MÉTODO Y APARATO PARA DETERMINAR RUTAS DE PERFORACIÓN A OBJETIVOS DIRECCIONALES Campo de la Invención Esta invención proporciona un método y aparato mejorados para determinar la trayectoria de perforaciones de pozos a objetivos direccionales y horizontales. En particular, la técnica mejorada reemplaza el uso de un perfil de perforación previamente planeado con uno de perfil óptimo que puede ser ajustado después de cada reconocimiento o exploración, de manera tal que la perforación desde la superficie a los objetivos tenga reducida tuortosidad en comparación con la perforación que se forza a seguir el perfil previamente planeado. La presente invención también proporciona un método eficiente para operar una herramienta direccional dirigible rotatoria, utilizando control de error mejorado y minimizando incrementos en par de torsión que deben aplicarse en la superficie para que el montaje de perforación alcance el objetivo. ANTECEDENTES El controlar la ruta de una perforación de pozo direccionalmente taladrado con una herramienta que permite rotación continua de la sarta de perforación, está bien establecido. En perforación direccional, las características de perforación de pozo planeada pueden comprender una sección vertical recta, una sección curva y una sección no vertical recta para alcanzar un objetivo. La sección de perforación vertical no da lugar a problemas significantes de control direccional que requieren ajustes a una ruta del montaje en el interior o fondo del pozo. Sin embargo, una vez que el montaje de perforación se desvía del segmento vertical, el control direccional se vuelve extremadamente importante. La Figura 1 ilustra una trayectoria previamente planeada entre un punto de arranque KP a un objetivo T utilizando una linea punteada A. El punto de arranque KP puede corresponder al final de un segmento vertical recto o un punto de entrada desde la superficie para taladrar el orificio. En el caso anterior, este punto de arranque corresponde a coordenadas en donde se considera que está la broca de perforación durante el taladrado. El punto de arranque considerado y la ubicación de la broca de perforación actual pueden diferir durante el taladrado. Similarmente, durante taladrado, la ruta de perforación del pozo actual B a menudo se desviará de la trayectoria planeada A. Evidentemente, si la ruta B no se corrige adecuadamente, la perforación del pozo fallará a su objetivo pretendido. En el punto D, una comparación se realiza entre la condición pre-planeada de correspondiente al punto planeado en la curva A y la posición actual. Convencionalmente, cuando esta desviación se observa entre la ruta actual y la planeada, el taladrador direccional re-dirige el conjunto de regreso a la ruta planeada original A para el pozo. De esta manera, el ajuste de taladrado direccional convencional requiere dos desviaciones . Una desviación dirige la ruta hacia la ruta planeada original A. Sin embargo, si esta desviación no se corrige de nuevo, la ruta continuará en una dirección lejos del objetivo. Por lo tanto, una segunda desviación re-alinea la ruta con la ruta planeada original A. Hay varias herramientas conocidas, diseñadas para mejorar el taladrado direccional. Por ejemplo, el sistema de dirección rotatoria de Baker Intec's "Auto Track" , utiliza un control de bucle cerrado para mantener el ángulo y azimut de una broca de taladrado o de perforación orientada lo más cercanamente posible a valores pre-planeados . El sistema para control de bucle cerrado se pretende que siga la ruta del orificio en pequeños incrementos sobre y por debajo de la ruta pretendida. Similarmente Canco ha desarrollado un sistema direccionable rotatorio que controla una trayectoria al proporcionar una fuerza lateral en el montaje girable. Sin embargo, estas herramientas típicamente no se emplean hasta que la perforación haya alcanzado un tramo recto largo, debido a que las herramientas no controlan adecuadamente las proporciones de curvatura . Un ejemplo de taladrado o perforación direccional controlado se describe por Patton (Patente de los E.U.A. No. 5,419,405) . Patton sugiere que la trayectoria planeada original se cargue en una computadora que pase del montaje en el interior del pozo. Esta carga de la trayectoria se proporciona mientras que la herramienta está en la superficie y la computadora subsecuentemente se baja dentro de la perforación del pozo. Patton intentó reducir la cantidad de tortuosidad en una ruta, al mantener el montaje de perforación en el perfil pre-planeado lo más posible. Sin embargo, los ajustes increméntales para mantener alineamiento con la ruta pre-planeada, también introduce una cantidad de dobleces torcimientos en la perforación del pozo . Conforme la cantidad de desviaciones en una perforación de pozo se incrementa, la cantidad de par de torsión se debe aplicar en la superficie para continuar el taladrado, también se incrementa. Si demasiadas vueltas correctivas deben realizarse, es posible que los requerimientos de par de torsión excedan las especificaciones del equipo de taladrado en la superficie. El número de vueltas también disminuye la cantidad de control del taladrado direccional . Además de la patente x405 de Patton, otras referencias han reconocido la ventaja potencial de controlar la trayectoria de la herramienta dentro del pozo. Ver por ejemplo, Patton en la Patente de los E.U.A. No. 5,341,886, Gray en la Patente de los E.U.A. No. 6,109,370, la WO 93112319, y Wisler en la Patente de los E.U.A. No. 5,182,068). Se ha reconocido bien que para calcular la posición de la perforación en el interior del pozo, se debe proporcionar un medio para definir la profundidad del la exploración o reconocimiento en la computadora dentro de la perforación del pozo. Una variedad de métodos se ha identificado para definir las profundidades de reconocimiento dentro del pozo. Estas incluyen: 1. Utilizar ruedas contadoras en el montaje en el interior del pozo (Patton, 5,341,806). 2. Colocar marcadores magnéticos en la formación y leerlos con el montaje en el interior del pozo
(Patton 5,341, 806) . 3. Registrar los tramos de perforación que serán agregados a la sarta de perforación en la computadora mientras que está en la superficie y luego calcular las profundidades de reconocimiento, a partir de los tramos de tubería de perforación en el interior del pozo (Witte, 5,896,939). Mientras que estos sistemas en el interior del pozo han reducido el tiempo y recursos de comunicaciones entre una estación de taladrado superficial y el montaje de taladrado en el interior del pozo, no se conoce técnica que atienda adecuadamente el minimizar la tortuosidad de un orificio de taladrado a un objetivo adicional u horizontal. COMPENDIO DE LA INVENCIÓN La invención del solicitante supera las deficiencias anteriores, al desarrollar un método de brazo para calcular la ruta óptima a partir de una posición calculada de la perforación del pozo a un objetivo direccional u horizontal. Con referencia a la Figura 1, en el punto D, un cálculo en el interior del pozo puede realizarse para volver a calcular una nueva trayectoria C, indicada por la linea punteada desde el punto desviado D al objetivo T. La nueva trayectoria es independiente de la trayectoria original, ya que no intenta volver a trazar la ruta de trayectoria original . Como es aparente de la Figura 1, la nueva ruta C tiene un número reducido de vueltas o giros para llegar al objetivo. Utilizar la ruta óptima ajustada proporcionará una ruta menos tortuosa y más corta para la perforación del pozo que puede lograrse al volver a ajustar la trayectoria de regreso a la ruta planeada original A. Aunque se prefiere un cálculo en el interior del pozo para la ruta óptima C para evitar retardos y conservar recursos de comunicaciones, el cálculo puede realizarse desde el interior del pozo o con operaciones de control direccionales normales conducidas en la superficie y transmitidas. La transmisión puede ser mediante una linea de alambre recuperable a través de comunicaciones con un aparato de medición no-recuperable-mientras que se perfora o taladra (MWD = Measure-while drilling) . Al volver a calcular la ruta óptima en la posición actual de la perforación del pozo después de cada reconocimiento, la inyección optimiza la forma de la perforación del pozo. El taladrado al objetivo luego puede proceder de acuerdo con la determinación de ruta óptima . La invención reconoce que la trayectoria óptima para objetivos direccionales y horizontales, consiste de una serie de deflexiones de arco circular y segmentos de línea recta. Un objetivo direccional que se define solo por la profundidad vertical y sus coordenadas norte y este, puede alcanzarse desde cualquier punto sobre él con un segmento de arco circular seguido por un segmento de línea recta. La invención además aproxima los segmentos de arco circulares por segmentos lineales para reducir la complejidad del cálculo de ruta óptima. Modalidades Preferidas de la Invención Modalidades preferidas de la invención se establecen a continuación con referencia a los dibujos en donde : La Figura 1 es una comparación entre la trayectoria de una ruta correctiva convencional y una ruta optimizada, que se determina de acuerdo con una modalidad preferida de la presente invención; La Figura 2 ilustra una solución para la ruta optimizada incluyendo un arco y una linea tangente; La Figura 3 ilustra una solución para una ruta optimizada que incluye dos arcos conectados con una línea tangente; La Figura 4 ilustra la solución para una ruta optimizada incluyendo un arco que se aterriza en un plano inclinado; La Figura 5 ilustra una solución para una ruta optimizada utilizando una ruta de arco dual a un plano inclinado; La Figura 6 ilustra una relación entre la longitud de segmentos de línea que se aproximan a un arco y un ángulo de recodo que define la curvatura del arco para determinar una ruta optimizada de acuerdo con una modalidad preferida de la invención; La Figura 7 ilustra un primer ejemplo para determinar rutas óptimas de acuerdo con una modalidad preferida de la invención; La Figura 8 ilustra un segundo ejemplo para determinar rutas óptimas de acuerdo con una modalidad preferida de la invención; La Figura 9 ilustra un montaje en el interior del pozo de un aparato, de acuerdo con una modalidad preferida de la presente invención; y La Figura 10 ilustra una relación geométrica conocida para determinar rutas de curvatura mínima. El método para calcular las coordenadas sobre una ruta de arco circular, es bien conocido y se ha publicado en el Instituto de Petróleo Americano (American Petroleoum Institute) en el "Boletín D20". La Figura 10 ilustra esta relación geométrica conocida comúnmente empleada por perforadores direccionales para determinar una solución de curvatura mínima para una ruta de perforación del pozo. En la relación conocida, la siguiente descripción aplica: DL es el ángulo de recodo, calculado en todos los casos por la ecuación: eos (DL}= eos (I2-Ii) sen (Ix) sen (I2) (1-cos (A2-A;L) ) 0 en otra forma como sigue : eos (DL) = eos (A2-A3.) -sen (IX) -sen (I2) +cos (??) -eos (I2) Ya que la distancia medida (DeltaMD) se mide sobre una curva y los ángulos de inclinación y de dirección (IA) definen direcciones de linea recta en el espacio, la metodología convencional ilustra el alisamiento de los segmentos de linea recta sobre la curva. Esto se realiza al utilizar el factor de proporción F. En donde la ecuación para pequeños ángulos 0 es usual ajustar RF = (2/DL) " Tan (DL/2) ; para ángulos pequeños (DL<.25 grados), es usual ajustar RF = 1. Luego :
ANorte =
AEste
AMD ? Vert = — — [cos(Ji) + cos(L)].RF
Una vez que la ruta de curvatura se determina, es posible determinar que coordenadas en el espacio caen en esa ruta. Estas coordenadas proporcionan puntos de referencia que pueden compararse con coordenadas debidas de una perforación del pozo actual para determinar la desviación de una ruta. Los métodos y las herramientas para obtener mediciones actuales del montaje en el interior del pozo, tales como profundidad medida, azimut e inclinación, en general son bien conocidos. Por ejemplo, Wisler en la Patente de los E.U.A. No. 5,812,068, Warren en la Patente de los E.U.A. No. 4,854,397, Comeau en la patente de los E.U.A. No. 5,602,541, y Witte en la Patente de los E.U.A. No. 5,896,939, describen herramientas MWD conocidas. En la proporción que las mediciones no impactan la invención, no se proporcionará adicional descripción en como se obtienen estas medidas . Aunque la Figura 10 permite a una persona con destreza en la especialidad determinar las coordenadas de un arco, la forma de ecuaciones de reconocimiento disponibles, es inadecuada para invertir el proceso para calcular las especificaciones de arco circular a partir de coordenadas medidas actuales . La presente invención incluye un método novedoso para determinar las especificaciones de los segmentos de arco circular y de linea recta que se requieren para calcular la trayectoria óptima desde un punto en el espacio a un objetivo direccionar u horizontal. El procedimiento mejorado se basa en la observación de que las orientaciones y posiciones de los puntos extremo de un arco circular son idénticas a los extremos de dos segmentos de línea recta conectados. La presente invención utiliza esta observación a fin de determinar una ruta de arco circular óptima con base en las coordenadas medidas . Como se ilustra en la Figura 6, los dos segmentos LA son de igual longitud y cada uno es exactamente paralelo al ángulo y azimut de los extremos del arco circular L . Además, la longitud de los segmentos de línea recta puede calcularse fácilmente a partir de las especificaciones del arco circular definidos por el ángulo de DOG y radio R para definir el arco RL y viceversa. En particular el presente inventor determinó la longitud LA que es R* tan (DOG/2) . En aplicante además observó que al reemplazar los arcos circulares requeridos para alcanzar un objetivo horizontal con sus segmentos de línea recta equivalentes, el diseño de la ruta direccional se reduce a un proceso mucho más simple para diseñar segmentos de línea recta conectados. Este calculo de la ruta direccional a partir de una ubicación presente de la broca de perforación puede proporcionarse cada vez que una junta se agrega a la sarta de perforación. Resultados óptimos, por ejemplo reducida tortuosidad, pueden lograrse al volver a calcular la trayectoria al objetivo después de cada reconocimiento . Las Tablas 1-4 a continuación comprenden ecuaciones que pueden resolverse reiterativamente para llegar a un ángulo de recodo apropiado DOG y longitud LA para una ruta entre una ubicación actual de una sarta de perforación y un objetivo. En cada una de las tablas, las variables se definen como siguen.
Nomenclatura AZDIP = Azimut de la dirección de Grados Norte inmersión para un plano objetivo inclinado AZ Ángulo Azimut del Norte Grados Norte BT Proporción de curvatura Grados/30.48 del arco circular metros (100 pies) BTA Proporción de curvatura Grados/30.48 del arco de círculo metros (100 superior pies) BTB = Proporción de curvatura Grado/30.48 del arco de círculo metros (100 inferior pies) DAZ = Diferencia entre dos grados azimuts DAZ1 = Diferencia entre azimut al grados inicio y fin de la curva superior DAZ2 = Diferencia entre azimut al grados inicio y fin de la curva inferior DEAS - Distancia al oeste entre x.3048 m (ft) dos puntos DIP = Ángulo vertical de un grados plano objetivo inclinado que se mide hacia abajo desde un plano horizontal DMD = Distancia entre dos puntos x.3048 m (ft)
DNOR = Distancia al norte entre x.3048 m (ft) dos puntos DOG = Cambio total en dirección grados entre los extremos de un arco circular
D0G1 Diferencia entre el ángulo grados de inclinación del arco circular DOG2 = Diferencia entre el ángulo grados de inclinación del arco circular DOGA = Cambio total en dirección grados del arco circular superior DOGB = Cambio total en dirección grados del arco circular inferior DTVD = Distancia vertical entre x.3048 m (ft) dos puntos DVS = Distancia entre dos puntos x.3048 m/ft proyectada a un plano horizontal EAS Coordenada Este x.3048 m (ft) ETP Coordenada Este de x.3048 m (ft) posición de medición de profundidad vertical
Distancia vertical entre x.3048 m (ft) un punto y un plano objetivo inclinado, (+) si el punto está sobre el plano Angulo de inclinación grados vertical Longitud de líneas x.3048 m (ft) tangente que representan el arco circular superior Longitud de líneas x.3048 m (ft) tangentes que representan el arco circular inferior Profundidad medida sobre x.3048 m (ft) la perforación del pozo desde la superficie Profundidad medida sobre x.3048 m (ft) línea tangente Coordenada Norte x.3048 m (ft)
Coordenada Norte de x.3048 m (ft) posición de medición de profundidad vertical TARGAZ = Azimut objetivo para Grados Norte objetivo horizontal TVD Profundidad Vertical de la X.3048 m (ft) superficie TVDT Profundidad Vertical de un X.3048 m (ft) plano objetivo inclinado en coordenadas Norte y Este TVDTP = Profundidad Vertical de un x.3048 m (ft) plano objetivo inclinado en coordenadas NTP y ETP
La Figura 2 y la Tabla 1 muestran el proceso para diseñar una ruta direccional que comprende el arco circular seguido por una sección tangente recta que aterriza en un objetivo adicional. TABLA 1 Curva Sencilla Tangente a un Objetivo Direccional DADO: BTA Posición de Partida: MD (1) , TVD(l), EAS(l), NOR(l) , TNC(l), AZ(1) Posición objetivo: TVD(4), EAS(4), NOR(4) LA = 0 (1) MDL(l) = MD(1) (2)
MDL (2 ) = MDL(l) + LA (3)
MDL(3) = MDL (2 ) + LA (4)
DVS = LA sen[INC(l)] (5) DNOR = DVS COStAZ(l)] (6)
DEAS = DVS sEn[AZ(l))] (7)
DTVD = LA cos[INC(l)] (8)
N0R(2) = N0R(1) + DNOR (9)
EAS(2) = EAS(l) + DEAS (10) TVD(2) = TVD(l) + DTVD (11)
DNOR = NOR(4) - NOR(2) (12)
DEAS = EAS(4) - EAS (2) (13)
DTVD = TVD(4) - TVD(2) (14)
DVS = (DNOR+ DEAS) (15) DMD = (DVS+ DTVD) (16) DL ( ) = MDL (2 ) + DMD (17)
DAZ = AZ (3) - AZ (1) (20)
DOGA = are cos { cos (DAZ) sen [INC (1) ] se [INC (3)] + cos [INC (1) ] cos [INC (3)]} (21) 100- 180 ( DOGA) ¦ta: ???-p ~ ~ 2 )
Repetir ecuaciones 2 a 22 hasta que el valor calculado para INC (3) permanece constante.
100- DOGA i½D(3) = P(l) + (23)
D(4) = MD(3) + DMD - LA (24) DVS = LA sen [INC (3)] (25) DNOR = DVS cos[AZ(3)] (26) DEAS = DVS sen[AZ(3)] (27) DTVD = LA eos [INC (3)] (28) TVD(3) = TVD(2) + DTVD - (29) NOR(3) = NOR(2) + DNOR (30) EAS(3) = EAS(2) = DEAS (31) La Figura 3 y la Tabla 2 muestran el procedimiento para diseñar la ruta que requiere dos arcos circulares separados por un segmento de línea recta, requerido para alcanzar un objetivo direccional que incluye requerimientos para el ángulo de entrada y azimut . TABLA 2 Dos Curvas con una Tangente a un objetivo Direccional DADOS: BTA, BTB Posición de partida: D(1), TVD(l), EAS(l) INC(l) , AZ(1) Posición objetivo: TVD(6), EAS(6), N0R(6)
INC (6) , AZ(6) Valores de partida: LA = 0 (1)
LB = 0 (2)
MDL (1) = MD(1) (3) DL (2 ) = MDL (1) + LA (4)
MDL (3) = MDL (2) + LA (5)
DVS = LA sen [INC (1) ] (6)
DNOR = DVS cos[AZ(l)] (7)
DEAS = DVS sen[AZ (1) ) ] (8)
DTVD = LA eos [INC (1)] (9)
ÑOR (2) = NOR(l) + DNOR (10)
EAS (2) = EAS (1) + DEAS (11)
TVD(2) = TVD(l) + DTVD (12)
DVS = LB sen [INC (6) ] (13)
DNOR = DVS eos [Az (6) ] (14)
DEAS = DVS sen[AZ(6)] (15)
DTVD = LB eos [INC (6) ] (16)
ÑOR (5) = ÑOR (6) - DNOR (17)
EAS (5) = EAS (6) - DEAS (18)
TVD(5) = TVD(S) - DTVD (19)
DNOR = OR (5) - OR (2) (20)
DEAS = EAS (5) - EAS (2) (21) TVD(5) - TVD(2) (22) (DNOR+ DEAS) (23) (DVS+ DTVD) (24)
( DEAS)
DAZ = AZ(3) - AZ(1) (27) DOGA = are eos {eos (DAZ) sen [INC (1) ] sen [INC (3)] + eos [INC (1) ] eos [INC (3)]} (28)
100- 180 ( DOGA L = -^ -tan^— ??? p — | (29)
DAZ = Az (6) - Az (3) (30)
DOGB = are eos {eos (DAZ) sen [INC (3)] sen [INC (6) ] + eos [INC (3)] + eos [INC (6)]} (31)
100· 180 { DOGB LB = nrm tan^— (32) BTB' p —]
Se repiten las ecuaciones 3 a 32 hasta que INC (3) es estable. DVS = LA sen [INC (3)] (33) DNOR = DVS cos[AZ(3)] (34) DEAS = DVS sen [Az (3 ) ) ] (35)
DTVD = LA eos [INC (3)] (36) OR (3) = O (2) + DNOR (37)
EAS(3) = EAS(2) + DEAS (38)
TVD(3) = TVD(2) + DTVD (39)
INC (4) = INC (3) (40)
Az (4) = Az (3) (41)
DVS = LB sen [INC (4) ] (42)
DNOR = DVS cos[Az(4)] (43)
DEAS = DVS sen[Az(4))] (44)
DTVD = LB eos [INC (4)] (45)
ÑOR (4) = OR (5) - DNOR (46)
EAS(4) = EAS(5) - DEAS (47)
TVD(4) = TVD(5) - DTVD (48)
100· DOGA MD(3) = MD(1) + (49)
MD(4) = MD(3) + DMD - LA - LB (50)
100- DOGB MW6 = MD(4) + Bw (51)
La Figura 4 y la Tabla 3 muestran procedimiento de cálculo para determinar especificaciones para el arco circular requerido para taladrar desde un punto en el espacio sobre un objetivo de inclinación horizontal con un solo arco circular. En operaciones de perforación taladrado horizontal, el objetivo horizontal se define por un plano de inmersión en un espacio y el azimut de la extensión de pozo horizontal. La solución de arco sencillo para un objetivo horizontal requiere que el ángulo de inclinación de partida sea menos que el ángulo de aterrizaje y que la posición de partida se dirige sobre el plano objetivo inclinado .
TABLA 3 Curva Sencilla que Aterrxza en un Plano Objetivo Inclinado. DADOS: TARGAZ, BT Posición de partida: MD(1), TVD(l), N0R(1), EAS (1) , INC(l) , AZ (1) Plano objetivo inclinado: TVDTP, NTP, ET , DIP,
AZDIP
DNOR = N0R(1) - NTP (1) DEAS = EAS(l) - ETP (2) DVS = (DNOR+ DEAS) (3)
DEAS
AZD = arctari (4) DNOR
TVD(2) = TVDTP + DVS tan (DIP) eos (AZDIP - AZD) (5) ANGA = AZDIP - Az (1) (6)
[TVD{2) - TVD{\)\ tan[7NC(l)] 1- cos(^NG^) · t (DIP) ¦ tan[/NC(l)]
TVD(3) = TVD(2) + X eos (ANGA) tan (DIP) (8)
ÑOR (3) = N0R(1) + X COS [A (1) ] (9)
EAS (3) = EAS(l) + X sen[AZ(l)] (10)
LA = (X+ [TVD(3) - TVD(l)]} (11)
AZ(5) = TARGAZ (12) INC (5) = 90 - are tan{tan(DIP) eos [AZDIP - AZ(5)]}(13) DOG = are eos {eos [AZ (5) - Az(l)] sen [INC (1)] sen [INC (5)] +cos [INC(l)] + eos [inc (5) ] } (14)
100- 180 ( DOG BT= —— tan| (15) LA - p
DVS = LA sen [INC (5)] (16)
DNOR = DVS cos[AZ(5)] (17)
DEAS = DVS sen[AZ(5)] (18)
DTVD = LA eos [INC (5) ] (19) ÑOR (5) = OR (3) + DNOR (20)
EAS(5) = EAS(3) + DEAS (21)
TVD(5) = TVD(3) + DTVD (22)
100- DOG MD(5) = MD(l) + — — BT
Para todos los otros casos la ruta requerida puede lograrse con dos arcos circulares . Esta solución general se incluye en la Figura 5 y Tabla 4. TABLA 4 Doble Vuelta de Aterrizaje a un Objetivo Inclinado DADOS: BT, TARGAZ Posición de partida: MD(1), TVD(l), NOR(l), EAS(l) , INC(l) , AZ(1) Objetivo inclinado: TVDTP @ NTP & ETP, DIP,
AZDIP TVDTPO = TVDTP - NTP eos (AZDIP) tan(DIP)-ETP sen(AZDIP) tan(DIP) (1) TVDT(l) = TVDTPO + NOR(l) eos (AZDIP) tan (DIP) + EAS(l) sen(AZDIP) tan (DIP) (2) INC(5) = 90 - are tan[tan(DIP) eos (AZDIP - TARGAZ) ] (3)
AZ(5) = TARGAZ (4)
DAZ = AZ (5) - Az (1) (5)
DTVD = TVDT(l) - TVD(l) (6)
Si DTVD > 0DOG1 = DOG2 + INC(l) - INC(5) INC(3) = INC(l) - DOG1 (8) Si DTVD < 0DOG1 = DOG2 - INC(l) + INC(5) INC(3) = INC(l) + DOG1 (9)
( DOGl \ DAZI'{DOG DO DAZ (10)
AZ(3) = AZ(1) + DAZ1 (11) DAZ2 = DAZ - DAZ1 (12) DOGA = are cos{cos [DAZl] sen [INC (1) ] sen [INC (3)] + eos [INC (1)] eos [INC (3)]} (13) DOGB = are eos{eos [DAZ2] sen [INC (3)] sen [INC (5)] + eos [INC (3)] eos [INC (5)]} (14) DMD = LA + LB (15) 100- 180 ( DOGA^ —-tan —-— p- ?? V 2 J
100- 180 ( DOGB^
DVS = LA sen [INC (1) ] (18)
DNOR = DVS cos[AZ(l)] (19)
DEAS = DVS sen[AZ(l))] (20)
DTVD = LA COS [INC (1)] (21) OR (2) = NOR(l) + DNOR (22)
EAS(2) = EAS(l) + DEAS (23)
TVD(2) = TVD(l) + DTVD (24) TVDT(2) = TVDTPO + ÑOR (2) eos (AZDIP) tan(DIP) + EAS(2) sen (AZDIP) tan(DIP) (25) HAT (2) = TVDT(2) - TVD(2) (26)
DVS = LA sen [INC (3)] + LB sen [INC (3)] (27)
DNOR = DVS COs[Az(3)] (28)
DEAS = DVS sen[Az(3)] (29)
ÑOR (4) = ÑOR (2) + DNOR (30) EAS(4) = EAS(2) + DEAS (31) TVDT(4) = TVDTPO + ÑOR (4) eos (AZDIP) tan(DIP) + EAS(4) sen (AZDIP) tan(DIP) (32)
TVD(4) = TVDT(4) (33)
HAT (4) = TVDT(4) - TVD(4) (34) DTVD = TVD(4) - TVD(2) (35) IF DTVD = O INC (3) = 90 (36)
DVS
DTVD<0 INC{ ) = 180+ arctan (37?) DTVD
DVS
DTVD>0 INC{3) = arctan (37B)
DOG1 = INC(3) - INC(l) (38)
DOG(2) = INC(5) - INC(3) (39) Se repiten las ecuaciones 10 a 39 hasta DMD = LA + LB DVS = LA sen [INC (3)] (40)
DNOR = DVS COS[Az(3)] (41)
DEAS = DVS sen[Az(3))] (42)
DTVD = LA COS [INC (3)] (43) OR (3) = ÑOR (2) + DNOR (44)
EAS(3) = EAS(2) + DEAS (45)
TVD(3) = TVD(2) + DTVD (46) TVDT(3) = TVDTPO + OR (3) COS (AZDIP) tan(DIP) + EAS(3) sen (AZDIP) tan(DIP) (47) HAT (3) = TVDT(3) - TVD(3) (48)
DVS = LB sen [INC (3)] (49)
DNOR = DVS cos[AZ(3)] (50)
DEAS = DVS sen[AZ(3)] (51)
DTVD = LB eos [INC (3)] (52) NOR(4) = NOR(3) + DNOR (53) EAS(4) = EAS(3) + DEAS (54)
TVD(4) = TVD(3) + DVTD (55)
TVDT(4) = TVDTPO + N0R(4) eos (AZDIP) tan(DIP) + EAS(4) sen(AZDIP) tan(DIP) (56) HAT (4) = TVDT(4) - TVD(4) (57)
DVS = LB sen[INC(5)] (58)
DNOR = DVS cos[AZ(5)] (59)
DEAS = DVS sen[AZ(5)] (60)
DTVD = LB eos [INC (5) ] (61) NOR(5) = N0R(4) + DNOR (62)
EAS(5) = EAS(4) + DEAS - (63)
TVD(5) = TVD(4) + DVTD (64)
TVDT(5) = TVDTPO ÷ N0R(5) eos (AZDIP) tan(DIP) + EAS(5) sen(AZDIP) tan(DIP) (65) ??? (5) = TVDT(5) - TVD(5) (66)
100·DOGA D(3)=MD(1)+ —
(68)
En resumen, si la especificación objetivo direccional también incluye un ángulo de entrada requerido y azimut, la ruta desde cualquier punto sobre el objetivo requiere dos segmentos de arco circular separados por una sección de línea recta. Ver Figura 3.
Cuando se taladra a objetivos de pozo horizontal, la meta es colocar la perforación del pozo en el plano de la formación a un ángulo que es paralelo a la superficie de plano y se extiende en la dirección pre-planeada . Desde un punto sobre el plano objetivo en donde el ángulo de inclinación es menos que el ángulo final requerido, la ruta óptima es un segmento de arco circular sencillo como se ilustra en la Figura 4. Para todas las otras orientaciones de perforación de pozo, la trayectoria de aterrizaje requiere dos arcos circulares como se ilustra en la Figura 5. Los cálculos matemáticos que se requieren para obtener la ruta óptima a partir de las Tablas anteriores 1 a 4 están bien dentro de las habilidades de programación de una persona con destreza en la especialidad. El programa puede almacenarse en cualquier medio legible por computadora ya sea en el interior del pozo o en la superficie. Ejemplos particulares de estas determinaciones de ruta se proporciona a continuación. Ejemplo Direccional La Figura 7 muestra la trayectoria planeada para un pozo direccional de tres objetivos. Las especificaciones para estos tres objetivos son como sigue :
Profundidad Coordenada Coordenada Vertical m(ft) Norte m(ft) Este m(ft)
Obj etivo 2042.16 1219.2 365.76 No. 1 (6700) (4000) (1200) Obj etivo 2286 1493.52 320.04 No. 2 (7500) (4900) (1050) Obj etivo 2407.92 1600.2 264.32 No. 3 (7900) (5250) (200)
La posición del fondo del orificio se define como sigue : Profundidad medida 701.34 metros (2301 ft) . Ángulo de inclinación 1.5 grados de la vertical Ángulo Azimut 120 grados del Norte Profundidad Vertical 701.4 metros (2300 ft) . Coordenada Norte 6.096 m (20 ft). Coordenada Este 1.83 m (6 ft) . Proporciones de curvatura de diseño. Profundidad Vertical Proporción de Curvatura
701.04-833.92 metros 2.5 grados/30.48 m (100 ft)
(2300 a 2900 ft) 883.92-1493.52 m 3.0 grados/30.48 m (100 ft) (2900 a 4900 ft) Profundidad Vertical Proporción de Curvatura 1493.51 a 2103.12 m 3.5 grados/30.48 m (100 ft) (4900 a 6900 ft) 2112.12 a 2415.92 m 4.0 grados/30.48 m (100 ft)
(6900 a 7900 ft)
La trayectoria requerida se calcula como sigue : Para el primer objetivo utilizando la solución de la Figura 2 y Tabla. BTA=2.5 grados/30.48 m (100 ft) MDL (1)= 701.34 m (2301 ft) INC (1)=1.5 grados AZ (1)=120 grados Norte TVD (1)= 701.34 m (2301 ft) OR (1)= 6.096 m (20 ft) EAS(1)= 1.83 m (6 ft) LA = 341.89 m (1121.7 ft) DOGA= 52.2 grados MDL (2)= 1043.24 m (3422.7 ft) TVD (2)= 1042.5 m (3420.3 ft) OR (2)= 1.615 (5.3 ft) EAS (2)= 9.5 m (31.4 ft) INC (3)= 51.8 grados AZ (3)= 16.3 azimut Norte MDL (3)= 1384.5 m (4542.4 ft) MD (3)= 1336.76 m (4385.7 ft) TVD (3)= 1253.9 m (4113.9 ft) NOR (3)= 258.14 m (850.2 ft) EAS (3)= 84.9 m (278.6 ft) MD (4)= 2610.3 m (8564.0 ft) MDL (4)= 2658.07 m (8720.7 ft) INC (4)= 51.8 grados AZ (4)= 16.3 grados Norte TVD (4)= 2047.16 m (6700 ft) NOR (4)= 1219.2 m (4000 ft) EAS (4)= 365.76 m (1200 ft) Para el segundo objetivo utilizamos la solución de la Figura 2 y Tabla 1. BTA= 3.5 grados/30.48 m (100 ft) MD (1)= 2610.3 m (8564.0 ft) MDL (1)= 2658.3 m (8720.9 ft) INC (1)= 51.8 grados AZ (1)= 16.3 grados Norte TVD (1)= 2047.16 m (6700 ft) NOR (1)= 1219.2 m (4000 ft) EAS (1)= 365.36 m (1200 ft) LA= 139.32 m (458.4 ft) DOGA= 31.3 grados MDL (2)= 2797.85 m (9179.3 ft) TVD (2)= 2128.57 m (6983.5 ft) ÑOR (2)= 1324.57 m (4345.7 ft) EAS (2)= 396.58 m (1301.1 ft) INC (3)= 49.7 grados AZ (3)= 335.6 grados Norte DL (3)= 2937.27 m (9636.7 ft) MD (3)= 2882.64 m (9457.8 ft) TVD (3)= 2218 m (7280.1 ft) OR (3)= 1421.4 m (4663.4 ft) EAS (3)= 352.62 m (1156.9 ft) D(4)= 2986.34 m (9797.7 ft) MDL (4)= 3041.11 m (9977.4 ft) INC (4)= 49.7 grados AZ (4)= 335.6 grados Norte TVD (4)= 2286 m (7500 ft) OR (4)= 1493.52 m (4900 ft) EAS (4)= 320.04 m (1050 ft) Para el tercer objetivo también utilizamos la solución de la Figura 2 y Tabla 1 BTA= 4.0 grados/30.48 m (100 ft) MD (1)= 2986.34 m (9797.7 ft) MDL (4)= 3041.11 m (9977.4 ft) INC (4)= 49.7 grados AZ (4)= 335.6 grados Norte TVD (4)= 2286 m (7500 ft) OR (4)= 1493.52 m (4900 ft) EAS (4)= 320.04 m (1050 ft) LA= 28.28 m (92.8 ft) DOGA= 7.4 grados DL (2)= 3069.4 m (10070.2 ft) TVD (2)= 2304.29 m (7560.0 ft) NOR (2)= 1513.18 m (4964.5 ft) EAS (2)= 311.14 m (1020.8 ft) INC (3) = 42.4 grados AZ (3)= 337.1 grados Norte MDL (3)= 3097.68 m (10163.0 ft) MD (3)= 3042.85 m (9983.1 ft) TVD (3)= 2325.2 m (7628.6 ft) NOR (3)= 15307.36 m (50221 ft) EAS (3)= 303.7 m (996.4 ft) MD (4)= 3154.8 m (10350.4 ft) MDL (4)= 3209.6 m (10530.2 ft) INC (4)= 42.4 grados AZ(4)= 337.1 grados Norte TVD (4)= 2407.92 m (7900 ft) NOR (4)= 1600.2 m (5250 ft) EAS (4)= 234.32 m (900 ft) Ejemplo Horizontal La Figura 8 muestra la trayectoria planeada para perforar hasta un objetivo horizontal. En este ejemplo, un objetivo direccional se utiliza para alinear la perforación del pozo con la ruta horizontal deseada.
El objetivo direccional se define como sigue. 2042.16 m (6700 ft) profundidad Vertical 121.92 m (400 ft) Coordenada Norte 487.68 m (1600 ft) Coordenada Este 45 grados de ángulo de inclinación 15 grados azimut Norte El plan objetivo adicional tiene las siguientes especificaciones : 2072.64 m (6800 ft) de profundidad vertical a 0 m (0 ft) Norte y 0 m (0 ft) Coordenadas Este 30 grados Norte inmersión azimut 15 grados de dirección objetivo de perforación del pozo horizontal Norte 914.4 m (3000 ft) de desplazamiento horizontal La posición del fondo del orificio es como sigue : Profundidad medida 1067.4 m (3502 ft) Ángulo de Inclinación 1.6 grados Ángulo de Azimut 280 grados Norte Profundidad Vertical 1068.8 m (3500 ft) Coordenadas Norte 3.048 m (10 ft) Coordenadas Este -6.096 m (-20 ft) Las proporciones de curvatura de diseño para el orificio direccional son:
Profundidad Vertical Proporción de Curvatura 1076.8-1219.2 m 3 grados/30.48 m (100 ft)
(3500-4000 ft) 1219.2-1828.8 m 3.5 grados/30.48 m (100 ft)
(4000-6000 ft) 1828.8-2133.6 m 4 grados/30.48 m (100 ft)
(6000-7000 ft)
Las proporciones de curvatura de diseño máximas para el pozo horizontal son: 13 grados/30.48 m (100 ft) La trayectoria para alcanzar el objetivo direccional se calcula utilizando la solución mostrada em la Figura 3. BTA=3.0 grados/30.48 m (100 ft) BTB=3.5 grados/30.48 m (100 ft)
MDL(1)= 1067.4 m (3502 ft) MD (1)= 1067.4 m (3502 ft) INC (1)= 1.6 grados AZ (1)= 280 grados Norte TVD(1)= 1066.7 m (3500 ft) NOR(l)= 3.048 m (10 ft) EAS(1)= - 7.096 m (-20 ft)
LA= 205.07 m (672.8 ft) LB= 236.07 m (774.5 ft) DOGA= 38.8 grados DOGB= 50.6 grados
DL(2)= 1272.48 m (4174.8 ft) TVD(2)= 1271.68 m (4172.5 ft) NOR(2)= 4.054 m (13.3 ft) EAS(2)= -11.73 m (-38.5 ft)
INC(3) = 37.2 grados AZ (3)= 95.4 grados Norte MDL(3)= 1477.5 m (4847.5 ft) MD (3)= 1461.7 m (4795.6 ft) TVD(3)= 1435.6 m (4708.2 ft) NOR(3)= -7.78 m (-25.2 ft) EAS(3)= 111.71 m (366.5 ft)
INC(4)= 37.2 grados AZ (4)= 95.4 grados Norte
MDL(4)= 1794.17 m (5886.4 ft) D (4)= 1778.36 m (5834.5 ft)
TVD(4)= 1687.25 m (5535.6 ft) N0R(4)= -25.82 m (-84.7 ft) EAS(4)= 302.36 m (992.0 ft)
MDL(5)= 2030.21 m (6660.8 ft) TVD(5)= 1875.25 m (6152.4 ft) NOR(5) = -39.3 m (-129.0 ft) EAS(5)= 444.49 m (1458.3 ft)
MD(6)= 2219.3 m (7281.2 ft) MDL(6)= 2266.25 m (7435.2 ft) INC (6)= 45 grados AZ (6)= 15 grados Norte TVD(6)= 2047.16 m (6700 ft) NOR(6)= 121.92 m (400 ft) EAS(6) = 477.78 m (1600 ft) La trayectoria de aterrizaje horizontal utiliza la solución mostrada en la Figura 4 y Tabla 3 , los resultados son como sigue: La posición de partida es : NMD (1)= 2219.3 m (7281.3 ft) INC (1)= 45 grados AZ (1)= 15 grados Norte TVD(1)= 2047.16 m (6700 ft) NOR(l= 121.92 m (400 ft) EAS (1)= 487.72 m (1600 ft) La especificación objetivo inclinado es
TVDTP= 2074 m (6800 ft) NTP = 0 m (0 ft) ETP = 0 m (0 ft) DIP = 4 grados AZDIP -30 grados Norte El azimut objetivo horizontal es: TARGAZ = 15 grado Norte La solución de la Tabla 3 es como sigue DNOR = 121.92 m (400 ft) DEAS = 477.38 m (1600 ft) DVS = 502.67 m (1649.2 ft) AZD = 76.0 grados Norte TVD (2)= 2097.0 m (6880.2 ft) ANGA = 15 grados X= 58.59 m (193.2 ft) TVD(3)= 2101.05 m (6893.2 ft) OR (3)= 178.79 m (586.6 ft) EAS (3)= 502.92 m (1650.0 ft) LA = 83.3 m (273.3 ft)
AZ(5) = 15 grados Norte INC (5) =86.1 grados DOG= 41.1 grados BT= 7.9 grados/30.48 m (100 ft) DVS= 83.09 m (272.6 ft) DNOR= 80.25 m (263.3 ft) DEAS= 19.72 ra (70.6 ft) DTVD= 5.2 m (17.4 ft) NOR (5)= 259.0 m (850.0 ft) EAS (5)= 524.44 m (1720.6 ft) TVD (5)= 2106.65 m (6911.6 ft) MD (5)= 2368.69 m (7804.1 ft) El fin de la horizontal de 914.4 m (3000 ft) se determina como sigue : DVS= 912.33 m (2993.2 ft) DNOR= 871.24 m (2891.2 ft) DEAS= 236.13 m (774.7 ft) DTVD= 61.73 m (202.2 ft) NOR= 1060.03 m (3477.8 ft) EAS= 760.57 m (2495.3 ft) TVD= 2168.28 m (7113.8 ft) MD= 3293.0 m (10804.1 ft) Es bien conocido que la proporción de curvatura óptima para los pozos direccionales y horizontales, es una función de la profundidad vertical de la sección. Proporciones de curvatura planeadas o deseadas pueden cargarse en una computadora en el interior del pozo en la forma de una tabla de proporción de curvatura contra profundidad. Los diseños del interior del pozo utilizarán la proporción de curvatura planeada como se define por la tabla. La calidad del diseño además puede optimizarse al emplear menores proporciones de curvatura que los valores planeados cuando sea práctico. Como una característica de las modalidades preferidas, la curvatura de recodo total del segmento de arco circular más superior, se compara con la proporción de curvatura planeada o deseada. Cada vez que se encuentre el ángulo de recodo total menor que la proporción de curvatura planeada del diseñador, la proporción de curvatura se reduce a un valor numéricamente igual al recodo total. Por ejemplo, si la curvatura planeada fue 3.5 grados/30.48 m/ (100 ft) y el recodo requerido fue de 0.5 grados, una proporción de curvatura de 0.5 grados/30.48 m (100 ft) habrá de emplearse para la sección de arco circular inicial . Este procedimiento producirá perforaciones de pozo menos tortuosas, más lisas, que las que se producen al utilizar el valor planeado. El desempeño de la proporción de curvatura actual del equipo de perforación direccional incluyendo sistemas direccionales rotatorios se afecta por las tolerancias de fabricación, el desgaste mecánico el equipo direccional y rotatorio, el desgaste de la broca y las características de la formación. Afortunadamente, estos factores tienden a cambiar lentamente y en general producen proporción de curvatura actuales que permanecen substancialmente constantes con la profundidad de perforación o taladrado pero difieren algo de la trayectoria teórica. El sistema de cómputo en el interior del pozo además puede optimizar el control de trayectoria al calcular y utilizar un factor de corrección para controlar el sistema direccional rotatorio. La magnitud de los errores puede calcularse al comparar la trayectoria planeada entre posiciones de reconocimiento, con la trayectoria actual calculada a partir de los reconocimientos . La diferencia entre estos dos valores representa una combinación de la desviación en desempeño del sistema direccional rotatorio y los errores inducidos aleatoriamente en el proceso de medición de reconocimiento. Un proceso de corrección de error efectivo deberá minimizar la influencia de los errores de reconocimiento aleatorios, mientras que resuelven rápidamente a cambios en el desempeño del sistema direccional y rotatorio . Un método preferido es utilizar una diferencia promedio de recorrido ponderado para los coeficientes de corrección. Una técnica preferida es utilizar los últimos cinco errores de reconocimiento y promediarlos al ponderar el último reconocimiento, el segundo reconocimiento cuatro veces, el tercer reconocimiento último tres veces, el cuarto último reconocimiento dos veces y el quinto reconocimiento, una vez. Alterar el número de reconocimientos o ajustar los factores de ponderación puede utilizarse para incrementar o reducir adicionalmente la influencia de los errores de reconocimiento aleatorios al incrementar o disminuir la respuesta a un cambio en el desempeño real. Por ejemplo, en vez de los cinco más recientes reconocimientos, los datos de los 10 más recientes reconocimientos pueden emplearse durante la corrección de error. Las variables de ponderación para cada reconocimiento también pueden ser números enteros o fracciónales . Las determinaciones de error anteriores pueden incluirse en un programa de computadora, los detalles del cual están bien dentro de las habilidades de una persona con destreza en la especialidad. Las modalidades anteriores para operaciones de perforación direccional y horizontal pueden aplicarse con herramientas direccionables dirigibles y/o rotatorios conocidas, que controlan efectivamente las proporciones de curvatura. Una herramienta tal se describe por el presente inventor en la Patente de los E.U.A. No. 5,931,239. La invención no se limita por el tipo de sistemas direccionales . La Figura 9 ilustra el montaje al interior del pozo que es operable con las modalidades preferidas . La herramienta direccional dirigible rotatoria 1 se operará con una herramienta MWD 2. Una herramienta MWD básica, que mide coordenadas tales como profundidad, azimut e inclinación, es bien conocida en la especialidad. ? fin de proporcionar las mejoras de la presente invención, la herramienta MWD del aparato de medición incluyen módulos que realizan las siguientes funciones . 1. Recibe datos e instrucciones de la superficie. 2. Incluye un módulo de reconocimiento que mide la inclinación y azimut de la herramienta. 3. Envía datos de la herramienta MDW a un receptor en la superficie. 4. Un radio enlace de dos vias que envía secciones al estabilizador ajustable y recibe datos de desempeño de regreso desde la unidad estabilizadora . 5. Un módulo de computadora para volver a calcular una ruta óptima, con base en coordenadas del montaje de perforación . Hay tres métodos adicionales que pueden emplearse para hacer las profundidades de cada reconocimiento disponibles para computadora al interior del pozo. El más simple de estos es solo descargar la profundidad de reconocimiento antes de o después de las operaciones de reconocimiento. La forma más eficiente para manejar la información de profundidad de reconocimiento es calcular las profundidades de reconocimiento futuras y cargar estos valores en la computadora al interior del pozo antes de que la herramienta se baje al orificio. La forma menos intrusiva para pronosticar profundidades de reconocimiento, es utilizar una longitud promedio de los tramos de tubería de perforación en vez de medir la longitud de cada tubería a agregar y determinar la profundidad de reconocimiento, con base en el número de juntas de tubería y la longitud promedio. Se prevé que la herramienta WD también puede incluir módulos para tomar mediciones de rayos gamma, resistividad y otras medidas de evaluación de formación. Se anticipa que estas medidas adicionales ya pueden ser grabadas para revisión en el futuro o enviarse en tiempo-real a la superficie. El módulo de computadora al interior del pozo utilizará: datos cargados en superficie, instrucciones mínimas descargadas de la superficie, y medidas al interior del pozo, para calcular la posición de la perforación del pozo después de cada reconocimiento y determinar la trayectoria óptima requerida para taladrar desde la posición actual de la perforación del pozo a los objetivos direccional y horizontal. Un duplicado de esta capacidad de cómputo puede instalarse en forma opcional en la superficie, a fin de minimizar el volumen de datos que pueden enviarse de la herramienta WD a la superficie. La computadora al interior del pozo también incluirá un módulo de corrección de error que comparará la trayectoria determinada de los reconocimientos a la trayectoria planeada y utilizará esas diferencias para calcular el término de corrección de error. La corrección de error proporcionará un proceso de bucle cerrado que corregirá tolerancias de fabricación, desgaste de herramienta, desgaste de broca y efectos de formación. El proceso mejorará significativamente las operaciones de perforación direccional y horizontal a través de lo siguiente: 1. Solo un diseño de montaje al fondo del pozo sencillo se requerirá para perforar todo el pozo direccional . Esto elimina todos los viajes comúnmente utilizados a fin de cambiar las características de montaje al fondo del pozo para satisfacer mejor los requerimientos de trayectoria diseñada. 2. El proceso realizará una perforación de pozo uniforme con mínima tortuosidad. El proceso de rediseñar la trayectoria óptima después de cada reconocimiento, seleccionará la ruta de orificio con mínima curvatura requerida para alcanzar los objetivos. Esto eliminará ajustes tortuosos típicamente empleados por perforadores direccionales para ajustar la ruta de regreso a la trayectoria planeada original . 3. La rutina para corrección de error de bucle cerrado minimizará las diferencias entre la trayectoria pretendida y las trayectorias actuales logradas . Esto también llevará a reducida tortuosidad. 4. A través la combinación de proporcionar un control preciso de la proporción de curvatura y la capacidad de volver a determinar la ruta óptima, la invención proporciona una trayectoria que utiliza las proporciones de curvatura prácticas mínimas. Esto además extenderá la meta de minimizar la tortuosidad del orificio. Mientras que se han descrito anteriormente modalidades preferidas de la invención, una persona con destreza en la especialidad reconocerá que diversas modificaciones pueden realizarse sin apartarse del espíritu y alcance de la invención.