本发明涉及石油钻井中的井眼轨迹控制，具体而言，涉及基于导向钻具工作特性的井眼轨迹控制方法。
背景技术：
井眼轨迹控制的目标是控制井眼轨迹的井斜角、方位角及其变化规律，其技术途径是控制导向钻具的工作特性。目前，普遍使用垂直投影图、水平投影图、三维轨迹图等监测井眼轨迹，以对比分析实钻井眼轨迹与设计井眼轨迹的符合情况。但是，没有与井眼轨迹相适应的导向钻具的工作特性曲线图，致使导向钻具控制与井眼轨迹控制之间脱节，也不便于对比分析实际工作特性与设计工作特性的符合情况。此外，关于导向钻具与井眼轨迹之间的相互作用关系，现有技术主要研究了滑动导向钻井和空间圆弧模型，对于其它的导向钻井方式和井眼轨迹模型有局限性。
因此，亟需建立导向钻具的工作特性曲线，以便监测和控制导向钻具的工作特性，从而有效地控制井眼轨迹。
技术实现要素：
本发明为解决上述技术问题，提供了一种基于导向钻具工作特性的井眼轨迹控制方法。该方法包括以下步骤：
s101、提取井眼轨迹的特征参数。根据地质和工程要求预先设计井眼轨迹，得到井眼轨迹的节点及分点参数。然后，提取井眼轨迹上各点处的特征参数，其中所述特征参数包括井斜角、井斜变化率、方位变化率；
s102、设计导向钻具的工作特性参数。根据所述井眼轨迹的特征参数，计算导向钻具的工作特性参数，其中所述工作特性参数包括工具造斜率和工具面角；
s103、绘制导向钻具的工作特性曲线。根据所述工作特性参数，以井深为自变量，绘制导向钻具的工作特性曲线；
s104、监控导向钻具的工作特性参数。在导向钻井过程中，随时测量导向钻具的实际工作特性参数。将实际与设计的导向钻具工作特性绘制在同一张图上，用以监测导向钻具的实际工作特性。当导向钻具的实际与设计工作特性偏差较大时，实时校正控制方案。
根据本发明的一个实施例，在步骤s102中，设计导向钻具的工作特性参数时，导向钻具的工作特性参数与井眼轨迹的特征参数之间存在以下关系：
其中，α为井斜角，单位为度；κα为井斜变化率，单位为度/30米；κφ为方位变化率，单位为度/30米；κ为工具造斜率，单位为度/30米；ω为工具面角，单位为度。
根据本发明的一个实施例，在步骤s103中，绘制导向钻具的工作特性曲线包括以下步骤：
以κφsinα为横轴、以κα为纵轴建立直角坐标系，使得工具造斜率κ和工具面角ω呈现为极坐标参数；
将导向钻具的工作特性参数绘制在该图上，得到随井深变化的工具造斜率κ和工具面角ω的关系曲线。
根据本发明的一个实施例，在步骤s104中，将实际测量的工具造斜率κ和工具面角ω与设计的导向钻具工作特性曲线绘制在同一张图上，用以监测和控制导向钻具的实际工作特性，从而有效地控制实钻井眼轨迹。
根据本发明的一个实施例，其特征在于适用于各种导向钻井方式和井眼轨迹模型。所述导向钻井方式包括滑动导向、旋转导向和复合导向钻井，所述井眼轨迹模型包括但不限于空间圆弧模型、自然曲线模型、圆柱螺线模型和三维悬链线模型等。
本发明的有益之处在于，研究揭示了导向钻具与井眼轨迹之间的相互作用机理，建立导向钻具工作特性与井眼轨迹空间形态之间的相互约束关系。这样，便可根据预先设计的井眼轨迹，通过选择/调控导向钻具的工作特性，有效地控制井眼轨迹。本发明提供了普遍适用的导向钻具的工作特性方程，适用于各种导向钻井方式及井眼轨迹模型，进而建立了导向钻具的工作特性曲线，并据此形成了简洁实用的井眼轨迹控制方法。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地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
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明的导向钻具工作特性曲线的绘制原理图；
图2为本发明实施例的导向钻具工作特性曲线图；
图3为本发明的井眼轨迹控制方法流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图对本发明实施例作进一步地详细说明。
在钻井工程中，导向钻具的工作特性参数可用造斜率和工具面角来表征，其中造斜率用于表征导向工具的造斜能力，工具面角用于表征导向工具的工作姿态。而井眼轨迹的空间形态可用井斜角、方位角、井斜变化率、方位变化率等参数来表征。
在导向钻井过程中，导向钻具控制钻头破碎岩石形成井眼轨迹。一方面，导向钻具的造斜能力体现为井眼轨迹的井眼曲率，所以工具造斜率与井眼曲率的数值相等。另一方面，导向钻具在井眼前进方向和定向方向上施加钻压和侧向力，迫使钻头在井眼轨迹的切线方向和主法线方向上产生位移，所以导向钻具的定向方向与井眼轨迹的主法线方向一致。
基于以上研究结果，可以得到导向钻具与井眼轨迹之间的相互作用关系为
式中，α为井斜角，单位为度，(°)；κα为井斜变化率，单位为度/30米，(°)/30米；κφ为方位变化率，单位为度/30米，(°)/30米；κ为工具造斜率，单位为度/30米，(°)/30米；ω为工具面角，单位为度，(°)。
这样，根据井眼轨迹控制方案中所设计的井斜角α、井斜变化率κα、方位变化率κφ等参数，由式(1)便可确定出所需的工具造斜率κ和工具面角ω，从而实现井眼轨迹控制。
由式(1)可以看出，工具造斜率κ和工具面角ω均为κα和κφsinα的函数。若以κφsinα为横轴、以κα为纵轴建立直角坐标系，则工具造斜率κ和工具面角ω将表现为极坐标参数。如图1所示。
据此，将井眼轨迹上各点处的工作特性绘制在这张图上，便可得到随井深变化的κ～ω关系曲线。在导向钻井过程中，利用κ～ω关系曲线，便于实时获取造斜工具所需的工作特性。同时，可将实际的工具造斜率和工具面角也绘制在同一张图上，以便随钻监测实际工作特性与设计工作特性的符合情况。根据井眼轨迹控制方案所确定的κ～ω关系曲线，通过实时控制和监测造斜工具的工作特性，便可实现井眼轨迹控制。
基于上述导向钻具的工作特性方程和工作特性曲线，本发明提出的井眼轨迹控制方法总体上包括如下步骤：
(1)设计井眼轨迹。根据对井眼轨迹的井眼方向、空间坐标等控制要求，设计井眼轨迹，得到井眼轨迹上各点处的井斜角、井斜变化率、方位变化率等参数。在设计井眼轨迹时，既可采用现有的井眼轨迹模型，也可使用新的井眼轨迹模型(见实施例)，本发明不限制具体的井眼轨迹模型。
(2)设计导向工具的工作特性。根据井眼轨迹的井斜角、井斜变化率、方位变化率等参数，由式(1)确定所需的工具造斜率和工具面角，得到导向钻具的工作特性。将井眼轨迹上各点的工具造斜率κ和工具面角ω，按图1所示方法绘图，将得到基于所设计井眼轨迹的导向钻具的工作特性曲线。
(3)调控导向工具的工作特性。根据所设计的导向钻具的工作特性曲线，选择/调控导向钻具的造斜率、工具面角等工作特性，实施导向钻井作业。
(4)监测导向工具的工作特性。在导向钻井过程中，实时监测导向钻具的实际造斜率和工具面角，并将它们也绘制在工作特性曲线图上，便可随钻监测导向钻具的实际工作特性与设计工作特性的符合情况。对比二者之间的偏差，并进行实时校正，控制井眼轨迹钻达预定目标。
以上方法可采用计算机程序进行实施。具体地，根据本发明的井眼轨迹控制方法的流程图，参见图3。首先，方法步骤开始于s101。在步骤s101中，根据井眼轨迹的控制要求预先设计井眼轨迹，得到所设计井眼轨迹上各点处的特征参数，其中所述特征参数包括井斜角、井斜变化率和方位变化率。
接下来，在步骤s102中，根据所设计井眼轨迹的特征参数，基于所述导向钻具的工作特性与井眼轨迹的特征参数之间的特定关系，设计导向钻具的工作特性参数，其中所述工作特性参数包括工具造斜率和工具面角。
在步骤s103中，根据井眼轨迹上各点处的导向钻具工作特性，绘制导向钻具的工作特性曲线，即工具造斜率κ与工具面角ω的关系曲线。
在步骤s104中，按照所述设计工作特性曲线选择或调节导向钻具的工作特性参数，实施井眼轨迹控制。在导向钻进过程中，将实际测量的工具造斜率κ和工具面角ω也绘制在所设计的工作特性曲线图上，可以监测实际的工作特性参数与设计值是否相符。
根据本发明的一个实施例，在步骤s102中，设计导向钻具的工作特性参数时，导向钻具的工作特性参数与井眼轨迹的特征参数之间存在以下关系：
其中，α为井斜角，单位为度；κα为井斜变化率，单位为度/30米；κφ为方位变化率，单位为度/30米；κ为工具造斜率，单位为度/30米；ω为工具面角，单位为度。
根据本发明的一个实施例，在步骤s103中，绘制导向钻具的工作特性曲线包括以下步骤：
以κφsinα为横轴、以κα为纵轴建立直角坐标系，使得工具造斜率κ和工具面角ω呈现为极坐标参数；
将导向钻具的工作特性参数绘制在该图上，得到随井深变化的工具造斜率κ和工具面角ω的关系曲线。
根据本发明的一个实施例，在步骤s104中，将实际测量的工具造斜率κ和工具面角ω与设计的导向钻具工作特性曲线绘制在同一张图上，用以监测和控制导向钻具的实际工作特性，从而有效地控制实钻井眼轨迹。
根据本发明的一个实施例，其特征在于适用于各种导向钻井方式和井眼轨迹模型。所述导向钻井方式包括滑动导向、旋转导向和复合导向钻井，所述井眼轨迹模型包括但不限于空间圆弧模型、自然曲线模型、圆柱螺线模型和三维悬链线模型等。
本发明揭示了导向钻具工作特性与井眼轨迹空间形态之间的相互约束关系，建立了基于井眼轨迹的导向钻具工作特性方程和工作特性曲线，提出了利用导向钻具的工作特性曲线控制井眼轨迹的方法，适用于各种导向钻井方式和井眼轨迹模型。
本发明可用于定向井、水平井、大位移井等各种复杂结构井的设计与施工，适用于滑动导向、旋转导向、复合导向等各种钻井方式，具有广阔的应用前景。
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。
假设某井段起始点a的井斜角αa＝45°、方位角φa＝70°，要求继续钻进δlab＝50米后，井斜角αb＝65°、方位角φb＝95°，试设计井眼轨迹控制方案。
根据本发明的技术方案，首先分别按空间圆弧模型和自然曲线模型设计井眼轨迹，得到井斜角α、井斜变化率κα、方位变化率κφ等井眼轨迹参数；然后再确定工具造斜率κ、工具面角ω等导向钻具的工作特性参数，并绘制工作特性曲线。结果见表1和图2。
表1实施例的井眼轨迹控制方案
为验证本发明的普遍适用性，现假设井眼轨迹为特殊的三维悬链线，其井斜角和方位角的变化规律为
式中，l为井深，米；b为悬链线的特征参数，米。
三维悬链线的方位变化率κφ保持为常数，其井斜变化率κα方程为
根据本发明的技术方案，首先由井段两端点的已知数据，计算出悬链线特征参数b和方位变化率κφ，即
然后，由式(2)和式(3)计算任一井深l处的井斜角α、井斜变化率κα等井眼轨迹参数，再由式(1)计算对应的工具造斜率κ和工具面角ω，从而得到导向钻具的工作特性参数。结果见表1和图2。
上述结果表明：①井眼轨迹模型不同，所对应的导向钻具的工作特性也不同，据此能按照不同的控制要求来控制井眼轨迹；②本发明不局限于现有的导向钻井方式和井眼轨迹模型，其控制方法具有普遍适用性。
应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构、处理步骤或材料，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。
说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。
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。