CN116427909B - 基于垂直钻井系统的井斜方位测定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于油气井工程技术领域，公开了一种基于垂直钻井系统的井斜方位测定方法，包括以下步骤：设置临界角γ、重力加速度g和地磁倾角β；根据垂直钻井工具上的传感器测量信号，估算井斜角，判断垂直钻井工具的工作模式；将井斜角与临界角γ进行比较，当井斜角小于临界角γ时为小角度井斜，当井斜角大于临界角γ时为大角度井斜；根据井斜的角度大小以及工作模式的不同，分别计算工具面角ω、井斜角α和方位角Φ。该井斜方位测定方法能最大限度提高垂直钻井系统在不同工作状态下求解井斜角以及方位角的准确度，从而大大提高工具的可靠性，提升工作效率。
Description
技术领域
本发明属于油气井工程技术领域，具体涉及一种基于垂直钻井系统的井斜方位测定方法。
背景技术
随着石油勘探开采难度增大，深层油气开发中易斜地层出现防斜打快问题、海上油气开发中出现直井段防斜与高密度丛式井防碰打直问题，这些都是制约深层油气勘探开发的重要因素。常规防斜手段无法真正满足复杂地层及井身条件钻直井的需要，特别是在我国西部新区及川东北地区，高陡构造、大倾角地层及大尺寸井眼的防斜打快当前仍是一项技术难题。垂直钻井系统作为钻井工程中的井下工具，能实现自动防斜纠斜，同时凭借其精准的井斜控制能力有效释放钻压，大幅提高机械钻速。
垂直钻井系统中最为核心的组成部分是测控平台，负责将井筒内传感器收集的信号通过一定算法进行处理，并根据所计算出的逻辑结果下达指令。因此，测控平台自带的逻辑算法先进程度将决定垂直钻井系统的有效工作性。现有技术方案中，经典算法求解方位角会受到井斜角的影响，井斜角越小误差反而越大；且当测控中心处于旋转状态时，会进一步放大误差。
因此，为提高垂直钻井系统的工作稳定性，实现高效率防斜打直的目的，迫切需要基于垂直钻井系统特点，优化建立一种可靠的井斜方位测定新方法。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题。为此，本发明目的在于提供一种基于垂直钻井系统的井斜方位测定方法。
本发明所采用的技术方案为：
一种基于垂直钻井系统的井斜方位测定方法，包括以下步骤：
S1、设置临界角γ、重力加速度g和地磁倾角β；
S2、根据垂直钻井工具上的传感器测量信号，估算井斜角，判断垂直钻井工具的工作模式；
S3、将井斜角与临界角γ进行比较，当井斜角/>小于临界角γ时为小角度井斜，当井斜角/>大于临界角γ时为大角度井斜；
S4、根据井斜的角度大小以及工作模式的不同，分别计算工具面角ω、井斜角α和方位角Φ。
优选地，所述垂直钻井系统包括垂直钻井工具，垂直钻井工具上远离其旋转轴线的部位安装有用于判断垂直钻井工具的工作模式的加速度传感器。垂直钻井工具的工作模式包括静止工作模式和旋转工作模式。
优选地，在步骤S1中，根据设备精度设置临界角γ，根据地理环境因素设置重力加速度g和地磁倾角β。
本发明的有益效果为：
本发明所提供的井斜方位测定方法，以井斜方位角经典理论算法为基础，综合考虑了磁倾角，大角度井斜或小角度井斜条件，以及测控平台静止或旋转情况下，井斜方位角的可能的误差情况。分类分情况推导出了在不同情况下最接近实际结果的算法，并通过泰勒公式对计算结果进行优化。其次，找到一种简单有效的方法对工具的状态进行判定。最后基于上述分类和方法，完成对不同的工作模式和算法的整合，以实现于垂直钻井系统中的测控程序。
该井斜方位测定方法基于基础理论方法以及微积分思想，建立小倾斜角井斜方位测定方法，在仿真实验以及模型实验机实验中均表现出良好精度。实验结果表明在该算法在小角度以及测控中心旋转的条件下，能大大降低测量方位角与真实方位角的误差。证明基于这套测定方法，能最大限度提高垂直钻井系统在不同工作状态下求解井斜角以及方位角的准确度，从而大大提高工具的可靠性，提升工作效率。
附图说明
图1是本发明垂直钻井系统的结构示意图。
图2是本发明井斜角水平投影示意图。
图3是本发明方位角水平投影示意图。
图4是本发明加速度传感器安装位置示意图。
图5是本发明磁通量传感器、重力传感器安装位置示意图。
图6是本发明井斜方位测定方法的流程图。
图中：1-电子分析结构；2-机械驱动结构；3-转动涡轮；4-传感器控制电路；5-推靠执行机构；6-钻头。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。
应当理解，还应当注意到实施例中，所出现的功能/动作可能与附图出现的顺序不同。例如，取决于所涉及的功能/动作，实际上可以实质上并发地执行，或者有时可以以相反的顺序来执行连续示出的两个图。
本发明首先归纳分析垂直钻井系统在实钻中的技术应用难点，规划技术对策以规避或减小井斜方位测定误差带来的工作影响；根据设备精度以及地理环境因素设置基本参数。然后根据垂直钻井工具上的传感器元件反馈的信号得到基础数据，最后选择恰当的算法进行计算。
垂直钻井系统结构示意如图1所示，其大致结构包括从上往下设置的电子分析结构1、机械驱动结构2，钻头6安装在机械驱动结构2上，其中电子分析结构1和机械驱动结构2构成了垂直钻井工具；机械驱动结构2上设有推靠执行机构5，电子分析结构1内设有转动涡轮3和传感器控制电路4。需要使用垂直钻井系统的钻采区块大多位于特殊构造带或断层/裂缝发育层，地层倾角大，岩性分布不一，自然造斜能力强。
根据作业区块的地质特征，在采用自动垂直钻井技术进行防斜打直操作时，归纳分析技术应用难点，制定对应解决办法。所涉及的垂直钻井系统技术应用难点如下表1：
表1 垂直钻井系统技术应用难点
| 难点简称 | 难点具体内容 | 是否影响井斜方位 |
| 高频振动引起系统机械损伤 | 在可钻性差的地层蹩跳钻严重，振动幅度大，易造成系统内零件疲劳磨损，促使系统密封失效，让钻井液进入系统内，电路短路 | 会影响 |
| 高频振动引起系统电路失效 | 易造成电动机转动不畅等问题，直接影响液压泵效率，从而改变系统纠斜侧向力大小 | 会影响 |
| 系统信号传输失效 | 深井等常采用高密度油基钻井液，对系统信号的生成及传输造成困难 | 会影响 |
| 多发托压、挂卡等井下复杂 | 泥页岩吸水膨胀、盐膏层蠕动会影响机械钻速，造成系统零配件疲劳失效，虽能更好达到防斜打直的目的，却不可避免地多发一定程度的托压、挂卡等井下复杂情况 | 影响较小 |
在分析特定作业区块单井应用自动垂直钻井技术防斜打直技术应用难点的基础上，提出保证自动垂直钻进系统防斜打直效果的技术对策。
所涉及的垂直钻井系统应用技术对策为：1、从垂直钻井系统外界减振及自身抗振性能入手，解决钻进时的钻具振动大、纠斜难等问题；2、通过优化脉冲发生器控制阀的性能，克服深井超深井脉冲信号传输的难题；3、根据不同层位地质特性，优选计算纠斜执行机构推靠翼的尺寸及作用力大小，在确保防斜打直的同时，缓解复杂地层或工况下的托压、挂卡问题。以上对策将会更好地为同步完善井斜方位测定方法做好技术指导与铺垫。
在克服系统技术应用难点的前提下，根据设备精度与地理环境因素设置临界角度γ、重力加速度g和地磁倾角β。
井斜角测量时，要求测量中心不能随钻具一起旋转，为达到仪器理想工作条件，要么关闭转盘或顶驱，要么给测量中心一个反方向旋转角动量，让控制中心与井筒处于相对静止的状态，A点的井斜角、方位角如图2和图3所示，其中图3中的x、y、z分别代表x轴、y轴和z轴。
在确保测量中心仪器理想工作条件下，对井斜角明显较大或仪器处于静态工作模式时，采用基于井斜方位原始理论计算方法，用仪器测量等数据校正，算出造斜工具面角ω、实际井斜角α、实际方位角Φ。
造斜工具面角ω满足方程：
；
井斜角α满足方程：
；
方位角Φ满足方程：
；
式中：G表示重力加速度，根据所处经纬确定，常为9.8g/cm2；Ma、Mb分别表示不同工具面平面方向处的地磁场磁通量，测量可得；L表示轴线方向；Ga、Gb、GL分别表示不同工具面平面方向与轴线方向的重力加速度分量。
需要注意的是，当井斜角接近零度数值时，Ga、Gb趋近于0，所以工具面角ω、理论方位角Φ将不能用上述方法进行计算。
因此，还需要提前设置关于井斜角的临界角γ，该角度与设备处理器的精度有关，而设置的重力加速度G以及地磁倾角β，只与地球地理环境因素有关。
收集整理垂直钻井工具上的传感器测量信号，估算井斜角，得到工作模式J、重力加速度分量、地磁场分量等基础数据。
当测量中心仪器处于旋转工作模式的测量情况下，一般将加速度传感器安装在旋转轴线上，减小离心力的影响。但首先为确保弄清工具运动状态，如图4所示，需在垂直钻井工具远离旋转轴线的系统区域安装一个加速度传感器。
采集设备测量数据，估算理论井斜角，将其与设置的临界角γ进行比较，判断当前属于小角度井斜还是大角度井斜。安装于远离轴线的传感器能检测测量中心是否跟随钻具一同旋转，以判断测量时工具的工作模式。工作模式以变量J为符号象征，依靠设备传感器来赋值。若安装在仪器偏离轴心远端的加速度计判断设备处于旋转工作模式，则J=1，否则J=0，设备处于静止工作模式，因此J可被看作是一个随钻测量值。如前面所述，Ga、Gb、GL、Ma、Mb、ML分别是重力加速度与地磁场磁通量沿不同工具面平面方向与轴线方向处的分量，也可以随钻测量，根据实钻过程推算出相关的数据变化趋势，反演井眼轨迹走向。
根据估算角以及工作模式J，选择恰当的算法进行计算；具体的，在确保测量中心仪器理想工作条件下，当井斜角远小于临界角γ或处于旋转工作模式时，根据估算角/>的大小以及工作模式J数值，采用特殊算法，在工具面角或磁工具面角的换算下，算出造斜工具面角ω、实际井斜角α、实际方位角Φ。
预测井斜角α数值范围可能远小于临界角γ，此刻井斜角α较小时，造斜工具面角采用Ga、Gb（Ga、Gb约等于0）计算将造成极大误差；考虑到Ma、Mb受井斜角影响最小，所以可以用磁工具面角φω造斜工具面角ω；
；
；
式中，ω为工具面角；φω为磁工具面角；Φ为实际方位角。
在小角度的方位测定中，由于井斜角α小的接近于0，所以cosα约等于1，sinα约等于α。此时，不同工具面平面方向处的地磁场磁通量计算公式为：
；
；
式中，β是地磁倾角；
令，有以下关系式成立：
；
；
所以，实际方位角Φ满足：
。
测量中心仪器处于旋转工作模式时，不论井斜角大小，当检测到测量中心仪器处于旋转工作模式时，重力传感器以及地磁场传感器的安装示意图如5所示，即造斜工具面角ω会随着时间迁移发生周期性改变（在某一小段时间内可以视为均匀的）。
进一步技术方案是，采用积分思想，可进行如下算式分析：
；
关于造斜工具面角ω，将其在区间[0,]积分后有：
；
令；
同理，可以对GaMa关于造斜工具面角ω积分得：
令；
一阶近视方位角：
；
同理，实际井斜角α可以通过下列公式算出：
；
；
；
式中，ω用磁工具面角解算；g为重力分量，由重力加速度换算得来。
按照上述分析，实际的井斜方位测量有4种计算过程：1、大角度井斜且静止工作状态，J=0；2、大角度井斜且旋转旋转工作模式，J≠0；3、小角度井斜且静止工作状态，J=0；4、小角度井斜且旋转旋转工作模式，J≠0。实际的计算过程呈现出小角度井斜且旋转旋转工作模式这种情况最为复杂，因此针对第4种情况进行计算说明。
根据理论井斜角大小判断是否进行井斜方位计算结果优化；通过理论分析可知，在用磁场工具面角求解井斜工具面角过程中，会产生误差，而且误差会随着井斜以及真实方位角的变化而变化。第4种情况中，依据估算的理论井斜角大小，当/>大于设定的临界值γ，不进行计算结果优化，否则进行井斜方位计算结果优化。
在此分析上基于二阶泰勒公式的结果优化方法如下：
；
；
利用泰勒公式，近似的方位角与真实的方位角之间满足以下关系：
；
即。
具体到本实施例，如图1至图6所示，本实施例的基于垂直钻井系统的井斜方位测定方法，包括以下步骤：
S1、根据设备精度设置临界角γ，根据地理环境因素设置重力加速度g和地磁倾角β。
S2、根据垂直钻井工具上的传感器测量信号，估算井斜角，判断垂直钻井工具的工作模式。
S3、将井斜角与临界角γ进行比较，当井斜角/>小于临界角γ时为小角度井斜，当井斜角/>大于临界角γ时为大角度井斜。
S4、根据井斜的角度大小以及工作模式的不同，分别计算工具面角ω、井斜角α和方位角Φ。
当井斜角大于临界角γ，且垂直钻井工具为静止工作模式时：
；
；
；
其中，G表示重力加速度，M表示磁通量，a、b分别表示工具面平面方向；L表示轴线方向。
当井斜角大于临界角γ，且垂直钻井工具为旋转工作模式时：
；
；
；
；
其中，，/>，/>，，G表示重力加速度，M表示磁通量，a、b分别表示工具面平面方向；L表示轴线方向。
当井斜角小于临界角γ，且垂直钻井工具为旋转工作模式时，
；
；
；
；
；
其中，，/>，/>，，G表示重力加速度，M表示磁通量，a、b分别表示工具面平面方向；L表示轴线方向。
当井斜角小于临界角γ，且垂直钻井工具为静止工作模式时：
；
；
；
；
；
其中，G表示重力加速度，M表示磁通量，a、b分别表示工具面平面方向；L表示轴线方向。
为了验证上述分析过程对误差的优化处理有效率，建立仿真实验，进行垂直钻井系统模型实验，软件仿真实验时的设置参数如下：
表2 仿真实验参数
| 参数 | 数值 | 参数 | 数值 | 参数 | 数值 | 参数 | 数值 |
| 重力加速度(m/s2) | 9.81 | min方位(°) | 1 | 转速2(r/min) | 50 | 磁传感信噪比 | 18 |
| 地磁倾角(10-5T) | 4.85 | max方位(°) | 350 | 转速3(r/min) | 100 | 井斜(°)② | 0.5 |
| 井斜1(°) | 0.5 | 间距(°) | 1 | 间隔时间(s) | 12 | 方位(°)② | 40 |
| 井斜2(°) | 1 | 每秒采样 | 120 | 重力传感信噪比 | 0.8 | 重力传感信噪比② | 0.8 |
| 井斜3(°) | 2 | 转速1(r/min) | 0 | 重力传感信噪比 | 12 | 磁传感信噪比② | 18 |
表3 仿真实验结果
| 误差点 | 实际方位(°) | 优化前偏差(°) | 优化后偏差(°) |
| max正偏差 | 90 | 2.08 | 0.12 |
| max负偏差 | 270 | -2.08 | -0.12 |
结果证明，优化后的结果误差大大降低，证明了分析过程的准确性。可以看出，即使在小角度动态测量这样最为复杂的条件下，整套井斜方位测定方法也是可靠的。
本发明不局限于上述可选实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是落入本发明权利要求界定范围内的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种基于垂直钻井系统的井斜方位测定方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、设置临界角γ、重力加速度g和地磁倾角β；
S2、根据垂直钻井工具上的传感器测量信号，估算井斜角，判断垂直钻井工具的工作模式；
S3、将井斜角与临界角γ进行比较，当井斜角/>小于临界角γ时为小角度井斜，当井斜角/>大于临界角γ时为大角度井斜；
S4、根据井斜的角度大小以及工作模式的不同，分别计算工具面角ω、井斜角α和方位角Φ；
在步骤S4中，当井斜角大于临界角γ，且垂直钻井工具为静止工作模式时：
；
；
；
在步骤S4中，当井斜角大于临界角γ，且垂直钻井工具为旋转工作模式时：
；
；
；
；
在步骤S4中，当井斜角小于临界角γ，且垂直钻井工具为旋转工作模式时，
；
；
；
；
；
在步骤S4中，当井斜角小于临界角γ，且垂直钻井工具为静止工作模式时：
；
；
；
；
；
其中，，/>，
，/>，G表示重力加速度，M表示磁通量，a、b分别表示工具面平面方向；L表示轴线方向。
2.根据权利要求1所述的井斜方位测定方法，其特征在于：所述垂直钻井系统包括垂直钻井工具，垂直钻井工具上远离其旋转轴线的部位安装有用于判断垂直钻井工具的工作模式的加速度传感器。
3.根据权利要求1或2所述的井斜方位测定方法，其特征在于：所述垂直钻井工具的工作模式包括静止工作模式和旋转工作模式。
4.根据权利要求1所述的井斜方位测定方法，其特征在于：在步骤S1中，根据设备精度设置临界角γ，根据地理环境因素设置重力加速度g和地磁倾角β。
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