井眼轨道设计与监测.pptx

1 目目 录录1.井眼轨道优化设计井眼轨道优化设计 2.实钻轨道监测技术实钻轨道监测技术 3.中靶预测及设计中靶预测及设计4.随钻修正轨道设计随钻修正轨道设计 5.安全圆柱与防碰计算安全圆柱与防碰计算6.优化设计与监测软件优化设计与监测软件7.设计与计算实例设计与计算实例专题讨论专题讨论特殊形状的水平井特殊形状的水平井段设计段设计；急需解决的技术问急需解决的技术问题题。2 1.井眼轨道优化设计井眼轨道优化设计基本步骤基本步骤v选择剖面类型；v确定造斜点、造斜率等参数；v求解关键的待定参数；v井眼轨道节点参数计算；v井眼轨道分点参数计算；v设计结果制表及绘图。3 三段制轨道OSO1aDtR1DaStbtDabf1.井眼轨道优化设计井眼轨道优化设计1.1 剖面类型剖面类型 4 1.井眼轨道优化设计井眼轨道优化设计1.1 剖面类型剖面类型 O1O2DtdOSaDaStDtabct五段制轨道bf 5 双增轨道OSO1O2aDtR1DaStR2btDabtdcf1.井眼轨道优化设计井眼轨道优化设计1.1 剖面类型剖面类型 6 1.井眼轨道优化设计井眼轨道优化设计1.2 设计方法设计方法 v图解法(作图法)；v查图法(标准图板)；v平面解析法(国内外有所差异)；传统方法传统方法井眼轨道几何学井眼轨道几何学基于空间解析几何、微分几何原理，进行井眼轨道的描述、设计、计算、监测和分析的一整套科学体系。7 三段式(J型)五段式(S型)双增式(B型)二维定向井的典型剖面二维定向井的典型剖面OSO1O2oHTR1HZHfSTLwR2wfTH1.1 二维定向井设计二维定向井设计 1.井眼轨道优化设计井眼轨道优化设计 8 1.井眼轨道优化设计井眼轨道优化设计1.2 设计方法设计方法 国外方法：国外方法：9 1.井眼轨道优化设计井眼轨道优化设计1.2 设计方法设计方法 国内国内(增降模型增降模型)：10 1.井眼轨道优化设计井眼轨道优化设计1.2 设计方法设计方法 国内国内(双增模型双增模型)：11 多圆弧组合剖面示意图多圆弧组合剖面示意图OSO1L1HtR1StR32HabtdcL5134O2O3R21.井眼轨道优化设计井眼轨道优化设计1.3 三增剖面三增剖面 12 1.5 三维漂移定向井设计三维漂移定向井设计 YXOT1.井眼轨道优化设计井眼轨道优化设计 13 1.5 三维漂移定向井设计三维漂移定向井设计 漂移轨道设计的优势漂移轨道设计的优势v解放钻压、提高机械钻速v减少扭方位和起下钻次数v减少井眼轨道控制的难度和工作量v提高井身质量，降低钻井成本1.井眼轨道优化设计井眼轨道优化设计 14 1.5 三维漂移定向井设计三维漂移定向井设计基本方程基本方程 1.井眼轨道优化设计井眼轨道优化设计 15 1.5 三维漂移定向井设计三维漂移定向井设计约束方程约束方程 1.井眼轨道优化设计井眼轨道优化设计 16 定向井的漂移轨道示意图定向井的漂移轨道示意图O1O2ZTL3TOS0ZKSTZfZfABCD垂直剖面展开图水平投影图YXO0TTABCDSTVT1.5 三维漂移定向井设计三维漂移定向井设计 1.井眼轨道优化设计井眼轨道优化设计 17 1.6 绕障井设计绕障井设计水平投影图设计水平投影图设计 gRgOTPQVTVgOyX水平投影图设计水平投影图设计DHDVYx1.井眼轨道优化设计井眼轨道优化设计 18 将O-XY坐标系绕井口点顺时针旋转t角度，使X轴通过目标点t而建立新坐标系O-xy，则 1.6 绕障井设计绕障井设计绕障必要性判断绕障必要性判断1.井眼轨道优化设计井眼轨道优化设计如果 则需要进行绕障设计。否则，不必考虑障碍物，进行常规的二维设计即可。19 1.6 绕障井设计绕障井设计绕障方向判断，绕障方向判断，并求初始设计方位并求初始设计方位 1.井眼轨道优化设计井眼轨道优化设计 20 1.6 绕障井设计绕障井设计求方位扭转角求方位扭转角 1.井眼轨道优化设计井眼轨道优化设计其中 其中 其中 21 垂直剖面图垂直剖面图OSO1oHTRHZSTLwwTHPABQ1.6 绕障井设计绕障井设计垂直剖面图设计垂直剖面图设计1.井眼轨道优化设计井眼轨道优化设计关键参数的求法同二关键参数的求法同二维设计维设计(用水平位移用水平位移)难点：难点：P、Q点的位置判别，点的位置判别，及相关计算及相关计算 22 v靶区轨道设计靶区轨道设计 选择靶段的剖面类型 确定合理的入靶方向v靶前轨道设计靶前轨道设计 需要考虑进入首靶的井眼方向1.7 多目标井设计多目标井设计 1.井眼轨道优化设计井眼轨道优化设计 23 直线模型直线模型 1.7 多目标井设计多目标井设计 入靶方向入靶方向1.井眼轨道优化设计井眼轨道优化设计 24 空间圆弧模型空间圆弧模型RijTiijTj空间圆弧模型示意图空间圆弧模型示意图1.7 多目标井设计多目标井设计入靶方向入靶方向 1.井眼轨道优化设计井眼轨道优化设计 25 三点定圆模型三点定圆模型TitTkTj三点定圆模型示意图三点定圆模型示意图1.7 多目标井设计多目标井设计入靶方向入靶方向 1.井眼轨道优化设计井眼轨道优化设计 26 自适应模型自适应模型1.7 多目标井设计多目标井设计入靶方向入靶方向 1.井眼轨道优化设计井眼轨道优化设计 27 2.实钻轨道监测技术实钻轨道监测技术 2.1 井眼轨道的挠曲形态井眼轨道的挠曲形态Frenet标架标架法面密切面从切面TMbnt 28 例子：(500m,4,357)(530m,6,2)假设：直线段2.实钻轨道监测技术实钻轨道监测技术 2.2 平均角法平均角法 29 2.实钻轨道监测技术实钻轨道监测技术 2.3 平衡正切法平衡正切法假设：折线段 30 2.实钻轨道监测技术实钻轨道监测技术 2.4 圆柱螺线法圆柱螺线法假设：垂直剖面图和水平投影图上均为圆弧 RL2S1122OH(Z)(a)垂直剖面图1rS2Y1122X(b)水平投影图1O 31 2.实钻轨道监测技术实钻轨道监测技术 32 2.实钻轨道监测技术实钻轨道监测技术 2.5 校正平均角法校正平均角法假设：圆柱螺线法的简化算法 33 假设：空间圆弧2.实钻轨道监测技术实钻轨道监测技术 2.6 最小曲率法最小曲率法YXOZ21 空间圆弧模型空间圆弧模型 34 2.实钻轨道监测技术实钻轨道监测技术 35 2.实钻轨道监测技术实钻轨道监测技术 2.7 弦步法弦步法假设：空间圆弧，但测段为弦长 36 2.实钻轨道监测技术实钻轨道监测技术 2.8 自然曲线法自然曲线法假设：井斜率和方位率分别保持为常数 37 2.实钻轨道监测技术实钻轨道监测技术 2.9 曲线结构法曲线结构法=常数=0=(L)=0法面密切面从切面TMbnt=(L)=(L)38 2.实钻轨道监测技术实钻轨道监测技术 假设：测点的结构参数决定测段的曲线形态OXAB 曲线结构法的原理曲线结构法的原理YZrALrBrAB 39 没有将井眼轨道假设为特定的形状2.实钻轨道监测技术实钻轨道监测技术 40 2.实钻轨道监测技术实钻轨道监测技术 2.10 数值积分法数值积分法1946年，美国数学家I.J.Schoenberg提出样条函数的概念，其后在力学、数学以及许多工程问题中得到广泛的应用。样条原是一种简单的描曲线装置，它是由一根细木条或其它的弹性材料制成。力学分析表明，样条函数的方程表述了弹性细梁在集中力系作用下的弯曲。样条函数的概念样条函数的概念 41 2.实钻轨道监测技术实钻轨道监测技术 数学上，要讨论由实验、观测等所确定的函数表的某些性质，首先需要构造出它的近似函数。而样条函数是一种有效的方法。井内钻柱就是一种弹性样条，并且测斜数据是一种通过测量而得到的数据表。42 2.实钻轨道监测技术实钻轨道监测技术 样条曲线过每个测点(数据点)，且为分段的三次多项式。43 2.实钻轨道监测技术实钻轨道监测技术 2.10 数值积分法数值积分法 44 2.实钻轨道监测技术实钻轨道监测技术 2.11 测斜计算方法评价测斜计算方法评价计算方法计算方法精度次序精度次序结论结论数值积分法1优秀曲线结构法2自然曲线法3良好圆柱螺线法 4最小曲率法4校正平均角法5较好弦步法6平均角法7可用平衡正切法7 45 3.中靶预测及设计中靶预测及设计 3.1 靶的形态靶的形态基本形状基本形状摆放姿态摆放姿态水平、垂直、法面水平、垂直、法面圆形、长方形圆形、长方形 46 XYZOxzyTxyTPP设计轨道实钻轨迹xPyP高边高边右边右边A预测轨道3.中靶预测及设计中靶预测及设计 3.2 中靶分析中靶分析 47 3.中靶预测及设计中靶预测及设计 3.3 中靶预测模型中靶预测模型空间圆弧空间圆弧曲率、初始装置角曲率、初始装置角(工具面角工具面角)圆柱螺线圆柱螺线自然曲线自然曲线垂直曲率、水平曲率垂直曲率、水平曲率井斜变化率、方位变化率井斜变化率、方位变化率 48 3.中靶预测及设计中靶预测及设计 3.4 中靶预测的计算方法中靶预测的计算方法以法面靶为例以法面靶为例其中其中根据上述方程，可确定出根据上述方程，可确定出LP。49 XYZOxzyQP实钻轨迹TBQTBxyTQPxPyP3.中靶预测及设计中靶预测及设计 3.5 中靶设计中靶设计 50 j-1tkjtk(纵向)(横向)HWJ铅垂靶的靶心距计算3.中靶预测及设计中靶预测及设计 3.6 靶心距靶心距设进入点为k，且位于第j测段内。51 3.中靶预测及设计中靶预测及设计 3.6 靶心距靶心距水平靶水平靶 其中其中 52 3.中靶预测及设计中靶预测及设计 3.6 靶心距靶心距铅垂靶铅垂靶 其中其中所以所以 53 4.随钻修正轨道设计随钻修正轨道设计 4.1 中靶轨道设计中靶轨道设计ENODcbt空间圆弧法示意图空间圆弧法示意图坐标系转换 节点数据的计算 分点数据的计算 54 当前井底b点的井眼切线与靶点t构成了一个空间斜平面。在这个斜平面上设计井眼轨道，就将三维问题转化成了二维问题。如图所示。以b点为原点，建立右手直角坐标系b-。轴指向轨道的前进方向，轴在斜平面内指向圆弧段的内法线方向(即垂直于轴且指向靶点一侧)，轴由右手法则确定，它指向斜平面的法线方向。4.随钻修正轨道设计随钻修正轨道设计 4.1 中靶轨道设计中靶轨道设计坐标系转换坐标系转换 55 4.随钻修正轨道设计随钻修正轨道设计 4.1 中靶轨道设计中靶轨道设计坐标系的转换关系坐标系的转换关系 关键参数关键参数 56 稳斜井段的井斜角和方位角稳斜井段的井斜角和方位角 4.随钻修正轨道设计随钻修正轨道设计 4.1 中靶轨道设计中靶轨道设计节点数据的计算节点数据的计算圆弧井段的初始装置角圆弧井段的初始装置角 57 圆弧段终点参数圆弧段终点参数4.随钻修正轨道设计随钻修正轨道设计 4.1 中靶轨道设计中靶轨道设计节点数据的计算节点数据的计算其中其中 58 4.随钻修正轨道设计随钻修正轨道设计 4.1 中靶轨道设计中靶轨道设计分点数据的计算分点数据的计算按空间圆弧和斜直线模型分别计算按空间圆弧和斜直线模型分别计算 59 4.随钻修正轨道设计随钻修正轨道设计 4.2 软着陆轨道设计软着陆轨道设计(a)飞机着陆(b)水平井入靶 60 软着陆轨道的数学模型软着陆轨道的数学模型YXOZTu1ADCBL2LWEu2u3L1 61 XYZOxzyTP设计轨道实钻轨迹高边右边AB5.安全圆柱与防碰计算安全圆柱与防碰计算 5.1 安全圆柱及监测方法安全圆柱及监测方法 62 5.安全圆柱与防碰计算安全圆柱与防碰计算 5.1 安全圆柱及监测方法安全圆柱及监测方法xyTPxPyP高边右边左高边低边右P 63 5.安全圆柱与防碰计算安全圆柱与防碰计算 5.2 防碰计算及绘图防碰计算及绘图TPBA基准轨迹比较轨迹传统方法传统方法科学方法科学方法在基准轨迹上选定某点T后，逐点计算比较轨迹上的各测点或计算点，找出最近距离的井段，再用二分法同理计算。逐井段计算最近距离，找出最小者。64 5.安全圆柱与防碰计算安全圆柱与防碰计算 5.2 防碰计算及绘图防碰计算及绘图北南东P西上前P后下全部曲线都在上半园区内 65 6.优化设计与监测软件优化设计与监测软件6.1 运行环境运行环境奔腾以上的主机；中文Windows 98/2000/XP系统；中文Word 2000系统；建议采用800600的显示模式。66 6.2 主要功能及特点主要功能及特点v定向井各种剖面(三段制、五段制、双增剖面)的二维轨道设计；v考虑方位漂移影响的真三维轨道设计，适用于各种定向井剖面(三段制、五段制、双增剖面)；v根据剖面类型及参数，优选地面井口位置；v绕障定向井的轨道优化设计；v多目标井的靶数不限，可优选最佳入靶方向；6.优化设计与监测软件优化设计与监测软件 67 v提供了8种典型的测斜计算方法；v提供了“中靶”和“软着陆”两种随钻修正轨道设计方法；v可导入文本格式的测斜数据，并且在数据编辑和导入时，软件具有自动排序功能；v修正轨道设计的设计始点和终点，可通过井深自动标定；v可随时浏览井眼轨道的设计与计算结果；6.优化设计与监测软件优化设计与监测软件 68 v井眼轨道的垂直剖面图、垂直投影图和水平投影图，可以将设计轨道、实钻轨迹、修正设计轨道绘制在同一张图上，也可以根据需要任意选择绘制一条或两条曲线，且绘制图形的井段可任意选择；v具有商业化水准的智能绘图功能。所绘制的图形具有立体、旋转、缩放、坐标拾取等功能；可以对图形背景任意填色和插图；可随意设置是否显示标题、图例、数据点、刻度线、坐标轴，并可随意设置图例位置和坐标轴特性；还可以对图形进行复制、保存和打印，并具有打印预览功能；6.优化设计与监测软件优化设计与监测软件 69 v自动生成报表。根据设计与计算结果和用户对报表的规划，自动生成MicrosoftWord格式的报表。用户可自定义输出项目和井段；v软件配有操作提示、具有排错功能，操作简便；v提供了标准的安装程序，使软件的安装操作更为高效、安全、可靠。6.优化设计与监测软件优化设计与监测软件 70 6.3 独创性技术独创性技术v三维漂移轨道设计；v自适应多目标井设计；v三种高精度测斜计算方法：数值积分法、曲线结构法和自然参数法；v随钻修正轨道的软着陆设计方法(矢量中靶)；v自动生成报表和智能绘图功能。6.优化设计与监测软件优化设计与监测软件 71 设计井深1231.47m造斜点井深400m设计垂深1195m造斜率4.5/30m设计水平位移236.61m最大井斜角17.92目标点井深1158.95m磁方位角18.10目标点垂深1126m靶圈半径30.00m目标点水平位移214.5m靶圈方位差15.97直井段井段长度:400.00 m造斜段井段长度:119.45 m垂深增量:400.00 m垂深增量:117.51 m平移增量:0.00 m平移增量:18.49 m稳斜段井段长度:639.50 m油层段井段长度:72.52 m垂深增量:608.49 m垂深增量:69.00 m平移增量:196.01 m平移增量:22.11 m北北2-21-斜斜P66设计结果概览设计结果概览 7.1 定向井定向井7.设计与计算实例设计与计算实例 72 北北2-21-斜斜P66垂直剖面图垂直剖面图 73 北北2-21-斜斜P66水平投影图水平投影图 74 设计井深1059.1m造斜点井深300m设计垂深1026m造斜率6/30m设计水平位移216.73m最大井斜角17.69目标点井深888.01m磁方位角21.20目标点垂深863m靶圈半径30.00m目标点水平位移165m靶圈方位差20.72直井段井段长度:300.00 m造斜段井段长度:88.43 m垂深增量:300.00 m垂深增量:87.03 m平移增量:0.00 m平移增量:13.52 m稳斜段井段长度:499.58 m油层段井段长度:171.09 m垂深增量:475.97 m垂深增量:163.00 m平移增量:151.48 m平移增量:51.73 m南南3-丁丁10-斜斜435设计结果概览设计结果概览 75 南南3-丁丁10-斜斜435垂直投影图垂直投影图 76 南南3-丁丁10-斜斜435水平投影图水平投影图 77 设计井深1311.48m造斜点井深500m设计垂深1205m造斜率6/30m设计水平位移387.63m最大井斜角31.88目标点井深1240.23m磁方位角18.93目标点垂深1144.5m靶圈半径30.00m目标点水平位移350m靶圈方位差9.81直井段井段长度:500.00m造斜段井段长度:159.42m垂深增量:500.00m垂深增量:151.31m平移增量:0.00m平移增量:43.22m稳斜段井段长度:580.81m油层段井段长度:71.25m垂深增量:493.19m垂深增量:60.50m平移增量:306.78m平移增量:37.63m太太62-斜斜56设计结果概览设计结果概览 78 79 80 7.2 多目标井多目标井靶区设计靶靶 名名垂深差垂深差(m)相对位移相对位移(m)平移方位平移方位()靶A1200/靶B1003044靶C2009048靶D1004045靶E2005043靶F1503540靶点位置靶点位置 7.设计与计算实例设计与计算实例 81 靶靶 名名井斜角井斜角()方位角方位角()靶A15.1442.43靶B19.7646.36靶C24.3446.56靶D18.6643.99靶E12.3941.03靶F13.5039.53各靶点的最优入靶方向各靶点的最优入靶方向 7.2 多目标井多目标井7.设计与计算实例设计与计算实例 82 靶段剖面及参数靶段剖面及参数 靶靶 段段剖面类型剖面类型上圆弧段上圆弧段(/30m)下圆弧段下圆弧段(/30m)靶A靶B圆弧段/靶B靶C圆弧直线圆弧32.5靶C靶D直线段/靶D靶E样条曲线/靶E靶F圆弧段直线段2/7.2 多目标井多目标井7.设计与计算实例设计与计算实例 83 靶靶 名名井斜角井斜角()方位角方位角()靶A1542靶B18.4145.64靶C21.845靶D21.845靶E1840靶F/各靶点的入靶方向各靶点的入靶方向 7.2 多目标井多目标井7.设计与计算实例设计与计算实例 84 相对于首靶的靶区设计结果相对于首靶的靶区设计结果 井深井深(m)井斜角井斜角()方位角方位角()北坐标北坐标(m)东坐标东坐标(m)垂深垂深(m)井眼曲率井眼曲率(/30m)1218.4115.0042.000.000.000.000.101322.8318.4145.6421.5820.84100.001.031542.3221.8045.0081.8087.72300.002.501650.0221.8045.00110.09116.01400.000.001856.4518.0040.00146.66150.11600.004.432010.6410.0940.00173.47172.60750.000.007.2 多目标井多目标井7.设计与计算实例设计与计算实例 85 7.2 多目标井多目标井7.设计与计算实例设计与计算实例给定井口位置的漂移设计给定井口位置的漂移设计剖面参数剖面参数井口坐标井口坐标剖面类型S型剖面(北、东、垂深)(0，0，0)初始井斜角0方位漂移率方位漂移率造斜点垂深800m初始段0.2/30m增斜率(第一圆弧)4/30m增斜段1.2/30m降斜率(第二圆弧)3/30m降斜段-0.5/30m末段段长80m末段0.4/30m靶前漂移轨道设计条件靶前漂移轨道设计条件 86 7.2 多目标井多目标井7.设计与计算实例设计与计算实例多目标井的漂移轨道设计结果多目标井的漂移轨道设计结果井深(m)井斜角()方位角()北坐标(m)东坐标(m)垂深(m)水平位移(m)平移方位()800.000.0031.950.000.00800.000.000.00996.1926.1639.7935.0626.57989.4443.9937.161028.4826.1642.7945.7535.971018.4358.2038.171140.0615.0040.9374.8862.141122.7397.3039.691220.0615.0042.0090.3975.851200.00118.0040.001324.4818.4145.64111.9796.691300.00147.9440.811543.9821.8045.00172.20163.571500.00237.5043.531651.6821.8045.00200.48191.861600.00277.4943.741858.1118.0040.00237.05225.961800.00327.4943.632012.3010.0940.00263.86248.451950.00362.4243.28 87 7.2 多目标井多目标井7.设计与计算实例设计与计算实例优选井口位置优选井口位置优选井口位置的设计条件优选井口位置的设计条件剖面参数剖面参数井口坐标井口坐标剖面类型S型剖面(北、东、垂深)(0，0，0)初始井斜角0方位漂移率方位漂移率造斜点垂深800m初始段0.2/30m增斜率(第一圆弧)4/30m增斜段1.2/30m降斜率(第二圆弧)3/30m稳斜段0.8/30m稳斜段井斜角25降斜段-0.5/30m末段段长80m末段0.4/30m 88 多目标井优选井口位置的设计结果多目标井优选井口位置的设计结果井深(m)井斜角()方位角()北坐标(m)东坐标(m)垂深(m)水平位移(m)平移方位()800.000.0033.710.000.00800.000.000.00987.5025.0041.2131.4125.16981.6140.2438.691039.6625.0042.6047.8139.881028.8862.2639.831139.6615.0040.9373.2662.661122.7396.4140.541219.6615.0042.0088.7876.371200.00117.1140.701324.0818.4145.64110.3697.211300.00147.0741.381543.5721.8045.00170.58164.091500.00236.7043.891651.2721.8045.00198.87192.381600.00276.6944.051857.7018.0040.00235.43226.481800.00326.6843.892011.8910.0940.00262.24248.981950.00361.6143.517.2 多目标井多目标井7.设计与计算实例设计与计算实例 89 设计条件设计条件软着陆设计软着陆设计上圆弧段曲率4.5/30m下圆弧段曲率3.5/30m当前井底当前井底设计目标设计目标井深1320m井深1543.98m井斜角18井斜角21.8方位角45方位角45北坐标116.71m北坐标172.20m东坐标84.63m东坐标163.57m垂深1296.93m垂深1500m水平长度144.30m7.3 修正轨道设计修正轨道设计7.设计与计算实例设计与计算实例 90 井眼轨道的水平投影图井眼轨道的水平投影图 91 8.其它问题其它问题v悬链线(大位移井)剖面设计；v误差椭圆分析；v扭方位设计(恒工具面、自然曲线等)；v曲面投影问题。92谢谢大家！谢谢大家！谢谢大家！谢谢大家！