连续管钻井轨道纠偏方法与流程

本发明属于石油天然气技术领域，涉及一种连续管钻井轨道纠偏方法。

背景技术：

在连续管钻造斜段过程中，由于地层因素(地层倾角变化、地层硬度变化、扩眼等)和工况(反扭矩、钻速变化、钻压变化等)的变化，连续管钻井井眼轨迹易偏离原设计井眼轨道，偏离后需要进行纠偏。现有连续管钻井纠偏方法主要有如下缺陷和不足：①现有钻井纠偏轨道设计方法只要求纠偏轨道击中靶点，对纠偏井眼方向没有要求，这将导致后续钻井难度增加，甚至造成后续脱靶；②由于连续管不能旋转，因此连续管纠偏过程中需用定向工具导向，目前的定向工具组合多为弯马达+定向器，但易形成曲折井眼，井眼摩阻大，造成连续管本身加压困难，导致无法钻进，同时由于井眼轨迹不规则，固井难度增加，固井质量难以保证。

技术实现要素：

鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种连续管钻井轨道纠偏方法，以解决超深井套管外挤载荷参数随机性引起的外挤载荷不确定性问题。

本发明提供的连续管钻井轨道纠偏方法，包括：

步骤s1：在原设计井眼轨道上选取一个测试点tx；

步骤s2：以偏离点a为起点、测试点tx为终点做双段圆弧纠偏轨道，使测试点tx的切线与原设计井眼轨道的井眼方向重合；其中，双段圆弧纠偏轨道包括第一段圆弧轨道和第二段圆弧轨道；

步骤s3：令测试点tx在井眼方向的反向延长线的长度λ⁰＝dtx，获取d点的坐标，d点与偏离点a的井眼切线构成斜平面，d点的坐标为：

其中，nd为d点的北坐标，nt为测试点tx的北坐标，ed为d点的东坐标，et为测试点tx的东坐标，hd为d点的垂深，ht为测试点tx的垂深，αt为测试点tx的井斜角，φt为测试点tx的方位角；

步骤s4：以偏离点a为坐标原点，建立局部坐标系a-xyz；

其中，局部坐标系的x轴指向轨道前进方向，局部坐标系的y轴在斜平面内指向第一段圆弧轨道的内法线方向，局部坐标系的z轴指向斜平面的法线方向；

设x轴、y轴、z轴上的单位矢量分别为u、v、w，则：

单位矢量u＝(ux,uy,uz)＝(sinαacosφa，sinαasinφa，cosαa)；

的单位矢量其中，

其中，ea为偏离点a的东坐标，na为偏离点a的北坐标，ha为偏离点a的垂深；

单位矢量w＝(wx，wy，wz)，其中，

单位矢量v＝(vx，vy，vz)；其中，|v|＝1；

步骤s5：根据坐标变换，确定所述d点在局部坐标系中的坐标；其中，d点的坐标在局部坐标系a-xyz中表示为：

其中，p^-1＝p，

步骤s6：根据二倍角公式获取第一段圆弧轨道和第二段圆弧轨道的狗腿角；其中，

第一段圆弧轨道的狗腿角θ1为：

其中，r1为第一段圆弧轨道所属圆的半径；

当选取下一测试点tx，重复步骤s2-步骤s5；

当则切线段dtx的长度λ表示为：

其中，θ2为第二段圆弧轨道的狗腿角，r2为第二段圆弧轨道所属圆的半径；

cosθ2＝cosαccosαt+sinαcsinαtcos(φt-φc)

式中，cosαc＝uzcosθ1+vzsinθ1，αc为斜直井段的井斜角，φc为斜直井段的方位角；

步骤s7：判断λ是否满足|λ-λ⁰|≤ε，如满足，选择当前测试点tx作为着陆点；如不满足，令λ⁰＝λ，重复步骤s3-步骤s6，直到满足|λ-λ⁰|≤ε；其中，ε为预设的误差值；

步骤s8：获取双段圆弧纠偏轨道的工具面角ωi；其中，

当圆弧段为降斜时(δα<0)：

当圆弧段为增斜时(δα>0)：

式中，αi为所述第一圆弧段第i测点处的井斜角，αa为所述偏离点a处的井斜角；θi为第一圆弧段第i测点处的狗腿角；

在δφ>0时，取“-”号，在δφ<0时，取“+”号；

步骤s9：连续管定向器根据双段圆弧纠偏轨道的工具面角ωi进行随钻纠偏。

利用上述根据本发明提供的连续管钻井轨道纠偏方法，能够取得以下技术效果：

1、双段圆弧纠偏轨道不仅着陆点位置合适，而且入靶时的井眼方向与原设计井眼轨道的井眼方向一致；

2、连续管定向器按照双段圆弧纠偏轨道调节三肋合位移达到纠偏轨道的工具面角，此种连续管钻进方式为“点击式”钻进，井眼轨迹光滑，从而解决连续管钻井过程中的加压困难、固井质量差等问题。

附图说明

图1为根据本发明的连续管钻井纠偏轨道的模型图；

图2为根据本发明的局部坐标系中第一段圆弧轨道的坐标图；

图3a-图3b分别为根据本发明的连续管定向器的肋的伸缩位移图；

图4a-图4b分别为根据本发明的连续管定向器的三个肋的合位移矢量图；

图5为根据本发明的连续管定向器的三个肋的合位移与井眼中心线的夹角关系图；

图6为根据本发明的连续管定向器的三个肋的最小能量原则区域划分图；

图7a-图7d分别为根据本发明的连续管定向器各肋位移随工具面角的变化规律图；

图8a和图8b分别为根据本发明的连续管定向器各肋位移沿井眼轨道的变化规律图。

具体实施方式

在下面的描述中，出于说明的目的，为了提供对一个或多个实施例的全面理解，阐述了许多具体细节。然而，很明显，也可以在没有这些具体细节的情况下实现这些实施例。在其它例子中，为了便于描述一个或多个实施例，公知的结构和设备以方框图的形式示出。

图1示出了根据本发明的连续管钻井纠偏轨道的模型。

如图1所示，为了使连续管钻井纠偏轨道入靶方向与原设计井眼轨道钻进方向一致，本发明将纠偏轨道设计为双段圆弧纠偏轨道，使第第二段圆弧轨道末端点的切线与原设计轨道井眼方向重合。在坐标系o-xyz中，ef为连续管钻井原设计井眼轨道，a点为轨迹偏离点，为第一段圆弧轨道，为第二段圆弧轨道，bc为连接第一段圆弧轨道与第二段圆弧轨道的斜直井段，bc位于第一段圆弧轨道与第二段圆弧轨道之间，起到连接过渡作用。

本发明提供的连续管钻井轨道纠偏方法，包括如下步骤：

步骤s1：在原设计井眼轨道上选取一个测试点tx。

步骤s2：以偏离点a为起点、测试点tx为终点做双段圆弧纠偏轨道，使测试点tx的切线与原设计井眼轨道的井眼方向重合。

其中，双段圆弧纠偏轨道包括第一段圆弧轨道、第二段圆弧轨道和连接第一段圆弧轨道、第二段圆弧轨道的斜直井段。

步骤s3：令测试点tx在井眼方向的反向延长线的长度λ⁰＝dtx，获取d点的坐标，d点与偏离点a的井眼切线构成空间斜平面，d点的坐标为：

其中，nd为d点的北坐标，nt为测试点tx的北坐标，ed为d点的东坐标，et为测试点tx的东坐标，hd为d点的垂深，ht为测试点tx的垂深，αt为测试点tx的井斜角，φt为测试点tx的方位角。

步骤s4：以偏离点a为坐标原点，建立局部坐标系a-xyz；

确定d点坐标之后，d点与起始点a的井眼切线构成了一空间斜平面，然后将三维问题转化为二维问题。如图1所示，以起始点a为原点，建立局部坐标系a-xyz，局部坐标系的x轴指向轨道前进方向，局部坐标系的y轴在斜平面内指向第一段圆弧轨道的内法线方向(即垂直于x轴且指向目标点一侧)，局部坐标系的z轴指向斜平面的法线方向。为叙述方便，设x、y、z坐标轴上的单位坐标矢量分别为u、v、w，

根据空间几何关系，可得：

单位矢量u＝(ux,uy,uz)＝(sinαacosφa，sinαasinφa，cosαa)；

的单位矢量s＝(sx,sy,sz)；其中，

其中，ea为偏离点a的东坐标，na为偏离点a的北坐标，ha为偏离点a的垂深；

由于w＝u×s，且u、s均为单位矢量，故：

单位矢量w＝(wx，wy，wz)；其中，

由于v＝w×u，w⊥u，且均为单位矢量，故：

单位矢量v＝(vx，vy，vz)；其中，|v|＝1；

步骤s5：根据坐标变换，确定d点在局部坐标系中的坐标。

其中，d点的坐标在局部坐标系a-xyz中表示为：

其中，由于p为正交矩阵，故p^-1＝p，

步骤s6：根据二倍角公式获取第一段圆弧轨道和所述第二段圆弧轨道的狗腿角。

确定d点在局部坐标系a-xyz中的坐标之后，根据图2中的几何关系以及二倍角公式，求得第一段圆弧轨道的狗腿角θ1，第一段圆弧轨道的狗腿角θ1为：

其中，r1为第一段圆弧轨道所属圆的半径；

当选取下一测试点tx，重复步骤s2-步骤s5；

当则切线段dtx的长度λ表示为：

其中，θ2为第二段圆弧轨道的狗腿角，r2为所述第二段圆弧轨道所属圆的半径；

cosθ2＝cosαccosαt+sinαcsinαtcos(φt-φc)

式中，cosαc＝uzcosθ1+vzsinθ1，αc为斜直井段的井斜角，φc斜直井段的方位角；

步骤s7：判断λ是否满足|λ-λ⁰|≤ε，如满足，选择当前测试点tx作为着陆点；如不满足，令λ⁰＝λ，重复步骤s3-步骤s6，直到满足|λ-λ⁰|≤ε。

ε为预设的误差值。

步骤s8：获取双段圆弧纠偏轨道的工具面角ωi；其中，

当圆弧段为降斜时(δα<0)：

当圆弧段为增斜时(δα>0)：

式中，αi为所述第一圆弧段第i测点处的井斜角，αa为所述偏离点a处的井斜角；θi为第一圆弧段第i测点处的狗腿角；

在δφ>0时，即增方位时，取“-”号，在δφ<0时，即减方位时，取“+”号。

步骤s9：连续管定向器根据双段圆弧纠偏轨道的工具面角ωi进行随钻纠偏。

连续管定向器纠偏的条件为：

|χ实测-χ设计|>δχ

χ实测为连续管钻井过程中实际测量的轨迹参数，χ设计为连续管钻井原设计轨道轨迹参数，δχ为井眼轨迹参数所允许的误差。

连续管钻井过程中实际测量的轨迹参数包括第一段圆弧轨道的轨迹参数、第二段圆弧轨道的轨迹参数和斜直井段的轨迹参数。

第一段圆弧段轨道的轨迹参数计算如下：

其中，φa为偏离点a的方位角，l为井眼轨道的圆弧段长度；

第一段圆弧段轨道的各点坐标为：

其中，此式中θi为第一段圆弧段轨道的弧度。

第二圆弧段轨道的轨迹参数计算如下：

其中，φa为偏离点a的方位角，l为井眼轨道的圆弧段长度；

第二段圆弧段轨道的各点坐标为：

斜直井段轨道bc的轨迹参数计算如下：

斜直井段长度：

斜直井段的各点坐标为：

连续管定向器通过调整三个肋的位移，形成合位移矢量ω(0～360°)，按照获取双段圆弧纠偏轨道的工具面角ωi进行随钻纠偏，从而控制连续管钻井方向。

在连续管定向器通过调整三个肋的位移，形成合位移矢量ω(0～360°)的过程，包括：

(1)位移基准确定

以连续管定向器中心轴线与井眼中心轴线重合的初始位置为基准(如图3a所示)，规定此时各单肋位移为0，从基准处单肋伸出位移为负，缩回位移为正(如图3b所示)。假设井壁呈刚性，则单肋最大伸缩位移量为：

式中，dh为井眼直径，dor为定向器外径，κ为井眼扩大系数。

则定向器在加工时，单肋最大伸缩位移量应为2|ω|max。

(2)合位移矢量方向的确定

如图4a所示，在连续管定向器三个肋所在的共平面建立平面直角坐标系xoy，为三个肋的合位移矢量，g表示向量的末端，o表示向量的始端，三个肋分别1号肋、2号肋和3号肋，为1号肋的分位移矢量，为2号肋的分位移矢量，为3号肋的分位移矢量，合位移矢量的取值范围为正六边形，正六边形与外圆之间的区域为无效控制区域，如图4b所示，若各肋周向位置发生转动(受反扭矩影响)，则可形成内外圆之间的无效控制区域，由上述分析可知，最大可使用合位移矢量不是单肋的最大工作位移|ω|max，通过位移合成原理及几何分析可得最大可使用合位移矢量幅值为：

式中，γmax为连续管定向器的肋的最大可使用合位移。

ψ0为1号肋的初始工具面角(0～360°)，如图4a所示，根据图中几何关系，可知合位移矢量方向即连续管定向器的工具面角ωi方向，工具面角ωi与三个肋的位移矢量关系可表示为：

也可表示为

式中，j＝1、2或3，ψ1为1号肋的初始工具面角，ψ2为2号肋的分位移矢量，ψ3为3号肋的初始工具面角，ωx为x轴方向的合位移矢量，ωy为y轴方向的合位移矢量。

当|ω|≠0，|ω|＝0时为保持钻进模式，不存在工具面角。

1号肋、2号肋与3号肋的合位移ω为：

(3)合位移矢量大小的确定

若1号肋固定，即1号肋工具面角ψ1确定，则2、3号肋的工具面角也确定；若已知原设计井眼轨道的工具面角ωi，则合位移矢量ω的方向确定；若已知原设计井眼轨道的狗腿角θ，可确定连续管定向器的造斜率ρ，进而反推得到1号肋、2号肋与3号肋的合位移矢量ω的大小，其中狗腿角θ与合位移矢量ω大小(如图5所示)的关系可表示为：

θ＝ρl/30(3)

其中，l为井眼轨道的圆弧段长度，ρ为连续管定向器的造斜率，β为井眼中心线与连续管定向器中心线的夹角，m12为钻头与井壁的接触点、支撑肋与井壁的接触点之间的长度。

在确定合位移矢量ω的大小和方向之后，根据式(1)和式(2)可求解3肋的分位移(|ω1|、|ω2|、|ω3|)，可整理为：

式(6)仅有两个方程，但有三个未知数|ω1|、|ω2|和|ω3|，故此方程有n个解(n→∞)。

在连续管定向钻井纠偏过程中，为保证连续管钻井导向高效，连续管定向器需按照最小能量原则进行纠偏，最小能量原则是指按如图6等分三个区域，令离合位移矢量ω最近的肋的分位移为0(此肋处于最不利位置)，故可再根据式(6)得到另外2个分位移矢量解，例如若合位移矢量ω处于第2区域时，定向器各肋分位移可表示为(ω1，0，ω3)。

故依据最小能量原则和式(27)，可得如下控制方案如下：

当合位移矢量ω处于1区域时，令1号肋的位移为0，根据式(6)可得：

其中，γ为三个肋的合位移矢量的幅值，γ＝ω；

结合式(3)～式(5)对式(7)求解，得到：

当合位移矢量ω处于2区域时，令2号肋的位移为0，根据式(6)可得：

结合式(3)～式(5)对式(9)求解，得到：

当合位移矢量ω处于3区域时，令3号肋位移为0，根据式(6)可得：

结合式(3)～式(5)对式(11)求解，得到：

例：令γ1＝10mm，可得到连续管定向器各肋位移随工具面角变化规律，如图7a-图7d所示，图7a中的工具面角为60°，图7b中的工具面角为120°，图7c中的工具面角为180°，图7d中的工具面角为240°。

在一个实例中，得到某一圆弧轨迹如下表所示：

表1设计纠偏井眼轨道某一段圆弧轨道数据

根据前述纠偏轨迹控制公式，在1号肋工具面角120°条件下，各肋位移沿井眼轨道变化规律如图8a和图8b所示。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。