CN105587309A - 一种水平井的钻井方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种水平井的钻井方法。该钻井方法包括以下步骤：S1，检测磁偏角值和井眼轨迹偏移值；S2，利用MWD系统消除所述磁偏角值对所述井眼轨迹偏移值信号的影响，得到钻头回归轨迹；S3，根据所述钻头回归轨迹校正钻头钻井方向；S4，利用所述钻头继续钻井。通过消除磁偏角引起的误差和多次矫正钻头钻进方向，实现了钻井轨迹与预定轨迹较好的重合率。

Description

一种水平井的钻井方法

技术领域

本发明涉及石油天然气领域，具体而言，涉及一种水平井的钻井方法。

背景技术

目前，常规超稠油火驱水平井钻井轨迹控制由定向马达(渤海装备中成机械制造分公司，型号)、无磁钻杆(渤海装备中成机械制造分公司，型号无磁承压钻杆)、MWD工具(此处MWD指MeasureWhileDrilling，一种随钻测量井眼轨迹参数的工具)及地面控制系统构成的MWD系统进行实施(比如常见的通用电气公司的GE-MWD系统)。先完钻直井，作为水平井目标靶点，然后进行水平井钻进，但不能钻穿直井筒。在水平井段中部定向钻进过程中，MWD工具导向信号由钻井液脉冲波传递到地面控制装置，由地面操作人员根据实时信号调整定向马达钻进方位与井斜。但是，现有技术未进行磁偏角校正，由于大地磁场变化的影响，MWD工具容易受到磁场变化影响而传递错误信号，导致马达钻进方位与井斜发生偏差，最终导致水平井段偏离设计靶窗，严重情况下造成脱离目标靶点。

基于上述问题，有必要提出一种方法以解决现有中钻井轨迹偏离预定轨迹的问题。

发明内容

本发明旨在提供一种水平井的钻井方法，以解决现有技术中存在的钻井轨迹偏离预定轨迹的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种水平井的钻井方法，该钻井方法包括以下步骤：

S1，检测磁偏角值和井眼轨迹偏移值；

S2，利用MWD系统消除磁偏角值对井眼轨迹偏移值信号的影响，得到钻头回归轨迹；

S3，根据钻头回归轨迹校正钻头钻井方向；

S4，利用钻头继续钻井。

进一步地，在上述步骤S4后，上述钻井方法还包括：步骤S5，待钻头运动至距离靶点50～100m时，重复步骤S1至步骤S4。

进一步地，在上述步骤S5之前重复多次步骤S1到S4。

进一步地，上述步骤S1采用磁偏测量仪检测磁偏角值。

进一步地，上述步骤S1采用陀螺仪检测井眼轨迹偏移情况。

进一步地，上述靶点设置在与水平井匹配的直井中，上述步骤S2包括：

步骤S21，在直井中设置磁源，在水平井中设置钻头和磁场探测装置；

步骤S22，利用井眼轨迹偏移值调整对应水平井预定轨迹上的磁源的磁场强度；

步骤S23，磁场探测装置感应到磁场强度的信号并将该信号传递给MWD系统的MWD工具；

步骤S24，上述MWD工具将磁场强度的信号传递给MWD系统的地面控制系统；

步骤S25，上述地面控制系统利用磁场强度的信号得到钻头回归轨迹。

进一步地，上述步骤S3包括：步骤S31，上述MWD系统的地面控制系统将钻头回归轨迹的信号返回至MWD系统的MWD工具；步骤S32，MWD工具利用钻头回归轨迹的信号调整钻头钻进方向。进一步地，在步骤S5后，上述钻井方法还包括：步骤S6当水平井的末端距离直井8～10m时，停止钻进。

进一步地，上述步骤S5包括：步骤S51，利用步骤S4持续钻井20～50m后重复步骤S1至步骤S4；步骤S52，待钻头运动至距离靶点50～100m时，重复步骤S1至步骤S4。

进一步地，上述钻头的材料为硬质合金。

进一步地，上述钻头表面熔覆一层韧性合金粉末，韧性合金粉末选自碳化钛、氧化铝和氧化钛中的一种或者多种。

应用本发明的技术方案，通过消除磁偏角引起的误差和多次矫正钻头钻进方向，实现了钻井轨迹与预定轨迹较好的重合率。首先，检测磁偏角，保证步骤S1所用的磁偏角为当天检测到的磁偏角；其次，利用MWD系统消除已经变化的磁偏角对当下井眼轨迹偏移值的影响，使得MWD系统发出的信号可以准确地反映当下的井眼轨迹偏移值，从而得出准确的钻头回归轨迹。即通过以上过程最大限度地消除了变化的磁偏角对钻头回归轨迹的影响。而后期的多次重复矫正则进一步的使钻头回归轨迹与预定轨迹重合率更高。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本发明的一种典型实施方式提供的钻井方法的流程示意图；以及

图2示出了根据本发明一种优选实施例提供的对应图1中步骤S2的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明的实施方式，对本发明的实施例中的技术方案进行详细的说明，需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合实施例来详细说明本发明。

正如背景技术部分所介绍的，现有技术中存在在钻井过程中钻井轨迹偏离预定轨迹的问题。为了解决这一问题，在本发明一种典型的实施方式中，提供了一种水平井的钻井方法，图1示出了该钻井方法的流程示意图，该钻井方法包括以下步骤：

S1，检测磁偏角值和井眼轨迹偏移值；

S2，利用MWD和地面控制系统消除磁偏角值对井眼轨迹偏移值的影响，得到钻头回归轨迹；

S3，根据钻头回归轨迹校正钻头钻井方向；

S4，利用钻头继续钻井。

本发明上述的水平井的钻井方法，通过消除磁偏角引起的误差和再次矫正钻头钻进方向，实现了钻井轨迹与预定轨迹较好的重合率。

上述钻井方法，将步骤S1当天的磁偏角数据发送给MWD系统，并且该MWD系统利用该准确的磁偏角调整的井眼轨迹偏移值。磁偏角是磁场强度矢量的水平投影与正北方向之间的夹角，即磁子午线与地理子午线之间的夹角，如果磁场强度矢量的指向偏向正北方向以东称为东偏，偏向正北方向以西称为西偏。而在实际过程中磁北极的位置是在不停的变动，它的轨迹大致为一椭圆形，磁北极平均每天向北移40m。即随着时间的推移，磁偏角与之前的某个时间点的磁偏角的差值会越来越大，而如果不对磁偏角进行调整，MWD系统传递的轨迹偏移值信号是依据之前某个时间点的磁偏角和当下的井眼轨迹偏移值模拟出来的轨迹偏移值信号，故此轨迹偏移值信号不能反映当下轨迹偏移值。

而在本发明中先对待钻井地区测量其当下的磁偏角，优选采用磁偏测量仪检测磁偏角值。相应地调整MWD系统中所用的磁偏角为检测到的当天或最准确的磁偏角，后续过程中MWD系统所用的井眼轨迹偏移值的信号是依据当下的磁偏角和当下的井眼轨迹偏移值模拟出来的，很好的保证了轨迹偏移值信号反映当下轨迹偏移值的准确性。

在本发明一种优选的实施例中，在上述步骤S4后，上述钻井方法还包括：步骤S5，待钻头运动至距离靶点50～100m时，重复步骤S1至步骤S4。在步骤S5中距离靶点50～100m时，重复步骤S1至步骤S4，可以使钻头运动轨迹回归预定轨迹。在钻具下入至水平井的着陆点后开始钻取水平井的水平段，在前期钻取过程中钻头的运动轨迹与预定轨迹重合率较高，但随着时间的推移，由于复杂的地层中夹杂有坚硬的岩石，致使钻头在逐渐偏离预定轨迹，而轨迹一旦发生偏离，随着钻头的继续前进只会使偏离运功轨迹与预计轨迹的偏离距离逐渐增大。

当钻具距离靶点位置50～100m时，钻具的运动轨迹与预计轨迹之间的距离偏离量在5％～10％，此时矫正较为合适，如果偏移量小于5％是矫正，会出现矫枉过正的问题，降低了工作效率；而偏移量大于10％时，则会增大一次矫正的成本。故本发明中在钻头运动至距离靶点50～100m时，重复步骤S1至步骤S4同时兼顾了工作效率、钻井准确度和钻井成本，并且使钻头的运动轨迹回归至预定轨迹。优选地，在步骤S1采用磁偏测量仪检测磁偏角值。因为磁偏角一般并非计算得出，而是通过磁偏测量仪检测得出相应的磁偏角。

为了保证整个钻井过程中钻头运动轨迹的准确性，优选在上述步骤S5之前重复多次步骤S1到S4。

在本发明一种优选的实施例中，上述步骤S1中采用陀螺仪检测井眼轨迹偏移情况。使用陀螺仪可以较为准确的测量出井眼轨迹偏移值。因为陀螺仪是一个质量均匀分布的、具有轴对称形状的刚体，其几何对称轴就是他的自转轴，而陀螺仪的对称轴所指的方向在不受外力影响时，不会改变。故可以在前期先确定陀螺仪与预计轨迹之间的方向差角，利用陀螺仪所指的方向不会改变的特性，可以准确的获得当钻具发生偏离时井眼的轨迹偏移值。

图2示出了本发明又一种优选的实施例中提供的钻井方法的步骤S2的流程示意图，上述靶点设置在与水平井匹配的直井中，上述步骤S2包括：

步骤S21，在直井中设置磁源，在水平井中设置钻头和磁场探测装置；

步骤S22，利用井眼轨迹偏移值调整对应水平井预定轨迹上的磁源的磁场强度；

步骤S23，磁场探测装置感应到磁场强度的信号并将信号传递给MWD系统的MWD工具；

步骤S24，MWD工具将磁场强度的信号传递给MWD系统的地面控制系统；

步骤S25，地面控制系统利用磁场强度的信号得到钻头回归轨迹。

上述步骤中将陀螺仪测量得到的轨迹偏移量准确的转化为钻具的回归轨迹，保证钻头整体的运动轨迹与预定轨迹重合率较高。

首先，在上述步骤S21中在直井中设置磁源，在水平井中设置磁场探测装置，将靶点位置和钻具位置关联起来，通过已知的陀螺仪测量的轨迹偏移量重新定位靶点位置和钻具位置之间的相关性。

然后，在步骤S22中根据井眼轨迹偏移量，通过比较轨迹偏移量点和预计轨迹上的对应点在磁源周围磁场中的不同磁场强度(此处的对应点是指：钻具在同样时间内按照预定轨迹前进到达的空间位置)，使陀螺仪测得的轨迹偏移量转化为磁源中不同点的磁场强度的差异，同时加强磁源周围磁场，放大两点间不同磁场强度的差异值。

之后，在步骤S23中钻具上设置的磁场探测装置感应到步骤S22中两点的磁场强度差异值(即磁场强度信号)，并将此磁场差异值传递给MWD系统的MWD工具。

紧接着，MWD工具将获得的磁场强度差异值转化为电磁波信号传递给MWD系统的地面控制系统。

最后地面控制系统根据接受的磁场强度差异值的电磁波信号准确计算出此时钻具所需要的回归轨迹。

通过上述一系列的步骤，利用磁源、磁场探测装置和MWD系统，依据轨迹偏移量最终计算出钻具所需的回归轨迹，使钻具的整体运动轨迹和预定轨迹重合率更高，与目标靶向位置偏移量更小，为调整钻具钻井方向提供了有力的保证。

为了更好地对钻具回归过程进行监控，优选上述步骤S3包括：步骤S31，MWD系统的地面控制系统将钻头回归轨迹的信号返回至MWD系统的MWD工具；步骤S32，MWD工具利用钻头回归轨迹的信号调整钻头钻进方向。此过程不仅可以为钻具提供回归轨迹还可以对钻具的回归过程起到全程监控作用，而且还能保证钻具最终回归至预定轨迹上的对应点。

首先，地面控制系统将计算出来的回归轨迹转化为电磁波信号，将此信号再反馈至MWD工具。随后MWD工具根据此反馈的电磁波信号利用地面控制系统指示对钻具钻进方向进行调整，使钻具的运动方向回归至预定轨迹。在钻具回归至预定轨迹的过程中，同样可以根据MWD工具和地面控制系统之间传递的信号，判断上述两点磁场强度的差值是否持续减小直至为0，以此推测钻具在回归过程中是否顺利，如遇到两点磁场强度的差值突然保持不变或者甚至变大，则需停止钻进根据前述的方法和数据为钻具设计新的回归路径，使钻具到达预定轨迹上的对应点。

本发明的另一种实施例中，在步骤S5后，上述钻井方法还包括：步骤S6，水平井的末端距离直井8～10m时，停止钻进。此种水平井与直井的布局利于后期采油生产过程中的水平井与直井之间的热传导，提高了水平井后期工作生产率。

在现有技术的水平井与直井的布局中，水平井末端在距离直井末端20m左右就会停止，因为此时并不能很到的把控钻具的轨迹偏移量，如果为了使水平段的末端与直井更靠近而一味的继续钻进，只会使水平井与直井的间距越来越大，反而更不利于后期的采油生产。而在本发明的钻井工艺下，钻井轨迹与预定轨迹的重合率得到了非常好的保证，故本发明可以实现使最终水平井的末端与直井距离8～10m的布局，同时保证水平井末端与直井之间的连接强度，达到一种兼顾后期生产率和安全问题的科学布局。

优选地，上述步骤S5包括：步骤S51利用步骤S4持续钻井20～50m后重复所述步骤S1至步骤S4；步骤S52，待所述钻头运动至距离靶点50～100m时，重复所述步骤S1至步骤S4。此步骤进一步提高了钻井的运动轨迹和预定轨迹之间的重合率。

由于在将钻具下放到水平井的着陆点的过程中，较难控制钻具的方向，故着陆的钻具在一定程度上与预定轨迹的方向会存在一定的偏移量，故在钻井初期，钻具前进20～50m后，会对钻具的进行一次轨迹回归调整，使其轨迹偏移量不至于过大。而在后期的钻进过程中，正如上文提到过的状况，由于复杂的地层中某些部位包含较多坚硬的岩石，而相邻位置的土质又相对疏松，致使钻具在钻进过程中会被改变初始的方向，向相对较软的地层中钻进，从而导致钻井的运动轨迹偏离预定轨迹，需要再次对钻具进行一次轨迹回归调整，减小其轨迹偏移量。通过上述方法进一步提高了钻井的运动轨迹和预定轨迹之间的重合率。

本发明的又一种优选的实施例中，钻头的材料为硬质合金。此方法可以减小因复杂岩石的存在而导致钻具改变钻进方向的概率。由于地层中的环境较为复杂，坚硬的岩石、各种腐蚀性物质，故对现有技术中采用普通钢制得的钻具钻头的伤害较大或者致使钻具改变运动方向，而本发明中的钻头采用的是硬质合金，使其具有更高的硬度高、耐磨、强度和韧性较好、耐热和耐腐蚀等一系列优良性能，特别是高硬度和耐磨性，即使在500℃的时候也不会降低其各方面的物理性能，很大程度上降低了因地层复杂的原因导致钻具偏离预定轨迹。

优选地，钻头表面熔覆一层韧性合金粉末，所述韧性合金粉末选自碳化钛、氧化铝和氧化碳中的一种或者多种。在钻头表面上再涂覆一层韧性合金粉末可以提高钻头的综合力学性能，同样进一步降低了钻具运动轨迹与预定轨迹偏离概率。涂覆韧性合金粉末的钻头提高了其韧性，即提高了钻头在多次转变方向过程中可以准确地转变至预定回归方向，进一步降低了钻具运动轨迹与预定轨迹偏离概率。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种水平井的钻井方法，其特征在于，所述钻井方法包括以下步骤：

S1，检测磁偏角值和井眼轨迹偏移值；

S2，利用MWD系统消除所述磁偏角值对所述井眼轨迹偏移值的影响，得到钻头回归轨迹；

S3，根据所述钻头回归轨迹校正钻头钻井方向；

S4，利用所述钻头继续钻井。

2.根据权利要求1所述的钻井方法，其特征在于，在所述步骤S4后，所述钻井方法还包括：

步骤S5，待所述钻头运动至距离靶点50～100m时，重复所述步骤S1至步骤S4。

3.根据权利要求2所述的钻井方法，其特征在于，在所述步骤S5之前重复多次所述步骤S1到S4。

4.根据权利要求1所述的钻井方法，其特征在于，所述步骤S1采用磁偏测量仪检测所述磁偏角值。

5.根据权利要求1所述的钻井方法，其特征在于，所述步骤S1采用陀螺仪检测所述井眼轨迹偏移情况。

6.根据权利要求2所述的钻井方法，其特征在于，所述靶点设置在与所述水平井匹配的直井中，所述步骤S2包括：

步骤S21，在所述直井中设置磁源，在所述水平井中设置所述钻头和磁场探测装置；

步骤S22，利用所述井眼轨迹偏移值调整对应所述水平井预定轨迹上的所述磁源的磁场强度；

步骤S23，所述磁场探测装置感应到所述磁场强度的信号并将所述信号传递给所述MWD系统的MWD工具；

步骤S24，所述MWD工具将所述磁场强度的信号传递给所述MWD系统的地面控制系统；

步骤S25，所述地面控制系统利用所述磁场强度的信号得到所述钻头回归轨迹。

7.根据权利要求1所述的钻井方法，其特征在于，所述步骤S3包括：

步骤S31，所述MWD系统的地面控制系统将所述钻头回归轨迹的信号返回至所述MWD系统的MWD工具；

步骤S32，所述MWD工具利用所述钻头回归轨迹的信号调整所述钻头钻进方向。

8.根据权利要求6所述的钻井方法，其特征在于，在所述步骤S5后，所述钻井方法还包括：

步骤S6，当所述水平井的末端距离所述直井8～10m时，停止钻进。

9.根据权利要求2所述的钻井方法，其特征在于，所述步骤S5包括：

步骤S51，利用所述步骤S4持续钻井20～50m后重复所述步骤S1至步骤S4；

步骤S52，待所述钻头运动至距离靶点50～100m时，重复所述步骤S1至步骤S4。

10.根据权利要求1至9中任意一种所述的钻井方法，其特征在于，所述钻头的材料为硬质合金。

11.根据权利要求1至9中任意一种所述的钻井方法，其特征在于，所述钻头表面熔覆一层韧性合金粉末，所述韧性合金粉末选自碳化钛、氧化铝和氧化钛中的一种或者多种。