CN114331752B - 一种井眼轨迹优化与风险防范方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种井眼轨迹优化与风险防范方法，属于石油与天然气钻井技术领域。其特征在于，首先对待钻井区块地震数据进行收集和处理，对裂缝进行识别和等级划分；同时根据区块实钻资料统计钻井复杂情况以及发生所在垂深区间；将该垂深区间标记为待钻井的风险区间，进一步建立风险空间，确定该空间内待优化对象和比较对象在三维坐标系下的方程；最后计算的待优化对象与比较对象最小距离与安全距离进行比对，优化井眼轨迹始并采取风险防范措施。本发明将裂缝进行分级、规则化处理，通过井眼轨迹和裂缝间的位置关系识别风险，优化并采取防范措施以提高钻井安全与钻井效率。

Description

一种井眼轨迹优化与风险防范方法

技术领域

本发明属于石油与天然气钻井技术领域，具体涉及一种井眼轨迹优化与风险防范方法。

背景技术

井眼轨迹优化是钻井工程的一个重要环节，随着油气勘探开发，技术难度与地层复杂程度加大，钻井复杂情况频繁发生，导致钻井成本、钻井周期增加。为实现安全高效的展开钻井作业，需要结合地层特征进一步对井眼轨迹进行设计与优化。目前国内外学者主要通过地震数据对地层特征进行描述，利用压缩感知等技术对地层较小尺度的裂缝再识别，当钻遇裂缝时根据裂缝的尺度等信息需要对存在风险的井眼轨迹进行优化使其绕开裂缝，同时采取封堵、强化等措施以应对复杂地层。在满足经济、技术等指标的前提下进行井眼轨迹优化能有效的降低钻井风险，提高钻井效率，因此建立了一种井眼轨迹优化与风险防范方法具有重要意义。

目前，针对井眼轨迹优化方法中“一种水平井钻井井眼轨迹优化方法”(申请号：CN201710653400.6)，主要对建立的多种水平钻井井眼轨迹从经济指标与技术指标进行评价，计算每个技术经济指标的综合效用值，根据综合效用值确定最优水平钻井井眼轨迹，该方法中权重计算模块较为主观性，指标两两比较权重需要依靠专家给出，并且缺少一致性检验环节，该方法更倾向于对现有的井眼轨迹设计方案进行最优的选择，在有新的方案出现时，需要重新对各项指标权重进行计算。“坍塌压力和失稳区域确定方法、以及井眼轨迹优化方法”(申请号：202010988786.8)主要通过调研现场资料，得到目标井区孔隙压力、地应力、裂缝产状和井眼深度及轨迹参数，进行实验测试得到岩石本体和裂缝面的强度参数，其中井眼轨迹优化方法为确定目的层段某井身处井眼井周各位置的坍塌压力，将最大值作为该深度处井眼坍塌压力，绘制不同井眼轨迹的安全钻井液密度饼状云图，图中较小值的分布区域为优化的设定井深处的井眼轨迹。但在裂缝复杂的地层，不同层段处需要经过实验得到岩石本体和裂缝面的强度参数，通过实验获取难度较大，并且在钻遇大尺度裂缝时，井漏或坍塌情况导致实测数据有效性降低。

发明内容

针对现有技术不足，本发明提供了一种井眼轨迹优化与风险防范方法，以裂缝与井眼轨迹间最小距离为依据，进一步对井眼轨迹进行优化，根据地层特征进一步做出风险防范措施，提高钻井效率，减少钻井成本与周期。

本发明所解决的技术问题采用以下技术方案，一种井眼轨迹优化与风险防范方法，包括以下步骤：

步骤一：对待钻井区块地震资料进行收集并经过高分辨处理，获取地层裂缝特征，包括裂缝分布信息与裂缝尺度信息，并根据裂缝尺度信息将裂缝划分为不同等级；

步骤二：根据区块实钻资料统计钻井复杂情况与发生垂深区间[h_i,h_i+1](i＝0,1,2...)，其中钻井复杂情况存在一个或多个垂深区间；所述钻井复杂情况主要包括漏失与坍塌；同时将此垂深区间标记为风险区间，并在该区间内建立风险空间；

步骤三：将步骤二所述风险空间内井眼轨迹作为待优化对象；根据裂缝的分布信息，风险空间内的裂缝作为比较对象；同时区分待优化对象所处风险空间内的危险空间与安全空间；

步骤四：根据裂缝的分布信息与尺度信息，在以井口为原点的三维坐标系内确定风险空间内的待优化对象方程Q(x,y,z)，同时确定在同一坐标下的面比较对象、线比较对象以及点比较对象对应的面方程F(x,y,z)、线方程L(x,y,z)、点坐标P(x,y,z)；

步骤五：计算待优化对象与各比较对象空间最小距离min D_t；

步骤六：最小距离与安全距离的比对；若待优化对象与所有的比较对象的最小距离min D_t大于等于对应比较对象的安全距离R_t(t＝1,2,3)，进行步骤七；若存在待优化对象与任一比较对象的最小距离min D_t小于对应比较对象的安全距离R_t(t＝1,2,3)，则进行步骤八；

步骤七：待优化对象在该风险区间内处于安全空间，进一步以减小钻井成为目标，将待优化对象根据井眼轨迹尽可能短的原则进行优化；同时根据该风险区间的地层特征，采取相应的风险防范措施；

步骤八：待优化对象处于或者穿过危险空间，需优化井眼轨迹，同时根据该风险区间的地层特征采取风险防范措施；

具体地，步骤一所述的裂缝等级划分方法为：大于10米属于I级裂缝；1～10米属于Ⅱ级裂缝；小于1米属于Ⅲ级裂缝；

具体地，步骤二所述的风险空间具体为，以井口为原点建立三维坐标系，x为正东方向，y为正北方向，z为垂深方向，垂直于z轴方向的两个平面z_i＝h_i和z_i+1＝h_i+1与井眼轨迹相较于两点，分别为上交点A(x_i,y_i,z_i)和下交点B(x_i+1,y_i+1,z_i+1)，以轨迹AB为轴线水平距离为2(h_i+1-h_i)半径内的空间为风险空间；

具体地，步骤三所述比较对象包括三种类型，分别为：面比较对象、线比较对象及点比较对象；将风险空间内的裂缝按照裂缝等级进行规则化处理：I级裂缝视为大尺度裂缝，规则化成面比较对象；Ⅱ级裂缝视为中尺度裂缝，规则化成线比较对象；Ⅲ级裂缝视为小尺度裂缝，规则化成点比较对象；

进一步地，步骤三所述的危险空间与安全空间区分方法为：在风险空间内，与比较对象的距离小于安全距离R_t(t＝1,2,3)的空间为危险空间，其余为安全空间；

其中，当为面比较对象时，安全距离R₁取值不小于20米；当为线比较对象时，安全距离R₂取值不小于10米；当为点比较对象时，安全距离R₃取值不小于5米；

具体地，步骤五所述的空间最小距离min D_t是基于有约束的非线性规划模型，即①②两部分进行求解；

①建立目标函数如式(1)；

min D_t (1)

其中：

②建立约束条件如式(3)；

式中：Q(x,y,z)为待优化对象方程；G(x_t,y_t,z_t)为比较对象方程；t＝1时，D₁为待优化对象上的点到面比较对象上点的距离，G(x₁,y₁,z₁)取面方程F(x,y,z)；t＝2时，D₂为待优化对象上的点到线比较对象上点的距离，G(x₂,y₂,z₂)取线方程L(x,y,z)；t＝3时，D₃为待优化对象上的点到点比较对象的距离，(x₃,y₃,z₃)为定值，约束条件中只有条件Q(x,y,z)＝0和z_i≤z₀≤z_i+1起约束作用；

每一个比较对象与待优化对象之间的最小距离都可以建立一个非线性规划模型，利用Matlab中fmincon函数优化求解；当为面比较对象和线比较对象时，其对应的非线性规划模型中约束条件中含有两个等式约束条件，一个为待优化对象方程，另一个为比较对象方程；当为点比较对象时，其对应的非线性规划模型中约束条件中含有一个等式约束条件，为待优化对象方程；

具体地，步骤七中，待优化对象上任意一点向任意方向可移动的距离应小于安全余量e，保证待优化对象在经过优化调整后仍然处于安全空间；

步骤五计算得到风险空间内待优化对象与每个比较对象的最小距离(min D_t)_n，其中n＝1,2,3...和t＝1,2,3表示第n个比较对象类型，将比较对象的安全距离R_t(t＝1,2,3)和对应的最小距离(min D_t)_n代入式(4)得到安全余量e；

e＝min((min D_t)₁-R_t,(min D_t)₂-R_t...(min D_t)_n-R_t) (4)

式中：e为安全余量，米；

具体地，步骤八中所述的优化井眼轨迹具体为，针对最小距离小于安全距离的n个比较对象，与之对应待优化对象上n个最小距离min D_n的点为优化点；确定待优化对象与比较对象上最小距离的两点坐标，即得到待优化对象上n个优化点坐标C_n(x,y,z)和n个比较对象上点坐标E_n(x_t,y_t,z_t)，其中t为1、2、3时候分别表示该比较对象为面、线、点；将点坐标C_n(x,y,z)处沿向量方向移动最小的距离以脱离危险空间直到参考点C'_n(x',y',z')处，最小移动距离为d_n如式(5)；

d_n＝R_n-min D_n(n＝1,2,3...) (5)

式中：d_n为第n个优化点的最小移动距离，米；R_n为第n个比较对象的安全距离，米；min D_n为第n个优化点与比较对象的最小距离，米；

参考点C'_n(x',y',z')的坐标确定方法为式(6)；

式中：(x,y,z)为与参考点C'_n(x',y',z')对应的优化点坐标C_n(x,y,z)；

在以优化点尽可能移动最小距离、优化点局部调整的原则下优化井眼轨迹避开危险空间，经过参考点C'_n(x',y',z')，使得在参考点沿井深方向切向量M_n(a,b,c)与待优化对象点C_n(x,y,z)处切向量方向相同，则井斜角由式(7)计算，方位角由(8)计算；

式中：α为参考点处井斜角，°；β为参考点处方位角，°；

具体地，步骤七和步骤八中所述采取风险预防措施，具体为根据地震解释结果判断风险区间的地层特征，若地层特征表现为杂乱相，或平行相伴有断裂，则认为该层段为易漏失地层，需采取封堵措施；若地层特征表现为平行相且无断裂，则认为该层段为易坍塌地层，需采取井壁强化措施。

本发明由于采取以上技术方案，具有以下优点：

本发明提供的一种井眼轨迹优化与风险防范方法，所述方法通过区块钻井复杂情况与地层特征相结合作为待钻井井眼轨迹优化的依据，将区块的易发生复杂情况的垂深区间作为待钻井井眼轨迹的风险空间，能够针对性的对有风险区间内的井眼轨迹进行优化；

进一步地，该方法根据裂缝不同尺度划分为不同类型，规则化为不同类型的比较对象，计算比较对象与待优化对象的距离，将距离问题转化为最优化问题进行求解，根据比较对象与待优化对象的位置关系判断是否存在风险；

另一方面，该方法根据风险区间的地层特征提出应当采取的风险防范措施，提高钻井安全，减少复杂情况发生。

附图说明

图1是一种井眼轨迹优化与风险防范方法流程图；

图2是风险区间、风险区间示意图；

图3是待优化对象、比较对象、危险空间及安全空间示意图；

图4是较短距离优化示意图；

图5是地层剖面风险区间杂乱相示意图；

图6是优化井眼轨迹示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细的描述。

步骤一：针对某井区，对该井区块地震资料进行收集并经过高分辨处理，获取地层裂缝特征，包括裂缝分布信息与裂缝尺度信息，并根据裂缝尺度信息将裂缝划分为不同等级；大于10米属于I级裂缝；1～10米属于Ⅱ级裂缝；小于1米属于Ⅲ级裂缝；

步骤二：根据区块实钻资料分析容易发生复杂情况的垂深区间，现针对其中一个区间[1000,1100]，具体如图2所示的风险区间、风险空间；

步骤三：图3为待优化对象、不同类型比较对象、安全空间及危险空间示意图，在风险区间[1000,1100]内，根据裂缝分布信息与尺度信息，存在I级裂缝、Ⅱ级裂缝、Ⅲ级裂缝，存在I级裂缝规则化成面比较对象，Ⅱ级裂缝规则化成线比较对象，Ⅲ级裂缝规则化成点比较对象，对应的安全距离R分别为20米，10米，5米；风险空间内井眼轨迹AB段为待优化对象；

步骤四：根据裂缝的分布信息与尺度信息，在以井口为原点的三维坐标系内，确定待优化对象方程A(177.83,0,1000)，B(191,0,1100)，面比较对象的方程为2x₁+3y₁-z₁+800＝0(177.83≤x₁≤191,1000≤z₁≤1100)；线比较对象线的方程为点比较对象坐标P(180,2,1050)；

步骤五：将待优化对象方程，面比较对象方程，线比较对象方程，点比较对象坐标分别带入非线性规划模型式(3)中，利用Matlab中fmincon函数计算待优化对象与比较对象的最小距离；

计算得到待优化对象与面比较对象最小距离min D₁＝21.92，待优化对象与线比较对象最小距离min D₂＝15.67，待优化对象与点比较对象的最小距离min D₃＝4.85；

步骤六：根据步骤五计算结果，min D₁大于面比较对象安全距离(R₁＝20)；min D₂大于线比较对象安全距离(R₂＝10)；min D₃小于安全距离(R₃＝5)，即存在待优化对象与点比较对象的距离小于点比较对象的安全距离，进行步骤八；

步骤七：为说明该步骤存在的必要性，假设步骤五中所得min D₃＝6，步骤六判断待优化对象与所有的比较对象之间的最小距离都大于对应比较对象的安全距离，待优化对象在该风险区间内处于安全空间，进一步以减小钻井成为目标，将待优化对象根据井眼轨迹尽可能短的原则进行优化；计算得到安全余量e＝min(21.92-20,15.67-10,6-5)＝1，待优化对象上任意一点向任意方向可移动的距离都小于安全余量(1米)，在如图4所示的较短距离优化示意图中，根据实际钻井工程与专家意见，在可移动范围内以较短距离从A到B；同时根据图5地层剖面风险区间杂乱相示意图知该风险区间为杂乱相，采取封堵措施；

步骤八：待优化对象穿过点比较对象危险空间，待优化对象与点比较对象的最小距离的两点坐标分别为C₁(184.4,0,1049.4)、E₁(180,2,1050)，得到向量d_n＝0.15,C'₁(184.53,-0.062,1049.38)，如图5所示优化井眼轨迹，经过参考点C'₁，在参考点沿井深方向切向量为M₁(a,b,c)，/>将a、b、c代入式(7)(8)，得到该处井斜角α＝7.5°，方位角β＝0°，即优化的井眼轨迹经过参考点C'₁(184.53,-0.062,1049.38)，且井斜角α＝7.5°，方位角β＝0°时，井眼轨迹以最小移动距离及优化点局部调整原则下避开了危险空间。

应该理解的是，本发明所公开的具体实施方法不限于这里所公开的特定步骤、方法，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，并且在此使用的术语仅用于描述特定的实施例，不意味着限制。

以上描述了本发明的基本方法和主要特征。本行业的技术人员应该了解，实施例对本发明进行了详细说明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有部分技术特征的修改或等同替换，而这些修改或替换都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种井眼轨迹优化与风险防范方法，其特征在于，具体步骤包括:

步骤一：对待钻井区块地震资料进行收集并经过高分辨处理，获取地层裂缝特征，包括裂缝分布信息与裂缝尺度信息，并根据裂缝尺度信息将裂缝划分为不同等级；

步骤二：根据区块实钻资料统计钻井复杂情况与发生垂深区间[h_i,h_i+1]，i＝0,1,2...，其中钻井复杂情况存在一个或多个垂深区间；所述钻井复杂情况主要包括漏失与坍塌；同时将此垂深区间标记为风险区间，并在该区间内建立风险空间；

步骤三：将步骤二所述风险空间内井眼轨迹作为待优化对象；根据裂缝的分布信息，风险空间内的裂缝作为比较对象；同时区分待优化对象所处风险空间内的危险空间与安全空间；

步骤四：根据裂缝的分布信息与尺度信息，在以井口为原点的三维坐标系内确定风险空间内的待优化对象方程Q(x,y,z)，同时确定在同一坐标下的面比较对象、线比较对象以及点比较对象对应的面方程F(x,y,z)、线方程L(x,y,z)、点坐标P(x,y,z)；

步骤五：计算待优化对象与各比较对象空间最小距离minD_t，最小距离minD_t是基于有约束的非线性规划模型，即①②两部分进行求解；

①建立目标函数如式(1)；

minD_t(1)

其中：

②建立约束条件如式(3)；

式中：Q(x,y,z)为待优化对象方程；G(x_t,y_t,z_t)为比较对象方程；t＝1时，D₁为待优化对象上的点到面比较对象上点的距离，G(x₁,y₁,z₁)取面方程F(x,y,z)；t＝2时，D₂为待优化对象上的点到线比较对象上点的距离，G(x₂,y₂,z₂)取线方程L(x,y,z)；t＝3时，D₃为待优化对象上的点到点比较对象的距离，x₃,y₃,z₃为定值，约束条件中只有条件Q(x,y,z)＝0和z_i≤z₀≤z_i+1起约束作用；

步骤六：最小距离与安全距离的比对；若待优化对象与所有的比较对象的最小距离minD_t大于等于对应比较对象的安全距离R_t，t＝1,2,3，进行步骤七；若存在待优化对象与任一比较对象的最小距离minD_t小于对应比较对象的安全距离R_t，t＝1,2,3，则进行步骤八；

步骤七：待优化对象在该风险区间内处于安全空间，进一步以减小钻井成为目标，将待优化对象根据井眼轨迹尽可能短的原则进行优化；同时根据该风险区间的地层特征，采取相应的风险防范措施；

步骤八：待优化对象处于或者穿过危险空间，需优化井眼轨迹，同时根据该风险区间的地层特征采取风险防范措施。

2.根据权利要求1所述的一种井眼轨迹优化与风险防范方法，其特征在于，步骤一所述的裂缝等级划分方法为：大于10米属于Ⅰ级裂缝；1～10米属于Ⅱ级裂缝；小于1米属于Ⅲ级裂缝。

3.根据权利要求1所述的一种井眼轨迹优化与风险防范方法，其特征在于，步骤二所述的风险空间具体为，以井口为原点建立三维坐标系，x为正东方向，y为正北方向，z为垂深方向，垂直于z轴方向的两个平面z_i＝h_i和z_i+1＝h_i+1与井眼轨迹相较于两点，分别为上交点A(x_i,y_i,z_i)和下交点B(x_i+1,y_i+1,z_i+1)，以轨迹AB为轴线水平距离为2(h_i+1-h_i)半径内的空间为风险空间。

4.根据权利要求1所述的一种井眼轨迹优化与风险防范方法，其特征在于，步骤三所述比较对象包括三种类型，分别为：面比较对象、线比较对象及点比较对象，具体为将风险空间内的裂缝按照裂缝等级进行规则化处理：Ⅰ级裂缝视为大尺度裂缝，规则化成面比较对象；Ⅱ级裂缝视为中尺度裂缝，规则化成线比较对象；Ⅲ级裂缝视为小尺度裂缝，规则化成点比较对象。

5.根据权利要求1所述的一种井眼轨迹优化与风险防范方法，其特征在于，步骤三所述的危险空间与安全空间区分方法为：在风险空间内，与比较对象的距离小于安全距离R_t的空间为危险空间，其余为安全空间，t＝1,2,3；

其中，当为面比较对象时，安全距离R₁取值不小于20米；当为线比较对象时，安全距离R₂取值不小于10米；当为点比较对象时，安全距离R₃取值不小于5米。

6.根据权利要求1所述的一种井眼轨迹优化与风险防范方法，其特征在于，步骤七中，待优化对象上任意一点向任意方向可移动的距离小于安全余量e，保证待优化对象在经过优化调整后仍然处于安全空间；

步骤五计算得到风险空间内待优化对象与每个比较对象的最小距离(minD_t)_n，其中n＝1,2,3...和t＝1,2,3表示第n个比较对象类型，将比较对象的安全距离R_t，t＝1,2,3，及对应的最小距离(minD_t)_n代入式(4)得到安全余量e；

e＝min((minD_t)₁-R_t,(minD_t)₂-R_t,...,(minD_t)_n-R_t)(4)

式中：e为安全余量，米。

7.根据权利要求1所述的一种井眼轨迹优化与风险防范方法，其特征在于，步骤八中所述的优化井眼轨迹具体为，针对最小距离小于安全距离的n个比较对象，与之对应待优化对象上n个最小距离minD_n的点为优化点；确定待优化对象与比较对象上最小距离的两点坐标，即得到待优化对象上n个优化点坐标C_n(x,y,z)和n个比较对象上点坐标E_n(x_t,y_t,z_t)，其中t为1、2、3时分别表示该比较对象为面、线、点；将点坐标C_n(x,y,z)处沿向量方向移动最小的距离以脱离危险空间直到参考点C'_n(x',y',z')处，最小移动距离为d_n如式(5)；

d_n＝R_n-minD_n，n＝1,2,3...(5)

式中：d_n为第n个优化点的最小移动距离，米；R_n为第n个比较对象的安全距离，米；minD_n为第n个优化点与比较对象的最小距离，米；

参考点C'_n(x',y',z')的坐标确定方法为式(6)；

式中：x,y,z为与参考点C'_n(x',y',z')对应的优化点坐标C_n(x,y,z)；

在以优化点尽可能移动最小距离、优化点局部调整的原则下优化井眼轨迹避开危险空间，经过参考点C'n(x',y',z')，使得在参考点沿井深方向切向量M_n(a,b,c)与待优化对象点C_n(x,y,z)处切向量方向相同，则井斜角由式(7)计算，方位角由(8)计算；

式中：α为参考点处井斜角，°；β为参考点处方位角，°。

8.根据权利要求1所述的一种井眼轨迹优化与风险防范方法，其特征在于，步骤七和步骤八中所述采取风险防范措施，具体为根据地震解释结果判断风险区间的地层特征，若地层特征表现为杂乱相，或平行相伴有断裂，则认为该层段为易漏失地层，需采取封堵措施；若地层特征表现为平行相且无断裂，则认为该层段为易坍塌地层，需采取井壁强化措施。