专利名称：：一种实钻井眼轨迹的监测方法
技术领域：
：本发明涉及石油工程的钻井工程技术，具体涉及实钻井眼轨迹的监测方法。
背景技术：
：实钻轨迹的测斜计算是石油钻井中的重要环节，也是固井完并、采油工艺、井下作业以及油田开发的重要基础数据。无论是钻迸过程中的随钻测量还是完井后的复测，都可以得到一系列的测点，每个测点给出了对应于井深的井斜角和方位角。测斜计算的主要任务就是根据测斜数据计算出这些测点的坐标位置，从而得到实钻井眼轨迹的形状。实钻井眼轨迹是一条连续光滑的空间曲线，但是测斜时只能获得各离散测点处的基本参数，无法知道各测段内井眼轨迹的实际形态，所以实钻井眼轨迹的计算方法都是建立在一定的假设条件和数学模型基础上的。到目前为止，实钻井眼轨迹的测斜计算方法已有20多种，经归纳整理而得到的典型计算方法也有10种。传统的测斜计算方法是将测段内的井眼轨迹假设为直线、折线、圆柱螺线、空间圆弧和自然曲线等较为简单的曲线形式。自20世纪90年代以来，大位移井在世界范围内得到了推广应用，特别是在海上平台和滩海的油气田开发中发挥了重要作用，取得了巨大的经济效益。如何降低钻柱的摩阻和扭矩是实现大位移井钻井的一项关键技术。为了降低钻柱的摩阻和扭矩、改善钻柱的受力状况、有利于提高机械钻速和固井质量，出现了悬链线法钻井和抛物线法钻井等新技术。悬链线法钻井和抛物线法钻井是将井眼轨迹设计成悬链线和抛物线。但是，对于悬链线轨迹和抛物线轨迹还没有与之对应的测斜计算方法。换句话说，即使钻成了完全符合悬链线或抛物线形式的井眼轨迹，现有的测斜计算方法也得不到精确的计算结果。目前，对于悬链线轨道和抛物线轨道的研究都仅用于井眼轨道设计，并且仅限于二维井身剖面。但是，无论设计的井眼轨迹是二维还是三维，其实钻的井眼轨迹都是三维的。目前悬链线轨迹和抛物线轨迹的监测方法只能沿用传统方法进行测斜计算，通常使用最小曲率法或圆柱螺线法，即国家经济贸易委员会2003年3月30日发布的推荐标准SY/T5435-2003《定向井轨道设计与轨迹计算SY/T5435-2003》中的方法。
发明内容本发明要解决的技术问题是针对现有技术中没有悬链线、抛物线井眼轨迹监测方法的不足，本发明的目的是提供一种实钻井眼轨迹监测方法，使得对于包含悬链线或抛物线的井眼轨迹，能够准确地监测出实钻轨迹上各测点的坐标。使结果更符合钻井工程实际。使用测斜仪可以测得实钻轨迹上各测点的井斜角和方位角，并以井深作为标识。因此，测斜数据是一系列离散的测点，其基本参数是井深、井斜角、方位角。测斜计算的基本任务是计算测段内的坐标增量。这样，从井口开始，逐测段地累加坐标增量，就可以得到每个测点的坐标值。一口井可以包含多种不同形式的井段，如直线段、圆弧段、圆柱螺线段、悬链线段、抛物线段等等。在测斜计算时，每个测段都应该采用与工程实际相符的井眼轨迹模型。本发明实质上是对特定的井眼轨迹，通过特定的步骤，确定出各测点的坐标值，从而实现对实钻轨迹的有效监测。在本发明中，特定的井眼轨迹是指悬链线或抛物线。当测段内的井眼轨迹为其他常规类型时，可以用公知的常规方法得到各测点的坐标值，不属于本发明的内容。本发明的技术方案是一种实钻井眼轨迹的监测方法，对于包含悬链线或抛物线的井眼轨迹，得到该悬链线井段或抛物线井段的实钻轨迹坐标。包括下述基本步骤-第1步，获取测斜数据，并作归化处理-测出上测点井深Lp上测点井斜角"i、上测点方位角^、下测点井深L2、下测点井斜角"2、下测点方位角-2;给出上测点北坐标Np上测点东坐标E^上测点垂深坐标H"这种测量方式是现有技术中的常规方式，例如使用MWD、电子多点等测斜仪器测量出对应于一定井深L的井斜角oc和方位角(()。本发明不涉及具体的测量仪器和测量方法，使用各种常规的测量仪器和方法都可以得到这些数据。按照石油天然气行业标准，根据所选定的北坐标基准，考虑磁偏角和子午线收敛角进行方位角归化，即将方位角归算到所选定的北坐标基准上。两个相邻测点之间的井段称之为测段。对于一个测段，其上测点和下测点分别用下标"1"和下标"2"标识，不代表测点的编号。因此，上下测点的测斜数据分别为(L1,x1,y1)和(L2,x2,y2.以井口作为测斜计算的起始点，其三维坐标一般均取为0。通过计算各测段的坐标增量，并逐段累加，得到各测点的坐标值。这是测斜计算的常规方法。第2步，确定测段的井眼轨迹模型及特征参数根据钻井工程设计以及实际的钻进方式和钻井工艺技术措施，选用测斜计算的井眼轨迹模型。本发明只涉及悬链线或抛物线轨迹，对于其他类型的井眼轨迹，执行石油天然气行业标准，不属于本发明的内容。悬链线轨迹的特征参数用小写英文字母"来表示，它是描述悬链线曲线的一个数学参数，决定了悬链线的形状。井斜角用希腊字母"表示。对于悬链线轨迹，悬链线特征参数"的计算式为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>^(1)tantana2式中L:井深，单位m，":井斜角，单位度；a:悬链线特征参数，单位m;抛物线轨迹的特征参数用大写英文字母P来表示，它是描述抛物线曲线的一个数学参数，决定了抛物线的形状。对于抛物线轨迹，抛物线特征参数P的计算式为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>(2)式中P:抛物线参数，单位m;<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>(3)悬链线轨迹的特征参数"和抛物线轨迹的特征参数P确定了井眼轨迹的二维特征，即确定了垂直剖面图上井眼轨迹的形状，它们反映了井斜角沿井深的变化规律。作为实钻轨迹的测斜计算模型，还需要一个反映井眼轨迹三维特征的参数。在本发明中，对于悬链线轨迹和抛物线轨迹，这个特征参数均取为方位变化率。对于悬链线轨迹和抛物线轨迹，方位变化率的计算式为-<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>(4)式中^:方位角，单位度；A^:方位变化率，单位度/m;第3步，确定井斜方程和方位方程对于悬链线轨迹，井斜方程为-<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>(5)对于抛物线轨迹，井斜方程为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>对于悬链线和抛物线井眼轨道，方位方程相同，为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage12</formula>(7)各式中参数同前。在(5)、(6)、(7)式中，悬链线的特征参数"、抛物线的特征参数P和反映方位变化规律的特征参数^V已分别由(1)、(2)、(4)式确定。第4步，计算测段内的坐标增量北坐标增量A/V、东坐标增量M、垂深坐标增量AV分别为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage12</formula>根据第3步所定的井眼轨迹模型，将第3步确定的井斜方程(5)或(6)，以及方位方程(7)代入上述式中，通过数值积分方法，分别计算出坐标增量。即用(5)或(6)、以及(7)式代入(8)、(9)式，(5)或(6)式代入(10)式。由于a和^都是L的函数，所以将井斜方程"和方位方程^代入上述方程后，它们就变成了以L为自变量的积分式。采用常规的数值积分方法，例如辛普森积分法、龙格库塔积分法等，可以进行数值积分。对于一个测段，由于积分区间[L"L2]是确定的，所以可以求出上述的三个积分值，进而得到该测段内的坐标增量。A/V、AE和W既可以是正值也可以是负值。E2、第5步，计算下测点坐标下测点北坐标N2、下测点东坐标E2、下测点垂深坐标H2分别为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage13</formula>(11)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage13</formula>(12)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage13</formula>(13)根据第4步中计算出的坐标增量A/V、M、W，以及上测点的坐标Ei、H"便可由(11)、(12)、(13)式计算出下测点的坐标N2、H2。通过上述步骤，得出下测点的实钻轨迹坐标。这样，从井口点开始，就可以依次确定出各测点的坐标。通常，三个方向的三维坐标值已经足以确定井眼轨迹位置，在工程实际工作中，还经常增加使用一个水平长度S的概念。可以对本发明的基本技术方案进行进一步扩充，增加对水平长度的监测在第1步，增加给出上测点水平长度Sj;在第4步，增加计算水平长度增量AS:将第3步确定的井斜方程(5)或(6)代入(14)式，通过数值积分方法，计算出水平长度的增量；由于井斜角"的变化范围为0°180°，所以AS总是正值。在第5步，增加计算下测点的水平长度S2:S2=&+M(15)得出下测点的实钻轨迹三维坐标和水平长度。也即在已知数据中增加一个上测点水平长度，在积分方程式中增加一个(14)式，同样用数值积分方式，可以得出下测点的水平长度。上述技术方案中的第4步，所有的坐标增量都要使用数值积分法求解。通过数学处理，垂深坐标增量A^和水平长度增量AS可以分别简化为解析式，使之不使用数值积分就能得到其精确解，更便于应用。对于悬链线轨迹，在第4步，北坐标增量A/V、东坐标增量M、垂深坐标增量Mf、水平长度增量AS分别为-<formula>formulaseeoriginaldocumentpage14</formula>(17)(8)、(9)式用数值积分方法计算，(16)、(17)式用解析法计算，分别计算出三维坐标增量和水平长度增量。即(8)、(9)式与基本技术方案一样，将第3步确定的井斜方程(5)和方位方程(7)代入，仍通过数值积分计算出北坐标增量A/V和东坐标增量M。而垂深坐标增量A^/和水平长度增量AS可用(1)式和已知参数，由(16)、(17)式直接解析计算出来。对于抛物线轨迹，在第3步，将(3)式代入(6)式，可得到具体的抛物线轨迹井斜方程为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage15</formula>方位方程仍为(7)式。在第4步，北坐标增量A/V、东坐标增量AE、垂深坐标增量MT、水平长度增量M分别为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage15</formula>将第3步确定的井斜方程(17)和方位方程(7)式代入(8)、(9)式通过数值积分方法计算，(19)、(20)式用解析法计算，分别计算出三维坐标增量和水平长度增量。即(8)、(9)式与基本技术方案类似，代入的方位方程(7)不变，并代入改进后第3步所确定的新井斜方程(18)，仍通过数值积分计算出北坐标增量A/V和东坐标增量M。而垂深坐标增量A/7和水平长度增量AS可用(2)式和已知参数，由(19)、(20)式直接解析计算出来。本发明实质上公开了一种特定井眼轨迹(悬链线或抛物线)的监测方法，可以得到一个特定测段的下测点坐标值。重复使用本发明的方法，可以得到这种特定井眼轨迹上各测点的坐标值。本发明的监测方法主要用于特定的井眼轨迹。在实际工程应用中，由于一口井的井眼轨迹不仅是悬链线或抛物线，所以对于其他井段不宜使用本发明的方法，而应该按照有关的行业标准确定计算方法。使用本发明的方法监测悬链线或抛物线轨迹，结合其他的公知方法计算其他类型轨迹的测点坐标，便可得到整个井眼轨迹上各测点坐标值。本发明的有益效果是本发明的实钻轨迹监测方法，符合悬链线轨迹或抛物线轨迹的实际情况，准确度高，提高了钻井工程中的井眼轨迹监测精度。可应用于开发海上和滩海油气田的大位移井及各种定向井和水平井，能提高钻井成功率、井身质量和油田开发效果，减少钻柱及套管摩阻和井下事故，节约钻井成本。图1是典型悬链线剖面及抛物线剖面的设计轨道垂直剖面示意图。图2是实钻轨迹的水平投影示意图。图中各符号含义如下Ht:靶点的垂深坐标，m;St:靶点的水平长度，m;At:靶点的水平位移，m;O点井口；t点靶点；oa段稳斜段ab段圆弧段，曲率半径为R;bc段悬链线或抛物线，即本发明适用的井段;Ct段稳斜段。具体实施例方式下面结合实施例进一步描述本发明。本发明的范围不受这些实施例的限制，本发明的范围在权利要求书中提出。实际应用时，在本发明的基本步骤之后，还可以增加一步绘制实钻轨迹监测图表按照石油天然气行业标准，列出实钻轨迹计算结果的数据表，绘制出实钻轨迹的垂直投影图、水平投影图和三维轨迹图。例1悬链线轨迹上的测斜数据(井深、井斜角和方位角)，如表1所示。表1给出了本发明的计算结果摘要，表2为现有技术最小曲率法的计算结果摘要。为简化篇幅，表中只列出一部分井深点的数据。表l本发明的悬链线轨迹计算结果<table>tableseeoriginaldocumentpage17</column></row><table>表2最小曲率法的悬链线轨迹计算结果<table>tableseeoriginaldocumentpage18</column></row><table>从井深426.00m到3482.98m，悬链线轨迹的北坐标增量、东坐标增量、垂深坐标增量和水平长度增量分别为665.88m、2368.85m、1607.10m和2541.04m，而用最小曲率法的计算结果分别为608.51m、2381.3m、1605.09m和2541.71m。可见，使用目前普遍应用的最小曲率法等测斜计算方法来计算悬链线轨迹存在很大的误差。抛物线轨迹上的测斜数据，如表3所示。表3给出了本发明的计算结果摘要，表4为现有技术最小曲率法的计算结果摘要。为简化篇幅，表中只列出一部分井深点的数据。表3本发明的抛物线轨迹计算结果<table>tableseeoriginaldocumentpage18</column></row><table>表4最小曲率法的抛物线轨迹计算结果井深m井斜角(。)方位角(。)北坐标m东坐标m垂深m水平长度m426.0042.0066.1617.38*40.59*415.02*44.15*678.3143.7256.07100.27190.34600.18215.531253.6848.3456.07331.35533.83999.54629.513322.3478.0097.44649.442275.441955.492437.32以上各表中，*表示已知的初始值。从井深426.00m到3322.34m的抛物线轨迹，如果用最小曲率法计算出的北坐标增量、东坐标增量、垂深增量和水平长度增量，与本发明相比，其误差分别为-54.39m、28.82m、陽31.91m和16.69m。权利要求1一种实钻井眼轨迹的监测方法，对于包含悬链线或抛物线的井眼轨迹，得到该悬链线井段或抛物线井段的实钻轨迹坐标；其特征是，包括下述步骤第1步，获取测斜数据，并作归化处理测出上测点井深L1、上测点井斜角α1、上测点方位角φ1、下测点井深L2、下测点井斜角α2、下测点方位角φ2；给出上测点北坐标N1、上测点东坐标E1、上测点垂深坐标H1；第2步，确定测段的井眼轨迹模型及特征参数对于悬链线轨迹，悬链线特征参数α的计算式为式中L井深，单位m，α井斜角，单位度；a悬链线特征参数，单位m；对于抛物线轨迹，抛物线特征参数P的计算式为式中P抛物线参数，单位m；对于悬链线轨迹和抛物线轨迹，方位变化率的计算式为式中φ方位角，单位度；κφ方位变化率，单位度/m；第3步，确定井斜方程和方位方程对于悬链线轨迹，井斜方程为对于抛物线轨迹，井斜方程为对于悬链线轨迹和抛物线轨迹，方位方程相同，为φ＝φ1+κφ(L-L1)(7)第4步，计算测段内的坐标增量北坐标增量ΔN、东坐标增量ΔE、垂深坐标增量ΔH分别为将第3步确定的井斜方程(5)或(6)，以及方位方程(7)代入上述式中，通过数值积分方法，分别计算出三维坐标增量。第5步，计算下测点坐标下测点北坐标N2、下测点东坐标E2、下测点垂深坐标H2分别为N2＝N1+ΔN(11)E2＝E1+ΔE(12)H2＝H1+ΔH(13)通过上述步骤，得出下测点的实钻轨迹坐标。2.根据权利要求l所述的实钻井眼轨迹的监测方法，其特征是增加对水平长度的监测在第1步，增加给出上测点水平长度deltas;在第4步，增加计算水平长度增量deltas<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>将第3步确定的井斜方程(5)或(6)代入(14)式，通过数值积分方法，计算出水平长度的增量；在第5步，增加计算下测点的水平长度S2:<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>得出下测点的实钻轨迹三维坐标和水平长度。3.根据权利要求1或2所述的实钻井眼轨迹的监测方法，其特征是-对于悬链线轨迹，在第4步，北坐标增量deltaN、东坐标增量M-垂深坐标增量deltaE、水平长度增量deltaS分别为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>(8)、(9)式用数值积分方法计算，(16)、(17)式用解析法计算，分别计算出三维坐标增量和水平长度增量。4.根据权利要求1至3所述的实钻井眼轨迹的监测方法，其特征是:对于抛物线轨迹，在第3步，井斜方程为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>在第4步，北坐标增量A/V、东坐标增量AE、垂深坐标增量A//、水平长度增量A^分别为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>将第3步确定的井斜方程(17)和方位方程(7)式代入(8)、(9)式通过数值积分方法计算，(19)、(20)式用解析法计算，分别计算出三维坐标增量和水平长度增量。全文摘要本发明涉及石油工程中的钻井工程技术，具体涉及实钻井眼轨迹的监测方法。包括获取测斜数据及归化处理、确定测段的井眼轨迹模型特征参数、确定井斜方程和方位方程、计算坐标增量、计算测点坐标等步骤，对于包含悬链线或抛物线轨迹的大位移井及各种定向井和水平井，能够准确地监测出各测点的坐标，使监测结果更符合钻井工程实际，有效地提高悬链线钻井和抛物线钻井的施工精度和可靠性。文档编号E21B47/02GK101387198SQ20071012180公开日2009年3月18日申请日期2007年9月14日优先权日2007年9月14日发明者刘修善申请人:中国石油化工股份有限公司;中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院