CN109915018B - 一种三维井眼轨迹控制中工具面角的确定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种三维井眼轨迹控制中工具面角的确定方法，属于石油天然气钻井技术领域。本发明的三维井眼轨迹控制中工具面角的确定方法，通过测定井底井斜角和井斜方位角，并计算井底实钻垂深；测量需要待下入的一柱钻杆的长度；确定待钻点的垂深和井斜方位角；在三维定向井段，在稳定的钻压、排量下，测量反扭角数值；计算待钻点垂深与井底实钻垂深之差，最终通过公式I获得实际工具面角；解决了三维井定向中工具面角的确定问题，使之数值准确，具有较强的可操作性，为现场定向工程师和司钻提供支撑，提高钻井效率，节约钻井日费，为顺利施工创造条件。
Description
技术领域
本发明涉及一种三维井眼轨迹控制中工具面角的确定方法，属于石油天然气钻井技术领域。
背景技术
在石油天然气技术领域，为了提高储层的储量动用率，提高单井产量，降低工程成本，采用水平井进行产能建设，取得了较好的实施效果，但在水平井开发过程中井场布置难题，例如，地表沟壑纵横，“塬、梁、峁”很多；河流、道路、林业较多；已钻井密度较大。因此，由原二维定向井、水平井无法满足要求，三维定向井、水平井就显得尤为重要。
工具面角是“螺杆钻具+MWD”常规定向中极为重要的参数，如图1所示，工具面角在在0-90°，属于增斜增方位；在90-180°，属于降斜增方位；在180-270°，属于降斜减方位；在270-360°(或270-0°)属于增斜减方位。在二维定向井、水平井定向过程中，工具面角(有的称为装置角)要么在0°要么在180°，确定比较简单；而三维定向井、水平井不仅井斜变化，而且方位也不断变化，工具面角的确定就是非常重要的一个参数，若现场定向确定不当，会“失之毫厘，谬以千里”，轻者会浪费进尺，重者会无法中靶，钻井造成重大损失。在使用“螺杆钻具+MWD”常规定向中，现场工具面角的确定涉及较多因素，目前还主要依靠司钻和定向工程师的经验，辅之理论计算，工具面角不断调整、试错，耗时较长，井底出现复杂情况的概率会增大，同时降低了钻井效率，增加了成本。
发明内容
本发明的目的是提供一种三维井眼轨迹控制中工具面角的确定方法。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种三维井眼轨迹控制中工具面角的确定方法，包括如下步骤：
(1)在三维定向起始井段，根据二维定向段滑动钻进段测斜数据，确定钻具组合的造斜率K；
(2)根据三维井段的测斜数据，确定井底井斜角α1和井斜方位角Φ1，并计算井底实钻垂深D1；测量需要待下入的一柱钻杆的长度ΔL；根据录井信息确定待钻点的垂深D2和井斜方位角Φ2；在三维定向井段，在稳定的钻压、排量下，测量反扭角数值
计算待钻点垂深与井底实钻垂深之差ΔD＝D2-D1；
(3)按照如下计算公式，确定理论工具面角数值
(4)根据
计算实际工具面角ω值。
在实际的计算过程中，步骤(3)中计算得到的
有两个(如图2所示，一个为319.55°，另一个为220°)，由于该定向段属于减方位钻进，选择319.55°，舍弃220°。
优选的，上述的工具面角的确定方法中，步骤(3)中，如果
满足公式II：
则直接进行步骤(4)计算；如果
不满足公式II，则调整ΔD重新确定
值，直至满足该式。如果
不满足公式II，则会使得计算出的实际值不准确，影响钻井效率。具体的，可以通过调整待钻点的垂深D2来调整ΔD的值，一般情况下降低D2的值，以获得符合要求的
优选的，步骤(1)中根据二维造斜段井深、井斜角和井斜方位角实测数据，确定造斜率。具体的，根据公式III确定造斜率，
其中：N为测段数量；i＝1,2，···，N；αi为测段起点井斜角，单位度；αi+1为测段末点井斜角，单位度；Φi为测段起点井斜方位角，单位度；Φi+1为测段末点井斜方位角，单位度；Li为测段起点井深，单位米；Li+1为测段末点井深，单位米；Ki为第i个测段造斜率，单位是度每米；K为钻具组合造斜率，单位是度每米。
优选的，步骤(2)中通过随钻测斜仪器获得侧斜数据。
本发明的三维井眼轨迹控制中工具面角的确定方法，通过测定井底井斜角和井斜方位角，并计算井底实钻垂深；测量需要待下入的一柱钻杆的长度；确定待钻点的垂深和井斜方位角；在三维定向井段，在稳定的钻压、排量下，测量反扭角数值；计算待钻点垂深与井底实钻垂深之差，最终通过公式I获得实际工具面角ω；解决了三维井定向中工具面角的确定问题，使之数值准确，具有较强的可操作性，为现场定向工程师和司钻提供支撑，提高钻井效率，节约钻井日费，为顺利施工创造条件。
附图说明
图1为工具面角不同象限增、降斜和增、减方位图；
图2为实施例1中理论工具面角值表示图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步的详细说明。
实施例1
以鄂尔多斯盆地泾河油田一口三维水平井为例，此实例是在三维定向井段中，钻进一柱钻杆井段进行的井眼轨迹控制。本实施例中三维井眼轨迹控制中工具面角的确定方法，具体步骤如下：
(1)在三维定向起始井段，根据二维定向段测斜数据，确定钻具组合的实际造斜率。该井段钻具组合如表1所示：
表1二维定向段钻具的相关数值
| 名称 | 钢级 | 内径×外径(mm) | 扣型 | 数量(根) | 长度(m) |
| 8<sup>1</sup>/<sub>2</sub>"牙轮 | 专用 | 215.9 | 431 | 1 | 0.33 |
| 1.5°螺杆 | 特殊料 | 35×172 | 430×410 | 1 | 8.30 |
| 无磁 | 特殊料 | 72×166 | 411*4A10 | 1 | 9.19 |
| 定向接头 | E | 70×166 | 4A11*410 | 1 | 0.82 |
| 接头 | E | 72×167 | 411*410 | 1 | 0.50 |
| 无磁 | 特殊料 | 72×127 | 411*410 | 1 | 8.32 |
| 5"加重钻杆 | S135 | 76×127 | 411×410 | 33 | 307.94 |
| 5"钻杆 | S135 | 68×127 | 411×410 | 158 | 1518.60 |
根据二维井段测斜数据(表2中的数据)，根据公式III确定造斜率，
其中：N为测段数量；i＝1,2，···，N；αi为测段起点井斜角，单位度；αi+1为测段末点井斜角，单位度；Φi为测段起点井斜方位角，单位度；Φi+1为测段末点井斜方位角，单位度；Li为测段起点井深，单位米；Li+1为测段末点井深，单位米；Ki为第i个测段造斜率，单位是度每米；K为钻具组合造斜率，单位是度每米。
表2二维定向段确定钻具造斜率相关数值
经过计算，钻井组合的平均造斜率为K＝5.23°/30m。
(2)确定公式I中所用到的数值。
A、在三维定向段钻进至井深1201.54m，准备进行下一柱钻杆施工，通过MWD测斜数据，经过计算，井底井斜角为α1＝37.75°，井斜方位角为Φ1＝57.58°，实钻垂深为D1＝1183.01m；
B、经过测量，待下入的这柱钻杆的长度为ΔL＝27.24m(一般为3个单根组成)；
C、经定向工程师根据地质录井提供的地层层位等信息，准备要钻达点的垂深D2＝1198.01m时，井斜方位角扭至Φ2＝54.11°；
D、在钻压150kN、排量29L/s正常施工条件下，反扭角为
(3)A、计算待钻点垂深与井底实钻垂深之差：ΔD＝1198.01m-1183.01m＝15m；
B、并将上述数据代入公式I：
经过计算，得到
(如图2所示)；
C、将
代入
结果表明，该数值满足要求；
(4)实际工具面角ω为＝319.55°+57°-360°＝16.55°。
本井三维定向段钻进326m，扭方位59°，井口确定工具面角15次，均1-2次摆放成功。通过本发明的三维井眼轨迹控制中工具面角的确定方法，一次摆工具面到位率9次，占60％，二次摆工具面到位率6次，占40％。以前摆工具面一般在4次以上，相比较，工作效率提高了79％，大大节约了时间，为缩短钻井周期做出了贡献，相应地降低了钻井成本。
实施例2
本实施例中三维井眼轨迹控制中工具面角的确定方法，具体步骤如下：
(1)一口三维水平井，其钻具组合的造斜率为3.75°/30m，在三维定向井段，钻进至1414.74m，准备进行下一柱钻杆施工。
(2)确定公式I中所用到的数值。
A、通过MWD测斜数据，经过计算，井底井斜角为α1＝59.45°，井斜方位角为Φ1＝15.60°，实钻垂深为D1＝1321.47m；
B、经过测量，待下入的这柱钻杆的长度为ΔL＝27.18m(一般为3个单根组成)；
C、准备要钻达点的垂深D2＝1334.97m时，井斜方位角扭至Φ2＝12.80°；
D、现场实测反扭角
(3)A、计算待钻点垂深与井底实钻垂深之差：ΔD＝1198.01m-1183.01m＝13.5m；
B、并将上述数据代入公式I：
经过计算，得到
C、将
代入
结果表明，该数值不满足要求，也就是钻进一柱长的井段，不能达到设计结果。
所以，重新调整ΔD的数值；调整要钻达点的垂深D2＝1333.47m时，井斜方位角扭至Φ2＝12.80°；计算待钻点垂深与井底实钻垂深之差：ΔD＝1198.01m-1183.01m＝12m；
并将上述数据代入公式I：
经过计算，得到
将
代入
结果表明，该数值满足要求。
(4)实际工具面角ω为＝307°+65°-360°＝12°(实际工具面在0-360°之间，凡是超过360°的，一律减去360°，以使其符合0-360°范围)。
Claims (5)
1.一种三维井眼轨迹控制中工具面角的确定方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)在三维定向起始井段，根据二维定向段滑动钻井段测斜数据，确定钻具组合的造斜率K；
(2)根据三维井段的测斜数据，确定井底井斜角α1和井斜方位角Φ1，并计算井底实钻垂深D1；测量需要待下入的一柱钻杆的长度ΔL；根据录井信息确定待钻点的垂深D2和井斜方位角Φ2；在三维定向井段，在稳定的钻压、排量下，测量反扭角数值
计算待钻点垂深与井底实钻垂深之差ΔD＝D2-D1；
(3)按照如下计算公式，确定理论工具面角数值
(4)根据
计算实际工具面角ω值。
2.根据权利要求1所述的三维井眼轨迹控制中工具面角的确定方法，其特征在于：步骤(3)中，如果
满足公式II：
则直接进行步骤(4)计算；如果
不满足公式II，则调整ΔD重新确定
值，直至满足该式。
3.根据权利要求1所述的三维井眼轨迹控制中工具面角的确定方法，其特征在于：步骤(1)中根据二维造斜段井深、井斜角和井斜方位角实测数据，确定造斜率。
4.根据权利要求2所述的三维井眼轨迹控制中工具面角的确定方法，其特征在于：步骤(2)中通过调整待钻点的垂深D2来调整ΔD的值。
5.根据权利要求1所述的三维井眼轨迹控制中工具面角的确定方法，其特征在于：步骤(2)中通过随钻测斜仪器获得侧斜数据。
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