为钻井定向的“井眼轨道几何学”

来源：科学出版社

油气资源深埋地下，要开采就必须钻井。早期的石油钻井都要钻直井。随着一百多年来石油工业的技术进步，今天的钻井已不单单是构建一条油气通道，而是日益成为提高勘探发现率和开发采收率的重要技术手段，定向钻井已成为现代钻井工程的主要部分。

定向钻井的关键技术是井眼轨道设计、监测与控制技术，其实质是根据油气勘探开发要求来构建井眼轨道的空间形态。井眼轨道设计技术以钻井目标为前提，以几何学为基础，以计算机软件为手段，以井眼轨道控制技术为制约。因此，只有对钻井工艺和井眼轨道控制技术有足够了解和掌握的人，才能作出高水平的井眼轨道设计方案。同时考虑井眼轨道控制方案的设计往往也是轨道设计者分内的工作。

刘修善，1962年生，工学博士，正高级工程师。中国石油化工集团公司首批高级专家、科技创新领军人才、突出贡献专家，兼任Society of Petroleum Engineers会员、国家自然科学基金评审专家、《石油钻探技术》期刊副主编、多种国内外SCI期刊编委。长期从事定向钻井工艺、随钻测量与控制等方面的研究工作，主持完成973计划、863计划、国家科技重大专项等国家级及省部级课题20余项，授权发明专利30余件。出版专著10余部，发表第一作者论文100余篇，其中三大检索收录60余篇。

作者自1984 年参加工作以来，一直从事井眼轨道设计理论与监测方法方面的研究工作。在一些专家和朋友的鼓励下，经过近5 年的思考和筹备，于2006年年底推出了学术专著《井眼轨道几何学》，总结了20 余年来的认识和体会。全书围绕井眼轨道设计、监测及控制方法的理论体系，贯穿了系统的几何学研究方法，故定名为“井眼轨道几何学”。

▲ 井眼坐标系及标架坐标系

自该书第一版发布以来，定向钻井技术有了很大发展，作者主持完成的国家973 计划和国家科技重大专项等课题也积累了一些新的研究成果。在国内外读者的广泛关注和不断催促下，作者对第一版进行修订的责任感和自信心与日俱增，驱使日夜兼程地修订本书。 

与第一版相比，《井眼轨道几何学》第二版（刘修善著.北京：科学出版社，2019.9）在结构和内容上都有很大变化。 

▋(1)凝练梳理了定向钻井的关键科学与工程问题，构建了井眼轨道表征、井眼轨道定位、井眼轨道设计、实钻轨迹监测和随钻轨迹控制五个研究主题，为此将第一版的九章内容修订为五章。 

▋(2)在井眼轨道表征方面：

增加了井眼轨道的挠曲特性方程，揭示了挠曲参数分组及各组挠曲参数间的相互关系、井眼轨道挠曲形态与挠曲参数间的唯一对应关系；

增加了井眼轨道特征参数及求取方法、井眼轨道模型及参数间的相互关系、井眼轨道通用模型等内容，为满足井眼轨道设计、监测与控制等不同需求，建立了一致性的井眼轨道模型化方法。 

▋(3)在井眼轨道定位方面：

精简了大地测量学知识，增加了地磁场模型，论述了设计轨道和实钻轨迹的精准定位方法；

增加了测斜仪工作原理、井眼轨迹误差模型及误差椭球表征等内容，介绍了井眼轨迹不确定性评价方法。

▲ 三维绕障轨道设计 

▋(4)在井眼轨道设计方面：

修改完善了设计步骤及要求、二维井眼轨道的交互式通用设计方法等内容，增加了井下管柱摩阻分析。

▋(5)在实钻轨迹监测方面：

增加了井眼轨迹模式识别方法，亦即测斜计算方法优选，修改完善了实钻轨迹偏差分析等内容，重构了邻井防碰分析的结构及内容。

▋(6)在随钻轨迹控制方面：

增加了井眼轨迹演化规律，修改完善了各种约束条件下的随钻轨迹控制方案设计；

构建了地层-钻具-轨迹系统，论述了井眼轨迹定量预测与控制和地层自然造斜规律反演方法。

该书系统研究和总结了定向钻井的若干科学与工程问题，将它们划分为井眼轨道表征、井眼轨道定位、井眼轨道设计、实钻轨迹监测和随钻轨迹控制五个研究主题，具有系统性。根据定向钻井的本质性特征，将一系列工程技术问题凝练为几何学命题，应用微分几何、曲线论等理论建立了定向钻井的成套技术方法，颇具特色和创新性。该书第二版较第一版增加了一些新的内容，进一步丰富和发展了定向钻井的有关理论认识和工程技术方法，具有较高的学术水平和实用价值，必将对石油工程技术进步和油气井工程学科发展起到推动作用。 

中国工程院院士

2018 年9 月于北京