CN103883311A - 一种复合导向钻井入靶形势预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合导向钻井条件的入靶形势预测方法，包括以下步骤：根据实钻轨迹最后两测点的测斜数据计算末测段的轨迹特征参数；按自然曲线轨迹模型计算实钻轨迹末测点的空间坐标；采用外推法按自然曲线轨迹模型预测待钻轨迹的井段长度；按自然曲线轨迹模型计算入靶点的轨迹参数；判断入靶点是否位于靶区范围内；校核入靶方向是否满足工程要求。通过本发明，在复合导向钻井工艺条件下，可随时预测入靶位置和入靶方向，并预判是否能“中靶”、入靶方向是否满足工程要求。该预测方法和预测结果，可用于分析评价现用钻井工艺及技术参数的合理性，并能指导制定后续的钻井工程技术方案等。

Description

一种复合导向钻井入靶形势预测方法

技术领域

本发明涉及石油钻井工程领域，尤其涉及一种在复合导向钻井条件下进行入靶形势预测的方法，该方法可用于井眼轨迹的预测和监测。

背景技术

为了满足石油天然气的勘探开发要求，提高油气勘探成功率、开发采收率和油气井产量，每口油气井的《地质设计》都明确了靶点位置和靶区范围。行业标准要求：设计轨道应通过靶点，而实钻轨迹应控制在靶区范围内。通常，直井、定向井、大位移井等拥有1个靶点，其靶区为水平圆形区域；水平井一般拥有2个靶点，其靶区为斜长方体。如图1所示。

为了便于评价井眼轨迹偏离靶点的程度，在每个靶点处都定义了一个靶平面。通常，直井、定向井、大位移井的靶平面为水平面，而水平井的靶平面为铅垂平面，如图1所示。显然，靶平面是靶区不可或缺的组成部分，并且在钻井过程中应控制实钻轨迹在靶平面的靶区范围内穿过。

复合导向钻井是转盘与井下马达同时驱动钻头工作的一种钻井工艺技术，不用起钻变更钻具组合就能实现滑动导向钻井和旋转导向钻井的各种功能，从而实现对井眼轨迹的连续控制，具有机械钻速高、起下钻时间少、井眼轨迹平滑等优点。

由于复合导向钻井具有更高的钻井速度，所以在钻达各靶点或靶区之前，需要随时预测实钻轨迹的入靶位置、评价入靶点偏离靶点的程度，以便采取有效措施，控制实钻轨迹进入并穿过靶区。

然而，在石油钻井过程中，要使实钻轨迹与设计轨道完全吻合是不可能的，因此在钻达各靶平面之前，需要随时预测实钻轨迹的入靶位置，判断是否能中靶，以便及时采取相应的钻井技术措施，确保“中靶”。

发明内容

本发明针对现有技术中没有以靶区为目标的井眼轨迹预测技术，缺乏对中靶情况的预判，从而难以保证实钻轨迹必能中靶的缺点，提出了一种在复合导向条件下进行入靶形势预测的方法，所述方法包括以下步骤：

S101、根据实钻轨迹最后两测点的测斜数据计算末测段的轨迹特征参数，所述测斜数据为井深、井斜角和方位角，所述轨迹特征参数在复合导向钻井条件下是井斜变化率和方位变化率；

S102、基于所述测点的测斜数据和末测段的轨迹特征参数，按自然曲线轨迹模型计算实钻轨迹末测点的空间坐标；

S103、基于所述末测点的轨迹参数和所述轨迹特征参数，采用外推法按自然曲线轨迹模型预测待钻轨迹的井段长度，所述轨迹参数包括井深、井斜角、方位角和空间坐标，其中，当保持复合导向钻井工艺和技术参数继续钻进时，所述轨迹特征参数采用末测段的轨迹特征参数；当保持复合导向钻井工艺但是改变技术参数继续钻进时，可通过井眼轨迹预测技术来预测所述轨迹特征参数；

S104、基于所述末测点的轨迹参数、所述轨迹特征参数和所述待钻轨迹的井段长度，按自然曲线轨迹模型计算入靶点的轨迹参数；

S105、建立靶点坐标系，根据所述入靶点的空间坐标，计算出所述入靶点在靶点坐标系下的坐标，判断所述入靶点是否位于靶区范围内；

S106、根据所述入靶点的井斜角和方位角，校核入靶方向是否满足工程要求。

在本发明的一个实施例中，按照以下公式计算所述井斜变化率和方位变化率：

${\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\α}}=\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\α}}_{n-1,n}}{\mathrm{\Δ}{L}_{n-1,n}}$

${\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\φ}}=\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\φ}}_{n-1,n}}{\mathrm{\Δ}{L}_{n-1,n}}$

其中， $\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{L}_{n-1,n}=L_n-L_{n-1}\\ \mathrm{\Δ}{\mathrm{\α}}_{n-1,n}={\mathrm{\α}}_n-{\mathrm{\α}}_{n-1}\\ \mathrm{\Δ}{\mathrm{\φ}}_{n-1,n}={\mathrm{\φ}}_n-{\mathrm{\φ}}_{n-1}\end{array}\right.$

其中，L为井深，α和φ分别为井斜角、方位角；κ_α和κ_φ为井斜变化率和方位变化率。

在本发明的另一个实施例中，按照以下公式计算末测点的空间坐标：

$\left\{\begin{array}{c}{N}_n=N_{n-1}+\mathrm{\Δ}{N}_{n-1,n}\\ E_n=E_{n-1}+\mathrm{\Δ}{E}_{n-1,n}\\ H_n=H_{n-1}+\mathrm{\Δ}{H}_{n-1,n}\end{array}\right.$

其中，

其中， $\left\{\begin{array}{c}{A}_P={\mathrm{\α}}_{n-1}+{\mathrm{\φ}}_{n-1}\\ A_Q={\mathrm{\α}}_{n-1}-{\mathrm{\φ}}_{n-1}\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\κ}}_P={\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\α}}+{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\φ}}\\ {\mathrm{\κ}}_Q={\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\α}}-{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\φ}}\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}{F}_S(A,\mathrm{\κ})=\frac{180}{\mathrm{\π\κ}}[\sin (A+\mathrm{\κ\Δ}{L}_{n-1,n})-\sin A]\\ F_C(A,\mathrm{\κ})=\frac{180}{\mathrm{\π\κ}}[\cos (A+\mathrm{\κ\Δ}{L}_{n-1,n})-\cos A]\end{array}\right.$

N_n为末测点的北坐标，E_n为末测点的东坐标，H_n为末测点的垂深坐标。在本发明的另一个实施例中，按照以下公式计算待钻轨迹的井段长度：对于水平靶，

其中，ΔH_n，t＝H_t-H_n

对于铅垂靶，分为如下4种情况：

①若κ_P＝κ_Q＝0

$\mathrm{\Δ}{L}_{n,e}=\frac{C}{\sin {\mathrm{\α}}_n\cos ({\mathrm{\φ}}_z-{\mathrm{\φ}}_n)}$

②若κ_P≠0，κ_Q0

$\mathrm{\Δ}{L}_{n,e}\sin {\mathrm{\β}}_Q-\frac{180}{\mathrm{\π}{\mathrm{\κ}}_P}[\cos ({\mathrm{\β}}_P+{\mathrm{\κ}}_P\mathrm{\Δ}{L}_{n,e})-\cos {\mathrm{\β}}_P]=2C$

③若κ_P＝0，κ_Q≠0

$\mathrm{\Δ}{L}_{n,e}\sin {\mathrm{\β}}_P+\frac{180}{\mathrm{\π}{\mathrm{\κ}}_Q}[\cos {\mathrm{\β}}_Q-\cos ({\mathrm{\β}}_Q+{\mathrm{\κ}}_Q\mathrm{\Δ}{L}_{n,e})]=2C$

④若κ_P≠0，κ_Q≠0

$\frac{180}{\mathrm{\π}{\mathrm{\κ}}_P}[\cos {\mathrm{\β}}_P-\cos ({\mathrm{\β}}_P+{\mathrm{\κ}}_P\mathrm{\Δ}{L}_{n,e})]+\frac{180}{\mathrm{\π}{\mathrm{\κ}}_Q}[\cos {\mathrm{\β}}_Q-\cos ({\mathrm{\β}}_Q+{\mathrm{\κ}}_Q\mathrm{\Δ}{L}_{n,e})]=2C$

其中，

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\β}}_P={\mathrm{\α}}_n-({\mathrm{\φ}}_z-{\mathrm{\φ}}_n)\\ {\mathrm{\β}}_Q={\mathrm{\α}}_n+({\mathrm{\φ}}_z-{\mathrm{\φ}}_n)\end{array}\right.$

ΔL_n，e为待钻轨迹的井段长度。

在本发明的另一个实施例中，按照以下公式计算入靶点的轨迹参数：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\α}}_e={\mathrm{\α}}_n+{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\α}}\mathrm{\Δ}{L}_{n,e}\\ {\mathrm{\φ}}_e={\mathrm{\φ}}_n+{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\φ}}\mathrm{\Δ}{L}_{n,e}\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}{N}_e=N_n+\mathrm{\Δ}{N}_{n,e}\\ E_e=E_n+\mathrm{\Δ}{E}_{n,e}\\ H_e=H_n+\mathrm{\Δ}{H}_{n,e}\end{array}\right.$

α_e和φ_e分别为入靶点的井斜角和方位角，N_e、E_e、H_e分别为入靶点的北坐标、东坐标和垂深。

在本发明的另一个实施例中，按照以下步骤判断入靶点是否位于靶区范围内：

S201、建立以靶点为原点的坐标系t-xyz，其中，对于水平靶，x轴指向北，y轴指向东，z轴铅垂向下；对于铅垂靶，x轴铅垂向上，y轴水平向右，z轴为靶平面的法线方向；

S202、计算入靶点在坐标系t-xyz下的坐标值

对于水平靶 $\left\{\begin{array}{c}{x}_e=N_e-N_t\\ y_e=E_e-E_t\end{array}\right.$

对于铅垂靶 $\left\{\begin{array}{c}{x}_e=-(H_e-H_t)\\ y_e=-(N_e-N_t)\sin {\mathrm{\φ}}_z+(E_e-E_t)\cos {\mathrm{\φ}}_z\end{array}\right.$

S203、对于圆形靶区，如果x_e ²+y_e ²≤r_t ²

对于矩形靶区，如果 $\left|x_e\right|\≤\frac{h_t}{2}$ 且 $\left|y_e\right|\≤\frac{w_t}{2}$

则入靶点位于靶区范围内，其中r_t为圆形靶区的靶区半径，h_t、w_t为矩形靶区的靶区高度和宽度。

本发明带来了以下有益效果：

(1)在复合导向钻井工艺条件下，可随时预测入靶位置和入靶方向，并预判是否能“中靶”、入靶方向是否满足工程要求。

(2)入靶形势预测方法和预测结果，可用于分析评价现用钻井工艺及技术参数的合理性，指导制定后续的钻井工程技术方案等，有利于控制实钻轨迹入靶并在目的层中延伸，进而可提高油气层钻遇率、油气勘探成功率和开发采收率。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

图1是现有技术中典型的定向井靶区和水平井靶区示意图；

图2是本发明一个实施例的入靶形势预测方法流程图；

图3是判断入靶点e是否能位于靶区范围内的方法流程图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

另外，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

实施例一：

如图1所示的定向井和水平井，其靶平面分别为水平面和铅垂面。在实际的钻井过程中，需要基于井型建立过靶点t的靶平面方程。

对于水平靶，靶平面方程为

H-H_t＝0                           (1)

对于铅垂靶，靶平面方程为

(N-N_t)cosφ_z+(E-E_t)sinφ_z＝0       (2)

式中，N、E、H分别表示北坐标、东坐标、垂深，单位均为m；φ_z为靶平面法线方向的方位角，单位为(°)。

钻井过程中，待钻轨迹为从末测点M_n到入靶点e的井眼轨迹。对于水平靶，其待钻轨迹的约束方程为：

H_t＝H_n+ΔH_n，e                      (3)

对于铅垂靶，其待钻轨迹的约束方程为：

ΔN_n，ecosφ_z+ΔE_n，esinφ_z＝C       (4)

其中，

C＝(N_t-N_n)cosφ_z+(E_t-E_n)sinφ_z      (5)

ΔN_n，e、ΔE_n，e、ΔH_n，e表示从入靶点e到实钻轨迹末测点M_n的坐标增量。

图2显示了本发明一个实施例的入靶形势预测方法流程图。

在步骤S101中，根据实钻轨迹中最后两个测点M_n-1和M_n的测斜数据计算末测段的轨迹特征参数。其中，测斜数据为井深、井斜角和方位角，轨迹特征参数在复合导向钻井条件下是井斜变化率和方位变化率。

在钻井过程中，利用MWD等仪器随钻测量实钻轨迹，可以获得一系列测点M_i(i＝1，2，…，n)的井深L_i、井斜角α_i、方位角φ_i等测斜数据。由于复合导向钻井所钻出的井眼轨迹更符合自然曲线模型，所以轨迹特征参数是井眼轨迹的井斜变化率和方位变化率。

在一个实施例中，采用的是最后两个测点M_n-1和M_n的测斜数据计算轨迹特征参数。每当获取了新测点的测斜数据后，便可利用最后两个测点，计算末测段[L_n-1、L_n]的轨迹特征参数。轨迹特征参数等同于技术参数，对于井眼轨迹来说称为轨迹特征参数，对于钻井工艺来说称为技术参数。不同的导向钻井工艺有不同的技术参数，复合导向钻井的技术参数是井斜变化率和方位变化率。在复合导向钻井条件下，按照以下公式计算井眼轨迹的井斜变化率κ_α和方位变化率κ_φ：

${\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\α}}=\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\α}}_{n-1,n}}{\mathrm{\Δ}{L}_{n-1,n}}---\left(6\right)$

${\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\φ}}=\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\φ}}_{n-1,n}}{\mathrm{\Δ}{L}_{n-1,n}}---\left(7\right)$

其中，

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{L}_{n-1,n}=L_n-L_{n-1}\\ \mathrm{\Δ}{\mathrm{\α}}_{n-1,n}={\mathrm{\α}}_n-{\mathrm{\α}}_{n-1}\\ \mathrm{\Δ}{\mathrm{\φ}}_{n-1,n}={\mathrm{\φ}}_n-{\mathrm{\φ}}_{n-1}\end{array}\right.---\left(8\right)$

式中，L为井深，单位为m；α、φ分别为井斜角、方位角，单位均为(°)；L_n和L_n-1是最后两测点处的井深，α_n和α_n-1是最后两测点的井斜角，φ_n和φ_n-1是最后两测点的方位角。

在步骤S102中，基于测点M_n-1的测斜数据和末测段的轨迹特征参数，按自然曲线轨迹模型计算实钻轨迹末测点M_n的空间坐标。按照井眼轨迹监测要求，在钻井过程中，对于每个测点都应根据其实测井深、井斜角、方位角计算空间坐标等轨迹参数。

本发明按照以下公式计算末测点M_n的空间坐标：

$\left\{\begin{array}{c}{N}_n=N_{n-1}+\mathrm{\Δ}{N}_{n-1,n}\\ E_n=E_{n-1}+\mathrm{\Δ}{E}_{n-1,n}\\ H_n=H_{n-1}+\mathrm{\Δ}{H}_{n-1,n}\end{array}\right.---\left(9\right)$

其中，

其中，

$\left\{\begin{array}{c}{A}_P={\mathrm{\α}}_{n-1}+{\mathrm{\φ}}_{n-1}\\ A_Q={\mathrm{\α}}_{n-1}-{\mathrm{\φ}}_{n-1}\end{array}---\left(13\right)\right.$

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\κ}}_P={\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\α}}+{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\φ}}\\ {\mathrm{\κ}}_Q={\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\α}}-{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\φ}}\end{array}---\left(14\right)\right.$

$\left\{\begin{array}{c}{F}_S(A,\mathrm{\κ})=\frac{180}{\mathrm{\π\κ}}[\sin (A+\mathrm{\κ\Δ}{L}_{n-1,n})-\sin A]\\ F_C(A,\mathrm{\κ})=\frac{180}{\mathrm{\π\κ}}[\cos (A+\mathrm{\κ\Δ}{L}_{n-1,n})-\cos A]\end{array}---\left(15\right)\right.$

N_n为末测点的北坐标，E_n为末测点的东坐标，H_n为末测点的垂深坐标(铅垂向下方向坐标)。

在步骤S103中，根据末测点M_n的轨迹参数和待钻轨迹的轨迹特征参数，可采用外推法按自然曲线轨迹模型预测待钻轨迹的井段长度ΔL_n，e。待钻轨迹为从末测点到靶区的未钻轨迹。当保持复合导向钻井工艺和技术参数继续钻进时，轨迹特征参数保持不变，即待钻轨迹的轨迹特征参数可采用末测段的轨迹特征参数；当保持复合导向钻井工艺但是改变技术参数继续钻进时，可通过钻柱力学分析、钻头与地层相互作用关系等井眼轨迹预测技术来预测轨迹特征参数，此时待钻轨迹的轨迹特征参数应采用预测值。此处，轨迹特征参数仍指井斜变化率和方位变化率。即使不改变导向钻井工艺(即保持复合导向钻井工艺继续钻进)，也可以改变井斜变化率和方位变化率。当改变井斜变化率和方位变化率时，其轨迹特征参数或技术参数就不同于末测段的轨迹特征参数，因此不能直接引用，可以通过“钻柱力学分析”、“钻头与地层相互作用关系”等井眼轨迹预测技术可得到井斜变化率和方位变化率的预测值。

对于水平靶，

其中，ΔH_n，t＝H_t-H_n                          (17)

对于铅垂靶，分为如下4种情况：

①若κ_P＝κ_Q＝0

$\mathrm{\Δ}{L}_{n,e}=\frac{C}{\sin {\mathrm{\α}}_n\cos ({\mathrm{\φ}}_z-{\mathrm{\φ}}_n)}---\left(18\right)$

②若κ_P≠0，κ_Q＝0                               (19)

$\mathrm{\Δ}{L}_{n,e}\sin {\mathrm{\β}}_Q-\frac{180}{\mathrm{\π}{\mathrm{\κ}}_P}[\cos ({\mathrm{\β}}_P+{\mathrm{\κ}}_P\mathrm{\Δ}{L}_{n,e})-\cos {\mathrm{\β}}_P]=2C$

③若κ_P＝0，κ_Q≠0                               (20)

$\mathrm{\Δ}{L}_{n,e}\sin {\mathrm{\β}}_P+\frac{180}{\mathrm{\π}{\mathrm{\κ}}_Q}[\cos {\mathrm{\β}}_Q-\cos ({\mathrm{\β}}_Q+{\mathrm{\κ}}_Q\mathrm{\Δ}{L}_{n,e})]=2C$

④若κ_P≠0，κ_Q≠0                               (21)

$\frac{180}{\mathrm{\π}{\mathrm{\κ}}_P}[\cos {\mathrm{\β}}_P-\cos ({\mathrm{\β}}_P+{\mathrm{\κ}}_P\mathrm{\Δ}{L}_{n,e})]+\frac{180}{\mathrm{\π}{\mathrm{\κ}}_Q}[\cos {\mathrm{\β}}_Q-\cos ({\mathrm{\β}}_Q+{\mathrm{\κ}}_Q\mathrm{\Δ}{L}_{n,e})]=2C$

其中， $\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\β}}_P={\mathrm{\α}}_n-({\mathrm{\φ}}_z-{\mathrm{\φ}}_n)\\ {\mathrm{\β}}_Q={\mathrm{\α}}_n+({\mathrm{\φ}}_z-{\mathrm{\φ}}_n)\end{array}---\left(22\right)\right.$

通常，对于公式(19)～(21)，需使用迭代法求解出ΔL_n，e。

仍然如图2所示，在步骤S104中，基于末测点M_n的轨迹参数、轨迹特征参数、待钻轨迹的井段长度，计算入靶点e的轨迹参数。计算入靶点e的轨迹参数包括井斜角、方位角和空间坐标。

在一个实施例中，入靶点e的井眼方向(即入靶点e的井斜角和方位角)和空间坐标可以按照以下公式进行计算：

$\left\{\begin{array}{c}\\ \end{array}\begin{array}{c}{\mathrm{\α}}_e={\mathrm{\α}}_n+{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\α}}\mathrm{\Δ}{L}_{n,e}\\ {\mathrm{\φ}}_e={\mathrm{\φ}}_n+{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\φ}}\mathrm{\Δ}{L}_{n,e}\end{array}---\left(23\right)\right.$

$\left\{\begin{array}{c}{N}_e=N_n+\mathrm{\Δ}{N}_{n,e}\\ E_e=E_n+\mathrm{\Δ}{E}_{n,e}\\ H_e=H_n+\mathrm{\Δ}{H}_{n,e}\end{array}---\left(24\right)\right.$

式中，坐标增量的具体计算方式仿照上述公式(10)～(12)来进行。α_e和φ_e分别为入靶点e的井斜角和方位角。N_e、E_e、H_e分别为入靶点e的北坐标、东坐标和垂深。

在步骤S105中，建立靶点坐标系并根据入靶点e的空间坐标，计算出入靶点e在靶点坐标系下的坐标，然后判断入靶点e是否位于靶区范围内。

如图3所示，可以按照以下步骤判断入靶点e是否位于靶区范围内。

在步骤S201中，建立以靶点t为原点的坐标系t-xyz，其中，对于水平靶，x轴指向北，y轴指向东，z轴铅垂向下；对于铅垂靶，x轴铅垂向上，y轴水平向右，z轴为靶平面的法线方向。

在步骤S202中，计算入靶点e在坐标系t-xyz下的坐标值。基于所计算的入靶点e在靶点坐标系下的坐标值可预测能否中靶。

对于水平靶 $\left\{\begin{array}{c}{x}_e=N_e-N_t\\ y_e=E_e-E_t\end{array}\right.---\left(25\right)$

对于铅垂靶

$\left\{\begin{array}{c}{x}_e=-(H_e-H_t)\\ y_e=-(N_e-N_t)\sin {\mathrm{\φ}}_z+(E_e-E_t)\cos {\mathrm{\φ}}_z\end{array}---\left(26\right)\right.$

在步骤S203中，对于圆形靶区，如果x_e ²+y_e ²≤r_t ²     (27)

对于矩形靶区，如果

$\left|x_e\right|\≤\frac{h_t}{2}$ 且 $\left|y_e\right|\≤\frac{w_t}{2}---\left(28\right)$

则表明入靶点e位于靶区范围内。其中，r_t为圆形靶区的靶区半径；h_t、w_t为矩形靶区的靶区高度和宽度。

如图2所示，在步骤S106中，基于所计算的入靶井斜角和方位角，校核入靶方向是否满足工程要求。校核待钻轨迹的入靶井斜角和方位角与设计的入靶井斜角和方位角是否匹配，其误差是否在允许范围内。

水平井的着陆轨迹控制既限制入靶位置也限制入靶方向，二者应同时满足工程要求。通过步骤S105和步骤S106，既确定了入靶位置也确定了其井眼方向，从而能够准确设计着陆轨迹。

上述预测和判别结果，可为决策后续的钻井技术方案及参数提供支持。本发明结合复合导向钻井的技术特征和井眼轨迹的空间形态，提供了一种复合导向钻井入靶形势分析方法。在复合导向钻井工艺条件下，可随时预测入靶位置和入靶方向，并判别出是否“中靶”。这种的预测方法和预测结果，可用于分析评价现用钻井工艺及技术参数的合理性，指导制定后续的钻井工程技术方案等，有利于控制实钻轨迹入靶并在目的层中延伸，进而可提高油气层钻遇率、油气勘探成功率和开发采收率。

实施例二：

下面以某实际水平井为例来具体说明按照本发明的技术方法和步骤如何预测入靶形势。

某水平井设计轨道的节点数据见表1，水平井靶点t的垂深H_t＝1500m、水平位移A_t＝276m、平移方位及靶平面法线方位角靶窗宽度w_t＝20m、宽度h_t＝6m。当进入着陆井段后，采用复合导向钻井工艺入靶，钻至井深L₁₂₁＝1570m时(测点编号121)，井斜角α₁₂₁＝67°、方位角φ₁₂₁＝26°、北坐标N₁₂₁＝182.29m、东坐标E₁₂₁＝100.16m、垂深H₁₂₁＝1484.74m。继续钻进至L₁₂₂＝1580m时(测点编号122)，测得α₁₂₂＝70°、φ₁₂₂＝27°。

表1  某水平井设计轨道节点数据

根据本发明的技术方案，若保持当前的钻井工艺和技术参数，预测能否中靶？该实施例包括以下步骤：

首先，计算靶点t的北坐标和东坐标

复合导向钻井所钻出的井眼轨迹更符合自然曲线模型，其轨迹特征参数为井眼轨迹的井斜变化率和方位变化率。对于末测段[1570m、1580m]的测斜数据，用公式(6)～(7)计算井斜变化率κ_α和方位变化率κ_φ：

然后，由公式(9)～(15)，计算末测点M₁₂₂的空间坐标

${\mathrm{\ΔN}}_{\mathrm{121,122}}=-\frac{1}{2}[-9.96-6.69]=8.33m$

${\mathrm{\ΔE}}_{\mathrm{121,122}}=-\frac{1}{2}[-0.87-7.43]=4.15m$

ΔH_n-1，n＝F_S(α_n-1，κ_α)＝3.66m

$\left\{\begin{array}{c}{N}_{122}=165.00+8.33=190.62m\\ E_{122}=90.00+4.15=104.31m\\ H_{122}=1485.00+3.66=1488.40m\end{array}\right.$

接着，由公式(3)～(5)，确定待钻轨迹的约束方程。从末测点M₁₂₂到入靶点e的待钻轨迹，其约束方程为

ΔN_122，ecos30°+ΔE_122，esin30°＝C

其中，

C＝(239.02-190.62)cos30°+(138.00-104.31)sin30°＝58.77m

因为κ_P≠0，κ_Q≠0，所以由公式(21)，计算待钻轨迹的井段长度ΔL_122，e：

用迭代法求解，得：ΔL_122，e＝60.14m。因此，当井深L_e＝L₁₂₂+ΔL_122，e＝1580.00+60.14＝1640.14m时，钻达靶平面。

再次，由公式(23)～(24)，计算入靶点e的井斜角、方位角和空间坐标：

$\left\{\begin{array}{c}{N}_e=190.62+50.87=241.49m\\ E_e=104.31+29.42=133.73m\\ H_e=1488.40+11.41=1499.81m\end{array}\right.$

由于所选井段为水平井，故其靶平面为铅垂靶，所以由公式(26)计算入靶点e在靶点坐标系下的坐标值：

最后，由公式(28)判别，入靶点e位于靶区范围内，入靶井斜角与设计值吻合较好。虽然，入靶点的方位角与设计值有一定的偏差，但是其入靶的方向有利于井眼轨迹在目的层中有效延伸。因此，综合考虑入靶位置及入靶方向，该井可以保持现有的钻井工艺及技术参数继续钻进。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (6)

1.一种基于复合导向钻井条件的入靶形势预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S101、根据实钻轨迹最后两测点(M_n-1，M_n)的测斜数据计算末测段的轨迹特征参数，所述测斜数据为井深、井斜角和方位角，所述轨迹特征参数在复合导向钻井条件下是井斜变化率和方位变化率；

S102、基于所述测点(M_n-1)的测斜数据和末测段的轨迹特征参数，按自然曲线轨迹模型计算实钻轨迹末测点(M_n)的空间坐标；

S103、基于所述末测点(M_n)的轨迹参数和所述轨迹特征参数，采用外推法按自然曲线轨迹模型预测待钻轨迹的井段长度，所述轨迹参数包括井深、井斜角、方位角和空间坐标，其中，当保持复合导向钻井工艺和技术参数继续钻进时，所述轨迹特征参数采用末测段的轨迹特征参数；当保持复合导向钻井工艺但是改变技术参数继续钻进时，可通过井眼轨迹预测技术来预测所述轨迹特征参数；

S104、基于所述末测点(M_n)的轨迹参数、所述轨迹特征参数和所述待钻轨迹的井段长度，按自然曲线轨迹模型计算入靶点(e)的轨迹参数；

S105、建立靶点坐标系，根据所述入靶点(e)的空间坐标，计算出所述入靶点(e)在靶点坐标系下的坐标，判断所述入靶点(e)是否位于靶区范围内；

S106、根据所述入靶点(e)的井斜角和方位角，校核入靶方向是否满足工程要求。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，按照以下公式计算所述井斜变化率和方位变化率： ${\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\α}}=\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\α}}_{n-1,n}}{\mathrm{\Δ}{L}_{n-1,n}}$

${\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\φ}}=\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\φ}}_{n-1,n}}{\mathrm{\Δ}{L}_{n-1,n}}$

其中，

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{L}_{n-1,n}=L_n-L_{n-1}\\ \mathrm{\Δ}{\mathrm{\α}}_{n-1,n}={\mathrm{\α}}_n-{\mathrm{\α}}_{n-1}\\ \mathrm{\Δ}{\mathrm{\φ}}_{n-1,n}={\mathrm{\φ}}_n-{\mathrm{\φ}}_{n-1}\end{array}\right.$

其中，L为井深，α和φ分别为井斜角、方位角；κ_α和κ_φ为井斜变化率和方位变化率。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，按照以下公式计算末测点的空间坐标：

$\left\{\begin{array}{c}{N}_n=N_{n-1}+\mathrm{\Δ}{N}_{n-1,n}\\ E_n=E_{n-1}+\mathrm{\Δ}{E}_{n-1,n}\\ H_n=H_{n-1}+\mathrm{\Δ}{H}_{n-1,n}\end{array}\right.$

其中，

其中， $\left\{\begin{array}{c}{A}_P={\mathrm{\α}}_{n-1}+{\mathrm{\φ}}_{n-1}\\ A_Q={\mathrm{\α}}_{n-1}-{\mathrm{\φ}}_{n-1}\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\κ}}_P={\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\α}}+{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\φ}}\\ {\mathrm{\κ}}_Q={\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\α}}-{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\φ}}\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}{F}_S(A,\mathrm{\κ})=\frac{180}{\mathrm{\π\κ}}[\sin (A+\mathrm{\κ\Δ}{L}_{n-1,n})-\sin A]\\ F_C(A,\mathrm{\κ})=\frac{180}{\mathrm{\π\κ}}[\cos (A+\mathrm{\κ\Δ}{L}_{n-1,n})-\cos A]\end{array}\right.$

N_n为末测点的北坐标，E_n为末测点的东坐标，H_n为末测点的垂深坐标。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，按照以下公式计算所述待钻轨迹的井段长度：

对于水平靶，

其中，ΔH_n，t＝H_t-H_n

对于铅垂靶，分为如下4种情况：

①若κ_P＝κ_Q＝0

$\mathrm{\Δ}{L}_{n,e}=\frac{C}{\sin {\mathrm{\α}}_n\cos ({\mathrm{\φ}}_z-{\mathrm{\φ}}_n)}$

②若κ_P≠0，κ_Q＝0

$\mathrm{\Δ}{L}_{n,e}\sin {\mathrm{\β}}_Q-\frac{180}{\mathrm{\π}{\mathrm{\κ}}_P}[\cos ({\mathrm{\β}}_P+{\mathrm{\κ}}_P\mathrm{\Δ}{L}_{n,e})-\cos {\mathrm{\β}}_P]=2C$

③若κ_P＝0，κ_Q≠0

$\mathrm{\Δ}{L}_{n,e}\sin {\mathrm{\β}}_P+\frac{180}{\mathrm{\π}{\mathrm{\κ}}_Q}[\cos {\mathrm{\β}}_Q-\cos ({\mathrm{\β}}_Q+{\mathrm{\κ}}_Q\mathrm{\Δ}{L}_{n,e})]=2C$

④若κ_P≠0，κ_Q≠0

$\frac{180}{\mathrm{\π}{\mathrm{\κ}}_P}[\cos {\mathrm{\β}}_P-\cos ({\mathrm{\β}}_P+{\mathrm{\κ}}_P\mathrm{\Δ}{L}_{n,e})]+\frac{180}{\mathrm{\π}{\mathrm{\κ}}_Q}[\cos {\mathrm{\β}}_Q-\cos ({\mathrm{\β}}_Q+{\mathrm{\κ}}_Q\mathrm{\Δ}{L}_{n,e})]=2C$

其中，

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\β}}_P={\mathrm{\α}}_n-({\mathrm{\φ}}_z-{\mathrm{\φ}}_n)\\ {\mathrm{\β}}_Q={\mathrm{\α}}_n+({\mathrm{\φ}}_z-{\mathrm{\φ}}_n)\end{array}\right.$

ΔL_n，e为待钻轨迹的井段长度。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，按照以下公式计算所述入靶点(e)的轨迹参数： $\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\α}}_e={\mathrm{\α}}_n+{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\α}}\mathrm{\Δ}{L}_{n,e}\\ {\mathrm{\φ}}_e={\mathrm{\φ}}_n+{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\φ}}\mathrm{\Δ}{L}_{n,e}\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}{N}_e=N_n+\mathrm{\Δ}{N}_{n,e}\\ E_e=E_n+\mathrm{\Δ}{E}_{n,e}\\ H_e=H_n+\mathrm{\Δ}{H}_{n,e}\end{array}\right.$

α_e和φ_e分别为入靶点(e)的井斜角和方位角，N_e、E_e、H_e分别为入靶点(e)的北坐标、东坐标和垂深。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，按照以下步骤判断所述入靶点(e)是否位于靶区范围内：

S201、建立以靶点(t)为原点的坐标系t-xyz，其中，对于水平靶，x轴指向北，y轴指向东，z轴铅垂向下；对于铅垂靶，x轴铅垂向上，y轴水平向右，z轴为靶平面的法线方向；

S202、计算所述入靶点(e)在所述坐标系t-xyz下的坐标值

对于水平靶 $\left\{\begin{array}{c}{x}_e=N_e-N_t\\ y_e=E_e-E_t\end{array}\right.$

对于铅垂靶 $\left\{\begin{array}{c}{x}_e=-(H_e-H_t)\\ y_e=-(N_e-N_t)\sin {\mathrm{\φ}}_z+(E_e-E_t)\cos {\mathrm{\φ}}_z\end{array}\right.$

S203、对于圆形靶区，如果x_e ²+y_e ²≤r_t ²

对于矩形靶区，如果 $\left|x_e\right|\≤\frac{h_t}{2}$ 且 $\left|y_e\right|\≤\frac{w_t}{2}$

则所述入靶点(e)位于靶区范围内，其中r_t为圆形靶区的靶区半径，h_t、w_t为矩形靶区的靶区高度和宽度。

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