一種底部鑽具組合造斜率預測方法與流程

2023-06-11 04:44:41

本發明涉及一種複雜結構井設計與施工過程中的底部鑽具組合造斜率預測方法，屬於石油天然氣鑽井、地質勘探以及礦山鑽探技術領域。

背景技術：

井眼軌跡控制一直是鑽井過程中的一項重要工作,對底部鑽具組合結構的合理配置以及鑽井參數的選取是該項工作順利進行的基礎。長期以來，國內外有關專家和學者在底部鑽具組合力學分析、鑽頭與地層交互作用分析及鑽具造斜率的計算等方面開展了大量的研究工作，取得了許多科研成果。

關於鑽具組合鑽進趨勢的評價及預測，現有常用方法主要有以下幾種：

(1)「三點定圓法」：是一種針對導向螺杆鑽具的幾何造斜率計算方法。該方法優點在於計算簡單，並且得到的是底部鑽具的「造斜率」指標，便於指導現場技術人員使用。但是該方法的缺點也十分突出，比如，未考慮鑽具受力與變形對造斜率的影響，未考慮地層傾角、地層各向異性等因素的影響，等等。

(2)「鑽頭側向力」：是一種利用作用在鑽頭上的側向力大小來進行底部鑽具鑽進趨勢評價的方法。儘管該方法能夠定性、準確地判斷鑽具組合的增降斜趨勢，但是該方法沒有考慮地層傾角、地層各向異性以及鑽頭特性等因素的影響，並且由於現場技術人員無法根據鑽頭側向力的大小來準確判斷鑽具組合的造斜率大小，因此不便於指導現場人員使用。

(3)「平衡曲率法」：認為當鑽具造斜趨勢達到平衡狀態以後，底部鑽具組合的造斜率應與鑽頭側向力值為零時的井眼曲率大小相等。該方法得到的是「造斜率」指標，便於指導現場應用，但是該方法同樣沒有考慮地層傾角、地層各 向異性以及鑽頭特性等因素對造斜率的影響，因此多數情況下與現場實際造斜率結果存在較大誤差。

(4)「極限曲率法」：極限曲率法的計算原理基本上同平衡曲率法，首先通過鑽具受力變形分析，求得鑽頭側向力為零時的井眼曲率值，然後根據鑽井實踐，引入兩個經驗係數A和B，進而得到鑽具的造斜率。該方法的缺點在於鑽具造斜率的計算精度受A、B兩個係數的合理選取影響較大，與使用者的鑽井經驗密切相關。

(5)「鑽進趨勢角」：定義為鑽頭在地層中將要鑽進的方向與井底井眼軸線切線方向之間的夾角。利用「鑽進趨勢角」進行底部鑽具鑽進趨勢的評價，其優點在於該方法考慮因素比較全面，它綜合考慮了鑽具結構、鑽進參數、鑽頭特性及地層性質等各種因素的影響，但是其缺點與「鑽頭側向力」方法一樣，不便於指導現場人員使用。

綜上分析，若能夠建立一種既考慮因素全面、又可以得到鑽具「造斜率」指標的預測方法，將可以為今後複雜結構井底部鑽具組合的優化設計提供一種新的理論依據和分析手段。

技術實現要素：

本發明目的在於提供一種複雜結構井設計與施工過程中的底部鑽具組合造斜率預測方法，既考慮鑽頭特性、地層性質等各種因素影響，又可以得到鑽具「造斜率」大小，便於指導現場技術人員使用。

本發明的技術方案按照以下步驟進行：

步驟1：利用室內實驗方法測定或實鑽井史資料反演，得到鑽頭各向異性指數Ib和地層各向異性指數Ir兩個參數；

步驟2：考慮底部鑽具結構、鑽井工藝參數、井眼幾何形狀等影響因素，建 立鑽頭力學特性參數與井眼曲率Kh之間的關係；

步驟3：基於鑽頭與地層相互作用模型，綜合考慮鑽頭力學特性、鑽頭各向異性、地層各向異性以及地層傾角和傾向等因素影響，得到鑽進趨勢角Ar的計算表達式；

步驟4：令Ar＝0，反算井眼曲率Kh大小，則此時井眼曲率大小Kh即等於底部鑽具組合的造斜率。

本發明的技術特點還在於，所述的底部鑽具組合可以是常規鑽具組合、螺杆鑽具組合、自動垂直鑽井系統以及旋轉導向鑽井系統等所有鑽具類型。

另外，步驟3中的鑽進趨勢角Ar可以根據如下公式計算：

其中：

w1＝k11s1+k21s2+k31s3

w2＝k12s1+k22s2+k32s3

w3＝Ir(k13s1+k23s2+k33s3)

s1＝IbIr cosαf+Ir(1-Ib)cosαaf cosαa

s2＝IbIr cosβf+Ir(1-Ib)cosαaf cosβa

s3＝IbIr cosγf+Ir(1-Ib)cosαaf cosγa

cosαa＝cos Aαcos Aφ

cosβa＝sin Aφ

cosγa＝sin Aαcos Aφ

式中，αf、βf、γf分別為鑽頭合力矢量與井底坐標系三坐標軸的夾角；αa、βa、γa分別為鑽頭軸向方向矢量與井底坐標系三坐標軸的夾角；αaf為鑽頭合力矢量與鑽頭軸向方向矢量的夾角；PB為作用在鑽頭上的鑽壓；α、φ分別表示井底的井斜角、方位角；β、分別為地層傾角和地層傾向；NBα、NBφ分別為作用在鑽頭上的變井斜力和變方位力；Aα、Aφ分別為鑽頭軸向方向矢量與井斜平面、方位平面的夾角。

本發明的有益效果是綜合考慮了底部鑽具結構、鑽井工藝參數、井眼幾何形狀、鑽頭各向異性以及地層各向異性、地層傾角和傾向等各種因素的影響，並且具有較高的造斜率預測精度，為今後底部鑽具組合的優化設計提供了一種新的理論依據和分析手段。

附圖說明

圖1為利用本發明方法計算得到的不同鑽壓下的理論造斜率與現場實鑽造斜率的結果對比圖。

圖2為本發明一種底部鑽具組合造斜率預測方法步驟圖。

具體實施方式

下面結合具體實施例對本發明作進一步說明。

某油田1口完鑽井井深5236m，水平段長1362m，最大井斜88.1°，方位160°。水平段鑽進期間，使用「雙扶正器」常規鑽具組合：Ф152.4mmPDC鑽頭×0.25m+雙母接頭×0.38m+Φ148mm扶正器×1.41m+Ф120mm短鑽鋌×5.88m+Φ147mm扶正器×1.41m+Ф120mm無磁鑽鋌×9.17m+Ф120mm鑽鋌×9m+Ф101.6mm鑽杆，施加鑽壓40～80kN，實鑽造斜率為-2.13～2.37°/100m，取得了較好的穩斜鑽進效果，見圖1中的黑色實線所示。其他相關參數為：鑽井液密度1.45g/cm3，井眼擴大率4％，目的層傾角3°，地層傾向10°。

為了計算該井「雙扶正器」鑽具組合的理論造斜率，利用本發明底部鑽具組合造斜率預測方法，按照以下步驟進行：

首先，利用鄰井的實鑽資料(主要是實鑽造斜率隨鑽壓變化規律)針對該區塊所使用鑽頭及地層的各向異性進行了反演，經反演該井的鑽頭和地層各向異性指數分別為0.25和0.95。

其次，將反演得到的鑽頭和地層各向異性指數以及鑽井液密度、井眼擴大率等相關參數代入本發明提供的造斜率計算方法，可以得到不同鑽壓下該「雙扶正器」鑽具組合的理論造斜率結果，如圖1中的紅色直線所示。

通過對比不同鑽壓下「雙扶正器」鑽具組合的理論造斜率與實鑽造斜率的結果，可以看出理論造斜率和實鑽造斜率誤差小於1°/100m，表明本發明提供 的一種底部鑽具組合造斜率預測方法具有較高的預測精度，完全能夠滿足現場應用的需要。