[发明专利]一种控制钻井井眼轨道的随钻设计方法

摘要

本发明涉及石油钻井中的井眼轨道控制和设计，具体涉及对钻井井眼轨道的随钻设计。包括确定井身剖面形式、建立方程组、展开方程式、给定已知参数、求解方程组等步骤。本发明能够同时满足入靶方向和坐标位置两方面的要求，并且可以选取井身剖面的任意4个特征参数作为井眼轨道设计的待定参数。应用本发明可以提高钻井速度和井身质量、降低钻井成本。本发明用于石油钻井中的井眼轨道控制和设计。

主权项

1一种控制钻井井眼轨道的随钻设计方法，其特征是：在钻井过程中调整井眼轨道时，采用下述步骤设计井眼轨道：第1步：确定井身剖面形式从当前的实钻井底位置到目标靶点的井眼轨道构成一个随钻井身剖面，确定组成该井身剖面的各个井段形式，即确定井段的数量及每个井段的直线或曲线形式，该井身剖面至少包括2个曲线井段；第2步：确定初始参数给定随钻井身剖面的起始点坐标和方向、靶点坐标和入靶方向，即给出井眼轨道起始点的北坐标X_B、东坐标Y_B、垂深Z_B，靶点的北坐标X_T、东坐标Y_T、垂深Z_T，以及起始点的井斜角α_B、方位角φ_B，入靶点的井斜角α_T、方位角φ_T；第3步：建立方程空间坐标约束方程：Σi=1nΔΛXi=XT-XB---(1)]]>Σi=1nΔYi=YT=YB---(2)]]>Σi=1nΔZi=ZT-ZB---(3)]]>方位角约束方程：Σi=1nΔφi=φT-φB---(4)]]>式中：n：井段数量ΔX_i：第i井段的北坐标增量，单位：米ΔY_i：第i井段的东坐标增量，单位：米ΔZ_i：第i井段的垂深增量，单位：米Δφ_i：第i井段的方位角增量，单位：度第4步：展开方程式方程(1)(2)(3)(4)按下列方式展开：①当第i段井段为直线井段时：Δφ_i＝φ_i-φ_i-1＝0ΔXi=ΔLisinαicosφiΔYi=ΔLisinαisinφiΔZi=ΔLicosαi]]>式中：ΔL_i：第i段井段的长度，单位：米α_i：第i段井段的井斜角，单位：度φ_i：第i段井段的方位角，单位：度②当第i段井段为空间圆弧井段时：该井段的井眼曲率K_i保持为常数，对应的曲率半径为R_i。如果再给出初始装置角ω_i，则有：tgφi$=\frac{\sin {\alpha }_{i-1}\sin +{\phi }_{i-1}(\cos {\alpha }_{i-1}\sin {\phi }_{i-1}\cos {\omega }_i+\cos {\phi }_{i-1}\sin {\omega }_i)\mathrm{tg}{ϵ}_i}{\sin {\alpha }_{i-1}\cos {\phi }_{i-1}+(\cos {\alpha }_{i-1}\cos {\phi }_{i-1}\cos {\omega }_i-\sin {\phi }_{i-1}\sin {\omega }_i)\mathrm{tg}{ϵ}_i}$]]>ϵi=180π•ΔLiRi]]>ξi=Ri(1-cosϵi)ηi=0ζi=Risinϵi]]>ΔXiΔYiΔZi=cosαi-1cosφi-1-sinφi-1sinαi-1cosφi-1cosαi-1sinφi-1cosφi-1sinαi-1sinφi-1-sinαi-10cosαi-1cosωi-sinωi0sinωicosωi0001ξiηiζi]]>式中：ΔL_i：第i段井段的长度，单位：米α_i-1：第i段井段的起始井斜角，单位：度φ_i-1：第i段井段的起始方位角，单位：度α_i：第i段井段的终端井斜角，单位：度φ_i：第i段井段的终端方位角，单位：度③当第i段井段为自然曲线井段时：该井段的井斜变化率κ_α，i和方位变化率κ_φ，i分别保持为常数。它所描述的井眼轨道在垂直剖面图上由直线和圆弧组成，而在水平投影图上只有稳斜井段才呈现为圆弧。     Δφ_i＝φ_i-φ_i-1＝κ_φ，iΔL_i其中：Fs(β,χ)=180πχ[sin(β+χΔLi)-sinβ]Fc(β,x)=180πχ[cos(β+χΔLi)-cosβ]]]>AP=αi-1+φi-1AQ=αi-1-φi-1]]>κP=κα,i+κφ,iκQ=κα,i-κφ,i]]>式中：ΔL_i：第i段井段的长度，单位：米α_i-1：第i段井段的起始井斜角，单位：度φ_i-1：第i段井段的起始方位角，单位：度α_i：第i段井段的终端井斜角，单位：度φ_i：第i段井段的终端方位角，单位：度④当第i段井段为圆柱螺线井段时：该井段在垂直剖面图和水平投影图上分别为圆弧。若这两个圆弧的曲率半径分别为R_i、r_i，则轨道参数为：Δφi=φi-φi-1=Riri(cosαi-1-cosαi)]]>ΔXi=ri(sinφi-sinφi-1)ΔYi=ri(cosφi-1-cosφi)ΔZi=Ri(sinαi-sinαi-1)]]>式中：α_i-1：第i段井段的起始井斜角，单位：度φ_i-1：第i段井段的起始方位角，单位：度α_i：第i段井段的终端井斜角，单位：度φ_i：第i段井段的终端方位角，单位：度第5步：给定已知参数根据井眼轨道设计与控制的需要，将任意4个特征参数作为未知量，其余参数根据设计条件作为已知参数给定。第6步：求解方程组对上述方程组进行数学求解，解出4个未知变量，计算出各井眼轨道参数，完成随钻井眼轨道设计。