一種水平井造斜段造斜率優化取值方法及裝置與流程
2023-05-16 13:44:46 3
本發明涉及石油地質勘探中技術領域，尤其涉及一種水平井造斜段造斜率優化取值方法及裝置。
背景技術：
在石油勘探技術領域中，通過鑽水平井延升水平井段在儲層的接觸面積已經成為油田勘探開發中採用的重要方式。但是，較長的水平井段容易導致水平井鑽井過程中產生較高的鑽井摩阻，影響鑽機井口能量高效傳遞到鑽頭實現破碎巖石。尤其是，造斜段屬於彎曲井段，該井段的彎曲率的設計對鑽井摩阻具有重要影響。
現有技術中一般在鑽井設計階段設計水平井井眼軌跡時，常根據鑽具組合的造斜能力、地層巖性性質來設計水平井造斜段的造斜率。但根據鑽具造斜能力或地層巖性設計的造斜率未必能滿足最小的鑽井摩阻，影響水平井鑽井過程中鑽井摩阻扭矩，影響鑽機能量的傳遞效率，嚴重時甚至因鑽井摩阻過大導致鑽具能量傳遞不到鑽頭。這種水平井造斜段造斜率的設計方法通常在水平井較短時(如小於500m)影響較小。但對於較長的水平段長度的水平井(如超過500m)，這種方法設計出的造斜率在水平段鑽井後期，存在鑽井摩阻較大的風險(如超過30噸)，嚴重時影響鑽進作業效率甚至無法完成設計地質目標。
因此，現有技術中根據鑽具造斜能力或地層巖性設計的造斜率常常不能滿足最小的鑽井摩阻要求，水平井鑽井過程存在因鑽井摩阻過大而發生鑽具能量傳遞不到鑽頭的風險。現有技術中亟需一種可以以降低水平井段摩阻為目標的造斜率設計方法，降低水平井段鑽井摩阻，提高水平井段的鑽井作業效率。
技術實現要素：
本發明目的在於提供一種水平井造斜段造斜率優化取值方法及裝置，可以降低水平井段鑽井摩阻，保障水平井段鑽井過程中摩阻始終處於較小的狀態，提高鑽井效率。
本申請提供的一種水平井造斜段造斜率優化取值方法及裝置是這樣實現的：
一種水平井造斜段造斜率優化取值方法，所述方法包括：
確定設計目標井的預設摩阻係數μ；
確定設計目標井的水平段長度L；
判斷所述設計目標井的水平長度是否小於設定的造斜率趨勢分界值；
當所述判斷的結果為是時，以上提管柱最小鑽井摩阻為目標設計最佳造斜率，根據下述公式確定所述設計目標井的水平井造斜段的造斜率：
θ為確定出的當前水平井造斜段造斜率的取值。
優選的實施例中，所述方法還包括：
當判斷結果為否時，以下放管柱最小鑽井摩阻為目標設計最佳造斜率，設計目標井的水平井造斜段的造斜率的取值範圍設置為：3～5°/30m。
優選的實施例中，採用下述方式確定預設摩阻係數：
當優化設計的水平井所在的工區100km範圍內有水平井資料時，根據資料記錄的摩阻反算出區域摩阻係數，取不同井段區域摩阻係數的平均值作為預設摩阻係數；
當所述100km範圍內無水平井資料時，則預設摩阻係數在0.25至0.4之間取值。
優選的實施例中，以1200米為所述造斜率趨勢分界值的取值。
優選的實施例中，所述方法還包括：
根據確定出的所述造斜率採用下述公式計算井眼的靶前距D：
D＝1719.745/θ
θ為確定出的當前水平井造斜段造斜率，D為所述造斜率取值為θ時靶點距離造斜點的靶前距，單位為米。
一種水平井造斜段造斜率優化取值裝置，所述裝置包括：
摩阻係數計算模塊，用於確定設計目標井的預設摩阻係數μ；
長度確定模塊，用於確定設計目標井的水平段長度L；
判斷模塊，用於判斷所述設計目標井的水平長度是否小於設定的造斜率趨勢分界值；
第一判斷處理模塊，用於當所述判斷的結果為是時，以上提管柱最小鑽井摩阻為目標設計最佳造斜率，根據下述公式確定所述設計目標井的水平井造斜段的造斜率：
θ為確定出的當前水平井造斜段造斜率的取值。
優選的實施例中，所述裝置還包括：
第二判斷處理模塊，用於當判斷結果為否時，以下放管柱最小鑽井摩阻為目標設計最佳造斜率，設計目標井的水平井造斜段的造斜率的取值範圍設置為：3～5°/30m。
優選的實施例中，所述摩阻係數計算模塊採用下述方式確定預設摩阻係數：
當優化設計的水平井所在的工區100km範圍內有水平井資料時，根據資料記錄的摩阻反算出區域摩阻係數，取不同井段區域摩阻係數的平均值作為預設摩阻係數；
當所述100km範圍內無水平井資料時，則預設摩阻係數在0.25至0.4之間取值。
優選的實施例中，所述判斷模塊中設定的造斜率趨勢分界值包括：
以1200米為所述造斜率趨勢分界值的取值。
優選的實施例中，所述裝置還包括：
靶前距計算模塊，用於根據確定出的所述造斜率採用下述公式計算井眼的靶前距D：
D＝1719.745/θ
上述中，θ為確定出的當前水平井造斜段造斜率，D為所述造斜率取值為θ時靶點距離造斜點的靶前距，單位為米。
本申請提供的一種水平井造斜段造斜率優化取值方法及裝置，採用基於目標井的水平井長度來確定造斜率的趨勢取值，然後具體的可以確定目標井的預設摩阻係數，並在不同的現場施工條件下採用相應的造斜率取值方式獲得水平井造斜段造斜率。本發明與現有技術相比較，具有以下突出的優點：以水平井段鑽井過程中降低造斜段的摩阻為目標，提供了一種管柱上下放過程中摩阻最小時的造斜率設計方法，利於降低造斜段摩阻。
附圖說明
為了更清楚地說明本申請實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本申請中記載的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動性的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
圖1是本申請所述一種水平井造斜段造斜率優化取值方法一種實施例的方法流程示意圖；
圖2是本申請所述一種水平井造斜段造斜率優化取值方法另一種實施例的方法流程示意圖；
圖3是本申請一種典型水平井井眼軌跡場景示意圖；
圖4是本申請所述一種水平井造斜段造斜率優化取值裝置一種實施例的模塊結構示意圖；
圖5是本申請所述一種水平井造斜段造斜率優化取值裝置另一種實施例的模塊結構示意圖；
圖6是本申請所述一種水平井造斜段造斜率優化取值裝置另一種實施例的模塊結構示意圖。
具體實施方式
為了使本技術領域的人員更好地理解本申請中的技術方案，下面將結合本申請實施例中的附圖，對本申請實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本申請一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本申請中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都應當屬於本申請保護的範圍。
圖1是本申請所述一種水平井造斜段造斜率優化取值方法一個實施例的方法流程圖。雖然本申請提供了如下述實施例或附圖所示的方法操作步驟或裝置結構，但基於常規或者無需創造性的勞動在所述方法或裝置中可以包括更多或者更少的操作步驟或模塊結構。在邏輯性上不存在必要因果關係的步驟或結構中，這些步驟的執行順序或裝置的模塊結構不限於本申請實施例提供的執行順序或模塊結構。所述的方法或模塊結構的在實際中的裝置或終端產品應用時，可以按照實施例或者附圖所示的方法或模塊結構連接進行順序執行或者並行執行(例如並行處理器或者多線程處理的環境)。
本發明提供了一種水平井造斜段造斜率優化取值方法，提供一種以水平井段鑽井摩阻最小為參數目標的水平井造斜率取值方法，確保水平井段鑽井過程中摩阻始終處於較小的狀態，提高鑽井效率。具體的如圖1所述，本申請提供的一種水平井造斜段造斜率優化取值方法的一種實施例可以包括：
S1：確定設計目標井的預設摩阻係數μ。
若設計目標井100km內存在已經完鑽的水平井資料，則根據已鑽井的水平井段的摩阻大小情況採用摩阻扭矩力學分析軟體反算出摩阻係數，從不同井段的不同摩阻係數中選擇平均值，也可以在平均值基礎上附加0.02作為預計的摩阻係數；
具體的，預計摩阻係數方法可以包括：若設計目標井100km內存在已經完鑽的水平井資料，則根據已鑽井的水平井段的摩阻大小情況採用摩阻扭矩力學分析軟體反算出摩阻係數，可以從眾多摩阻係數中選擇平均值，也可以在平均值基礎上附加0.02作為預計的摩阻係數；若設計目標井100km內不存在已經完鑽的水平井資料，可在0.25～0.4之間選擇，跟鑽井過程中的鑽井液的潤滑性能的優良選擇較小或較大值。
S2：確定設計目標井的水平段長度L。
所述的水平段長度設計L可以根據地質目標確定，也可以根據鑽井泵額定泵壓、鑽具能力、地層破裂壓力梯度或漏失壓力梯度要求確定，此處不再贅述。
S3：判斷所述設計目標井的水平長度L是否小於設定的造斜率趨勢分界值。
所述的管柱下放時摩阻最小和管柱上提時摩阻最小對造斜率設計是一對矛盾值。本申請中最優化造斜率取值設計分為兩種情況：管柱下放時摩阻最小和管柱上提時摩阻最小。在本實施例中，可以基於水平井長度劃分不同的造斜率趨勢取值，當水平井在一定長度之內時以管柱上提摩阻為主要設計對象，超過一定長度之後，其他的摩阻則應該列入重點減小摩阻的設計對象。本申請的一種實施例中可以以1200m(米)為造斜率趨勢分界值的取值設計造斜率時，一般水平井段長度在1200m以內的水平井主要以管柱上提摩阻最小為主，超過1200m水平井段長度的水平井以管柱下放最小為主。具體的，本申請所述一種水平井造斜段造斜率優化取值方法的一種實施例中，當所述判斷的結果為是時，所述方法可以包括：
S401：當所述判斷的結果為是時以上提管柱最小鑽井摩阻為目標設計最佳造斜率，根據下述公式確定所述設計目標井的水平井造斜段的造斜率：
θ為確定出的當前水平井造斜段造斜率的取值。
所述的最優化造斜率設計分為兩種情況：管柱上提時，在造斜段進入水平段的水平拐點除管柱與下井壁接觸、或與上井壁接觸。為說明最小摩阻時最優造斜率的推導過程，參考圖3，是本申請一種典型水平井井眼軌跡場景示意圖，圖3中，KOP為造斜點位置，通常井斜為0°；A為造斜點進入水平段的拐點位置，通常井斜為90°；B水平段的終點位置，通常井斜為90°；FDkop：造斜點KOP處管柱的軸向載荷，牛，上提管柱時為拉力，下放管柱為壓縮載荷；FDA：A點位置管柱的軸向載荷，牛，上提管柱時為拉力，下放管柱為壓縮載荷；L：水平段段的長度，即A、B兩點之間的軌跡的長度，米；FD：造斜段某彎曲微段管柱下端面的軸向載荷，牛；ΔFD：造斜段某微段管柱軸向載荷增量，牛；Δα：造斜段某彎曲微段管柱的上下端面的井斜角增量，也稱彎曲微段管柱的彎曲角，°；α：造斜段某彎曲微下端面的井斜角，°；R：為造斜段某彎曲微段的彎曲半徑，米；N：井壁對管柱的正壓力，牛；q：為管柱的線重，牛/米；x,y:為建立直角坐標系。參照圖3所示，在y方向上，力學平衡有關係：
NRΔα+FDΔα＝qRΔαsinα
得到：
當N>0時，管柱與下井壁接觸，當N<0時，管柱與上井壁接觸。當N＝0時，此處無正壓力，簡稱正壓力平衡點。因此，管柱上提時，在A靶點(井眼軌跡剛好進入水平井段初始靶區)，若管柱與下井壁接觸，根據受力平衡(附圖3)應滿足以下關係：
0 - - - ( 1 ) , ]]>
即：
通過計算，此時造斜段的摩阻為：
上式(3)對R求導分析後可知ΔFd上與R存在正向變化關係，而R與θ成反比關係，綜合可得θ越大，造斜段摩阻ΔFd上越小。結合式(2)可知造斜率可以選擇：
管柱上提時在A靶點(井眼軌跡剛好進入水平井段初始靶區)管柱與上井壁接觸時，造斜率滿足關係:
1719.745 μ L - - - ( 4 ) , ]]>
造斜段的摩阻為顯然此時造斜段的摩阻與造斜率同向變化，此時θ應當選擇較小值。同樣應該取值：
因此，本發明的另一種實施例中，當所述判斷的結果為是時，所述方法還可以包括：
S402：當判斷結果為否時，以下放管柱最小鑽井摩阻為目標設計最佳造斜率，設計目標井的水平井造斜段的造斜率的取值範圍設置為：3～5°/30m。
圖2是本申請所述一種水平井造斜段造斜率優化取值方法一個實施例的方法流程圖。例如水平井段大於1200m時，下鑽摩阻對鑽井影響較大，為抓住主要矛盾，應該選擇較大的造斜率，而兼顧考慮上提時的鑽井摩阻，應該按照θ＝1719.745/μL設計。但其設計值仍然較小，本發明通過多次試驗和綜合考慮分析後，提供此時造斜率的取值範圍，即增加造斜率值至3-5°/30m。
上式中，L為水平段長度；αA為井斜90°；u為預計的摩阻係數；FDA為水平井A點軸向拉力，近似為uqL，kN；FDkop為造斜點軸向拉力；αkop為井斜角0°；θ為造斜率(單位為°/30m)，假設造斜段均勻造斜；R為造斜段曲率半徑，值為1719.745/θ；q為單位長度管柱的重量，N/m。
所述的靶前距設計和軌跡精細設計根據以下方式計算：跟上所述的最優造斜率θ可得到靶前距(靶前距為A靶點離造斜點的距離)為1719.745/θ。考慮到鑽井工具在的造斜率及預測地層的不確定性因素，需要把均勻造斜的管柱設計成五段制或七段制的軌跡剖面，完成井眼軌跡的精細設計。因此，本發明的另一種實施例中，所述方法還包括：
根據確定出的所述造斜率採用下述公式計算井眼的靶前距D：
D＝1719.745/θ
θ為確定出的當前水平井造斜段造斜率的取值，D為所述造斜率取值為θ時靶點距離造斜點的靶前距，單位為米。
本申請上述實施例所述的方法採用基於目標井的水平井長度來確定造斜率的趨勢取值，然後具體的可以確定目標井的預設摩阻係數，並在不同的現場施工條件下採用相應的造斜率取值方式獲取造斜率取值。因此，用此法設計的計算得到造斜率可以確保管柱上提或下放時的綜合摩阻處於較小的狀態，提高水平井段鑽井效率。
基於本申請上述提供的一種水平井造斜段造斜率優化取值方法，本申請可以提供一種水平井造斜段造斜率優化取值裝置。圖4是本申請所述一種水平井造斜段造斜率優化取值裝置一種實施例的模塊結構示意圖，具體的如圖4所示，所述裝置可以包括：
摩阻係數計算模塊101，可以用於確定設計目標井的預設摩阻係數μ；
長度確定模塊102，可以用於確定設計目標井的水平段長度L；
判斷模塊103，可以用於判斷所述設計目標井的水平長度是否小於設定的造斜率趨勢分界值；
第一判斷處理模塊104，可以用於當所述判斷的結果為是時，用於當所述判斷的結果為是時，以上提管柱最小鑽井摩阻為目標設計最佳造斜率，根據下述公式確定所述設計目標井的水平井造斜段的造斜率：
θ為確定出的當前水平井造斜段造斜率的取值。
圖5是本申請本申請所述一種水平井造斜段造斜率優化取值裝置另一種實施例的模塊結構示意圖，具體的如圖5所示，所述裝置還可以包括：
第二判斷處理模塊105，可以用於當判斷結果為否時，以下放管柱最小鑽井摩阻為目標設計最佳造斜率，設計目標井的水平井造斜段的造斜率的取值範圍設置為：3～5°/30m。
本申請上述實施例所述的裝置，採用基於目標井的水平井長度來確定造斜率的趨勢取值，然後具體的可以確定目標井的預設摩阻係數，並在不同的現場施工條件下採用相應的造斜率取值方式獲取造斜率取值。因此，用此法設計的計算得到造斜率可以確保管柱上提或下放時的綜合摩阻處於較小的狀態，提高水平井段鑽井效率。
本申請所述一種水平井造斜段造斜率優化取值裝置的另一種實施例中，所述摩阻係數計算模塊101採用下述方式確定預設摩阻係數：
當優化設計的水平井所在的工區100km範圍內有水平井資料時，根據資料記錄的摩阻反算出區域摩阻係數，取不同井段區域摩阻係數的平均值作為預設摩阻係數；
當所述100km範圍內無水平井資料時，則預設摩阻係數在0.25至0.4之間取值。
本申請所述一種水平井造斜段造斜率優化取值裝置的另一種實施例中，所述判斷模塊103中設定的造斜率趨勢分界值包括：
以1200米為所述造斜率趨勢分界值的取值。
圖6是本申請本申請所述一種水平井造斜段造斜率優化取值裝置另一種實施例的模塊結構示意圖，具體的如圖6所示，所述裝置還可以包括：
靶前距計算模塊106，可以用於根據確定出的所述造斜率採用下述公式計算井眼的靶前距D：
D＝1719.745/θ
上述中，θ為確定出的當前水平井造斜段造斜率，D為所述造斜率取值為θ時靶點距離造斜點的靶前距，單位為米。
考慮到鑽井工具在的造斜率及預測地層的不確定性因素，通常需要把均勻造斜的管柱設計成五段制或七段制的軌跡剖面，完成井眼軌跡的精細設計。
本申請上述實施例所述的水平井造斜段造斜率優化取值方法或者裝置，採用基於目標井的水平井長度來確定造斜率的趨勢取值，然後具體的可以確定目標井的預設摩阻係數，並在不同的現場施工條件下採用相應的造斜率取值方式獲取造斜率取值。因此，用此法設計的計算得到造斜率可以確保管柱上提或下放時的綜合摩阻處於較小的狀態，提高水平井段鑽井效率。
雖然本申請提供了如實施例或流程圖所述的方法操作步驟，但基於常規或者無創造性的手段可以包括更多或者更少的操作步驟。實施例中列舉的步驟順序僅僅為眾多步驟執行順序中的一種方式，不代表唯一的執行順序。在實際中的裝置或客戶端產品執行時，可以按照實施例或者附圖所示的方法順序執行或者並行執行(例如並行處理器或者多線程處理的環境)。
儘管本發明人內容中提到造斜率推導方式的描述、給出了一些優選實施例的參數選擇範圍(如3～5°/30m、工區100km範圍內、摩阻係數在0.25至0.4之間取值、以1200米為所述造斜率趨勢分界值的取值)、摩阻係數計算等之類的數據取值定義、參數計算、數據交互描述，但是，本申請並不局限於必須是完全符合上述推導全過程、摩阻係數的計算方式、某些行業標準、常規計算方式等的實施方式。使用自定義方式或實施例描述的實施基礎上略加修改後的實施方案也可以實現上述實施例相同、等同或相近、或變形後可預料的實施效果。應用這些修改或變形後的數據參數計定義、計算、取值等獲取的實施例，仍然屬於本申請的可選實施方案範圍之內。
上述實施例闡明的裝置或模塊，具體可以由計算機晶片或實體實現，或者由具有某種功能的產品來實現。為了描述的方便，描述以上裝置時以功能分為各種模塊分別描述。當然，在實施本申請時可以把各模塊的功能在同一個或多個軟體和/或硬體中實現，也可以將實現同一功能的模塊由多個子模塊或子單元的組合實現。
本領域技術人員也知道，除了以純計算機可讀程序代碼方式實現控制器以外，完全可以通過將方法步驟進行邏輯編程來使得控制器以邏輯門、開關、專用集成電路、可編程邏輯控制器和嵌入微控制器等的形式來實現相同功能。因此這種控制器可以被認為是一種硬體部件，而對其內部包括的用於實現各種功能的裝置也可以視為硬體部件內的結構。或者甚至，可以將用於實現各種功能的裝置視為既可以是實現方法的軟體模塊又可以是硬體部件內的結構。
本申請可以在由計算機執行的計算機可執行指令的一般上下文中描述，例如程序模塊。一般地，程序模塊包括執行特定任務或實現特定抽象數據類型的例程、程序、對象、組件、數據結構、類等等。也可以在分布式計算環境中實踐本申請，在這些分布式計算環境中，由通過通信網絡而被連接的遠程處理設備來執行任務。在分布式計算環境中，程序模塊可以位於包括存儲設備在內的本地和遠程計算機存儲介質中。
通過以上的實施方式的描述可知，本領域的技術人員可以清楚地了解到本申請可藉助軟體加必需的通用硬體平臺的方式來實現。基於這樣的理解，本申請的技術方案本質上或者說對現有技術做出貢獻的部分可以以軟體產品的形式體現出來，該計算機軟體產品可以存儲在存儲介質中，如ROM/RAM、磁碟、光碟等，包括若干指令用以使得一臺計算機設備(可以是個人計算機，移動終端，伺服器，或者網絡設備等)執行本申請各個實施例或者實施例的某些部分所述的方法。
本說明書中的各個實施例採用遞進的方式描述，各個實施例之間相同或相似的部分互相參見即可，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處。本申請可用於眾多通用或專用的計算機系統環境或配置中。例如：個人計算機、伺服器計算機、手持設備或可攜式設備、平板型設備、多處理器系統、基於微處理器的系統、置頂盒、可編程的電子設備、網絡PC、小型計算機、大型計算機、包括以上任何系統或設備的分布式計算環境等等。
雖然通過實施例描繪了本申請，本領域普通技術人員知道，本申請有許多變形和變化而不脫離本申請的精神，希望所附的權利要求包括這些變形和變化而不脫離本申請的精神。