[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

摘要

本发明涉及石油钻井工程中的钻井工程设计，具体涉及大位移井的井眼轨道优化设计与控制。对于三段式和四段式悬链线剖面，通过12个步骤完成设计井眼轨道。本发明提出了二维悬链线轨道设计的新方法；根据地层的自然造斜规律，划分出具有不同方位漂移率的若干个单元，由此组合成符合钻井工程实际的地层条件；在保持悬链线轨道特点和优势的基础上，考虑地层自然造斜规律的影响，提出了三维悬链线轨道的设计方法；不仅可以科学地计算出方位超前角和初始方位角，而且可以计算出井眼轨道上诸点的各种轨道参数，实现了悬链线剖面的三维漂移轨道设计，对于大位移井的钻井设计和施工具有真正的指导意义。本发明用于石油和地质勘探领域。

主权项

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Ht；总水平位移At；平移方位ψt；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κα，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κf 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：κf 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κφ，k；在划分后的每个计算单元内，其方位漂移率κφ，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：φ0，1＝ψt；St 0＝At；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：$\frac{1}{\sin {\alpha }_2}-\frac{1}{\sin {\alpha }_3}-\frac{H_0-R_2\sin {\alpha }_2}{S_0+R_2\cos {\alpha }_2}\ln \left\{\frac{\tan \frac{{\alpha }_3}{2}}{\tan \frac{{\alpha }_2}{2}}\right\}=0---\left(1\right)$ $a=\frac{H_0-R_2\sin {\alpha }_2}{\frac{1}{\sin {\alpha }_2}-\frac{1}{\sin {\alpha }_3}}---\left(2\right)$ 其中：H0＝Ht-ΔL1cosα1+R2sinα1 (3)S0＝St 0-ΔL1sinα1-R2cosα1(4)$R_2=\frac{180C_K}{{\mathrm{\pi \kappa }}_{a,b}}---\left(5\right)$ 式中：Cκ单位换算系数，当曲率单位为：度/30米时，Cκ＝30； 当曲率单位为：度/100米时，Cκ＝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：$a=\frac{H_0\sin {\alpha }_3-S_0\cos {\alpha }_3}{b\sin {\alpha }_3-c\cos {\alpha }_3}---\left(6\right)$ ${\mathrm{\Delta L}}_4=\frac{b{S}_0-c{H}_0}{b{\sin \alpha }_3-c\cos {\alpha }_3}---\left(7\right)$ 其中：H0＝Ht-ΔL1cosα1-R2(sinα2-sinα1)(8)S0＝St 0-ΔL1sinα1-R2(cosα1-cosα2) (9)$b=\frac{1}{\sin {\alpha }_2}-\frac{1}{\sin {\alpha }_3}---\left(10\right)$ $c=\ln \left(\frac{\tan \frac{{\alpha }_3}{2}}{\tan \frac{{\alpha }_2}{2}}\right)---\left(11\right)$ 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)${\mathrm{\Delta L}}_3=a(\frac{1}{\tan {\alpha }_2}-\frac{1}{\tan {\alpha }_3})---\left(22\right)$ 第7步，逐段计算第k个细分井段的段长ΔLk：①当第k个细分井段是稳斜段井段时：$\Delta L_k=\frac{\Delta H_k}{\cos {\alpha }_{0,k}}---\left(23\right)$ ②当第k个细分井段是圆弧段井段时：$\Delta L_k=\frac{180C_k}{\pi K_{\alpha ,k}}({\alpha }_k-{\alpha }_{0,k})---\left(24\right)$ ③当第k个细分井段是悬链线段井段时：$\Delta L_k=a(\frac{1}{\tan {\alpha }_{0,k}}-\frac{1}{\tan {\alpha }_k})---\left(25\right)$ 其中：α0，k为第k个细分井段的起始井斜角；αk为第k个细分井段的终点井斜角；${\alpha }_k={\alpha }_{0,k}+\frac{{\kappa }_{a,k}}{C_{\kappa }}(L_k-L_{0,k})---\left(26\right)$ 对于第一段稳斜段：α0，1＝α1，第k+1段的起始点井斜角等于第k段终点的井斜角，即α0，k+1＝αk；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ΔNk、东坐标增量ΔEk、垂深增量ΔHk、水平长度增量ΔSk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：${\alpha }_k={\alpha }_{0,k}+\frac{K_{\alpha ,k}}{C_K}(L_k-L_{0,k})---\left(35\right)$ ${\phi }_k={\phi }_{0,k}+\frac{{\kappa }_{\phi ,k}}{C_{\kappa }}(L_k-L_{0,k})---\left(36\right)$ 在(31)～(34)式中：$\left\{\begin{array}{c}{A}_{P,k}={\alpha }_{0,k}+{\phi }_{0,k}\\ A_{Q,k}={\alpha }_{0,k}-{\phi }_{0,k}\end{array}\right.----\left(37\right)$ $\left\{\begin{array}{c}{\kappa }_{P,k}={\kappa }_{\alpha ,k}+{\kappa }_{\phi ,k}\\ {\kappa }_{Q,k}={\kappa }_{\alpha ,k}-{\kappa }_{\phi ,k}\end{array}\right.---\left(38\right)$ $\left\{\begin{array}{c}{F}_S(\mathrm{\Delta L},\beta ,\chi )=\frac{180C_{\kappa }}{\mathrm{\pi \chi }}[\sin (\beta +\frac{\chi }{C_{\kappa }}\mathrm{\Delta L})-\sin \beta ]\\ F_C(\mathrm{\Delta L},\beta ,\chi )=\frac{180C_{\kappa }}{\mathrm{\pi \chi }}[\cos (\beta +\frac{\chi }{C_{\kappa }})-\cos \beta ]\end{array}\right.---\left(39\right)$ ②对于悬链线段：${\mathrm{\Delta N}}_k={\int }_{L_{0,k}}^{L_k}\sin \alpha \left(L\right)\mathrm{coa\phi }\left(L\right)\mathrm{dL}---\left(40\right)$ ${\mathrm{\Delta E}}_k={\int }_{L_{0,k}}^{L_k}\sin \alpha \left(L\right)\phi \left(L\right)\mathrm{dL}---\left(41\right)$ $\Delta H_k={\int }_{L_{0,k}}^{L_k}\cos \alpha \left(L\right)\mathrm{dL}---\left(42\right)$ ${\mathrm{\Delta S}}_k={\int }_{L_{0,k}}^{L_k}\sin \alpha \left(L\right)\mathrm{dL}---\left(43\right)$ $\tan {\alpha }_k=\frac{1}{\frac{1}{\tan {\alpha }_{0,k}}-\frac{L_k-L_{0,k,}}{a}}---\left(44\right)$ ${\phi }_k={\phi }_{0,k}+\frac{{\kappa }_{\phi ,k}}{C_{\kappa }}(L_k-L_{0,k})---\left(45\right)$ 其中，(42)式和(43)式还可以写成：$\Delta H_k=a(\frac{1}{\sin {\alpha }_{0,k}}-\frac{1}{\sin {\alpha }_k})---\left(42b\right)$ ${\mathrm{\Delta S}}_k=a\ln \frac{\tan \frac{{\alpha }_k}{2}}{\tan \frac{{\alpha }_{0,k}}{2}}---\left(43b\right)$ 在(31)～(45)式中：ΔLk第k个细分井段的段长，单位：米；Lk 第k个细分井段终点的井深；L0，k第k个细分井段起点的井深；κα，k 第k个细分井段的井斜变化率，单位：度/30米、度/100米；κφ，k 第k个细分井段的方位漂移率，单位：度/30米、度/100米；Cκ单位换算系数，当曲率单位为：度/30米时，Cκ＝30；当曲率单位为：度/100米时，Cκ＝100；α0，k 第k个细分井段的起始井斜角，单位：度；φ0，k第k个细分井段的起始方位角，单位：度；αk 第k个细分井段的终点井斜角，单位：度；φk 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St：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；$S_t=\underset{k=1}{\overset{m}{\Sigma }}\Delta S_k---\left(51\right)$ 第10步：判断计算误差：当|St-St 0|＜ε时，则执行第11步；否则，令St 0＝St，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ΔEk、ΔNk，代入(52)式计算出：将和ψt代入(53)、(54)式，解出θ和φ0：在(52)～(54)式中：ψt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。