一种用工具面角控制井眼轨迹的方法与流程

本发明涉及油气钻探技术领域，具体的说涉及一种用工具面角控制井眼轨迹的方法。

背景技术：

导向钻井的核心任务是控制井斜角、方位角及其变化规律。工具造斜率决定了井眼轨迹的弯曲程度，而工具面角决定了工具造斜率用于改变井斜角和改变方位角的分配关系，因此工具面角是井眼轨迹控制中的一个重要参数。

在现场定向施工过程中，当造斜工具入井后，在现有技术条件下其工具造斜率的可控范围往往有限，所以用于定向造斜和控制井眼轨迹的可控参数主要是工具面角。

然而，在现有技术中，工具面角的设计及计算方法主要采用井眼轨迹的空间圆弧模型，仅适用于滑动导向钻井。对于圆柱螺线、自然曲线等井眼轨迹模型，由于没有工具面角的求取方法，得不到工具面角的设计结果，因此现有技术在复合导向、旋转导向等钻井方式下，难以使用工具面角来监测和控制井眼轨迹，严重制约了井眼轨迹控制技术的发展和应用。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种用工具面角控制井眼轨迹的方法，以解决在旋转导向、复合导向等钻井方式下，难以使用工具面角来监测和控制井眼轨迹的技术问题。

本发明提供一种用工具面角控制井眼轨迹的方法，包括：定义井眼轨迹的工具面角；构造工具面角的求取方法；解析工具面角的计算模型；设计控制方案并实施控制。

所述定义井眼轨迹的工具面角是按井眼轨迹来定义工具面角，即工具面角定义为井眼轨迹的主法线方向与井眼高边方向之间的夹角。

所述构造工具面角的求取方法是建立了具有普遍适用性的工具面角计算模型，适用于各种井眼轨迹模型，可计算井眼轨迹上任一井深处的工具面角，具体计算模型为：

式中，ω为工具面角，单位(°)；κα为井斜变化率，单位(°)/m；κφ为方位变化率，单位(°)/m；α为井斜角，单位(°)。

其中，给出了在工程应用时工具面角的取值方法，具体为：

式中：x和y分别代表工具面角计算模型中的分母和分子；sgn为符号函数。

所述解析工具面角的计算模型是根据不同的井眼轨迹模型，分别给出了工具面角的具体求取方法；其中所述井眼轨迹模型包括空间圆弧模型、圆柱螺线模型、自然曲线模型和恒工具面模型。

所述设计控制方案并实施控制是根据导向钻井方式，首先选定相应的井眼轨迹模型，并按井眼轨迹的控制要求来确定井眼轨迹模型的特征参数；然后，选取适当的计算步长，求得一系列井深处的工具面角，形成工具面角的控制方案；这样，在钻进过程中，按照设计的工具面角控制方案，利用随钻测量仪器通过监测和控制工具面角，便可实现控制井眼轨迹的目的。

本发明带来了以下有益效果：本发明提供的用工具面角控制井眼轨迹的方法，能够给出工具面角沿井眼轨迹的变化规律，根据井眼轨迹的控制要求，可以设计出各井深处的工具面角，从而得到工具面角的控制方案。按照所得到的工具面角控制方案进行钻井施工，便可有效地监测和控制井眼轨迹。本发明构造了利用工具面角来控制井眼轨迹的方法，适用于各种导向钻井方式及井眼轨迹模型，解决了井眼轨迹的过程控制问题。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要的附图做简单的介绍：

图1是本发明实施例提供的技术方法流程图；

图2是现有的工具面角定义示意图；

图3是本发明实施例中工具面角定义的示意图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

本发明实施例提供一种用工具面角控制井眼轨迹的方法，适用于各种井眼轨迹模型，在滑动导向、旋转导向、复合导向等钻井方式下，都能使用工具面角来监测和控制井眼轨迹。如图1所示，本发明包括以下步骤：

步骤S10：定义井眼轨迹的工具面角。

在现有技术中，根据造斜工具的姿态来定义工具面角，即工具面角定义为造斜工具所在平面与井斜平面之间的夹角，没有给出工具面角与井眼轨迹形态之间的关系。如图2所示，过井底点P作井眼轨迹的法平面，称为井底平面。井底平面与井斜平面有一个交线，该交线的增井斜方向称为井眼高边。井底平面与工具面也有一个交线，该交线从井底点P指向钻头的方向可称为工具面方向。为叙述方便，井眼高边和工具面方向分别用单位向量h和n来表示。这样，工具面角ω就定义为工具面方向n与井眼高边方向h之间的夹角。

在本发明中，构造了造斜工具对井眼轨迹的作用关系，建立了按井眼轨迹来定义工具面角的方法。如图3所示，对于井眼轨迹上的P点而言，井眼高边方向与图1中向量h的方向相同，井眼轨迹的主法线方向与图1中向量n的方向一致。因此，对于井眼轨迹而言，工具面角ω定义为井眼轨迹的主法线方向与井眼高边方向之间的夹角。

步骤S20：构造工具面角的求取方法。

在现有技术中，没有关于井眼轨迹的定义，因此也没有关于井眼轨迹上任一井深处工具面角的求取方法。

在本发明中，根据工具面角的新定义和两向量间夹角的数学定义，建立了具有普遍适用性的工具面角计算模型(步骤S21)。对于井眼轨迹上任一井深处，工具面角ω的计算模型为：

式中，ω为工具面角，单位(°)；κα为井斜变化率，单位(°)/m；κφ为方位变化率，单位(°)/m；α为井斜角，单位(°)。

用式(1)求取工具面角，涉及反正切函数。反正切函数的值域为(-90°，90°)，而工具面角的取值范围为[0°，360°)。为解决二者的值域相容性问题，采用如下方法来规范工具面角的取值(步骤S22)：

式中：x和y分别代表工具面角计算公式(1)中的分母和分子；sgn为符号函数。

步骤S30：解析工具面角的计算模型。

不同导向钻井方式所钻出的井眼轨迹形态也不同，可以用不同的井眼轨迹模型来表征。因此，要由步骤S20求得工具面角，首先需得到各种井眼轨迹模型的井斜角α、井斜变化率κα和方位变化率κφ公式，然后再代入式(1)计算出工具面角。本发明包含空间圆弧模型、圆柱螺线模型、自然曲线模型和恒工具面模型等井眼轨迹模型。

每种井眼轨迹模型都分别有2个特征参数，它们决定了井眼轨迹的空间形态。在设计工具面角的控制方案时，这些特征参数往往为已知数据，也可以根据井眼轨迹控制要求来确定。在已知特征参数条件下，若当前井深为LA、井斜角为αA、方位角为φA，按如下方法计算井眼轨迹上任一井深L处的工具面角ω：

①空间圆弧模型(步骤S31)

其中

ε＝κ(L-LA) (4)

式中：ωA为初始工具面角，即当前井深LA处的工具面角，单位(°)；κ为井眼曲率，单位(°)/m；L为井深，单位m；ε为弯曲角，单位(°)。

②圆柱螺线模型(步骤S32)

式中：κv和κh分别为井眼轨迹在垂直剖面图和水平投影图上的曲率，单位均为(°)/m。

③自然曲线模型(步骤S33)

式中：κα和κφ分别为井斜变化率和方位变化率，单位均为(°)/m。

④恒工具面模型(步骤S34)

恒工具面模型的工具面角ω保持为常数，即不随井深变化。若继续钻进至井深LB时，要求达到的井斜角为αB、方位角为φB，则用以下公式计算工具面角：

步骤S40：设计控制方案并实施控制。

首先，根据导向钻井方式，选定相应的井眼轨迹模型(步骤S41)，并按井眼轨迹的控制要求来确定井眼轨迹模型的特征参数；然后，选取适当的计算步长，按上述方法求得一系列井深处的工具面角，形成工具面角的设计方案(步骤S42)；最后，在钻进过程中，按照工具面角的设计方案，利用随钻测量(MWD)仪器来监测和控制工具面角，便可实现控制井眼轨迹的目的(步骤S43)。

实施例：

下面结合实施例进一步描述本发明。本发明的范围不受实施例的限制，本发明的范围在权利要求书中提出。

在某水平井施工过程中，当前井深LA＝2680m、井斜角αA＝45°、方位角φA＝70°。要求钻至井深LB＝2730m时，井斜角αB＝60°、方位角φB＝85°，试设计井眼轨迹控制方案。

在步骤S10中，通过定义井眼轨迹的工具面角，能够计算井眼轨迹上任一井深处工具面角。

在步骤S20中，建立了具有普遍适用性的工具面角计算模型，给出了符合行业规范的工具面角取值方法，从而保证了后续步骤S30和S40实施的有效性和实用性。

在步骤S30和步骤S40中，对于不同的井眼轨迹模型，该实施例按如下步骤来设计工具面角的控制方案：

(1)空间圆弧模型

如果选用空间圆弧模型，则井眼轨迹的特征参数为井眼曲率κ和初始工具面角ωA。根据该实施例的井眼轨迹控制要求，用如下方法求取特征参数：

其中

cosεAB＝cosαAcosαB+sinαAsinαBcos(φB-φA) (10)

根据该实施例的已知数据，由式(8)～(10)求得：井眼曲率κ＝0.3816°/m，初始工具面角ωA＝43.2883°。

在步骤S30中，可求得井眼轨迹上任一井深处的工具面角ω。例如，若井深L＝2690m，则由式(3)得：工具面角ω＝40.8537°。用同样的方法，可求得其它井深处的工具面角。若以步长为10m进行计算，则可得到在空间圆弧模型条件下工具面角的控制方案，见表1。

表1实施例的工具面角控制方案

(2)圆柱螺线模型

如果选用圆柱螺线模型，则井眼轨迹的特征参数为垂直剖面图上的曲率κv和水平投影图上的曲率κh。根据该实施例的井眼轨迹控制要求，用如下方法求取特征参数：

根据该实施例的已知数据以及式(11)和式(12)求得：垂直剖面图上的曲率κv＝0.3000°/m，水平投影图上的曲率κh＝0.3792°/m。

在步骤S30中，可求得井眼轨迹上任一井深处的工具面角ω。例如，若井深L＝2690m，则由式(5)得：工具面角ω＝34.9191°。用同样的方法，可求得其它井深处的工具面角。若以步长为10m进行计算，则可得到在圆柱螺线模型条件下工具面角的控制方案，见表1。

(3)自然曲线模型

如果选用自然曲线模型，则井眼轨迹的特征参数为井斜变化率κα和方位变化率κφ。根据该实施例的井眼轨迹控制要求，用如下方法求取特征参数：

根据该实施例的已知数据以及式(13)和式(14)求得：井斜变化率κα＝0.3000°/m，方位变化率κφ＝0.3000°/m。

在步骤S30中，可求得井眼轨迹上任一井深处的工具面角ω。例如，若井深L＝2690m，则由式(6)得：工具面角ω＝36.6177°。用同样的方法，可求得其它井深处的工具面角。若以步长为10m进行计算，则可得到在自然曲线模型条件下工具面角的控制方案，见表1。

(4)恒工具面模型

如果选用恒工具面模型，则井眼轨迹的特征参数为井眼曲率κ和工具面角ω。

根据该实施例的已知数据和式(7)求得：工具面角ω＝38.2520°。由于恒工具面模型的工具面角保持为常数，所以工具面角的控制方案，见表1。

在步骤S40中，选定一种井眼轨道模型，按照控制方案所设计的工具面角(见表1)，在钻进过程中利用随钻测量仪器监测和控制工具面角，便可控制井眼轨迹按设计轨道钻进，从而实现使用工具面角来监测和控制井眼轨迹。

本发明实施例中，使工具面角成为适用于各种导向钻井方式的井眼轨迹控制参数，可有效监测和控制井眼轨迹。并且，不需要改变现有的钻井工艺技术及流程，也无需增加任何工具及仪器，因此具有概念清晰、方法简洁、通用性强等优点。

虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。