一种井眼轨迹预测并实现自动纠偏系统及方法与流程

1.本发明涉及油气钻井控制技术领域，尤其一种风电机组智能预警方法及消防联动控制系统。


背景技术：

2.随着油气勘探开发技术进步，对低产、低压、低渗透和浅薄层油藏等传统技术难以开采的油藏，通过钻井技术可以有效开发利用。钻井技术关键是钻进迹控制，有必要对钻井轨道的设计优化和井身轨迹控制关键技术措施进行探究。
3.无论是定向井，还是水平井，控制井眼轨迹的最终目的都是要按照要求中靶。所以，在实施钻井过程前，先根据地质层因素，靶区目的层等靶区坐标信息，建立靶区位置。其次会根据针对导向钻具的井眼轨迹设计轨道，钻井过程中导向钻具会根据设计好的轨迹进行钻进，并按照要求命中靶区。但是，由于井下作业影响因素错综复杂，可能导致与前期规划设计的井眼轨迹发生偏离，甚至脱靶。当实际轨迹偏离定的轨迹时，会导致停钻，此时需要将导向钻具上的数据提交到地面进行重新计算设计和轨道调整，从而会导致井眼轨迹调控过程效率降低，影响钻井工程质量和作业进度。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种井眼轨迹预测并实现自动纠偏系统及方法，该系统通过实钻轨迹末点数据，可按照实时造斜率、上点造斜率、稳斜稳方位、预设造斜率四种方式对未来轨迹进行预测，从而验证待钻轨迹与设计轨迹是否偏离。若偏离值超过规定范围，则自动触发轨迹纠偏行为，调整轨迹钻井参数指令，重新计算井眼轨道。
5.本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种井眼轨迹预测并实现自动纠偏系统，包括靶区配置模块、轨迹设计模块、轨迹投影模块、实钻轨迹模块、偏离评价模块、轨迹预测模块和轨迹纠偏模块；所述靶区配置模块用于在不同地质层根据地质倾角、倾向、旋转角度和靶区大小及坐标配置靶区信息；所述轨迹设计模块用于根据钻具模型和地质因素特性，设置不同测深的井斜与方位，设计井眼轨迹钻向轨道；所述轨迹投影模块用于对井眼轨迹进行二维平面的垂直投影、水平投影和三维空间中的三维立体投影；所述实钻轨迹模块用于对目标区块进行随钻数据采集；所述偏离评价模块用于对采集到的实钻轨迹数据和设计轨迹数据进行评估，计算偏离评价值；所述轨迹预测模块用于以实钻轨迹末点为起点，对未来轨迹进行预测，并计算出待钻轨迹数据；
所述轨迹纠偏模块用于以当前实测末点为起点，以下一个靶区为目标点，根据单圆弧或双圆弧重新计算井眼轨迹。
6.进一步的，所述目标区块的随钻数据包括钻井数据和测井数据；采集到的钻井数据包括：钻压、转速、扭矩、环空压力、井斜角、方位角和工具面角；采集到的测井数据包括：自然伽马曲线、电阻率和随钻振动。
7.进一步的，所述计算偏离评价值具体包括：验证法向距离、高边方位、北坐标方位、x偏移量、y偏移量值是否在允许误差范围内。
8.进一步的，所述对未来轨迹进行预测的方式包括实时造斜率、上点造斜率、稳斜稳方位和预设造斜率。
9.一种井眼轨迹预测并实现自动纠偏方法，包括以下具体步骤：s1：靶区基础信息配置；s2：轨迹设计；s3：根据设置的钻井数据进行钻进；s4：根据实钻轨迹数据和预设数据进行实时轨迹预测和纠偏。
10.进一步的，所述步骤s1具体为：配置靶区坐标信息、靶区形状类型、靶区大小和靶体方向，并将靶区配置信息进行存储；靶区坐标信息包括垂深、海拔、北坐标、东坐标、闭合距和闭合方位；靶区形状类型分为点靶、圆形靶、长方体靶；靶区大小信息包括高度、长度、宽度、x-偏移量和y-偏移量；靶体方向信息包括靶体旋转角度、地层倾角和地层倾向。
11.进一步的，所述步骤s2具体为：配置轨迹点数据信息，根据轨迹计算算法，计算出轨迹数据；其中轨迹点数据包括：测深、井斜角、方位角、南北坐标、东西坐标和垂深；轨迹数据包括：井斜变化率、方位变化率、工具面角、狗腿度、视平移、闭合距和闭合方位。
12.进一步的，所述步骤s3具体包括：钻进过程中对动态测斜数据进行采集，通过对动态测斜数据进行分析计算若数据满足钻进规则，则自动流转为实钻轨迹数据点，并通过轨迹计算方法计算出井眼轨迹数据，同时钻进井段数据进行存储。
13.进一步的，所述步骤s4中轨迹预测具体包括：结合实时轨迹数据和预测配置数据，根据轨迹计算方法计算出井眼轨迹未来走向趋势，通过轨迹偏离评价计算，判断未来轨迹是否与设计轨迹发生偏离；轨迹预测配置包括预测模式和预测范围，预测模式通过实时造斜率、上点造斜率、稳斜稳方位和预设造斜率进行预测计算，预测范围包括井底预测和未来预测，井底预测是实钻最末点加上钻头零长值，未来预测根据作业要求进行预设未来一定范围内钻进点。
14.进一步的，所述步骤s4中纠偏具体包括：根据起点位置信息、目标点位置信息和偏离约束条件计算井眼轨迹；计算方式分为单圆弧计算和双圆弧计算，默认优先使用单圆弧计算方式，当单圆弧计算无结果时，再使用双圆弧计算方式；根据纠偏计算结果，修正井眼轨道钻进指令调整轨迹钻进，使井眼钻进轨道与设计轨迹靠近并吻合，实现井眼轨迹钻进过程中在井下的纠偏工作。
15.本发明的有益效果：1）功能优势系统采用基于模块的开发设计，各模块之间通过标准的接口通信，使系统具备高扩展性与稳定性。
16.2）成本优势系统为独立运行的服务，且包含的功能模块均采用通用设计，与业务系统功能点高度解耦。
17.3）质量优势系统采用基于模块的开发设计，当系统需要迭代更新时，只需要对相应模块进行重构，其它无关模块不受影响，极大的提升了该系统的质量。
附图说明
18.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
19.图1是本发明的系统结构框图；图2是本发明的方法流程图；图3是本发明靶区配置流程图；图4是本发明轨迹设计流程图；图5是本发明轨迹计算结果数据图；图6是本发明轨迹投影流程图；图7是本发明轨迹投影流程图；图8是本发明轨迹预测流程图；图9是本发明轨迹纠偏流程图。
具体实施方式
20.应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
21.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当人认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
22.井眼轨迹预测并实现自动纠偏系统及方法主要解决了不能在井下提前预判实钻轨迹是否与设计轨迹会发生偏离，从而需要在发生偏离后导致停钻，需要把钻头数据测深、井斜、方位、钻速、钻压、井斜变化率、方位变化率等信息提交到井上后，再重新计算井眼轨迹。
23.使用本方法将会提前预测是否偏离，若预测结果为偏离将会调用自动纠偏配置及
其算法，重新设计井眼轨迹并修改指令。将会大大提高钻井质量和作业工程进度。
24.通过轨迹投影图中垂直投影图、水平投影图、三维立体图更加直观的观察钻井过程井眼轨道。实钻轨迹投影图与靶区轨迹投影图可同步呈现，可通过投影图判断验证井眼轨迹是否按照要求命中靶区。
25.轨迹预测纠偏系统为独立服务，并提供通用、标准的数据接口，能够与其它业务系统快速对接。
26.如图1所示，本发明系统主要由靶区配置模块、设计轨迹模块、轨迹投影模块、实钻轨迹模块、偏离评价模块、轨迹预测模块、轨迹纠偏模块组成。
27.1)靶区配置模块在不同地质层根据地质倾角、倾向、旋转角度和靶区大小及坐标配置靶区信息。
28.2)轨迹设计模块根据钻具模型和地质因素等特性，设置不同测深的井斜与方位，设计井眼轨迹钻向轨道。
29.3)轨迹投影模块对井眼轨迹进行二维平面的垂直投影、水平投影和三维空间中的三维立体投影。
30.4)实钻轨迹模块在地面先后下入钻具和测井仪器对目标区块进行随钻数据采集，所述目标区块的随钻数据包括钻井数据和测井数据，采集到的钻井数据包括：钻压、转速、扭矩、环空压力、井斜角、方位角和工具面角；采集到的测井数据包括：自然伽马曲线、电阻率和随钻振动。
31.5)偏离评价模块对采集到的实钻轨迹数据和设计轨迹数据进行评估，计算偏离评价值，验证法向距离、高边方位、北坐标方位、x偏移量、y偏移量等值是否在允许误差范围内。
32.6)轨迹预测模块以实钻轨迹末点为起点，可按照实时造斜率、上点造斜率、稳斜稳方位、预设造斜率四种方式对未来轨迹进行预测，并计算出待钻轨迹数据。
33.7)轨迹纠偏模块以当前实测末点为起点，以下一个靶区为目标点，根据垂深、南北位移、东西位移、闭合距、闭合方位、狗腿度、方位变化率、井斜变化率等数据，根据单圆弧或双圆弧重新计算井眼轨迹。
34.如图2所示，本发明方法流程为靶区配置、设计轨迹、轨迹投影、实钻轨迹、偏离评价、轨迹预测、轨迹纠偏。
35.1）靶区配置流程其流程图如图3所示：靶区配置流程主要由靶区坐标信息、靶区形状类型、靶区大小、靶体方向组成，最终实现靶区基础信息配置。
36.靶区坐标信息包含：垂深、海拔、北坐标、东坐标、闭合距、闭合方位；靶区形状类型分为：点靶、圆形靶、长方体靶；靶区大小信息包含：高度、长度、宽度、x-偏移量、y-偏移量；靶体方向信息包含：靶体旋转角度、地层倾角、地层倾向。
37.2）轨迹设计流程
其流程图如图 4所示，轨迹设计值及轨迹计算结果数据如图 5所示：轨迹设计流程主要为设置轨迹点数据信息包含：测深、井斜角、方位角、南北坐标、东西坐标、垂深，然后根据轨迹计算算法，计算出轨迹数据包含：井斜变化率、方位变化率、工具面角、狗腿度、视平移、闭合距、闭合方位等信息。
38.3）轨迹投影流程其主要流程图如图6所示：轨迹投影流程如主要由轨迹数据信息、垂直投影图、水平投影图、三维立体图组成。垂直投影主要根据轨迹数据中的视平移和垂深数据在二维平面上绘图呈现；水平投影主要根据轨迹数据中的南北坐标和东西坐标数据在二维平面上绘图呈现；三维立体图主要根据轨迹数据中的南北坐标、东西坐标和垂深数据在三维空间坐标中绘图，并可对轨迹图在三维中旋转，根据直观的观察井眼钻进轨道。
39.4）实钻轨迹流程其主要流程图如图 7所示：实钻轨迹流程主要由采集数据上传、静态测斜数据、动态测斜数据、定向记录数据、轨迹计算组成。定向记录主要对钻进井段数据进行分析并存储记录，包含起止位置、钻进起止时间、机械钻速、钻压、旋转钻速、旋转扭矩以及钻进指令等信息；静态测斜主要对井眼测深、井斜角、方位角、gt、bt等信息进行分析计算，若数据满足钻进规则，则自动流转为实钻轨迹数据点，并通过轨迹计算方法计算出井眼轨迹数据；动态测斜数据主要为钻进作业过程中钻头位置的实时数据，包含井眼测深、井斜角、方位角、gt、bt等信息。
40.5）轨迹预测流程其主要流程如图 8所示：轨迹预测流程主要由实钻轨迹数据、预测配置（包含：预测范围和预测模式）、预测轨迹计算组成。轨迹预测配置主要有预测模式和预测范围，预测模式主要有四种方式进行预测计算，分别为实时造斜率，上点造斜率，稳斜稳方位，预设造斜率。预测范围有井底预测和未来预测，井底预测是实钻最末点加上钻头零长值，未来预测可根据作业要求进行预设未来多少米范围内钻进点。
41.结合轨迹数据和预测配置数据，根据轨迹计算方法可计算出井眼轨迹未来走向趋势，通过轨迹偏离评价计算，判断未来轨迹是否与设计轨迹发生偏离。
42.6）轨迹纠偏流程其主要流程图如图 9所示：轨迹纠偏流程主要由轨迹起始点位置信息、配置目标点信息、轨迹计算模式（包含单圆弧计算和双圆弧计算）、轨迹偏离约束条件配置组成。
43.轨迹纠偏需要明确轨迹起点位置和目标点位置，以及偏离约束条件的范围。
44.起点位置信息包含：井深、井斜角、方位角、垂深、北坐标、东坐标、狗腿度、井斜变化率、方位变化率。
45.目标点位置信息包含：井斜角、方位角、北坐标、东坐标、垂深。
46.偏离约束条件包含：狗腿度范围、井斜角范围、方位角范围、垂深范围、南北位移、东西位移。
47.计算方式分为单圆弧计算和双圆弧计算，默认优先使用单圆弧计算方式，当单圆
弧计算无结果时，再使用双圆弧计算方式。
48.根据纠偏计算结果，修正井眼轨道钻进指令调整轨迹钻进，使井眼钻进轨道与设计轨迹靠近并吻合，实现井眼轨迹钻进过程中在井下的纠偏工作。
49.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。