本发明涉及油气开发与勘探领域，具体涉及一种用于钻井过程中计算钻头相对位置，从而指导钻井工程师快速准确调整钻井轨迹倾角的方法和系统。
背景技术：
目前，在石油、天然气等钻井勘探开发技术领域，在水平井作业过程中，地质导向技术开始广泛应用。在地质导向过程当中，最为关键的技术之一就是钻头相对目标地层上界面、下界面和钻头前界面的相对距离的计算方法。
现有常用的方法主要是通过人工干预的条件下，通过计算机测量和计算。这种方式需要现场工程师丰富的经验，结合一定的计算方法。对于实时性要求高、跟踪精度要求也较高的精确导向钻井，非常不利。一方面受到现场工程师经验的限制，不能形成标准化、自动化和软件化的计算方法和软件控制平台。另一方面容易引入人为的计算误差。
国内外对于钻头轨迹的控制技术研究非常多，但对于如何快速有效的实现钻头相对目标层上界面、下界面和钻头前界面的相对距离的快速计算研究较少，特别是为实现有效、准确、实时、低成本的自动化钻井提供解决方案的计算方法更少。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题之一是需要提供一种自动计算钻头相对目标层上界面、下界面和钻头前界面的相对距离的计算方法。
为了解决上述技术问题，本申请的实施例首先提供了一种钻井轨迹控制方法，该方法包含以下步骤：步骤一：构建地层剖面模型，确定剖面模型中的地层线和轨迹线；步骤二：基于地层剖面模型，分别计算上界面距离、下界面距离、钻遇界面距离和钻头前界面距离；步骤三：在地层剖面模型上显示所述上界面距离、下界面距离、钻遇界面距离和钻头前界面距离，根据各个距离控制钻井轨迹。
优选地，在所述步骤一中，基于三维地层模型中的井眼轨迹计算该轨迹的水平投影角；根据所述井眼轨迹水平投影角，将地层线和轨迹线进行投影，形成二维平面侧视图下的地层线和轨迹线；将所述二维水平侧视图下的地层线和轨迹线进行矢量化处理得到地层矢量模型，将所述地层矢量模型作为所述地层剖面模型。
优选地，在所述步骤二中，利用如下公式计算各个上界面距离、下界面距离、钻遇界面距离和钻头前距离：
di＝sqrt((xi-a)2+(yi-b)2)
其中，i＝1,2,3,4；d1表示上界面距离、d2表示下界面距离、d3表示钻遇界面距离，d4表示钻头前界面距离；(x1,y1)表示钻头当前位置到上界面的垂直点的坐标，(x2,y2)表示钻头当前位置到下界面的垂直点的坐标，(x3,y3)当前钻进倾角下可能钻遇地层上或下界面位置坐标，(x4,y4)表示钻头到达钻头前地层的垂直点的坐标；sqrt表示开平方符号；(a,b)表示钻头当前位置坐标。
优选地，在所述步骤二中，先对地层剖面模型的地层线进行样条插值处理，形成局部光滑的地层线；再计算钻头点附件地层线设定范围内的样条线与钻头的最近距离，作为钻头相对目标地层的上界面距离d1和下界面距离d2。
优选地，在所述步骤二中，以钻头点坐标为基点，按照获得的钻进倾角β构建直线方程；判断该直线是否与所述上界面线或下界面线相交，如果相交，计算钻遇界面距离d3，并指出相交的上下界面。
优选地，基于获得的钻头当前钻进倾角β，搜索钻头前设定范围内地层，查找与目标地层相交的其它地层线；如果有，则钻头前有断层，并计算钻头前地层距离d4，如果没有，则无断层。
优选地，在所述步骤三中，钻井轨迹控制方法如下：将所述上下界面距离与设定阈值作比较，根据二者关系判断当前钻头在目标地层的位置，调整钻头钻进倾角；基于钻遇界面距离确定钻头可能钻穿目标地层的距离，对钻进倾角进行调整；根据钻头前界面距离判断钻头前方有无断层并确定与断层距离，调整钻头钻进倾角。
另一方面，本发明实施例还提供了一种钻井轨迹控制系统，该系统包括以下模块：地层剖面模型构建模块，其构建地层剖面模型，确定剖面图模型中的地层线和轨迹线；四距离计算模块，其基于地层剖面模型，分别计算上界面距离、下界面距离、钻遇界面距离和钻头前界面距离；轨迹控制模块，其在地层剖面模型上显示所述上界面距离、下界面距离、钻遇界面距离和钻头前界面距离，根据各个距离控制钻井轨迹。
优选地，在所述轨迹控制模块中进一步包括如下判断单元：钻头位置判断单元，其将所述上下界面距离与设定阈值作比较，根据二者关系判断当前钻头在目标地层的位置；钻遇界面判断单元，其基于所述钻遇界面距离确定钻头可能钻穿目标地层距离；断层搜索单元，其根据钻头前界面距离判断钻头前方有无断层并确定与断层距离。
优选地，在所述地层剖面模型构建模块中，进一步包括如下单元：井眼轨迹水平投影角获取单元，其基于三维地层模型中的井眼轨迹计算该轨迹的水平投影角；二维平面侧视图构建单元，根据所述井眼轨迹水平投影角，将地层线和轨迹线进行投影，形成二维平面侧视图下的地层线和轨迹线；地层剖面矢量模型构建单元，将所述二维平面侧视图下的地层线和轨迹线进行矢量化处理得到地层矢量模型，将所述地层矢量模型作为所述地层剖面模型。
与现有技术相比，上述方案中的一个或多个实施例可以具有如下优点或有益效果：
本发明采用的方法可以快速有效的实现钻头相对目标层上界面、下界面、钻遇界面和钻头前界面的相对距离的计算，特别是为实现有效、准确、实时、低成本的自动化钻井提供解决方案，使得钻井施工人员，能够及时调整钻头轨迹，以免钻头打穿地层界面，确保钻头始终在地层上下界面中穿行，调高优质储层钻遇率，调高油气产量。
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的技术方案而了解。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和/或流程来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本申请的技术方案或现有技术的进一步理解，并且构成说明书的一部分。其中，表达本申请实施例的附图与本申请的实施例一起用于解释本申请的技术方案，但并不构成对本申请技术方案的限制。
图1为本申请实施例的钻井轨迹控制系统的模块示意图。
图2为本申请实施例的构建地层剖面模型的示意图。
图3为本申请实施例的包括矢量化的地层线和轨迹线的地层矢量模型的示意图。
图4为本申请实施例的四距离定义示意图。
图5为本申请实施例的计算四距离的模拟结果示意图。
图6为本申请实施例的钻井轨迹控制方法的具体流程示意图。
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，并达成相应技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。本申请实施例以及实施例中的各个特征，在不相冲突前提下可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
另外，附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
为了克服现有技术中上述的不足，本实施例提供了一种钻头相对目标层上界面、下界面和钻头前界面的相对距离的计算方法，该方法可以在模型建立完成以后，由处理器等控制器自动实时计算钻头的相对位置。基于此，能够指导钻井人员快速准确调整钻井轨迹倾角，预防打穿目标层，确保轨迹在目标层内穿行。另一方面，还能够为钻井轨迹、钻井参数调整提供决策依据，从而提高水平井钻井效率、优质储层钻遇率。
图1为本申请实施例的钻井轨迹控制系统的模块示意图，该系统包括地层剖面模型构建模块1、上下界面距离确定模块2、钻遇界面距离确定模块3、钻头前界面距离确定模块4和轨迹控制模块5，其中上下界面距离确定模块2、钻遇界面距离确定模块3、钻头前界面距离确定模块4作为四距离计算模块的一个具体示例。
如图1所示，地层剖面矢量模型构建模块1构建地层剖面模型，确定剖面图模型中的地层线和轨迹线。该模块1包括三个单元：井眼轨迹水平投影角获取单元11、二维平面侧视图构建单元12和地层剖面模型构建单元13。井眼轨迹水平投影角获取单元11基于三维地层模型中的井眼轨迹计算该轨迹的水平投影角；二维平面侧视图构建单元12根据上述井眼轨迹水平投影角，将地层线和轨迹线进行投影，形成二维平面侧视图下的地层线和轨迹线；地层剖面模型构建单元13将上述二维侧视图下的地层线和轨迹线进行矢量化处理，构建地层剖面矢量模型。
图2为本申请实施例的构建地层剖面模型的示意图，如图2所示，左图是三维地层模型，基于该三维模型，由地层剖面矢量模型构建模块1的井眼轨迹水平投影角获取单元11计算井眼轨迹水平投影角
需要说明的是，在本实施例中，井眼轨迹水平投影角的计算采用水平段的轨迹来确定，根据获得的起始位置空间坐标点(x0,y0,z0)与计算出轨迹的每一点空间坐标(xi,yi,zi)得到水平段投影方位角，该表达式如下所示：
其中
最后，地层剖面模型构建单元13根据上述二维平面侧视图下的地层线和轨迹线，矢量化剖面地层线和轨迹线，形成地层剖面矢量模型。如图3所示，左图为二维地层剖面图的矢量模型，粗线条曲线为矢量化的钻头轨迹线，右图为矢量化地层线示意图，每个地层都形成上下两个界面线，其中，上方为矢量化的上界面地层线，轨迹线下方为矢量化的下界面地层线。在该实施例中，钻头轨迹线应始终保持在目标地层的上下界面地层线之间。
接下来，对四距离计算模块进行说明。四距离计算模块根据地层剖面矢量模型，分别计算上界面距离、下界面距离、钻遇界面距离和钻头前地层距离。为了方便理解，下面参照图4说明这四个距离的定义。如图4所示，在本实施例中，钻头当前位置标记为a点，坐标为a(a,b)，起始水平段位置标记为o点，空间坐标为o(x0,y0)，水平段标记为oa，a点到上界面的垂直点标记为b点，坐标为b(x1,y1)，a到b点距离(标记为ab)定义为上界面距离d1，简称d1。a点到下界面的垂直点标记为c点，坐标为c(x2,y2)，a到c点的距离定义为下界面距离d2，简称d2。β为获得的钻头当前的钻进倾角，即为钻头当前轨迹方向与水平方向的夹角，当前钻进倾角下可能钻遇地层上或下界面位置标记为d点，坐标为d(x3,y3)，a到d点距离(标记为ad)定义为钻遇界面距离d3，简称d3。钻头到达钻头前地层(如断层等非目标层的地层线)的垂直点标记为e点，空间坐标为e(x4,y4)，a到e点距离(标记为ae)定义为钻前界面距离d4，简称d4。
在了解了这四个距离的定义之后，再次参考如图1，说明该四距离计算模块的具体组成和各模块功能。该模块包括三个模块：上下界面距离确定模块2、钻遇界面距离确定模块3和钻头前地层距离确定模块4。
上下界面距离确定模块2在计算上界面距离d1和下界面距离d2时，需要先对矢量地层线进行样条插值处理，形成局部相对光滑的曲线，根据光滑的地层线计算钻头点附近地层线设定范围内的样条线与钻头的最近距离，作为上、下界面的距离d1和d2。上下界面距离确定模块2包括三个单元：样条插值处理单元21、上下界面距离定义单元22和上下界面距离计算单元23。样条插值处理单元21对矢量地层线进行样条插值处理，获得局部相对光滑的地层线；上下界面距离定义单元22将钻头点附近地层线设定范围内的样条线与钻头的最近距离定义为上下界面距离；上下界面计算单元23获取钻头点坐标和到当前位置到上下界面的垂直点坐标，根据距离计算公式得到上下界面距离。在本实施例中，设定范围优选为100m，具体地，相应的计算公式为：d1＝sqrt((x1-a)2+(y1-b)2)，d2＝sqrt((x2-a)2+(y2-b)2)，其中，sqrt为开平方符号。
钻遇界面距离确定模块3计算钻遇界面距离时执行以下流程：在当前钻进倾角β下，钻头可能钻遇上或下界面位置坐标点d(x3,y3)，具体地，钻遇距离的计算以钻头点a(a,b)坐标为基点，按照当前正用的钻进倾角β，构建直线方程：y＝(x-a)tanβ+b，判断该直线是否与上下界面线相交，如果相交，计算钻头与交点(x3,y3)的距离d3＝sqrt((x3-a)2+(y3-b)2)，并指出相交的是上界面还是下界面。
钻遇界面距离确定模块3包括三个单元：构建钻头点直线方程单元31、钻遇界面距离定义单元32和钻遇界面距离计算单元33。构建钻头点直线方程单元31以钻头点坐标为基点，按照获得的钻进倾角，构建过钻头点的直线方程；钻遇界面距离定义单元32先获取上述直线方程与所述上下界面交点，将交点与钻头点距离定义为钻头钻遇界面距离；钻遇界面距离计算单元33获取钻头点坐标与上述交点坐标，根据距离计算公式得到钻头可能钻遇地层距离，在本实施例中，当d3小于预设的安全值时，给予报警提示。
接下来，说明钻头前界面距离确定模块4。该模块4在查找有无断层时，搜索钻头前设定范围内的地层，查找是否有与目标地层相交的其它地层线，在本实施例中，钻头前搜索断层的设定范围为0-300m，如果有，确定钻头前有断层，并计算钻头与该线间的距离d4＝sqrt((x4-a)2+(y4-b)2)，其中，d4为钻头前地层(包含断层)，其空间坐标为(x4,y4)，如果没有，指出无断层。
钻头前界面距离确定模块4包括三个单元：查找断层线单元41、钻头前界面距离定义单元42和钻头前界面距离计算单元43。查找断层线单元41基于获得的钻头当前钻进倾角，搜索钻头前设定范围内地层线，查找与目标地层相交的非目标地层线；钻头前界面距离定义单元42将钻头到达上述钻头非目标地层线垂直点的距离定义为钻头前界面距离；钻头前界面距离计算单元43获取坐标点与上述垂直点坐标，根据距离计算公式得到钻头前界面距离。
下面说明轨迹控制模块5。如图1所示，轨迹控制模块5包括三个单元：钻头位置判断单元51、钻遇界面判断单元52和断层搜索单元53。该模块5将上述获得的四距离计算值显示在地层剖面矢量模型上，并基于四距离计算结果利用以下判断依据，完成对钻头钻进倾角的实时调整。钻头位置判断模块51先将上、下界面的算数平均值作为钻头位置判断阈值，后将上界面距离与上述阈值进行比较，并按照下述判定依据对钻头在目标地层的位置进行判断；钻遇界面判断单元52以钻头钻遇界面距离为判断依据确定当前钻头可能钻穿目标地层的距离，从而对钻进倾角的大小进行调整；断层搜索单元53以钻头前界面距离为判断依据，若钻头前界面距离在设定搜索范围内，则判断在该范围内有断层，若钻头前界面距离在设定搜索范围外，则判断在该范围内无断层。
需要说明的是，钻头在目标地层所处位置的判定依据如下：当上下界面均大于零时，表明钻头在地层内；当上界面距离大于钻头位置判断阈值时，表明钻头位于目标地层的下半部分；当上界面距离小于钻头位置判断阈值时，表明钻头位于目标地层的上半部分。钻头最佳距离为上下界面等距时。
图5为本申请实施例的计算四距离的模拟结果示意图，如图5所示，按照上述计算方法，将计算出的上界面距离d1、下界面距离d2、钻遇界面距离d3、钻头前界面距离d4，显示在二维地层剖面矢量模型上。
需要说明的是，基于计算出的上述四距离参数，作为控制钻井轨迹的依据。当d1>0且d2>0时，表明钻头在地层内；将上、下界面的算数平均值设置为钻头位置判断阈值即(d1+d2)/2，若d1>(d1+d2)/2，表明钻头位于地层的下半部分，反之位于上半部分；当d1＝d2时，为钻头的最佳位置。另外，d3的大小反映钻头按照当前的钻进倾角可能钻穿目标地层的距离，用于提醒施工人员注意调整钻进倾角，预防打穿目标层，确保在钻头目标层内穿行，d4用于提醒施工人员注意是否存在断层以及钻头与断层的距离。
具体地，如图5中所示数据可知，d1＝2.3m>(d1+d2)/2＝1.75m，d3＝105.5m，表明钻头在目标地层内，且位于地层下半部分，钻头并未在其最佳位置，操作人员应适当调节钻进倾角；钻头以当前钻进倾角下，可能钻穿地层的距离为105.5m，这表明按照当前钻进倾角，钻遇界面距离在105.5米内是安全的；d4>200m范围内无断层，表明在搜索范围300m以内无断层，如图5所示钻头前方的断层，其距离已超出300m搜索范围，故尚未检测出来。
图6为本申请实施例的一种钻井轨迹控制方法的流程示意图，下面结合图1，对本实施例方法的流程进行说明。概括来说主要包括以下几个步骤：构建地层剖面模型，确定剖面图模型中的地层线和轨迹线；基于地层剖面模型，分别计算上界面距离、下界面距离、钻遇界面距离和钻头前界面距离；在地层剖面模型上显示所述上界面距离、下界面距离、钻遇界面距离和钻头前界面距离，根据各个距离控制钻井轨迹。
具体来说，在构建地层剖面矢量模型过程中，首先按照如图2所示的模型转换方式，基于三维地层模型计算井眼轨迹水平投影角，根据所述投影角将地层线和轨迹线进行投影，形成二维平面侧视模型即地层剖面模型，将地层剖面模型中的地层线和轨迹线进行矢量化处理，构建如图3所示的地层剖面矢量模型，形成矢量化的地层线和轨迹线。
然后，本发明实施例需根据地层剖面模型，按照上述图4所示的四距离定义示意图，定义并计算上界面距离、下界面距离、钻遇界面距离和钻头前界面距离。
根据上述四距离的计算值，再按照图5所示的井眼轨迹控制方法的依据，对钻头位置进行调整，从而达到控制钻井轨迹的目的。
具体地，基于四距离参数的计算结果，并且针对钻井轨迹的控制依据，将判断依据分为三种：上下界面距离判断钻头是否处于目标地层的最佳位置；钻遇界面距离判断钻头是否处于可能钻穿目标地层的安全范围内；钻头前界面距离判断钻头前方有无断层。当上述三种情况全都为否定判断时，钻头方向无需调整；当上述三种判断中任一项为肯定判断时，操作人员应对钻头当前钻进倾角进行调整；当上述三种判断中发生两项或两项以上时，操作人员应根据综合情况对钻头当前钻进倾角进行相应的调整。
需要说明的是，本实施例判断钻头是否处于目标地层的最佳位置时，应注意，当钻头处于目标地层的最佳位置时，按照图6所示，钻头钻进方向无需做调整；当钻头处于目标地层的非最佳位置时，需要将上界面距离与上述钻头位置判断阈值相比较，无论比较结果如何，无论钻头处于目标地层上半部分或下半部分，操作人员都要根据当前钻头所处目标地层位置，对钻头钻进方向进行调整。
本发明能够实时的利用计算机装置针对钻头相对目标层上界面、下界面、钻遇界面和钻头前界面的相对距离进行计算，其过程具有速度快、效果好的特点，特别是为实现有效、准确、实时、低成本的自动化钻井提供了解决方案。通过对四距离的自动化计算，钻井施工人员，能够及时调整钻进倾角，以免钻头打穿地层界面，确保钻头始终在地层上下界面中穿行，调高优质储层钻遇率，调高油气产量。
本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。
虽然本发明所揭露的实施方式如上，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，在不脱离本发明所揭露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。