[发明专利]利用地层自然造斜规律的悬链线钻井轨道设计方法

权利要求书

1.利用地层自然造斜规律的悬链线钻井轨道设计方法；其特征是：对于由“稳斜段-圆弧段-悬链线段”三段式剖面组成的大位移井，或对于由“稳斜段-圆弧段-悬链线段-稳斜段”四段式剖面组成的大位移井，采用下述步骤设计井眼轨道：

第1步，给定已知参数：

根据设计条件确定下列参数的值：

总垂深H_t；总水平位移A_t；平移方位ψ_t；

第一个井段的段长ΔL₁；第一个井段的井斜角α₁；

圆弧井段的井斜变化率κ_α，b；

悬链线井段终点的井斜角α₃；

误差允许值ε；

以及对于四段式剖面，增加给定悬链线井段始点的井斜角α₂；

第2步，给定方位漂移率κ^f_φ，i：

根据地层条件和自然造斜规律，从井口到目标点按垂深划分出若干个地层单元，并给出每个地层单元的方位漂移率；其中第i个地层单元的方位漂移率记作：κ^f_φ，i；

第3步，按方位漂移规律细分井段：

对于一口具体的大位移井，按照方位漂移规律将井段细分为以下3种情况：

①一个计算单元恰好是一个井段；

②一个计算单元是一个井段的一部分，此时，该井段将包含若干个计算单元，其中每个计算单元的方位漂移率不同；第k个计算单元的方位漂移率记作κ_φ，k；

在划分后的每个计算单元内，其方位漂移率κ_φ，k保持为常数；原来的井段数n，被细分为m段，m≥n；细分后的每一个井段称为一个细分井段；

第4步，给定初始参数：

令：φ_0，1＝ψ_t；S_t⁰＝A_t；

第5步，计算井身剖面参数：

①对于三段式剖面，按下述公式(1)、(2)分别计算出悬链线井段的始点井斜角α₂和悬链线的特征参数a：

1sinα2-1sinα3-H0-R2sinα2S0+R2cosα2ln{tanα32tanα22}=0---(1)]]>

a=H0-R2sinα21sinα2-1sinα3---(2)]]>

其中：

H₀＝H_t-ΔL₁cosα₁+R₂sinα₁     (3)

S₀＝S_t⁰-ΔL₁sinα₁-R₂cosα₁(4)

R2=180CKπκa,b---(5)]]>

式中：

C_κ单位换算系数，当曲率单位为：度/30米时，C_κ＝30；

                     当曲率单位为：度/100米时，C_κ＝100；

②对于四段式剖面，按下述公式(6)、(7)分别计算出悬链线井段的特征参数a和第四个井段的段长ΔL₄：

a=H0sinα3-S0cosα3bsinα3-ccosα3---(6)]]>

ΔL4=bS0-cH0bsinα3-ccosα3---(7)]]>

其中：

H₀＝H_t-ΔL₁cosα₁-R₂(sinα₂-sinα₁)(8)

S₀＝S_t⁰-ΔL₁sinα₁-R₂(cosα₁-cosα₂)            (9)

b=1sinα2-1sinα3---(10)]]>

c=ln(tanα32tanα22)---(11)]]>

第6步，计算圆弧井段的段长ΔL₂、悬链线井段的段长ΔL₃：

ΔL₂＝R₂(α₂-α₁)(21)

ΔL3=a(1tanα2-1tanα3)---(22)]]>

第7步，逐段计算第k个细分井段的段长ΔL_k：

①当第k个细分井段是稳斜段井段时：

ΔLk=ΔHkcosα0,k---(23)]]>

②当第k个细分井段是圆弧段井段时：

ΔLk=180CkπKα,k(αk-α0,k)---(24)]]>

③当第k个细分井段是悬链线段井段时：

ΔLk=a(1tanα0,k-1tanαk)---(25)]]>

其中：α_0，k为第k个细分井段的起始井斜角；

α_k为第k个细分井段的终点井斜角；

αk=α0,k+κa,kCκ(Lk-L0,k)---(26)]]>

对于第一段稳斜段：α_0，1＝α₁，

第k+1段的起始点井斜角等于第k段终点的井斜角，

即α_0，k+1＝α_k；

第8步，计算各细分井段的坐标增量：

逐个计算m个细分井段的坐标增量；

在计算第k个细分井段的北坐标增量ΔN_k、东坐标增量ΔE_k、垂深增量ΔH_k、水平长度增量ΔS_k时，分为两种情况计算：

当第k个细分井段属于稳斜段或圆弧段时，用(31)～(34)式；

当第k个细分井段属于悬链线段时，用(40)～(43)式；

第k+1段的起始点参数等于第k段终点的参数；

①对于稳斜段或圆弧段：

αk=α0,k+Kα,kCK(Lk-L0,k)---(35)]]>

φk=φ0,k+κφ,kCκ(Lk-L0,k)---(36)]]>

在(31)～(34)式中：

AP,k=α0,k+φ0,kAQ,k=α0,k-φ0,k---(37)]]>

κP,k=κα,k+κφ,kκQ,k=κα,k-κφ,k---(38)]]>

FS(ΔL,β,χ)=180Cκπχ[sin(β+χCκΔL)-sinβ]FC(ΔL,β,χ)=180Cκπχ[cos(β+χCκ)-cosβ]---(39)]]>

②对于悬链线段：

ΔNk=∫L0,kLksinα(L)coaφ(L)dL---(40)]]>

ΔEk=∫L0,kLksinα(L)φ(L)dL---(41)]]>

ΔHk=∫L0,kLkcosα(L)dL---(42)]]>

ΔSk=∫L0,kLksinα(L)dL---(43)]]>

tanαk=11tanα0,k-Lk-L0,k,a---(44)]]>

φk=φ0,k+κφ,kCκ(Lk-L0,k)---(45)]]>

其中，(42)式和(43)式还可以写成：

ΔHk=a(1sinα0,k-1sinαk)---(42b)]]>

ΔSk=alntanαk2tanα0,k2---(43b)]]>

在(31)～(45)式中：

ΔL_k第k个细分井段的段长，单位：米；

L_k  第k个细分井段终点的井深；

L_0，k第k个细分井段起点的井深；

κ_α，k  第k个细分井段的井斜变化率，单位：度/30米、度/100米；

κ_φ，k  第k个细分井段的方位漂移率，单位：度/30米、度/100米；

C_κ单位换算系数，当曲率单位为：度/30米时，C_κ＝30；

当曲率单位为：度/100米时，C_κ＝100；

α_0，k  第k个细分井段的起始井斜角，单位：度；

φ_0，k第k个细分井段的起始方位角，单位：度；

α_k  第k个细分井段的终点井斜角，单位：度；

φ_k  第k个细分井段的终点方位角，单位：度；

第9步：计算三维井眼轨道的水平长度S_t：

将按照公式(34)、(43)计算出的各井段水平长度增量代入(51)式，计算出总水平长度；

St=Σk=1mΔSk---(51)]]>

第10步：判断计算误差：

当|S_t-S_t⁰|＜ε时，则执行第11步；

否则，令S_t⁰＝S_t，返回到第5步，重新进行迭代计算；

第11步：计算方位超前角θ和初始方位角φ₀：

根据(31)、(32)、(40)、(41)式计算出的ΔE_k、ΔN_k，代入(52)式计算出：

将和ψ_t代入(53)、(54)式，解出θ和φ₀：

在(52)～(54)式中：

ψ_t靶点的平移方位，单位：度；

t′点的平移方位，单位：度；

第12步：井眼轨道计算：

通过(54)式计算出实际的初始方位角φ₀，进而用上述公式计算出井眼轨道上任意点的井斜角、方位角及坐标等参数，完成井眼轨道设计。