CN106761685A - 利用工具面角识别井眼轨迹模式的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用工具面角识别井眼轨迹模式的方法，所述方法包括以下步骤：厘定工具面角对于造斜工具和井眼轨迹的几何意义和物理意义，提出按井眼轨迹定义工具面角的新方法；基于所述工具面角的新定义，构造各种井眼轨迹模型的工具面角计算方法；基于所述工具面角的计算方法，通过对比所述工具面角的计算值与实测值，建立井眼轨迹模式的识别方法，从而识别井眼轨迹模式。本发明弥补了井眼轨迹模式选择的无据可依缺陷，能提高井眼轨迹监测与控制的精度及可靠性；实施本发明只需利用现有的随钻测量数据，不需要改变现有的钻井工艺及工具仪器，方法简洁、便于应用。

Description

利用工具面角识别井眼轨迹模式的方法

技术领域

本发明涉及油气钻探领域，具体说涉及一种利用工具面角识别井眼轨迹模式的方法。

背景技术

在进行油气钻探时，不同导向钻井方式所钻出的井眼轨迹形态也不同。目前，主要的导向钻井方式有：滑动导向、旋转导向、复合导向等3种，而井眼轨迹模型则有10余种。为准确监测和控制井眼轨迹，首先必须根据实际情况识别井眼轨迹模式。

但是，在现有技术中，还没有井眼轨迹模式的识别方法，只能根据不同的导向钻井方式选用相对合理的井眼轨迹模式。到目前为止，尽管得到了一些关于导向钻井方式与井眼轨迹模式之间关系的研究结果，但是在理论上还不能严格证明不同导向钻井方式具体符合哪种井眼轨迹模式。这就导致井眼轨迹模式选择的科学性存在缺陷，严重影响井眼轨迹监测与控制的精度及可靠性。

因此，为了提高井眼轨迹监测与控制的精度及可靠性，亟需一种井眼轨迹模式的识别方法。

发明内容

针对上述存在的技术问题，本发明提供了一种利用工具面角识别井眼轨迹模式的方法，所述方法包括以下步骤：

厘定工具面角对于造斜工具和井眼轨迹的几何意义和物理意义，提出按井眼轨迹定义工具面角的新方法；

基于所述工具面角的新定义，构造各种井眼轨迹模型的工具面角计算方法；

基于所述工具面角的计算方法，通过对比所述工具面角的计算值与实测值，建立井眼轨迹模式的识别方法，从而识别井眼轨迹模式。

根据本发明一实施例，在所述工具面角新定义中，所述工具面角是所述井眼轨迹的主法线方向与所述井眼高边方向之间的夹角，也是造斜工具的定向方向线与井眼高边方向之间的夹角。

根据本发明一实施例，在所述工具面角新定义中，所述工具面角仅与所述井眼轨迹的主法线方向与井眼高边方向有关，而与所述井眼轨迹的具体形态无关。

根据本发明一实施例，根据所述井眼轨迹的实测数据，基于所述工具面角的计算方法，能得到各种井眼轨迹模型条件下工具面角的计算值，所述井眼轨迹的实测数据包含工具面角的实测值。

根据本发明一实施例，以所述工具面角作为识别与评价所述井眼轨迹模式的指标。

根据本发明一实施例，由多个不同的井眼轨迹模型得到多个不同的工具面角计算值，从中筛选最符合实测值者，它所对应的井眼轨迹模型即为最符合实际情况的所述井眼轨迹模式，所述最符合是所述工具面角的计算值与实测值之间的百分比误差的最小者。

根据本发明一实施例，所述井眼轨迹模型包含空间圆弧模型、圆柱螺线模型、自然曲线模型和恒工具面模型。

与现有技术相比，本发明弥补了井眼轨迹模式选择的无据可依缺陷，可提高井眼轨迹监测与控制的精度及可靠性；实施本发明的方法只需利用现有的随钻测量数据，而不需要改变现有的钻井工艺及工具仪器，方法简洁、便于应用。

本发明的其它特征或优点将在随后的说明书中阐述。并且，本发明的部分特征或优点将通过说明书而变得显而易见，或者通过实施本发明而被了解。本发明的目的和部分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步骤来实现或获得。

附图说明

附图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，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明的技术方法流程图；

图2是现有技术中工具面角定义示意图；

图3是基于空间圆弧轨迹的工具面角示意图；

图4是本发明的工具面角定义及其几何意义和物理意义示意图。

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，借此本发明的实施人员可以充分理解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并依据上述实现过程具体实施本发明。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。

在现有技术中，还没有井眼轨迹模式的识别方法，只能根据不同的导向钻井方式选用相对合理的井眼轨迹模式。到目前为止，尽管得到了一些关于导向钻井方式与井眼轨迹模式之间关系的研究结果，但是在理论上还不能严格证明不同导向钻井方式具体符合哪种井眼轨迹模式。这就导致井眼轨迹模式选择的科学性存在缺陷。

为了正确识别井眼轨迹模式，本发明提出了一种井眼轨迹模式的识别方法。如何建立评价指标是模式识别的核心和关键问题，本发明提出采用工具面角作为井眼轨迹模式的识别与评价指标，突破并解决了三个问题：(1)突破了现有技术基于造斜工具来定义工具面角的局限，提出了井眼轨迹的工具面角定义，并揭示了二者之间的相关性；(2)突破了现有技术中工具面角仅适用于空间圆弧模型的局限，使工具面角普遍适用于各种井眼轨道模型；(3)建立了各种井眼轨道模型条件下工具面角的计算方法。基于上述三项创造性成果，建立了识别井眼轨迹模式的统一评价指标——工具面角，使得井眼轨迹的模式识别有据可依。

与现有技术相比，本发明弥补了井眼轨迹模式选择的无据可依缺陷，可提高井眼轨迹监测与控制的精度及可靠性；实施本发明的方法只需利用现有的随钻测量数据，不需要改变现有的钻井工艺及工具仪器，方法简洁、便于应用。

具体的，在实际钻进过程中，利用随钻测量(MWD)等仪器可测得实钻轨迹的井深、井斜角、方位角和工具面角等数据，从而得到一系列测点的测斜数据。由于本发明建立了各种井眼轨道模型条件下工具面角的计算方法，所以对于相邻的两个测点，根据测斜数据可计算出各种井眼轨道模型的工具面角。由于各测点处的工具面角有实测值，所以通过对比工具面角的计算值和实测值，可以评价出哪种井眼轨道模型最符合实际情况，从而筛选出最优的井眼轨道模型。如图1所示。

接下来基于附图来详细描述本发明一实施例的具体实施过程，附图的流程图中示出的步骤可以在包含诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。虽然在流程图中示出了各步骤的逻辑顺序，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。

步骤S1：定义井眼轨迹的工具面角

在现有技术中，过井底点P垂直于井眼方向线的平面称为井底平面，过井眼方向线的铅垂平面称为井斜平面，而造斜工具所在的平面称为工具面，所述井眼方向线指向井眼轨迹的切线方向。如图2所示。井底平面垂直于井斜平面和工具面。自井斜平面起算，绕井眼方向线顺时针转至工具面所形成的角度ω，称为工具面角ω，也称高边工具面角或装置角。现有技术是基于造斜工具(以粗实线代表)来定义工具面角ω，且主要用于滑动导向钻井的空间圆弧模型。如图3所示。空间圆弧模型假设井眼轨迹为一段圆弧线AB，且位于空间斜平面Ω内。此时，对于井眼轨迹上任一点P，可以找到井眼轨迹的切线方向、主法线方向和井眼高边方向，它们分别用单位向量t、n和h表示。这样，对于空间圆弧模型条件下的井眼轨迹来说，工具面角就是主法线向量n与井眼高边向量h之间的夹角。然而，对于其它的井眼轨迹模型，由于井眼轨迹都假设为三维曲线，而不是平面曲线，所以井眼轨迹不位于某个平面内，此时图3所示的几何关系不再适用。

基于上述分析可知，现有技术中的工具面角定义仅适用于井眼轨迹的空间圆弧模型，不适用于其它的井眼轨迹模型。而空间圆弧模型只是滑动导向钻井条件下的井眼轨迹模式之一，因此现有技术中的工具面角仅部分适用于滑动导向钻井方式，不适用于旋转导向、复合导向等其它钻井方式。为解决这个问题，本发明首先解析了在空间圆弧模型条件下工具面角对于造斜工具和井眼轨迹的几何意义和物理意义，提出了按井眼轨迹来定义工具面角的方法。然后，将工具面角定义拓展为一个通用概念，使之适用于所有的井眼轨迹模型；最后，通过建立各种井眼轨道模型条件下的工具面角计算模型，形成了井眼轨迹模式的识别方法。

如图1和4所示。在本发明中，首先，选取井眼轨迹上任一点P作为研究对象(S11)，按钻井工程知识可以找到P点的井眼轨迹切线方向t、主法线方向n和井眼高边方向h(S12)。这样，对于空间圆弧模型条件下的井眼轨迹来说，工具面角就是主法线向量n与井眼高边向量h之间的夹角。然后，将图2所示的造斜工具放置到图4所示的井眼轨迹上，使两图中的P点相重合，此时两图中沿井眼轨迹井眼高边方向和切线方向的单位向量h和t也分别重合。在图2中，井眼高边方向的单位向量h为井底平面与井斜平面的交线，且指向增井斜方向；为表征工具面的姿态，引入单位向量n_b，它是井底平面与工具面的交线，其方向为从井眼中心P点指向钻头的方向，也称为定向方向线。

对于造斜工具来说，工具造斜率体现了工具造斜能力，工具面角表征了造斜工具的摆放姿态。从定向造斜的作用结果来看，工具造斜率决定了井眼曲率，而工具面角决定了井眼轨道的弯曲方向。因此，造斜工具的定向方向n_b决定了井眼轨道的主法线方向n，即单位向量n_b与单位向量n应重合。所以，无论从造斜工具还是井眼轨迹的角度来看，工具面角的定义都具有普遍适用性。亦即，对于造斜工具来说，工具面角ω是定向方向线n_b与井眼高边h之间的夹角；对于井眼轨迹来说，工具面角ω是主法线方向n与井眼高边h之间的夹角(S13)。

因此，本发明提出了基于井眼轨迹来定义工具面角的新方法，该方法定义的工具面角仅与井眼轨迹的主法线方向和井眼高边方向有关，而与井眼轨迹的具体形态无关，所以这种工具面角的新定义适用于所有的井眼轨迹模型及导向钻井方式。

步骤S2：构建工具面角的求取方法

在现有技术中，只有适用于空间圆弧模型的初始工具面角(即上测点处的工具面角)计算方法。本实施例将构建普遍适用的工具面角求取方法，不仅适用于空间圆弧模型也适用于其它井眼轨迹模型，而且可计算下测点处的工具面角。

在实际钻进过程中，利用随钻测量(MWD)等仪器可测得实钻轨迹上一系列测点的井斜角、方位角和工具面角等数据。对于实钻轨迹上的两个相邻测点(A点和B点)，所对应的测斜数据分别为(L_A,α_A,φ_A)和(L_B,α_B,φ_B)。其中，L为井深，单位m；α为井斜角，单位(°)；φ为方位角，单位(°)。

根据本发明的工具面角新定义，应用钻井工程和微分几何理论，可得到各种井眼轨迹模型条件下测点处工具面角的求取方法：

①空间圆弧模型(S21)

其中

cosε_AB＝cosα_A cosα_B+sinα_A sinα_B cos(φ_B-φ_A) (3)

式中：κ为井眼曲率，单位(°)/m；ω为工具面角，单位(°)；ε为弯曲角，单位(°)。

②圆柱螺线模型(S22)

其中

式中：κ_v和κ_h分别为井眼轨迹在垂直剖面图和水平投影图上的曲率，单位均为(°)/m。

③自然曲线模型(S23)

其中

式中：κ_α和κ_φ分别为井斜变化率和方位变化率，单位均为(°)/m。

④恒工具面模型(S24)

恒工具面模型的工具面角ω保持为常数，即不随井深变化。

在上述公式中，求取工具面角涉及反正切函数。反正切函数的值域为(-90°，90°)，而工具面角的取值范围为[0°，360°)。为解决二者的值域相容性问题，应采用如下处理方法：

式中：x和y分别代表工具面角计算公式中的分母和分子；sgn为符号函数。

需要说明的是：当井眼曲率κ＝0或井斜角α＝0时，工具面角ω不存在。

步骤S3：识别井眼轨迹模式

识别井眼轨迹模式包括以下步骤：在步骤S31中，首先获取井眼轨迹的测斜数据，包括各测点的井深L、井斜角α和方位角φ等参数的实测值；在步骤S32中，根据步骤S31获取井眼轨迹的测斜数据，按步骤S2中所述的工具面角求取方法，计算出各种井眼轨道模型的工具面角ω_算，所述井眼轨迹模型包含空间圆弧模型、圆柱螺线模型、自然曲线模型和恒工具面模型；然后执行步骤S33，从测斜数据中提取工具面角的实测值ω_测；接着执行步骤S34，求取各种井眼轨道模型的工具面角计算值ω_算与工具面角实测值ω_测之间的百分比误差e，具体方法为

最后，执行步骤S35，对比各种井眼轨迹模型的百分比误差，其百分比误差e最小者即为最符合实际情况的井眼轨迹模型。由于每种井眼轨迹模型都表征了具体的井眼轨迹模式，所以据此能筛选和识别出最符合实际情况的井眼轨迹模式。

本发明不改变现有的钻井工艺及工具仪器，只需利用现有的随钻测量数据即可实施，方法简洁、便于应用。

接下来基于一具体应用实例来描述本发明的实施过程。

在某水平井钻井施工过程中，当前井深L_A＝2680m、井斜角α_A＝40°、方位角φ_A＝60°。采用旋转导向钻井工艺，继续钻进至井深L_B＝2695m，利用MWD仪器测得：井斜角α_B＝45°、方位角φ_B＝65°、工具面角ω_测＝35°。

根据本发明的技术方案，首先计算工具面角计算值：

(1)空间圆弧模型：

由式(2)和式(3)算得，弯曲角ε_AB＝6.0310°，初始工具面角ω_A＝35.9134°。由式(1)算得，下测点处的工具面角ω_算＝32.2224°。

(2)圆柱螺线模型

由式(5)和式(6)算得，垂直剖面图上的曲率κ_v＝0.3333°/m，水平投影图上的曲率κ_h＝0.4936°/m。由式(4)算得，下测点处的工具面角ω_算＝36.5136°。

(3)自然曲线模型

由式(8)和式(9)算得，井斜变化率κ_α＝0.3333°/m，方位变化率κ_φ＝0.3333°/m。由式(7)算得，下测点处的工具面角ω_算＝35.2644°

(4)恒工具面模型

由式(10)算得，工具面角ω_算＝34.0140°。

进而，根据工具面角的实测值ω_测＝35°和各井眼轨迹模型的计算值ω_算，由式(12)算得空间圆弧模型、圆柱螺线模型、自然曲线模型和恒工具面模型的百分比误差e分别为：7.94％、4.32％、0.76％和2.82％。结果表明：在本实施例中，自然曲线模型的误差最小，因此实钻轨迹最符合自然曲线模式。

本发明提出了适用于各种井眼轨迹模型的工具面角通用算法，据此通过对比工具面角的计算值和实测值，发明了用于识别和评价井眼轨迹模型的方法。因此，利用本发明可先识别出实钻轨迹所符合的井眼轨迹模型，然后再根据该井眼轨迹模型来监测和控制井眼轨迹，使井眼轨迹模型的选用有据可依，从而可提高井眼轨迹监测和控制的精度及可靠性。本发明不改变现有的钻井工艺及工具仪器，只需利用现有的随钻测量数据即可实施，方法简洁、便于应用。

虽然本发明所公开的实施方式如上，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。本发明所述的方法还可有其他多种实施例。在不背离本发明实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变或变形，但这些相应的改变或变形都应属于本发明的权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种利用工具面角识别井眼轨迹模式的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

厘定工具面角对于造斜工具和井眼轨迹的几何意义和物理意义，提出按井眼轨迹定义工具面角的新方法；

基于所述工具面角的新定义，构造各种井眼轨迹模型的工具面角计算方法；

基于所述工具面角的计算方法，通过对比所述工具面角的计算值与实测值，建立井眼轨迹模式的识别方法，从而识别井眼轨迹模式。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述工具面角新定义中，所述工具面角是所述井眼轨迹的主法线方向与所述井眼高边方向之间的夹角，也是造斜工具的定向方向线与井眼高边方向之间的夹角。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述工具面角新定义中，所述工具面角仅与所述井眼轨迹的主法线方向与井眼高边方向有关，而与所述井眼轨迹的具体形态无关。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述井眼轨迹的实测数据，基于所述工具面角的计算方法，能得到各种井眼轨迹模型条件下工具面角的计算值，所述井眼轨迹的实测数据包含工具面角的实测值。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，以所述工具面角作为识别与评价所述井眼轨迹模式的指标。

6.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，由多个不同的井眼轨迹模型得到多个不同的工具面角计算值，从中筛选最符合实测值者，它所对应的井眼轨迹模型即为最符合实际情况的所述井眼轨迹模式，所述最符合是所述工具面角的计算值与实测值之间的百分比误差的最小者。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的方法，其特征在于，所述井眼轨迹模型包含空间圆弧模型、圆柱螺线模型、自然曲线模型和恒工具面模型。