第3章井眼轨迹的测量和计算ppt课件.ppt
第3章 井眼轨迹的测量和计算,3.1 常用测斜仪的测量原理3.2 测量数据的记录和传输3.3 测斜计算方法3.4 测斜计算结果的常规绘图3.5 定向井水平井中靶计算,3.1 常用测斜仪的测量原理,3.1 常用测斜仪的测量原理,磁罗盘类照相测斜仪原理仪器中的罗盘靠一顶尖支撑，可在仪器中灵活转动，不管仪器的外壳如何转动，罗盘的S极始终指北。在仪器的中心悬挂着一个“十”字锤，不管仪器外壳如何倾斜，重锤始终指向重力方向。当仪器在井内某深度处静止测量时，照相机对着罗盘面照相，由于罗盘面是透明的，所以“十”字图形也被照在底片上。,3.1 常用测斜仪的测量原理,磁罗盘类照相测斜仪原理罗盘面上的同心圆代表了不同的井斜角，“十”字锤所在的同心圆就是该井深处的井斜角。罗盘面上的径向放射线代表了不同的方位，罗盘边缘有方位的刻度值，“十”字锤所在的放射线就是该井深处的井斜方位线的反方向。将罗盘盘面上的N、S互换，E、W互换，就可以直接从照相底片上直接读出井斜方位角。,3.1 常用测斜仪的测量原理,电磁类测斜仪原理将3个重力加速度计和3个磁通门分别安装在井眼轴线方向Z、工具面所在半径方向X和与其垂直的另外一个半径方向Y上。,井斜角,重力工具面角(5),3.1 常用测斜仪的测量原理,电磁类测斜仪原理,井斜方位 角,磁性工具面角(5),3.1 常用测斜仪的测量原理,陀螺类测斜仪原理高速运转的陀螺具有抵抗干扰力矩而保持其自转轴相对于惯性空间方位稳定的特性,称作陀螺自转轴的方位稳定性或定轴性；陀螺类测斜仪正是利用陀螺的定轴性来进行井斜方位的测量；,3.1 常用测斜仪的测量原理,陀螺类测斜仪原理陀螺在干扰力矩作用下产生的自转轴空间方位的漂移现象称作陀螺的进动性；陀螺在冲击力距作用下，自转轴将在原来的空间方位附近作高频微幅的锥形振荡运动,称作陀螺的章动性。,3.1 常用测斜仪的测量原理,不同原理的测斜仪适用范围利用磁罗盘或磁通门来测量井斜方位角的仪器均要求测量点附近地磁场正常，且为无磁环境；陀螺类测斜仪是利用其自身的定轴性来测量，不需要无磁环境，可用于套管内、丛式井或没有无磁钻铤的情况，但存在陀螺漂移的问题，且仪器本身比较娇贵。,3.2 测量数据的记录和传输,测量数据的记录方式测量数据的记录方式主要有两种：照相底片记录和电子数字式；照相底片记录的如：磁罗盘单、多点照相测斜仪，照相陀螺测斜仪，这些仪器井斜角和高边工具面角是采用机械测角装置测量,其测量的角度投影到陀螺仪刻度盘或罗盘上,由照相机拍摄胶片或胶卷记录下来。电子数字式的如：电磁类测斜仪、电子陀螺测斜仪，这些仪器井斜角和工具面角均是采用重力加速度计测量,方位角通过磁通门或其它方式测量，所有测量数据通过有线或无线方式传输到地面。,3.2 测量数据的记录和传输,测量数据的传输方式照相底片记录的数据通过取出仪器本身来获得数据；有线测斜仪通过电缆来传输数据；无线测斜仪传输数据的方式主要有四种：连续波方式正脉冲方式负脉冲方式电磁波方式,3.2 测量数据的记录和传输,测量数据的传输方式无线测斜仪传输数据的方式-连续波方式,3.2 测量数据的记录和传输,测量数据的传输方式无线测斜仪传输数据的方式-正脉冲方式,3.2 测量数据的记录和传输,测量数据的传输方式无线测斜仪传输数据的方式-负脉冲方式,3.2 测量数据的记录和传输,测量数据的传输方式无线测斜仪传输数据的方式-电磁波方式,3.3 测斜计算方法1.测斜计算概述,计算的依据：测斜数据（，L）计算的内容：测段计算：D，S，N，E，K，共计五项。测点计算：D，S，N，E，A，V，共计七项。计算的意义：指导施工：将计算结果绘图，及时掌握轨迹发展的趋势，及时采取有效措施；资料保存：井眼轨迹的数据，是一口井的最重要数据之一，对钻井、采油、修井、开发，都有重要意义。,计算方法的多样性来源于测段形状的不确定性。经过测斜，人们只知道一个测段的两个端点处的有关参数（井斜角、井斜方位角和井深），对两端点之间的测段形状则一无所知。一无所知，无法计算，要计算，只好假设。假设不同，则计算方法不同。假设相同时，对数据的处理不同，也形成不同计算方法；有人将别的方法进行某种简化，也会得到新的计算方法；常见的、基本的、有价值的计算方法，有七种。,3.3 测斜计算方法2.关于测斜计算问题的若干规定,测斜计算方法：我国钻井专业标准化委员会制定的标准规定，使用平均角法或校正平均角法。对测斜计算数据的规定：1.测点编号：自上而下，第一个井斜角不 为零的测点为第1 测点，i=1,2,3,至n 2.测段编号：自上而下编号，第i-1个测点与第i 个测点之间所夹的测段为第i 个测段3.第1测段,应该是第0测点和第1测点之间的测段4.第测点：没有连接点时，要规定第测点:0=0;L0=L1-25m;0=1;H0=0；N0=0；E0=0；S0=0,3.3 测斜计算方法2.关于测斜计算问题的若干规定,5.用于计算全井轨迹的计算数据必须是多点测斜仪测得的数据6.磁性测斜仪测得的方位角数据，须根据当地当年的磁偏角，进行校正7.测点中若有一测点井斜角为零，则该点方位角等于相邻测点的方位角8.方位角变化，在一个测段内不超过180。若方位角增量大于180，应按反转方向计算。,课堂练习：计算以下两测段的方位角增量和平均井斜方位角：（1）上测点井斜方位角350，下测点井斜方位角2550；（2）上测点井斜方位角3350，下测点井斜方位角250；,3.3 测斜计算方法2.关于测斜计算问题的若干规定,3.3 测斜计算方法3.测斜计算的一般过程,先进行测段计算：算出D，S，N，E，K。在测段计算的基础上，进行测点计算。不管那种方法，测点计算所用公式都是一样的。,测点计算的其他公式：,(N20),(N20),以下各种不同方法，仅仅在于D，S，N，E四个参数的计算公式不同。,式中的0是该井原设计方位角。,3.3 测斜计算方法4.正切法,正切法又称下切点法，下点切线法。假设：测段为一直线，方向与下测点井眼方向一致。所有方法中最简单的，计算误差最大的。,平均角法又称角平均法。假设：测段为一直线，其方向的井斜角和方位角分别为上、下两测点的平均井斜角和平均方位角。,式中：,3.3 测斜计算方法5.平均角法,假设：一个测段由两段组成，每段等于测段长度的一半，方向分别为上、下测点的井眼方向。这种方法在国外用的比较多。,3.3 测斜计算方法6.平衡正切法,曲率半径法的来源：1968年，美国人G.J.Wilson提出了曲率半径法。假设测段为一圆滑曲线，该曲线与上下二测点处的井眼方向相切，而且该曲线的垂直投影图和水平投影图，都是圆弧。Wilson最初发表的公式使用了许多绝对值符号，使测段的坐标增量计算值全为正值，在计算测点坐标时却要判断是加还是减，所以不便于使用。1976年，美国人J.T.CRAIG和B.V.RANDALL对曲率半径法做了进一步描述，说曲率半径法的测段形状是一“空间曲线”，是“特殊的曲线”，并说此曲线是一个球或圆的一部分，即乃是圆弧。另外，还对公式的形式做了修正，取消了绝对值号，使之便于使用。于是应用更为广泛了。,圆柱螺线法的来源：1975年，我国郑基英教授提出了圆柱螺线法。他的假设条件是：两测点间的测段是一条等变螺旋角的圆柱螺线，螺线在两端点处与上、下二测点处的井眼方向相切。圆柱螺线的水平投影图乃是圆弧，垂直剖面图也正好是圆弧。这样就与曲率半径法推导公式的假设条件完全相同 由于圆柱螺线法概念清晰、明确，而且推导出的公式的表达形式也比较好。圆柱螺线法的公式表达形式与曲率半径法不同，但公式实质上是相同的。,3.3 测斜计算方法7.圆柱螺线法（曲率半径法）,3.3 测斜计算方法7.圆柱螺线法（曲率半径法）,曲率半径法计算公式,圆柱螺线法计算公式,3.3 测斜计算方法7.圆柱螺线法（曲率半径法）,3.3 测斜计算方法7.圆柱螺线法（曲率半径法）,第一种情况：1=2；21；即=0；0。,圆柱螺线法（曲率半径法）特殊情况处理:,3.3 测斜计算方法7.圆柱螺线法（曲率半径法）,第二种情况：1 2；2=1；即 0；=0。,圆柱螺线法（曲率半径法）特殊情况处理:,3.3 测斜计算方法7.圆柱螺线法（曲率半径法）,第三种情况：1=2；2=1；即=0；=0。,圆柱螺线法（曲率半径法）特殊情况处理:,三角函数sinx可以展开成马克劳林无穷级数的形式：此级数收敛很快，可近似取前两项，即：将此式代入到圆柱螺线法的计算公式中，可得：,3.3 测斜计算方法8.校正平均角法,将此二式代入到圆柱螺线法公式中，可得：,这就是校正平均角法的计算公式,令：,公式变为平均角法的形式，但多了两个系数 fA和fH。fA和fH，可以看作是校正平均角法的校正系数。,3.3 测斜计算方法8.校正平均角法,校正平均角法的优点：校正平均角法是从圆柱螺线法公式经过简化而推导出来的。校正平均角法的计算精度，几乎与圆柱螺线法完全相同。最大优点：方法简单，不存在特殊情况处理问题。当式中的括弧等于1 时，公式变为平均角法。所以，我国定向井标准化委员会规定，当使用电算进行测斜计算时，要使用校正平均角法。,3.3 测斜计算方法8.校正平均角法,假设两测点间的井段是一段平面上的圆弧，圆弧在两端点处与上下二测点处的井眼方向相切。测段是一段圆弧，那么它的水平投影图和垂直剖面图一般来说不是圆弧。,水平投影长度的近似公式：,3.3 测斜计算方法9.最小曲率法,弦步法是我国刘福齐同志首先提出来的，并且给出了准确实用的计算公式。弦步法亦假设相邻两测点之间的井眼轴线为空间一平面上的圆弧曲线。弦步法认为，我们在测井时并不能测出这个圆弧的长度，而实际测出的是这段圆弧的弦的长度。如图所示，在实际测斜时，由于钻柱或电缆被尽可能拉直，所以钻柱或电缆的轴线并不完全与井眼轴线重合，而是近似地与圆弧形井眼轴线的“弦”相重合。这就使得用钻柱或电缆测得的“测段长度”，并不代表“井段长度”，而是“弦长”。按照这个假设来计算井眼轨迹的方法就是弦步法。,3.3 测斜计算方法10.弦步法,弦步法计算公式：,3.3 测斜计算方法 10.弦步法,上述七种计算方法可分为三类：曲线法优于直线法和折线法。手算用平均角法，电算用曲线法。动力钻具钻出的井眼用最小曲率法；转盘钻钻出的井眼用圆柱螺线法。我国标准化委员会规定：手算用平均角法，电算用校正平均角法。正切法，公认是不准确的，目前已经废弃。下面我们仅仅对比其他六种方法。,3.3 测斜计算方法11.测斜计算方法的对比及选择,我们将六种计算方法的公式进行数学变换，将其平增和垂增的公式都变化为平衡正切法的公式形式乘一个系数K。计算方法不同，则K系数的计算公式不同。表中列出了不同计算方法的K的计算公式。平衡正切法的K=1。其他方法都是在平衡正切法基础上乘以系数。,3.3 测斜计算方法11.测斜计算方法的对比及选择,计算例：测段测值为1=330；2=370；1=1960；2=2160；L=30m。,3.3 测斜计算方法11.测斜计算方法的对比及选择,由于，按照六种方法的值的大小，可以排出顺序：弦步法最小曲率法、平均角法圆柱螺线法校正平均角法平衡正切法 校正平均角法与圆柱螺线法的计算值相差非常小，差别在小数点以后第七、八位，有效数字的前8位都是相同的。所以，在实际工作中，完全可以用校正平均角法代替圆柱螺线法，而且也有必要作此代替。平衡正切法的计算值距曲线法的计算值相差甚远。平均角法的计算值介于圆柱螺线法和最小曲率法两种曲线法的计算结果之间，是最接近曲法的计算结果。手算（包括使用计算器）应该选用平均角法。从弦步法和平衡正切法比较来看，在30米长的一个测段内，和的计算值相差约10厘米。如果是一口3000米的井，将有100个测段，两种方法差别将近10米之多。可见选择计算方法的必要性。提高井眼轨迹测斜计算的准确性，除了选择合适的计算方法外，更加重要的是要采取以下有效措施：提高测斜资料的精度。使用精度较高的测斜仪器，并尽可能使仪器的轴线与井眼轴线相平行。适当加密测点，缩短测段长度。,3.3 测斜计算方法11.测斜计算方法的对比及选择,目前的绘图方法，不管是手绘图还是计算机绘图，都根据测斜计算结果，采用坐标绘图法。,3.4 测斜计算结果的常规绘图,垂直投影图的另一种作法：利用垂直剖面图和水平投影图，作出垂直投影图。,3.4 测斜计算结果的常规绘图,3.5 定向井中靶计算,1.水平靶中靶计算已知：目标点坐标（Dt，Nt，Et）和 实钻轨迹。计算p点的水平坐标：靶心矩的计算：,3.5 定向井中靶计算,2.垂直靶（或倾斜靶）中靶计算已知：目标点坐标（Dt，Nt，Et）及其井斜角t和方位角t,实钻井眼轨迹数据。,3.5 定向井中靶计算,2.垂直靶（或倾斜靶）中靶计算（1）中靶点Z坐标,Z,i-1,Wi,Wi-1,i,3.5 定向井中靶计算,2.垂直靶（或倾斜靶）中靶计算（2）靶心距的计算,纵偏距：,横偏距：,靶心距：,课后作业：,1.完成下列测斜计算：用平均角法计算；用校正平均角法计算；,给定设计方位角220,课后作业：,2.水平靶靶心距计算：已知：目标点t 的坐标及井斜角、方位角，中靶点P 所在测段的上下两个测点的坐标，求靶心距B=?目标点坐标：Dt=1630.0m；Nt=390.0m；Et=200.0m；上测点：D i-1=1615.6m；N i-1=366.5m；E i-1=219.2m；下测点：Di=1637.9m；Ni=382.4m；Ei=225.1m；,课后作业：,3.垂直靶靶心距计算：已知：目标点t 的坐标及井斜角、方位角，中靶点P 所在测段的上下两个测点的坐标，求靶心距B=?目标点坐标：Dt=1630.0m；Nt=390.0m；Et=200.0m；上测点：D i-1=1615.6m；N i-1=366.5m；E i-1=219.2m；下测点：Di=1637.9m；Ni=382.4m；Ei=225.1m；,课后复习：,定向井设计与计算：P.14P.27 测斜计算的主要方法介绍P.27P.30 实钻井眼轴线形状的绘制讲课与教材有矛盾者，以讲课为准。,
