CN111414705A - 一种丛式井井眼轨迹防碰设计的三维空间可穿越评估方法 - Google Patents

Abstract

一种丛式井井眼轨迹防碰设计的三维空间可穿越评估方法，步骤为：一、对密集井网加密钻井的井口数据进行加载，实现可视化；二、收集密集井网加密钻井井眼轨迹设计数据，三、对井眼轨迹设计数据进行校验，四、确定三维网格界限，划分三维网格；五、加载油田现有的井眼轨迹设计和实钻数据，实现可视化；步骤六、利用空间网格数据体进行井口垂向扫描防碰，标识出轨迹在网格的穿越属性，步骤七：通过计算确定空间网格数据体中有多少网格被轨迹穿越，最终扫描结果即为三维空间可穿越性评价；该方法以当前井眼轨迹设计和实钻数据为基础，将数据进行三维可视化处理，通过三维空间离散化，将可穿越网格与不可穿越网格区分，实现三维可穿越空间标记。

Description

一种丛式井井眼轨迹防碰设计的三维空间可穿越评估方法

技术领域

本发明涉及油气田钻井技术领域，特别涉及一种丛式井井眼轨迹防碰设计的三维空间可穿越评估方法。

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交碰事故时有发生，导致套管损毁甚至整口井彻底报废。因此，定量评价丛式井井眼轨迹防碰设计的三维空间可穿越性，对各井眼的空间关系及运动趋势做出预测，进而采取相应的针对措施，尽量避免因各种原因导致的两井相碰，具有非常重要的现实意义。众多学者从不同的角度对丛式井轨迹防碰设计做出不同的研究。现有研究中，专利CN201610776433.5公布了一种可以在加密井网直井段钻井作业过程中用于防碰风险量化的计算方法；专利CN201711427457.0公布了一种多功能测斜仪及基于该测斜仪进行邻井套管相对位置判断的方法；专利CN201710286192.0公布了一种页岩气水平丛式井组井眼轨迹与钻井方法；专利CN201810987034.2公布了一种三维绕障钻井设计方法、装置及其存储介质；专利CN201510611700.9公布了一种海上丛式井组钻井顺序优化方法；专利CN201910853980.2公布了一种丛式井井眼防碰撞短节、防碰撞系统及防碰撞方法；2011年第11卷第9期的《安全、健康和环境》杂志中，周延军等人分析了丛式井井眼交碰的影响因素，从设计和施工两个方面提出了具体的技术措施，提出了以余隙系数(K)作为设计和施工的准则，以Btotal数值作为判断井眼是否接近的准则；2015年第27卷第7期的《西部探矿工程》杂志中，文乾彬等人应用"工厂化"丛式水平井井眼防碰扫描方法及井眼相碰概率评价方法，并对昌吉致密油"井工厂"丛式水平井进行防碰扫描及误差分析；2017年第45卷第5期《石油钻探技术》杂志中，边瑞超等人应用低刚性钻具组合，使井下钻具获得更大的挠度变形空间；进行随钻MWD磁场强度监测，根据磁场强度异常值判断正钻井与邻井套管的距离,预警碰撞风险，指导正钻井防碰；2018年第41卷第4期《钻采工艺》杂志中，李兵等人通过对井眼轨迹距离扫描方法进行分析，优选出最近距离法作为轨迹距离扫描方法，并对轨迹误差影响因素、误差椭圆、分离系数进行分析；2019年第41卷第4期《石油钻采工艺》杂志中，胡中志等人应用实钻井眼轨迹碰撞风险分析的分离系数概念，计算分析了分离系数为1时，密集丛式井上部井段造斜点深度、邻井造斜点深度差、造斜率、造斜方位等4个关键参数的临界值。

上述现有技术存在的主要问题是：(1)常用的井眼轨迹防碰设计算法为曲率半径、最小曲率和自然曲线三种典型的插值算法，在三维中应用缺少成熟的优化模型；(2)现场获得的数据繁杂，目前在井眼轨迹优化过程中没有一种合适的方法实现对数据的降噪；(3)在丛式井井眼规划设计过程中，设计井设计数据无法直径现场应用，需要在实钻过程中进行修正。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的是提供一种丛式井井眼轨迹防碰设计的三维空间可穿越评估方法，该方法以当前井眼轨迹设计和实钻数据为基础，将数据进行三维可视化处理，通过三维空间离散化，将可穿越网格与不可穿越网格区分，实现三维可穿越空间标记。

为了达到上述目的，本发明通过下述技术方案来实现：

一种丛式井井眼轨迹防碰设计的三维空间可穿越评估方法，包括以下步骤：

步骤一、对密集井网加密钻井的井口数据进行加载，实现井口分布密集程度可视化；

步骤二、收集密集井网加密钻井井眼轨迹设计数据，包括：井场信息、井号信息、测量深度、该测量点的井斜角、方位角、垂直深度和该点的南北坐标、东西坐标，将数据以表格形式存储，其中在表格中的第一列为序号，第二列ID为该条数据在数据库的唯一标号数据存入后由数据库分配；

步骤三、对井眼轨迹设计数据进行校验，从而保证井眼轨迹设计数据在同一大地坐标系统下的一致性，确保数据的准确性，在校验过程中应用平衡正切法对两测点间的经验轨迹进行测算，公式如下：

式中：ΔD，两测点在铅垂面投影沿D方向的距离，单位米；ΔL，两测点在铅垂面投影的间距，单位米；ΔS，两测点在水平面投影的间距，单位米；α₁，点1的井斜角，单位度；α₂，点2的井斜角，单位度；ΔN，两测点在水平面投影沿N方向的距离，单位米，φ₁，点1的方位角；φ₂，点2的方位角；ΔE，两测点在水平面投影沿E方向的距离，单位米；

通过轨迹测算，保证经验轨迹设计数据在数据库中的井眼轨迹数据的完整性和真实性；

步骤四、确定三维网格界限，划分三维网格；通过对井口坐标及井眼轨迹设计数据的统计和分析，在统计分析过程中应用圆柱螺旋法对一钻井眼轨迹数据校验，公式如下：

式中：ΔD，两测点在铅垂面投影沿D方向的距离，单位米；ΔL，两测点在铅垂面投影的间距，单位米；ΔS，两测点在水平面投影的间距，单位米；α₁，点1的井斜角，单位度；α₂，点2的井斜角，单位度；ΔN，两测点在水平面投影沿N方向的距离，单位米，φ₁，点1的方位角；φ₂，点2的方位角；ΔE，两测点在水平面投影沿E方向的距离，单位米；Δα，两测点的螺旋升角差，在此处近似为两侧单的井斜角差，单位度；Δφ，两测点的方位角差，单位度；

完成数据统计分析后，确定三维网格空间的界限，建立三维体并实现离散化得到三维网格模型；

步骤五、加载油田现有的井眼轨迹设计和实钻数据，实现现有井眼轨迹的可视化；

步骤六、根据井眼轨迹的可视化，利用空间网格数据体进行井口垂向扫描防碰，标识出轨迹在网格的穿越属性，在垂向扫描过程中，应用最近距离法进行碰撞检测，公式如下：

最近距离扫描法是以参考点M为球心，作同心球体，每个同心球体的半径都不同，且邻井与球体刚好与接触的那个点P，MP的长度是两口井的最近距离：

设Y_P＝MP，则：

式中：MP，两测点在三维空间中的距离，单位米；E_p、N_p、H_p分别为对比井上P点相对于井口的东、北、垂深坐标，单位米；E_M、N_M、H_M分别为对比井上P点相对于井口的东、北、垂深坐标，单位米。

新的加密井轨迹设计时要在连续的未被穿越网格下设计，而被穿越的网格在进一步加密时将不能再设计轨迹；

步骤七：通过计算确定空间网格数据体中有多少网格被轨迹穿越，有多少未被穿越，最终扫描结果即为三维空间可穿越性评价。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)针对丛式井设计数据和实钻数据进行三维可视化处理，创新性地提出了钻遇地层三维空间可穿越，有效的促进了单元化设计理念和井眼轨迹防碰设计方法融合，可根据现场需要对地层离散化进行自主设定，。

(2)针对现有的丛式井井段密集区集中在与竖直井段，应用数据降噪算法，对现有数据进行降噪，应用全局统筹设计，通过井口位置、靶点位置和靶体数据联合，实现整个区域井口的。

附图说明

图1为井口数据加载及可视化。

图2为多井轨迹网格划分。

图3为井眼轨迹数据加载可视化。

图4为不同深度出垂向可穿越云图。

图5为实施例1井口垂向防碰扫描结果。

具体实施方式

下面选取某油田数据结合附图对本发明做详细叙述。

一种丛式井井眼轨迹防碰设计的三维空间可穿越评估方法，包括以下步骤：

步骤一、对密集井网加密钻井的井口数据进行加载，如图1所示，实现井口分布密集程度可视化；

步骤二、收集密集井网加密钻井井眼轨迹设计数据，包括：井场信息、井号信息、测量深度、该测量点的井斜角、方位角、垂直深度和该点的南北坐标、东西坐标，将数据以表格形式存储，其中在表格中的第一列为序号，第二列ID为该条数据在数据库的唯一标号数据存入后由数据库分配；

步骤三、对井眼轨迹设计数据进行校验，从而保证井眼轨迹设计数据在同一大地坐标系统下的一致性，确保数据的准确性，在校验过程中应用平衡正切法对两测点间的经验轨迹进行测算，公式如下：

式中：ΔD，两测点在铅垂面投影沿D方向的距离，单位米；ΔL，两测点在铅垂面投影的间距，单位米；ΔS，两测点在水平面投影的间距，单位米；α₁，点1的井斜角，单位度；α₂，点2的井斜角，单位度；ΔN，两测点在水平面投影沿N方向的距离，单位米，φ₁，点1的方位角；φ₂，点2的方位角；ΔE，两测点在水平面投影沿E方向的距离，单位米。

通过轨迹测算，保证经验轨迹设计数据在数据库中的井眼轨迹数据的完整性和真实性；

如下表所示，下表为数据一致性校验：

ID	井场	测深	井斜角	方位角	垂深	南北坐标	东西坐标
								W1	1-3	2087.26	17.05	251.12	2078.71	-44.39	-16.48
W2	1-3	2115.35	18.33	253.52	2105.47	-46.97	-24.61
								W3	1-3	2143.44	22.6	256.82	2131.78	-49.46	-34.11
W4	1-3	2171.54	25.36	255.72	2157.45	-52.17	-45.2
								W5	1-3	2199.67	26.67	255.72	2182.73	-55.22	-57.16
W6	1-3	2227.79	28.13	254.92	2207.7	-58.5	-69.67
								W7	1-3	2255.64	29	254.92	2232.15	-61.96	-82.53
W8	1-3	2283.77	30.94	255.32	2256.52	-65.57	-96.11
								W9	1-3	2311.89	31.99	254.42	2280.51	-69.4	-110.28
W10	1-3	2340.06	33.53	255.32	2304.2	-73.38	-125
								W11	1-3	2368.2	34.63	255.32	2327.5	-77.37	-140.25
W12	1-3	2396.32	36.74	250.12	2350.35	-82.26	-155.89
								W13	1-3	2424.43	38.67	245.62	2372.59	-88.75	-171.8
W14	1-3	2452.53	36.61	240.92	2394.85	-96.44	-187.13
								W15	1-3	2480.63	36.43	235.42	2417.43	-105.25	-201.32
W16	1-3	2508.75	37.18	230.62	2439.95	-115.39	-214.77

步骤四、确定三维网格界限，划分三维网格，如图2所示；通过对井口坐标及井眼轨迹设计数据的统计和分析，在统计分析过程中应用圆柱螺旋法对一钻井眼轨迹数据校验，公式如下：

式中：ΔD，两测点在铅垂面投影沿D方向的距离，单位米；ΔL，两测点在铅垂面投影的间距，单位米；ΔS，两测点在水平面投影的间距，单位米；α₁，点1的井斜角，单位度；α₂，点2的井斜角，单位度；ΔN，两测点在水平面投影沿N方向的距离，单位米，φ₁，点1的方位角；φ₂，点2的方位角；ΔE，两测点在水平面投影沿E方向的距离，单位米；Δα，两测点的螺旋升角差，在此处近似为两侧单的井斜角差，单位度；Δφ，两测点的方位角差，单位度。

通过以上的公式校验，保证经验轨迹数据的准确定，避免异常数据点的出现。完成数据统计分析后，确定三维网格空间的界限，建立三维体并实现离散化得到三维网格模型；

步骤五、加载油田现有的井眼轨迹设计和实钻数据，实现现有井眼轨迹的可视化；如图3所示。

步骤六、根据井眼轨迹的可视化，利用空间网格数据体进行井口垂向扫描防碰，结果如图5所示，标识出轨迹在网格的穿越属性；在垂向扫描过程中，应用最近距离法进行碰撞检测，公式如下：

最近距离扫描法是以参考点M为球心，作同心球体，每个同心球体的半径都不同，且邻井与球体刚好与接触的那个点P，MP的长度是两口井的最近距离：

设Y_P＝MP，则：

式中：MP，两测点在三维空间中的距离，单位米；E_p、N_p、H_p分别为对比井上P点相对于井口的东、北、垂深坐标，单位米；E_M、N_M、H_M分别为对比井上P点相对于井口的东、北、垂深坐标，单位米。

新的加密井轨迹设计时要在连续的未被穿越网格下设计，而被穿越的网格在进一步加密时将不能再设计轨迹；

步骤七、通过计算确定空间网格数据体中有多少网格被轨迹穿越，有多少未被穿越，最终扫描结果即为三维空间可穿越性评价。

实验方法的原理说明：

在同一坐标系统下，井眼轨迹防碰设计的精确性与当前井轨迹计算模型、测斜仪器误差、扫描间距等因素有关，邻井测斜数据来源和数据预处理也非常关键。对于井眼轨迹计算模型，算法较多，如最小曲率法、曲率半径法、平均角法、悬链线法等等，不同算法对应的误差不同，主要体现在垂深、南北坐标、闭合位移、闭合方位等计算结果上，测斜数据计算方法也要对应一致；对于仪器误差，不同的测斜仪器误差会有一定的区别，以系统椭圆误差为例，误差系数的影响因素包括：相对深度误差、井斜误差、方位误差、钻柱磁干扰、陀螺方位漂移等，在进行防碰扫描设计时需参照测斜仪器产品使用说明书和现场实际录入到计算软件中；对于测斜数据来源，在进行防碰扫描设计时，精确度完井多点测斜≥随钻测斜＞电测连斜，所以选取邻井测斜数据时应避免使用连斜数据，该数据仅做参考分析；对于数据预处理，相关井的基准面要一致，不同井场井进行防碰扫描时一定要注意这点，需将原井井深、井斜数据修正到基于目前钻机实际补心海拔高度后进行防碰计算，同时，在进行测斜计算前，必须考虑磁偏角和子午线收敛角的校正问题，将磁方位角校正为真方位角，保证测斜计算轨迹和设计轨迹处在同一坐标系。测斜计算中插值算法在石油工程中应用的十分广泛，而且与一般的数学插值问题不同。伴随石油开采发展，出现了各种特殊井型，而原始的插值方法不能满足现场作业的需求。根据经典插值模型的插值算法，提出了曲率半径、最小曲率和自然曲线三种典型的插值算法优化模型，并提出了空间可穿越评估方法，与现有方法相比更加合理。

以上内容是结合具体的优选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 (3)

1.一种丛式井井眼轨迹防碰设计的三维空间可穿越评估方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、对密集井网加密钻井的井口数据进行加载，实现井口分布密集程度可视化；

步骤二、收集密集井网加密钻井井眼轨迹设计数据，包括：井场信息、井号信息、测量深度、该测量点的井斜角、方位角、垂直深度和该点的南北坐标、东西坐标，将数据以表格形式存储，其中在表格中的第一列为序号，第二列ID为该条数据在数据库的唯一标号数据存入后由数据库分配；

步骤三、对井眼轨迹设计数据进行校验，从而保证井眼轨迹设计数据在同一大地坐标系统下的一致性，通过轨迹测算，保证经验轨迹设计数据在数据库中的井眼轨迹数据的完整性和真实性；

步骤四、确定三维网格界限，划分三维网格；通过对井口坐标及井眼轨迹设计数据的统计和分析，完成数据统计分析后，确定三维网格空间的界限，建立三维体并实现离散化得到三维网格模型；

步骤五、加载油田现有的井眼轨迹设计和实钻数据，实现现有井眼轨迹的可视化；

步骤六、根据井眼轨迹的可视化，利用空间网格数据体进行井口垂向扫描防碰，标识出轨迹在网格的穿越属性，在垂向扫描过程中，应用最近距离法进行碰撞检测，公式如下：

最近距离扫描法是以参考点M为球心，作同心球体，每个同心球体的半径都不同，且邻井与球体刚好与接触的那个点P，MP的长度是两口井的最近距离：

设Y_P＝MP，则：

式中：MP，两测点在三维空间中的距离，单位米；E_p、N_p、H_p分别为对比井上P点相对于井口的东、北、垂深坐标，单位米；E_M、N_M、H_M分别为对比井上P点相对于井口的东、北、垂深坐标，单位米；

新的加密井轨迹设计时要在连续的未被穿越网格下设计，而被穿越的网格在进一步加密时将不能再设计轨迹；

步骤七：通过计算确定空间网格数据体中有多少网格被轨迹穿越，有多少未被穿越，最终扫描结果即为三维空间可穿越性评价。

2.一种丛式井井眼轨迹防碰设计的三维空间可穿越评估方法，其特征在于，所述的步骤三，在校验过程中应用平衡正切法对两测点间的经验轨迹进行测算，公式如下：

式中：ΔD，两测点在铅垂面投影沿D方向的距离，单位米；ΔL，两测点在铅垂面投影的间距，单位米；ΔS，两测点在水平面投影的间距，单位米；α₁，点1的井斜角，单位度；α₂，点2的井斜角，单位度；ΔN，两测点在水平面投影沿N方向的距离，单位米，φ₁，点1的方位角；φ₂，点2的方位角；ΔE，两测点在水平面投影沿E方向的距离，单位米。

3.一种丛式井井眼轨迹防碰设计的三维空间可穿越评估方法，其特征在于，所述的步骤四中，在统计分析过程中应用圆柱螺旋法对一钻井眼轨迹数据校验，公式如下：

式中：ΔD，两测点在铅垂面投影沿D方向的距离，单位米；ΔL，两测点在铅垂面投影的间距，单位米；ΔS，两测点在水平面投影的间距，单位米；α₁，点1的井斜角，单位度；α₂，点2的井斜角，单位度；ΔN，两测点在水平面投影沿N方向的距离，单位米，φ₁，点1的方位角；φ₂，点2的方位角；ΔE，两测点在水平面投影沿E方向的距离，单位米；Δα，两测点的螺旋升角差，在此处近似为两侧单的井斜角差，单位度；Δφ，两测点的方位角差，单位度。

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