一種實鑽井眼軌跡的監測方法

2023-04-23 11:46:46 1

專利名稱：：一種實鑽井眼軌跡的監測方法
技術領域：
：本發明涉及石油工程的鑽井工程技術，具體涉及實鑽井眼軌跡的監測方法。
背景技術：
：實鑽軌跡的測斜計算是石油鑽井中的重要環節，也是固井完並、採油工藝、井下作業以及油田開發的重要基礎數據。無論是鑽迸過程中的隨鑽測量還是完井後的複測，都可以得到一系列的測點，每個測點給出了對應於井深的井斜角和方位角。測斜計算的主要任務就是根據測斜數據計算出這些測點的坐標位置，從而得到實鑽井眼軌跡的形狀。實鑽井眼軌跡是一條連續光滑的空間曲線，但是測斜時只能獲得各離散測點處的基本參數，無法知道各測段內井眼軌跡的實際形態，所以實鑽井眼軌跡的計算方法都是建立在一定的假設條件和數學模型基礎上的。到目前為止，實鑽井眼軌跡的測斜計算方法已有20多種，經歸納整理而得到的典型計算方法也有10種。傳統的測斜計算方法是將測段內的井眼軌跡假設為直線、折線、圓柱螺線、空間圓弧和自然曲線等較為簡單的曲線形式。自20世紀90年代以來，大位移井在世界範圍內得到了推廣應用，特別是在海上平臺和灘海的油氣田開發中發揮了重要作用，取得了巨大的經濟效益。如何降低鑽柱的摩阻和扭矩是實現大位移井鑽井的一項關鍵技術。為了降低鑽柱的摩阻和扭矩、改善鑽柱的受力狀況、有利於提高機械鑽速和固井質量，出現了懸鏈線法鑽井和拋物線法鑽井等新技術。懸鏈線法鑽井和拋物線法鑽井是將井眼軌跡設計成懸鏈線和拋物線。但是，對於懸鏈線軌跡和拋物線軌跡還沒有與之對應的測斜計算方法。換句話說，即使鑽成了完全符合懸鏈線或拋物線形式的井眼軌跡，現有的測斜計算方法也得不到精確的計算結果。目前，對於懸鏈線軌道和拋物線軌道的研究都僅用於井眼軌道設計，並且僅限於二維井身剖面。但是，無論設計的井眼軌跡是二維還是三維，其實鑽的井眼軌跡都是三維的。目前懸鏈線軌跡和拋物線軌跡的監測方法只能沿用傳統方法進行測斜計算，通常使用最小曲率法或圓柱螺線法，即國家經濟貿易委員會2003年3月30日發布的推薦標準SY/T5435-2003《定向井軌道設計與軌跡計算SY/T5435-2003》中的方法。
發明內容本發明要解決的技術問題是針對現有技術中沒有懸鏈線、拋物線井眼軌跡監測方法的不足，本發明的目的是提供一種實鑽井眼軌跡監測方法，使得對於包含懸鏈線或拋物線的井眼軌跡，能夠準確地監測出實鑽軌跡上各測點的坐標。使結果更符合鑽井工程實際。使用測斜儀可以測得實鑽軌跡上各測點的井斜角和方位角，並以井深作為標識。因此，測斜數據是一系列離散的測點，其基本參數是井深、井斜角、方位角。測斜計算的基本任務是計算測段內的坐標增量。這樣，從井口開始，逐測段地累加坐標增量，就可以得到每個測點的坐標值。一口井可以包含多種不同形式的井段，如直線段、圓弧段、圓柱螺線段、懸鏈線段、拋物線段等等。在測斜計算時，每個測段都應該採用與工程實際相符的井眼軌跡模型。本發明實質上是對特定的井眼軌跡，通過特定的步驟，確定出各測點的坐標值，從而實現對實鑽軌跡的有效監測。在本發明中，特定的井眼軌跡是指懸鏈線或拋物線。當測段內的井眼軌跡為其他常規類型時，可以用公知的常規方法得到各測點的坐標值，不屬於本發明的內容。本發明的技術方案是一種實鑽井眼軌跡的監測方法，對於包含懸鏈線或拋物線的井眼軌跡，得到該懸鏈線井段或拋物線井段的實鑽軌跡坐標。包括下述基本步驟-第1步，獲取測斜數據，並作歸化處理-測出上測點井深Lp上測點井斜角"i、上測點方位角^、下測點井深L2、下測點井斜角"2、下測點方位角-2;給出上測點北坐標Np上測點東坐標E^上測點垂深坐標H"這種測量方式是現有技術中的常規方式，例如使用MWD、電子多點等測斜儀器測量出對應於一定井深L的井斜角oc和方位角(。本發明不涉及具體的測量儀器和測量方法，使用各種常規的測量儀器和方法都可以得到這些數據。按照石油天然氣行業標準，根據所選定的北坐標基準，考慮磁偏角和子午線收斂角進行方位角歸化，即將方位角歸算到所選定的北坐標基準上。兩個相鄰測點之間的井段稱之為測段。對於一個測段，其上測點和下測點分別用下標"1"和下標"2"標識，不代表測點的編號。因此，上下測點的測斜數據分別為(L1,x1,y1)和(L2,x2,y2.以井口作為測斜計算的起始點，其三維坐標一般均取為0。通過計算各測段的坐標增量，並逐段累加，得到各測點的坐標值。這是測斜計算的常規方法。第2步，確定測段的井眼軌跡模型及特徵參數根據鑽井工程設計以及實際的鑽進方式和鑽井工藝技術措施，選用測斜計算的井眼軌跡模型。本發明只涉及懸鏈線或拋物線軌跡，對於其他類型的井眼軌跡，執行石油天然氣行業標準，不屬於本發明的內容。懸鏈線軌跡的特徵參數用小寫英文字母"來表示，它是描述懸鏈線曲線的一個數學參數，決定了懸鏈線的形狀。井斜角用希臘字母"表示。對於懸鏈線軌跡，懸鏈線特徵參數"的計算式為formulaseeoriginaldocumentpage10^(1)tantana2式中L:井深，單位m，":井斜角，單位度；a:懸鏈線特徵參數，單位m;拋物線軌跡的特徵參數用大寫英文字母P來表示，它是描述拋物線曲線的一個數學參數，決定了拋物線的形狀。對於拋物線軌跡，拋物線特徵參數P的計算式為formulaseeoriginaldocumentpage10(2)式中P:拋物線參數，單位m;formulaseeoriginaldocumentpage11(3)懸鏈線軌跡的特徵參數"和拋物線軌跡的特徵參數P確定了井眼軌跡的二維特徵，即確定了垂直剖面圖上井眼軌跡的形狀，它們反映了井斜角沿井深的變化規律。作為實鑽軌跡的測斜計算模型，還需要一個反映井眼軌跡三維特徵的參數。在本發明中，對於懸鏈線軌跡和拋物線軌跡，這個特徵參數均取為方位變化率。對於懸鏈線軌跡和拋物線軌跡，方位變化率的計算式為-formulaseeoriginaldocumentpage11(4)式中^:方位角，單位度；A^:方位變化率，單位度/m;第3步，確定井斜方程和方位方程對於懸鏈線軌跡，井斜方程為-formulaseeoriginaldocumentpage11(5)對於拋物線軌跡，井斜方程為formulaseeoriginaldocumentpage11對於懸鏈線和拋物線井眼軌道，方位方程相同，為formulaseeoriginaldocumentpage12(7)各式中參數同前。在(5)、(6)、(7)式中，懸鏈線的特徵參數"、拋物線的特徵參數P和反映方位變化規律的特徵參數^V已分別由(1)、(2)、(4)式確定。第4步，計算測段內的坐標增量北坐標增量A/V、東坐標增量M、垂深坐標增量AV分別為formulaseeoriginaldocumentpage12根據第3步所定的井眼軌跡模型，將第3步確定的井斜方程(5)或(6)，以及方位方程(7)代入上述式中，通過數值積分方法，分別計算出坐標增量。即用(5)或(6)、以及(7)式代入(8)、(9)式，(5)或(6)式代入(10)式。由於a和^都是L的函數，所以將井斜方程"和方位方程^代入上述方程後，它們就變成了以L為自變量的積分式。採用常規的數值積分方法，例如辛普森積分法、龍格庫塔積分法等，可以進行數值積分。對於一個測段，由於積分區間[L"L2]是確定的，所以可以求出上述的三個積分值，進而得到該測段內的坐標增量。A/V、AE和W既可以是正值也可以是負值。E2、第5步，計算下測點坐標下測點北坐標N2、下測點東坐標E2、下測點垂深坐標H2分別為formulaseeoriginaldocumentpage13(11)formulaseeoriginaldocumentpage13(12)formulaseeoriginaldocumentpage13(13)根據第4步中計算出的坐標增量A/V、M、W，以及上測點的坐標Ei、H"便可由(11)、(12)、(13)式計算出下測點的坐標N2、H2。通過上述步驟，得出下測點的實鑽軌跡坐標。這樣，從井口點開始，就可以依次確定出各測點的坐標。通常，三個方向的三維坐標值已經足以確定井眼軌跡位置，在工程實際工作中，還經常增加使用一個水平長度S的概念。可以對本發明的基本技術方案進行進一步擴充，增加對水平長度的監測在第1步，增加給出上測點水平長度Sj;在第4步，增加計算水平長度增量AS:將第3步確定的井斜方程(5)或(6)代入(14)式，通過數值積分方法，計算出水平長度的增量；由於井斜角"的變化範圍為0°180°，所以AS總是正值。在第5步，增加計算下測點的水平長度S2:S2=&+M(15)得出下測點的實鑽軌跡三維坐標和水平長度。也即在已知數據中增加一個上測點水平長度，在積分方程式中增加一個(14)式，同樣用數值積分方式，可以得出下測點的水平長度。上述技術方案中的第4步，所有的坐標增量都要使用數值積分法求解。通過數學處理，垂深坐標增量A^和水平長度增量AS可以分別簡化為解析式，使之不使用數值積分就能得到其精確解，更便於應用。對於懸鏈線軌跡，在第4步，北坐標增量A/V、東坐標增量M、垂深坐標增量Mf、水平長度增量AS分別為-formulaseeoriginaldocumentpage14(17)(8)、(9)式用數值積分方法計算，(16)、(17)式用解析法計算，分別計算出三維坐標增量和水平長度增量。即(8)、(9)式與基本技術方案一樣，將第3步確定的井斜方程(5)和方位方程(7)代入，仍通過數值積分計算出北坐標增量A/V和東坐標增量M。而垂深坐標增量A^/和水平長度增量AS可用(1)式和已知參數，由(16)、(17)式直接解析計算出來。對於拋物線軌跡，在第3步，將(3)式代入(6)式，可得到具體的拋物線軌跡井斜方程為formulaseeoriginaldocumentpage15方位方程仍為(7)式。在第4步，北坐標增量A/V、東坐標增量AE、垂深坐標增量MT、水平長度增量M分別為formulaseeoriginaldocumentpage15將第3步確定的井斜方程(17)和方位方程(7)式代入(8)、(9)式通過數值積分方法計算，(19)、(20)式用解析法計算，分別計算出三維坐標增量和水平長度增量。即(8)、(9)式與基本技術方案類似，代入的方位方程(7)不變，並代入改進後第3步所確定的新井斜方程(18)，仍通過數值積分計算出北坐標增量A/V和東坐標增量M。而垂深坐標增量A/7和水平長度增量AS可用(2)式和已知參數，由(19)、(20)式直接解析計算出來。本發明實質上公開了一種特定井眼軌跡(懸鏈線或拋物線)的監測方法，可以得到一個特定測段的下測點坐標值。重複使用本發明的方法，可以得到這種特定井眼軌跡上各測點的坐標值。本發明的監測方法主要用於特定的井眼軌跡。在實際工程應用中，由於一口井的井眼軌跡不僅是懸鏈線或拋物線，所以對於其他井段不宜使用本發明的方法，而應該按照有關的行業標準確定計算方法。使用本發明的方法監測懸鏈線或拋物線軌跡，結合其他的公知方法計算其他類型軌跡的測點坐標，便可得到整個井眼軌跡上各測點坐標值。本發明的有益效果是本發明的實鑽軌跡監測方法，符合懸鏈線軌跡或拋物線軌跡的實際情況，準確度高，提高了鑽井工程中的井眼軌跡監測精度。可應用於開發海上和灘海油氣田的大位移井及各種定向井和水平井，能提高鑽井成功率、井身質量和油田開發效果，減少鑽柱及套管摩阻和井下事故，節約鑽井成本。圖1是典型懸鏈線剖面及拋物線剖面的設計軌道垂直剖面示意圖。圖2是實鑽軌跡的水平投影示意圖。圖中各符號含義如下Ht:靶點的垂深坐標，m;St:靶點的水平長度，m;At:靶點的水平位移，m;O點井口；t點靶點；oa段穩斜段ab段圓弧段，曲率半徑為R;bc段懸鏈線或拋物線，即本發明適用的井段;Ct段穩斜段。具體實施例方式下面結合實施例進一步描述本發明。本發明的範圍不受這些實施例的限制，本發明的範圍在權利要求書中提出。實際應用時，在本發明的基本步驟之後，還可以增加一步繪製實鑽軌跡監測圖表按照石油天然氣行業標準，列出實鑽軌跡計算結果的數據表，繪製出實鑽軌跡的垂直投影圖、水平投影圖和三維軌跡圖。例1懸鏈線軌跡上的測斜數據(井深、井斜角和方位角)，如表1所示。表1給出了本發明的計算結果摘要，表2為現有技術最小曲率法的計算結果摘要。為簡化篇幅，表中只列出一部分井深點的數據。表l本發明的懸鏈線軌跡計算結果tableseeoriginaldocumentpage17表2最小曲率法的懸鏈線軌跡計算結果tableseeoriginaldocumentpage18從井深426.00m到3482.98m，懸鏈線軌跡的北坐標增量、東坐標增量、垂深坐標增量和水平長度增量分別為665.88m、2368.85m、1607.10m和2541.04m，而用最小曲率法的計算結果分別為608.51m、2381.3m、1605.09m和2541.71m。可見，使用目前普遍應用的最小曲率法等測斜計算方法來計算懸鏈線軌跡存在很大的誤差。拋物線軌跡上的測斜數據，如表3所示。表3給出了本發明的計算結果摘要，表4為現有技術最小曲率法的計算結果摘要。為簡化篇幅，表中只列出一部分井深點的數據。表3本發明的拋物線軌跡計算結果tableseeoriginaldocumentpage18表4最小曲率法的拋物線軌跡計算結果井深m井斜角(。)方位角(。)北坐標m東坐標m垂深m水平長度m426.0042.0066.1617.38*40.59*415.02*44.15*678.3143.7256.07100.27190.34600.18215.531253.6848.3456.07331.35533.83999.54629.513322.3478.0097.44649.442275.441955.492437.32以上各表中，*表示已知的初始值。從井深426.00m到3322.34m的拋物線軌跡，如果用最小曲率法計算出的北坐標增量、東坐標增量、垂深增量和水平長度增量，與本發明相比，其誤差分別為-54.39m、28.82m、陽31.91m和16.69m。權利要求1一種實鑽井眼軌跡的監測方法，對於包含懸鏈線或拋物線的井眼軌跡，得到該懸鏈線井段或拋物線井段的實鑽軌跡坐標；其特徵是，包括下述步驟第1步，獲取測斜數據，並作歸化處理測出上測點井深L1、上測點井斜角α1、上測點方位角φ1、下測點井深L2、下測點井斜角α2、下測點方位角φ2；給出上測點北坐標N1、上測點東坐標E1、上測點垂深坐標H1；第2步，確定測段的井眼軌跡模型及特徵參數對於懸鏈線軌跡，懸鏈線特徵參數α的計算式為式中L井深，單位m，α井斜角，單位度；a懸鏈線特徵參數，單位m；對於拋物線軌跡，拋物線特徵參數P的計算式為式中P拋物線參數，單位m；對於懸鏈線軌跡和拋物線軌跡，方位變化率的計算式為式中φ方位角，單位度；κφ方位變化率，單位度/m；第3步，確定井斜方程和方位方程對於懸鏈線軌跡，井斜方程為對於拋物線軌跡，井斜方程為對於懸鏈線軌跡和拋物線軌跡，方位方程相同，為φ＝φ1+κφ(L-L1)(7)第4步，計算測段內的坐標增量北坐標增量ΔN、東坐標增量ΔE、垂深坐標增量ΔH分別為將第3步確定的井斜方程(5)或(6)，以及方位方程(7)代入上述式中，通過數值積分方法，分別計算出三維坐標增量。第5步，計算下測點坐標下測點北坐標N2、下測點東坐標E2、下測點垂深坐標H2分別為N2＝N1+ΔN(11)E2＝E1+ΔE(12)H2＝H1+ΔH(13)通過上述步驟，得出下測點的實鑽軌跡坐標。2.根據權利要求l所述的實鑽井眼軌跡的監測方法，其特徵是增加對水平長度的監測在第1步，增加給出上測點水平長度deltas;在第4步，增加計算水平長度增量deltasformulaseeoriginaldocumentpage5將第3步確定的井斜方程(5)或(6)代入(14)式，通過數值積分方法，計算出水平長度的增量；在第5步，增加計算下測點的水平長度S2:formulaseeoriginaldocumentpage5得出下測點的實鑽軌跡三維坐標和水平長度。3.根據權利要求1或2所述的實鑽井眼軌跡的監測方法，其特徵是-對於懸鏈線軌跡，在第4步，北坐標增量deltaN、東坐標增量M-垂深坐標增量deltaE、水平長度增量deltaS分別為formulaseeoriginaldocumentpage5(8)、(9)式用數值積分方法計算，(16)、(17)式用解析法計算，分別計算出三維坐標增量和水平長度增量。4.根據權利要求1至3所述的實鑽井眼軌跡的監測方法，其特徵是:對於拋物線軌跡，在第3步，井斜方程為formulaseeoriginaldocumentpage6在第4步，北坐標增量A/V、東坐標增量AE、垂深坐標增量A//、水平長度增量A^分別為formulaseeoriginaldocumentpage6將第3步確定的井斜方程(17)和方位方程(7)式代入(8)、(9)式通過數值積分方法計算，(19)、(20)式用解析法計算，分別計算出三維坐標增量和水平長度增量。全文摘要本發明涉及石油工程中的鑽井工程技術，具體涉及實鑽井眼軌跡的監測方法。包括獲取測斜數據及歸化處理、確定測段的井眼軌跡模型特徵參數、確定井斜方程和方位方程、計算坐標增量、計算測點坐標等步驟，對於包含懸鏈線或拋物線軌跡的大位移井及各種定向井和水平井，能夠準確地監測出各測點的坐標，使監測結果更符合鑽井工程實際，有效地提高懸鏈線鑽井和拋物線鑽井的施工精度和可靠性。文檔編號E21B47/02GK101387198SQ20071012180公開日2009年3月18日申請日期2007年9月14日優先權日2007年9月14日發明者劉修善申請人: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研究院