基于多井统计和地层表征的自然造斜规律评价方法与流程

本发明涉及油气井工程领域，具体说，涉及一种基于多井统计和地层表征的自然造斜规律评价方法。

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。

地层岩体具有正交各向异性，沿地层法向、倾向和走向的抗载强度、硬度及可钻性等物理和力学性质互不相同。此外，地层自然造斜特性还与地层分层和井眼方向密切相关，并最终体现为井眼轨迹的井斜角和方位角变化。由于正交各向异性地层视为沿地层法向、倾向和走向的物理和力学性质相同，所以基于地层来表征自然造斜特性更具有规律性。

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多井统计和地层表征的自然造斜规律评价方法。该方法包括：

s1、通过收集地质资料和钻井资料来获取已钻井的地层特性、井眼轨迹的测斜数据和造斜工具的定向造斜特性，其中，所述地层特性包括地层倾角和地层走向，所述测斜数据包括井深、井斜角和方位角，所述定向造斜特性包括工具造斜率和工具面角；

s2、基于所述测斜数据和井眼轨迹模型确定所述井眼轨迹的井斜变化率方程和方位变化率方程，以表征所述井斜变化率、所述方位变化率和所述井斜角沿井深的变化规律；

s3、基于已钻井数据利用钻柱力学特性分析法和随钻测量仪器获取工具造斜率和工具面角，得到所述工具造斜率方程和所述工具面角方程，用以表征造斜工具的定向造斜特性及其沿井深的变化规律；

s4、基于所述井斜角方程、所述工具造斜率方程和所述工具面角方程计算工具井斜率和工具方位率，用以表征所述造斜工具的定向造斜特性对所述井斜变化率和所述方位变化率的贡献；

s5、基于所述井眼轨迹的空间挠曲形态和和所述造斜工具的定向造斜特性得到地层井斜率和地层方位率，以表征地层自然造斜特性对井眼轨迹的井斜变化率和方位变化率的贡献，其中，所述空间挠曲形态由所述井眼轨迹的井斜变化率和方位变化率表征；

s6、基于地层坐标系和井眼坐标系之间的变换关系将所述地层井斜率和地层方位率变换为地层倾向造斜率、地层走向造斜率和地层法向造斜率；

s7、对于多口已钻井和所钻遇的每个地层重复执行步骤s2-s6，经统计分析计算出各地层的所述地层倾向造斜率、地层走向造斜率和地层法向造斜率，得到基于多井统计和地层表征的地层自然造斜规律。

根据本发明的基于多井统计和地层表征的自然造斜规律评价方法，优选的是，在基于所述测斜数据和井眼轨迹模型确定所述井眼轨迹的井斜变化率方程和方位变化率方程的步骤中，

基于井眼轨迹的模型化方法建立所述井斜变化率方程、所述方位变化率方程和所述井斜角方程，其中井眼轨迹模型包括空间圆弧模型、圆柱螺线模型和自然曲线模型，得到如下形式的井斜变化率方程、方位变化率方程和井斜角方程：

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；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。

根据本发明的基于多井统计和地层表征的自然造斜规律评价方法，优选的是，在基于已钻井数据利用钻柱力学特性分析法和随钻测量仪器获取工具造斜率和工具面角的步骤中，所述工具造斜率方程和所述工具面角方程为：

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

根据本发明的基于多井统计和地层表征的自然造斜规律评价方法，优选的是，在基于所述井斜角方程、所述工具造斜率方程和所述工具面角方程计算工具井斜率和工具方位率的步骤中，所述工具井斜率和所述工具方位率沿井深的变化规律为：

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

根据本发明的基于多井统计和地层表征的自然造斜规律评价方法，优选的是，在基于所述井眼轨迹的空间挠曲形态和所述造斜工具的定向造斜特性反演出地层井斜率和地层方位率的步骤中，所述地层井斜率和所述地层方位率为：

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

根据本发明的基于多井统计和地层表征的自然造斜规律评价方法，优选的是，在基于地层坐标系和井眼坐标系之间的变换关系将所述地层井斜率和地层方位率变换为地层倾向造斜率、地层走向造斜率和地层法向造斜率的步骤中，将所述地层倾向造斜率、地层走向造斜率和地层法向造斜率分别为：

式中：κξ,f为地层倾向造斜率，(°)/30米；κη,f为地层走向造斜率，(°)/30米；κζ,f为地层法向造斜率，(°)/30米。

本发明利用已钻井实际资料，研究揭示地层岩体、造斜工具和井眼轨迹之间的相互作用及影响关系，建立地层自然造斜规律的反演方法，为井眼轨迹设计、监测和控制提供可靠的基础数据，解决了难以获取地层自然造斜规律的难题。此外，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。

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规律评价方法的流程图；

图2显示了根据本发明的变换地层坐标系和井眼坐标系的原理图。

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。

如图1所示，其中显示了根据本发明的技术方法流程图。

本发明的方法开始于步骤s1，在该步骤中，获取地层和已钻井资料。具体地，通过收集地质资料和钻井资料来获取已钻井的地层特性、井眼轨迹的测斜数据和造斜工具的定向造斜特性。其中，地层特性包括地层倾角和地层走向。测斜数据包括井深、井斜角和方位角。定向造斜特性包括工具造斜率和工具面角。

接下来在步骤s2中，确定井眼轨迹的空间形态。

在一个优选的实施例中，本发明基于测斜数据和井眼轨迹模型确定、井眼轨迹的井斜变化率方程和方位变化率方程，以表征经验轨迹的井斜变化率、方位变化率和井斜角沿井深的变化规律。在本发明中，井眼轨迹模型包括但不限于空间圆弧模型、圆柱螺线模型和自然曲线模型。这样，井斜变化率方程、方位变化率方程和井斜角方程可表示为：

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；α为井斜角，(°)；下标a为井段始点。

接下来，在步骤s3中，计算出造斜工具对井眼轨迹的贡献。

基于已钻井数据，利用钻柱力学特性分析方法获取工具造斜率，利用随钻测量仪器获取工具面角，建立工具造斜率方程和工具面角方程，用以表征造斜工具的定向造斜特性及其沿井深的变化规律。工具造斜率方程和工具面角方程可表示为

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

在步骤s4中，基于上述工具造斜率方程和工具面角方程，建立工具井斜率方程和工具方位率方程，用以表征由造斜工具所产生的井斜变化率和方位变化率，从而确定造斜工具的定向造斜特性对井斜变化率和方位变化率的贡献。工具井斜率方程和工具方位率方程为

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

在步骤s5中，计算地层自然造斜对井眼轨迹的贡献。

由于井眼轨迹是造斜工具与地层的联合作用结果，在剔除掉由造斜工具对井眼轨迹的贡献之后便可以得到地层井斜率和地层方位率，用以表征地层自然造斜特性对井斜变化率和方位变化率的贡献。具体地，本发明通过基于所述井眼轨迹的空间挠曲形态和和所述造斜工具的定向造斜特性得到地层井斜率和地层方位率，以表征地层自然造斜特性对井眼轨迹的井斜变化率和方位变化率的贡献，其中，所述空间挠曲形态由所述井眼轨迹的井斜变化率和方位变化率表征。由此得到的地层井斜率方程和地层方位率方程为

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

在步骤s6中，基于地层坐标系和井眼坐标系之间的变换关系将地层井斜率和地层方位率变换为地层倾向造斜率、地层走向造斜率和地层法向造斜率。

建立地层坐标系与井眼坐标系间的变换关系的具体原理如图2所示。基于正北、正东和铅垂方向，建立井口坐标系neh，其中n轴指向正北方向，e轴指向正东方向，h轴铅垂向下指向地心。基于井眼高边、井眼右向和井眼方向线，建立井眼坐标系xyz，其中x轴指向增井斜方向，y轴指向增方位方向，z轴指向井眼轨迹的切线方向。基于地层倾向、走向和法向，建立地层坐标系ξηζ，其中ξ轴指向地层上倾方向，ζ轴指向地层法向，η轴垂直于ξ轴和ζ轴，且ξ轴、η轴和ζ轴构成右手系。于是，地层坐标系ξηζ与井眼坐标系xyz之间的旋转变换关系为

其中

[c]＝[b][a]^t

式中：β为地层倾角，(°)；ψ为地层上倾方位角，(°)。

在该步骤中，进一步基于地层评价自然造斜特性。

地层岩体具有正交各向异性，沿地层法向、倾向和走向的抗载强度、硬度及可钻性等物理和力学性质互不相同。此外，地层自然造斜特性还与地层分层和井眼方向密切相关，并最终体现为井眼轨迹的井斜角和方位角变化。由于正交各向异性地层视为沿地层法向、倾向和走向的物理和力学性质相同，基于地层来表征自然造斜特性更具有规律性，因此需要将由步骤s4得到的地层井斜率和地层方位率换算到地层坐标系，得到地层倾向造斜率、地层走向造斜率和地层法向造斜率，以评价沿地层倾向、地层走向和地层法向的自然造斜特性。

基于步骤s4的地层井斜率和地层方位率以及步骤s5的坐标系变换关系，地层倾向造斜率、地层走向造斜率和地层法向造斜率为

式中：κξ,f为地层倾向造斜率，(°)/30米；κη,f为地层走向造斜率，(°)/30米；κζ,f为地层法向造斜率，(°)/30米。

最后，在步骤s7中，基于多井数据评价地层自然造斜规律。

对于具体的地层，本发明通过重复步骤s2～步骤s6评价出每口井的地层自然造斜特性，然后经统计分析(例如，取所有井的平均值)得到基于多井统计和基于地层表征的地层自然造斜规律，为井眼轨迹设计、监测和控制提供可靠数据。

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。