一种基于向量相似度的井眼轨迹钻前模拟方法与流程

本发明涉及钻井工程领域，具体是一种基于向量相似度的井眼轨迹钻前模拟方法。

背景技术：

对深井、大斜度井及大位移井进行摩阻扭矩预测是油气田开发方案规划与编制阶段的重要工作内容之一，是钻井主设备和钻井工具选型及施工工艺措施制订的主要依据，同时也是钻井、采油平台位置和建设规模及区块勘探开发生产方式等关乎油田发展重要决策确定的依据之一。但是，由于钻前摩阻扭矩预测是基于设计井眼轨道的，而由理想的直线和曲线组成的设计井眼轨道与由曲率半径不均匀变化的已钻井井眼轨迹之间有较大的差异，导致摩阻扭矩预测结果有较大的随机性，尤其是旋转钻进扭矩有较大的偏差，相同预测条件下，同一口井应用设计井眼轨道预测的扭矩一般低于实钻扭矩15％～20％以上，预测结果不能合理反映出待施工井钻井难度，不仅不能很好指导钻井方案的编制，而且还会对后续的钻井施工埋下潜在的安全风险。因此，在钻前钻井方案编制阶段，将设计井眼轨道进行模拟处理成接近实钻的井眼轨迹，提高摩阻扭矩的预测精度，对提高油气田开发方案的科学性和合理性具有重要的意义。

到目前为止，文献报道的井眼轨迹钻前模拟方法主要有两种：一种是基于随机数的模拟方法，该方法是在设定井斜角和方位角的最大波动范围的基础上，通过计算加权的随机数与当前深度点井斜角和方位角的代数和，来实现井眼轨迹的钻前模拟；另一种是基于matlab/simulink工具箱的井眼轨迹模糊控制仿真模拟方法，该方法针对井下复杂环境和井眼轨迹控制影响因素的不确定性问题，基于模糊控制理论，设计了井眼轨迹模糊控制器，设定了三个井眼轨迹控制准则，即模拟点与控制点的距离偏差、最大井斜变化率和最大方位变化率，实现井眼轨迹控制钻前模拟。

基于随机数的模拟方法直接以井眼轨迹控制结果为操作对象，考虑了方位角波动与井斜角大小之间的关系，符合井斜角越大，方位角波动量越小的井眼轨迹控制规律。目前，商用摩阻扭矩预测软件中一般都以此方法来对设计井眼轨道进行模拟实钻粗糙化处理，来提高深井、大斜度井和大位移井钻前摩阻扭矩预测的精度，但该方法以随机数为基础模拟井眼轨迹控制，与实钻井眼轨迹控制规律有较大差异，导致摩阻扭矩预测结果也具有较大的随机性。

基于matlab/simulink工具箱的模糊控制控制方法在模拟定向井工程师井眼轨迹控制习惯，尤其是定向井工程师在基于井眼轨迹延伸趋势、导向钻具对井斜的控制能力与地层特征匹配度等因素做出的井眼轨迹控制参数调整方面，有明显的欠缺，且该方法未见实际应用方面的文献报道。

技术实现要素：

为克服现有技术的不足，本发明提供了一种基于向量相似度的井眼轨迹钻前模拟方法，以大量已钻井井眼轨迹数据为参考样本，模拟定向井工程师井眼轨迹控制行为，实现井眼轨迹的钻前模拟，进而提高深井、大斜度井及大位移井钻前摩阻扭矩预测的精度。

本发明解决上述问题所采用的技术方案是：一种基于向量相似度的井眼轨迹钻前模拟方法，利用向量相似度算法从多个已钻井中筛选实钻控制参数作为设计井的模拟控制参数，以此对设计井的模拟井眼轨迹逐点模拟。

进一步地，为了更好的实现本发明，本发明通过以下步骤完成：

1)计算已钻井井眼轨迹相对设计井眼轨道的控制偏差：根据已知已钻井的井眼轨迹井斜数据和对应的设计井眼轨道，计算每口已钻井井眼轨迹各深度点相对于其设计井眼轨道的控制偏差；

2)构建井眼轨迹控制特征样本向量(pi^*)：以已钻井井眼轨迹各深度点相对于其设计井眼轨道对应点的控制偏差、实钻控制参数及其设计井眼轨道的设计特征参数组成的向量(pi^*)为样本，分别建立已钻井的直井段、造斜段、稳斜段和降斜段井眼轨迹控制特征样本数据库；

3)井眼轨迹模拟相似度计算：以设计井的模拟井眼轨迹当前模拟点(j)相对于其设计井眼轨道的控制偏差、模拟控制参数及其设计井眼轨道的设计特征参数组成模拟井眼轨迹的模拟点状态向量(pj)，计算模拟点状态向量pj与同井段已钻井井眼轨迹控制特征样本数据库中各个样本pi^*的相似度(s)；

4)备选样本筛选：筛选出相似度(s)介于smin与smax之间的井眼轨迹控制特征样本为备选样本，从备选样本中随机选择某一样本作为设计井井眼轨迹模拟的参考样本，以该参考样本所属已钻井井眼轨迹的下一深度点的控制参数(buildi+1，turni+1)为设计井模拟井眼轨迹下一深度点(j+1)的模拟控制参数；

5)计算得到设计井模拟井眼轨迹第j+1点的模拟控制参数和第j+1模拟点相对于设计井眼轨道的控制偏差，以此能够对第j+1点的位置进行模拟；

6)重复步骤3)至步骤5)，逐点完成设计井井眼轨迹模拟。

进一步地，为了更好的实现本发明，步骤1)所述的控制偏差为：直井段和稳斜段的已钻井井眼轨迹各深度点相对于其设计井眼轨道的控制偏差包括井斜角偏差(δinc^*)和水平位移偏差(δcd^*)；造斜段和降斜段的已钻井井眼轨迹各深度点相对于其设计井眼轨道的控制偏差包括井斜角偏差(δinc^*)、水平位移偏差(δcd^*)和闭合方位偏差(δcazi^*)。

进一步地，为了更好的实现本发明，步骤2)所述的实钻控制参数包括已钻井井眼轨迹钻至各深度点的井斜变化率和方位变化率

进一步地，为了更好的实现本发明，步骤2)所述的设计井眼轨道的设计特征参数为：直井段和稳斜段为设计井斜角造斜段和降斜段为设计井斜角设计井斜变化率和设计方位变化率

进一步地，为了更好的实现本发明，步骤3)所述的设计井的模拟井眼轨迹当前模拟点(j)是井口以下第一个模拟点(j＝1)时，从步骤2)建立的直井段控制特征样本数据库中随机选取井深(md)小于50m的样本点，以该样本的控制偏差作为设计井模拟井眼轨迹第一个模拟点(j＝1)的控制偏差，且该样本不能继续作为设计井当前井眼轨迹模拟的参考样本。

进一步地，为了更好的实现本发明，步骤3)所述的相似度计算方法包括欧氏距离算法、曼哈顿距离算法、切比雪夫距离算法、相关系数算法和向量空间余弦相似度算法。

进一步地，为了更好的实现本发明，步骤4)所述的相似度(s)的取值范围smin与smax根据步骤3)计算相似度所应用的相似度计算方法确定：

相似度计算方法为欧氏距离算法或曼哈顿距离算法或切比雪夫距离算法时：smax为步骤3)计算获得的相似度(s)的最大值，smin取值为smax的85％～90％；

相似度计算方法为相关系数算法或向量空间余弦相似度算法时：smax为1，smin取值0.75～0.85。

本发明与现有技术相比，本发明所述的方法以大量已钻井井眼轨迹数据为样本，符合实钻井眼轨迹控制规律，显著地提高了摩阻扭矩的钻前预测精度。应用本发明所述方法钻前模拟出的井眼轨迹进行摩阻扭矩预测，相对于实钻实际摩阻扭矩的平均偏差小于5％，最大偏差小于10％。

附图说明

图1为本发明一种基于相似度的井眼轨迹钻前模拟方法的流程示意图；

图2为p12l井分别应用设计井眼轨道、实钻井眼轨迹和10条钻前模拟井眼轨迹预测旋转钻进工况扭矩的对比曲线；

图3为p12l井应用10条钻前模拟井眼轨迹预测旋转钻进工况的扭矩相对于实钻井眼轨迹的偏差对比曲线；

图4为p12l井应用10条钻前模拟井眼轨迹预测起钻工况的井口拉力相对于实钻井眼轨迹的偏差对比曲线。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

一种基于相似度的井眼轨迹钻前模拟方法，利用向量相似度算法从多个已钻井中筛选实钻控制参数作为设计井的模拟控制参数，以此对设计井的模拟井眼轨迹逐点模拟。利用向量相似度算法能够从多个已钻井中筛选出合适的实钻控制参数作为设计井的模拟控制参数，从而对设计井的模拟井眼轨迹进行模拟。

利用大量已钻井的实钻控制参数作为模拟井的模拟控制参数，在钻前对设计井的设计井眼轨迹进行模拟，能够得到与实钻井眼轨迹相似的模拟井眼轨迹，利用模拟井眼轨迹进行摩阻扭矩计算，能够在大量相同井型、设计参数接近的实钻井的数据支撑下，计算出合理的摩阻扭矩，从而准确的评估出设计井的钻井施工难度。该方法以已钻井的实钻井眼轨迹数据为样本，样本数据量越大，能够获得的模拟井眼轨迹数量越多，计算出的摩阻扭矩也会越合理。

如图1所示，筛选实钻控制参数主要包括一下内容：

1.计算已钻井井眼轨迹相对设计井眼轨道的控制偏差：根据已钻井眼通过测量获得的井深井斜角和方位角三列数据，应用最小曲率法计算已钻井井眼轨迹数据，可获得各测点相对于井口的相对坐标值和+e/-wi^*、各测点相对于井口的水平位移各测点相对于井口的闭合方位各测点所在圆弧的最小井斜变化率和方位变化率

以已钻井眼测量的各深度点为基准，在设计井眼轨道中插值计算出对应的设计井眼轨道数据，分别为各深度点的设计井斜角方位角水平位移闭合方位井斜变化率方位变化率

直井段和稳斜段的实钻井眼轨迹各深度点相对于其设计井眼轨道的控制偏差包括井斜角偏差(δinc^*)和水平位移偏差(δcd^*)，造斜段和降斜段的实钻井眼轨迹各深度点相对于其设计井眼轨道的控制偏差包括井斜角偏差(δinc^*)、水平位移偏差(δcd^*)和闭合方位偏差(δcazi^*)，计算方法为：

2.构建井眼轨迹控制特征样本向量(pi^*)，pi^*由已钻井井眼轨迹各深度点相对于设计井眼轨道对应点的控制偏差、实钻控制参数及其设计井眼轨道的设计特征参数组成：

直井段和稳斜段井眼轨迹控制特征样本向量pi^*为：

造斜段和降斜段井眼轨迹控制特征样本向量pi^*为：

分别建立直井段、造斜段、稳斜段和降斜段实钻井眼轨迹控制特征样本数据库。

3.井眼轨迹模拟相似度计算：以设计井的模拟井眼轨迹当前模拟点(j)相对于设计井眼轨道的控制偏差、模拟控制参数及其设计井眼轨道的设计特征参数组成模拟井眼轨迹模拟点状态向量(pj)，计算模拟点状态向量pj与同井段实钻井眼轨迹控制特征样本数据库中各个样本pi^*的相似度(s)；

直井段和稳斜段模拟井眼轨迹模拟点状态向量pj为：

pj＝(δincj，δcdj，buildj，turnj，dinci^*)

造斜段和降斜段模拟井眼轨迹模拟点状态向量pj为：

设计井的模拟井眼轨迹当前模拟点(j)是井口以下第一个模拟点(j＝1)时，从建立的直井段控制特征样本数据库中随机选取井深(md)小于50m的样本点，以该样本的控制偏差作为设计井模拟井眼轨迹第一个模拟点(j＝1)的控制偏差，且该样本不能继续作为设计井当前井眼轨迹模拟的参考样本。

同井段的pj与pi^*相似度的计算方法包括欧氏距离算法、曼哈顿距离算法、切比雪夫距离算法、相关系数算法和向量空间余弦相似度算法：

欧氏距离算法：

式中，sji为模拟井眼轨迹模拟点状态向量pj与样本数据库中井眼轨迹控制特征样本向量pi^*的相似度，无量纲；pjk为向量pj的第j个分量；为向量pi^*的第i个分量。

曼哈顿距离算法：

切比雪夫距离算法：

相关系数算法：

式中，为向量pj各分量的均值；为向量pi^*各分量的均值。

向量空间余弦相似度算法：

4.备选样本筛选，确定j+1点的模拟控制参数：筛选出相似度(s)介于smin与smax之间的井眼轨迹控制特征样本为备选样本，相似度计算方法为欧氏距离算法或曼哈顿距离算法或切比雪夫距离算法时，smax为计算获得的相似度(s)的最大值，smin取值为smax的85％～90％，相似度计算方法为相关系数算法或向量空间余弦相似度算法时，smax为1，smin取值0.75～0.85；从备选样本中随机选择某一样本作为设计井井眼轨迹模拟的参考样本，以该参考样本所属已钻井井眼轨迹的下一深度点的控制参数(buildi+1，turni+1)为设计井模拟井眼轨迹下一深度点(j+1)的模拟控制参数。

5.计算得到设计井模拟井眼轨迹第j+1点的参数和第j+1模拟点相对于设计井眼轨道的控制偏差；

6.对模拟井眼轨迹的第j+1点及后续点逐点进行井眼轨迹模拟，最终得到完整的模拟井眼轨迹。

以某区块一口已钻大斜度井p12l为例进行井眼轨迹钻前模拟，该井设计井眼轨道参数如表1所示。

表1p12l井设计井眼轨道关键参数表

首先，以该井所在区块完钻井井眼轨迹为样本建立井眼轨迹控制特征样本数据库；然后，应用本文提出的基于向量相似度的井眼轨迹钻前模拟方法，钻前基于设计井眼轨道，对井眼轨迹进行多次模拟，模拟出了10条井眼轨迹；最后，在所有参数和摩阻扭矩计算方法均相同的条件下，分别计算不同工况下模拟井眼轨迹、设计井眼轨道和实钻井眼轨迹的摩阻扭矩。

该井计算结果表明，旋转钻进工况下，与实钻井眼轨迹相比，应用设计井眼轨道预测的扭矩明显偏低(如图2所示)，而应用模拟井眼轨迹预测的扭矩平均偏高5％左右，最大值在10％左右(如图3所示)；起钻工况下，与实钻井眼轨迹相比，应用模拟井眼轨迹预测的井口拉力平均偏高4％左右，最大值不到15％(如图4所示)。从上述结果对比可以看出，应用本发明钻前模拟的井眼轨迹与实钻井眼轨迹计算的摩阻扭矩吻合情况好，略微偏高结果能够为钻井施工难度评估，及旋转设备、提升设备和钻具型号等钻井主设备和工具的选型提供更加合理的依据。

以上所述的，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。