基于实际钻井数据的地层自然造斜特性反演方法与流程

本发明涉及油气井工程领域，具体说，涉及一种基于实际钻井数据的地层自然造斜特性反演方法。

背景技术：

地层存在各向异性，具有自然造斜特性。地层自然造斜特性是客观存在的，只能有效利用而无法控制。研究地层自然造斜规律，对于井眼轨迹设计、监测和控制都具有重要意义。在井眼轨迹设计方面，基于地层自然造斜规律可进行三维漂移轨迹设计，从而能利用地层自然造斜规律钻进和中靶。这种方法能减少扭方位作业，有利于大钻压快速钻进、提高井身质量和降低钻井成本。在井眼轨迹预测与控制方面，地层自然造斜规律是前提条件，要有效预测和控制井眼轨迹，必须事先获取地层自然造斜规律。

然而，目前只能评价地层的各向异性，还没有获取地层自然造斜规律的方法。因此，亟需研究解决这个技术问题，以提高井眼轨迹设计、监测和控制的针对性和有效性。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种基于实际钻井数据的地层自然造斜特性反演方法，所述反演方法包括以下步骤：

利用随钻测量仪器获取实钻井眼轨迹的测斜数据，所述测斜数据包括井深、井斜角、方位角；

基于所述测斜数据在特定的模型下确定出所述井眼轨迹沿井深的井斜变化率和方位变化率，并由所述井斜变化率得到所述井斜角的变化规律；

基于历史的实际钻井数据利用钻柱力学特性分析法获取造斜工具的工具造斜率和工具面角沿井深的变化规律，所述工具造斜率和所述工具面角用以表征所述造斜工具的定向造斜特性；

基于所述定向造斜特性和所述井眼轨迹沿井深的井斜变化率和方位变化率反演出钻井所在区域的地层井斜率和地层方位率，以表征地层自然造斜特性对所述井眼轨迹的井斜变化率和方位变化率的影响，进而确定出钻井所在区域的地层自然造斜能力。

根据本发明的基于实际钻井数据的地层自然造斜特性反演方法，优选的是，在基于所述测斜数据在特定的模型下确定出所述井眼轨迹沿井深的井斜变化率和方位变化率的步骤中，特定的模型包括空间圆弧模型和自然曲线模型，通用的井斜变化率方程和方位变化率方程表达形式如下：

式中，l为井深，单位：米；κα为井斜变化率，(°)/30米；κφ为方位变化率，(°)/30米；

积分所述井斜变化率方程，得到预测井段出的井斜角变化规律：

其中

αa＝α(la)

式中：α为井斜角，(°)；下标a表示井段[la，lb]的始点，即a点的井深为la。

根据本发明的基于实际钻井数据的地层自然造斜特性反演方法，优选的是，在基于历史的实际钻井数据利用钻柱力学特性分析法获取造斜工具的工具造斜率和工具面角沿井深的变化规律的步骤中，按照以下方程表示所述工具造斜率和所述工具面角沿井深的变化规律：

其中，κt为工具造斜率，(°)/30米；ωt为工具面角，(°)；下标t表示钻具。

根据本发明的基于实际钻井数据的地层自然造斜特性反演方法，优选的是，基于所述工具造斜率和所述工具面角沿井深的变化规律得到所述工具井斜率和所述工具方位率：

式中：κα,t为所述工具井斜率，(°)/30米；κφ,t为所述工具方位率，(°)/30米。

根据本发明的基于实际钻井数据的地层自然造斜特性反演方法，优选的是，在基于所述工具井斜率、所述工具方位率、所述井眼轨迹沿井深的井斜变化率和方位变化率反演出钻井所在区域的地层井斜率和地层方位率，以表征地层自然造斜特性对所述井眼轨迹的井斜变化率和方位变化率的影响的步骤中，所述地层井斜率和所述地层方位率表示为如下方程式：

式中：κα,f为所述地层井斜率，(°)/30m；κφ,f为所述地层方位率，(°)/30米。

这样，通过地层自然造斜特性对井斜变化率和方位变化率的影响程度及规律，便可表征出它对井眼轨迹变化的贡献。显然，由地层自然造斜产生的井斜变化率和方位变化率越大，地层自然造斜能力越强。

本发明利用已钻井的实际井眼轨迹数据，建立了地层自然造斜特性的反演方法，为井眼轨迹设计、监测和控制提供了必须的基础数据，解决了难以获取地层自然造斜特性及规律的难题。本发明的地层自然特性的反演方法可用于定向井、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。

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显示了根据本发明的地层自然造斜特性反演方法流程图。

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。

本发明提供的基于实际钻井数据的地层自然造斜特性反演方法的主要技术思路是：虽然地层自然造斜特性与地质构造的倾角及走向、地层岩体的各向异性等诸多因素有关，但归根结底地层自然造斜特性对井眼轨迹的影响体现为井斜角和方位角变化。由于井眼轨迹是造斜工具与地层岩体联合作用的结果，因此从井眼轨迹空间形态中剔除造斜工具的作用效果便可得到地层自然造斜特性。

图1显示了根据本发明的地层自然造斜特性反演方法流程图。如图1所示，在步骤s1中，获取井眼轨迹的测斜数据。具体地说，利用随钻测量仪器获取实钻井眼轨迹的测斜数据。这些测斜数据包括井深l、井斜角α、方位角φ等。然后，基于井深l、井斜角α、方位角φ等测斜数据得到一系列测点的井眼轨迹数据。

接下来，在步骤s2中，计算井斜变化率和方位变化率。具体地，基于步骤s1中所获得的测斜数据在特定的模型下确定出井眼轨迹沿井深的井斜变化率和方位变化率，并由井斜变化率得到井斜角的变化规律。

在本发明的一个实施例中，基于空间圆弧、自然曲线等模型化方法来确定井眼轨迹的井斜变化率和方位变化率，以及它们随井深的变化规律。井斜变化率和方位变化率的通用表达形式为：

式中：l为井深，单位：米；κα为井斜变化率，(°)/30米；κφ为方位变化率，(°)/30米。

根据井斜变化率的定义，通过积分可得到井斜角方程，因此井斜角的变化规律为：

式中：α为井斜角，(°)；下标a为计算井段的始点。

接下来，在步骤s4中，获取造斜工具的定向造斜特性。具体地，基于历史的实际钻井数据利用钻柱力学特性分析法获取造斜工具的工具造斜率和工具面角沿井深的变化规律。其中，工具造斜率和工具面角用以表征造斜工具的定向造斜特性。工具造斜率用于表征造斜能力，工具面角用于表征工具姿态，而工具姿态决定了定向方向。

基于实际钻井数据，利用钻柱力学特性分析方法可算得造斜工具的造斜率，利用随钻测量仪器可获取工具面角。因此，工具造斜率和工具面角沿井深的变化规律可表示为：

式中：κt为工具造斜率，(°)/30米；ωt为工具面角，(°)；下标t表示钻具。

接下来，在步骤s5中，计算造斜工具对井眼轨迹的贡献。

造斜工具控制钻头破碎岩石形成井眼轨迹。在确定了工具造斜率κt和工具面角ωt的条件下，由造斜工具所产生的井斜变化率和方位变化率用工具井斜率和工具方位率表示，如下式：

式中：κα,t为工具井斜变化，(°)/30米；κφ,t为工具方位率，(°)/30米。

s6.计算地层自然造斜特性。井眼轨迹是造斜工具与地层的联合作用结果，剔除由造斜工具对井眼轨迹的作用效果，便可得到地层自然造斜对井眼轨迹的贡献。因此，地层自然造斜特性对井斜变化率和方位变化率的贡献用地层井斜率和地层方位率表示，如下式：

式中：κα,f为地层井斜率，(°)/30米；κφ,f为地层方位率，(°)/30米。

这样，通过地层自然造斜特性对井斜变化率和方位变化率的影响程度及规律，便可表征出它对井眼轨迹变化的贡献。显然，由地层自然造斜产生的井斜变化率和方位变化率越大，地层自然造斜能力越强。

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。

某已钻井的实钻井眼轨迹和钻具定向造斜特性数据见表1。根据本发明的技术方案和实施步骤，选取计算步长为10米，经反演得到的地层自然造斜特性结果见表2。

表1实施例的实钻井眼轨迹和钻具定向造斜特性

表2实施例的地层自然造斜特性反演结果

本发明利用已钻井的实际井眼轨迹数据，建立了地层自然造斜特性的反演方法，为井眼轨迹设计、监测和控制提供了必须的基础数据，解决了难以获取地层自然造斜特性及规律的难题。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。

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。