造斜工具的装置方位计算【业内参考】.ppt

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1、定向井轨迹控制计算,装置角的概念； 装置角有关公式的推导； 3. 装置角的图解法； 动力钻具反扭角； 柱面法扭方位的计算；,1,学习浅析,定向井轨迹控制基本概念,1. 要求：在实钻过程中，设法使实钻的井眼轨迹尽可能符合设计的井眼轨道。 2. 实质：井眼轨迹控制，的实质，就是不断地控制井眼的前进方向。井眼方向由井眼的井斜角和井斜方位角来表示的。 3. 井眼方向控制内容： 井斜角的控制：增斜、降斜、稳斜； 井斜方位角控制：增方位、降方位、稳方位；,增斜,增方位,稳方位,降方位,稳斜,降斜,(九种组合),2,学习浅析,定向井轨迹控制计算装置角的概念,造斜工具得造斜率，既可用于改变井斜方位角，同时可用

2、于改变井斜角。 如何按照轨迹发展的需要去改变井斜角和井斜方位角呢？关键在于分配造斜率，其关键有在于装置角的计算和安置。,3,学习浅析,定向井轨迹控制计算装置角的概念,装置角的定义 井斜铅垂面： 井眼方向线所在的钱垂平面； 井眼方位线所在的钱垂平面； 井底圆上高边方向线所在的钱垂平面； 造斜工具面： 造斜工具作用方向线与井眼轴线构成的平面；,4,学习浅析,定向井轨迹控制计算装置角的概念,装置角的定义 井斜铅垂面与造斜工具面的夹角(还不够准确！)； 以井斜铅垂面为基准，顺时针旋转到造斜工具面上所转过的角度； 在井底平面上，以高边方向线位基准，顺时针旋转到工具面与井底圆的交线上所转过的角度；,5,学

3、习浅析,定向井轨迹控制计算装置角有关公式的推导,这是有关槽式变向器装置角计算公式得推导用图。 图中的00与井底圆垂直； 图中的角，是槽式变向器的导斜角；就是装置角，是在水平面上的投影； 注意下面四张“图式”推导图中，,6,学习浅析,定向井轨迹控制计算装置角有关公式的推导,这是有关弯接头装置角计算公式得推导用图。 图中的00与井底圆垂直； 图就是装置角，是在水平面上的投影；但是要特别注意，图中的角，是弯接头钻出的井段的狗腿角，而不是弯接头的弯曲角； 注意下面四张“图式”推导图中，,7,学习浅析,定向井轨迹控制计算装置角有关公式的推导,8,学习浅析,定向井轨迹控制计算装置角有关公式的推导,9,学习

4、浅析,定向井轨迹控制计算装置角有关公式的推导,10,学习浅析,定向井轨迹控制计算装置角有关公式的推导,11,学习浅析,定向井轨迹控制计算装置角有关计算公式,汇总上述四个图式推导的四个公式： 还有一个重要的公式，这就是狗腿角计算公式：,12,学习浅析,定向井轨迹控制计算装置角有关计算公式,利用这三个公式，还可以推导出更多的公式来：,13,学习浅析,定向井轨迹控制计算装置角有关计算公式,装置角计算公式讨论：,通过前面的推导，我们共得到五个计算装置角的公式。 由于“偏增角”的原因，、三式无法应用，因为这三式都难以度过“偏增角”。 所以，我们只能应用 、二式。 这里牵扯到“偏增角”的问题，需要专门讲解

5、。,14,学习浅析,定向井轨迹控制计算装置角有关计算公式,偏增角问题： 观察到装置角与井斜角、井斜方位角之间的变化关系： 装置角在、象限，方位均增加；装置角在、象限，方位均减小； 方位角的变化界限很清楚，以00和1800为界。 装置角在 、象限，井斜角都是增加的；但装置角在 、 象限，井斜角并非都是减小的。只在绿色区域是减小，在粉红色区域内仍然是增大的。 粉红色区域所占的角度，就是“偏增角”，以表示。,15,学习浅析,定向井轨迹控制计算装置角有关计算公式,偏增角的影响 试看一例：设=450；=600；=600；求=？由公式 可算得=48.720； 用式： 计算， =86.3860； 用式： 计

6、算， =93.6140；,16,学习浅析,定向井轨迹控制计算装置角有关计算公式,偏增角的影响 两个公式计算结果不相同。那个错呢？ 式错！ 为什么式错？因为式过不了“偏增角”这一关。,反正弦=sin-1Q 的定义域为-900900 ； 当Q0时， 0，在第象限； 当Q0时， 也可能在第二象限，当我们确知在第二象限时，应用=1800-sin-1Q 计算。 担当我们只知Q0时，无法判断在第一还是第二象限。所以只能按照定义域计算在第一象限。本例恰恰是在第二象限。 当Q0时， 0，在第象限；也存在此问题。,17,学习浅析,定向井轨迹控制计算装置角有关计算公式,偏增角的大小： 增方位时， 减方位时，,18

7、,学习浅析,定向井轨迹控制计算装置角有关计算公式,偏增角的影响 反正切函数，也有同样的问题，也是过不了“偏增角”这个关口。 反余弦函数，也有双值问题。但定义域在001800之间，刚好跨过、象限之间的偏增角。对于、象限的计算，可采用=3600-cos-1Q 计算。刚好也跨过了、象限之间的偏增角。 所以计算装置角的正确公式应该是： 上式中，增方位取“+”；减方位取“”。,19,学习浅析,定向井轨迹控制计算装置角的有关计算,最重要、最可靠的两套公式,(1),20,学习浅析,定向井轨迹控制计算装置角的有关计算,最重要、最可靠的两套公式,(2),21,学习浅析,定向井轨迹控制计算装置角的有关计算,两个最

8、重要最可靠公式的形式类似 (2)二式可以变化为： (1)、(3)二式形式的类似，是设计准确的装置角计算尺的数学基础。从而省去繁琐的公式计算。,(1),(2),(3),22,学习浅析,定向井轨迹控制计算装置角的有关计算,特殊装置角扭方位 1. 全力增斜 =00； =； =00； 2. 全力降斜 =1800； =； =00； =?,23,学习浅析,定向井轨迹控制计算装置角的有关计算,特殊装置角扭方位 3. 正负900扭方位 这是我国现场上用的较多的扭方位方式。 =900； 由于偏增角的原因，此时的井斜角增量不等于零。,24,学习浅析,定向井轨迹控制计算装置角的有关计算,特殊装置角扭方位 4. 稳斜

9、扭方位 = 0 ，并给定 ； = 0 ，并给定L ； 增方位取“+”，减方位取“”,5. 全力扭方位 给定 ； 增方位取“+”，减方位取“”,25,学习浅析,定向井轨迹控制计算装置角的有关计算装置角的图解法,26,学习浅析,定向井轨迹控制计算装置角的有关计算,装置角的图解法 (1)选择一定长度线段代表单位角度，例如，以厘米代表。,(2)选一原点，作目前井底方位线OQ，并量取OA = 1，注意是以长度代表角度。 (3)以点为园心，以为半径（注意以长度代表角度）画园。 (4)作线段OB，使AOB = ，交园于B、B，联结AB和AB。应当注意是有正负之分的。为正时，OB线在OA线的下方；为负时，OB

10、线在OA线的上方。 (5)用量角器量QAB即为增斜扭方位的装置角，量QAB即为降斜扭方位的装置角。 (6)用直尺量OB长度（换算成角度），即为增斜扭方位之后的井斜角2；量OB长度（换算成角度），即为降斜扭方位之后的井斜角2。,27,学习浅析,定向井轨迹控制计算装置角的有关计算,装置角的图解法 限长扭方位 给定条件：1=220；1=1000；工具造斜率90/100m ；现要求钻进150m将井斜方位角减小到2=700；请用限长扭方位方式，并求： 1. 装置角； 2. 扭方位段的狗腿角； 3. 扭弯方位后的井斜角2 ； 4. 扭方位段的段长L；,L=150m,28,学习浅析,定向井轨迹控制计算装置角

11、的有关计算,装置角的图解法 900扭方位 给定条件：1=220；1=1000；工具造斜率90/100m ；限要求将井斜方位角减小到2=700；请用900 扭方位方式，并求： 1. 装置角； 2. 扭方位段的狗腿角； 3. 扭弯方位后的井斜角2 ； 4. 扭方位段的段长L；,L=141m,29,学习浅析,定向井轨迹控制计算装置角的有关计算,装置角的图解法 稳斜扭方位 给定条件：1=220；1=1000；工具造斜率90/100m ；限要求将井斜方位角减小到2=700；请用稳斜 扭方位方式，并求： 1. 装置角； 2. 扭方位段的狗腿角； 3. 扭弯方位后的井斜角2 ； 4. 扭方位段的段长L；,L

12、=127m,30,学习浅析,定向井轨迹控制计算装置角的有关计算,装置角的图解法 全力扭方位 给定条件：1=220；1=1000；工具造斜率90/100m ；限要求将井斜方位角减小到2=700；请用全力 扭方位方式，并求： 1. 装置角； 2. 扭方位段的狗腿角； 3. 扭弯方位后的井斜角2 ； 4. 扭方位段的段长L；,L=122m,31,学习浅析,定向井轨迹控制计算装置角的有关计算,四种扭方位方式的比较：,随着扭方位长度的减小，装置角、狗腿角、扭完方位的井斜角，都在减小。,32,学习浅析,定向井轨迹控制计算装置角的有关计算,与、1 的关系：,解析法公式,三种图解法,图解法公式,对比可见：随着

13、增大，也增大；但随着1增大，将减小。这就是井斜角大时扭方为难的原因。,33,学习浅析,造斜工具的定向,定向就是把造斜工具的工具面摆在预定的定向方位线上。 定向是定向井的关键技术。定向方法可分为两大类：地面定向法和井下定向法。 地面定向法： 在地面井口将造斜工具的工具面摆到预定的方位线上； 通过定向下钻，始终保持工具面预定方位不变，或者始终知道工具面在井下的实际方位； 下钻完后，如果工具面实际方位与预定方位不附，可在地面上通过转盘将工具面扭到预定的定向方位上。 这种方法由于工序复杂，准确性差，目前已经很少应用了。 井下定向法： 下钻前给工具面做好标记，正常下钻，将造斜工具下到井底； 然后从钻柱内

14、下入仪器，根据工具面的标记，测量工具面在井下的实际方位； 如果工具面实际方位与预定方位不附，可用转盘调整； 工序简单，准确性高，但需要先进的定向测量仪器。 关键技术：工具面的标记方法。,34,学习浅析,造斜工具的定向工具面的标记方法,定向齿刀标记法： 适用于用氟氢酸测斜仪进行测量； 齿刀上的齿尖所指方位，标志着造斜工具的工具面方位。 测量时仪器最下面的铅模压在定向齿刀上，留下齿刀的印痕，于是可知道造斜工具的工具面方位； 同时，氟氢酸液瓶的液面倾斜方位代表着井斜方位。于是知道了工具面方位与井斜方位的关系。 需在下钻前在裸眼内测得井斜方位；,35,学习浅析,造斜工具的定向工具面的标记方法,定向磁铁

15、标记法： 适用于磁性测斜仪进行测量； 紧在造斜工具上面接着一根专用的无磁钻铤，在该无磁钻铤的体部装着三对小磁铁，其N 极方向与工具面方向的关系是已知的。 测量仪器中有两个磁性罗盘。上罗盘处在三个定向磁铁位置，可测得工具面方位；下罗盘远离定向磁铁，指向正北方位。两罗盘面同时照在一张底片上，于是可知工具面在井下的实际方位。,36,学习浅析,造斜工具的定向工具面的标记方法,定向键标记法： 既可用于用磁性测斜仪测量，也可用于陀螺测斜仪测量； 定向接头内有一个定向键。定向键所在的母线就标志着工具面的方位。 测量仪器的罗盘面上有一个“发线”，在测量仪器的最下面有一个“定向鞋”，定向鞋上有一个“定向槽”，在

16、仪器安装时使“发线”与“定向槽”在同一个母线上对齐。 仪器下到井底时，定向鞋的特殊曲线使定向槽自动卡在定向键上，使罗盘面上的发线方位就标志了工具面的方位。 在照相底片上罗盘的指针标志着井斜方位，发线标志了工具面的方位。所以可求得工具面在井下的实际方位。,37,学习浅析,定向井轨迹控制计算动力钻具反扭角,装置方位角的概念 注意到装置角是以井斜高边为基准的。而高边有是随着井斜方位的变化而变化的。 变化的基准在使用中是不方便的，于是提出装置方位角。 装置方位角是以正北方位为基准，等于井斜方位角加上装置角。,需要特别注意，1 和时不再一个平面上的。,38,学习浅析,定向井轨迹控制计算动力钻具反扭角,反

17、扭角的存在： 当我们将动力钻具带弯接头下到井底，并将工具面摆到装置方位线上，然后启动，工具面将要向反时针方向旋转一个角度，此角度称为反扭角。 反扭角的产生： 动力钻具启动后，转子受到一个顺时针方向的扭矩，因而顺时针方向旋转； 定子受到一个反时针方向的扭矩，因而反时针方向旋转；由于钻柱在井口被转盘锁住，不能自由旋转，最终只能扭转一定角度，即反扭角。 反扭角以n 表示。,39,学习浅析,定向井轨迹控制计算动力钻具反扭角,影响反扭角的因素： 1. 动力钻具扭矩的大小： 扭矩越大，反扭角越大； 扭矩与钻具结构、泥浆排量、钻压、地层等因素有关； 2. 钻柱尺寸和钢材性能： 反扭角与钻柱长度成正比；与钻柱

18、断面的极惯性矩成反比；与钻柱钢材的弹性模量成反比； 3. 钻柱与井壁摩阻系数： 摩阻系数越大，摩擦扭矩就越大，反扭角就越小； 摩阻系数与泥浆性能、井壁光滑程度有关； 4. 装置角的影响： 装置角在001800 范围内，将使反扭角减小； 装置角在18003600 范围内，将使反扭角增大； 装置角在“偏增角”附近，对反扭角影响达到最大； 装置角在00 和1800 附近，对反扭角影响达到最小；,40,学习浅析,定向井轨迹控制计算动力钻具反扭角,定向方位角的概念 考虑到动力钻具反扭角的影响，在给造斜工具定向时，不能将工具面对准装置方位线，而应超过装置方位线一个“反扭角”，即对准定向方位线。 定向方位线

19、的方位角称为定向方位角。,41,学习浅析,定向井轨迹控制计算动力钻具反扭角,反扭角的确定方法 计算机软件计算法：近年来出现的新方法。需要建立计算模型。影响精确性的主要因素是摩阻系数取值。 经验数据法：有些动力钻具厂家与定向井公司联合，共同给出一些经验数据。准确性最差； 资料反算法：在实钻过程中，利用实钻资料，可以较好地反算反扭角。这样得到的反扭角值，在下一步钻进中使用，就比较准确。 随钻测量法：需要有随钻测量仪器。从随钻测量以的显示屏上可以清楚地看出，动力钻具启动后，工具面向回转的角度（反扭角）。,42,学习浅析,定向井轨迹控制计算动力钻具反扭角,反扭角的确定方法经验数据法,43,学习浅析,定

20、向井轨迹控制计算动力钻具反扭角,反扭角的确定方法经验数据法 上页经验数据表适用的条件： 地层：软中硬 钻具： 20 弯接头+27/8”钻杆+37/8”Dyna钻具； 20 弯接头+31/2”钻杆+5”Dyna钻具； 20 弯接头+41/2”钻杆+61/4”Dyna钻具； 20 弯接头+5”钻杆+73/4”Dyna钻具； 20 弯接头+5”钻杆+95/8”Dyna钻具； 装置角在950和2650之间，怎么办？内插法。 一个重要规律：在相同井深、相同装置角下，井斜角越大，则装置角对反扭角的影响就越大。,44,学习浅析,定向井轨迹控制计算动力钻具反扭角,反扭角的确定方法资料反算法 已知试钻井段的资料

21、： 1 、2 、1 、2 、S ; 反算反扭角： 计算该段狗腿角 ： 计算造斜工具的实际装置角 Z ： 计算实际反扭角nz ：,增方位取正，减方位取负；,45,学习浅析,定向井轨迹控制计算动力钻具反扭角,反扭角的确定方法资料反算法实例 已知试钻井段的资料： 1=8.750 ，2=10.50 ，1 =650 ，2 =320 ，S =420 ; 该段狗腿角用下式计算， =5.70 ； 造斜工具的实际装置角用下式计算 Z=89.1450 ; 实际反扭角用下式计算，nz=660 ；,增方位取正，减方位取负；,46,学习浅析,定向井轨迹控制计算柱面法扭方位,斜面法扭方位的优点： 扭方位钻进过程中的工艺操

22、作简单 斜面法扭方位，尽管装置角一直在变化，但是装置角方位角始终保持不变。当给造斜工具定好向以后，将转盘锁住，在整个扭方位钻进过程中，不需要再扭动钻柱。工艺操作上很简单。 改变井眼方向的效率高 斜面法扭方位，钻出的井眼是空间斜平面上圆弧曲线。圆弧曲线的曲率是最小曲率，即在相同曲率下，井眼长度最短，完成同样的井斜和方位改变所需要的狗腿角最小，钻进效率最高。 斜面法扭方位的缺点： 扭方位过程中井斜变化率不是常数 井斜变化率是在一个很大的范围内变化，有时甚至在“正、负”之间变化。 增斜扭方位过程中可能出现井斜角减小的情况； 稳斜扭方位实际上作不到； 由斜面法扭方位的缺点，引出了柱面法扭方位。,47,

23、学习浅析,定向井轨迹控制计算柱面法扭方位,怎么知道斜面法扭方位过程中装置角在变化？ 1. 在用MWD监测过程中，可以观察到； 2. 由装置方位角公式S= 1 +知道： S保持不变，而1在不断变化，所以装置角也在不断变化；但需注意，并非1变化多少， 也变化多少； 3. 由斜面法扭方位的计算公式可以推论： 计算由1点钻到2点，用公式： 这是1点的初始装置角。 若计算从2点钻到1点，则公式变为下式： 这可看作是2点处的初始装置角，也可 看作是钻到2点时的装置角。 显然,48,学习浅析,定向井轨迹控制计算柱面法扭方位,斜面法扭方位缺点之一： 做不到稳斜扭方位 斜面法进行稳斜扭方位，实际上只能体现在扭完

24、方位后的井斜角与扭方位前的井斜角相等，即1=2 。而在扭方位的过程中，井斜角一直在变化。 如图所示，已知稳斜扭方位井段的狗腿角，则从1点开始扭方位的装置角为： 当扭方位进行到b点时，1b段的狗腿角等于/2 。则b点的井斜角等于： 显然，b 不等于1 。还可以证明，所有点的井斜角在变化，都不等于1 。,49,学习浅析,定向井轨迹控制计算柱面法扭方位,斜面法扭方位缺点之二： 增斜扭方位过程中，井斜角可能减小 斜面法进行增斜扭方位过程中，有时会出现井斜角减小的情况。 如图所示，已知增斜扭方位井段的有关参数： 1=200，2=220，1=150，2=600；K=100/100m ； 则得=15.870

25、，求得=104.440 ；需要钻进158.70m ； 现在要求钻进了30m时，当时的井斜角b=? 钻进了30m后狗腿角等于= 30 ，则： b=19.340 计算表明，在本例中，井斜较小于200的情况将一直延续103.7m，然后在后50多米钻进中，井斜角才超过200 ，一直增斜到220 。,50,学习浅析,定向井轨迹控制计算柱面法扭方位,柱面法扭方位公式推导： 推导方法：利用斜面法扭方位的公式进行推导； 推导思路： 斜面法扭方位是保持装置方位角不变；柱面法扭方位是保持装置角不变。 斜面法扭方位的公式，既适用于弯接头斜面法扭方位，也适用于槽式变向器装置角不变扭方位。 将柱面法扭方位过程，看作是由

26、许多小段组成的槽式变向器扭方位。每个小段的装置角相同； 因而在每个小段扭方位过程中，可以使用槽式变向器的扭方位公式，即弯接头斜面法扭方位公式。 当这些小段无限多时，每个小段长度就会无限短，于是就成了装置角不变的连续扭方位。 在每个小段“非常小”时，、和豆科看成是“非常小”，则：,；,；,；,；,；,；,；,51,学习浅析,定向井轨迹控制计算柱面法扭方位,柱面法扭方位公式推导： 将上页中的近似公式代入右面两公式，可得：,联立,得：,52,学习浅析,定向井轨迹控制计算柱面法扭方位,柱面法扭方位公式推导： 实用公式的推导 前页推导的公式乃是理论公式，并不实用。实用公式有二：,利用此二式可以计算装置角

27、和方位角增量。,利用此二式可以计算井斜角增量或2 。,53,学习浅析,定向井轨迹控制计算柱面法扭方位,柱面法扭方位的特点 1. 斜面法扭方位的三种特殊扭方位方式，在柱面法扭方位中，变成了一种。即：900扭方位，稳斜扭方位和全力扭方位，都变成了900扭方位。 2. 当装置角不等于900时，井斜变化率K=常数。扭方位井段的垂直剖面图是一条圆弧曲线。 3. 但扭方位井段的水平投影图不是圆弧，即该井段在水平投影图上的曲率不是常数。 4. 柱面扭方位井段不是圆柱螺线，而是柱面上的螺旋线，这种柱面螺线被称作“恒工具面角曲线”，或称恒装置角曲线。 5. 优点是：增斜扭方位过程中，井斜变化率是常数；稳斜扭方位

28、过程中，井斜角是常数。 6. 缺点是：扭方位井段比斜面法要长，需要的狗腿角要大。,54,学习浅析,定向井轨迹控制计算柱面法扭方位,柱面法扭方位的计算 限长扭方位 给定条件：1=220；1=1000；工具造斜率90/100m ；现要求钻进150m将井斜方位角减小到2=700；请用限长扭方位方式，并求： 1. 装置角； 2. 扭方位段的狗腿角； 3. 扭弯方位后的井斜角2 ；,解答：,上二式联立可解出： =5.220; 2=27.220 ; =67.250 =292.750 ;,55,学习浅析,定向井轨迹控制计算柱面法扭方位,柱面法扭方位的计算 稳斜扭方位 给定条件：1=220；1=1000；工具

29、造斜率90/100m ；限要求将井斜方位角减小到2=700；请用900 扭方位、稳斜扭方位、全力扭方位方式，并求： 1.扭方位段的狗腿角 ； 2.扭弯方位后的井斜角2 ； 3.扭方位段的段长L ；,解答： =900;=0；2=220； 由公式： 可得：,56,学习浅析,定向井轨迹控制计算柱面法扭方位,柱面法扭方位的图解法 图解法公式： 图解法的步骤： 1. 选O点为原点，作射线OP； 2. 选一定长度代表单位角度； 3. 作角度BOP=1，使OB长度等于角度； 4. 以B为圆心，以为半径画弧，交OP于A点，连接AB； 5. 自B点向OP作垂线，垂足为C点； 6. 用量角器量PAB，即为装置角； 7. 用直尺量AC长度，即为井斜角增量； 8. 2= 1+ 图解法公式中用 1 代替，而=(1+2)/2 ，这将造成一定误差。 越大，则误差越大。,57,学习浅析,定向井轨迹控制计算柱面法扭方位,柱面法扭方位的图解法 图解法注意事项： 1. 作1和时要注意， 为正则在下， 为负则在上； 2. 增斜时A点在C点的左面，降斜时A点在C点的右面； 3. 装置角的量度，是以OP射线为始边，顺时针旋转转到AB线上所转过的角度。,58,学习浅析,欢迎批评指正！,59,学习浅析,