CN117823043A - 短垂距短半径分支孔的定向钻进方法及系统 - Google Patents

短垂距短半径分支孔的定向钻进方法及系统 Download PDF

Info

Publication number
CN117823043A
CN117823043A CN202311862880.9A CN202311862880A CN117823043A CN 117823043 A CN117823043 A CN 117823043A CN 202311862880 A CN202311862880 A CN 202311862880A CN 117823043 A CN117823043 A CN 117823043A
Authority
CN
China
Prior art keywords
target
well
rigid
unit
drilling
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202311862880.9A
Other languages
English (en)
Other versions
CN117823043B (zh
Inventor
曾一凡
杨维弘
武强
肖璇
庞凯
魏新疆
刘学
梅傲霜
孟世豪
于超
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
China University of Mining and Technology Beijing CUMTB
Original Assignee
China University of Mining and Technology Beijing CUMTB
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by China University of Mining and Technology Beijing CUMTB filed Critical China University of Mining and Technology Beijing CUMTB
Priority to CN202311862880.9A priority Critical patent/CN117823043B/zh
Publication of CN117823043A publication Critical patent/CN117823043A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN117823043B publication Critical patent/CN117823043B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • EFIXED CONSTRUCTIONS
    • E21EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21BEARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B7/00Special methods or apparatus for drilling
    • E21B7/04Directional drilling
    • EFIXED CONSTRUCTIONS
    • E21EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21BEARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B44/00Automatic control systems specially adapted for drilling operations, i.e. self-operating systems which function to carry out or modify a drilling operation without intervention of a human operator, e.g. computer-controlled drilling systems; Systems specially adapted for monitoring a plurality of drilling variables or conditions
    • EFIXED CONSTRUCTIONS
    • E21EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21BEARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B47/00Survey of boreholes or wells
    • E21B47/12Means for transmitting measuring-signals or control signals from the well to the surface, or from the surface to the well, e.g. for logging while drilling

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Geology (AREA)
  • Mining & Mineral Resources (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Geochemistry & Mineralogy (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Geophysics (AREA)
  • Earth Drilling (AREA)

Abstract

本公开提供一种短垂距短半径分支孔的定向钻进方法及系统。具体地,所述钻进方法适用于刚性弯节定向钻进装置,所述钻进方法包括:获取并根据地层勘察数据,确定所述分支孔的侧钻点和靶点;根据所述侧钻点和所述靶点,绘制井眼目标轨迹;其中,所述井眼目标轨迹的曲率半径的最小值不小于预设阈值且所述井眼目标轨迹在所述靶点的井斜角满足预设条件;获取所述钻杆的参数数据;根据所述参数数据、所述井眼目标轨迹和所述地层勘察数据,确定与所述井眼目标轨迹对应的推进力;将所述推进力施加于所述刚性弯节定向钻进装置进行分支孔的钻进;其中,所述推进力转化为所述接触反力,以使所述刚性弯节定向钻进装置弯曲,从而得到小垂高大曲率的分支孔。

Description

短垂距短半径分支孔的定向钻进方法及系统
技术领域
本公开涉及矿井治理技术领域,尤其涉及一种短垂距短半径分支孔的定向钻进方法及系统。
背景技术
西北侏罗纪煤田煤炭资源储量丰富,煤层较厚且几乎无构造影响,具有良好的开采条件,已成为我国重要的能源生产、储备基地。随着国家煤炭资源开采重心逐渐向西部转移,西部地区煤矿为了增产增效采取大采高和综采放顶煤等高强度规模化开采造成导水裂隙带快速发育,以致导水裂隙带发育至基岩含水层内,最高沟通地表。由于部分矿井存在红土隔水层缺失情况,导致第四系萨拉乌苏组含水层(即第四系含水层)与基岩含水层直接形成“越流”水力联系,以致第四系含水层和基岩含水层“两含”通过导水裂隙带涌入矿井,引起采空区内出现稳定的、大量的涌水问题。伴随着煤层工作面推进过程中覆岩应力改变,岩层发生移动和破坏发育导水裂隙,导致矿井采空区极易发生顶板突水事故,危及井下安全生产。
发明内容
有鉴于此,本公开的目的在于提出一种短垂距短半径分支孔的定向钻进方法及系统。
基于上述目的,本公开提供了一种短垂距短半径分支孔的定向钻进方法,所述钻进方法适用于刚性弯节定向钻进装置,所述刚性弯节定向钻进装置包括导斜件和刚性弯节导向单元;其中,所述刚性弯节导向单元包括至少一钻杆,所述导斜件用于接收来自于钻井壁且垂直于接触位置的钻进装置轴向的接触反力,以使所述刚性弯节导向单元弯曲;
所述钻进方法包括:
获取并根据地层勘察数据,确定所述分支孔的侧钻点和靶点;
根据所述侧钻点和所述靶点,绘制井眼目标轨迹;其中,所述井眼目标轨迹的曲率半径的最小值不小于预设阈值且所述井眼目标轨迹在所述靶点的井斜角满足预设条件;
获取所述钻杆的参数数据;根据所述参数数据、所述井眼目标轨迹和所述地层勘察数据,确定与所述井眼目标轨迹对应的推进力;
将所述推进力施加于所述刚性弯节定向钻进装置进行分支孔的钻进;其中,所述推进力转化为所述接触反力。
基于同一发明构思,本公开实施例还提供了一种短垂距短半径分支孔的定向钻进系统,所述钻进系统包括刚性弯节定向钻进装置和处理器;其中,所述刚性弯节定向钻进装置包括导斜件和刚性弯节导向单元;其中,所述刚性弯节导向单元包括至少一钻杆,所述导斜件用于接收来自于钻井壁且垂直于接触位置的钻进装置轴向的接触反力,以使所述刚性弯节导向单元弯曲;
所述处理器,被配置为:
获取并根据地层勘察数据,确定所述分支孔的侧钻点和靶点;
根据所述侧钻点和所述靶点,绘制井眼目标轨迹;其中,所述井眼目标轨迹的曲率半径的最小值不小于预设阈值且所述井眼目标轨迹在所述靶点的井斜角满足预设条件;
获取所述钻杆的参数数据;根据所述参数数据、所述井眼目标轨迹和所述地层勘察数据,确定与所述井眼目标轨迹对应的推进力;
控制将所述推进力施加于所述刚性弯节定向钻进装置进行分支孔的钻进;其中,所述推进力转化为所述接触反力。
从上面所述可以看出,本公开示例性实施例提供的一种短垂距短半径分支孔的定向钻进方法及系统,该钻进方法获取并根据地层勘察数据,确定所述分支孔的侧钻点和靶点;根据所述侧钻点和所述靶点,绘制井眼目标轨迹;获取所述刚性弯节导向单元的参数数据;根据所述参数数据、所述井眼目标轨迹和所述地层勘察数据,确定与所述井眼目标轨迹对应的推进力;将所述推进力施加于所述刚性弯节定向钻进装置进行分支孔的钻进,该推进力使得刚性弯节定向钻进装置的导斜件接收来自于钻井壁且垂直于所述钻进装置轴向的接触反力,以使所述刚性弯节导向单元弯曲,从而得到小垂高大曲率的分支孔,解决了短垂距短半径造斜困难的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本公开或相关技术中的技术方案,下面将对实施例或相关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公开的实施例,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,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出本公开实施例提供的一种超短半径分支孔钻井工艺施工整体示意图;
图2示出本公开实施例提供的一种地面主孔布设示意图;
图3示出本公开实施例提供的一种刚性弯节定向钻进装置的结构示意图;
图4示出本公开实施例提供的一种分支孔的井眼轨迹部分参数示意图;
图5示出本公开实施例提供的一种钻杆的受力分析示意图。
具体实施方式
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白,以下结合具体实施例,并参照附图,对本公开进一步详细说明。
需要说明的是,除非另外定义,本公开实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开实施例中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性,而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同,而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接,而是可以包括电性的连接,不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系,当被描述对象的绝对位置改变后,则该相对位置关系也可能相应地改变。
如背景技术部分所述,伴随着煤层工作面推进过程中覆岩应力改变,岩层发生移动和破坏发育导水裂隙,导致矿井采空区极易发生顶板突水事故,危及井下安全生产。
示例性地,参阅图1,采矿区从上至下依次为地表层106、第四系含水层105、风化基岩含水层104,风化基岩含水层104的下方有煤层101和采空区102。在开采过程中,由于对煤炭的高强度开采,增加了导水裂隙带103的发育高度,使导水裂隙带103发育至风化基岩含水层104,进而造成第四系含水层105连通风化基岩含水层104和导水裂隙带103,使得地下水涌入采空区102,造成矿井涌水量急剧增加,对煤矿安全开采具有很大的威胁。
目前,针对煤层顶板防治水主要分为两类,一类如限高开采等优化调整工作面开采工艺来限制导水裂隙带的发育,一类如注浆加固等对煤层顶板含水层进行修复和改造或者阻断和充填导水裂隙进行人造隔水层。地面注浆技术根据成孔工艺分为垂直孔注浆和水平孔注浆。水平孔注浆由于浆液扩散面积广和渗透均匀,再加上现今柔性钻具设备的成熟,因此被人们广泛使用。然而,受限于柔性钻具设备,现今的分支孔的井眼曲率半径大多为10m左右,对于短垂距和短曲率半径的分支孔造斜还缺乏有效的解决方法。例如,西北煤田部分矿区风化基岩含水层104的厚度较小,对其进行地面注浆时的分支孔曲率半径<10m,现有的造斜方案还无法解决此类问题,导致注浆难度大、成本高。
需要说明的是,短半径分支孔的曲率半径通常小于19.1m,例如15.0m、10.0m、7.2m、5.0m等。进一步地,曲率半径小于5.73m的短半径分支孔可以被称为超短半径分支孔,例如曲率半径4.2m等。短垂距分支孔的垂距通常小于10m,例如6.5m、8.2m等。
有鉴于此,本公开实施例提供了一种短垂距短半径分支孔的定向钻进方法及系统,该钻进方法获取并根据地层勘察数据,确定所述分支孔的侧钻点和靶点;根据所述侧钻点和所述靶点,绘制井眼目标轨迹;获取所述刚性弯节导向单元的参数数据;根据所述参数数据、所述井眼目标轨迹和所述地层勘察数据,确定与所述井眼目标轨迹对应的推进力;将所述推进力施加于所述刚性弯节定向钻进装置进行分支孔的钻进,该推进力使得刚性弯节定向钻进装置的导斜件接收来自于钻井壁且垂直于所述钻进装置轴向的接触反力,以使所述刚性弯节导向单元弯曲,从而得到小垂高大曲率的分支孔,解决了短垂距短半径造斜困难的问题。
为了使得本公开的技术方案更加清楚、易于理解,下面结合附图对本公开实施例提供的一种短垂距短半径分支孔的定向钻进方法进行介绍。
图1示出本公开实施例提供的一种超短半径分支孔钻井工艺100施工整体示意图。
首先,对采矿区域进行地质条件勘察,包括对位于地表层106下方的第四系含水层105、风化基岩含水层104及导水裂隙带103的空间分布情况、富水性进行勘察,确定导水裂隙带103发育至风化基岩含水层104大致区域,探查第四系含水层105与风化基岩含水层104之间的水力联系;其中,所述风化基岩含水层104位于第四系含水层105下方。
对于地质条件勘察的方案,本公开实施例示例性说明如下:
在一些实施例中,通过相关钻孔资料、室内力学试验等手段,得到第四系含水层105、风化基岩含水层104的深度、顶板各岩层的地层厚度、摩擦系数等物理力学参数。
在一些实施例中,根据物探、钻探、瞬变电磁测量及地下水流速、流向检测等方法和手段,可以确定第四系含水层105对风化基岩含水层104是否存在越流补给,第四系含水层105内的水是否会越流至风化基岩含水层104。同时,还可以确定导水裂隙带103是否发育至风化基岩含水层104内,导水裂隙带103是否成为连通风化基岩含水层104、第四系含水层105的强导水通道,地下水能否沿导水裂隙带103流入采空区102,造成采空区102大量涌水问题。
由此可见,基于地质条件勘察,可以得到地层勘察数据,基于地层勘察数据可以确定采空区102是否存在涌水的风险。这里,本领域技术人员可以根据实际情况,选择合适的分析方法依据地层勘察数据确定涌水风险,本公开实施例对此不做限定。
当确定存在涌水的风险时,为避免涌水问题,对煤层顶板风化基岩含水层104底界面利用超短半径分支孔进行注浆是有效的解决方案。
如图1所示,根据地层勘察数据,确定垂直井108钻孔在地表层106的位置以及钻孔终孔的位置。示例性地,图2示出本公开实施例提供的一种地面主孔布设示意图。从图2可以看出,多个垂直井成矩阵排列,相邻垂直井的间距为30m。示例性地,钻孔终孔的位置在风化基岩含水层104中,距离风化基岩含水层104底部4~6m处。
接下来,根据地层勘察数据,确定超短半径分支孔107的侧钻点和靶点。这里,侧钻点可以是垂直井108的钻孔终孔。靶点位于导水裂隙带103的顶部或顶部下方,以便于注浆流入裂隙中。可选地,一个垂直井的终孔可以与至少两个短半径分支孔107连通,两个短半径分支孔107以对应的垂直井的中心轴线为轴对称分布,这样的方式有助于提高垂直井的利用率。
应当理解的是,超短半径分支孔107的井眼轨迹受限于柔性钻具的性能。为了确保超短半径分支孔的钻进,本公开实施例示例性提供一种刚性弯节定向钻进装置,其钻进的水平孔的曲率半径能够小于10m,例如6m、5m、4m、3m。
图3示出本公开实施例提供的一种刚性弯节定向钻进装置300的结构示意图。可选地,刚性弯节定向钻进装置可以由高压钻井液驱动。
在一些实施例中,刚性弯节定向钻进装置300包括插接相连的螺杆钻具301、传动芯轴302、测量短节303、第一转换接头304、刚性弯节导向单元、第二转换接头308和钻头309。需要说明的是,刚性弯节导向单元具有初始弧形。结合图3,可以看出刚性弯节导向单元逐渐远离直线A-A’。
进一步地,刚性弯节导向单元包括至少一钻杆305、可弯曲外壁(图中未标注)和导斜件306。这里,钻杆305可以是刚性材料,相邻钻杆305可以通过连接件连接,并且在连接处,相邻钻杆305可以相对偏转,从而在刚性的基础上实现弯曲,最终达到柔性钻具的效果。可弯曲外壁靠近钻头309的一端设置导斜件306。可选地,导斜件306是指具有一定厚度的垫片。这里,可弯曲外壁能够随刚性弯节导向单元弯曲但不绕其轴线转动。导斜件306突出可弯曲外壁,由此,导斜件306能够持续接收来自于钻井壁且垂直于所述可弯曲外壁轴向的接触反力,并且该接触反力能够作用于刚性弯节导向单元,使得刚性弯节导向单元能够在初始弧形的基础上进一步弯曲。钻塔对钻杆的推进力与井眼曲率呈正相关性,从而可以实现曲率可调半径可控定向导斜钻进。
在一些实施例中,刚性弯节定向钻进装置300还可以包括定位部件307,其中,定位部件307可以设置在靠近钻头309的可弯曲外壁上。利用定位部件307可以采集刚性弯节定向钻进装置端部的位置信息,并可以通过测量短节303传输给处理器进行处理。示例性地,位置信息可以是GPS定位信息、北斗定位信息等。
应该理解的是,确定刚性弯节定向钻进装置之后,能够获取对应的参数数据,包括但不限于钻杆的长度、质量、弯曲刚度,刚性弯节导向单元的额定曲率半径等。
然后,在刚性弯节定向钻进装置的基础上,根据所述侧钻点和所述靶点,绘制井眼目标轨迹。
图4示出本公开实施例提供的一种分支孔的井眼轨迹部分参数示意图。如图4左侧所示,垂距是指分支孔的井眼轨迹在垂直方向的长度;水平位移是指井眼轨迹在水平方向的长度;井斜角是指井眼轨迹上任一点钻进切线方向与垂线的夹角。图4右侧所示,井斜方位角是指井眼轨迹在水平面上的正投影和北向的夹角。需要说明的是,上述井眼轨迹的参数既适用于井眼目标轨迹,又适用于井眼预测轨迹、钻进轨迹等,本公开对此不做限定。
在一些实施例中,井眼目标轨迹的曲率半径的最小值不小于预设阈值且所述井眼目标轨迹在所述靶点的井斜角满足预设条件。
可选地,所述预设阈值不小于所述刚性弯节定向钻进装置的额定曲率半径。示例性地,预设阈值可以刚性弯节定向钻进装置的额定曲率半径,也可以大于刚性弯节定向钻进装置的额定曲率半径。通过这样的设计,能够确保刚性弯节定向钻进装置在施工过程中钻进得到的实际轨迹大致符合井眼目标轨迹,避免因曲率半径超过刚性弯节定向钻进装置的额定曲率半径而导致无法施工。
可选地,所述预设条件选自90°或与所述靶点所在的地层倾角相对应。这里,与地层倾角相对应可以是互补或相同。这样的设计,能够使得靶点位置的钻进轨迹的切线和地层平行,从而有利于注浆的浆液沿地层流动填充。
接下来,基于井眼目标轨迹确定施工参数。在一些实施例中,通过理论计算公式得出该地层条件下若干预设初始推进力、预设初始井斜角下,井眼预测轨迹的曲率变化曲线图数据集,最终确定拟合井眼目标轨迹所需的钻杆推进力范围。
进一步地,理论计算涉及的参数包括但不限于钻杆的长度、质量、弯曲刚度,地层的摩擦系统等。需要说明的是,上述参数可以基于用于施工的刚性弯节定向钻进装置、地址勘察得到,本公开对此不再赘述。
在一些实施例中,理论计算求解采用有限元分析法。井眼目标轨迹进行多段划分,将每一段尽量小的划分。示例性地,参考图4,首先,根据地层信息,将井眼目标轨迹划分为至少一单元组。这里,一个地层可以对应一个单元组,也可以对应多个单元组,本公开对此不做限定。接下来,根据钻杆的长度,将各单元组划分为至少一个单元。这里,多个钻杆连接位置的偏转是实现分支孔定向钻进的基础,因此可以以钻杆长度为基准对单元组进行划分。
需要说明的是,如图4所示,对于某一单元可以用i表示,其中,靠近侧钻点一侧的单元排序较小,例如i单元前一个单元可以用i-1单元表示,靠近靶点的一侧的单元排列较大,例如i单元后一个单元可以i+1单元表示。
图5示出本公开实施例提供的一种钻杆的受力分析示意图。从图5可以看出,在钻进方向上,钻杆受到摩擦力f,在垂直于钻杆轴线的方向,钻杆受到接触反力F。对于刚性弯节定向钻进装置来说,这里的接触反力F作用于导斜件306。
基于上述受力分析,以侧钻点为起点,第i个单元进行受力分析,得出接触反力公式:
其中,
其中,α为井斜角;μi为地层摩擦系数;qi为单元的钻杆质量,若一单元与一钻杆对应,则qi为钻杆质量;R2为钻杆中心轴曲率半径;P为推进力。
采用虚拟等效计算方法,利用前一单元近似替代当前单元的接触反力,得到当前单元的计算井斜角和计算挠度。
其中,EI为钻杆的弯曲刚度,为常数值;F为接触反力;l为单元的长度,例如一个钻杆的长度。
示例性地,如图5所示,R2可以基于一个钻杆的弯曲曲线近似为圆弧对应的曲率半径。对于R2的计算,本公开示例性说明如下:
以单元i靠近前一单元i-1的一端作为坐标原点,以单元未弯曲时方向为x轴建立坐标系。在0≤x≤l的范围内,y=Fi-1lx2/2EI-Fi-1x3/6EI;当x=l,y值就是上述的计算挠度。
将钻杆的弯曲曲线近似为一段圆弧,取三坐标点(A、B、C)计算曲率半径。计算公式如下:计算AB、BC、CA之间的距离DAB、DBC、DCA;接下来解算三角形的半周长S=(DAB+DBC+DCA)/2;计算三角形的面积area=(S(S-DAB)(S-DBC)(S-DCA))1/2;曲率半径R2=(DAB·DBC·DCA)/(4area)。
基于预设初始推进力和预设初始井斜角,可递推出每一段单元的接触反力F、计算推进力、计算井斜角和计算挠度,从而绘制出各预设初始推进力和预设初始井斜角的井眼预测轨迹。
具体地,针对第i个单元,将Pi-1、αi-1、代入式(2)计算得到Ai;Ai代入公式(3)得到计算推进力Pi;这里,Pi用于计算Ai+1。将αi-1、αi、Ai代入公式(1)可以计算得到第i段的接触反力Fi;这里,αi-1、αi可以是第i个单元之前的单元计算得到或预设初始井斜角。将Fi代入式(4)得到第i+1单元的αi+1和wi+1。需要说明的是,对于第一单元,P0取预设初始推进力,α0、α1取预设初始井斜角。示例性地,预设初始井斜角可以依据刚性弯节定向钻进装置的初始弧度的端部确定,也可以是0。
依次计算每一单元的αi+1和w,则可以逐渐绘制出井眼预测轨迹。可选地,利用计算机程序,例如MATLAB,输入相关参数(例如预设初始推进力)即可完成上述递推计算并绘制井眼预测轨迹。
应当理解的是,改变预设初始推进力、预设初始井斜角则可以得到不同的井眼预测轨迹。
然后,比较井眼目标轨迹和不同的井眼预测轨迹,筛选与所述井眼目标轨迹匹配的井眼预测轨迹;需要说明的是,所述井眼目标轨迹匹配的井眼预测轨迹并不需要两者完全重叠,仅需要侧钻点和所述靶点相同且井眼预测轨迹的最小曲率半径满足预设阈值、靶点的井斜角满足预设条件即可。
最后,将选中的井眼预测轨迹对应的预设初始推进力以及依据所述预设初始推进力确定的各计算推进力作为所述井眼目标轨迹对应的推进力。在施工的过程中,向刚性弯节定向钻进装置施加预设初始推进力和各单元的计算推进力即可。
在一些实施例中,基于定位部件的位置信息,可以确定钻进轨迹的位置以及对应的计算推进力。应当理解的是,基于位置信息,可以确定井斜角、井斜方位角、水平位置、垂距等,也就是说,基于位置信息,可以描绘出钻进轨迹。
进一步地,比较钻进轨迹和井眼目标轨迹,当实际钻进轨迹偏离井眼目标轨迹时,可以采取适当的措施,调整钻机改变钻杆推进力,以保持井眼的方向和角度。
采用上述的实施方案,分支孔的平均造斜率为13~17°/m,平均每分支孔曲率半径在5m左右。
由此可见,本公开的实施方案提供了一种简易柔性钻具进行大曲率钻进分支孔的技术,通过理论公式计算模拟井眼轨迹,确定所述地层钻进时所需推进力大小范围,实现了垂直孔内无斜向器、不套管开窗侧钻开孔、进行小垂高大曲率钻井工艺的突破,每个水平分支孔曲率半径可以在5m左右,弥补了目前裸直孔中的短半径分支孔侧钻技术的不足。
接下来,以鄂尔多斯煤田部分矿区在薄基岩厚松散层地质条件下对风化基岩含水层底界面进行注浆时,面临在基岩钻进时短垂距短半径造斜困难的问题为例,对上述的钻进方法进行示例性的说明。
通过地质勘察数据,确定注浆的区域,并设计如图2所示的垂直井排布、确定分支孔的井眼目标轨迹以及对应的推进力等。
如图1所示,从所述区域地表层向下施工垂直井108钻孔,钻孔终孔位置位于风化基岩含水层104中,距离风化基岩含水层底部4~6m处,停止钻进注浆。
可选地,所述垂直井开孔钻具为硬质合金钻头、直螺杆、钻杆和钻头。
进一步地,垂直孔无芯钻进中,一般泵压控制在10-12MPa,水泵控制在8.3-10L/s,破碎岩层或漏失段泵压减小2-3MPa,水泵控制在2.5-3.3L/s。
示例性地,整个施工过程可以采用三开井身结构设计。具体到垂直井,为防止钻井对地表潜水层水源造成污染,主孔一开采用准215mm钻头钻进,下入N80钢级准168mm表层套管,封固上部松软易漏地层、隔离地下饮用浅水层,采用高标号42.5硅酸盐水泥,固井纯水泥浆密度1.6~1.65g/cm3,水泥浆返至地面;二开采用准152mm钻头定向钻进至风化基岩含水层,井深至95m,下入J55钢级准177.8mm无接箍技术套管,封固含水层,采用高标号32.5硅酸盐水泥,固井纯水泥浆密度1.65~1.7g/cm3,水泥浆返至地面。
进一步地,垂直孔使用光纤孔陀螺测斜仪测斜。垂直钻进时,每10m布设一个测点(检测钻孔有无塌孔),每30-50m左右测一次井(检查垂直孔是否存在偏移)。这里,至少保证10m一个测点,也可以根据需要加密测点。测量后垂直孔无偏移符合要求继续钻进,若不符合则进行钻孔纠偏,重新确定钻进方位,调整钻头钻进。
接着,更换钻具设备,使用柔性钻具,例如刚性弯节定向钻进装置进行造斜。示例性地,经过理论计算,垂距在0~3m左右,推进力大致为4~6MPa,垂距在3m~4.5m左右,推进力大致为6~8MPa,垂距在4.5~6.5m左右为8~12MPa。
具体地,从垂直孔108下入柔性钻具,到达垂直孔底部时,向下施工短半径分支孔107,短半径分支孔107的顶部位于风化基岩含水层104中,短半径分支孔107的底部位于导水裂隙带103的顶部或顶部下方,短半径分支孔107井斜角为90°或者与地层平行时,停止钻进,提钻,注浆。
分支孔阶段对应三开,采用准133mm钻头沿预先部署的水平分支孔设计进行定向钻进。
在整个钻井过程中,持续监测井眼的井斜角和井斜方位角,以确保井眼保持在目标轨迹曲线附近。通过定位部件、测量短节提供的实时数据,分析测斜数据,计算垂距、水平位移等参数,描绘出钻进轨迹曲线。当实际钻进曲线偏离目标轨迹时,可以采取适当的措施,调整钻机改变钻杆推进力,以保持井眼的方向和角度。
需要说明的是,本公开实施例的钻进方法可以由单个设备执行,例如一台计算机或服务器等。本实施例的钻进方法也可以应用于分布式场景下,由多台设备相互配合来完成。在这种分布式场景的情况下,这多台设备中的一台设备可以只执行本公开实施例的钻进方法中的某一个或多个步骤,这多台设备相互之间会进行交互以完成所述的钻进方法。
需要说明的是,上述对本公开的一些实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下,在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于上述实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外,在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中,多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。
基于同一发明构思,与上述任意实施例方法相对应的,本公开还提供了一短垂距短半径分支孔的定向钻进系统。所述钻进系统包括刚性弯节定向钻进装置和处理器;其中,如图3所示,所述刚性弯节定向钻进装置300包括导斜件306和刚性弯节导向单元;其中,所述刚性弯节导向单元具有初始弧度且包括至少一钻杆,所述导斜件用于接收来自于钻井壁且垂直于接触位置的钻进装置轴向的接触反力,以使所述刚性弯节导向单元基于初始弧度进一步弯曲;
所述处理器,被配置为:
获取并根据地层勘察数据,确定所述分支孔的侧钻点和靶点;
根据所述侧钻点和所述靶点,绘制井眼目标轨迹;其中,所述井眼目标轨迹的曲率半径的最小值不小于预设阈值且所述井眼目标轨迹在所述靶点的井斜角满足预设条件;
获取所述钻杆的参数数据;根据所述参数数据、所述井眼目标轨迹和所述地层勘察数据,确定与所述井眼目标轨迹对应的推进力;
控制将所述推进力施加于所述刚性弯节定向钻进装置进行分支孔的钻进;其中,所述推进力转化为所述接触反力。
上述实施例的系统用于实现前述任一实施例中相应的钻进方法,并且具有相应的钻进方法实施例的有益效果,在此不再赘述。
本公开实施例还提供了一种短垂距短半径分支孔的定向钻进方法。具体地,所述钻进方法适用于刚性弯节定向钻进装置300,如图3所示,所述刚性弯节定向钻进装置包括导斜件306和刚性弯节导向单元;其中,所述刚性弯节导向单元具有初始弧度且包括至少一钻杆305,所述导斜件306用于接收来自于钻井壁且垂直于接触位置的钻进装置轴向的接触反力,以使所述刚性弯节导向单元基于初始弧度进一步弯曲;
所述钻进方法包括:
如图1所示,获取并根据地层勘察数据,确定所述分支孔的侧钻点和靶点;
根据所述侧钻点和所述靶点,绘制井眼目标轨迹;其中,所述井眼目标轨迹的曲率半径的最小值不小于预设阈值且所述井眼目标轨迹在所述靶点的井斜角满足预设条件;
获取所述钻杆的参数数据;根据所述参数数据、所述井眼目标轨迹和所述地层勘察数据,确定与所述井眼目标轨迹对应的推进力;
将所述推进力施加于所述刚性弯节定向钻进装置进行分支孔的钻进;其中,所述推进力转化为所述接触反力。
在一些实施例中,所述刚性弯节定向钻进装置包括定位部件307,还包括:
获取并根据所述定位部件的监测数据,确定所述分支孔的钻进轨迹;
将所述钻进轨迹和所述井眼目标轨迹进行比较;
响应于确定所述钻进轨迹偏离所述井眼目标轨迹,根据所述钻进轨迹重新确定所述推进力并施加于所述刚性弯节定向钻进装置。
在一些实施例中,还包括:
如图1所示,从地表层向下钻进得到垂直井;其中,所述垂直井的终孔对应所述侧钻点。
在一些实施例中,所述预设阈值不小于所述刚性弯节定向钻进装置的额定曲率半径;在一些实施例中,所述预设条件选自90°或与所述靶点所在的地层倾角相对应。
在一些实施例中,所述短半径分支孔的曲率半径小于6米;在一些实施例中,所述短半径分支孔的平均造斜率为13~17°/m。
在一些实施例中,所述推进力的压力为4~12MPa。
在一些实施例中,所述地层勘察数据包括地层信息和每一地层的摩擦系数;所述参数数据包括长度、质量和弯曲刚度;
所述根据所述参数数据、所述井眼目标轨迹和所述地层勘察数据,确定与所述井眼目标轨迹对应的推进力,具体包括:
如图4所示,根据所述地层信息,将所述井眼目标轨迹划分为至少一单元组;
根据所述长度,将所述单元组划分为至少一单元;例如第i单元,第i+1单元等;
依次将至少一单元作为目标单元,根据预设初始推进力、预设初始井斜角、长度、质量、弯曲刚度和对应地层的摩擦系数,确定目标单元对应的计算井斜角和计算挠度,并根据所述计算井斜角和所述计算挠度绘制井眼预测轨迹;例如利用式(1)~式(5)进行递推计算;
比较所述井眼目标轨迹和不同的预设初始推进力、预设初始井斜角绘制的井眼预测轨迹,筛选与所述井眼目标轨迹匹配的井眼预测轨迹;
将选中的井眼预测轨迹对应的预设初始推进力以及依据所述预设初始推进力确定的计算推进力作为所述井眼目标轨迹对应的推进力。
在一些实施例中,如图4所示,利用式(1)~式(5)进行计算,所述依次将至少一单元作为目标单元,根据预设初始推进力、预设初始井斜角、长度、质量、弯曲刚度和对应地层的摩擦系数,确定目标单元对应的计算井斜角和计算挠度,具体包括:
根据前一目标单元的计算推进力、计算井斜角、当前目标单元的计算井斜角、质量和对应地层的摩擦系数,计算当前目标单元的接触反力和计算推进力;
根据所述当前目标单元的接触反力、计算井斜角、所述长度和所述弯曲刚度,确定下一目标单元对应的计算井斜角;
根据所述当前目标单元的接触反力、所述长度和所述弯曲刚度确定下一目标单元的计算挠度。
在一些实施例中,响应于确定所述当前目标单元为第一目标单元,则所述当前目标单元的计算井斜角和所述前一目标单元的计算井斜角均为预设初始井斜角;所述前一目标单元的计算推进力为预设初始推进力。
所属领域的普通技术人员应当理解:以上任何实施例的讨论仅为示例性的,并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子;在本公开的思路下,以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合,步骤可以以任意顺序实现,并存在如上所述的本公开实施例的不同方面的许多其它变化,为了简明它们没有在细节中提供。
本公开实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此,凡在本公开实施例的精神和原则之内,所做的任何省略、修改、等同替换、改进等,均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种短垂距短半径分支孔的定向钻进方法,其特征在于,所述钻进方法适用于刚性弯节定向钻进装置,所述刚性弯节定向钻进装置包括导斜件和刚性弯节导向单元;其中,所述刚性弯节导向单元包括至少一钻杆,所述导斜件用于接收来自于钻井壁且垂直于接触位置的钻进装置轴向的接触反力,以使所述刚性弯节导向单元弯曲;
所述钻进方法包括:
获取并根据地层勘察数据,确定所述分支孔的侧钻点和靶点;
根据所述侧钻点和所述靶点,绘制井眼目标轨迹;其中,所述井眼目标轨迹的曲率半径的最小值不小于预设阈值且所述井眼目标轨迹在所述靶点的井斜角满足预设条件;
获取所述钻杆的参数数据;根据所述参数数据、所述井眼目标轨迹和所述地层勘察数据,确定与所述井眼目标轨迹对应的推进力;
将所述推进力施加于所述刚性弯节定向钻进装置进行分支孔的钻进;其中,所述推进力转化为所述接触反力。
2.根据权利要求1所述的钻进方法,其特征在于,所述刚性弯节定向钻进装置包括定位部件,还包括:
获取并根据所述定位部件的监测数据,确定所述分支孔的钻进轨迹;
将所述钻进轨迹和所述井眼目标轨迹进行比较;
响应于确定所述钻进轨迹偏离所述井眼目标轨迹,根据所述钻进轨迹重新确定所述推进力并施加于所述刚性弯节定向钻进装置。
3.根据权利要求1所述的钻进方法,其特征在于,还包括:
从地表层向下钻进得到垂直井;其中,所述垂直井的终孔对应所述侧钻点。
4.根据权利要求1所述的钻进方法,其特征在于,所述预设阈值不小于所述刚性弯节定向钻进装置的额定曲率半径;和/或
所述预设条件选自90°或与所述靶点所在的地层倾角相对应。
5.根据权利要求1所述的钻进方法,其特征在于,所述分支孔的曲率半径小于6米;和/或
所述分支孔的平均造斜率为13~17°/m。
6.根据权利要求1所述的钻进方法,其特征在于,所述推进力的压力为4~12MPa。
7.根据权利要求1所述的钻进方法,其特征在于,所述地层勘察数据包括地层信息和每一地层的摩擦系数;所述参数数据包括长度、质量和弯曲刚度;
所述根据所述参数数据、所述井眼目标轨迹和所述地层勘察数据,确定与所述井眼目标轨迹对应的推进力,具体包括:
根据所述地层信息,将所述井眼目标轨迹划分为至少一单元组;
根据所述长度,将所述单元组划分为至少一单元;
依次将至少一单元作为目标单元,根据预设初始推进力、预设初始井斜角、长度、质量、弯曲刚度和对应地层的摩擦系数,确定目标单元对应的计算井斜角和计算挠度,并根据所述计算井斜角和所述计算挠度绘制井眼预测轨迹;
比较所述井眼目标轨迹和不同的预设初始推进力、预设初始井斜角绘制的井眼预测轨迹,筛选与所述井眼目标轨迹匹配的井眼预测轨迹;
将选中的井眼预测轨迹对应的预设初始推进力以及依据所述预设初始推进力确定的计算推进力作为所述井眼目标轨迹对应的推进力。
8.根据权利要求7所述的钻进方法,其特征在于,所述依次将至少一单元作为目标单元,根据预设初始推进力、预设初始井斜角、长度、质量、弯曲刚度和对应地层的摩擦系数,确定目标单元对应的计算井斜角和计算挠度,具体包括:
根据前一目标单元的计算推进力、计算井斜角、当前目标单元的计算井斜角、质量和对应地层的摩擦系数,计算当前目标单元的接触反力和计算推进力;
根据所述当前目标单元的接触反力、计算井斜角、所述长度和所述弯曲刚度,确定下一目标单元对应的计算井斜角;
根据所述当前目标单元的接触反力、所述长度和所述弯曲刚度确定下一目标单元的计算挠度。
9.根据权利要求8所述的钻进方法,其特征在于,响应于确定所述当前目标单元为第一目标单元,则所述当前目标单元的计算井斜角和所述前一目标单元的计算井斜角均为预设初始井斜角;所述前一目标单元的计算推进力为预设初始推进力。
10.一种短垂距短半径分支孔的定向钻进系统,其特征在于,所述钻进系统包括刚性弯节定向钻进装置和处理器;其中,所述刚性弯节定向钻进装置包括导斜件和刚性弯节导向单元;其中,所述刚性弯节导向单元包括至少一钻杆,所述导斜件用于接收来自于钻井壁且垂直于接触位置的钻进装置轴向的接触反力,以使所述刚性弯节导向单元弯曲;
所述处理器,被配置为:
获取并根据地层勘察数据,确定所述分支孔的侧钻点和靶点;
根据所述侧钻点和所述靶点,绘制井眼目标轨迹;其中,所述井眼目标轨迹的曲率半径的最小值不小于预设阈值且所述井眼目标轨迹在所述靶点的井斜角满足预设条件;
获取所述钻杆的参数数据;根据所述参数数据、所述井眼目标轨迹和所述地层勘察数据,确定与所述井眼目标轨迹对应的推进力;
控制将所述推进力施加于所述刚性弯节定向钻进装置进行分支孔的钻进;其中,所述推进力转化为所述接触反力。
CN202311862880.9A 2023-12-29 2023-12-29 短垂距短半径分支孔的定向钻进方法及系统 Active CN117823043B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202311862880.9A CN117823043B (zh) 2023-12-29 2023-12-29 短垂距短半径分支孔的定向钻进方法及系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202311862880.9A CN117823043B (zh) 2023-12-29 2023-12-29 短垂距短半径分支孔的定向钻进方法及系统

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN117823043A true CN117823043A (zh) 2024-04-05
CN117823043B CN117823043B (zh) 2024-06-21

Family

ID=90518609

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202311862880.9A Active CN117823043B (zh) 2023-12-29 2023-12-29 短垂距短半径分支孔的定向钻进方法及系统

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN117823043B (zh)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2005108734A1 (en) * 2004-04-29 2005-11-17 Allen Kent Rives Ultrashort radius drilling apparatus and method
CN114016910A (zh) * 2021-10-19 2022-02-08 中煤科工集团西安研究院有限公司 一种弹性弯节定向式煤矿井下定向钻进装置及方法
CN116006076A (zh) * 2023-01-03 2023-04-25 中煤科工西安研究院(集团)有限公司 一种条带区域瓦斯抽采超短半径多分支井钻完井方法
CN117108201A (zh) * 2023-07-26 2023-11-24 中国矿业大学(北京) 曲率可控的定向钻进装置及钻进方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2005108734A1 (en) * 2004-04-29 2005-11-17 Allen Kent Rives Ultrashort radius drilling apparatus and method
CN114016910A (zh) * 2021-10-19 2022-02-08 中煤科工集团西安研究院有限公司 一种弹性弯节定向式煤矿井下定向钻进装置及方法
CN116006076A (zh) * 2023-01-03 2023-04-25 中煤科工西安研究院(集团)有限公司 一种条带区域瓦斯抽采超短半径多分支井钻完井方法
CN117108201A (zh) * 2023-07-26 2023-11-24 中国矿业大学(北京) 曲率可控的定向钻进装置及钻进方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN117823043B (zh) 2024-06-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107829683B (zh) 一种页岩气水平丛式井组井眼轨迹与钻井方法
CN105298463B (zh) 天然气水合物大井眼多分支径向水平井完井方法
CN109899089A (zh) 基于羽状水平分支定向钻探工艺的采空区注浆方法
CN102892970A (zh) 钻井方法和系统
CN103643918B (zh) 一种针对奥陶系灰岩矿区的寻找及防止矿井渗水的方法
CN106050143A (zh) 基于地层岩性识别的井下定向孔顺层导向钻进系统及方法
CN114035239A (zh) 一种深埋长隧道综合勘察方法
CN109098661B (zh) 水电站河谷的双向成对跨江大顶角斜孔钻探方法
CN104790918B (zh) 复杂地形条件下丛式井与水平井联合地面开采煤层气方法
Ningping et al. Status and development of directional drilling technology in coal mine
CN104612691B (zh) 单钻孔分支定向对接井采盐方法
CN106917637A (zh) 一种钻孔式岩层沉降监测系统及监测方法
CN110043229A (zh) 一种海域天然气水合物多井组连通汇聚开采方法
CN102094580A (zh) 煤炭工程孔定向钻进方法
CN106285776A (zh) 一种基于定向钻进技术的顶板水疏放方法
WO2024078506A1 (zh) 一种煤矿瓦斯深孔区域化抽采方法与装置
Wheeler et al. The introduction of an at-bit natural gamma ray imaging tool reduces risk associated with real-time geosteering decisions in coalbed methane horizontal wells
CN111058819B (zh) 水力压裂治理工作面上覆坚硬顶板的方法
CN110145309B (zh) 一种浅埋煤层注浆充填绿色采煤方法及其沉降观测装置
CN103422813B (zh) 单井眼煤层气多分支水平井系统及钻井方法
CN107060642A (zh) 天然碱深薄层多连通水平井井眼轨迹控制方法
US8056251B1 (en) Top plate alignment template device
CN117823043B (zh) 短垂距短半径分支孔的定向钻进方法及系统
CN108755693B (zh) 注浆装置及针对多个溶洞的孔内分段注浆方法
US7114580B1 (en) Method and apparatus for determining a trajectory of a directional drill

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant