基于智能鉆井的三維井眼軌道設(shè)計及修正方法研究

閆 鐵，劉珊珊，畢雪亮

（東北石油大學(xué)油氣鉆井技術(shù)國家工程實驗室，黑龍江大慶163318）

基于智能鉆井的三維井眼軌道設(shè)計及修正方法研究

閆 鐵*，劉珊珊，畢雪亮

（東北石油大學(xué)油氣鉆井技術(shù)國家工程實驗室，黑龍江大慶163318）

完全智能鉆井系統(tǒng)是未來定向鉆井技術(shù)的發(fā)展方向，其井下系統(tǒng)可以智能識別儲層情況，在地面預(yù)測出現(xiàn)較大誤差時，能夠自動設(shè)計相應(yīng)的井眼軌道完成精確中靶的施工目標。在能夠獲取實際地質(zhì)信息的前提下，對于條形儲層預(yù)測走向與實際走向誤差較大的情況，設(shè)計了三維智能井眼軌道。在鉆井過程中，設(shè)計了軌道修正閉環(huán)控制系統(tǒng)，有效控制井眼軌跡與設(shè)計軌道的符合率。提出的三維井眼軌道模型能夠充分反映出智能鉆井的技術(shù)特點和需求，并具有通用性，可廣泛應(yīng)用于斜直井、定向井、水平井的軌道設(shè)計、監(jiān)測及修正設(shè)計，這種新的數(shù)學(xué)模型和設(shè)計方法為智能鉆井技術(shù)的推廣和應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

智能鉆井；三維軌道設(shè)計；三維軌道修正

1 完全智能鉆井系統(tǒng)

1.1 基本組成

完全智能鉆井系統(tǒng)由地面監(jiān)控系統(tǒng)、井下數(shù)據(jù)處理與軌道設(shè)計系統(tǒng)、井下測量與測控系統(tǒng)、雙向通訊系統(tǒng)、偏置執(zhí)行機構(gòu)5部分組成[1]。相比于旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)，完全智能鉆井系統(tǒng)應(yīng)該具有高速、高效的雙向通訊系統(tǒng)，能探測儲層及鉆具信息的隨鉆井下測量系統(tǒng)，能對測量數(shù)據(jù)進行處理并作出決策的井下數(shù)據(jù)處理與軌道設(shè)計系統(tǒng)，能夠?qū)⒕滦畔崟r可視化反映到監(jiān)控屏和可干預(yù)井下智能鉆井系統(tǒng)的地面監(jiān)控系統(tǒng)，能鉆出平滑井眼、精確改變鉆具造斜能力的偏置執(zhí)行機構(gòu)。地面監(jiān)控系統(tǒng)不斷將井深參數(shù)傳入井下數(shù)據(jù)處理與軌道設(shè)計系統(tǒng)；井下數(shù)據(jù)處理與軌道設(shè)計系統(tǒng)，處理井下測量系統(tǒng)傳來的數(shù)據(jù)并結(jié)合井深參數(shù)，在預(yù)測出現(xiàn)較大誤差時，智能設(shè)計井眼軌道；在鉆井過程中，井下測量與測控系統(tǒng)中的工具測控系統(tǒng)不斷將實鉆軌道與設(shè)計軌道進行對比，通過偏置執(zhí)行機構(gòu)糾正偏差。

1.2 完全智能鉆井系統(tǒng)特點

20世紀80年代中期以后，國際石油鉆井中使用隨鉆測量、隨鉆測井、隨鉆地震、隨鉆地層評價、鉆井動態(tài)信息實時采集處理、地質(zhì)導(dǎo)向和井下旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向閉環(huán)鉆井等先進技術(shù)以來，鉆井技術(shù)發(fā)生了質(zhì)的變化，其變化特征為[2-6]：

（1）鉆井信息數(shù)字化。在鉆井過程中，井下地質(zhì)參數(shù)、鉆井參數(shù)、流體參數(shù)和導(dǎo)向工具位置及狀態(tài)的實時測試、傳輸、分析、執(zhí)行、反饋及修正，鉆井信息向完全數(shù)字化方向發(fā)展。越來越脫離人們的經(jīng)驗影響和控制，鉆井過程逐步成為可用數(shù)字描述的確定性過程。

（2）工具和作業(yè)智能化、集成化。當前的導(dǎo)向鉆具、測試工具和作業(yè)控制都日趨智能化。一項由國際數(shù)家公司組成，1990年開始，歷時5年，耗資950萬美元開發(fā)的集成鉆井系統(tǒng)(IDS)和集成鉆井作業(yè)系統(tǒng)(IDO)獲得成功，是鉆井系統(tǒng)及操作智能化的體現(xiàn)。而近年地面自動控制的導(dǎo)向鉆井工具和隨鉆地層評價測試系統(tǒng)(FEMWD)開發(fā)成功，更體現(xiàn)了工具和作業(yè)智能化趨勢。完全智能鉆井系統(tǒng)特點為：（1）可以知道鉆頭所在位置，智能識別儲層實際情況；（2）可以連續(xù)完成鉆井任務(wù)，而旋轉(zhuǎn)鉆井系統(tǒng)需要人為干預(yù)；（3）當?shù)孛骖A(yù)測存在較大誤差時，可以智能設(shè)計相應(yīng)軌道保證中靶；（4）對于一些特殊儲層，可以智能設(shè)計相應(yīng)靶區(qū)軌道實現(xiàn)高效開發(fā)。

2 三維智能著陸井眼軌道設(shè)計

適用于長條形油氣藏，例如單一河道砂體形成的油氣藏，其長條延伸方向與設(shè)計方位線存在較大誤差時，為了有效開發(fā)儲層必須扭方位進行修正。

2.1 安全圓柱與靶區(qū)設(shè)計

為防止實際井眼軌跡與設(shè)計井眼軌道偏差過大而導(dǎo)致脫靶，設(shè)計安全圓柱與靶區(qū)，一旦井眼軌跡穿出這一范圍就重新設(shè)計井眼軌道，如圖1所示：

圖1 三維井眼軌道安全圓柱與靶區(qū)

安全圓柱是以設(shè)計著陸井眼軌道O′Pbt1為軸線，r為半徑的圓柱體。靶區(qū)的設(shè)計遵循行業(yè)技術(shù)規(guī)范，以L為靶區(qū)長度，h為靶區(qū)高度，w為靶區(qū)寬度。

從圖中可以看出，先進行了扭方位再增斜入靶，這是因為變方位率與井斜角有關(guān)，井斜角越大扭方位越困難。圖中O為水平投影圖中變方位井段的曲率中心，RH為水平投影圖中變方位井段所對應(yīng)的曲率半徑，P為當前鉆頭所在位置，Pb為扭方位段，bt1為修正方位后的著陸井段，t1為入靶點，t2為設(shè)計終止點；在水平投影圖上，扭方位部分為圓弧段，扭完方位后著陸部分為直線段。

2.2 入靶井斜角的計算

通常地層是傾斜的，可以用地層傾角來表示其傾斜程度，用下傾方位來表示其傾斜方向。對于單一河道砂體的條形儲層，其砂體內(nèi)部連通狀況較好而與圍巖的連通性一般較差，因而油氣主要儲集在這一長條形砂體內(nèi)。當它的產(chǎn)狀與預(yù)測存在較大誤差時，為了有效開發(fā)儲層，水平井段應(yīng)始終保持在儲層中。因此，需要重新設(shè)計靶區(qū)軌道方向并按該方向進行入靶井斜角的計算，其計算原理[7]如下：

若重新設(shè)計的靶區(qū)方位為Φ+ΔΦ即長條的延伸方向，入靶點處儲層的下傾方位為Ψ，儲層的地層傾角為β，如圖2所示。

入靶井斜角αt=90°-arctanC，其中C=tanβcos(Φ+ ΔФ-Ψ)。

圖2 儲層產(chǎn)狀參數(shù)圖

2.3 計算水平投影圖上變方位井眼曲率半徑

水平投影圖如圖3所示。

圖3 三維智能著陸軌道水平投影圖

圖3中，O′（NO′,EO′,DO′）為井口，P為當前井底，b為扭方位終點，O為扭方位段水平投射的曲率中心，t為入靶點。已知P點處空間坐標（NP，EP，DP），井斜角αP，方位角ΦP，當前水平位移O'P；t點處空間坐標（Nt，Et，Dt），井斜角αt，方位角Φt(即Φ+ΔФ)，設(shè)RH為曲率半徑。

令直線bt的方程為：N=EcotΦt+c，代入t點(Nt，Et)，有：

Nt=EtcotΦt+c

c=Nt-EtcotΦt

直線bt的方程為：

N=EcotΦt+Nt-EtcotΦt

橫向靶前距：

計算水平投影圖上的曲率半徑：

2.4 計算井眼軌道參數(shù)

ΔDbP=LbPcosαP

ΔDtb=ΔDtP-ΔDbP

當Φt＞ΦP時，O點水平坐標：NO=NP-RHsinΦPEO=EP+RHcosΦP

當Φt＜ΦP時，O點水平坐標：NO=NP+RHsinΦPEO=EP-RHcosΦPb點水平坐標：

Nb=NO+RHcosΦO'MEb=EO+RHsinΦO'M

扭方位后，以bM作為穩(wěn)斜調(diào)整段，at為圓弧段，計算圓弧段曲率半徑來判斷是否需要更換鉆具，如圖4所示。

圖4 扭方位-穩(wěn)-增入靶垂直剖面圖

幾何關(guān)系滿足下式：

若Rmin＜R0，先以bM作為穩(wěn)斜調(diào)整段，再通過MN段造斜到αQ，續(xù)以NQ穩(wěn)斜段，一旦發(fā)現(xiàn)油氣顯示立即增斜到αt，從靶點t進入儲層中部，如圖5所示。

圖5 三維井眼著陸軌道垂直剖面圖

欲準確進入儲層中部，需滿足以下關(guān)系式：

式中：δ——入靶點處儲層厚度，m；

α——各點井斜角，（°）；

R——造斜率對應(yīng)的曲率半徑，m。

bM段：

整理，得：

分離LMb,得：

空間坐標變化：

ΔNMb=ΔSMbcosΦtΔEMb=ΔSMbsinΦtΔNNM=ΔSNMcosΦtΔENM=ΔSNMsinΦtΔNQN=ΔSQNcosΦtΔEQN=ΔSQNsinΦtΔNtQ=ΔStQcosΦtΔEtQ=ΔStQsinΦt

設(shè)計結(jié)果見表1。

表1 三維井眼著陸軌道設(shè)計結(jié)果

2.5 軌道姿態(tài)的自動調(diào)整

已知最近兩測點井深L1、L2井斜角α1、α2，方位Φ1、Φ2，則可計算當前鉆具的變井斜能力和變方位能力：Kα、KΦ。

ΔL=L2-L1

將Kα、KΦ與該井段設(shè)定值Kαx、KΦx比較，作差得到ΔKα、ΔKΦ，由控制器計算所需側(cè)向力的大小和方向并下令給偏置執(zhí)行機構(gòu)；偏置執(zhí)行機構(gòu)改變鉆具受力情況后，再次測量Kα、KΦ與該井段設(shè)定值Kαx、KΦx比較，不斷修正至滿足精度要求。其閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖6所示，在圖6中，設(shè)定值與反饋值經(jīng)過比較器比較產(chǎn)生偏差，控制器對偏差進行調(diào)節(jié)計算，產(chǎn)生控制信號驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)，從而合被控參數(shù)，如井斜變化率、方位變化率等達到期望值。將上述連續(xù)控制系統(tǒng)中的比較器和控制器功能用微型計算機實現(xiàn)，就能組成一個微型計算機控制系統(tǒng)。執(zhí)行器即為偏置執(zhí)行機構(gòu)，被控對象為鉆頭，被控參數(shù)為井斜變化率和方位變化率等。

圖6 軌道修正閉環(huán)控制系統(tǒng)

3 結(jié)論

（1）本文提出的三維井眼軌道模型能夠充分反映出智能鉆井的技術(shù)特點和需求，并具有通用性，可廣泛應(yīng)用于斜直井、定向井、水平井的軌道設(shè)計、監(jiān)測及修正設(shè)計。

（2）文中的計算公式在數(shù)學(xué)上都是精確解，適用于設(shè)計由直線段和圓弧段所組成的各種井身剖面，這種新的數(shù)學(xué)模型和設(shè)計方法為智能鉆井技術(shù)的推廣和應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

（3）完全智能鉆井系統(tǒng)是未來水平井鉆井技術(shù)發(fā)展的方向；智能井眼軌道可用于大面積規(guī)則儲層和長條形儲層；通過軌道修正閉環(huán)控制系統(tǒng)，可獲得較好的井身質(zhì)量。

[1]張紹槐.智能油井管在石油勘探開發(fā)中的應(yīng)用與發(fā)展前景[J].石油鉆探技術(shù),2004,32(4):1-4.

[2]王以法.人工智能鉆井實時專家控制系統(tǒng)研究[J].石油學(xué)報,2001（2）:83-86.

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[4]吳克擇,羅肇豐.90年代以來鉆井技術(shù)進展與發(fā)展趨勢[J].西南石油學(xué)院學(xué)報，1997，19(2):89-96.

[5]石崇東,張紹槐.智能鉆柱設(shè)計方案及其應(yīng)用［J］.石油鉆探技術(shù),2004,32（6）:7-11..

[6]石崇東,李琪,張紹槐.智能油田和智能鉆采技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展[J].石油鉆采工藝,2005,27(3):1-4.

[7]劉修善.井眼井眼軌道幾何學(xué)[M].北京:石油工業(yè)出版社，2006：180-18.

TP391

A

1004-5716(2015)06-0015-04

2015-01-21

2015-01-22

國家自然科學(xué)基金重大項目“頁巖油氣高交往開發(fā)基礎(chǔ)理論研究”（編號：51490650）；國家自然科學(xué)基金資助項目“基于熱質(zhì)流耦合的深層欠平平衡鉆井井筒溫度場和壓力場分布規(guī)律研究”（51374077）。

閆鐵（1956-），男（漢族），黑龍江肇州人，教授、博導(dǎo)，現(xiàn)從事油氣井工藝理論與技術(shù)研究工作。