CN111119735A - 基于地层特性和井眼轨迹的导向钻井控制方法 - Google Patents

基于地层特性和井眼轨迹的导向钻井控制方法 Download PDF

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CN111119735A CN201811293149.8A CN201811293149A CN111119735A CN 111119735 A CN111119735 A CN 111119735A CN 201811293149 A CN201811293149 A CN 201811293149A CN 111119735 A CN111119735 A CN 111119735A
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Abstract

本发明提供了一种基于地层特性和井眼轨迹的导向钻井控制方法，其包括：基于邻井实钻资料反演得到地层井斜率和地层方位率，以表征由地层自然造斜所产生的井斜变化率和方位变化率；根据井眼方向、空间坐标的控制要求设计井眼轨迹；基于地层井斜率、地层方位率和所述井眼轨迹，计算工具井斜率、工具方位率和工具井斜角，以表征由导向钻具所产生的井斜变化率、方位变化率和井斜角；基于工具井斜率、工具方位率和工具井斜角，计算出导向钻具的工具造斜率和工具面角，随钻控制并监测导向钻具的定向造斜特性，以钻出预期井眼轨迹。本发明用于定向井、水平井、大位移井等各种复杂结构井的设计与施工，适用于滑动导向、旋转导向、复合导向等各种钻井方式。

Description

基于地层特性和井眼轨迹的导向钻井控制方法
技术领域
本发明涉及油气井工程领域，具体说涉及一种基于地层特性和井眼轨迹的导向钻井控制方法。
背景技术
自上世纪50年代以来，定向钻井技术从几何导向和滑动导向钻井发展到地质导向和旋转导向钻井，已成为提高勘探成功率、储层钻遇率和开发采收率的重要技术手段。然而，数十年来，井眼轨迹预测与控制技术却没有新突破，已明显滞后于钻井技术发展及需求。
井眼轨迹控制与井眼轨迹预测互为逆运算。现有的井眼轨迹预测技术是：首先，基于钻具组合力学特性分析，计算出钻头侧向力、钻头倾角等参数；然后，再基于钻头与地层的相互作用模型，计算出三维钻速，并据此预测井眼轨迹的平衡井斜角和平衡方位角(白家祉,苏义脑.井斜控制理论与实践.北京:石油工业出版社,1990；高德利,刘希圣,徐秉业.井眼轨迹控制.山东东营:石油大学出版社,1994)。然而，平衡井斜角和平衡方位角只是井眼轨迹的发展趋势，并非所能钻达的井斜角和方位角。换句话说，当继续钻进时，井斜角和方位角将趋近于平衡井斜角和平衡方位角，却不能真正达到这种平衡状态，况且随着井深增加平衡状态将不断变化。
总之，现有技术只能定性预测井眼方向的发展趋势，不能定量预测“继续钻进多少井深所钻达的井斜角和方位角”，所以据此难以实现逆运算——井眼轨迹控制。因此，为满足钻井技术的发展需求，亟待解决井眼轨迹定量控制问题。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种基于地层特性和井眼轨迹的导向钻井控制方法，其包括以下步骤：
基于邻井实钻资料反演得到地层井斜率和地层方位率，以表征由地层自然造斜所产生的井斜变化率和方位变化率；
根据井眼方向、空间坐标的控制要求设计井眼轨迹；
基于所述地层井斜率、所述地层方位率和所述井眼轨迹，计算工具井斜率、工具方位率和工具井斜角，以表征由导向钻具所产生的井斜变化率、方位变化率和井斜角；
基于所述工具井斜率、工具方位率和工具井斜角，计算出所述导向钻具的定向造斜特性，随钻控制并监测所述定向造斜特性，以钻出所述井眼轨迹。
根据本发明的基于地层特性和井眼轨迹的导向钻井控制方法，优选的是，在基于邻井实钻资料反演得到地层井斜率和地层方位率的步骤中，用所述地层井斜率和所述地层方位率来表征地层自然造斜对井眼轨迹的影响，基于邻井实钻资料反演得到所述地层井斜率和所述地层方位率随井深的变化规律：
Figure BDA0001850459200000021
式中：L为井深，单位：米；κα,f为地层井斜率，(°)/30米；κφ,f为地层方位率，(°)/30米。
根据本发明的基于地层特性和井眼轨迹的导向钻井控制方法，优选的是，在根据井眼方向、空间坐标的控制要求设计井眼轨迹的步骤中，基于所述井眼轨迹的设计模型和设计结果，得到井斜角、方位角、井斜变化率和方位变化率随井深的变化规律：
Figure BDA0001850459200000022
其中：α为井斜角，(°)；φ为方位角，(°)；κα为井斜变化率，(°)/30米；κφ为方位变化率，(°)/30米。
根据本发明的基于地层特性和井眼轨迹的导向钻井控制方法，优选的是，在计算工具井斜率、工具方位率和工具井斜角的步骤中，基于所述导向钻具、所述地层和所述井眼轨迹之间的约束关系，用以下公式来得到所述工具井斜率、所述工具方位率和所述工具井斜角：
Figure BDA0001850459200000023
Figure BDA0001850459200000031
其中：κα,t为工具井斜率，(°)/30米；κφ,t为工具方位率，(°)/30米；αt为工具井斜角，(°)；下标A表示控制井段的始点。
根据本发明的基于地层特性和井眼轨迹的导向钻井控制方法，优选的是，在计算出所述导向钻具的定向造斜特性的步骤中，用工具造斜率和工具面角来表征导向钻具的定向造斜特性，所述工具造斜率用于表征造斜能力，所述工具面角用于表征工具姿态，基于所述工具井斜率、所述工具方位率和所述工具井斜角按如下方法计算所述工具造斜率和所述工具面角：
Figure BDA0001850459200000032
其中：κt为工具造斜率，(°)/30米；ωt为工具面角，(°)。
本发明可用于定向井、水平井、大位移井等各种复杂结构井的设计与施工，适用于滑动导向、旋转导向、复合导向等各种钻井方式，具有广阔的应用前景。
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显示了根据本发明的导向钻井控制方法流程图。
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。
针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种基于地层特性和井眼轨迹的导向钻井控制方法。根据本发明的方法流程图见图1。
如图1所示，方法开始于步骤S1，在该步骤中，表征地层自然造斜特性。具体地说，本发明基于所获得的邻井实钻资料来反演得到地层井斜率和地层方位率，以表征由地层自然造斜所产生的井斜变化率和方位变化率；
由于地层存在各向异性，且随深度变化。因此，对于定向钻井来说，地层各向异性将产生自然造斜能力，进而影响井眼轨迹的空间形态。换句话说，在相同的钻井工艺条件下，在不同地层中所钻出的井眼轨迹不同。
地层自然造斜特性对井眼轨迹的影响体现为井斜角和方位角的变化，进而带来空间坐标的变化。显然，地层自然造斜能力越强，井斜角和方位角变化越大，因此用井斜变化率和方位变化率可表征这种影响程度及规律。考虑到地层自然造斜特性随深度变化，因此可以将地层井斜率和地层方位率表征为
Figure BDA0001850459200000041
式中：L为井深，单位：米；κα,f为地层井斜率，(°)/30米；κφ,f为地层方位率，(°)/30米。
接下来，在步骤S2中，再根据井眼方向、空间坐标的控制要求设计出待钻井的井眼轨迹。
井眼轨迹控制的主要任务是按预期的井眼轨迹钻进。在实施井眼轨迹控制之前，应根据井眼方向、空间坐标等控制要求，事先设计出这个预期的井眼轨迹，得到各井深处的井斜角、方位角、井斜变化率、方位变化率等参数。即
Figure BDA0001850459200000042
式中：α为井斜角，(°)；φ为方位角，(°)；κα为井斜变化率，(°)/30米；κφ为方位变化率，(°)/30米。
在步骤S3中，计算需要导向钻具产生的井斜变化率和方位变化率。具体地，根据本发明基于S1步骤中得到的地层井斜率、地层方位率和步骤S2中得到的井眼轨迹，来计算工具井斜率、工具方位率和工具井斜角，以表征由导向钻具所产生的井斜变化率、方位变化率和井斜角。
在导向钻井过程中，导向钻具控制钻头破碎岩石形成井眼轨迹，即井眼轨迹是导向钻具与地层联合作用的结果。因此，井眼轨迹的井斜变化率和方位变化率分别是导向钻具和地层所产生的井斜变化率和方位变化率之和，即分别是工具井斜率与地层井斜率之和以及工具方位率与地层方位率之和。要钻出预期的井眼轨迹，剔除由地层自然造斜特性所产生的井斜变化率和方位变化率，便可得到需要导向钻具产生的井斜变化率和方位变化率，即工具井斜率和工具方位率如下所示：
Figure BDA0001850459200000051
式中：κα,t表示工具井斜率，κφ,f表示工具方位率。
在步骤S4中，计算需要导向钻具产生的井斜角。
根据井斜变化率的定义，经积分可得到井斜角方程。据此，基于工具井斜率κα,t，在控制井段内任一井深L处需要导向钻具产生的井斜角为
Figure BDA0001850459200000052
式中：下标A表示控制井段的始点，即A点的井深为LA。
在步骤S5中，计算导向钻具的定向造斜特性。导向钻具的定向造斜特性用工具造斜率和工具面角表征。其中，工具造斜率用于表征造斜能力，工具面角用于表征工具姿态，而工具姿态决定了定向方向。基于步骤S3和步骤S4算得的需要导向钻具产生的井斜角、工具井斜率和工具方位率，按如下方法计算导向钻具的定向造斜特性：
Figure BDA0001850459200000053
式中：κt为工具造斜率，(°)/30米；ωt为工具面角，(°)。
在步骤S6中，实施导向钻井作业。
按步骤S3～步骤S5的方法，计算出不同井深处的工具造斜率和工具面角。在钻进过程中，按所算得的工具造斜率和工具面角随钻控制并监测导向钻具的工作特性，便可钻出预期的井眼轨迹。
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，本发明的范围在权利要求书中提出。
在某定向井施工过程中，当前井底A的井深LA＝1050米、井斜角αA＝30°、方位角φA＝42°，地层自然造斜特性和预期井眼轨迹数据见表1。
根据本发明的技术方案和实施步骤，选取步长为10米，得到的井眼轨迹控制方案见表2。
表1 实施例的预期井眼轨迹和地层自然造斜特性
Figure BDA0001850459200000061
表2 实施例的井眼轨迹控制方案
Figure BDA0001850459200000062
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 (5)

1.一种基于地层特性和井眼轨迹的导向钻井控制方法，其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：
基于邻井实钻资料反演得到地层井斜率和地层方位率，以表征由地层自然造斜所产生的井斜变化率和方位变化率；
根据井眼方向、空间坐标的控制要求设计井眼轨迹；
基于所述地层井斜率、所述地层方位率和所述井眼轨迹，计算工具井斜率、工具方位率和工具井斜角，以表征由导向钻具所产生的井斜变化率、方位变化率和井斜角；
基于所述工具井斜率、工具方位率和工具井斜角，计算出所述导向钻具的定向造斜特性，随钻控制并监测所述定向造斜特性，以钻出所述井眼轨迹。
2.如权利要求1所述的基于地层特性和井眼轨迹的导向钻井控制方法，其特征在于，在基于邻井实钻资料反演得到地层井斜率和地层方位率的步骤中，用所述地层井斜率和所述地层方位率来表征地层自然造斜对井眼轨迹的影响，基于邻井实钻资料反演得到所述地层井斜率和所述地层方位率随井深的变化规律：
Figure FDA0001850459190000011
式中：L为井深，单位：米；κα,f为地层井斜率，(°)/30米；κφ,f为地层方位率，(°)/30米。
3.如权利要求2所述的基于地层特性和井眼轨迹的导向钻井控制方法，其特征在于，在根据井眼方向、空间坐标的控制要求设计井眼轨迹的步骤中，基于所述井眼轨迹的设计模型和设计结果，得到井斜角、方位角、井斜变化率和方位变化率随井深的变化规律：
Figure FDA0001850459190000012
其中：α为井斜角，(°)；φ为方位角，(°)；κα为井斜变化率，(°)/30米；κφ为方位变化率，(°)/30米。
4.如权利要求3所述的基于地层特性和井眼轨迹的导向钻井控制方法，其特征在于，在计算工具井斜率、工具方位率和工具井斜角的步骤中，基于所述导向钻具、所述地层和所述井眼轨迹之间的约束关系，用以下公式来得到所述工具井斜率、所述工具方位率和所述工具井斜角：
Figure FDA0001850459190000021
Figure FDA0001850459190000022
其中：κα,t为工具井斜率，(°)/30米；κφ,t为工具方位率，(°)/30米；αt为工具井斜角，(°)；下标A表示控制井段的始点。
5.如权利要求4所述的基于地层特性和井眼轨迹的导向钻井控制方法，其特征在于，在计算出所述导向钻具的定向造斜特性的步骤中，用工具造斜率和工具面角来表征导向钻具的定向造斜特性，所述工具造斜率用于表征造斜能力，所述工具面角用于表征工具姿态，基于所述工具井斜率、所述工具方位率和所述工具井斜角按如下方法计算所述工具造斜率和所述工具面角：
Figure FDA0001850459190000023
其中：κt为工具造斜率，(°)/30米；ωt为工具面角，(°)。
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