极限曲率法及其应用

水平井井眼轨道预测和控制问题的技术关键是准确计算各种造斜工具的造斜能力.在综合分析定向井轨道预测方法和水平井预测控制特点的基础上,提出了一种计算导向动力钻具和各种转盘钻钻具组合造斜能力的新方法——“极限曲率法”,并对国际上当前流行的“三点定圆法”及极限曲率法作了讨论和对比;给出了极限曲率法在计算工具造斜能力和工具选型、系列工具的总体设计和井眼轨道的预测控制这三方面的应用实例,表明该方法是一种与实践相符程度较高、实用性较好的新方法.     

考虑地层方位漂移特性的定向井轨道设计方法

按照地层划分方位漂移规律进行了定向井轨道设计,建立了井眼轨道的自然曲线模型,给出了更为简洁的井眼轨道数学模型。分析了井斜单元和方位单元之间的耦合关系,得到了计算单元的划分方法。论述了定向井和水平井方位漂移轨道设计的特点,提出了约束方程和设计方法。解决了按地层划分方位漂移规律的井眼轨道设计问题,适用于各种定向井和水平井的漂移轨道设计。定向井和水平井的设计实例验证了该设计方法的科学性和实用性。     

三维井眼轨道设计模型及其精确解

合理的井眼轨道设计是成功控制井眼轨道的关键.准确、快速、合理地设计多约条件下的三维井眼轨道是人们期待解决的问题.文中建立了给定目标点位置和井眼方向的三维轨道设计的一般数学模型,利用矢量分析理论得到了约束变量间的解析表达式和井眼轨道计算式.这种方法避免了求解多维非线性方程组,设计计算简单、精确.应用该模型成功地解决了复杂的多约束条件下的三维井眼轨道设计这一难题,具有普遍适用性,可广泛用于设计各种类型的水平井、定向井和多目标井,为井眼轨道控制提供了更为准确的理论依据.     

定向井轨道设计与轨迹控制技术探讨

定向井钻井技术主要按照预先设计的轨道与井斜钻进至目的储层,该技术对于河流湖泊、海洋、森林等复杂地形的油气藏开发尤为适用,运用该技术时必须保证其轨道设计与控制的准确性,笔者结合工作实际及国内外相关研究成果,对定向井井眼轨道设计及轨迹控制进行了系统研究。     

给定井眼方向的修正轨道设计方法

在定向钻进过程中,井眼方向及其变化规律是井眼轨道监测与控制的关键参数.修正轨道设计作为井眼轨道监控的重要组成部分,对修正设计目标点的井眼方向往往有一定的要求.根据定向钻井工艺技术的特点,本文构造出了具有两个圆弧段和一个直线段的三段式剖面,从而解决了给定井眼方向条件下的修正轨道设计问题,为井眼轨道的有效监控奠定了基础.本文的设计方法避开了求解约束方程组,使得求解过程是一致收敛的,并且所有计算公式在理论上都是精确解,因此其普适性、精确性、稳定性和收敛性得到了保证,可广泛应用于定向井、水平井、大位移井、多目标井的修正轨道设计.     

定向井钻井工艺技术探讨

定向井钻井技术已经是国内外各大油田应用的常规钻井技术之一,在定向井钻井工艺技术中,首先需要了解定向井的分类,然后对定向井轨道设计中的相关问题进行知晓,最后对定向井井眼轨迹控制中不同井段的控制原则进行探讨,这样才能保证定向井顺利钻达目标点,实现安全、快速与高效钻井。     

基于智能钻井的二维井眼轨道设计及修正方法

完全智能钻井系统是未来定向钻井技术的发展方向,其井下系统可以智能识别储层情况,在地面预测出现较大误差时,能够自动设计相应的井眼轨道完成精确中靶的施工目标。在能够获取实际地质信息的前提下,对于存在埋深误差的大面积储层,设计了二维智能井眼轨道。设计的轨道修正闭环控制系统,能有效控制井眼轨迹与设计轨道的符合率。提出的二维井眼轨道模型能够充分反映出智能钻井的技术特点和需求,并具有通用性,可广泛应用于斜直井、定向井、水平井的轨道设计、监测及修正设计,这种新的数学模型和设计方法为智能钻井技术的推广和应用奠定了基础。     

定向井井眼轨道的最优化设计方法

针对定向井、侧钻井井眼轨道的常见类型给出了不同的优化数学模型，分析了计算过程，并给出了应用实例。理论与实践证明，用最优化设计方法得到的定向井井眼轨道可实现最短路径钻达靶点，井眼光滑，摩阻力小，是提高钻速、降低钻井成本的最优方案。     

旋转导向钻井轨道设计及监测方法

井眼轨道的设计与监测技术一直是定向钻井中的研究热点.为了描述和计算井眼轨道,须建立一定的数学模型,目前国内外普遍采用的井眼轨道模型是圆柱螺线模型和空间圆弧模型.然而,井眼轨道监控中的核心参数是井斜变化率和方位变化率,但以往的井眼轨道模型却不能直接反映出对它们的需求.针对旋转导向钻井的特点,提出了一种具有通用性的三维井眼轨道模型.该模型适用于由直线段和圆弧段所组成的各种井身剖面,可广泛应用于斜直井、定向井、水平井、大位移井的设计与监测.     

定向井钻井轨迹控制探讨

井眼轨迹控制是伴随定向井的产生而产生的,井眼轨迹控制的好坏直接关系到定向井能够顺利中靶,实现地质目标的需求,以五段制定向井为例对定向井钻井中直井段、增斜段、稳斜段和降斜段的井眼轨迹控制进行了深入探讨,对定向井施工人员具有一定的指导意义。     

用纵横弯曲法对弯接头——井下动力钻具组合的三维分析

对弯接头-井下动力钻具组合进行三维分析,可确定钻头上的变井斜力和变方位力,以满足对定向井井眼轨道进行定量预测和控制的需要,本文用纵横弯曲法建立了弯接头——井下动力钻具组合的力学模型,提出了关于连续条件的一般命题和处理弯接头弯角的两种等效方法,提出了等效钻铤假设并用力学实验方法确定动力钻具的等效抗弯刚度,推导了装置角为任意值时的计算弯角公式,建立了在三维井身条件下弯接头-井下动力钻具组合受力分析的普遍方程以及在一维、二维分析中的简化形式.这些结果可用来定量计算各种带有动力钻具的井底组合在各种井身条件下的钻头变井斜力和变方位力、钻头倾角、各点挠度、支点处内弯矩和转角值等.本文进一步分析了钻具结构参数、井身几何参数和工艺操作参数对钻头侧向力的影响,其中影响最大的是下部组合长度、弯角和装置角.现场验证证实了上述理论分析的正确性.     

最小二乘法在定向钻进中的数据拟合

定向钻进成功的关键在于按设计要求,较好地控制预定井段的井斜角和方位角。而目前使用的计算方法不能快速准确地预测井底轨迹参数。通过对井斜角、方位角、造斜率、井段长与造斜工具角的数据分析,采用最小二乘法原理,拟合出快速计算井底井斜角和方位角计算公式。结合实例,与通用定向井计算公式相比,井斜角最大误差为-0.036°,方位角最大误差为+0.02°。该计算式只涉及到初始角、井段长、钻具造斜率及定向工具角,且计算精度高,现场应用较为方便,提高了井底轨迹预测速度和防止定向钻进失误率,可指导定向钻井现场快速准确地预测井底参数。     

滑动钻进造斜率预测与分析

滑动钻进工况下造斜率的准确预测是钻井工程面临的难点问题。首先利用加权余量法,建立了导向钻具组合的三维力学模型,得到了滑动钻进过程下钻头机械载荷及导向钻具组合的摩阻分布;其次考虑滑动钻进过程中工具的造斜特性,建立了零侧向钻速准则下的滑动钻进造斜率预测模型及折算系数反演方法;最后利用一口页岩气水平井钻井数据,反演计算了该井造斜率折算系数,验证了滑动钻进造斜率预测模型的精度,并分析了钻井参数、轨迹参数、钻头切削特性、工具结构等对工具造斜率和摩阻的影响规律。研究结果表明:滑动导向模式下,通过适当增加工具结构弯角、降低钻压、提高钻头侧向切削能力等,有利于发挥工具的造斜性能,提高滑动钻进效率,为导向钻井参数优化、工具结构优化设计及井眼轨迹控制等提供重要依据。     

控制定向装置方位角进行定向钻井实践

在定向钻井过程中,为了能顺利中靶,就需要不断控制定向装置修正井眼轨迹。但在实际定向井操作中,现场工程师通常使用如弯接头等的简单定向装置进行较长距离定向钻井,主要凭经验控制装置角,仅有一个可行范围,造成了实践中影响到轨迹调整速度,需要多次修正后才能获得所要的井斜角和方位角。文中将讨论一种方法,只通过控制定向装置的方位角进行定向井实践,并给出一个最优的定向装置的方位角计算方法,即通过当前定向点的井斜角和方位角方向至靶点所在水平面得到的矢量一和当前定向点至靶点得到的矢量二,由矢量二减矢量一后得到新矢量在水平面的投影方向确定定向装置的方位角,然后利用该方位角进行定向井操作。通过理论和实践,证明该方法不论在增斜或降斜模式都能够快速、稳定改变井眼方位,顺利中靶,简单、实用。     

下部钻具组合上切点的位置确定方法

下部钻具组合的上切点始终处于井眼底边这一假设条件,并不适用于下部钻具组合静力学分析的所有情况。基于建立的适用于下部钻具组合静力学分析的三维坐标系及其变换关系,提出了描述井壁上上切点位置的方法;根据最小势能原理,提出了一种确定上切点位置的迭代计算方法;以光钻铤钻具组合为例,讨论了井眼几何参数与钻井参数对上切点位置及钻头侧向力的影响规律。结果表明:在二维问题的力学分析中,当钻头处井斜角很小、井眼的井斜变化率很大时,下部钻具组合的上切点将有可能处于井眼的高边;与对上切段长度的影响相比,井斜方位变化率对上切点井壁方位角的影响更大;与对钻头井斜力的影响相比,井斜方位变化率对钻头方位力的影响更大;钻压和钻头扭矩对上切点位置及钻头侧向力的影响都很小。      

定向井设计的新方法及其应用

如何利用漂移规律来控制方位,是一项重要的研究课题。本文根据方位漂移的基本特征,提出了三维定向井设计的新方法。在井眼轨道的描述模型、设计方法和设计结果等方面,它与常规的二维剖面设计存在着显著的差异。该方法可以确定出定向方位等参数,并给出漂移轨道的实际描述,从而为钻井实践提供真正意义上的理论指导。通过理论分析、计算机计算和设计实例验证了该方法适用于各种圆弧形定向井剖面。     

静态推靠式旋转导向工具造斜率预测分析

旋转导向钻井技术是目前钻井工程技术领域研究的热点之一。为准确认识静态推靠式旋转导向工具在给定导向力等钻进参数作用下的造斜能力,根据工具导向特点,对翼肋推靠井壁进行受力分析,考虑翼肋随非旋转套转动时所受的切向阻力作用,修正了翼肋导向合力计算模型;在钻进趋势预测模型的基础上,进一步建立了推靠式旋转导向工具造斜率预测方法。通过采用纵横弯曲梁法求解静态推靠式旋转导向底部钻具组合钻头力学特性,并考虑钻头切削各向异性指数,编程实现了静态推靠式旋转导向工具造斜率的定量预测计算。与现场试验数据对比发现:建立的造斜率预测误差在±0.5°以内,方位变化率预测值较不考虑翼肋与井壁间摩擦时更加符合实际方位变化率,预测结果与实钻井眼轨迹数据的对比验证了造斜率预测方法的合理可行性,为下一步进行井眼轨迹调控指令的准确制定提供了依据。     

定向井柔性防卡钻具组合及应用

通过对带１２７ｍｍ加重钻杆的柔性防卡钻具组合进行受力分析、计算，得出了钻压以及１９５ｍｍ方接头棱中心距钻头底部距离与井斜、方位变化率之间的定性关系。大庆油田３口定向井的现场试验表明，该钻具组合既满足了井眼轨道控制要求又达到防卡的目的。