[发明专利]利用PDC钻头於井眼轨迹预测与控制的方法与系统

说明书

本发明是关於多结晶人工钻石钻头(简称为PDC钻头)的。特别是，本发明涉及多结晶人工钻石钻头的成形、制造、及其在钻井工程的应用。本发明并涉及用多结晶人工钻石钻头钻井时井眼轨迹的预测与控制的方法。

油气工业在近十年来有急进的技术改良，尤其在MWD(随钻测井)、定向及水平钻井、各类钻井工具及设备，尤其是PDC钻头的改良、以及解析与侦测能力的推展。总合的效果，造成钻井费用的逐步降低，定向钻井，尤其是高倾角、长伸距、及水平钻井，更受采用。以后也会继续扩大使用。

在此同时，由於油气公司的精简措施，更多油气井将以“转钥”方式，以预定的标价，全部交给服务公司处理。服务公司如果能改进钻井的速度与质量，并且避免钻井事故，可获得巨大的利润。反之，如果因为钻井技术不好而遇到钻井事故及耽搁，将附巨大的赔偿。仅仅一次严重的钻井事故，如卡钻，遗失钻杆於井下，或封井，甚或需要旁侧钻井，将导致数十万，甚至数百万美元的损失。

此外，钻井质量不但影响钻井作业而已。它对油气井的整体经济效益并有下列的中、长程的影响：完井与修井、油藏的维护、油气回收率、以及油气田开发的总经济效益。如果钻井井眼有许多问题，如“狗腿”弯曲、需铰扩井眼而导致井径过大时会增加泥浆费用，另外在下装套管、水泥固井、完井时会增加许多问题，甚至导致封井。反而言之，如果能钻成更长且平滑的水平井段，人们可大量提高油气田回收的经济效益，也可导致薄油气层之开发可行性。总而言之，要有最佳的产油气井，必须钻最优化的井眼。

钻井的优化，莫过於使井眼轨迹平滑，兼且定向准确。为达成此目的，除了用目前已有各种方法来控制井眼的倾角外，还必须有更好的方法来控制井眼的方位角。这点在水平井段内特别重要。这样可以减少井眼轨迹矫正的需要，大大减少钻井事故的发生。

方位角漂移的现象，在用带弯管马达钻井时，是不可避免的。这是因为带弯管马达导致极大的钻头侧向力。一般的PDC钻头有无法避免且未定的固有漂移倾向，导致方位漂移，而需要不时矫正工具面，以扳回井眼方位。因而造成波浪形的井眼轨迹，大大地增加了因为钻杆与井壁摩擦而产生的井眼阻力与扭矩。这是卡钻的基本因素。

一般的产油层，是各向同性的。因此，在水平井段内，如果使用“反漂移”PDC钻头，将有很良好的效果。这样可免除因为方位漂移而需要的井眼轨迹矫正，取得真正准确的方位角控制。

为达成此目的，必需先了解井底结构与钻头整体系统在钻井时偏移的原因。钻井偏移包括倾角的偏移(造斜或减斜)与方位角的漂移。

迄今为止，仍无任何理论或模式来解释PDC钻头漂移的原因。有关钻井偏移的理论与模式有下列文献：Lubinski等人早在1953年API的Drilling&Prod.Pract.刊上有一文：“Factors Affecting theAngle of Inclination and Doglegging in Rotary Bore Holes”，用力学原理来解释倾角的变化。之后有诸文探讨或者是井底结构本身的侧向力之产生，或者是钻头本身的各向异性之钻削性能，或者是两者一起讨论。

到目前最完整的偏移理论与模式是由本发明人所创的一文：“Prediction of Drilling Trajectory in Directional Wells Via a New Rock-Bit Interaction Model”，发表於1987年SPE年会，#16658，以及：“General Formulation of Drillstring Under Large Deformationand Its Use in BHA Analysis”，发表於1986年SPE年会，#15562。前文综合考虑了岩石与钻头同时是各向异性时钻井偏移的三维交互作用。后文首次考虑到在大变形下井底结构的力学分析。用此理论演算钻头侧向力，可以沿用於中曲度的井眼轨迹(每百米增减斜十至三十度)，不像一般线性理论的演算，只适用於小曲度的井眼轨迹(每百米增减斜十度内)。

上述前文的综合理论与模式受到美国1989年二月颁许的#4,804,051专利保护。此专利描述该综合理论与模式的应用，适合於预测与分析岩石与钻头皆为各向异性时的钻井偏移。顺用该理论与模式可预测钻井轨迹，反用该理论与模式可分析钻头与岩石的各向异性指数，甚至可以演导出岩层的倾向表。