轨迹控制有关概念和计算ppt课件.ppt
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1、定向井轨迹控制计算,石油大学(华东)韩志勇,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;,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),定向井轨迹控制的主要做法,第一阶段:打好垂直井段垂直井段打不好,将给造斜带来很大的困难。要求实钻轨迹尽
2、可能接近铅垂线,也就是要求井斜角尽可能小。定向井的垂直井段可以按照打直井的方法进行轨迹控制,而且比打直井要求更高,因为定向井垂直井段的施工质量是以后轨迹控制的基础。,定向井轨迹控制的主要做法,第二阶段:把好定向造斜关 这是增斜井段的一部分,但它是从垂直井段开始增斜的。由于垂直井段井斜角等于零,所以称为“造斜”;由于垂直井段没有井斜方位角,所以开始造斜时需要“定向”。如果定向造斜段的方位有偏差,则会给以后的轨迹控制造成巨大困难。所以,定向造斜是关键,一定要把好这一关。 现代的定向造斜,除套管开窗侧钻还使用变向器外,几乎全是使用动力钻具造斜工具。造斜井段的长度,一般是以井斜角达到可以使用转盘钻的扶
3、正器钻具组合继续增斜为准。这个井斜角大约为8 至10。,定向井轨迹控制的主要做法,第三阶段:跟踪控制到靶点从造斜段结束,至钻完全井,都属于跟踪控制阶段。人们常说的轨迹控制实际多指这一阶段。一.跟踪控制需遵循的几条原则:1.既要保证中靶,又要加快钻速。这一阶段的任务是在实钻过程中,不断了解轨迹的变化发展情况,不断地使用各种造斜工具或钻具组合,使实钻轨迹离开设计轨迹“不要太远。“不要太远”一词的意义在于,一方面如果“太远”就可能造成脱靶,成为不合格井;另一方面如果始终要求实钻轨迹与设计轨迹误差很小,势必要求非常频繁地测斜,频繁地更换造斜工具,必将大大地拖延时间,增加成本,而且还有可能造成井下复杂情
4、况,得不偿失。,定向井轨迹控制的主要做法,第三阶段:跟踪控制到靶点二.跟踪控制需遵循的几条原则:2.尽可能多的使用转盘钻的扶正器钻具组合来进行控制。这是因为转盘钻的钻速比动力钻具要高。所以在造斜段结束之后,一般都换用转盘钻继续增斜,并在需要稳斜和降斜的时候,仍然使用转盘钻来完成。只有在下列两种情况下,才使用动力钻具进行控制:(1)使用转盘钻扶正器组合已难以完成增斜或降斜要求时,改用动力钻具造斜工具进行强力增斜或降斜;(2)转盘钻扶正器组合不能控制方位,而且在钻进中常常出现方位偏差。当井眼方位有较大偏差,有可能造成脱靶时,必须使用动力钻具造斜工具来完成扭方位。,定向井轨迹控制的主要做法,第三阶段
5、:跟踪控制到靶点二.跟踪控制需遵循的几条原则:3.尽可能利用地层的自然规律。种种地层因素导致钻头的不对称切削,或引起井斜变化,或引起方位漂移:地层可钻性的各向异性:平行层面方向与垂直层面方向,地层可钻性不同。沿垂直地层层面方向,可钻性发生变化;沿平行地层层面方向,可钻性发生变化;在轨道设计和轨迹控制过程中,尽可能利用这些自然规律,减少利用工具进行控制的时间。,定向井轨迹控制的主要工作内容,1.适时进行轨迹测量和轨迹计算:测量仪器的选择;测量密度和测点密度的选择;根据轨迹计算结果,提出下步轨迹控制要求;2.做好造斜工具的装置方位计算:装置角和装置方位角的计算;动力钻具反扭角和定向方位角的计算;第
6、二和第三阶段都有大量的计算任务;3.精心选择造斜工具或下部钻具组合:造斜工具或钻具组合的结构选择和性能预测;凭经验预测;使用软件预测;4.造斜工具的井下定向工艺和钻进:定向方法和定向工艺;钻进过程;,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。,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;,定向
7、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;,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,,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
8、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,,定向井轨迹控制计算装置角有关公式的推导,定向井轨迹控制计算装置角有关公式的推导,定向井轨迹控制计算装置角有关公式的推导,定向井轨迹控制计算装置角有关公式的推导,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:,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:,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,、二式无法应用,因为这二式都难以度
9、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。,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。,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1=450;2=600;=600;求=?,定向井轨迹控制计算装置角有关计
10、算公式,偏增角的影响两种计算结果不相同。那个错呢? 86.3860是错的!,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。但当我们只知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。,定向井轨迹控制计算装置角有关计算公式,反正弦的定义域只在、象限;反正切的定义域也只在、象限;,关于反三角函数的定义域问题,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,,定向井轨迹控制
11、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“”。计算半角装置角的正切公式也可以使用,但太复杂。,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),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),定向井轨迹控制计算装置角的有关计算,两个最重要最可靠公式的形式类似(2)二式可
12、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),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; =?,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。,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
13、位取“+”,减方位取“”,定向井轨迹控制计算装置角的有关计算装置角的图解法,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
14、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。,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,定向井轨迹控制计算装置角的有关计算,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
15、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,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=127m,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
16、;3. 扭弯方位后的井斜角2 ;4. 扭方位段的段长L;,L=122m,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。,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。,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
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