CN104265270B - 一种碳酸盐岩缝洞钻井轨迹设计及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种碳酸盐岩缝洞钻井轨迹设计及控制方法。该轨迹设计方法包括：利用地震数据获取所述碳酸盐岩缝洞的轮廓；确定距离每个所述碳酸盐岩缝洞的安全距离；确定每个所述碳酸盐岩缝洞的分段钻井轨迹，并将相邻的所述碳酸盐岩缝洞的分段钻井轨迹依次连接得到碳酸盐岩缝洞钻井轨迹。本发明优化了碳酸盐岩储层钻井轨迹，能够提高水平井与缝洞沟通能力，降低开发成本，提高勘探开发效率，同时避免钻井过程易发生的溢漏，从而更加顺利地钻达目的井深。

Description

一种碳酸盐岩缝洞钻井轨迹设计及控制方法

技术领域

本发明涉及石油、天然气钻井领域，具体地，涉及一种碳酸盐岩缝洞钻井轨迹设计及控制方法。

背景技术

我国西部的油气资源比较丰富，但该地区的油气大多富集在深层，勘探开发过程中所呈现出来的问题较浅层油气资源有较大差异，例如塔里木盆地碳酸盐岩石油资源量占盆地总量的38％。

对于碳酸盐岩油气开采而言，水平井技术得到了广泛的应用。水平井可以提高产能，减少紊流现象。对于碳酸盐岩油气资源而言，由于碳酸盐岩油气分布的连续性差且随机分布，单井控制储量大小不一，需要水平井来沟通多个缝洞以提高产能。

由于碳酸盐岩储层的缝洞结构是近似成串珠形状，在对其进行开采时，需要将缝洞向串糖葫芦一样将缝洞串起来，但不能将其打开，待钻井完成以后，通过压裂等措施将缝洞打开，从而更好地开发油气资源。为了将缝洞安全地串起来，需要设计出水平钻井过程中钻井的轨迹，以便既能够将缝洞安全地串起来，又方便将缝洞打开。

发明内容

本发明的目的是提供一种碳酸盐岩缝洞钻井轨迹设计及控制方法，以实现对油气资源的安全和有效开采。

为了实现上述目的，本发明提供一种碳酸盐岩缝洞钻井轨迹设计方法，该方法包括：利用地震数据获取所述碳酸盐岩缝洞的轮廓；确定距离每个所述碳酸盐岩缝洞的安全距离；确定每个所述碳酸盐岩缝洞的分段钻井轨迹，并将相邻的所述碳酸盐岩缝洞的分段钻井轨迹依次连接得到碳酸盐岩缝洞钻井轨迹。

优选地，该方法还包括确定矩形边界。

优选地，所述矩形边界为涵盖所述碳酸盐岩缝洞的轮廓并且呈水平方向放置的矩形边界中具有最小面积的矩形边界。

优选地，所述距离每个所述碳酸盐岩缝洞的安全距离为距所述矩形边界的上边界的预设安全距离。

优选地，按照下式确定距离每个所述碳酸盐岩缝洞的安全距离：y＝2y_i-y*，其中y为距离第i个所述碳酸盐岩缝洞的矩形边界的上边界的安全距离，x∈L_i，y_i为第i个所述碳酸盐岩缝洞的矩形边界上边界的井深，x为第i段水平轨道的水平位移，坐标落在对应的L_i段内，L_i为第i个所述碳酸盐岩缝洞的矩形边界在水平方向的长度。

优选地，所述将相邻的所述碳酸盐岩缝洞的钻井轨迹依次连接得到碳酸盐岩缝洞钻井轨迹包括：将相邻的所述碳酸盐岩缝洞的钻井轨迹的端点连接形成两个三角形；将相距最远的相邻的所述碳酸盐岩缝洞的钻井轨迹的端点用经过所述两个三角形的共用端点的S型曲线连接；将所述S型曲线依次连接得到所述碳酸盐岩缝洞钻井轨迹。

优选地，所述S型曲线由两段圆弧组合而成。

本发明提供了一种碳酸盐岩缝洞钻井轨迹控制方法，该方法包括：根据所述的方法得到的碳酸盐岩缝洞钻井轨迹进行碳酸盐岩缝洞钻井；预测/检测井底压力；在工程参数变化超过阈值的情况下，调节井底压力以使得井底压力恒定或流量恒定，并且使所述碳酸盐岩缝洞钻井轨迹远离所述碳酸盐岩缝洞。

本发明优化了碳酸盐岩储层钻井轨迹，能够提高水平井与缝洞沟通能力，降低开发成本，提高勘探开发效率，同时避免钻井过程易发生的溢漏，从而更加顺利地钻达目的井深。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明提供的安全余量恒定距离法示意图；

图2为本发明提供的距离缝洞串上边界最近的水平线示意图；

图3为本发明提供的根据上边界进行映射调整后的轨迹示意图；

图4为本发明提供的上下两条平行线曲线过渡示意图；

图5为本发明提供的压力及轨迹调整控制方法示意图。

附图标记说明

1    长椭圆形轮廓                   2   不规则形状轮廓

3    短椭圆形轮廓                   4   裂缝轮廓

5、7、9、11   缝洞上边界平行线

6、8、10      连接直线

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

为了设计出安全而合理的碳酸盐岩缝洞钻井轨迹，首先需要根据地震历史数据进行分析，得到碳酸盐岩缝洞的轮廓。由于通过地震数据分析得到的地址结构存在一定的误差，因此只能得到碳酸盐岩缝洞的轮廓而不能精确地确定其形状和大小。在理想的状况下，如果在钻井的过程中，沿着碳酸盐岩缝洞的轮廓前进或许是可期望的，但现实中并不能如此处理，需要留出安全余量才能保证钻井过程中不发生泄漏。为了便于确定安全余量，本发明通过为各个碳酸盐岩缝洞沿其轮廓建立水平放置的矩形边界，然后在矩形边界的基础上再确定安全余量。对于安全余量的确定，本发明可以采用两种方法，一种方法是对于轮廓设置相对恒定的安全距离，另一种方法是通过建模，利用求极值的方法得到安全距离，其中对于具有不同轮廓的碳酸盐岩缝洞，其安全距离可能不同。

为了便于说明，本发明示出了四种不同轮廓的碳酸盐岩缝洞，如图1所示，包括长椭圆形轮廓1、不规则形状轮廓2、短椭圆形轮廓3以及裂缝轮廓4，并针对这几种不同轮廓示出了相应的矩形边界。对于本领域技术人员而言，矩形边界可以涵盖碳酸盐岩缝洞的轮廓就是符合要求的矩形边界，但是为了提高油气开采的效率，期望使用具有最小面积且水平放置的矩形边界。具有最小面积且水平放置的矩形边界可以给各种不同形状的轮廓形成点接触。

由于在油气开采中采用水平钻井，在确定碳酸盐岩缝洞的轮廓对应的矩形边界以后，可以采用固定的安全余量来设计钻井轨迹，例如在矩形边界的上边界以上按照固定距离形成一段与矩形轨迹的水平方向长度相同的线段，也就是分段的钻井轨迹，如碳酸盐岩缝洞上边界平行线5、7、9、11，然后为了形成连续的钻井轨迹，需要将相邻的碳酸盐岩缝洞上边界平行线5、7、9、11通过连接直线6、8、10连接起来，从而形成了碳酸盐岩缝洞钻井轨迹。通过数学方法来描述可以如下描述分段的钻井轨迹：

分段函数：

y＝y_i-Δ_i，i＝1,…,n，x∈L_i   (1)

y_i：第i个所述碳酸盐岩缝洞的矩形边界上边界的井深；

x：第i段水平轨道的水平位移，坐标落在对应的L_i段内；

Δ_i为安全余量，可以是经验值，从零点几米到几米不等。

min(Δ_i)＝0，L_i为缝洞平行线段的长度。

如上所述，也可以采用求极值的方法来确定安全距离。可以通过如下函数来表示距离缝洞串上边界函数：

f(y)＝α₁(y-y₁)²+α₂(y-y₂)²+…+α_n(y-y_n)²   (2)

${\mathrm{\α}}_i=\frac{L_i}{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{L}_i}---\left(3\right)$

为了使f(y)最小，对其求一阶导数并为零，则：

$\stackrel{\·}{f\left(y\right)}=0---\left(4\right)$

推导出：

${\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{\mathrm{\α}}_i\·y={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{\mathrm{\α}}_i{y}_i---\left(5\right)$

因为： ${\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{\mathrm{\α}}_i=1$

所以：

$y={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{\mathrm{\α}}_i{y}_i---\left(6\right)$

记为：

$y*=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_i{y}_i$

为了得到合理的矩形边界，可以将边界条件设置为井眼轨道在每个碳酸盐岩缝洞的上方，则y-y_i≤0   (7)

若条件成立，则所以：y＝y*，x∈L_i   (8)

而当条件不成立时，即井眼轨道在碳酸盐岩缝洞的下方则有：y*-y_i≥0   (9)

为了便于碳酸盐岩缝洞的上方进行钻井，可以将钻井轨迹调整至的上方，则映射为：

y＝y_i-(y*-y_i)＝2y_i-y*，x∈L_i   (10)

根据上述式(10)可以得到每个碳酸盐岩缝洞的安全距离，从而得到了分段的碳酸盐岩缝洞钻井轨迹，将分段的碳酸盐岩缝洞钻井轨迹依次连接后，就可以得到连续的碳酸盐岩缝洞钻井轨迹。

图2示出了距离碳酸盐岩缝洞上边界最近的水平线，图3示出了根据求极值法得到钻井轨迹。但是，由于钻头在钻井的过程中受到地层岩石的阻力，可能无法按照图1或图3中所示的通过线段构成的钻井轨迹前进，因此本发明中进一步地对钻井轨迹进行优化，如图4所示，可以将相邻的两个分段钻井轨迹形成两个三角形，通过S型曲线来优化钻井轨迹。该S型曲线可以通过相邻分段钻井轨迹中相距最远的端点，还可以通过两个三角形的公共端，优选地，该S型曲线可以用两端圆弧组合而成。下面参照图4用数学的方法描述该优化的结果。

相邻的两条平行线段可以用如下分段函数表示：

$\tan \mathrm{\β}=\frac{\mathrm{\Δy}}{\mathrm{\Δx}}---\left(11\right)$

Δy为两条平行线段之间的距离，Δx为两条平行线段中相距最近的两个端点之间的水平距离；β单位为弧度，将其转换为角度：

$\mathrm{\β}=\frac{180}{\mathrm{\π}}\arctan \left(\frac{\mathrm{\Δy}}{\mathrm{\Δx}}\right)---\left(12\right)$

直线AC的长度是直线AB的一半时，可以认为弧AC的长度近似等于线段AC的长度，设为M，根据几何定理推导出：

$M=\frac{\sqrt{{\mathrm{\Δx}}^2+{\mathrm{\Δy}}^2}}{\cos (\mathrm{\β}/2)}---\left(13\right)$

上述的弧长可以用作选择水平段弯螺杆的参考因素，例如可以选择满足以下条件的水平段弯螺杆：

β_z·M≥β   (14)

式中β_z为水平段弯螺杆造斜率(度/30米)。满足上述条件的话，则具有该造斜率的造斜工具可以完成该段钻进。

本发明通过上述的方案可以设计出安全且合理的碳酸盐岩缝洞钻井轨迹。在得到该钻井轨迹以后，就可以按照该钻井轨迹进行钻井。由于地震数据只能绘制出碳酸盐岩缝洞的轮廓，即使在设计钻井轨迹的过程中已经考虑了安全余量，但是由于不能充分了解地层结构，在按照钻井轨迹钻井的过程中还是可能出现危险的状况，例如油气泄漏，为了避免这个危险的情况发生，还需要在钻井的过程中实时调整钻井轨迹。如图5所示，在调整轨迹的过程中，需要实时预测或检测井底压力，在钻井工程参数发生变化的情况下，例如扭矩、钻速的变化或者井底压力、出入口流量的变化超过阈值，阈值例如按照机械破岩原理可建立如下判断方程： $C_r=a*\mathrm{WOB}*/d_b^2+b/(\mathrm{ROP}*d_b^2)*(1+c*P_b*Q),$ 其中，a，b，c为线性常数，现场应用可在稳定工况条件，回归计算得到，WOB为钻压，d_b为钻头直径，ROP为机械钻速，p_b为井底压力，Q为钻井液流量，C_r为计算值，以正常工况计算值上下10％-50％的浮动量为上下阈值，具体的值可以由现场工程师根据实际情况决定。在变化超过阈值的情况下，则需要快速地调整井底压力以避免油气泄露出碳酸盐岩缝洞，并可以根据保持井底压力恒定和/或保持流量恒定的要求来调整钻头相对于原来设计的钻井轨迹上升(即远离碳酸盐岩缝洞)，轨迹的调整根据选用的弯螺杆的造斜能力(例如最大造斜能力)上抬1-2米后再沿与预先确定的钻井轨迹平行的轨迹水平钻进。需要说明的是，本发明优选的实施方式中钻井轨迹位于碳酸盐岩缝洞的上方，但是本发明并不限制钻井轨迹位于碳酸盐岩缝洞的其他方位。在控制钻头远离碳酸盐岩缝洞的过程中，还需要检测工程参数，计算C_r的变化，如果符合预设的要求(例如，C_r在正负10％内波动)，例如井底压力在[-0.3，0.3]MPa的范围内波动，可以钻头继续沿着预先确定的钻井轨迹前进。通过上述的实施方式，可以实现安全和有效地进行油气资源开采。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (10)

1.一种碳酸盐岩缝洞钻井轨迹设计方法，其特征在于，该方法包括：

利用地震数据获取所述碳酸盐岩缝洞的轮廓；

确定距离每个所述碳酸盐岩缝洞的安全距离；

确定每个所述碳酸盐岩缝洞的分段钻井轨迹，并将相邻的所述碳酸盐岩缝洞的分段钻井轨迹依次连接得到碳酸盐岩缝洞钻井轨迹。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法还包括确定矩形边界。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述矩形边界为涵盖所述碳酸盐岩缝洞的轮廓并且呈水平方向放置的矩形边界中具有最小面积的矩形边界。

4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述距离每个所述碳酸盐岩缝洞的安全距离为距所述矩形边界的上边界的预设安全距离。

5.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，按照下式确定距离每个所述碳酸盐岩缝洞的安全距离：

y＝2y_i-y*，

其中y为距离第i个所述碳酸盐岩缝洞的矩形边界的上边界的安全距离，x∈L_i，y_i为第i个所述碳酸盐岩缝洞的矩形边界上边界的井深，x为第i段水平轨道的水平位移，坐标落在对应的L_i段内，L_i为第i个所述碳酸盐岩缝洞的矩形边界在水平方向的长度。

6.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述将相邻的所述碳酸盐岩缝洞的钻井轨迹依次连接得到碳酸盐岩缝洞钻井轨迹包括：

将相邻的所述碳酸盐岩缝洞的钻井轨迹的端点连接形成两个三角形；

将相距最远的相邻的所述碳酸盐岩缝洞的钻井轨迹的端点用经过所述两个三角形的共用端点的S型曲线连接；

将所述S型曲线依次连接得到所述碳酸盐岩缝洞钻井轨迹。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述S型曲线由两段圆弧组合而成。

8.一种碳酸盐岩缝洞钻井轨迹控制方法，其特征在于，该方法包括：

根据权利要求1-7任意一项所述的方法得到的碳酸盐岩缝洞钻井轨迹进行碳酸盐岩缝洞钻井；

预测/检测井底压力；

在工程参数变化超过阈值的情况下，调节井底压力以使得井底压力恒定或流量恒定，并且使所述碳酸盐岩缝洞钻井轨迹远离所述碳酸盐岩缝洞。

9.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，所述使所述碳酸盐岩缝洞钻井轨迹远离所述碳酸盐岩缝洞包括：

根据弯螺杆的造斜能力上抬预定距离后，再沿与所述得到的碳酸盐岩缝洞钻井轨迹平行的轨迹钻进。

10.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，所述工程参数包括钻头扭矩、钻速、井底压力以及出入口流量中的至少一者。