CN111046593A - 一种基于钻进时间最短的三维水平井轨道优化设计方法 - Google Patents

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CN111046593A CN202010020367.5A CN202010020367A CN111046593A CN 111046593 A CN111046593 A CN 111046593A CN 202010020367 A CN202010020367 A CN 202010020367A CN 111046593 A CN111046593 A CN 111046593A
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李伟
于凡
倪红坚
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Abstract

本发明涉及一种基于钻进时间最短的三维水平井轨道优化设计方法，属于油气钻采技术技术领域，首先根据同区块已钻井井史资料进行机械钻速统计；然后建立先扭方位对准靶点方位再增斜中靶的三维七段式轨道设计模型；最后建立设计轨道钻进时间预测方法，并以钻进时间最短为目标对设计出的一系列轨道进行优选；本发明将常规三维五段式井眼轨道中既增斜又扭方位的斜面圆弧井段分为稳斜扭方位井段与铅垂面上的增斜井段进行设计，可有效缓解在大井斜进行扭方位作业钻速较低的问题，并可解决同时进行增斜与扭方位作业时中靶难度较大的问题，降低了施工难度与风险，且以钻进时间为目标进行轨道优选，可有效的缩短钻井周期，节省钻进成本。

Description

一种基于钻进时间最短的三维水平井轨道优化设计方法
本申请要求于2019年04月29日提交中国专利局、申请号为201910353850.2、发明名称为“一种基于钻进时间最短的三维水平井轨道优化设计方法”的中国专利申请的优先权，其全部内容通过引用结合在本申请中。
技术领域
本发明涉及油气钻采技术领域，尤其涉及一种基于钻进时间最短的三维水平井轨道优化设计方法。
背景技术
涪陵页岩气田为国内首个大型页岩气田，发展潜力巨大。该气田所在地属山地－丘陵地貌，为最大限度地减小井场数量、降低地面工程造价、提高页岩气整体开发效益，多使用“井工厂”技术进行开发。为了满足集中压裂的需要，水平段井眼方位一般设计为与最大主应力方向垂直或近似垂直的方向，致使实际井口与入窗点的闭合方位及水平段井眼方位不在同一条直线上，因而该地区大多井为三维水平井。相较于常规水平井，涪陵页岩气田三维水平井的井眼轨道设计更为复杂，施工难度更大。
目前，井眼轨道设计理论经过不断发展，已能满足大部分常规三维井眼轨道设计的要求。但由于涪陵页岩气藏埋藏较深，导致现场施工时在大井斜进行扭方位作业的钻速较低，且同时进行增斜与扭方位作业时的中靶难度较大，因此常规的三维五段式轨道设计方法并不完全适用于涪陵页岩气井，易导致中靶作业困难及增大钻井周期等问题。
另外，常用的轨道设计方法多以轨道最短为目标进行优选，但由于地层可钻性及钻具等因素的影响，轨道最短往往并不意味着钻进时间就最短。因此，常用的以轨道最短为目标的优选方法并不能直接有效的缩短钻井周期，节省钻进成本。
发明内容
针对现有轨道设计方法中存在的上述问题，本发明提出了一种基于钻进时间最短的三维水平井轨道优化设计方法。该方法可有效降低现场施工的中靶作业难度，缩短钻井周期，降低钻井成本。
本发明采用的技术方案如下：
本发明提出了一种基于钻进时间最短的三维水平井轨道优化设计方法，包括以下步骤：
步骤一，收集同区块已钻井井史资料，根据同区块已钻井井史资料进行机械钻速统计；
步骤二，根据圆柱螺线法理论，建立先扭方位对准靶点方位再增斜中靶的三维七段式轨道设计模型；
步骤三，建立三维水平井轨道钻进时间预测方法，并以钻进时间最短为目标对设计出的一系列轨道进行优选。
进一步的，所述步骤一的具体方法是：根据同区块已钻井井史资料，分别从所穿地层、钻头尺寸、钻头类型及钻进方式四种条件下进行机械钻速的统计，得到对应条件下的机械钻速均值。
进一步的，所述所穿地层按照井眼穿过的地层层组进行分类；所述钻头尺寸根据井身结构的设计进行分类；所述钻头类型按照通用类型分为牙轮钻头和PDC钻头，其余钻头不进入统计行列；所述钻进方式分为滑动钻进和复合钻进，将旋转钻进归类为复合钻进中，钻进方式区分方法为将造斜段及扭方位段视为滑动钻进，将直井段、稳斜段及水平段视为复合钻进。
进一步的，步骤二中所述三维七段式轨道包括直井段、第一增斜段、第一稳斜段、稳斜扭方位段、第二稳斜段、第二增斜段、水平段。
进一步的，所述步骤二的具体方法是：首先对三维七段式轨道进行水平面投影和垂直面投影，然后根据已知井口坐标、造斜点位置、第一造斜率、第二造斜率、各个靶点坐标，按照各段坐标增量与靶点坐标相等的原则得出各段长度和各靶点关键参数计算公式，建立完整的三维七段式轨道设计模型。
进一步的，提前预设稳斜角与造斜方位角，其中稳斜角的取值范围为0～90°，造斜方位角的取值范围为0～360°，将稳斜角与造斜方位角所有可能的组合代入所述三维七段式轨道设计模型中，得到一系列不同形状的三维七段式轨道，最终优选出钻进时间最短的一条设计轨道作为最终轨道，进而确定该轨道各靶点关键参数。
进一步的，步骤三中所述三维水平井轨道钻进时间预测方法具体是：首先根据地层层组的底界垂深确定设计轨道每个分段贯穿的对应地层，然后根据井身结构及所用钻头确定设计轨道每个分段对应的钻头尺寸及钻头类型，最后根据分段的曲线类型确定钻进方式，将整段设计轨道分别拆分为单一类型的小井段，根据步骤一中获取统计得到的对应条件下的机械钻速均值，进而计算各分段所用钻进时间，累加得到总钻进时间。
进一步的，各靶点的关键参数包括井斜角、方位角、井深、垂深、南北坐标、东西坐标。
进一步的，当设计轨道为两靶点时，可直接连接第一、第二靶点得到最终设计轨道；当设计轨道为多靶点时，前两个靶点直线连接，后续靶点按照圆弧线进行连接，以便得到最终设计轨道。。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：将常规三维五段式井眼轨道中既增斜又扭方位的斜面圆弧井段分为稳斜扭方位井段与铅垂面上的增斜井段进行设计，可有效缓解在大井斜进行扭方位作业钻速较低的问题，并可解决同时进行增斜与扭方位作业时中靶难度较大的问题，降低了施工难度与风险。且以钻进时间为目标进行轨道优选，可有效的缩短钻井周期，节省钻进成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的三维水平井七段式轨道示意图；
图2为本发明实施例提供的三维水平井七段式轨道水平面投影图；
图3为本发明实施例提供的三维水平井七段式轨道垂直面投影图。
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，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述：
一种基于钻进时间最短的三维水平井轨道优化设计方法，包括以下步骤：
步骤一：收集同区块已钻井井史资料，根据同区块已钻井井史资料进行机械钻速统计；
具体的，根据同区块已钻井井史资料，分别从所穿地层、钻头尺寸、钻头类型及钻进方式四种条件下进行机械钻速的统计，得到对应条件下的机械钻速均值，其中所穿地层按照井眼穿过的地层层组进行分类；钻头尺寸根据井身结构的设计进行分类；钻头类型按照通用类型分为牙轮钻头和PDC钻头，其余钻头不进入统计行列；钻进方式分为滑动钻进和复合钻进，由于旋转钻进同复合钻进工况类似，钻柱需要整体转动，因此将旋转钻进归类为复合钻进中，钻进方式区分方法为将造斜段及扭方位段视为滑动钻进，将直井段、稳斜段及水平段视为复合钻进。
步骤二：根据圆柱螺线法理论，建立先扭方位对准靶点方位再增斜中靶的三维七段式轨道设计模型。
需要说明的是：为了有效降低现场施工过程的中靶难度，将常规三维五段式井眼轨道中既增斜又扭方位的斜面圆弧段分为稳斜扭方位段与铅垂面上的增斜段进行设计，即先扭方位对准靶点方位再增斜中靶，且在两段中间预留出了稳斜段可更方便地进行轨迹调整，即为“直井段、第一增斜段、第一稳斜段、稳斜扭方位段、第二稳斜段、第二增斜段、水平段”的三维七段式轨道。
具体的，如图2和图3所示，首先对三维七段式轨道进行水平面投影和垂直面投影，其中，第一增斜段及为第二增斜段均为铅垂面上的二维增斜井段，水平投影图为一条直线，垂直剖面图为圆弧曲线；稳斜扭方位段，此段保持井斜不变全力进行扭方位，水平投影图为圆弧曲线，而垂直剖面图为一条直线。因此，该设计方法是将三维井眼轨道转换为三个二维圆弧段的组合形式进行设计。
需要说明的是：须知条件有井口坐标、造斜点位置、第一、第二造斜率及各个靶点坐标，入靶井斜与入靶方位可根据第一靶点与第二靶点的连线计算得到。
然后，根据已知井口坐标、造斜点位置、第一造斜率、第二造斜率以及各个靶点坐标，按照各段坐标增量与靶点坐标相等的原则得出各段长度计算公式，建立完整的三维七段式轨道设计模型；模型建立具体过程如下：
三维水平井七段式轨道示意图如图1所示，其中OA为直井段，A点为造斜点；AB为第一增斜段；BC为稳斜段；CD为稳斜扭方位段，此段保持井斜不变全力进行扭方位作业；DE为第二稳斜段；EF为第二增斜段，此时方位角已调整好只需调整井斜角即可顺利中靶；FT为水平段，T点为靶点。
须知条件有井口坐标(NO，EO)，造斜点位置HA，第一造斜率K1、第二造斜率K2及各个靶点坐标，入靶井斜αT与入靶方位
Figure BDA0002360533030000041
可根据第一、第二靶点的连线计算得到，本发明的三维水平井轨道优化设计方法按照圆柱螺线法进行设计。
三维水平井七段式轨道水平投影如附图2所示，增斜段AB、EF与直线段BC、DE、FT在水平投影图上均为直线，斜扭方位段CD的水平投影图为一条圆弧曲线。
稳斜扭方位段CD为圆柱螺线且井斜角保持不变，因此CD段的曲率半径恒定。该井段水平投影的曲率半径r与方位角变化量γ2为：
r＝R2sinαC
Figure BDA0002360533030000042
其中，r为稳斜扭方位段CD水平投影的曲率半径，m；γ2为稳斜扭方位段CD的方位角变化量，(°)；R2为稳斜扭方位段CD的曲率半径，m；αC为C点处井斜角，(°)；
Figure BDA0002360533030000043
为C点处方位角，(°)；
Figure BDA0002360533030000044
为D点处方位角，(°)。
稳斜扭方位段CD水平投影的圆弧长度(水平投影长度)为：
Figure BDA0002360533030000045
其中，SCD为稳斜扭方位段CD的水平投影长度，m。
根据各段坐标增量与靶点坐标相等的原则，可得：
Figure BDA0002360533030000046
其中，NA为A点的南北坐标，m；EA为A点的东西坐标，m；NT为T点的南北坐标，m；ET为T点的东西坐标，m；SAG为水平投影直线AG的长度，m；SGT为水平投影直线GT的长度，m；
Figure BDA0002360533030000051
为B点处方位角，(°)；
Figure BDA0002360533030000052
为T点处方位角，(°)。可解得SAG。
水平投影AC段的长度为：
Figure BDA0002360533030000053
其中，SAC为水平投影AC段的长度，m。
三维水平井七段式轨道垂直剖面如附图3所示，稳斜扭方位段CD在垂直剖面上为一条直线，而增斜段AB与EF在垂直剖面上为圆弧曲线。由垂直剖面可知：
γ1＝αB-αA
γ3＝αF-αE
其中，γ1为增斜段AB的井斜角变化量，(°)；γ3为增斜段EF的井斜角变化量，(°)；αA为A点处井斜角，(°)；αB为B点处井斜角，(°)；αE为E点处井斜角，(°)；αF为F点处井斜角，(°)。
已知造斜点A坐标为(HA，NO，EO)，可知：
LOA＝HA
其中，LOA为直井段OA的轨道长度，m；HA为造斜点A的垂深，m。
B点坐标为：
Figure BDA0002360533030000054
其中，HB为B点的垂深，m；NB为B点的南北坐标，m；EB为B点的东西坐标，m；
Figure BDA0002360533030000055
为A点处方位角，(°)；R1为增斜段AB的曲率半径，m。
增斜段AB的轨道长度为：
Figure BDA0002360533030000061
其中，LAB为增斜段AB的轨道长度，m。
增斜段AB的水平投影长度为：
Figure BDA0002360533030000062
其中，SAB为增斜段AB的水平投影长度，m。
稳斜段BC的水平投影长度为：
SBC＝SAC-SAB
其中，SBC为增斜段BC的水平投影长度，m。
稳斜段BC的轨道长度为：
Figure BDA0002360533030000063
其中，LBC为增斜段BC的轨道长度，m。
C点坐标为：
Figure BDA0002360533030000064
其中，HC为C点的垂深，m；NC为C点的南北坐标，m；EC为C点的东西坐标，m。
稳斜扭方位段CD的轨道长度为：
Figure BDA0002360533030000065
其中，LCD为稳斜扭方位段CD的轨道长度，m。
D点坐标为：
Figure BDA0002360533030000066
其中，HD为D点的垂深，m；ND为D点的南北坐标，m；ED为D点的东西坐标，m；αD为D点处井斜角，(°)。
根据各段坐标增量与靶点坐标相等的原则，可得：
Figure BDA0002360533030000071
其中，HT为靶点T的垂深，m；LDE为稳斜段DE的轨道长度，m；LFT为水平段FT的轨道长度，m；αT为T点处井斜角，(°)；R3为增斜段EF的曲率半径，m。可解得LDE与LFT。
E点坐标为：
Figure BDA0002360533030000072
其中，HE为E点的垂深，m；NE为E点的南北坐标，m；EE为E点的东西坐标，m。
增斜段EF的轨道长度为：
Figure BDA0002360533030000073
其中，LEF为增斜段EF的轨道长度，m。
F点坐标为：
Figure BDA0002360533030000074
其中，HF为F点的垂深，m；NF为F点的南北坐标，m；EF为F点的东西坐标，m；
Figure BDA0002360533030000075
为E点处方位角，(°)；
Figure BDA0002360533030000076
为F点处方位角，(°)。
以上各式便组成了三维七段式轨道井眼轨道设计模型，利用该模型可以完成所有井段轨道长度及各节点关键参数(井斜角、方位角、井深、垂深、南北坐标、东西坐标)的设计。将所有分段长度相加即得到轨道总长度：
L＝LOA+LAB+LBC+LCD+LDE+LEF+LFT
上述三维七段式轨道井眼轨道设计模型的求解需要提前预设稳斜角αB与造斜方位角
Figure BDA0002360533030000081
当αB与
Figure BDA0002360533030000082
取不同值时会得到一系列不同形状的设计轨道。稳斜角αB的取值范围为0～90°，造斜方位角
Figure BDA0002360533030000083
的取值范围为0～360°。将稳斜角与造斜方位角所有可能的组合代入所述三维七段式轨道设计模型中，得到一系列不同形状的三维七段式轨道，最终优选出钻进时间最短的一条设计轨道作为最终轨道，进而确定该轨道各节点关键参数。为简化计算，稳斜角αB的初始值取αB1，取值间隔为kα；造斜方位角
Figure BDA0002360533030000084
的初始值取
Figure BDA0002360533030000085
取值间隔为
Figure BDA0002360533030000086
则αB和
Figure BDA0002360533030000087
的取值集合为：
αB＝{αBi|αBi＝αB1+(i-1)ka,i＝1,2,…}
Figure BDA0002360533030000088
其中，
Figure BDA0002360533030000089
φBj∈[0,2π)，kα和
Figure BDA00023605330300000810
满足设计精度要求。
步骤三：建立三维水平井轨道钻进时间预测方法，并以钻进时间最短为目标对设计出的一系列轨道进行优选。
具体的，首先根据地层层组的底界垂深确定设计轨道每个分段贯穿的对应地层，然后根据井身结构及所用钻头确定设计轨道每个分段对应的钻头尺寸及钻头类型，最后根据分段的曲线类型确定钻进方式，将整段设计轨道分别拆分为单一类型的小井段，根据步骤一中获取统计得到的对应条件下的机械钻速均值，进而计算各分段所用钻进时间，累加得到总钻进时间。
示例的，为了有效地缩短钻井周期，以钻进时间最短为目标对轨道进行进一步的优选。具体的优选步骤为：
(1)将αB与
Figure BDA00023605330300000811
所有可能的组合均代入三维七段式轨道设计模型中依次进行设计，得到的一系列不同形状的设计轨道；
(2)将整段设计轨道根据所穿地层、钻头尺寸、钻头类型及钻进方式的不同，分别拆分为单一类型的小井段。根据统计得到的对应条件下的机械钻速均值，进而计算各分段所用钻进时间，并累加得到总钻进时间；
(3)根据设计轨道钻进时间预测方法分别计算这一系列设计轨道的总钻进时间，最终优选出钻进时间最短的一条设计轨道作为最终轨道，进而确定该轨道各节点关键参数。
示例的，当设计轨道为两靶点时，可直接连接第一、第二靶点得到最终设计轨道；当设计轨道为多靶点时，前两个靶点直线连接，后续靶点按照圆弧线进行连接，以便得到最终设计轨道。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种基于钻进时间最短的三维水平井轨道优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，收集同区块已钻井井史资料，根据同区块已钻井井史资料进行机械钻速统计；
步骤二，根据圆柱螺线法理论，建立先扭方位对准靶点方位再增斜中靶的三维七段式轨道设计模型；
步骤三，建立三维水平井轨道钻进时间预测方法，并以钻进时间最短为目标对设计出的一系列轨道进行优选。
2.根据权利要求1所述的三维水平井轨道优化设计方法，其特征在于，所述步骤一的具体方法是：根据同区块已钻井井史资料，分别从所穿地层、钻头尺寸、钻头类型及钻进方式四种条件下进行机械钻速的统计，得到对应条件下的机械钻速均值。
3.根据权利要求2所述的三维水平井轨道优化设计方法，其特征在于，所述所穿地层按照井眼穿过的地层层组进行分类；所述钻头尺寸根据井身结构的设计进行分类；所述钻头类型按照通用类型分为牙轮钻头和PDC钻头，其余钻头不进入统计行列；所述钻进方式分为滑动钻进和复合钻进，将旋转钻进归类为复合钻进中，钻进方式区分方法为将造斜段及扭方位段视为滑动钻进，将直井段、稳斜段及水平段视为复合钻进。
4.根据权利要求1所述的三维水平井轨道优化设计方法，其特征在于，步骤二中所述三维七段式轨道分为直井段、第一增斜段、第一稳斜段、稳斜扭方位段、第二稳斜段、第二增斜段、水平段。
5.根据权利要求4所述的三维水平井轨道优化设计方法，其特征在于，所述步骤二的具体方法是：首先对三维七段式轨道进行水平面投影和垂直面投影，然后根据已知井口坐标、造斜点位置、第一造斜率、第二造斜率以及各个靶点坐标，按照各段坐标增量与靶点坐标相等的原则得出各段长度及各靶点的关键参数计算公式，建立完整的三维七段式轨道设计模型。
6.根据权利要求5所述的三维水平井轨道优化设计方法，其特征在于，所述步骤三中，提前预设稳斜角与造斜方位角，其中稳斜角的取值范围为0～90°，造斜方位角的取值范围为0～360°，将稳斜角与造斜方位角所有可能的组合代入所述三维七段式轨道设计模型中，得到一系列不同形状的三维七段式轨道，最终优选出钻进时间最短的一条设计轨道作为最终轨道，进而确定该轨道各靶点关键参数。
7.根据权利要求6所述的三维水平井轨道优化设计方法，其特征在于，步骤三中所述三维水平井轨道钻进时间预测方法具体是：首先根据地层层组的底界垂深确定设计轨道每个分段贯穿的对应地层，然后根据井身结构及所用钻头确定设计轨道每个分段对应的钻头尺寸及钻头类型，最后根据分段的曲线类型确定钻进方式，将整段设计轨道分别拆分为单一类型的小井段，根据步骤一中获取统计得到的对应条件下的机械钻速均值，进而计算各分段所用钻进时间，累加得到总钻进时间。
8.根据权利要求5所述的三维水平井轨道优化设计方法，其特征在于，各靶点关键参数包括井斜角、方位角、井深、垂深、南北坐标、东西坐标。
9.根据权利要求1-8任一所述的三维水平井轨道优化设计方法，其特征在于，当设计轨道为两靶点时，可直接连接第一、第二靶点得到最终设计轨道；当设计轨道为多靶点时，前两个靶点直线连接，后续靶点按照圆弧线进行连接，以便得到最终设计轨道。
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