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1、1,刘修善,井眼轨道优化设计与监测技术,2002年10月,2,目 录,井眼轨道优化设计 2.实钻轨道监测技术 3.中靶预测及设计4.随钻修正轨道设计 5.安全圆柱与防碰计算6.优化设计与监测软件7.设计与计算实例,专题讨论特殊形状的水平井段设计；急需解决的技术问题。,3,1.井眼轨道优化设计,基本步骤,选择剖面类型；确定造斜点、造斜率等参数；求解关键的待定参数；井眼轨道节点参数计算；井眼轨道分点参数计算；设计结果制表及绘图。,4,1.井眼轨道优化设计,1.1 剖面类型,5,1.井眼轨道优化设计,1.1 剖面类型,6,1.井眼轨道优化设计,1.1 剖面类型,7,1.井眼轨道优化设计,1.2 设计
2、方法,图解法(作图法)；查图法(标准图板)；平面解析法(国内外有所差异)；,传统方法,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。,8,三段式(J型)五段式(S型)双增式(B型),1.1 二维定向井设计,1.井眼轨道优化设计,9,1.井眼轨道优化设计,1.2 设计方法,国外方法：,10,1.井眼轨道优化设计,1.2 设计方法,国内(增降模型)：,11,1.井眼轨道优化设计,1.2 设计方法,国内(双增模型)：,12,1.井眼轨道优化设计,1.3 三增剖面,13,1.5 三维漂移定向井设计,1.井眼轨道优化设计,14,1.5 三维漂
3、移定向井设计,漂移轨道设计的优势 解放钻压、提高机械钻速 减少扭方位和起下钻次数 减少井眼轨道控制的难度和工作量 提高井身质量，降低钻井成本,1.井眼轨道优化设计,15,1.5 三维漂移定向井设计基本方程,1.井眼轨道优化设计,16,1.5 三维漂移定向井设计约束方程,1.井眼轨道优化设计,17,1.5 三维漂移定向井设计,1.井眼轨道优化设计,18,1.6 绕障井设计水平投影图设计,1.井眼轨道优化设计,19,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 绕障井设计绕障必要性判断,1.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
4、障碍物，进行常规的二维设计即可。,20,1.6 绕障井设计绕障方向判断，并求初始设计方位,1.井眼轨道优化设计,21,1.6 绕障井设计求方位扭转角,1.井眼轨道优化设计,其中,其中,其中,22,1.6 绕障井设计垂直剖面图设计,1.井眼轨道优化设计,关键参数的求法同二维设计(用水平位移)难点：P、Q点的位置判别，及相关计算,23,靶区轨道设计 选择靶段的剖面类型 确定合理的入靶方向靶前轨道设计 需要考虑进入首靶的井眼方向,1.7 多目标井设计,1.井眼轨道优化设计,24,直线模型,1.7 多目标井设计 入靶方向,1.井眼轨道优化设计,25,空间圆弧模型,1.7 多目标井设计入靶方向,1.井眼
5、轨道优化设计,26,三点定圆模型,1.7 多目标井设计入靶方向,1.井眼轨道优化设计,27,自适应模型,1.7 多目标井设计入靶方向,1.井眼轨道优化设计,28,2.实钻轨道监测技术,2.1 井眼轨道的挠曲形态,29,例子：(500m,4,357)(530m,6,2),假设：直线段,2.实钻轨道监测技术,2.2 平均角法,30,2.实钻轨道监测技术,2.3 平衡正切法,假设：折线段,31,2.实钻轨道监测技术,2.4 圆柱螺线法,假设：垂直剖面图和水平投影图上均为圆弧,32,2.实钻轨道监测技术,33,2.实钻轨道监测技术,2.5 校正平均角法,假设：圆柱螺线法的简化算法,34,假设：空间圆弧
6、,2.实钻轨道监测技术,2.6 最小曲率法,35,2.实钻轨道监测技术,36,2.实钻轨道监测技术,2.7 弦步法,假设：空间圆弧，但测段为弦长,37,2.实钻轨道监测技术,2.8 自然曲线法,假设：井斜率和方位率分别保持为常数,38,2.实钻轨道监测技术,2.9 曲线结构法,39,2.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,40,没有将井眼轨道假设为特定的形状,2.实钻轨道监测技术,41,2.实钻轨道监测技术,2.10 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
7、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,42,2.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。,43,2.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。,44,2.实钻轨道监测技术,2.10 数值积分法,45,2.实钻轨道监测技术,2.11 测斜计算方法评价,46,3.中靶预测及设计,3.1 靶的形态,基本形状,摆放姿态,水平、垂直、
8、法面,圆形、长方形,47,3.中靶预测及设计,3.2 中靶分析,48,3.中靶预测及设计,3.3 中靶预测模型,空间圆弧,曲率、初始装置角(工具面角),圆柱螺线,自然曲线,垂直曲率、水平曲率,井斜变化率、方位变化率,49,3.中靶预测及设计,3.4 中靶预测的计算方法,以法面靶为例,其中,根据上述方程，可确定出LP。,50,3.中靶预测及设计,3.5 中靶设计,51,3.中靶预测及设计,3.6 靶心距,设进入点为k，且位于第j测段内。,52,3.中靶预测及设计,3.6 靶心距,水平靶,其中,53,3.中靶预测及设计,3.6 靶心距,铅垂靶,其中,所以,54,4.随钻修正轨道设计,4.1 中靶轨
9、道设计,坐标系转换 节点数据的计算 分点数据的计算,55,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,4.1 中靶轨道设计,坐标系转换,56,4.随钻修正轨道设计,4.1 中靶轨道设计,坐标系的转换关系,关键参数,57,稳斜井段的井斜角和方位角,4.随钻修正轨道设计,4.1 中靶轨道设计节点数据的计算,圆弧井段的初始装置角,58,圆
10、弧段终点参数,4.随钻修正轨道设计,4.1 中靶轨道设计节点数据的计算,其中,59,4.随钻修正轨道设计,4.1 中靶轨道设计分点数据的计算,按空间圆弧和斜直线模型分别计算,60,4.随钻修正轨道设计,4.2 软着陆轨道设计,61,62,5.安全圆柱与防碰计算,5.1 安全圆柱及监测方法,63,5.安全圆柱与防碰计算,5.1 安全圆柱及监测方法,64,5.安全圆柱与防碰计算,5.2 防碰计算及绘图,传统方法,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。,65,5.安全圆柱与防碰计算,5.2 防
11、碰计算及绘图,全部曲线都在上半园区内,66,6.优化设计与监测软件,6.1 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。,67,6.2 主要功能及特点,定向井各种剖面(三段制、五段制、双增剖面)的二维轨道设计；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)；根据剖面类型及参数，优选地面井口位置；绕障定向井的轨道优化设计；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,68,提供了8种典型的测斜计算方法；提供了“中靶”和“软着陆”两种随钻修正轨道设计方法；
12、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；修正轨道设计的设计始点和终点，可通过井深自动标定；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,69,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；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
13、打印预览功能；,6.优化设计与监测软件,70,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Microsoft Word格式的报表。用户可自定义输出项目和井段；软件配有操作提示、具有排错功能，操作简便；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,71,6.3 独创性技术,三维漂移轨道设计；自适应多目标井设计；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；随钻修正轨道的软着陆设计方法(矢量中靶)；自动生成报表和智能绘图功能。,6.优化设计与监测软件,72,北2-21-斜P66设计结果概览,7.1 定向井,7.设计与计算实例,7
14、3,北2-21-斜P66垂直剖面图,74,北2-21-斜P66水平投影图,75,南3-丁10-斜435设计结果概览,76,南3-丁10-斜435垂直投影图,77,南3-丁10-斜435水平投影图,78,太62-斜56设计结果概览,79,80,81,7.2 多目标井,靶区设计,靶点位置,7.设计与计算实例,82,各靶点的最优入靶方向,7.2 多目标井,7.设计与计算实例,83,靶段剖面及参数,7.2 多目标井,7.设计与计算实例,84,各靶点的入靶方向,7.2 多目标井,7.设计与计算实例,85,相对于首靶的靶区设计结果,7.2 多目标井,7.设计与计算实例,86,7.2 多目标井,7.设计与计算实例,给定井口位置的漂移设计,靶前漂移轨道设计条件,87,7.2 多目标井,7.设计与计算实例,多目标井的漂移轨道设计结果,88,7.2 多目标井,7.设计与计算实例,优选井口位置,优选井口位置的设计条件,89,多目标井优选井口位置的设计结果,7.2 多目标井,7.设计与计算实例,90,7.3 修正轨道设计,7.设计与计算实例,91,井眼轨道的水平投影图,92,8.其它问题,悬链线(大位移井)剖面设计；误差椭圆分析；扭方位设计(恒工具面、自然曲线等)；曲面投影问题。,93,谢谢大家！,
