CN108571287B - 基于过程控制的井眼轨迹控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于过程控制的井眼轨迹控制系统，由井眼轨迹设计、导向工具特性设计、井眼轨迹监测、导向工具特性监测、导向工具特性曲线绘制、导向工具特性评价、井眼轨迹评价和导向工具特性调整等8个单元构成。通过揭示导向工具的定向造斜特性与井眼轨迹的空间挠曲形态之间的相互作用及约束关系，形成了基于导向工具的定向造斜特性来控制井眼轨迹的技术方法；提供了导向工具的定向造斜特性曲线的绘制方法，便于随钻监测和评价导向工具的实际定向造斜特性，实现了井眼轨迹过程控制的有形化和可视化。本发明适用于各种导向钻井方式及井眼轨迹模型，可用于各种复杂结构井的设计与施工。

Description

基于过程控制的井眼轨迹控制系统

技术领域

本发明涉及石油钻井中的井眼轨迹控制，具体而言，涉及基于过程控制的井眼轨迹控制系统。

背景技术

目前，普遍使用井眼轨迹的垂直投影图、水平投影图、三维轨迹图等监测井眼轨迹，以对比分析实际井眼轨迹与设计井眼轨迹的符合情况。然而，井眼轨迹控制的目标是控制井眼轨迹的井斜角、方位角及其变化规律，其技术途径是控制导向工具的定向造斜特性。因此，现有技术只专注于对井眼轨迹的井斜角、方位角等参数的控制，缺少对导向工具的定向造斜特性的监测和控制，致使技术手段与控制目标之间相脱节。此外，现有技术主要适用于滑动导向钻井及空间圆弧模型，对于旋转导向钻井等其它导向钻井方式及井眼轨迹模型有局限性。

因此，亟需解决井眼轨迹的过程控制问题，建立导向工具定向造斜特性的监测和控制系统，从而提供有效控制井眼轨迹的技术手段。

发明内容

本发明为解决上述技术问题，提供了一种基于过程控制的井眼轨迹控制系统其特征在于，该系统包括以下单元：

井眼轨迹设计单元，其用于根据地质和工程要求设计井眼轨迹，得到井眼轨迹的设计结果，其中所述设计结果包括井深、井斜角、方位角等参数；

工具特性设计单元，其用于根据所述井眼轨迹的设计结果，设计导向工具的定向造斜特性参数，其中所述定向造斜特性参数包括工具造斜率和工具面角；

井眼轨迹监测单元，其用于利用随钻测量仪器获取实际井眼轨迹的测斜数据，其中所述测斜数据包括井深、井斜角、方位角和工具面角，并按选取的测斜计算方法计算出实际井眼轨迹的井斜变化率、方位变化率等参数；

工具特性监测单元，其用于根据所述实际井眼轨迹数据计算导向工具的实际造斜率和工具面角；

工具特性曲线绘制单元，其用于根据所述导向工具定向造斜特性的设计值和实际值，在同一幅图上绘制导向工具定向造斜特性的设计曲线和实际曲线；

工具特性评价单元，其用于对比和评价导向工具定向造斜特性的实际值与设计值的偏差程度，当二者偏差较小时(在工程允许误差范围内)继续钻进，当二者偏差较大时执行调整工具特性单元；

井眼轨迹评价单元，其用于对比和评价实际井眼轨迹与设计井眼轨迹的偏差程度，当二者偏差较小时继续钻进，当二者偏差较大时执行调整工具特性单元；

调整工具特性单元，其用于调整导向工具的造斜率、工具面角等定向造斜特性，以补偿导向工具定向造斜特性的实际值与设计值之间偏差对井眼轨迹的影响。

在一个实施例中，根据本发明的基于过程控制的井眼轨迹控制系统，基于导向工具定向造斜特性和井眼轨迹参数等两方面因素，来监测和评价实际值与设计值的符合情况。当实际值与设计值超出工程允许误差范围或者预设值时，则调整导向工具的定向造斜特性，否则继续进行钻井作业。

在一个实施例中，根据本发明的基于过程控制的井眼轨迹控制系统，对于导向工具的定向造斜特性，提供了设计值和实际值等两套求取方法，其中设计值基于设计井眼轨迹来求取，实际值基于实际井眼轨迹来求取。由于不同井眼轨迹模型的特征不同，而且设计井眼轨迹和实际井眼轨迹的已知数据不同，所以导向工具定向造斜特性的设计值和实际值的求取方法也不同，其中所述井眼轨迹模型包括空间圆弧模型、自然曲线模型、圆柱螺线模型。

根据本发明的一个实施例，在井眼轨迹设计单元中，根据设计井眼轨迹的不同特征按不同计算公式获得井眼轨迹参数：

对于空间圆弧模型，特征参数为井眼曲率κ^P和初始工具面角ω_A ^P，主要井眼轨迹参数的求取方法为：

cosα^P＝cosα_A ^Pcosε-sinα_A ^Pcosω_A ^Psinε

其中

式中，L为井深，米；α为井斜角，度；ω为工具面角，度；κ为井眼曲率，度/30米；κ_α为井斜变化率，度/30米；κ_φ为方位变化率，度/30米；ε为弯曲角，度；下标“A”表示井段始点；上标“P”表示设计参数；

对于自然曲线模型，特征参数为井斜变化率和方位变化率井斜角的求取方法为：

α^P＝α_A ^P+κ_α ^P(L^P-L_A ^P)

对于圆柱螺线模型，特征参数为垂直剖面图上的曲率κ_v ^P和水平投影图上的曲率κ_h ^P，主要井眼轨迹参数的求取方法为：

α^P＝α_A ^P+κ_v ^P(L^P-L_A ^P)

κ_α ^P＝κ_v ^P

κ_φ ^P＝κ_h ^Psinα^P

式中，κ_v为井眼轨迹在垂直剖面图上的曲率，度/30米；κ_h为井眼轨迹在水平投影图上的曲率，度/30米。

根据本发明的一个实施例，在工具特性设计单元中，按设计井眼轨迹来设计导向工具的定向造斜特性：

式中，κ为导向工具的造斜率，度/30米；ω为导向工具的工具面角，度。

根据本发明的一个实施例，在井眼轨迹监测单元中，根据实际井眼轨迹的不同特征按不同计算公式获得实际井眼轨迹的特征参数：

对于自然曲线模型：

对于圆柱螺线模型：

式中，φ为方位角，度；下标“B”表示井段终点；上标“D”表示实际参数。

根据本发明的一个实施例，在工具特性监测单元中，根据实际井眼轨迹的不同特征按不同计算公式获得导向工具的实际造斜率：

对于空间圆弧模型：

其中

cosε_AB＝cosα_A ^Dcosα_B ^D+sinα_A ^Dsinα_B ^Dcos(φ_B ^D-φ_A ^D)

对于自然曲线模型：

对于圆柱螺线模型：

根据本发明的一个实施例，在工具特性曲线绘制单元中，在极坐标系下，以导向工具的造斜率κ为矢径、工具面角ω为极角，绘制导向工具的定向造斜特性曲线，即κ～ω曲线。在直角坐标系下，其横坐标轴为κ_φsinα、纵坐标轴为κ_α。这样，通过在同一幅图上绘制导向工具定向造斜特性的设计曲线和实际曲线，就可以随钻监测和评价导向工具定向造斜特性的实际值与设计值的符合情况。

本发明的有益之处在于，建立了基于过程控制的井眼轨迹控制系统，通过监测和控制导向工具的定向造斜特性，提供了有效控制井眼轨迹的技术手段。控制系统适用于各种导向钻井方式和井眼轨迹模型，所述导向钻井方式包括滑动导向钻井、旋转导向钻井和复合导向钻井，所述井眼轨迹模型包括但不限于空间圆弧模型、自然曲线模型、圆柱螺线模型等。本发明研究揭示了导向工具的定向造斜特性与井眼轨迹的空间挠曲形态之间的相互作用及约束关系，从而可根据导向工具的定向造斜特性来控制井眼轨迹；通过建立导向工具的定向造斜特性曲线，形成了简洁实用的井眼轨迹过程控制方法，使井眼轨迹控制的技术手段有形化和可视化。

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

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为本发明的井眼轨迹控制系统结构框图；

图2为本发明的导向工具的定向造斜特性曲线的绘制原理图；

图3为本发明实施例的导向工具的定向造斜特性曲线图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图对本发明实施例作进一步地详细说明。参见图1。

要实现井眼轨迹控制，首先应根据地质和工程要求设计井眼轨迹，得到井眼轨迹的设计结果。如图1所示，本发明的系统包括井眼轨迹设计单元，其用于根据地质和工程要求设计井眼轨迹，得到井眼轨迹参数的设计值，其中所述井眼轨迹参数包括井深、井斜角、方位角等参数。

不同的井眼轨迹模型具有不同的特征参数，根据所述特征参数可确定设计井眼轨迹上任一井深L处的井斜角、井斜变化率、方位变化率等井眼轨迹参数。本发明不限制具体的井眼轨迹模型，其中对于井眼轨迹的空间圆弧模型、自然曲线模型、圆柱螺线模型，所述特征参数及井眼轨迹参数为：

对于空间圆弧模型，其特征参数为井眼曲率κ^P和初始工具面角ω_A ^P，按如下方法求取主要的井眼轨迹参数：

cosα^P＝cosα_A ^Pcosε-sinα_A ^Pcosω_A ^Psinε (1)

其中

式中，L为井深，m；α为井斜角，(°)；ω为工具面角，(°)；κ为井眼曲率，(°)/30m；κ_α为井斜变化率，(°)/30m；κ_φ为方位变化率，(°)/30m；ε为弯曲角，(°)；下标“A”表示井段始点；上标“P”表示设计参数。

对于自然曲线模型，其特征参数为井斜变化率和方位变化率按如下方法求取井斜角：

α^P＝α_A ^P+κ_α ^P(L^P-L_A ^P) (4)

对于圆柱螺线模型，其特征参数为垂直剖面图上的曲率κ_v ^P和水平投影图上的曲率κ_h ^P，按如下方法求取主要的井眼轨迹参数：

α^P＝α_A ^P+κ_v ^P(L^P-L_A ^P) (5)

κ_α ^P＝κ_v ^P (6)

κ_φ ^P＝κ_h ^Psinα^P (7)

式中，κ_v为井眼轨迹在垂直剖面图上的曲率，(°)/30m；κ_h为井眼轨迹在水平投影图上的曲率，(°)/30m。

如图1所示，本发明的系统还包括工具特性设计单元，其用于根据设计井眼轨迹来设计导向工具的定向造斜特性参数，其中定向造斜特性参数包括工具造斜率和工具面角。

在导向钻井过程中，导向工具控制钻头破碎岩石形成井眼轨迹。一方面，导向工具的造斜能力体现为井眼轨迹的井眼曲率，所以工具造斜率与井眼曲率的数值相等。另一方面，导向工具在井眼前进方向和定向方向上施加钻压和侧向力，迫使钻头在井眼轨迹的切线方向和主法线方向上产生位移，所以导向工具的定向方向与井眼轨迹的主法线方向一致。因此，导向工具的定向造斜特性与井眼轨迹的空间挠曲形态之间的相互作用及约束关系为：

式中，κ为导向工具的造斜率，(°)/30m；ω为导向工具的工具面角，(°)。

这样，根据设计井眼轨迹的井斜角α^P、井斜变化率方位变化率便可确定导向工具的设计造斜率κ^P和工具面角ω^P。

本发明的系统包括井眼轨迹监测单元，其用于利用随钻测量仪器获取实际井眼轨迹的测斜数据，其中测斜数据包括井深、井斜角、方位角和工具面角，并按选取的测斜计算方法计算出实际井眼轨迹的井斜变化率、方位变化率等参数。

在实际导向钻井过程中，利用MWD等随钻测量仪器能获取井眼轨迹的井深、井斜角、方位角等测斜数据。根据测斜数据，用以下方法计算自然曲线模型和圆柱螺线模型的井眼轨迹特征参数：

对于自然曲线模型：

对于圆柱螺线模型：

式中，φ为方位角，(°)；下标“B”表示井段终点；上标“D”表示实际参数。

工具特性监测单元用于根据实际井眼轨迹数据来计算导向工具的实际造斜率和工具面角。导向工具的实际工具面角ω^D可由MWD等随钻测量仪器测得，而导向工具的实际造斜率可用以下方法求得：

对于空间圆弧模型：

其中

cosε_AB＝cosα_A ^Dcosα_B ^D+sinα_A ^Dsinα_B ^Dcos(φ_B ^D-φ_A ^D)

对于自然曲线模型：

对于圆柱螺线模型：

工具特性曲线绘制单元用于根据导向工具定向造斜特性的设计值和实际值，在同一幅图上绘制导向工具定向造斜特性的设计曲线和实际曲线。

如图2所示，在极坐标系下，将导向工具的造斜率κ和工具面角ω分别作为矢径和极角进行绘图，便可得到导向工具的定向造斜特性曲线，即κ～ω曲线。通常，首先将由井眼轨迹设计单元和工具特性设计单元所设计的定向造斜特性曲线绘制出来。然后，在导向钻井过程中，再将实际的定向造斜特性也绘制在同一张图上，便可随钻监测实际定向造斜特性与设计定向造斜特性的符合情况。

由式(8)和式(14)可以看出，若在极点处建立一个直角坐标系，则其横坐标轴和纵坐标轴分别为κ_φsinα和κ_α，从而揭示了导向工具的定向造斜特性与井眼轨迹的空间挠曲形态之间的几何关系。

本发明的系统包括工具特性评价单元和井眼轨迹评价单元等两个评价单元，其中工具特性评价单元用于对比和评价导向工具定向造斜特性的实际值与设计值的偏差程度，井眼轨迹评价单元用于对比和评价实际井眼轨迹与设计井眼轨迹的偏差程度。

如图1所示，本发明还包括调整工具特性单元。在执行评价单元S106和/或S107时，只有当导向工具定向造斜特性和井眼轨迹参数的实际值与设计值的偏差都在工程允许误差范围内时，才无需调整导向工具的工具造斜率和/或工具面角，而继续钻进作业；当二者或二者之一的实际值与设计值的偏差超出工程允许误差范围时，都需要执行调整工具特性单元，来调整导向工具的工具造斜率和/或工具面角。

以上方法可采用计算机程序进行实施，其控制系统的构成和流程图见图1。

下面结合实施例进一步描述本发明。本发明的范围不受实施例的限制，本发明的范围由权利要求书来限定。

假设某井段起始点A的井斜角α_A＝35°、方位角φ_A＝60°，要求继续钻进ΔL_AB＝60m后，井斜角α_B＝55°、方位角φ_B＝84°。若采用旋转导向钻井方式和井眼轨迹的自然曲线模型，则设计井眼轨迹的井斜变化率κ_α ^P＝10°/30m、方位变化率κ_φ ^P＝12°/30m。

在根据本发明技术方案的井眼轨迹设计单元中，取步长为10m计算井眼轨迹的分点参数，其计算结果见表1。在根据本发明技术方案的工具特性设计单元中，可算得导向工具的设计造斜率和工具面角，其计算结果见表2。

在导向钻进过程中，假设实际井眼轨迹的测斜数据如表1所示，根据本发明技术方案的井眼轨迹监测单元和工具特性监测单元中，可算得导向工具的设计造斜率κ^P、设计工具面角ω^P和实际造斜率κ^D，其计算结果见表2，其中表2中导向工具的实际工具面角ω^D由随钻测量仪器测得。

进而，根据本发明技术方案的工具特性曲线绘制单元中，可绘制出导向工具的定向造斜特性曲线，见图3。结果表明：本实施例的导向工具的实际定向造斜特性和实际井眼轨迹参数都控制得很好，无需调整导向工具的定向造斜特性。

表1实施例的井眼轨迹数据

表2实施例的导向工具特性

应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构、处理步骤或材料，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。

说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。

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。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开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 (7)

1.一种基于过程控制的井眼轨迹控制系统，其特征在于，所述系统包括以下单元：

井眼轨迹设计单元，其用于根据地质和工程要求设计井眼轨迹，得到井眼轨迹的设计结果，其中所述设计结果包括井深、井斜角、方位角；

工具特性设计单元，其用于根据所述井眼轨迹的设计结果，设计导向工具的定向造斜特性参数，其中所述定向造斜特性参数包括工具造斜率和工具面角；

井眼轨迹监测单元，其用于利用随钻测量仪器获取实际井眼轨迹的测斜数据，其中所述测斜数据包括井深、井斜角、方位角和工具面角，并按选取的测斜计算方法计算出实际井眼轨迹的井斜变化率、方位变化率；

工具特性监测单元，其用于根据所述实际井眼轨迹数据计算导向工具的实际造斜率和工具面角；

工具特性曲线绘制单元，其用于根据所述导向工具定向造斜特性的设计值和实际值，在同一幅图上绘制导向工具定向造斜特性的设计曲线和实际曲线；

工具特性评价单元，其用于对比和评价导向工具定向造斜特性的实际值与设计值的偏差程度，当二者偏差在工程允许误差范围内时继续钻进，当二者偏差超过工程允许误差范围时执行调整工具特性单元；

井眼轨迹评价单元，其用于对比和评价实际井眼轨迹与设计井眼轨迹的偏差程度，当二者偏差较小时继续钻进，当二者偏差较大时执行调整工具特性单元；

调整工具特性单元，其用于调整导向工具的造斜率、工具面角定向造斜特性，以补偿导向工具定向造斜特性的实际值与设计值之间偏差对井眼轨迹的影响。

2.如权利要求1所述的基于过程控制的井眼轨迹控制系统，其特征在于，在井眼轨迹设计单元中，根据设计井眼轨迹的不同特征按不同计算公式获得井眼轨迹参数：

对于空间圆弧模型，特征参数为井眼曲率κ^P和初始工具面角ω_A ^P，主要井眼轨迹参数的求取方法为：

cosα^P＝cosα_A ^Pcosε-sinα_A ^Pcosω_A ^Psinε

其中

式中，L为井深，米；α为井斜角，度；ω为工具面角，度；κ为井眼曲率，度/30米；κ_α为井斜变化率，度/30米；κ_φ为方位变化率，度/30米；ε为弯曲角，度；下标“A”表示井段始点；上标“P”表示设计参数；

对于自然曲线模型，特征参数为井斜变化率κ_α ^P和方位变化率井斜角的求取方法为：

α^P＝α_A ^P+κ_α ^P(L^P-L_A ^P)

对于圆柱螺线模型，特征参数为垂直剖面图上的曲率κ_v ^P和水平投影图上的曲率κ_h ^P，主要井眼轨迹参数的求取方法为：

α^P＝α_A ^P+κ_v ^P(L^P-L_A ^P)

κ_α ^P＝κ_v ^P

κ_φ ^P＝κ_h ^Psinα^P

式中，κ_v为井眼轨迹在垂直剖面图上的曲率，度/30米；κ_h为井眼轨迹在水平投影图上的曲率，度/30米。

3.如权利要求1所述的基于过程控制的井眼轨迹控制系统，其特征在于，在工具特性设计单元中，按设计井眼轨迹来设计导向工具的定向造斜特性：

式中，α为井斜角，度；κ为导向工具的造斜率，度/30米；ω为导向工具的工具面角，度；κ_α为井斜变化率，度/30米；κ_φ为方位变化率，度/30米；上标“P”表示设计参数。

4.如权利要求1所述的基于过程控制的井眼轨迹控制系统，其特征在于，在井眼轨迹监测单元中，根据实际井眼轨迹的不同特征按不同计算公式获得实际井眼轨迹的特征参数：

对于自然曲线模型：

对于圆柱螺线模型：

式中，α为井斜角，度；L为井深，米；κ为井眼曲率，度/30米；φ为方位角，度；κ_α为井斜变化率，度/30米；κ_φ为方位变化率，度/30米；κ_v为井眼轨迹在垂直剖面图上的曲率，度/30米；κ_h为井眼轨迹在水平投影图上的曲率，度/30米；下标“B”表示井段终点；上标“D”表示实际参数；下标“A”表示井段始点。

5.如权利要求1所述的基于过程控制的井眼轨迹控制系统，其特征在于，在工具特性监测单元中，根据实际井眼轨迹的不同特征按不同计算公式获得导向工具的实际造斜率：

对于空间圆弧模型：

其中

cosε_AB＝cosα_A ^Dcosα_B ^D+sinα_A ^Dsinα_B ^Dcos(φ_B ^D-φ_A ^D)

对于自然曲线模型：

对于圆柱螺线模型：

式中，α为井斜角，度；L为井深，米；κ为井眼曲率，度/30米；φ为方位角，度；ε为弯曲角，度；κ_α为井斜变化率，度/30米；κ_φ为方位变化率，度/30米；κ_v为井眼轨迹在垂直剖面图上的曲率，度/30米；κ_h为井眼轨迹在水平投影图上的曲率，度/30米；下标“B”表示井段终点；上标“D”表示实际参数；下标“A”表示井段始点。

6.如权利要求1所述的基于过程控制的井眼轨迹控制系统，其特征在于，在工具特性曲线绘制单元中，在极坐标系下，以导向工具的造斜率κ为矢径、工具面角ω为极角，绘制导向工具的定向造斜特性曲线，即κ～ω曲线，在直角坐标系下，其横坐标轴为κ_φsinα、纵坐标轴为κ_α，其中，κ_φ为方位变化率，(°)/30m；α为井斜角，(°)；κ_α为井斜变化率，(°)/30m。

7.如权利要求1～6中任一项所述的基于过程控制的井眼轨迹控制系统，其特征在于，根据井眼轨迹的设计结果和实际情况，按设计井眼轨迹和实际井眼轨迹的具体特征，分别提供了导向工具定向造斜特性的求取方法；通过在同一幅图上绘制导向工具定向造斜特性的设计曲线和实际曲线，可以随钻监测和评价导向工具定向造斜特性的实际值与设计值的符合情况，形成了井眼轨迹的过程控制技术。