CN103967479B - 一种旋转导向钻井入靶形势预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于旋转导向钻井工艺技术的入靶形势预测方法，包括以下步骤：根据钻井实际轨迹最后两测点的测斜数据计算最后测段的轨迹特征参数；基于井眼轨迹监测要求计算最后一个测点的空间坐标；当保持旋转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，按最后测段的轨迹特征参数采用外推法计算出钻至靶区的预测轨迹的井段长度；基于井段长度、轨迹特征参数、测斜数据以及空间坐标计算入靶点的井斜角、方位角以及空间坐标；根据入靶点的空间坐标，计算出入靶点在靶点坐标系下的坐标，判断入靶点是否落在预设的靶区内。本发明可用于分析评价现用钻井工艺及参数的实施效果，并指导制定后续的钻井工程技术方案。

Description

一种旋转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，尤其涉及一种在旋转导向钻井条件下进行入靶形势预测的方法，该方法可用于监测和控制井眼轨迹。

背景技术

旋转导向钻井具有钻柱摩阻小、井眼平滑、机械钻速高等特点，已成为大位移井、超长水平井等复杂结构井中不可或缺的导向钻井工具和技术。旋转导向钻井系统的井下部分主要由旋转导向工具和随钻测量总成所组成，其中旋转导向工具包括近钻头井斜传感器、偏心稳定器、导向执行机构、井下控制器等，随钻测量总成包括MWD/LWD仪器、地质参数测量短节、环空/地层压力测量短节、涡轮发电机等。

旋转导向钻井工具的导向原理可分为推靠式和指向式两大类。如图1所示。推靠式导向工具在靠近钻头处安装有偏心稳定器等偏置单元，推靠钻头偏离井眼轴线，并产生钻头侧向力，从而实现造斜和导向作用。指向式导向工具的偏置单元安装在导向工具中部（常位于两个稳定器之间），使导向工具壳体内的驱动主轴产生偏置或挠曲，导致钻头轴线相对于井眼轴线发生了偏转，从而实现导向功能。为了提高旋转导向工具的造斜能力，可在其上部串接一个柔性短节，以减小上部钻柱对导向工具造斜性能的影响。

旋转导向钻井具有更高的钻井速度，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。

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，提出了一种在旋转导向钻井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、根据钻井实际轨迹最后两测点（M_n-1，M_n）的测斜数据计算最后测段的轨迹特征参数，所述测斜数据为井深、井斜角、方位角，所述轨迹特征参数为井眼轨迹在垂直剖面图和水平投影图上的曲率；

S102、基于井眼轨迹监测要求计算最后一个测点（M_n）的空间坐标；

S103、当保持旋转导向钻井钻井工艺和技术参数继续钻进时，所述轨迹特征参数保持不变，按所述最后测段的轨迹特征参数采用外推法计算出钻至靶区的预测轨迹的井段长度；

S104、基于所述井段长度、所述轨迹特征参数、所述测斜数据以及所述空间坐标计算所述入靶点（e）的井斜角、方位角以及空间坐标；

S105、根据所述入靶点的空间坐标，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）是否落在预设的靶区内。

根据本发明的一个实施例，按照以下公式计算最后测段的曲率：

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

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

其中

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

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，K_v和K_h为井眼轨迹在垂直剖面图和水平投影图上的曲率，S为水平长度。

根据本发明的一个实施例，按照以下公式计算最后测点的空间坐标：

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

其中

根据本发明的一个实施例，对于水平靶，按照以下公式计算所述预测轨迹的井段长度：

对于铅垂靶，按照以下公式计算所述预测轨迹的井段长度：

其中

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\Δ\φ}}_{n,z}={\mathrm{\φ}}_z-{\mathrm{\φ}}_n\\ {\mathrm{\Δ\φ}}_{z,e}={\sin }^{-1}[\frac{{\mathrm{\πC\κ}}_h}{180}-\sin {\mathrm{\Δ\φ}}_{n,z}]\end{array}\right.$

根据本发明的一个实施例，按照以下公式计算所述入靶点（e）的井斜角（α_e）、方位角（φ_e）和空间坐标（N_e，E_e，H_e）：

α_e＝α_n+κ_vΔL_n，e

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

其中

根据本发明的一个实施例，按照以下步骤判断所述入靶点（e）是否落在预设的靶区内：

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；而对于铅垂靶，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，如果且

则所述入靶点（e）落于靶区内，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。

根据本发明的一个实施例，还包括步骤

S204、根据入靶井斜角和方位角，校核入靶方向是否满足工程要求。

S205、根据所预测的入靶位置和入靶方向，分析评价现用钻井工艺及参数的实施效果，并指导制定后续的钻井工程技术方案。

本发明带来了以下有益效果：能随时预测旋转导向钻井技术条件下实钻轨迹的入靶位置及入靶方向，可分析评价现用钻井工艺及技术参数的实施效果，并指导制定后续的钻井工程技术方案。

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是典型的旋转导向钻井工具结构示意图，其中图1（a）是推靠式旋转导向钻井工具的结构示意图，图1（b）是指向式旋转导向钻井工具的结构示意图；

图2是本发明的工艺技术原理示意图；

图3是本发明一个实施例的入靶形势预测方法流程图；

图4是校核入靶位置和入靶方向是否满足要求的方法流程图。

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。

本发明是在旋转导向钻井条件下进行井眼轨迹预测的。由于旋转导向钻井的主要特点是钻柱摩阻小、井眼平滑、机械钻速高，所钻出的井眼轨迹连续光滑，因此其空间形态接近于圆柱螺线，符合井眼轨迹的曲率半径模型或称圆柱螺线模型。这种模型的特征参数是井眼轨迹在垂直剖面图和水平投影图上的曲率分别保持为常数。

如图2所示，根据最后两个测点M_n-1和M_n的测斜数据，可计算出该测段的轨迹特征参数，从而表征出当前井眼轨迹的具体形状及变化规律。如果保持当前的旋转导向钻井工艺及技术参数继续钻进，就可以认为其井眼轨迹也保持原有的形态。因此，按照当前的变化规律把井眼轨迹延长至靶点或靶平面，就可以预测出入靶点e的位置及井眼方向，进而指导制定后续的钻井工艺技术方案。

下面详细介绍在上述旋转导向钻井条件下对钻达设计轨道的靶前最末井段以后的入靶形势预测的原理。

实施例一

S101、根据钻井实际轨迹最后两测点M_n-1、M_n的测斜数据计算最后测段的轨迹特征参数，所述测斜数据为井深、井斜角、方位角，所述轨迹特征参数为井眼轨迹在垂直剖面图和水平投影图上的曲率；

S102、基于井眼轨迹监测要求计算最后一个测点M_n的空间坐标；

S103、当保持旋转导向钻井工艺及技术参数继续钻进时，所述轨迹特征参数保持不变，按所述最后测段的轨迹特征参数采用外推法计算出钻至靶区的预测轨迹的井段长度；

S104、基于所述井段长度、所述轨迹特征参数、所述测斜数据以及所述空间坐标计算所述入靶点e的井斜角、方位角以及空间坐标；

S105、根据所述入靶点的空间坐标，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是否落在预设的靶区内。

如图3所示，在步骤S101中，根据钻井实际轨迹中的最后两测点M_n-1、M_n的测斜数据计算最后测段的轨迹特征参数，测斜数据为井深、井斜角、方位角，轨迹特征参数为井眼轨迹在垂直剖面图和水平投影图上的曲率。

在钻井过程中，利用MWD等仪器随钻测量实钻轨迹，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等数据。

每当获取了新测点的井斜数据后，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。由于旋转导向钻井所钻出的井眼轨迹更符合圆柱螺线模型，所以轨迹特征参数是井眼轨迹在垂直剖面图和水平投影图上的曲率。

在一个具体的实施例中，轨迹特征参数可以按以下公式计算：

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

其中 ${\mathrm{\κ}}_h=\frac{{\mathrm{\Δ\φ}}_{n-1,n}}{{\mathrm{\ΔS}}_{n-1,n}}$ $\left(2\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ΔL}}_{n-1,n}=L_n-L_{n-1}\\ {\mathrm{\Δ\α}}_{n-1,n}={\mathrm{\α}}_n-{\mathrm{\α}}_{n-1}\\ {\mathrm{\Δ\φ}}_{n-1,n}={\mathrm{\φ}}_n-{\mathrm{\φ}}_{n-1}\end{array}\right.---\left(3\right)$

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，κ_v和κ_h为井眼轨迹在垂直剖面图和水平投影图上的曲率，S为水平长度。

在步骤S102中，基于井眼轨迹监测要求计算最后一个测点M_n的空间坐标。

在一个实施例中，按以下公式计算测点M_n的空间坐标：

$\left\{\begin{array}{c}{N}_n=N_{n-1}+{\mathrm{\ΔN}}_{n-1,n}\\ E_n=E_{n-1}+{\mathrm{\ΔE}}_{n-1,n}\\ H_n=H_{n-1}+{\mathrm{\ΔH}}_{n-1,n}\end{array}\right.---\left(5\right)$

其中

在步骤S103中，当保持旋转导向钻井工艺及技术参数继续钻进时，轨迹特征参数保持不变，按最后测段的轨迹特征参数采用外推法计算出钻至靶区的预测轨迹的井段长度。

例如，对于水平靶，可以按照下式计算井段长度：

对于铅垂靶，按照以下公式计算井段长度：

其中 $\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\Δ\φ}}_{n,z}={\mathrm{\φ}}_z-{\mathrm{\φ}}_n\\ {\mathrm{\Δ\φ}}_{z,e}={\sin }^{-1}[\frac{{\mathrm{\πC\κ}}_h}{180}-\sin {\mathrm{\Δ\φ}}_{n,z}]\end{array}\right.---\left(11\right)$

在步骤S104中，基于上述井段长度、测斜数据以及空间坐标计算入靶点e的井斜角、方位角以及空间坐标。计算公式如下：

α_e＝α_n+κ_vΔL_n，e （12）

$\left\{\begin{array}{c}{N}_e=N_n+{\mathrm{\ΔN}}_{n,e}\\ E_e=E_n+{\mathrm{\ΔE}}_{n,e}\\ H_e=H_n+{\mathrm{\ΔH}}_{n,e}\end{array}\right.---\left(14\right)$

其中

S105、根据入靶点的空间坐标判断入靶点e是否落在预设的靶区内。

以下是判断入靶点e是否落在预设的靶区内以及入靶方向是否满足要求的详细步骤。

如图4所示，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；而对于铅垂靶，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，

对于水平靶 $\left\{\begin{array}{c}{x}_e=N_e-N_t\\ y_e=E_e-E_t\end{array}\right.---\left(23\right)$

对于铅垂靶

$\left\{\begin{array}{c}{x}_e=-(H_e-H_t)\\ y_e=-(N_e-N_t){\sin \mathrm{\φ}}_z+(E_e-E_t){\cos \mathrm{\φ}}_z\end{array}\right.---\left(24\right)$

在步骤S203中，判断是否中靶：

对于圆形靶区，如果x_e ²+y_e ²≤r_t ² （25）

对于矩形靶区，如果 $\left|x_e\right|\≤\frac{h_t}{2}$ 且 $\left|y_e\right|\≤\frac{w_t}{2}---\left(26\right)$

则入靶点e落于靶区内，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。

在步骤S204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。

在步骤S205中，根据所预测的入靶位置和入靶方向，分析评价现用钻井工艺及参数的实施效果，并指导制定后续的钻井工程技术方案。

实施例二：

以下根据某水平井设计轨道的节点数据来具体分析按照上述工艺原理如何进行入靶形势预测。

某水平井首靶点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，其设计轨道的节点数据见表1。当进入着陆井段后，采用旋转导向钻井工艺入靶，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，能否中靶？

该实施例包括以下步骤：首先，计算靶点的北坐标和东坐标

旋转导向钻井所钻出的井眼轨迹更符合圆柱螺线模型或称曲率半径模型，其轨迹特征参数是井眼轨迹在垂直剖面图和水平投影图上的曲率。

对于末测段[1543m、1552m]，用公式（1）~（4）计算轨迹特征参数κ_v和κ_h：

然后，由公式（5）~（8），计算末测点M₁₂₂的空间坐标

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

接着，用公式（20）~（22），建立预测轨迹的约束方程。从末测点M₁₂₂到入靶点e的预测轨迹，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

采用公式（9）~（11），计算预测轨迹的井段长度ΔL_122，e：

因此，当井深L_e=L₁₂₂+ΔL_122,e=1580.00+60.14=1640.14m时，可钻达靶平面。

下面，再用公式（12）~（17），计算入靶点e的井眼方向（即井斜角和方位角）和空间坐标：

α_e＝70°+0.3000×60.14＝88.04°

$\left\{\begin{array}{c}{N}_e=190.62+50.81=241.43m\\ E_e=104.31+29.53=133.84m\\ H_e=1488.40+11.41=1499.81m\end{array}\right.$

用公式（23），计算入靶点在靶点坐标系下的坐标值：

由公式（25）可判别出，入靶点位于靶区范围内，入靶井斜角与设计值吻合较好。虽然入靶方位角与设计值有一定的偏差，但是其入靶方向有利于井眼轨迹在目的层中有效延伸。因此，综合考虑入靶点位置及入靶方向，该井可以保持现有的钻井工艺及技术参数继续钻进。

随着对提高采收率和单井产量需求的增长，水平井的数量越来越大，特别是面对非常规油气资源的勘探开发热潮，水平井的份额正在快速增长，因此本发明具有广阔的应用前景。

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 (4)

1.一种基于旋转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、根据钻井实际轨迹最后两测点(M_n-1,M_n)的测斜数据计算最后测段的轨迹特征参数，所述测斜数据为井深、井斜角、方位角，所述轨迹特征参数为井眼轨迹在垂直剖面图和水平投影图上的曲率；

S102、基于井眼轨迹监测要求计算最后一个测点(M_n)的空间坐标；

S103、当保持旋转导向钻井工艺和技术参数继续钻进时，所述轨迹特征参数保持不变，按所述最后测段的轨迹特征参数采用外推法计算出钻至靶区的预测轨迹的井段长度；

S104、基于所述井段长度、所述轨迹特征参数、所述测斜数据以及所述最后一个测点(M_n)的空间坐标计算所述入靶点(e)的井斜角、方位角以及空间坐标；

S105、根据所述入靶点的空间坐标，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)是否落在预设的靶区内；

其中，按照以下公式计算最后测段的曲率：

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

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

其中

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

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，κ_v和κ_h为井眼轨迹在垂直剖面图和水平投影图上的曲率，S为水平长度，其中，按照以下公式计算最后测点的空间坐标：

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

其中

对于水平靶，按照以下公式计算所述预测轨迹的井段长度：

对于铅垂靶，按照以下公式计算所述预测轨迹的井段长度：

其中

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\Δ\φ}}_{n,z}={\mathrm{\φ}}_z-{\mathrm{\φ}}_n\\ {\mathrm{\Δ\φ}}_{z,e}={\sin }^{-1}\[\frac{{\mathrm{\πC\κ}}_h}{180}-{\mathrm{sin\Δ\φ}}_{n,z}\]\end{array}\right..$

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入靶点(e)的井斜角(α_e)、方位角(φ_e)和空间坐标(N_e，E_e，H_e)：

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

其中

。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，按照以下步骤判断所述入靶点(e)是否落在预设的靶区内：

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；而对于铅垂靶，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

对于铅垂靶

S203、对于圆形靶区，如果

对于矩形靶区，如果且

则所述入靶点(e)落于靶区内，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。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，判断所述入靶点是否落在预设的靶区内还包括步骤：

S204、根据入靶井斜角和方位角，校核入靶方向是否满足工程要求；

S205、根据所预测的入靶点位置和入靶方向，分析评价现用钻井工艺及参数的实施效果，并指导制定后续的钻井工程技术方案。