CN111411892A - 一种大井组丛式井轨迹防碰优化设计的方法 - Google Patents

Abstract

一种大井组丛式井轨迹防碰优化设计的方法，步骤：一、定义大井组丛式井井场坐标范围；二、定义大井组设计井口参数；三、将给定平台已钻井的井深、井斜角、井斜方位角、垂深、东西坐标、南北坐标及狗腿度轨迹数据参数加载到定义的大井组丛式井井场坐标范围内；四、自定义优化设计轨迹工程约束条件，给出设计井眼轨迹中靶精度范围和防碰安全距离；五、确定靶体的矢量中靶方位；六、建立大井组丛式井轨迹防碰优化设计模型；七、将求出的满足中靶精度要求的最优设计井眼轨迹数据；八、在轨迹寻优过程中动态求解与邻井防碰距离的分离系数，最终找出既能满足工程条件约束又能符合大井组丛式井防碰安全要求最优轨迹；本发明优化设计的轨道更加平缓。

Description

一种大井组丛式井轨迹防碰优化设计的方法

技术领域

本发明涉及油气钻井设计技术领域，特别涉及一种大井组丛式井轨迹防碰优化设计的方法。

背景技术

随着油田勘探开发进程的不断推进，国内外丛式井和加密井的数量都在不断增加，老油田加密井、调整井越来越多，新建丛式井组规模越来越大，井与井之间的空间距离越来越小，这对密集井网条件下的防碰设计和钻井施工作业都提出了更高的要求，钻井过程中正钻井与已钻井井眼碰撞事故时有发生，导致套管损毁甚至整口井彻底报废。为了避免井眼碰撞事故的发生，需要更精确的钻井设计和必要的主动防碰作业方式，选择合适的井眼碰撞风险评价方法，做好防碰预警工作。目前，现有的井眼碰撞风险评价方法包括邻井最近距离、井眼分离系数、井眼碰撞概率等。其中，井眼分离系数计算方法包括传统方法、中心向量法、垂足线法、等效误差椭球法、误差椭圆缩放法等，综合考虑了邻井最近距离和井眼轨迹误差影响，评价结果比邻井最近距离可靠，计算过程比井眼碰撞概率简单，在国内外钻井现场均获得了较广泛应用。现有研究中，专利CN108071340B公布了一种井眼轨迹设计优选方法，综合考虑了钻井、定向施工难度及生产过程中杆管偏磨对投入成本的综合影响，达到降低生命周期内综合成本的目的；CN103993831B公布了一种采用变曲率钻井轨迹剖面设计的钻井方法；CN104265270B公布了一种碳酸盐岩缝洞钻井轨迹设计及控制方法，将相邻的所述碳酸盐岩缝洞的分段钻井轨迹依次连接得到碳酸盐岩缝洞钻井轨迹；CN102425374B公布了一种井眼轨道控制方法，包括井眼轨道设计和井眼轨道控制两部分内容；CN107882505B公布了基于导向钻具工作特性的井眼轨迹控制方法，提供了利用导向钻具的工作特性曲线控制井眼轨迹的方法；CN108518181B公布了一种致密砂岩气藏水平井轨迹动态调整方法；CN108571287B公布了基于过程控制的井眼轨迹控制系统，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；CN105545289B公布了一种正钻井与相邻已钻井主动防碰的方法，根据获取随钻测量探管与相邻已钻井套管相对空间位置数据判断正钻井与邻井的空间距离，避免钻井或调整井过程中两井相撞问题。2000年第23卷第3期，钻采工艺，柳贡慧等人深入研究了误差椭球(圆)及井眼碰撞概率，建立了基于信号值的误差椭圆计算及交碰概率分析；2012年第40卷第1期，石油学报，刁斌斌等人对邻井定向分离系数计算方法做了深入的探讨，采用定向分离系数将井眼轨迹误差分析与邻井距离扫描计算相结合，其可以更精确地反映邻井的交碰概率；2014年第35卷第1期，石油学报，刘修善等人对空间圆弧轨迹的解析描述算法做了详尽推导，建立了空间圆弧轨迹的两种描述方法即坐标转换法和矢量分析法，提出了两套空间圆弧轨迹参数的计算公式；2014年第40卷第9期，石油学报，鲁港等人研究了空间圆弧轨迹的矢量描述方法；2015年第36卷第12期，石油学报，史玉才等人对井眼分离系数进行了修正，提出了井眼分离系数的计算新方法；2016年第37卷第11期，石油学报，宗艳波等人发表了SAGD成对水平井磁导向测距仪研制与应用技术成果，在主动防碰技术方面做了进一步的探索。

上述现有技术存在的主要问题是：(1)现有的模型方法仅考虑了单井轨道优化设计方面，难以满足大井组轨道优化设计；(2)现有的防碰计算方法基于实钻轨迹计算交碰概率，对于大井组轨迹设计阶段邻井防碰绕障问题没有考虑；(3)现有的井眼轨迹优化设计求解方法采用传统的优化理论方法，不满足大井组丛式井防碰优化模型的求解。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种大井组丛式井轨迹防碰优化设计的方法，该方法建立以井眼轨迹中靶精度为目标函数，以定向钻进工具造斜率大小为工程约束条件，以得到的优化设计轨迹与邻井实钻井眼轨迹防碰扫描的分离系数为动态约束条件的非线性最优化模型，在轨迹寻优过程中动态求解与邻井防碰距离的分离系数，最终找出既能满足工程条件约束又能符合大井组丛式井防碰安全要求最优轨迹。

为了达到上述目的，本发明是通过下述技术方案来实现的。

一种大井组丛式井轨迹防碰优化设计的方法，包括下述步骤：

步骤一、定义大井组丛式井井场坐标范围，包括井场中心坐标参数，井场长、宽范围，井场最大垂深，将定义后井场坐标方位在东西、南北、垂深三维空间离散化为网格体；

步骤二、定义大井组设计井口参数，包括井口坐标参数及井口海拔；定义大井组靶体参数，包括靶心坐标参数及靶区半径及靶宽和靶高；将设计井口分配给目标靶体，轨迹优化设计即找到井口到目标靶体的设计曲线且满足防碰要求；

步骤三、将给定平台已钻井的井深、井斜角、井斜方位角、垂深、东西坐标、南北坐标及狗腿度轨迹数据参数加载到定义的大井组丛式井井场坐标范围内；

步骤四、自定义优化设计轨迹工程约束条件，给出增斜段的造斜率范围及扭方位段的狗腿严重度限制，给出设计井眼轨迹中靶精度范围和防碰安全距离；

步骤五、如果为水平井，根据定义的靶体坐标参数计算首靶点的井斜角和方位角，确定靶体的矢量中靶方位；

步骤六、根据式(1)方程建立大井组丛式井轨迹防碰优化设计模型，该模型的第一个方程minF₁满足中靶精度要求，第二个方程minF₂保证设计轨迹为最短井深这一目标函数：

式中：ΔN_i为每一个设计井段的北坐标增量，N_T为靶体北坐标参数，单位m；

ΔE_i为每一个设计井段的东坐标增量，E_T为靶体东坐标参数，单位m；

ΔH_i为每一个设计井段的垂深坐标增量，H_T为靶体垂深坐标参数，单位m；

ΔL_i为每一个设计井段的井深坐标增量，单位m；

步骤七、将求出的满足中靶精度要求的最优设计井眼轨迹数据，加载到定义的大井组丛式井井场坐标范围，根据最优设计井眼轨迹数据和步骤三轨迹数据计算最近距离，如果不满足防碰安全距离，则转向步骤六，继续求解满足最优井眼轨迹，否则转向步骤八；

步骤八、将满足防碰安全距离的最优井眼轨迹作为已钻井轨迹加载到定义的大井组丛式井井场坐标范围并更新井轨迹数据，作为下一口井轨迹优化设计基础，直至所有井口轨迹设计完成。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)基于常规轨道设计理论，以入靶精度和最短井深作为双优化目标，以造斜段造斜率和扭方位段全角变化率作为约束条件，建立了多目标约束的三维定向井轨道优化设计模型，优化设计的轨道更加平缓。

(2)充分考虑已钻井眼轨迹，设计井眼加载到丛式井坐标空间，与邻近网格采用最近距离进行邻井防碰分析，优化求解过程有效规避了非预期的井眼交碰问题，并可实现平台上的多个加密井设计。

附图说明

图1为大井组丛式井已钻井眼三维轨迹。

图2为空间离散化二维水平面网格切片显示。

图3为丛式井轨迹优化设计结果剖面，其中较粗曲线为设计井眼轨迹。

具体实施方式

下面选取某油田人工平台数据，结合附图对本发明做详细叙述。

一种大井组丛式井轨迹防碰优化设计的方法，包括下述步骤：

步骤一、定义油田某人工岛大井组丛式井井场坐标范围，其中井场中心大地坐标参数为(XXX7514.55，YYY651.88，0)，研究区域长度为2000米，宽度为2000米，深度为5000米，设定长宽高各方向增量均为5米，对研究目标区域进行网格离散划分。

步骤二、定义大井组设计井口参数，其中设计井井口大地坐标参数为(XXX7514.55，YYY651.88，0)，定义大井组靶体参数，其中入靶点大地坐标为(XXX9425.00，YYY’420.00，3324.09)，出靶点大地坐标为(XXX9495.00，YYY’455.00，3388.75)，靶体高度为10米，靶体宽度5米，将设计井口分配给目标靶体(Y’＝Y+2)。

步骤三、将某油田人工平台已钻井的井深、井斜角、井斜方位角、垂深、东西坐标、南北坐标及狗腿度轨迹数据参数加载到定义的大井组丛式井井场坐标范围内，部分已钻井井轨迹如图1所示，井口位置及坐标如图2所示。

步骤四、自定义优化设计轨迹工程约束条件，增斜段的造斜率范围为(0.0001,10.0000)，扭方位段的狗腿严重度范围为(0.0001,10.0000)，给定入靶精度为0.5米，防碰安全距离为5米；

步骤五、该设计井为水平井，根据靶体坐标参数计算得到的井斜角为80.42°，方位角为212.73°，该井斜角和方位角为中靶矢量方位。

步骤六、根据建立的大井组丛式井轨迹防碰优化设计模型及定义的工程约束条件，采用五点发设计生成井轨迹，并求取满足中靶精度(e＝0.5)的最优设计井眼轨迹，大井组丛式井轨迹防碰优化设计模型如下式，该模型的第一个方程minF₁满足中靶精度要求，第二个方程minF₂保证设计轨迹为最短井深这一目标函数：

式中：ΔN_i为每一个设计井段的北坐标增量，N_T为靶体北坐标参数，单位m；

ΔE_i为每一个设计井段的东坐标增量，E_T为靶体东坐标参数，单位m；

ΔH_i为每一个设计井段的垂深坐标增量，H_T为靶体垂深坐标参数，单位m；

ΔL_i为每一个设计井段的井深坐标增量，单位m。

优化设计结果如下表：

表2井眼轨迹优化设计剖面结果

井身(m)	井斜角(°)	方位角(°)	垂深(m)	北坐标(m)	东坐标(m)	狗腿角(°)
							0.00	0.00	0.00	0.00	0.00	0.00	0.00
300.00	0.00	242.15	300.00	-2.13	-182.46	0.52
							1100.58	53.20	242.15	996.72	-279.08	-369.64	0.48
4306.64	53.20	242.15	2927.94	-2416.55	-1775.38	0.37
							5215.63	80.42	212.73	3324.09	-3083.95	-2212.87	1.27
5630.49	80.42	212.73	3388.75	-3428.86	-2433.14	0.00

优化设计的井轨迹曲线如图3新增曲线所示。

步骤七、将求出的满足中靶精度要求的最优设计井眼轨迹数据，加载到定义的大井组丛式井井场坐标范围，根据最优设计井眼轨迹数据和步骤三轨迹数据计算最近距离均满足大于5米要求，符合防碰钻井施工要求。

步骤八、将满足防碰安全距离的最优井眼轨迹作为已钻井轨迹加载到定义的大井组丛式井井场坐标范围并更新井轨迹数据，作为下一口井轨迹优化设计基础，直至所有井口轨迹设计完成。

计算方法的原理说明：

随着钻井工艺的发展，井眼之间的距离越来越小，密集井网是油田后期设计加密调整井的主要难题之一，而丛式井是密集井网的一种表现形式，受油田生产任务的要求，必须要在密集丛式井网上设计新的加密调整井，加密调整井既要满足井眼中靶又要达到防碰施工。现有的轨迹设计方法无法同时兼顾轨道设计与防碰两个要求，本发明提出了密集井网条件下的井眼轨道寻优防碰设计。首先定义大井组丛式井井场坐标范围，选择目标区域坐标原点，离散划分三维空间，定义大井组设计井井口参数和靶参数，将设计井口分配给靶区。其次在定义的大井组丛式井井场坐标中加载已钻井井眼轨迹数据，标识不可穿越网格。再其次定义优化设计轨迹工程约束条件，设定井眼轨迹中靶精度，求解满足中靶精度要求的井眼轨迹优化设计模型。最后将求出满足中靶精度要求的最优设计井眼轨迹数据加载到定义的大井组丛式井井场坐标范围，采用最近距离进行防碰分析，满足防碰要求则将最优轨迹作为已钻井加载井场坐标，重新更新网格的可穿越属性，作为下一口井轨迹优化设计基础，直至所有井口轨迹设计完成。

以上内容是结合具体的优化实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (1)

1.一种大井组丛式井轨迹防碰优化设计的方法，其特征在于，包括下述步骤：

步骤一、定义大井组丛式井井场坐标范围，包括井场中心坐标参数，井场长、宽范围，井场最大垂深，将定义后井场坐标方位在东西、南北、垂深三维空间离散化为网格体，为后续设计轨迹优化设计防碰计算提供基础；

步骤二、定义大井组设计井口参数，包括井口坐标参数及井口海拔；定义大井组靶体参数，包括靶心坐标参数及靶区半径及靶宽和靶高；将设计井口分配给目标靶体，轨迹优化设计即找到井口到目标靶体的设计曲线且满足防碰要求；

步骤三、将给定平台已钻井的井深、井斜角、井斜方位角、垂深、东西坐标、南北坐标及狗腿度轨迹数据参数加载到定义的大井组丛式井井场坐标范围内；

步骤四、自定义优化设计轨迹工程约束条件，给出增斜段的造斜率范围及扭方位段的狗腿严重度限制，给出设计井眼轨迹中靶精度范围和防碰安全距离；

步骤五、如果为水平井，根据定义的靶体坐标参数计算首靶点的井斜角和方位角，确定靶体的矢量中靶方位；

步骤六、根据式(1)方程建立大井组丛式井轨迹防碰优化设计模型，该模型的第一个方程minF₁满足中靶精度要求，第二个方程minF₂保证设计轨迹为最短井深这一目标函数：

式中：ΔN_i为每一个设计井段的北坐标增量，N_T为靶体北坐标参数，单位m；

ΔE_i为每一个设计井段的东坐标增量，E_T为靶体东坐标参数，单位m；

ΔH_i为每一个设计井段的垂深坐标增量，H_T为靶体垂深坐标参数，单位m；

ΔL_i为每一个设计井段的井深坐标增量，单位m；

步骤七、将求出的满足中靶精度要求的最优设计井眼轨迹数据，加载到定义的大井组丛式井井场坐标范围，根据最优设计井眼轨迹数据和步骤三轨迹数据计算最近距离，如果不满足防碰安全距离，则转向步骤六，继续求解满足最优井眼轨迹，否则转向步骤八；

步骤八、将满足防碰安全距离的最优井眼轨迹作为已钻井轨迹加载到定义的大井组丛式井井场坐标范围并更新井轨迹数据，作为下一口井轨迹优化设计基础，直至所有井口轨迹设计完成。

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