專利名稱：一種控制鉆井井眼軌道的隨鉆設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及石油鉆井中的井眼軌道控制和設(shè)計(jì)，具體涉及對鉆井井眼軌道的隨鉆設(shè)計(jì)。
背景技術(shù)：
隨著定向鉆井技術(shù)的發(fā)展，對井眼軌道控制的要求越來越高。在鉆井施工過程中，要使實(shí)鉆的井眼軌跡和預(yù)先設(shè)計(jì)的井眼軌道完全吻合是不可能的，二者之間總會存在一定的偏差。井眼軌道控制的目標(biāo)就是要把這種偏差控制在允許的范圍內(nèi)，從而順利地鉆達(dá)地質(zhì)目標(biāo)。
如果實(shí)鉆軌跡與設(shè)計(jì)軌道之間的偏差超出了允許范圍，就需要進(jìn)行修正設(shè)計(jì)，使其回到設(shè)計(jì)軌道上或直接鉆向目標(biāo)點(diǎn)(或靶區(qū))。在地質(zhì)導(dǎo)向鉆井中，如果預(yù)計(jì)的儲層構(gòu)造和位置與實(shí)際不符，而導(dǎo)致中途調(diào)整目標(biāo)點(diǎn)時，也需要進(jìn)行類似的調(diào)整設(shè)計(jì)。
井眼軌道控制包含控制方案、鉆具組合設(shè)計(jì)和控制工藝等方面的內(nèi)容。在控制方案上，以往只是研究對井眼方向和中靶的單獨(dú)控制，這些方法對于常規(guī)的定向井施工起到了重要作用。然而，隨著鉆井技術(shù)的不斷進(jìn)步，這樣的軌道控制概念和方法已不能滿足新技術(shù)的需要。主要表現(xiàn)在第一，對于水平井，造斜井段是軌道控制的關(guān)鍵。它不僅要求具有合理的著陸點(diǎn)位置，而且對入靶時的井眼方向具有很高的要求。第二，在多目標(biāo)井的設(shè)計(jì)和施工中，合理的入靶方向是能否成功地?fù)糁泻罄m(xù)靶點(diǎn)(區(qū))的關(guān)鍵，甚至關(guān)系到施工的成敗。第三，由于大位移井具有較長的延伸井段，所以往往不是以最終的靶點(diǎn)為控制目標(biāo)，而是要以設(shè)計(jì)軌道為基準(zhǔn)進(jìn)行軌道控制。
總之，在很多情況下，如果不同時對井眼方向和中靶予以限制，將會給鉆井施工中的井眼軌道控制帶來不利影響，甚至無法實(shí)現(xiàn)預(yù)定的鉆井目標(biāo)和計(jì)劃，從而帶來嚴(yán)重的后果，造成重大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，要求同時滿足入靶方向和中靶的軟著陸軌道控制方法具有重要意義，也是緊密結(jié)合鉆井施工的一種實(shí)用技術(shù)。
正如飛機(jī)降落時，合理的著陸點(diǎn)是成功降落的基本保證，著陸點(diǎn)的允許范圍依賴于跑道的有效寬度；合理的著陸傾角可保證飛機(jī)的平穩(wěn)降落，而不會引起機(jī)身的顛簸；導(dǎo)航方位控制著飛機(jī)的行進(jìn)方向，著陸時不合理的導(dǎo)航方位將導(dǎo)致飛機(jī)偏離跑道。
水平井入靶與飛機(jī)降落的情形十分相似。所不同的是，機(jī)場上的跑道是一個水平面，而水平井的靶區(qū)是一個長方體，而且入靶時的井斜角也不一定必須是90°。顯然，水平井的入靶坐標(biāo)和入靶方向?qū)⒅苯雨P(guān)系到能否成功中靶、順利地鉆進(jìn)水平井段以及有效地開發(fā)目的層。對于多目標(biāo)井，由于要求依次擊中多個靶點(diǎn)或靶區(qū)，所以各靶的入靶方向同樣是非常重要的。此外，在進(jìn)行各種修正軌道設(shè)計(jì)時，如果修正設(shè)計(jì)的終點(diǎn)不是最終的目標(biāo)點(diǎn)，而是原設(shè)計(jì)軌道上的某個中間點(diǎn)，也必須保證既能中靶又要限定合理的入靶方向，以便為后續(xù)的施工創(chuàng)造有利條件。
目前的井眼軌道控制方案，或是只控制井眼方向(或稱扭方位)，或是只要求中靶。研究和現(xiàn)場應(yīng)用均表明井眼軌道的井眼方向(井斜角、方位角)和空間坐標(biāo)是相互影響、相互關(guān)聯(lián)的，只有同時對這兩個方面實(shí)施有效地控制，才能達(dá)到預(yù)期的軌道控制目的和效果。這種能同時滿足空間坐標(biāo)和井眼方向要求的控制方法，稱為井眼軌道的軟著陸控制方法。

發(fā)明內(nèi)容
由于軟著陸軌道控制既要滿足空間坐標(biāo)的要求，又要滿足井眼方向的要求，所以無論采用什么樣的井身剖面和軌道模型，都必須滿足如下方程Σi=1nΔXi=XT-XB]]>Σi=1nΔYi=YT-YB]]>Σi=1nΔZl=ZT-ZB]]>Σi=1nΔαi=αT-αB]]>Σi=1nΔφi=φT-φB]]>式中，α、φ、X、Y、Z分別表示井斜角、方位角、北坐標(biāo)、東坐標(biāo)和垂深；下標(biāo)B和T分別表示實(shí)施軌道控制的起始點(diǎn)和終止點(diǎn)。
上述方程表明組成井身剖面各井段的坐標(biāo)增量之和等于總控制井段的終點(diǎn)與始點(diǎn)坐標(biāo)之差，井斜角和方位角的增量之和也分別等于總控制井段的終點(diǎn)與始點(diǎn)之差。
然而，上述的5個約束方程并不是相互獨(dú)立的，在滿足其余4個約束方程的條件下，井斜角的控制方程會自然得到滿足。如果試圖聯(lián)立求解上述5個約束方程，來設(shè)計(jì)軟著陸軌道控制方案，不可能獲得成功。
要實(shí)現(xiàn)對井眼軌道的軟著陸控制，至少需要2個曲線井段。本發(fā)明所提出的軟著陸控制方案，適用于由2個或2個以上曲線井段所組成的任何井身剖面。此外，對于井眼軌道模型沒有限制，適用于空間圓弧、圓柱螺線、自然曲線、恒工具面等各種井眼軌道模型。
在設(shè)計(jì)與計(jì)算方法上，本發(fā)明要求滿足3個空間坐標(biāo)約束方程和1個方位角約束方程，共4個方程。對應(yīng)于4個約束方程，需要有4個待定參數(shù)，它們可以是井身剖面上的任意4個特征參數(shù)。
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種控制鉆井井眼軌道的隨鉆設(shè)計(jì)方法，能夠同時滿足井眼入靶方向和坐標(biāo)位置兩方面的要求，并且可以選取井身剖面的任意4個特征參數(shù)作為井眼軌道設(shè)計(jì)的待定參數(shù)。
本發(fā)明的技術(shù)方案是一種控制鉆井井眼軌道的隨鉆設(shè)計(jì)方法，在鉆井過程中修正和調(diào)整井眼軌道時，為保證入靶方向和坐標(biāo)的雙重要求，采用下述步驟設(shè)計(jì)井眼軌道第1步確定井身剖面形式從當(dāng)前的實(shí)鉆井底位置到目標(biāo)靶點(diǎn)的井眼軌道構(gòu)成一個隨鉆井身剖面，確定組成該井身剖面的各個井段形式，即確定井段的數(shù)量及每個井段的直線或曲線形式，該井身剖面至少包括2個曲線井段第2步確定初始參數(shù)給定隨鉆井身剖面的起始點(diǎn)坐標(biāo)和方向、靶點(diǎn)坐標(biāo)和入靶方向，即給出井眼軌道起始點(diǎn)的北坐標(biāo)XB、東坐標(biāo)YB、垂深ZB，靶點(diǎn)的北坐標(biāo)XT東坐標(biāo)YT垂深ZT，以及起始點(diǎn)的井斜角αB、方位角φB，入靶點(diǎn)的井斜角αT、方位角φT；第3步建立方程空間坐標(biāo)約束方程Σi=1nΔYi=YT-YB---(1)]]>Σi=1nΔXi=XT-XB---(2)]]>Σi=1nΔZi=ZT-ZB---(3)]]>方位角約束方程Σi=1nΔφi=φT-φB---(4)]]>式中n井段數(shù)量ΔXi 第i井段的北坐標(biāo)增量，單位米ΔYi 第i井段的東坐標(biāo)增量，單位米ΔZi 第i井段的垂深增量，單位米Δφi第i井段的方位角增量，單位度第4步展開方程式方程(1)(2)(3)(4)按下列方式展開①當(dāng)?shù)趇段井段為直線井段時
Δφi＝φi-φi-1＝0ΔXi=ΔLisinαicosφiΔYi=ΔLisinαisinφiΔZi=ΔLicosαi]]>式中ΔLi第i段井段的長度，單位米αi 第i段井段的井斜角，單位度φi 第i段井段的方位角，單位度②當(dāng)?shù)趇段井段為空間圓弧井段時該井段的井眼曲率κi保持為常數(shù)，對應(yīng)的曲率半徑為R1。如果再給出初始裝置角ωi，則有tgφi=sinαi-1sinφi-1+(cosαi-1sinφi-1cosωi+cosφi-1sinωi)tgϵisinαi-1cosφi-1+(cosαi-1cosφi-1cosωi-sinφi-1sinωi)tgϵi]]>ϵi=180π·ΔLiRi]]>ξi=Ri(1-cosϵi)ηi=0ζi=Risinϵi]]>
ΔXiΔYiΔZi=cosαi-1cosφi-1-sinφi-1sinαi-1cosφi-1cosαi-1sinφi-1cosφi-1sinαi-1sinφi-1-sinαi-10cosαi-1cosωi-sinωi0sinωicosωi0001ξiηiζi]]>式中ΔLi 第i段井段的長度，單位米αi-1第i段井段的起始井斜角，單位度φi-1第i段井段的起始方位角，單位度αi 第i段井段的終端井斜角，單位度φi 第i段井段的終端方位角，單位度③當(dāng)?shù)趇段井段為自然曲線井段時該井段的井斜變化率κα，i和方位變化率κφ，i分別保持為常數(shù)。它所描述的井眼軌道在垂直剖面圖上由直線和圓弧組成，而在水平投影圖上只有穩(wěn)斜井段才呈現(xiàn)為圓弧。
Δφi＝φi-φi-1＝κφ，iΔLi
其中FS(β,x)=180πx[sin(β+xΔLi)-sinβ]FC(β,x)=180πx[cos(β+xΔLi)-cosβ]]]>AP=αi-1+φi-1AQ=αi-1-φi-1]]>κP=κα,i+κφ,iκQ=κα,i-κφ,i]]>
式中ΔLi 第i段井段的長度，單位米αi-1第i段井段的起始井斜角，單位度φi-1第i段井段的起始方位角，單位度αi 第i段井段的終端井斜角，單位度φi 第i段井段的終端方位角，單位度④當(dāng)?shù)趇段井段為圓柱螺線井段時該井段在垂直剖面圖和水平投影圖上分別為圓弧。若這兩個圓弧的曲率半徑分別為Ri、ri，則軌道參數(shù)為Δφi=φi-φi-1=Riri(cosαi-1-cosαi)]]>ΔXi=ri(sinφi-sinφi-1)ΔYi=ri(cosφi-1-cosφi)ΔZi=Ri(sinαi-sinαi-1)]]>式中αi-1第i段井段的起始井斜角，單位度φi-1第i段井段的起始方位角，單位度αi 第i段井段的終端井斜角，單位度φi 第i段井段的終端方位角，單位度第5步給定已知參數(shù)根據(jù)井眼軌道設(shè)計(jì)與控制的需要，將任意4個特征參數(shù)作為未知量，其余參數(shù)根據(jù)設(shè)計(jì)條件作為已知參數(shù)給定。
第6步求解方程組對上述方程組進(jìn)行數(shù)學(xué)求解，解出4個未知變量，計(jì)算出各井眼軌道參數(shù)，完成隨鉆井眼軌道設(shè)計(jì)。
上述方程組含有4個未知變量，在數(shù)學(xué)上有多種公知的方法求解；針對上述特定方程組，也可以專門開發(fā)未公知的特定解法。無論何種公知或未公知的數(shù)學(xué)解法，都不影響本發(fā)明關(guān)于鉆井過程中隨鉆軌道設(shè)計(jì)方法的技術(shù)實(shí)質(zhì)。
對于上述的第6步求解方程組，可以采用迭代法，使用常規(guī)的數(shù)學(xué)迭代方法，直到滿足給定的精度要求為止。
對于上述的第6步求解方程組，也可以采用數(shù)值法，利用任何公知的數(shù)值計(jì)算方法，通過計(jì)算機(jī)程序進(jìn)行數(shù)值求解。
本發(fā)明的有益效果是與傳統(tǒng)的控制方法相比，本發(fā)明可以滿足更為苛刻的井眼軌道控制條件，實(shí)現(xiàn)理想的井眼軌道控制目標(biāo)，既能控制井眼的入靶方向，同時又能控制入靶坐標(biāo)，可以提高鉆井速度和井身質(zhì)量、降低鉆井成本，有利于安全、優(yōu)質(zhì)、快速地完成鉆井作業(yè)。


圖1是五段式空間圓弧剖面的軟著陸軌道示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合實(shí)施例進(jìn)一步描述本發(fā)明。本發(fā)明的范圍不受這些實(shí)施例的限制，本發(fā)明的范圍在權(quán)利要求書中提出。
在以下各實(shí)施例中，也可以用曲率作為特征參數(shù)。
數(shù)學(xué)上，曲率半徑與曲率互為倒數(shù)，此時曲率的單位是rad/m。而在鉆井工程中，井眼曲率的常用單位是(°)/m、(°)/30m、(°)/100m等。此時，井眼曲率與曲率半徑之間的關(guān)系為R=180Cκπκ]]>式中κ——井眼曲率；R——曲率半徑，m；Cκ——單位換算系數(shù)，其數(shù)值等于曲率單位中的數(shù)字。例如，當(dāng)井眼曲率κ的單位為(°)/30m時，Cκ＝30。
(1)五段式空間圓弧剖面的軟著陸軌道控制方案一個水平井設(shè)計(jì)的著陸點(diǎn)井斜角為88°、方位角為50°。當(dāng)鉆至井斜角為76°、方位角為54°時，距著陸點(diǎn)的垂深為14.6m、水平位移為93.5m、平移方位為48.4°。選用“直線—圓弧—直線—圓弧—直線”的五段式井身剖面，且要求首末段的段長分別為10m和6m、兩個圓弧段的曲率選用8°/30m和10°/30m。
以第2井段(即第1個圓弧段)的初始工具面角ω2、第3井段(即第2個直線段)的長度ΔL3、第3井段的井斜角α3、第3井段的方位角φ3共4個特征參數(shù)為未知量。
則根據(jù)本發(fā)明的設(shè)計(jì)方法得第2井段的初始工具面角為299.37°，第3井段的長度為8.95m、井斜角為81.93°、方位角為43.71°。設(shè)計(jì)結(jié)果見表1。
表1 五段式空間圓弧剖面的軟著陸軌道控制方案

(2) 五段式自然曲線剖面的軟著陸軌道控制方案一個水平井設(shè)計(jì)的著陸點(diǎn)井斜角為90°、入靶方位角為265°。當(dāng)鉆至井斜角為72°、方位角為260°時，距著陸點(diǎn)的垂深為14m、水平位移為88m、平移方位為264°。選用“直線—圓弧—直線—圓弧—直線”的五段式井身剖面，并要求首末段的段長為6m和10m、兩個圓弧段的井斜變化率選用8°/30m和10°/30m、且第1井段和兩個圓弧段分別具有2°/30m、5°/30m和-4°/30m的方位漂移率。
以第3井段(即第2個直線段)的長度ΔL3、第3井段的井斜角α3、第3井段的方位變化率為κφ，3、第5井段(即第3個直線段)的方位變化率κφ，5，共4個特征參數(shù)為未知量。
則根據(jù)本發(fā)明的設(shè)計(jì)方法得第3井段的長度為13.35m、井斜角為80.34°、方位變化率為2.54°/30m，第5井段的方位變化率為6.36°/30m。設(shè)計(jì)結(jié)果見表2。
表2 五段式自然曲線剖面的軟著陸軌道控制方案

權(quán)利要求
1一種控制鉆井井眼軌道的隨鉆設(shè)計(jì)方法，其特征是在鉆井過程中調(diào)整井眼軌道時，采用下述步驟設(shè)計(jì)井眼軌道第1步確定井身剖面形式從當(dāng)前的實(shí)鉆井底位置到目標(biāo)靶點(diǎn)的井眼軌道構(gòu)成一個隨鉆井身剖面，確定組成該井身剖面的各個井段形式，即確定井段的數(shù)量及每個井段的直線或曲線形式，該井身剖面至少包括2個曲線井段；第2步確定初始參數(shù)給定隨鉆井身剖面的起始點(diǎn)坐標(biāo)和方向、靶點(diǎn)坐標(biāo)和入靶方向，即給出井眼軌道起始點(diǎn)的北坐標(biāo)XB、東坐標(biāo)YB、垂深ZB，靶點(diǎn)的北坐標(biāo)XT、東坐標(biāo)YT、垂深ZT，以及起始點(diǎn)的井斜角αB、方位角φB，入靶點(diǎn)的井斜角αT、方位角φT；第3步建立方程空間坐標(biāo)約束方程Σi=1nΔΛXi=XT-XB---(1)]]>Σi=1nΔYi=YT=YB---(2)]]>Σi=1nΔZi=ZT-ZB---(3)]]>方位角約束方程Σi=1nΔφi=φT-φB---(4)]]>式中n井段數(shù)量ΔXi第i井段的北坐標(biāo)增量，單位米ΔYi第i井段的東坐標(biāo)增量，單位米ΔZi第i井段的垂深增量，單位米Δφi第i井段的方位角增量，單位度第4步展開方程式方程(1)(2)(3)(4)按下列方式展開①當(dāng)?shù)趇段井段為直線井段時Δφi＝φi-φi-1＝0ΔXi=ΔLisinαicosφiΔYi=ΔLisinαisinφiΔZi=ΔLicosαi]]>式中ΔLi第i段井段的長度，單位米αi第i段井段的井斜角，單位度φi第i段井段的方位角，單位度②當(dāng)?shù)趇段井段為空間圓弧井段時該井段的井眼曲率Ki保持為常數(shù)，對應(yīng)的曲率半徑為Ri。如果再給出初始裝置角ωi，則有tgφi=sinαi-1sin+φi-1(cosαi-1sinφi-1cosωi+cosφi-1sinωi)tgϵisinαi-1cosφi-1+(cosαi-1cosφi-1cosωi-sinφi-1sinωi)tgϵi]]>ϵi=180π•ΔLiRi]]>ξi=Ri(1-cosϵi)ηi=0ζi=Risinϵi]]>ΔXiΔYiΔZi=cosαi-1cosφi-1-sinφi-1sinαi-1cosφi-1cosαi-1sinφi-1cosφi-1sinαi-1sinφi-1-sinαi-10cosαi-1cosωi-sinωi0sinωicosωi0001ξiηiζi]]>式中ΔLi第i段井段的長度，單位米αi-1第i段井段的起始井斜角，單位度φi-1第i段井段的起始方位角，單位度αi第i段井段的終端井斜角，單位度φi第i段井段的終端方位角，單位度③當(dāng)?shù)趇段井段為自然曲線井段時該井段的井斜變化率κα，i和方位變化率κφ，i分別保持為常數(shù)。它所描述的井眼軌道在垂直剖面圖上由直線和圓弧組成，而在水平投影圖上只有穩(wěn)斜井段才呈現(xiàn)為圓弧。Δφi＝φi-φi-1＝κφ，iΔLi 其中Fs(β,χ)=180πχ[sin(β+χΔLi)-sinβ]Fc(β,x)=180πχ[cos(β+χΔLi)-cosβ]]]>AP=αi-1+φi-1AQ=αi-1-φi-1]]>κP=κα,i+κφ,iκQ=κα,i-κφ,i]]>式中ΔLi第i段井段的長度，單位米αi-1第i段井段的起始井斜角，單位度φi-1第i段井段的起始方位角，單位度αi第i段井段的終端井斜角，單位度φi第i段井段的終端方位角，單位度④當(dāng)?shù)趇段井段為圓柱螺線井段時該井段在垂直剖面圖和水平投影圖上分別為圓弧。若這兩個圓弧的曲率半徑分別為Ri、ri，則軌道參數(shù)為Δφi=φi-φi-1=Riri(cosαi-1-cosαi)]]>ΔXi=ri(sinφi-sinφi-1)ΔYi=ri(cosφi-1-cosφi)ΔZi=Ri(sinαi-sinαi-1)]]>式中αi-1第i段井段的起始井斜角，單位度φi-1第i段井段的起始方位角，單位度αi第i段井段的終端井斜角，單位度φi第i段井段的終端方位角，單位度第5步給定已知參數(shù)根據(jù)井眼軌道設(shè)計(jì)與控制的需要，將任意4個特征參數(shù)作為未知量，其余參數(shù)根據(jù)設(shè)計(jì)條件作為已知參數(shù)給定。第6步求解方程組對上述方程組進(jìn)行數(shù)學(xué)求解，解出4個未知變量，計(jì)算出各井眼軌道參數(shù)，完成隨鉆井眼軌道設(shè)計(jì)。
2根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制鉆井井眼軌道的隨鉆設(shè)計(jì)方法，其特征是所述的第6步求解方程組，是采用迭代法，使用常規(guī)的數(shù)學(xué)迭代方法，直到滿足給定的精度要求為止。
3根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制鉆井井眼軌道的隨鉆設(shè)計(jì)方法，其特征是所述的第6步求解方程組，是采用數(shù)值法，利用任何公知的數(shù)值計(jì)算方法，通過計(jì)算機(jī)程序進(jìn)行數(shù)值求解。
全文摘要
本發(fā)明涉及石油鉆井中的井眼軌道控制和設(shè)計(jì)，具體涉及對鉆井井眼軌道的隨鉆設(shè)計(jì)。包括確定井身剖面形式、建立方程組、展開方程式、給定已知參數(shù)、求解方程組等步驟。本發(fā)明能夠同時滿足入靶方向和坐標(biāo)位置兩方面的要求，并且可以選取井身剖面的任意4個特征參數(shù)作為井眼軌道設(shè)計(jì)的待定參數(shù)。應(yīng)用本發(fā)明可以提高鉆井速度和井身質(zhì)量、降低鉆井成本。本發(fā)明用于石油鉆井中的井眼軌道控制和設(shè)計(jì)。
文檔編號E21B47/02GK1936263SQ20051010335
公開日2007年3月28日 申請日期2005年9月20日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月20日
發(fā)明者劉修善, 曾義金, 郭才軒, 劉衛(wèi)東, 孟慶生 申請人:中國石油化工股份有限公司, 中國石油化工股份有限公司石油勘探開發(fā)研究院