用于评价任意截面上井眼轨迹误差的方法与流程

本发明涉及油气井工程领域，具体说涉及油气井工程中用于评价任意截面上井眼轨迹误差的方法。
背景技术：
：井眼轨迹监测与控制的基本目标是确定井眼轨迹上任一点的空间位置，即井眼轨道定位。然而，由于存在测量、计算等误差，井眼轨迹定位不可能绝对准确。尽管通过误差校正等途径能提高井眼轨迹定位精度，但是却无法完全消除这些误差，因此井眼轨迹存在不确定性问题。基于井眼轨迹误差模型能得到各测点处的误差椭球，用以表征井眼轨迹空间位置的不确定性。为分析井眼轨迹在水平方向上的不确定性，现已提出了水平截面误差椭圆的评价方法(柳贡慧，董本京，高德利.误差椭球(圆)及井眼交碰概率分析[j].钻采工艺,2000,23(3):5-12.)，可满足普通定向井的井眼轨迹误差分析需求。然而，对于水平井、大位移井等复杂结构井，还需要分析垂直截面、法截面、甚至是任意截面上的井眼轨迹误差，此时现有技术不能满足需求。因此，需要一种能够建立任意截面上井眼轨迹误差的评价方法。技术实现要素：为解决上述问题，本发明提供了一种用于评价任意截面上井眼轨迹误差的方法，所述方法包括：按行业规程采用测量仪器获得井眼轨迹的测斜数据，基于iscwsa标准及模型求取井口坐标系neh下各测点处的协方差矩阵，所述协方差矩阵表征一个误差椭球族，所述误差椭球族中的各个不同误差椭球包含井眼轨迹误差的概率不同；根据实际钻井工程要求的所述概率，选取放大系数以唯一确定所述误差椭球；经过所述误差椭球球心用任意平面来截取所述误差椭球，得到所述平面上的误差椭圆，用所述平面的法线方向来表征所述平面的空间姿态；基于所述误差椭球的协方差矩阵确定所述平面上误差椭圆的协方差矩阵；基于所述平面上误差椭圆的协方差矩阵确定其尺寸和姿态，其中，所述误差椭圆的尺寸和姿态分别用两个主轴半径和一个偏转角来表征；基于所述平面上误差椭圆的尺寸和姿态来表征井眼轨迹在所述平面上的不确定性，用以评价钻井工程设计的可行性和合理性、监测和控制井眼轨迹在所述平面上的实施效果，以提高井眼轨迹的中靶率和储层钻遇率，从而提高油气单井产量和开发采收率。根据本发明的一个实施例，在用于评价任意截面上井眼轨迹误差的方法中，所述测斜数据包括井斜角、方位角、井深和工具面角，所述误差椭球的协方差矩阵在井口坐标系neh下是3×3矩阵[c]neh，其中：n为北坐标，m；e为东坐标，m；h为垂深坐标，m。根据本发明的一个实施例，在用于评价任意截面上井眼轨迹误差的方法中，在根据所述概率唯一确定所述误差椭球的步骤中，用以下的所述概率与所述放大系数的关系式来求取放大系数，进而确定所述误差椭球：其中：k为放大系数，无因次；p为井眼轨迹的误差概率，小数。用数值积分法可解以上算式，从而得到井眼轨迹位于误差椭球内的概率p。当放大系数k＝1.0～4.0、步长取为0.5时，概率p分别为19.87％、47.78％、73.85％、89.99％、97.07％、99.34％、99.89％。根据本发明的用于评价任意截面上井眼轨迹误差的方法的一个实施例，在用所述平面的法线方向来表征所述平面空间姿态的步骤中，包括以下子步骤：基于所述平面法线方向的单位向量m，用所述单位向量m的井斜角αm和方位角φm来表征所述平面的空间姿态；以误差椭球球心为原点，建立直角坐标系xyz，其中z轴指向所述平面的法线方向，x轴为所述平面与过所述z轴铅垂面的交线且指向高边方向，y轴水平指向右侧。根据本发明的用于评价任意截面上井眼轨迹误差的方法，在基于所述误差椭球的协方差矩阵确定所述平面上误差椭圆的协方差矩阵的步骤中，包括以下子步骤：根据坐标系xyz与坐标系neh间的变换关系，基于坐标系neh下的协方差矩阵[c]neh计算坐标系xyz下的协方差矩阵[c]xyz，具体计算公式为[c]xyz＝[t][c]neh[t]t其中式中：αm为所述平面法线方向的井斜角，(°)；φm为所述平面法线方向的方位角，(°)；经过所述误差椭球球心的所述平面截取所述误差椭球得到所述误差椭圆，将所述坐标系xyz下误差椭球的协方差矩阵[c]xyz分块，并保留参数x和y相关项，得到所述平面上误差椭圆的协方差矩阵[c]xy为式中：σx2、σy2分别为x轴方向、y轴方向的方差；σxy为x轴和y轴间的协方差。根据本发明的用于评价任意截面上井眼轨迹误差的方法，在基于所述平面上误差椭圆的协方差矩阵确定其尺寸和姿态的步骤中，用所述误差椭圆的两个主轴半径和一个偏转角来表征所述误差椭圆的尺寸和姿态，其中所述偏转角是所述误差椭圆的两个主轴分别与x轴和y轴之间的夹角；按如下公式计算所述误差椭圆的主轴半径和偏转角：其中式中：r为所述误差椭圆的主轴半径，m；λ为所述协方差矩阵[c]xy的特征值，m2；θ为所述误差椭圆的偏转角，(°)。根据本发明的用于评价任意截面上井眼轨迹误差的方法，用所述平面法线方向的井斜角αm和方位角φm来表征所述任意平面，以用于评价在任意空间姿态平面上的井眼轨迹误差，其中，常用的空间平面包括水平面、铅垂面和法平面，此时所述平面法线方向的井斜角αm和井斜角φm的取值分别为：当所述平面为水平面时，取αm＝φm＝0；当所述平面为铅垂面时，取αm＝90°，取φm为铅垂面法线方向的方位角；当所述平面为法平面时，取αm和φm分别为井眼轨迹的井斜角α和方位角φ。本发明通过定义并表征任意空间平面，提出了任意截面误差椭圆的概念及表征方法，进而提供了一种任意空间平面上的井眼轨迹误差的评价方法。通过本发明的方法可评价垂直截面、法截面、甚至是任意截面上的井眼轨迹误差，从而实现高精度监测和控制井眼轨迹，降低钻井作业风险和提高油气田开发效果。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一个实施例的用于评价任意截面上井眼轨迹误差的方法的流程图；以及图2显示了根据本发明的一个实施例的用于评价任意截面上井眼轨迹误差的方法的技术原理图。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，其中显示了本发明一个实施例的用于评价任意截面上井眼轨迹误差的方法的流程图。该方法包括的s1-s4步骤，主要用于按行业规程采用测量仪器获得井眼轨迹的测斜数据，基于iscwsa标准及模型求取井口坐标系neh下各测点处的协方差矩阵。该协方差矩阵表征一个误差椭球族，其中，误差椭球族中的各个不同误差椭球包含井眼轨迹误差的概率不同。在用于评价任意截面上井眼轨迹误差的方法中，所述测斜数据包括井斜角、方位角、井深和工具面角，所述误差椭球的协方差矩阵在井口坐标系neh下是3×3矩阵[c]neh，其中：n为北坐标，m；e为东坐标，m；h为垂深坐标，m。具体地，在步骤s1中，按行业规程实施测量。这些测量步骤包括：①严格、定期的仪器校验；②测斜间距不超过30m；③做好重力场、地磁场及磁倾角、陀螺漂移等现场检验；④按行业规范确定mwd的无磁间距；⑤使用mwd要求远离套管和邻井。在步骤s2中，识别并表征各种误差源。包括各种误差源的大小及权函数。接下来，在步骤s3中，建立误差传播方程。式中：ei为由误差源i引起的北坐标n、东坐标e和垂深坐标h误差(3×1向量)；εi为第i个误差源；σi为误差源i的误差大小(标量)；为权函数，表示误差源i对井深、井斜角和方位角的影响(3×1向量)；为井深、井斜角和方位角测量误差对n坐标、e坐标和h坐标的影响(3×3矩阵)。在步骤s4中，按传播模式进行误差累积。考虑到各种误差源之间的相关性，分别按随机误差、系统误差和单井及全局误差等误差传播模式进行误差累积，得到井口坐标系neh下各测点处的3×3协方差矩阵[c]neh。然后，在步骤s5中，根据实际钻井工程要求的概率，选取放大系数以唯一确定所述误差椭球。每个测点处的协方差矩阵都表征了一个椭球族，不同椭球所包含的井眼轨迹误差概率不同。根据井眼轨迹误差概率的要求，可选取放大系数k，从而唯一确定1个误差椭球。一般而言，放大系数的取值范围为k＝1～4，常用k＝2来评价井眼轨迹误差。对于井眼轨迹监测与控制精度要求高的井，宜取放大系数k＝≥2.8，此时井眼轨迹位于误差椭球内的概率将大于95％。在一个具体实施例中，根据概率唯一确定误差椭球是通过用以下的概率与放大系数的关系式来求取放大系数，来确定的：其中：k为放大系数，无因次；p为井眼轨迹的误差概率，小数。用数值积分法可解以上算式，从而得到井眼轨迹位于误差椭球内的概率p。当放大系数k＝1.0～4.0、步长取为0.5时，概率p分别为19.87％、47.78％、73.85％、89.99％、97.07％、99.34％、99.89％。在步骤s6中，空间任意平面的表征。经过误差椭球球心用任意平面来截取误差椭球，得到所述平面上的误差椭圆，用所述平面的法线方向便可以来表征所述平面的空间姿态。基于所述平面法线方向的单位向量m，用所述单位向量m的井斜角αm和方位角φm来表征所述平面的空间姿态；进一步地，如图2所示，用过球心的任意平面来截取误差椭球，将得到截面误差椭圆。为表征该平面的空间姿态，用单位向量m表示其法线方向，并用αm和φm表示该平面法线的井斜角和方位角。以误差椭球的球心为原点，建立坐标系xyz，其中z轴指向平面法线方向，x轴为该平面与过z轴铅锤面的交线且指向高边方向，y轴水平指向右侧。常用空间平面的姿态主要有水平面、铅锤平面和法平面等三种，它们过球心截取误差椭球分别得到水平截面椭圆、垂直截面椭圆和法截面椭圆。此时，αm和φm的取值分别为：(1)水平截面椭圆，取αm＝φm＝0；(2)垂直截面椭圆，取αm＝90°，φm取为铅锤平面的法向方位角；(3)法截面椭圆，αm和φm分别取为井眼轨迹的井斜角α和方位角φ。本发明可表征和评价任意空间平面上的井眼轨迹误差，上述三种情况只是其中的特例。然后，在步骤s7中，求取任意平面上的协方差矩阵。具体而言，本发明在基于所述误差椭球的协方差矩阵确定所述平面上误差椭圆的协方差矩阵的步骤中，还包括以下子步骤：根据坐标系xyz与坐标系neh间的变换关系，基于坐标系neh下的协方差矩阵[c]neh计算坐标系xyz下的协方差矩阵[c]xyz，具体计算公式为[c]xyz＝[t][c]neh[t]t(3)其中式中：αm为所述平面法线方向的井斜角，(°)；φm为所述平面法线方向的方位角，(°)；经过所述误差椭球球心的所述平面截取所述误差椭球得到所述误差椭圆，将所述坐标系xyz下误差椭球的协方差矩阵[c]xyz分块，并保留参数x和y相关项，得到所述平面上误差椭圆的协方差矩阵[c]xy为式中：σx2、σy2分别为x轴方向、y轴方向的方差；σxy为x轴和y轴间的协方差。最后如图1所示，在步骤s8中，表征截面误差椭圆。具体地说，基于任意平面上误差椭圆的协方差矩阵确定其尺寸和姿态，其中，所述误差椭圆的尺寸和姿态分别用两个主轴半径和一个偏转角来表征。在基于所述平面上误差椭圆的协方差矩阵确定其尺寸和姿态的步骤中，用所述误差椭圆的两个主轴半径和一个偏转角来表征所述误差椭圆的尺寸和姿态，其中所述偏转角是所述误差椭圆的两个主轴分别与x轴和y轴之间的夹角；按如下公式计算所述误差椭圆的主轴半径和偏转角：其中式中：r为所述误差椭圆的主轴半径，m；λ为所述协方差矩阵[c]xy的特征值，m2；θ为所述误差椭圆的偏转角，(°)。基于所述平面上误差椭圆的尺寸和姿态来表征井眼轨迹在所述平面上的不确定性，用以评价钻井工程设计的可行性和合理性、监测和控制井眼轨迹在所述平面上的实施效果，以提高井眼轨迹的中靶率和储层钻遇率，从而提高油气单井产量和开发采收率。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。某水平井按行业规程实施测量和井眼轨迹计算，得到以真北为参考基准的计算结果，见表1。该井的地磁场强度为56356.51nt，磁偏角为-10.60°，磁倾角为64.72°，子午线收敛角为0.876°。取放大系数k＝2，采用本发明的用于评价任意截面上井眼轨迹误差的方法，得到如表2所示的评价结果。限于篇幅，表1和表2仅列出了部分数据。表1实施例的井眼轨迹计算结果井深(m)井斜角(°)方位角(°)北坐标(m)东坐标(m)垂深(m)0.000.00不存在0.000.000.00900.000.00不存在0.000.00900.001800.000.00不存在0.000.001800.002700.000.00不存在0.000.002700.003600.000.00不存在0.000.003600.004500.000.00不存在0.000.004500.005400.000.00不存在0.000.005400.006300.000.00不存在0.000.006300.007200.000.00不存在0.000.007200.007660.000.00(29.71)0.000.007660.007831.7745.8141.1651.7439.367814.058028.7345.8151.01149.57140.967951.358161.3290.0055.43221.10237.058000.008400.0090.0057.02353.79435.448000.008700.0090.0059.02512.67689.908000.009000.0090.0061.02662.57949.758000.009300.0090.0063.02803.321214.678000.009600.0090.0065.02934.731484.348000.009900.0090.0067.021056.651758.438000.0010161.3290.0068.761155.002000.528000.00表2实施例的本发明井眼轨迹截面误差椭圆评价结果该实施例采用本发明的井眼轨迹任意截面误差椭圆表征方法，得到了井眼轨迹在水平面、铅锤平面、法平面上的误差椭球截面误差椭圆，并计算出了各种截面误差椭圆的主轴半径(ru,rv)和姿态角θ。从而，用截面误差椭圆表征了井眼轨迹在各种平面上的不确定性，物理意义清晰明确，便于在井眼轨迹监测与控制等方面应用。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。当前第1页1 2 3