CN111119855A - 基于地层和钻具特性的井眼轨迹预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于地层和钻具特性的井眼轨迹预测方法，其包括以下步骤：表征并反演待钻井的地层自然造斜规律，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；用工具造斜率和工具面角来表征钻具的定向造斜特性；基于地层井斜率、工具造斜率和工具面角来预测井眼轨迹的井斜变化率和井斜角；基于地层方位率、工具造斜率、工具面角以及井斜角来预测井眼轨迹的方位变化率和方位角。本发明的基于地层和钻具特性的井眼轨迹预测技术能定量预测任一井深处的井斜角、方位角、井斜变化率、方位变化率等井眼轨迹参数及其变化情况，普遍适用于各种导向钻井方式和井眼轨迹模型，解决了目前只能定性预测井眼轨迹等问题。

Description

基于地层和钻具特性的井眼轨迹预测方法

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和钻具特性的井眼轨迹预测方法。

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，井眼轨迹预测技术却没有新突破，已明显滞后于钻井技术发展及需求。

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”。因此，为满足钻井技术的发展需求，亟待解决井眼轨迹定量预测问题。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于地层和钻具特性的井眼轨迹预测方法，该方法包括以下步骤：

表征并反演待钻井的地层自然造斜规律，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；

用工具造斜率和工具面角来表征钻具的定向造斜特性，其中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；

基于所述地层井斜率、所述工具造斜率和所述工具面角来预测井眼轨迹的井斜变化率和井斜角；

基于所述地层方位率、所述工具造斜率、所述工具面角以及所述井斜角来预测井眼轨迹的方位变化率和方位角。

根据本发明的基于地层和钻具特性的井眼轨迹预测方法，优选的是，在表征并反演待钻井的地层自然造斜规律的步骤中，用所述地层井斜率和所述地层方位率来表征地层各向异性对井眼轨迹的影响，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：

式中：L为井深，单位：米；κ_α为井斜变化率，(°)/30米；κ_φ为方位变化率，(°)/30米；下标f表示地层。

根据本发明的基于地层和钻具特性的井眼轨迹预测方法，优选的是，在用工具造斜率和工具面角来表征钻具的定向造斜特性的步骤中，基于钻井工艺的实施方案来确定工具造斜率和工具面角沿井深的变化关系：

式中：κ_t为工具造斜率，(°)/30米；ω_t为工具面角，(°)；下标t表示钻具。

根据本发明的基于地层和钻具特性的井眼轨迹预测方法，优选的是，在预测井眼轨迹的井斜变化率和井斜角的步骤中，按如下公式预测井眼轨迹的井斜变化率：

κ_α(L)＝κ_α,f(L)+κ_α,t(L)

其中

κ_α,t(L)＝κ_t(L)cosω_t(L)

积分所述井斜变化率方程，得到预测井段[L_A，L_B]内任一井深L处的井斜角：

其中

α_A＝α(L_A)

式中：α为井斜角，(°)；下标A表示井段[L_A，L_B]的始点，即A点的井深为L_A。

根据本发明的基于地层和钻具特性的井眼轨迹预测方法，优选的是，在预测井眼轨迹的方位变化率和方位角的步骤中，按如下公式预测井眼轨迹的方位变化率：

κ_φ(L)＝κ_φ,f(L)+κ_φ,t(L)

其中

积分所述方位变化率方程，得到预测井段[L_A，L_B]内任一井深L处的方位角：

其中

φ_A＝φ(L_A)

式中：φ为方位角，(°)。

本发明提出了一种基于地层和钻具特性的井眼轨迹预测技术，它能定量预测任一井深处的井斜角、方位角、井斜变化率、方位变化率等井眼轨迹参数及其变化情况，普遍适用于各种导向钻井方式和井眼轨迹模型，解决了现有技术只能定性预测井眼轨迹等问题。

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井眼轨迹预测方法的流程图。

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和钻具特性的井眼轨迹预测方法，该方法流程图见图1。

如图1所示，在步骤S1中，表征地层自然造斜特性。具体地说，表征并反演待钻井的地层自然造斜规律，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。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是不同的。

地层自然造斜特性对井眼轨迹的影响主要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，因此可将地层井斜率和地层方位率表征为

式中：L为井深，单位为米；κ_α为井斜变化率，(°)/30米；κ_φ为方位变化率，(°)/30米；下标f表示地层。

接下来，在步骤S2中，表征钻具定向造斜特性。

一般地，造斜工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。因此，在用工具造斜率和工具面角来表征钻具的定向造斜特性的步骤中，基于钻井工艺的实施方案来确定工具造斜率和工具面角沿井深的变化关系为

式中：κ_t为工具造斜率，(°)/30米；ω_t为工具面角，(°)；下标t表示钻具。

接下来，在步骤S3中，预测井斜变化率。

由于造斜工具驱动钻头破碎地层从而形成井眼轨迹，因此，井眼轨迹事实上是造斜工具与地层联合作用的结果，即井眼轨迹的井斜变化率是造斜工具和地层所产生的井斜变化率之和。因此，原理上可按如下公式来预测井眼轨迹的井斜变化率：

κ_α(L)＝κ_α,f(L)+κ_α,t(L) (3)

其中

κ_α,t(L)＝κ_t(L)cosω_t(L) (4)

接下来，在步骤S4中，预测井斜角。根据井斜变化率的定义，通过积分可得到井斜角方程。所以，在井段[L_A，L_B]内任一井深L处的井斜角为

其中

α_A＝α(L_A) (6)

式中：α为井斜角，(°)；下标A表示井段[L_A，L_B]的始点，即A点的井深为L_A。

然后，在步骤S5中，预测方位变化率。仿照井斜变化率的预测原理，方位变化率也是造斜工具方位率和地层方位率之和。因此，按如下公式预测井眼轨迹的方位变化率：

κ_φ(L)＝κ_φ,f(L)+κ_φ,t(L) (7)

其中

在步骤S6中，预测方位角。根据方位变化率的定义，通过积分可得到方位角方程。所以，在井段[L_A，L_B]内任一井深L处的方位角为：

其中

φ_A＝φ(L_A) (10)

式中：φ为方位角，(°)。

这样，基于地层自然造斜特性和钻具定向造斜特性，本发明能预测出任一井深处的井斜角、方位角等井眼轨迹参数。

本发明并没有限定导向钻井方式和井眼轨迹模型，其具有普遍适用性。

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L_A＝1050米、井斜角α_A＝30°、方位角φ_A＝42°，地层自然造斜特性和钻具定向造斜特性见表1。

根据本发明的技术方案和实施步骤，选取预测步长为10米，井眼轨迹预测结果见表2。

表1 实施例的地层自然造斜特性和钻具定向造斜特性

表2 实施例的井眼轨迹预测结果

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)

1.一种基于地层和钻具特性的井眼轨迹预测方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

表征并反演待钻井的地层自然造斜规律，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；

用工具造斜率和工具面角来表征钻具的定向造斜特性，其中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；

基于所述地层井斜率、所述工具造斜率和所述工具面角来预测井眼轨迹的井斜变化率和井斜角；

基于所述地层方位率、所述工具造斜率、所述工具面角以及所述井斜角来预测井眼轨迹的方位变化率和方位角。

2.如权利要求1所述的基于地层和钻具特性的井眼轨迹预测方法，其特征在于，在表征并反演待钻井的地层自然造斜规律的步骤中，用所述地层井斜率和所述地层方位率来表征地层各向异性对井眼轨迹的影响，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：

式中：L为井深，单位：米；κ_α为井斜变化率，(°)/30米；κ_φ为方位变化率，(°)/30米；下标f表示地层。

3.如权利要求2所述的基于地层和钻具特性的井眼轨迹预测方法，其特征在于，在用工具造斜率和工具面角来表征钻具的定向造斜特性的步骤中，基于钻井工艺的实施方案来确定工具造斜率和工具面角沿井深的变化关系：

式中：κ_t为工具造斜率，(°)/30米；ω_t为工具面角，(°)；下标t表示钻具。

4.如权利要求3所述的基于地层和钻具特性的井眼轨迹预测方法，其特征在于，在预测井眼轨迹的井斜变化率和井斜角的步骤中，按如下公式预测井眼轨迹的井斜变化率：

κ_α(L)＝κ_α,f(L)+κ_α,t(L)

其中

κ_α,t(L)＝κ_t(L)cosω_t(L)

积分所述井斜变化率方程，得到预测井段[L_A，L_B]内任一井深L处的井斜角：

其中

α_A＝α(L_A)

式中：α为井斜角，(°)；下标A表示井段[L_A，L_B]的始点，即A点的井深为L_A。

5.如权利要求4所述的基于地层和钻具特性的井眼轨迹预测方法，其特征在于，在预测井眼轨迹的方位变化率和方位角的步骤中，按如下公式预测井眼轨迹的方位变化率：

κ_φ(L)＝κ_φ,f(L)+κ_φ,t(L)

其中

积分所述方位变化率方程，得到预测井段[L_A，L_B]内任一井深L处的方位角：

其中

φ_A＝φ(L_A)

式中：φ为方位角，(°)。

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