7水平井井眼轨道设计与轨迹控制技术研究

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1、7水平井井眼轨道设计与轨道控制技术研究7」定向井轨道设计理论定向井井身轨道的设计方法涉及到二维设计方法和三维设计方法，对斜井井、水平井、大位移井、侧钻水平井、大曲率半径、屮曲率半径、短曲率半径、超短曲率半径等井型都有相应的设计方法。其共同的特点就是设计出来的轨道能够满足现场的施工要求，却不能肯定它是一条可行的最优轨道。所谓最优轨道有以下三个含义：1）设计轨道必须满足现场施工条件的限制；2）设计轨道应当是满足各种设计要求下的最短轨道；3）设计轨道的钻柱和摩阻力应当相对最小，设计出來的轨道具有最小的

2、井斜变化率和方位变化率。7丄1典型的二维井眼轨道模型定向井绝大多数都设计为二维轨道。即设计轨道位于某个铅垂平面（过设计方位线）内。根据钻井工艺技术要求，一般井眼轨道设计普遍采用直线与圆弧组成井身结构剖面。但随Z钻井技术的发展，20世纪80年代出现了悬链线和抛物线井身剖面，由于能够显著降低钻柱的摩擦阻力，在大位移井设计中显示出优越性。据此可以将二维井眼轨道分为四类：直线、圆弧线、悬链线和抛物线。（1）直线模型直线模型是最简单的井眼轨道模型。用于直井段、水平井段和稳斜井段。实际上，直井段、水平井段都

3、是稳斜井段的一种特例。直线AB上任一点M的井眼轨道参数为（图7・1所示人(7-1)Dm=Da+ALcosa0SM=SA+ALsina0式中：AL线段AM长度。曲率：K井斜角：=o；=a。。图7-1井眼轨道的直线模型井眼轨道的圆弧线模型用于描述常规的增斜井段和降斜井段。对于增斜井段：如果给定圆弧井段的曲率半径R,那么该井段内任一点“出的井眼轨道参数为（图7・2所示人180NLaM=购+~(7-2)兀RDm=Z)zJ+7?(sina-sin)SM=SA-t-7?(cos«0一cosg)式中：AL——

4、圆弧段AM长度。图7・2井眼轨道的圆弧模型（增斜）对于降斜井段：如果给定圆弧井段的曲率半径R,那么该井段内任一点M出的井眼轨道参数为（图7・3所示）：180AL%=D4+R(sina()-since)(7-3)SM=SA+7?(cosa-cosa0)图7・3井眼轨道的圆弧模型（降斜）对于公式（7-2）.（7-3）,如果把降斜井段的曲率半径R定义为负值，则降斜•井段公式(7-2)在形式上和増斜井段公式(7-3)完全一致，简化了计算公式。(3)悬链线模型悬链线可以减小钻柱摩擦阻力，提高钻井钻深能力，

5、有利于套管下入和居中,在大位移井中具有显著的优越性。那么该井段内任一点M出的井眼轨道参数为(图7・4所示)。tan=几=6+a(X°_X)SM=S^a(Y0-Y)其屮:X=-Inl2)>Y=l/sinaM(7-4)(7-5)式中：AL—弧段AM长度。图7-4井眼轨道的悬链线模型7.1.2通用圆弧形剖面及设计方法(1)通用弧型剖面目前各种定向井、水平井及其特殊形状的井段的井身剖面设计有十多种之多，每一种剖面都需要与之对应的井眼轨道设计方法，如水平井普遍采用“双增剖面J“三增剖面”，其至是特殊的拱形

6、、梯形剖面，这些设计剖面都不具有普遍性。事实上，二维圆弧型井身剖面都是由垂直线段、稳斜段、水平段和增斜段及其降斜段组成。而水平段和垂肓段实际上都是直线的轨道模型，同时还可以视为是圆弧段的特例。只要我们定义增斜井段的曲率半径为正、降斜段曲率半径为负值，可以给出增斜段和降斜段的等效计算公式。据此有理由认为通用二维圆弧井身剖面为“稳斜段一增斜段一稳斜段一……稳斜段一增斜段一稳斜段"这样的模型（图7・5所示）。图7-5通用圆弧形剖面示意图实际上，对于任一种井身剖面，只需要在通用井身剖面中确定出井段数n和

7、部分特征参数即可。对于三段式，井段数目n=3；五段式（S型、双增型）井段数目n=5。如果设剖面总段数为n,那么：①稳斜段序号为奇数；②圆弧段序号为偶数。（2）特征参数及约束方程稳斜段特征参数是段长和井斜角。圆弧段特征参数是曲率半径和起始点井斜角。且起止点的井斜角等于相邻稳斜段井斜角。设标准井身剖面由n段组成，贝h①稳斜段数为（n+1）/2；②圆弧段数为（n・l）/2；③特征参数总数为（3n+l）/2。无论井身剖面有多少个井段组成，整个井身剖面的各井段的垂深和水平位移增量Z和应该等于总垂深和总水平

8、位移。BP：、:（7-6）BP："+l〃2(2)[2E4-cosOC2/-1+SR2jsinH"a2y_1)=Dt(7-7)/=17=15+1〃2(n-)/2E△厶21劝a2i_}+工R2j(cosa?闩一cosa2/+1)=&/=1J=1显然上述方程组可以最多求解2个特征（关键）参数。以往选择稳斜段长度和井斜角作为特征参数，实际上这两个参数是可以任选的。所以原设计方法只是满足上述方程的一组特解。这种交互式的设计方法避免了盲目的试算和人为因素的干扰，实现井身剖而的优化设计。对上述方程组的