CN113756787B - 一种井眼轨迹反演方法、系统及设备 - Google Patents

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CN113756787B CN202111181808.0A CN202111181808A CN113756787B CN 113756787 B CN113756787 B CN 113756787B CN 202111181808 A CN202111181808 A CN 202111181808A CN 113756787 B CN113756787 B CN 113756787B
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Abstract

本发明涉及井下探测技术领域，公开了一种井眼轨迹反演方法、系统及设备，方法包括：获取第一井眼不同井深处的空间位置坐标；确定不同井深处第一井眼与第二井眼(目标井)的相对位置关系；根据不同井深处第一井眼的空间位置坐标和相对位置关系确定不同井深处第二井眼的空间位置坐标；基于拟合后的第二井眼的井眼轨迹确定第二井眼任意井深处的井斜角数据和方位角数据；根据第二井眼预设井深处的井斜角数据和方位角数据预测第二井眼下一测点的井眼轨迹走向。本发明不需要在目标井中下放工具或仪器，对目标井不产生直接影响；可以反演出目标井全井段的井眼轨迹；可定量预测目标井下步井眼轨迹，可解决复杂井井眼轨迹不确定难题，具有广泛的推广价值。

Description

一种井眼轨迹反演方法、系统及设备
技术领域
本发明涉及井下探测技术领域，尤其涉及一种井眼轨迹反演方法、系统、设备。
背景技术
地下储气库是天然气管道输送系统的重要组成部分，对城市用气进行季节调峰和国家战略储备起着至关重要的作用。主要包括枯竭气田型、含水层型和盐穴型储气库三种，而以枯竭气田改建地下储气库最为经济。在改建过程中对于一些不符合要求的复杂老井，封堵报废处理时面临原始测斜资料缺失、井筒重入轨迹控制精度要求高、封堵难度大等诸多挑战。
现有技术中的储气库老井井眼轨迹测量方法是直接在井筒内下入测斜仪，通过陀螺测出地球自转角速率的分量、通过加速度计测量地球重力加速度分量，再运用公式计算出井斜角和方位角，完成一个点的测量，再把测斜仪移动到另一位置，重复上述动作直至完成全井测量。然后根据“两点法”计算模拟井眼轨迹，如采用正切法、平均角法、最小曲率法等。但是当老井井筒内有落鱼或管柱开窗错断时，测斜仪无法下入，无法直接获取老井井眼轨迹数据。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术存在的问题，提供一种井眼轨迹反演方法、系统及设备。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种井眼轨迹反演方法，包括：利用测斜仪获取第一井眼不同井深处的空间位置坐标；利用无源磁导向工具确定不同井深处第一井眼与第二井眼的相对位置关系；所述第二井眼为井眼轨迹待反演的目标井；根据不同井深处第一井眼的空间位置坐标和不同井深处第一井眼与第二井眼的相对位置关系确定不同井深处第二井眼的空间位置坐标；将不同井深处第二井眼的空间位置坐标相连并进行曲线拟合，得到第二井眼的井眼轨迹；基于拟合后的第二井眼的井眼轨迹确定第二井眼任意井深处的井斜角数据和方位角数据；根据第二井眼预设井深处的井斜角数据和方位角数据预测第二井眼下一测点的井眼轨迹走向。
为解决上述技术问题，本发明实施例还提供一种井眼轨迹反演系统，包括：第一井眼空间位置获取模块、相对位置关系确定模块、第二井眼空间位置确定模块、轨迹拟合模块、第二井眼测斜数据确定模块和轨迹预测模块。
第一井眼空间位置获取模块用于利用测斜仪获取第一井眼不同井深处的空间位置坐标；相对位置关系确定模块用于利用无源磁导向工具确定不同井深处第一井眼与第二井眼的相对位置关系；所述第二井眼为井眼轨迹待反演的目标井；第二井眼空间位置确定模块用于根据不同井深处第一井眼的空间位置坐标和不同井深处第一井眼与第二井眼的相对位置关系确定不同井深处第二井眼的空间位置坐标；轨迹拟合模块用于将不同井深处第二井眼的空间位置坐标相连并进行曲线拟合，得到第二井眼的井眼轨迹；第二井眼测斜数据确定模块用于基于拟合后的第二井眼的井眼轨迹确定第二井眼任意井深处的井斜角数据和方位角数据；轨迹预测模块用于根据第二井眼预设井深处的井斜角数据和方位角数据预测第二井眼下一测点的井眼轨迹走向。
本发明实施例还提供一种井眼轨迹反演设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上的并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述技术方案所述的井眼轨迹反演方法。
本发明的有益效果是：不需要在目标井中下放工具或仪器，对目标井不产生直接影响，能直接测量第一井眼和第二井眼(目标井)的相对位置关系；可以反演出目标井全井段的井眼轨迹，并且符合实际情况；可定量预测目标井下步井眼轨迹，解决复杂目标井井眼轨迹不确定难题，具有广泛的推广价值。
本发明附加的方面及其优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的井眼轨迹反演方法流程图；
图2为本发明实施例提供的井眼轨迹反演水平投影图；
图3为本发明实施例提供的井眼轨迹反演系统框图。
具体实施方式
下面将结合以下结合附图和实施例对本发明专利的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明实施例提供的井眼轨迹反演方法流程图。如图1所示，该方法包括如下步骤：
S110，利用测斜仪获取第一井眼不同井深处的空间位置坐标；
具体地，基于测斜仪测得第一井眼的测斜数据，包括测深l，井斜角α和方位角
Figure BDA0003297566860000031
调整预设井深以上的救援井井眼轨迹，对于第i处测点的空间位置坐标可以通过第i-1处的空间位置坐标递推积分而来：
Figure BDA0003297566860000041
递推至井口即可得第一井眼所有测斜测点的空间位置坐标(xi,yi,zi)。Δl为第i-1处测点与第i处测点的测深差，α为井斜角，
Figure BDA0003297566860000042
为方位角。一般地，可以采用样条插值拟合第一井眼全井的平滑轨迹，从而获得第一井眼已测量部分的空间位置坐标。
S120，利用无源磁导向工具确定不同井深处第一井眼与第二井眼的相对位置关系；所述第二井眼为井眼轨迹待反演的目标井；
运用无源磁导向工具测量预设井深处第一井眼与第二井眼的相对位置包括：最近距离r、水平方位θ、高边方位φ，公式为：
Figure BDA0003297566860000043
其中，u0为真空磁导率，I为老井上聚集电流；Hx、Hy、Hz分别为救援井预设井深下在X、Y、Z轴向磁场信号幅值分量；Gx、Gy、Gz分别为救援井预设井深下在X、Y、Z轴向加速度分量。
S130，根据不同井深处第一井眼的空间位置坐标和不同井深处第一井眼与第二井眼的相对位置关系确定不同井深处第二井眼的空间位置坐标；
根据第一井眼测点的空间位置坐标，可以基于无源磁导向测量结果计算得到在同一预设井深处第二井眼的空间位置坐标，计算第一井眼的空间位置坐标的公式为：
Figure BDA0003297566860000051
其中，(Xi,Yi,Zi)为第二井眼井筒上一点的空间位置坐标，与第一井眼(xi,yi,zi)坐标一一对应；KB和kb分别代表第二井眼和第一井眼的补心高。
S140,将不同井深处第二井眼的空间位置坐标相连并进行曲线拟合，得到第二井眼的井眼轨迹；
具体地，对于已测井段，可直线连接相邻的老井空间坐标得到近似的老井井眼轨迹，再采用用最小二乘法拟合第二井眼井眼轨迹的平滑曲线，使其更符合实际情况，从而获得第二井眼已测量部分的最大似然空间位置坐标(X'i,Y'i,Z'i)。
S150,基于拟合后的第二井眼的井眼轨迹确定第二井眼任意井深处的井斜角数据和方位角数据；
多次迭代后可得到第二井眼任意位置的井斜角和方位角数据。具体地，选取第二井眼ki处足够近的前后相邻的两个测点数据ki-1，ki+1，描述ki的井斜角α'和方位角
Figure BDA0003297566860000052
的公式为：
Figure BDA0003297566860000053
其中，(X'i+1,Y'i+1,Z'i+1)为ki+1点的空间位置坐标，(X'i-1,Y'i-1,Z'i-1)为ki-1点的空间位置坐标。
S160,根据第二井眼预设井深处的井斜角数据和方位角数据预测第二井眼下一测点的井眼轨迹走向。
具体地，基于井眼轨迹动力学得到第一井眼钻具的井斜变化率kα,t(l)和方位变化率
Figure BDA0003297566860000054
公式如下：
Figure BDA0003297566860000061
其中，kt(l)为钻具的造斜率，ωt(l)为工具面角，由于第一井眼和第二井眼距离近，一般为5米左右，因此，l可认定为第二井眼预测井段的测深；
基于第一井眼实钻资料反演得到地层井斜变化率Kα,f(l)和地层方位变化率
Figure BDA0003297566860000062
公式如下：
Figure BDA0003297566860000063
其中，kα(l)为第一井眼井斜变化率，
Figure BDA0003297566860000064
为第一井眼方位变化率，下标t表示钻具，l为第二井眼预测井段的测深；
根据所述地层井斜变化率Kα,f(l)和地层方位变化率
Figure BDA0003297566860000065
预测第二井眼的井斜变化率Kα(l)和方位变化率
Figure BDA0003297566860000066
Figure BDA0003297566860000067
其中，Kα,t(l)和
Figure BDA0003297566860000068
分别为第二井眼钻具的井斜变化率和方位变化率，l为第二井眼预测井段的测深；
根据第二井眼预设井深处的井斜角数据和方位角数据，对所述第二井眼的井斜变化率和方位变化率进行积分运算，得到所述第二井眼下一测点的井斜角α'(l)和方位角
Figure BDA0003297566860000069
Figure BDA00032975668600000610
其中，α'A为已知井斜角和方位角的最低测点的井斜角，
Figure BDA00032975668600000611
为已知井斜角和方位角的最低测点的方位角，l为第二井眼预测井段的测深。
上述实施例中，不需要在目标井中下放工具或仪器，对目标井不产生直接影响，能直接测量第一井眼和第二井眼(目标井)的相对位置关系；可以反演出目标井全井段的井眼轨迹，并且符合实际情况；可定量预测目标井下步井眼轨迹，解决复杂目标井井眼轨迹不确定难题，具有广泛的推广价值。
图2为井眼轨迹水平投影图，横、纵坐标分别代表相对于第一井眼(作为坐标中心点)井口的东坐标和北坐标。附图中的实线为第一井眼轨迹水平投影；圆圈、圆点、十字花等标识分别代表某次根据无源磁导向工具测量结果对第二井眼轨迹的反演得到的水平投影点。
下面结合一组实施例进一步描述本发明。在某次运用无源磁导向引导救援井(第一井眼)实施储气库老井(第二井眼)重入过程中，在救援井井深600-700米，测斜数据见表1。无源磁导向测得两井的相对位置关系见表2。
根据本发明的技术方案和实施步骤，选取反演步长为10米，老井井眼轨迹反演结果见表3。实施过程中，依据轨迹反演结果最终引导救援井在705.2m进入老井井眼。
表1
Figure BDA0003297566860000071
Figure BDA0003297566860000081
表2
测深l(m) 最近距离r(m) 水平方位θ(°)
600 6.378473 46.22968
610 6.148477 36.77474
620 5.034284 46.4813
630 4.784784 51.23248
640 4.188929 48.13756
650 3.509853 44.36679
660 3.082695 57.35836
670 2.200643 47.22561
680 1.416197 51.14415
690 0.806907 67.08601
700 0.297617 65.80799
表3
Figure BDA0003297566860000082
本发明实施例提供的井眼轨迹反演方法除了可以用在储气库老井改造，还可以用于井喷救援井、套管错断井等复杂事故情况的救援。
上文结合图1至图2，详细描述了根据本发明实施例提供的井眼轨迹反演方法。下面结合图3，详细描述本发明实施例提供的井眼轨迹反演系统。
如图3所示，井眼轨迹反演系统300包括：第一井眼空间位置获取模块310、相对位置关系确定模块320、第二井眼空间位置确定模块330、轨迹拟合模块340、第二井眼测斜数据确定模块350和轨迹预测模块360。
第一井眼空间位置获取模块310用于利用测斜仪获取第一井眼不同井深处的空间位置坐标；相对位置关系确定模块320用于利用无源磁导向工具确定不同井深处第一井眼与第二井眼的相对位置关系；所述第二井眼为井眼轨迹待反演的目标井；第二井眼空间位置确定模块330用于根据不同井深处第一井眼的空间位置坐标和不同井深处第一井眼与第二井眼的相对位置关系确定不同井深处第二井眼的空间位置坐标；轨迹拟合模块340用于将不同井深处第二井眼的空间位置坐标相连并进行曲线拟合，得到第二井眼的井眼轨迹；第二井眼测斜数据确定模块350用于基于拟合后的第二井眼的井眼轨迹确定第二井眼任意井深处的井斜角数据和方位角数据；轨迹预测模块360用于根据第二井眼预设井深处的井斜角数据和方位角数据预测第二井眼下一测点的井眼轨迹走向。
本发明实施例还提供一种井眼轨迹反演设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上的并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述上述实施例提供的井眼轨迹反演方法。
井眼轨迹反演设备接收测斜仪采集的第一井眼的测斜数据，并且接收无源磁导向工具在第一井眼中采集的第二井眼的磁场数据和第一井眼的重力场数据；井眼轨迹反演设备根据接收的上述数据计算第一井眼中不同井深处的空间位置坐标以及不同井深处第一井眼和第二井眼的相对位置关系，进而可以确定第二井眼不同井深处的空间位置坐标，将不同井深处第二井眼的空间位置坐标相连并进行曲线拟合，可得到第二井眼的井眼轨迹；基于拟合后的第二井眼的井眼轨迹确定第二井眼任意井深处的井斜角数据和方位角数据；、根据第二井眼预设井深处的井斜角数据和方位角数据可预测第二井眼下一测点的井眼轨迹走向。
上述实施例中，不需要在目标井中下放工具或仪器，对目标井不产生直接影响，能直接测量第一井眼和第二井眼(目标井)的相对位置关系；可以反演出目标井全井段的井眼轨迹，并且符合实际情况；可定量预测目标井下步井眼轨迹，解决复杂目标井井眼轨迹不确定难题，具有广泛的推广价值。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，上述描述的装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。
作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本发明实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以是两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分，或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
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。

Claims (7)

1.一种井眼轨迹反演方法，其特征在于，包括：
利用测斜仪获取第一井眼不同井深处的空间位置坐标；
利用无源磁导向工具确定不同井深处第一井眼与第二井眼的相对位置关系；所述第二井眼为井眼轨迹待反演的目标井；
所述确定不同井深处第一井眼与第二井眼的相对位置关系，包括：
利用无源磁导向工具在第一井眼不同井深处接收第二井眼发出的磁场信号数据，并且测量第一井眼不同井深处的重力场数据；根据所述磁场信号数据和重力场数据确定不同井深处第一井眼与第二井眼的相对位置关系；
根据所述磁场信号数据和重力场数据确定不同井深处第一井眼与第二井眼的相对位置关系，公式如下：
Figure FDA0003750470950000011
其中，r为最近距离、θ为水平方位、φ为高边方位，u0为真空磁导率，I为第二井眼上聚集电流；Hx、Hy、Hz分别为第一井眼预设井深处在X、Y、Z轴向磁场信号幅值分量；Gx、Gy、Gz分别为第一井眼预设井深处在X、Y、Z轴向加速度分量；
根据不同井深处第一井眼的空间位置坐标和不同井深处第一井眼与第二井眼的相对位置关系确定不同井深处第二井眼的空间位置坐标；
所述根据不同井深处第一井眼的空间位置坐标和不同井深处第一井眼与第二井眼的相对位置关系确定不同井深处第二井眼的空间位置坐标，包括：
Figure FDA0003750470950000021
其中，(Xi,Yi,Zi)为第二井眼井筒上一点的空间位置坐标，与第一井眼(xi,yi,zi)坐标一一对应；KB和kb分别代表第二井眼和第一井眼的补心高；
将不同井深处第二井眼的空间位置坐标相连并进行曲线拟合，得到第二井眼的井眼轨迹；
基于拟合后的第二井眼的井眼轨迹确定第二井眼任意井深处的井斜角数据和方位角数据；
根据第二井眼预设井深处的井斜角数据和方位角数据预测第二井眼下一测点的井眼轨迹走向。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用测斜仪获取第一井眼不同井深处的空间位置坐标，包括：
利用测斜仪测得第一井眼在预设井深处的井斜角和方位角；
调整第一井眼预设井深以上的井眼轨迹，根据预设井深处的井斜角和方位角递推得到预设井深处第一井眼的空间位置坐标；
将不同井深处第一井眼的空间位置坐标相连并进行曲线拟合，得到第一井眼的井眼轨迹。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，根据预设井深处的井斜角和方位角递推得到预设井深处第一井眼的空间位置坐标包括：通过第i-1测点处的空间位置坐标递推第i测点处的空间位置坐标，公式如下：
Figure FDA0003750470950000022
其中，第i测点处的空间位置坐标为(xi,yi,zi)，
Figure 1
为第i-1处测点与第i处测点的测深差，α为井斜角，
Figure FDA0003750470950000023
为方位角。
4.根据权利要求1至3任一项所述的方法，其特征在于，所述基于拟合后的第二井眼的井眼轨迹确定第二井眼任意井深处的井斜角数据和方位角数据，包括：选取距离第二井眼ki处最近的前后相邻的两个测点数据ki-1和ki+1，描述ki点的井斜角α'和方位角
Figure FDA0003750470950000031
公式如下：
Figure FDA0003750470950000032
其中，(X′i+1,Y′i+1,Z′i+1)为ki+1点的空间位置坐标，(X′i-1,Y′i-1,Z′i-1)为ki-1点的空间位置坐标。
5.根据权利要求1至3任一项所述的方法，其特征在于，所述根据第二井眼预设井深处的井斜角数据和方位角数据预测第二井眼下一测点的井眼轨迹走向，包括：
基于井眼轨迹动力学得到第一井眼钻具的井斜变化率kα,t(l)和方位变化率
Figure FDA0003750470950000033
公式如下：
Figure FDA0003750470950000034
其中，kt(l)为钻具的造斜率，ωt(l)为工具面角，
Figure 3
为第二井眼预测井段的测深；
基于第一井眼实钻资料反演得到地层井斜变化率Kα,f(l)和地层方位变化率
Figure FDA0003750470950000035
公式如下：
Figure FDA0003750470950000036
其中，kα(l)为第一井眼井斜变化率，
Figure FDA0003750470950000037
为第一井眼方位变化率，下标t表示钻具，
Figure 4
为第二井眼预测井段的测深；
根据所述地层井斜变化率Kα,f(l)和地层方位变化率
Figure FDA0003750470950000038
预测第二井眼的井斜变化率Kα(l)和方位变化率
Figure FDA0003750470950000041
Figure FDA0003750470950000042
其中，Kα,t(l)和
Figure FDA0003750470950000043
分别为第二井眼钻具的井斜变化率和方位变化率，
Figure 5
为第二井眼预测井段的测深；
根据第二井眼预设井深处的井斜角数据和方位角数据，对所述第二井眼的井斜变化率和方位变化率进行积分运算，得到所述第二井眼下一测点的井斜角α'(l)和方位角
Figure FDA0003750470950000044
Figure FDA0003750470950000045
其中，α′A为已知井斜角和方位角的最低测点的井斜角，
Figure FDA0003750470950000046
为已知井斜角和方位角的最低测点的方位角，
Figure 6
为第二井眼预测井段的测深。
6.一种井眼轨迹反演系统，其特征在于，用于实现权利要求1至5任一项所述的井眼轨迹反演方法，包括：
第一井眼空间位置获取模块,用于利用测斜仪获取第一井眼不同井深处的空间位置坐标；
相对位置关系确定模块，用于利用无源磁导向工具确定不同井深处第一井眼与第二井眼的相对位置关系；所述第二井眼为井眼轨迹待反演的目标井；
第二井眼空间位置确定模块，用于根据不同井深处第一井眼的空间位置坐标和不同井深处第一井眼与第二井眼的相对位置关系确定不同井深处第二井眼的空间位置坐标；
轨迹拟合模块，用于将不同井深处第二井眼的空间位置坐标相连并进行曲线拟合，得到第二井眼的井眼轨迹；
第二井眼测斜数据确定模块，用于基于拟合后的第二井眼的井眼轨迹确定第二井眼任意井深处的井斜角数据和方位角数据；
轨迹预测模块，用于根据第二井眼预设井深处的井斜角数据和方位角数据预测第二井眼下一测点的井眼轨迹走向。
7.一种井眼轨迹反演设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上的并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至5任一项所述的井眼轨迹反演方法。
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