研究生课程《油气井工程科技进展》第一讲位移技管力学大位移钻井技术及管柱力学高德利2016年11月01日北京提纲一．井眼轨迹与井型的概念二．定向钻完井理论与技术二三．大位移钻完井延伸极限四．油气井管柱力学与工程五．结束语五一.井眼轨迹与井型的概念•井眼轨道：设计的井眼轴线形状。

井眼轨迹与井型的概念•井眼轨迹：实钻的井眼轴线形状。

•专业术语：轨道设计、轨迹控制。

一.井眼轨迹与井型的概念1. 轨迹基本参数井眼轨迹与井型的概念轨迹测量方法：非连续，测点、测段。

轨迹基本参数井深井斜角和井斜方位角 轨迹基本参数：井深、井斜角和井斜方位角。

（1）井深井深：井口至测点的井眼长度。

又称测深，以D m 表示。

用钻柱或电缆测量。

井深增量（井段）：下测点与上测点的井深之差。

以∆D m 表示。

一井眼轨迹与井型的概念（2）井斜角.井眼轨迹与井型的概念 井斜角：指井眼方向线与重力线之间的夹角。

以α表示。

井眼方向线：过井眼轴线上某测点作井眼轴线的切线，该切线向井眼前进方向延伸的部分。

井斜角增量：下测点与上测点α的井斜角之差，Δα。

一井眼轨迹与井型的概念（3）井斜方位角井斜方位角以北方位线为始边顺时针方向旋转到井眼方位线上所.井眼轨迹与井型的概念 ：以正北方位线为始边，顺时针方向旋转到井眼方位线上所转过的角度。

以Φ表示。

井眼方位线：井眼方向线在水平面上的投影井眼方位线：井眼方向线在水平面上的投影。

井斜方位角增量：下测点与上测点的井斜方位角之差，ΔΦ 。

用象限角表示：指井眼方位线与正北方位线或与正南方位线之间的夹角。

例：N30°E 。

一井眼轨迹与井型的概念.井眼轨迹与井型的概念2. 轨迹计算参数由基本参数计算得到的参数。

（1）垂直深度Ｄ：轨迹上某点至井口所在水平面的距离。

垂深的增量称为垂增（∆Ｄ）。

：（2）水平长度LP轨迹上某点至井口的长度在水平面上的投影。

水平长度的增量称为平）。

增（∆L）P（3）水平位移Ｓ：轨迹上某点至井口的距离在水平面上的投影（或轨迹上某点至井口所在铅垂线的距离）。

这个投影叫做平移方位线。

一.井眼轨迹与井型的概念（4）平移方位角θ ：井眼轨迹与井型的概念平移方位线所在的方位角。

国外将水平位移称作闭合距；我国将完钻时的水平位移称为闭合距。

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）视平移Ｖ：水平位移在设计方位线上的投影长度。

（6）Ｎ坐标和Ｅ坐标：南北坐标轴，以正北方向为正；东西坐标轴，以正东方向为正。

一.井眼轨迹与井型的概念（7）井眼曲率K c ：井眼轨迹与井型的概念指井眼轨迹曲线的曲率。

又称“狗腿严重度”。

井眼曲率：狗角条方间空间角m30c K D γ=∆“狗腿角”(γ)：上下测点的两条井眼方向线之间的空间夹角。

狗腿角的计算：Lubinski 公式：cos cos cos sin sin cos()A B A B B A γαααα=⋅+⋅⋅Φ-Φ钻井行业标准计算公式：一.井眼轨迹与井型的概念•油气井由直井发展到定向井、丛式井，再发展到水平井、复井眼轨与井的概杂结构井等，井型不断发生变化，并有复杂化趋势。

高德利等著.复杂结构井优化设计与钻完井控制技术. 中国石油大学出版社，2011一.井眼轨迹与井型的概念US4344485US4577651Horizontal•G.Renard et plex井眼轨与井的概US4085803G. Renard et al. ComplexWell Architecture: IOR andHeavy Oils. Topic 8,t d t th15th W ld US5141054US5148869presented at the 15th WorldPetroleum Congress held inBeijing, China, 1997US5899274US5771973US5215149 j g,,US7464756US5626193US2010/0065268US7556099“复杂结构井”的由来“复杂结构井”的由来？二.定向钻完井理论与技术 定向钻完井，要求控制钻定向钻完井理论与技术头定向破岩钻进，按设计轨道安全高效鉆达地层深处的油气藏目标并优化完井油气藏目标，并优化完井，是油气工程关键技术之一。

2012年，USA定向井、丛式井示例水平井应用示例α流花1111--1油田B3ERW4大位移井•水平井的定义及分类•油藏设计•完井设计井设•钻井设计•生产设计•水平井钻井轨迹设计与控制一体化技术-648.34700Horizontal projection2889.293101.683101.68240028003200T r u e V -898.34-1000-900-800-700N o r t h (MD CL Inc.Azi TVDDLS （/30m ）T. Face (°)16351635001635002025390391201995.57312031751150391202889.29003685510901203101.68304185500901203101.68•防斜打直•定向造斜、增斜•稳斜•降斜•三维定向钻井•纠斜、扭方位•随钻测量待钻井眼轨迹的设计模型1钻头切削能力轴向大于侧向I b<1，钻头切削能力轴向大于侧向；I b>1，钻头切削能力轴向小于侧向；0钻头不具备侧向切削能力侧向力I b=0，钻头不具备侧向切削能力；I b→∞，钻头侧向切削能力极大。

接触点①高德利等.On Appropriately Matching the BottomBottom--hole Pendulum Assembly with the Anisotropic Drill Bit,to Control the HoleHole--DeviationDeviation..CMES，20122012,,8989((2):111111--122低摩阻滚动轴承侧向位移②高德利高德利等等.钻头各向异性钻井特性的理论分析与实验.石油大学报石油大学报（（自然科学版自然科学版）），1991，1515((6)：2828--33地层抗钻特性评价与钻头选型测井数据处理模块钻头性能评估模块岩石力学参数模块钻头优选模块标准测井数据文件钻头资料录入邻井选型区块选型效益指数选型岩石力学参数计算室内岩心实验钻头数据库标准井钻头效益指数分析岩石力学参数统计区块井邻井效益指数法选型标准井岩石力学参数建立标准井建立了先进的钻头选型计算模型与软件系统登记软件著作权 建立了先进的钻头选型计算模型与软件系统，登记软件著作权1项T T 12345612)(,,,,,)(,,,,,b r r n a lo k k k k k k I I I D M F M F ==K 表示地层和钻头的各向异性钻井特性参数向量，可以把它视作随井深变化的空间分布场函数，优化反演它的基本模型是三维井眼轨迹或钻速的误差函数，即：E K K =⎧⎨⎪⎫⎬⎪=-︒E E E N ∏∏()()⎩⎪⎭⎪E H式中，∏()K 为大地坐标系下井底钻头矢量位移或机械钻速的计算值，∏︒()K 为对应井深的矢量实测值，它们都是特性参数向量K 的函数。

通过迭代计算，可值（近似真实值）以求出使目标函数最小时的特性参数向量K 值（近似真实值）：Min k ∈⋅{}()K E E T通过岩心实验，建立通过岩心实验，建立了了波速各向异性与可钻性各向异性的定量关系波速各向异性与可钻性各向异性的定量关系模型模型，，提出基于提出基于声波等声波等测井资料的地层各向异性测井资料的地层各向异性钻井特性钻井特性的定量评估新方法的定量评估新方法。

①高德利等.Evaluation Method for Anisotropic Drilling Characteristics of the Formation by Using Acoustic WaveInformation Information..Acoustic Wave,InTech ,Nov Nov..20112011,,pp pp..147147--170②高德利等.Experimental study of rock drill drill--ability anisotropy by acoustic velocity velocity..Petroleum Science,20062006,,3(1):5050--55试50mmφ//2Kd Kd r T I T ⊥-⊥==样处理数据分析//0.052460.767322⊥-=d K r I 32.977 4.950ln()⊥=-∆d K t 基于声波估地层各测井资向异性钻料等，定井特性量评参数二.定向钻完井理论与技术综合考虑钻头和地层的各向异性，创建了钻头与正交各向异性地层相互作用新模型，确定了控制钻进方向的特征物理量和本构关系，即：有效钻力及其表达式。

12e N r d d r u u r s sf r e p e I p e I p e ==++ 式中：()()()()d b f d b f a a d p I e e 1I e e e e ⎫=⋅+-⋅⋅()()()()()()()()u b f u b f a a u s b f s b f a a s p I e e 1I e e e e p I e e 1I e e e e ⎪=⋅+-⋅⋅⎬⎪=⋅+-⋅⋅ ⎭①高德利高德利，，刘希圣.钻头与地层相互作用的新模型.石油钻采工艺,19891989,,1111((5)：2323--28②高德利.井眼轨迹控制问题的力学分析方法.石油学报石油学报，，19961996,,1717((1)：115115--121P di ti d S i f W llb T j t i H i t l W ll U i Ad d ③高德利.Predicting and Scanning of Wellbore Trajectory in Horizontal Well Using Advanced Models Models..SPE 2998229982,,1995(,,;,,;)f r e f I e e I I e H ==底部钻具组合底部钻具组合（（BHA ）：普通普通、、12e N r e b f a r r d ole 导向马达导向马达、、旋转导向工具等旋转导向工具等。

定向钻头：设计设计、、选型选型，，钻头各向异性及其与BHA 匹配匹配。

钻井定向钻井操作参数：钻压钻压、、转速、扭矩及水力等参数扭矩及水力等参数。

轨迹地层：几何产状几何产状、、岩石可钻性岩石可钻性、、各向异性各向异性、、压力特性等压力特性等。