專利名稱：一種井眼軌道控制方法
技術領域：
本發(fā)明涉及石油鉆井領域，特別涉及一種井眼軌道控制方法。
背景技術：
隨著定向鉆井技術的發(fā)展，對井眼軌道設計和控制提出了更高的要求。側鉆井水平井和地質導向鉆井等的井眼軌道都是三維的，需要限定著陸點位置和方向，只有嚴格按照目標點位置和方向要求進行軌道設計和控制，才能確保矢量中靶，有效鉆達目的層位。對不同類型井的井眼軌道設計和控制，有不同的設計要求和限制條件。如三維大位移水平井，特點是穩(wěn)斜角大和穩(wěn)斜段長，其位移延伸能力受井眼軌道設計和控制工具的影響大，如何優(yōu)化井眼軌道，增加位移延伸能力，滿足設計和控制工藝的要求，是需要解決的問題；對側鉆中短半徑水平井，因靶前位移小，可供設計的空間位置有限，在軌道控制上要用高造斜率的控制工具來實現(xiàn)，常常希望設計成無中間穩(wěn)斜段的單一曲率軌道形式，以便工藝上一套鉆具能夠完成；在復雜油氣藏、薄油層及非均質儲層進行地質導向鉆井，要根據(jù)實鉆軌跡和測井資料的響應情況進行實時決策分析，隨情況變化及時修改地質模型和調(diào)整鉆井軌道，以提高儲層鉆遇率，應快速、精確地出設計出合理的待鉆井眼軌道才能適應地質導向鉆井的要求。受目標點空間位置及方向的限制以及工藝上的不同要求，須對井眼軌道作三維設計。從幾何結構上講，實現(xiàn)這種要求的三維軌道有無數(shù)條。但如何在多約束條件快速、精確地設計并優(yōu)化出合理的井眼軌道是一難題。目前解決滿足目標點位置和入靶方向條件下的三維井眼軌道設計這一技術問題是通過求解非線性方程組和迭代法等進行的，但理論上無法回答約束方程是否有解的問題，而且求解計算麻煩，難以求解，不能很好地滿足油氣鉆井對井眼軌道設計及控制的要求。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術中上述的不足，本發(fā)明提供一種井眼軌道控制方法，該方法可滿足多約束條件下同時限定目標點位置和方向的井眼軌道設計和控制要求；設計和控制方法簡單、實用，易于井眼軌道優(yōu)化和控制，可提高設計效率和井身質量，降低鉆井作業(yè)時間和成本，實現(xiàn)安全、快速、優(yōu)質鉆完井作業(yè)的目的。本發(fā)明的技術方案是一種井眼軌道控制方法，包括以下步驟(一)、井眼軌道設計I.確定設計基礎數(shù)據(jù)給定井眼軌道設計的起始點S和目標點T的已知數(shù)據(jù)，即S點的坐標(Xs，Ys, Zs)、 方向(as，φ5)和井深LS，T點的坐標(XT，YT，ZT)和方向(ατ，Φ τ)，對于側鉆井或井眼軌道調(diào)整設計，通過測斜數(shù)據(jù)處理方法得到設計起始點的數(shù)據(jù)；II.計算分析原始數(shù)據(jù)根據(jù)步驟I中的數(shù)據(jù)，計算出起始點S和目標點T間的空間距離L、切線夾角θ和S點到T點的最小井眼曲率Kmin，若S和T兩點切線共線，從S點穩(wěn)斜到T點即可，則T點井深Lt = Ls+L，結束設計； 否則到步驟III ；III.確定參數(shù)求解方式在5個設計參數(shù)Lp Lh、L2、K。k2中，可任選4個為已知參數(shù)，求解另一參數(shù)，設計參數(shù)的取值范圍參考步驟II中的計算結果L、Kmin和工程上許可的最大井眼曲率Kmax ；IV.計算軌道節(jié)點參數(shù)求出未知參數(shù)后，計算節(jié)點A、B、C、D、T的井眼軌道參數(shù)，包括井深，井斜角、方位角和坐標數(shù)據(jù)等；V.計算軌道明細數(shù)據(jù)根據(jù)井眼軌道參數(shù)，按一定步長計算圓弧段軌道參數(shù)和造斜工具的控制參數(shù)以及穩(wěn)斜段的軌道參數(shù)；VI.輸出軌道設計數(shù)據(jù)( 二)井眼軌道控制井眼軌道控制方法根據(jù)設計軌道剖面形式、設計井眼曲率大小、井眼軌道控制工具和方式等來確定，基本控制流程如下a.設計鉆具組合根據(jù)井眼軌道設計數(shù)據(jù)，結合軌道控制工具和鉆井工藝要求，確定鉆井軌道控制方式，設計下部鉆具組合BHA;b.設計鉆柱結構根據(jù)軌道設計、控制工藝、機械鉆速和鉆頭使用時間等情況，估算本次下鉆鉆井進尺，進行摩阻和扭矩分析，優(yōu)化鉆柱結構和進行鉆柱強度校核，確定鉆柱結構；c.現(xiàn)場鉆具組合按設計鉆具組合和鉆柱結構組合鉆具，現(xiàn)場丈量入井鉆具，按入井順序對鉆具進行編號和記錄鉆具參數(shù)；d.工具測試和設置下鉆前，對測量控制工具進行配置和測試，測試合格后下鉆，當采用旋轉導向系統(tǒng)時，按鉆完單根深度在控制工具中設置軌道及控制參數(shù)；e.井眼軌道監(jiān)控鉆具到底后，按設計井眼軌道進行控制，并隨鉆測量各種參數(shù)，測量結果上傳到地面系統(tǒng)，進行軌道實時監(jiān)控；地面系統(tǒng)根據(jù)上傳軌道參數(shù)計算實鉆井眼軌跡和設計軌道的偏差，若偏差在允許范圍內(nèi)，繼續(xù)按原設計軌道鉆進；f.軌道調(diào)整設計若實鉆井眼軌跡和設計軌道的偏差超出允許范圍或者地質目標發(fā)生變化，地面系統(tǒng)按步驟(一)中的設計方法進行井眼軌道調(diào)整設計；若設計井眼曲率在現(xiàn)有BHA的可控范圍內(nèi)，則不需起鉆，按設計的調(diào)整井眼軌道控制即可；g.改變鉆具組合若調(diào)整設計井眼曲率超出現(xiàn)有鉆具組合的可控范圍內(nèi)，則須起鉆，重新設計井下控制工具和下部鉆具組合BHA ；h.鉆柱摩阻扭矩監(jiān)測實時監(jiān)測鉆柱摩阻扭矩變化；i.結束本次鉆進作業(yè)當完成本趟鉆的軌道控制目或需起鉆更換鉆頭等時，則結束鉆進，進行鉆井液循環(huán)和起鉆等后續(xù)作業(yè)。井眼軌道設計有以下種求解方式可供設計選擇(1)給定設計參數(shù)L” Lh、L2、k2求K1①由井眼曲率K2計算對應的曲率半徑R2 ；②計算系數(shù)a、b、c和判別式；若有解，則由公式(5)計算Lm ；③根據(jù)求得的Lm，由公式(3)計算R1，進而求出K1 ；(2)給定設計參數(shù) L1, Lh、L2、K1 求 K2①由井眼曲率K1計算對應的曲率半徑R1 ；②計算系數(shù)a、b、c和判別式；若有解，則由公式(6)計算Ln ；③根據(jù)求得的Ln，由公式(4)計算R2,進而求出K2 ；(3)給定設計參數(shù) L1, L2、K1, K2 求 Lh①根據(jù)S、T兩點的空間坐標，可確定出Lh的最大長度Lmax ；②在0彡Lh彡Lfflax內(nèi)，假定Lh為已知參數(shù)；③根據(jù)方法(1)或⑵，可求得Kic或K2c ；④若I Kic-K11 ( ε或I K2c-K21 ( ε，則Lh為所求值；否則，回步驟②迭代計算；(4)給定設計參數(shù) L1、Lh、K1、K2 求 L2將方法(3)中的Lh改為L2,計算步驟相同；(5)給定設計參數(shù) Lh、L2、K1. K2 求 L1將方法(3)中的Lh改為L1，計算步驟相同；(6)給定設計參數(shù) L1, Lh、L2 求 K1 = K2①確定設計井眼曲率允許范圍為Kmin Kmax ；②在井眼曲率范圍Kmin Kmax內(nèi)，設定一 K值；令K2 = K或K1 = K ；③根據(jù)方法(1)或⑵，可求得Kic或K2c ；④若|K1C-K2|彡ε或IK2c-K1I彡ε，則K為所求值；否則，回步驟②迭代計算；(7)井眼軌道優(yōu)化設計①確定井眼軌道優(yōu)化目標函數(shù)；②給定設計參數(shù)L^ Lh、L2、K^ K2的取值范圍；③給定中間參數(shù)的取值范圍；④在L” Lh、L2、K1或K2的取值范圍，按一定步長計算夂2 fd,L1,L2,Lh)或 K^f(K2AL2)Lh);⑤若求得的Kp K2在不在給定取值范圍，則回步驟④循環(huán)進行計算；否則，計算中間參數(shù)；⑥若中間參數(shù)在給定取值范圍，則計算目標函數(shù)；否則，回步驟④循環(huán)進行計算；⑦比較符合約束條件的目標函數(shù)值，保存優(yōu)化結果參數(shù)，回步驟④循環(huán)進行計算，
7直到計算完為止。本發(fā)明具有如下有益效果由于采取上述方案，本發(fā)明可滿足多約束條件下同時限定目標點位置和方向的井眼軌道設計和控制要求，設計模型包括了多種剖面組合形式， 具有普遍適用性；給出了解析計算公式和有解的判別式，避免了求解多維非線性方程組和采用其它設計方法的麻煩；設計和控制方法簡單、實用，易于井眼軌道優(yōu)化和控制，可提高設計效率和井身質量，降低鉆井作業(yè)時間和成本，實現(xiàn)安全、快速、優(yōu)質鉆完井作業(yè)的目的。


圖1是本發(fā)明三維井眼軌道設計模型示意圖；圖2是本發(fā)明三維井眼軌道參數(shù)計算示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發(fā)明作進一步說明一、首先對三維井眼軌道設計模型及其解析解進行說明三維井眼軌道設計模型如圖1所示。圖1中0為原點，X指向正北，Y指向正東，Z 向下。S為設計起始點，T為目標點。S、T兩點的坐標位置及井斜、方位為已知條件。設計軌道由直線段L1+圓弧段S1+直線段Lh+圓弧段S2+直線段L2組成?；驹O計參數(shù)共5個，分別為3個直線段長度Li、Lh、L2和2個圓弧段曲率&、&。由這5個基本設計參數(shù)可設計出滿足目標點位置和入靶方向約束條件下的井眼軌道設計。該設計模型可實現(xiàn)以下剖面形式(1)直線段+圓弧段+直線段+圓弧段+直線段(L1 > 0，Lh > 0，L2 > 0)；(2)直線段+圓弧段+直線段+圓弧段(L1 > 0，Lh > 0，L2 = 0)；(3)直線段+圓弧段+圓弧段+直線段(L1 > 0，Lh = 0，L2 > 0)；(4)圓弧段+直線段+圓弧段+直線段(L1 = 0，Lh > 0，L2 > 0)；(5)直線段 + 圓弧段 + 圓弧段(L1 > 0，Lh = 0，L2 = 0)；(6)圓弧段 + 直線段 + 圓弧段(L1 = 0，Lh > 0，L2 = 0)；(7)圓弧段 + 圓弧段 + 直線段(L1 = 0，Lh = 0，L2 > 0)；(8)圓弧段 + 圓弧段(L1 = 0，Lh = 0，L2 = 0，K1 乒 K2)；(9)圓弧段 + 圓弧段(L1 = 0，Lh = 0，L2 = 0，K1 = K2)。三維井眼軌道設計模型存在以下解析計算式
權利要求
1. 一種井眼軌道控制方法，其特征在于包括以下步驟(一)、井眼軌道設計I.確定設計基礎數(shù)據(jù)給定井眼軌道設計的起始點S和目標點T的已知數(shù)據(jù)，即S點的坐標(xs，Ys，zs)、方向 (as, Φ5)和井深LS，T點的坐標(XT，YT，ZT)和方向(ατ，Φ τ)，對于側鉆井或井眼軌道調(diào)整設計，通過測斜數(shù)據(jù)處理方法得到設計起始點的數(shù)據(jù)；II.計算分析原始數(shù)據(jù)根據(jù)步驟I中的數(shù)據(jù)，計算出起始點S和目標點T間的空間距離L、切線夾角θ和S點到T點的最小井眼曲率Kmin，若S和T兩點切線共線，從S點穩(wěn)斜到T點即可，則T點井深Lt = Ls+L，結束設計；否則到步驟III ；III.確定參數(shù)求解方式在5個設計參數(shù)Lp Lh、L2、K1, K2中，可任選4個為已知參數(shù)，求解另一參數(shù)，設計參數(shù)的取值范圍參考步驟II中的計算結果L、Kfflin和工程上許可的最大井眼曲率Kmax ；IV.計算軌道節(jié)點參數(shù)求出未知參數(shù)后，計算節(jié)點A、B、C、D、T的井眼軌道參數(shù)，包括井深，井斜角、方位角和坐標數(shù)據(jù)等；V.計算軌道明細數(shù)據(jù)根據(jù)井眼軌道參數(shù)，按一定步長計算圓弧段軌道參數(shù)和造斜工具的控制參數(shù)以及穩(wěn)斜段的軌道參數(shù)；VI.輸出軌道設計數(shù)據(jù)(二)井眼軌道控制井眼軌道控制方法根據(jù)設計軌道剖面形式、設計井眼曲率大小、井眼軌道控制工具和方式等來確定，基本控制流程如下a.設計鉆具組合根據(jù)井眼軌道設計數(shù)據(jù)，結合軌道控制工具和鉆井工藝要求，確定鉆井軌道控制方式， 設計下部鉆具組合BHA;b.設計鉆柱結構根據(jù)軌道設計、控制工藝、機械鉆速和鉆頭使用時間等情況，估算本次下鉆鉆井進尺， 進行摩阻和扭矩分析，優(yōu)化鉆柱結構和進行鉆柱強度校核，確定鉆柱結構；c.現(xiàn)場鉆具組合按設計鉆具組合和鉆柱結構組合鉆具，現(xiàn)場丈量入井鉆具，按入井順序對鉆具進行編號和記錄鉆具參數(shù)；d.工具測試和設置下鉆前，對測量控制工具進行配置和測試，測試合格后下鉆，當采用旋轉導向系統(tǒng)時， 按鉆完單根深度在控制工具中設置軌道及控制參數(shù)；e.井眼軌道監(jiān)控鉆具到底后，按設計井眼軌道進行控制，并隨鉆測量各種參數(shù)，測量結果上傳到地面系統(tǒng)，進行軌道實時監(jiān)控；地面系統(tǒng)根據(jù)上傳軌道參數(shù)計算實鉆井眼軌跡和設計軌道的偏差，若偏差在允許范圍內(nèi)，繼續(xù)按原設計軌道鉆進；f.軌道調(diào)整設計若實鉆井眼軌跡和設計軌道的偏差超出允許范圍或者地質目標發(fā)生變化，地面系統(tǒng)按步驟(一)中的設計方法進行井眼軌道調(diào)整設計；若設計井眼曲率在現(xiàn)有BHA的可控范圍內(nèi)，則不需起鉆，按設計的調(diào)整井眼軌道控制即可；g.改變鉆具組合若調(diào)整設計井眼曲率超出現(xiàn)有鉆具組合的可控范圍內(nèi)，則須起鉆，重新設計井下控制工具和下部鉆具組合BHA ；h.鉆柱摩阻扭矩監(jiān)測實時監(jiān)測鉆柱摩阻扭矩變化；i.結束本次鉆進作業(yè)當完成本趟鉆的軌道控制目標或需起鉆更換鉆頭等時，則結束鉆進，進行鉆井液循環(huán)和起鉆等后續(xù)作業(yè)。
2.根據(jù)權利要求1所述的井眼軌道控制方法，其特征在于 井眼軌道設計有以下7種求解方法可供設計選擇(1)給定設計參數(shù)k、Lh、L2、K2求K1①由井眼曲率K2計算對應的曲率半徑R2；②計算系數(shù)a、b、c和判別式；若有解，則由公式(5)計算Lm;③根據(jù)求得的Lm，由公式(3)計算R1，進而求出K1；(2)給定設計參數(shù)LpLh、L2、K1求K2①由井眼曲率K1計算對應的曲率半徑R1；②計算系數(shù)a、b、c和判別式；若有解，則由公式(6)計算Ln;③根據(jù)求得的Ln，由公式(4)計算R2，進而求出K2；(3)給定設計參數(shù)“、L2、KpK2求Lh①根據(jù)S、T兩點的空間坐標，可確定出Lh的最大長度Lmax；②在0彡Lh彡Lfflax內(nèi)，假定Lh為已知參數(shù)；③根據(jù)方法(1)或(2)，可求得Kic或K2c；④若IKic-K1I( ε或I Κ2。-Κ21 ( ε，則Lh為所求值；否則，回步驟②迭代計算；(4)給定設計參數(shù)LpLh、K^ K2求L2 將方法(3)中的Lh改為L2,計算步驟相同；(5)給定設計參數(shù)Lh、L2、KpK2求L1 將方法(3)中的Lh改為L1,計算步驟相同；(6)給定設計參數(shù)LpLh、L2求K1 = K2①確定設計井眼曲率允許范圍為Kmin Kmax；②在井眼曲率范圍Kmin Kmax內(nèi)，設定一K值；令K2 = K或K1 = K ；③根據(jù)方法(1)或(2)，可求得Kic或K2c；④若|K1C-K2|( ε或IK2c-K1I ( ε，則K為所求值；否則，回步驟②迭代計算；(7)井眼軌道優(yōu)化設計①確定井眼軌道優(yōu)化目標函數(shù)；②給定設計參數(shù)LpLhHpK2的取值范圍；③給定中間參數(shù)的取值范圍；④在LpLpLyK1或K2的取值范圍，按一定步長計算K2= f (K1, L1, L2, Lh) ^ K1 = f(K2, L” L2，Lh)；⑤若求得的Ki、K2在不在給定取值范圍，則回步驟④循環(huán)進行計算；否則，計算中間參數(shù)；⑥若中間參數(shù)在給定取值范圍，則計算目標函數(shù)；否則，回步驟④循環(huán)進行計算；⑦比較符合約束條件的目標函數(shù)值，保存優(yōu)化結果參數(shù)，回步驟④循環(huán)進行計算，直到計算完為止。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種井眼軌道控制方法。主要解決現(xiàn)有的井眼軌道控制方法不能很好地滿足油氣鉆井對井眼軌道設計及控制要求的問題。其特征在于包括井眼軌道設計和井眼軌道控制兩部分。該方法可滿足多約束條件下同時限定目標點位置和方向的井眼軌道設計和控制要求；設計和控制方法簡單、實用，易于井眼軌道優(yōu)化和控制，可提高設計效率和井身質量，降低鉆井作業(yè)時間和成本，實現(xiàn)安全、快速、優(yōu)質鉆完井作業(yè)的目的。
文檔編號E21B7/04GK102425374SQ20111037233
公開日2012年4月25日 申請日期2011年11月21日 優(yōu)先權日2011年11月21日
發(fā)明者唐雪平, 王家進, 王鵬, 盛利民, 竇修榮, 蘇義腦, 鄧樂, 高文凱 申請人:中國石油集團鉆井工程技術研究院