 装置方向线,
它指示造斜工具的作用方向。
★ 装置角,在井底平面上，以高边方向线为始边，顺时针转至装置方向线所转过的角度，称为装置角,用 ω表示。或井斜铅垂面与造斜工具面的夹角。
装置方向线扭方位：当已钻井眼方位不符合设计要求时，用造斜工具对井眼方位进行调整的操作。
第五节 造斜工具及轨迹控制三、扭方位计算
1,装置角的概念
★ 装置方位角,等于当前井底井斜方位角加上装置角,Φω=φ1+ω 。
近似指示造斜工具的作用方位。
★ 工具面角 的概念高边模式的工具面角，即 装置角 。
正北（磁北）模式的工具面角，近似为 装置方位角 。
第五节 造斜工具及轨迹控制三、扭方位计算
2,装置角与井斜角、方位角的关系
（ 1）基本关系式
c o ss i nc o sc o ss i n
s i ns i n
t a n
c o ss i ns i nc o sc o sc o s
s i ns i n
c o sc o sc o s
c o s
11
2121
1
21
第五节 造斜工具及轨迹控制三、扭方位计算
2,装置角与井斜角、方位角的关系
（ 2）一般规律
◇ ω=0,cosα2=cos（ α1+γ）,
全力增斜；
◇ ω=180,cosα2=cos（ α1-γ）
全力降斜；
◇ ω=± 90,cosα2=cosα1cosγ，
α1≈α2，近似稳斜；
◇ α1=α2时,稳斜扭方位，
cosω=－ tan(γ/2)/tanα1
ω=0°
ⅠⅡ
Ⅲ Ⅳ
ω=90°
ω=180°
ω=-90° (270 ° )
增斜减斜增方位减方位偏增角
s ins in
c o sc o sc o sc o s
1
21
第五节 造斜工具及轨迹控制三、扭方位计算
3,装置角等参数的计算计算公式
c
m
K
D
c o ss i ns i nc o sc o sc o s
s i ns i n
c o sc o sc o s
c o s
2121
1
21
上述三个公式中，共有七个参数：
α1,α2,Δφ,γ,kc,ω,ΔDm
已知其中四个参数，可求出的另外三个。
”之间变化，取“在时：当
”；之间变化，取“在时：当
1 8 0~0
0
1 8 0~0
0
s ins in
c o sc o sc o s
c o s
1
211
注 意第五节 造斜工具及轨迹控制三、扭方位计算
4,动力钻具反扭角及其计算
（ 1）反扭角的概念作用在动力钻具定子上的反扭矩，使外壳及钻柱反向扭转，在紧靠动力钻具的钻柱断面上所转过的角度，称为动力钻具的反扭角，记为 φn。
（ 2）定向方位角
φs=φ1+ω+φn
φ1
ω
φn
φn
φs
N
E
原井底井斜方位造斜工具定向方位
（ 3）反扭角计算方法 ——试钻资料反算法方法、步骤祥见课本 P204。
第五节 造斜工具及轨迹控制四、造斜工具的定向定向：把造斜工具的工具面摆在预定的设计方位线上
1,定向磁铁定向法（双罗盘定向法）
罗盘仪
+ 定向罗盘
+ 定向磁铁第五节 造斜工具及轨迹控制四、造斜工具的定向
2,定向键定向法罗盘仪、陀螺仪 + 定向法线 + 骡鞋 + 定向键第六节 水平井钻井技术简介定义：水平井是指井眼轨迹达到水平以后，井眼继续延伸一定长度的定向井。延伸的长度要大于油层厚度的六倍。
水平井的分类：根据从垂直井段向水平井段转弯时的曲率半径的大小进行分类。
类别 造斜率 ( ° / 30 m) 井眼曲率半径 （ m) 水平段长度 (m)
长半径 2 ～ 6 860 ～ 2 80 300 ～ 1 70 0
中半径 6 ～ 20 280 ～ 85 200 ～ 1 00 0
中短半径 20 ～ 80 85 ～ 20 200 ～ 5 00
短半径 30 ～ 15 0 60 ～ 10 100 ～ 3 00
超短半径 特殊转向器 0.3 30 ～ 60
