定向井井身剖面设计

第 2 章定向井井身剖面设计 第一节 轨道设计概述 一、设计条件： 一般要给定的有：目标点垂深、水平位移、设计方位角等； 给定进入目标的要求(例如：目标点或目标段的井斜角)。 二、设计内容： 根据设计条件，设计出合适的轨道。 三、轨道设计的关键： 造斜点选择，增斜率和降斜率的选择（需要经验） ； 轨道关键参数的求得（需要先进的计算公式） 。 四、轨道自由度及轨道约束方程 1、自由度（DOF）的概念 将起点位置及方向均给定的轨道或曲线段形状完全固定需要确定的独立自由变量 个数称为轨道或曲线段的自由度。 2、起点给定时各种曲线段的自由度 直线段的自由度为 1； 二维圆弧段的自由度为 2； 三维圆弧段的自由度为 3。 3、轨道自由度为组成轨道的所有曲线段自由度之和，如： 三段式轨道的自由度为 4； 五段式轨道的自由度为 7； 双增式轨道的自由度为 7。 4、目标点的约束条件称为轨道约束方程，如： 三段式轨道的约束方程数为2； 五段式轨道的约束方程数为3； 双增式轨道的约束方程数为3。 5、轨道设计时需要补充确定的参数个数为轨道自由度和轨道约束方程数之差，如： 三段式轨道需要补充确定的参数个数为4-2=2； 1 五段式轨道需要补充确定的参数个数为7-3=4； 双增式轨道需要补充确定的参数个数为7-3=4。 五、轨道设计的一般步骤 根据轨道约束方程数和需要指定的参数之和等于轨道自由度的原则选择轨道形状； 确定需要指定的参数大小（如造斜点、增斜率、降斜率等） ； 建立轨道约束方程组，推导关键参数计算公式； 井身参数计算及轨迹绘图。 第二节 二维常规轨道设计 一、一般会给定的条件 目标点的垂深 Ht 、 水平长度 St （井口可移动时相当于没给定）、 井斜角α t （单 靶时无要求）及设计方位角θ 0； 造斜点井深 Ha 及造斜点处的井斜角α a ； 造斜半径 R1 和 R2 ； 一般情况下， 造斜点以上设计成垂直井段， α a=0； 如果使用斜井钻机， 则α α a a≠≠ 0 0 ，， 可根据给定的可根据给定的 HaHa 和和α α a a 计算出计算出 SaSa。。 S a  H a tan a 二、轨道形状选择 凡无特殊要求的单靶定向井，均选择三段式轨道 ； 井口可以移动的多靶定向井，可选多靶三段式轨道； 井口不可移动的多靶定向井，需按如下计算结果进行判断选择：  b  2tan1 H e H e 2 S e 2 R e R e  S e 2 H e  H t  H a  R 1 sin a S e  S t  S a  R 1 cos a R e  R 1 若bt，则选五段式轨道； 若 b  t ，则选双增式轨道； 2 若 b  t ，则选多靶三段式轨道 三段式轨道三段式轨道多多靶靶三三段段式式轨轨道道 五段式轨道五段式轨道双双增增式式轨轨道道 三、多靶三段式轨道设计 1、已知条件 目标点的垂深 Ht 、井斜角α t 及设计方位角θ 0； 造斜点井深 Ha 及造斜点处的井斜角α a ； 造斜半径 R1 ； 2、建立约束方程 H a  R 1 sin t sin a  L w cos t  H t 3 3、求出关键参数 Lw L w  H t  H a  R 1 sin t sin a  cos t 4、各节点参数计算（将节点以上各段增量累加即可得到各节点参数） 直线段增量公式 L  L w  H  Lwcos下 S  L sin w下  二维圆弧段增量公式 L  R( 下  上 )  H  R(sin下sin上)（增斜段取正，降斜段为负） S  R coscos  下上  5、分点参数计算 二维圆弧段 L j  L a  L j  j  a L j / R H j  H a  R(sin j sin a ) S j  S a  R(cos a cos j ) N j  S j cos 0 4 E j  S j sin 0 （增斜 R 取正，降斜 R 为负） 二维直线段 L j  L a  L j  j  a H j  H a  L j cos a a N j  S j cos 0 E j  S j sin 0 四、双增式轨道设计 1、已知条件 Ht 、St 、α t 及θ 0； Ha 、α a 及 R1 和 R2 ； Ldt 2、建立约束方程组 b H a  R 1 sin b sin a  L w cos b  R 2 sin t sin b  L dt cos t  H t   S  R coscos L sin R coscos L sin S 1abwb2btdttt  a O O H Ha a α α a a a a H Ht t b b α α b b c c d d α α t t t t f f R R1 1O O1 1 S S O O2 2 R R2 2 S St t H H 3、求关键参数α b 和 Lw 5 H e  H t  H a  R 1 sin a  R 2 sin t  L dt cos t  Se  S t S a  R 1 cos a  R 2 cos t  L dt sin t R  R  R 12  e R e sin b  L w cos b  H e R cos  L cos S bwbe  e R e S e   arctanarctan  222  b H e H S R eee   222 L H S R weee  以上公式同样适用于三段式和五段式轨道： 对于三段式轨道：R2=0；Ldt=0； 对于五段式轨道：R2 为负值（因为第二段为降斜段） 。 二维常规轨道设计课后作业： 2-1某定向井设计条件：Ht=1418m ，St=930m ，Ha=190m ， α a=0，K1=3°/30m ，试设 计该井轨道。 2-2给定条件：Ht=3230m，St=1970m， α t=17.50，Ha=270m，α a=0，R1=810m，R2=1580m， 靶前稳斜段长 482m，试设计该井轨道。 要求：先根据轨道自由度和约束条件选择轨道形式，然后根据有关公式进行设计， 设计结果按下表形式给出。 井段井段 第第 1 1 段段 项目项目 井深井深(m)(m) 井斜角井斜角 ( (°°) ) 垂深垂深(m)(m) 水平长度水平长度(m)(m) 第三节 微曲稳斜轨道设计 一、用途： ……第第 n n 段段 6 常规轨道在增斜到稳斜角之后，有一段稳斜井段。如果稳斜井段较短，则不会有太 大问题。如果稳斜井段很长，在钻进过程中， 往往出现“稳不住”的情况。 解决“稳不住”的问题