圆柱拟合法在描述斜井空间形态中的应用

应用圆柱拟合方法建立了斜井抛物线剖面空间曲线的参数方程,给出了井眼曲率及挠率的计算公式。文中从微分几何原理出发,证明了不存在Lubinski提出的"狗腿用平面",因而过去以此为基础的井下钻具组合和套管扶正器的三维分析都不是精确解。并指出,目前各种井眼曲率计算方法都是近似的,都低估了井眼实际弯曲的严重程度。为提高井眼质量,建议在制定技术法规时,严格控制斜井的方位漂移率。最后建议在水平井及斜井的有关技术文件中,增加一幅井眼空间轨迹的立体图,以便给钻井作业者和采油作业者一个形象的、生动逼真的井眼轨迹的空间形态。     

井眼轨迹的平均井眼曲率计算

井眼曲率作为衡量工具造斜能力和评价井身质量的重要指标之一,对实现安全、快速、高效钻井具有重要意义。井眼轨迹上任意点处井眼曲率可以精确计算,但是在现场施工过程中,钻井工程师更为关注的是测量井段内的平均井眼曲率,而不是各离散测点处的井眼曲率。为此,系统地阐述了4种弯曲角计算公式的来源,并指出其中的2种计算公式是完全等价的,而另外2种是近似计算公式。在此基础上,通过典型的井眼轨迹模型,对2种计算方法进行了理论分析和算例验证,推荐出了测量井段内平均井眼曲率的计算方法,该方法完全符合井眼轨迹的空间圆弧模型,可以得到其精确的平均井眼曲率,同时对于其它的井眼轨迹模型,在理论分析和计算结果上都显示出了很好的科学性及合理性。     

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井眼曲率（全角变化率、狗腿度）是用来衡量井身质量的一个重要的现行标准。采用圆柱拟合方法首次建立了斜井井眼曲线的参数方程，应用微分几何原理获得了井眼曲率和挠率的新计算公式，并证明了同一测段井眼曲线上各曲率是不相同的。文中从各个侧面论述了“狗腿角平面”只是一个假想平面，指出使用的Ｌｕｂｉｎｓｋｉ公式进行的三维分析，只在井斜角和方位角变化很小时才是正确的。对井眼曲线空间形态的数学描述及其结论，能有效地指导斜井和水平井的剖面设计，弯曲井段的套管强度设计，以及井下组合钻具和套管扶正器的三维分析     

实钻井眼轨迹的客观描述与计算

通过研究井眼轨迹上某测点邻近的结构形状及其变化规律,得到了测段内井眼轨迹的一般性方程,从而可以客观地描述和计算实钻井眼轨迹。研究结果表明:井眼轨迹上某点的井眼曲率和井眼挠率决定了邻近区域内井眼轨迹的空间形状,其局部三维坐标可分别表示为曲线长度的一次、二次和三次函数。为了确定井眼曲率和井眼挠率,在充分阐述其理论依据的基础上构造出了井眼样条函数,给出了井斜函数和方位函数的模拟方法以及井眼轨迹参数的计算公式。利用井眼轨迹结构参数来描述和计算井眼轨迹更具有普遍性,而且具有很高的计算精度和稳定性,可以客观地描述出井眼轨迹的实际形状。     

圆柱螺线法中井眼曲率的计算

圆柱螺线法是井眼轨道设计和实钻井眼轨迹计算中最常用的方法，目前常使用近似公式计算圆柱螺线型井眼轨道的平均井眼曲率。推导了圆柱螺线型井眼轨迹的井眼曲率和平均井眼曲率的精确计算公式。通过数学实验方法对行业标准公式和刘修善公式相对于圆柱螺线型井眼轨迹真实平均井眼曲率的偏差进行了研究，得到了偏差的统计规律：偏差随井段井斜角、方位角差值而增大；对于行业标准公式，井斜角差值是产生偏差的主要影响因素；对于刘修善公式，方位角差值是产生偏差的主要影响因素；行业标准公式和刘修善公式只适用于井斜角、方位角差值较小的情形。     

空间圆弧轨迹的解析描述技术

空间圆弧作为一种典型的井眼轨迹组件,广泛应用于三维井眼轨道设计、实钻轨迹监测和滑动导向钻井轨迹控制等领域。分别基于井眼曲率及初始工具面角和井段两端点的基本轨迹参数来表征空间圆弧轨迹的形状和摆放姿态,建立了空间圆弧轨迹的两种描述方法即坐标转换法和矢量分析法,提出了两套空间圆弧轨迹参数的计算公式。这些计算公式在数学上是精确解,可计算空间圆弧轨迹上任一点的井斜角、方位角、空间坐标、工具面角、定向方位角等参数,并且它们都是井深或弯曲角的单值解析函数。对空间圆弧轨迹模型进行了系统地描述,形成了普遍适用的井眼轨迹内、外插值计算方法,可直接用于计算井眼轨迹的分点参数、外推预测井眼轨迹等,具有形式简明、方法实用等特点。此外,应用此研究成果,还可简化三维井眼轨道设计、邻井防碰扫描等设计与计算方法。应用实例验证了研究结果的科学性和适用性。     

井眼轨迹的弯曲与扭转问题研究

井眼轨迹的空间挠曲形态对井下管柱（钻柱、套管、油管、抽油杆等）的受力和变形将产生重要影响,是研究井下管柱摩阻及强度校核的基础,也是衡量井身质量的重要指标。通过建立井眼轨迹的活动标架及其基本方程,把活动标架与井眼轨迹方程联系起来,提出利用活动标架来描述井眼轨迹空间形态的研究思想和方法。从运动学的角度,研究了活动标架沿井眼轨迹的运动规律,得到了井眼曲率和井眼挠率的运动学意义,从而揭示了井眼轨迹参数之间的内在关系和基本特征。在此基础上,验证了A．Lubinski和G．J．Wilson关于井眼弯曲问题的研究结果,提出了计算井眼挠率的一般性公式及其典型井眼轨迹模型的简化公式。     

圆柱螺线法中井眼曲率的计算

圆柱螺线法是井眼轨道设计和实钻井眼轨迹计算中最常用的方法,目前常使用近似公式计算圆柱螺线型井眼轨道的平均井眼曲率。推导了圆柱螺线型井眼轨迹的井眼曲率和平均井眼曲率的精确计算公式。通过数学实验方法对行业标准公式和刘修善公式相对于圆柱螺线型井眼轨迹真实平均井眼曲率的偏差进行了研究,得到了偏差的统计规律:偏差随井段井斜角、方位角差值而增大;对于行业标准公式,井斜角差值是产生偏差的主要影响因素;对于刘修善公式,方位角差值是产生偏差的主要影响因素;行业标准公式和刘修善公式只适用于井斜角、方位角差值较小的情形。     

最小曲率法测斜计算中的数值方法

最小曲率法是测斜计算、井眼轨道设计中最常用的方法之一,在井眼轨迹计算中有广泛的应用。本文研究了最小曲率法计算机数值计算中的几个细节问题,给出了零井斜角测点的方位角定义,阐述了零井斜角测点方位角的二义性。分析了坐标增量计算过程,给出了减小三角函数计算次数的算法。对小弯曲角情形的坐标计算使用高精度近似公式代替容易产生除法溢出的直接计算,提高了计算过程的稳定性和计算精度。对水平投影长度的计算给出了使用Gauss数值积分法的精确计算方法。本文提出的方法可以用于使用最小曲率法时的井眼轨道计算的计算机软件开发,提高计算机软件的计算稳定性和计算精度。对涉及井眼轨迹计算的其他实际问题如定向井中靶分析预测、井眼轨迹控制、井身质量检查等都有一定的参考价值。     

青西油田深井定向钻井技术

针对青西油田深井定向钻井过程中存在的直井段易井斜、定向造斜段钻速低、井眼轨迹控制难度大等问题,开展了复杂深井井眼轨迹控制与提速技术研究。通过分析区域地质特征、钻井难点等,主要从斜井段井眼轨迹控制与钻井提速等方面进行技术研究并制订了技术方案:在定向稳斜段采用扭力冲击器进行了提速试验,优选中低转速大功率螺杆配合抗冲击、抗研磨性强的螺旋5刀翼PDC钻头和高精度MWD无线随钻测量仪器进行井眼轨迹控制与提速。该技术在现场应用4口井,在满足井眼轨迹控制要求的情况下,斜井段平均机械钻速比采用常规技术提高了74.65%;斜井段最短定向工期达到59.00 d,平均定向工期89.79 d,比采用常规技术缩短了45.88%。研究表明,高效PDC钻头、中低速大扭矩螺杆钻具、MWD测量系统及扭力冲击器的配套技术,在青西油田深井定向钻井井眼轨迹控制与提速方面效果良好,值得在该地区推广应用。      

利用加权法来判断地层出砂选择完井方法

以前在考虑产层出砂问题上,通常只考虑到某一方面或只采取一种方法来判断产层出砂,这样的方法具有片面性,不能精确地预测产层出砂情况。提出了一种全新的利用加权法来判别地层的出砂情况,综合考虑岩心观察、DST测试、临井状态、声波时差法、斯伦贝谢比法、组合模量法、井壁力学稳定性、力学计算“C”公式法等多种判断方法来判断产层出砂情况,消除了片面性,使判别结果更合理,更符合现场实际应用。方法还可用于垂直井、水平井以及任意角度的斜井,具有通用性。     

斜井与水平井双侧向测井响应的影响因素分析

在直井中,双侧向测井仪所发出的电流面与地层裂缝面之间的夹角,等于地层中裂缝面的倾角。对于水平井和斜井而言,该夹角不等于地层裂缝倾角。由于对双侧向测井响应产生影响的是该夹角,不是地层中的裂缝倾角,所以水平井和斜井的双侧向测井响应可能会出现"假象"。本文得出这两角之间的联系,进而阐明水平井和斜井的双侧向测井曲线响应有时会出现"假象"的原因,并且认为仅根据水平井和斜井的测井响应无法判断裂缝倾角范围,还需要结合其他测井资料。     

大位移井减阻工具合理安放位置研究

大位移井技术因其具有巨大经济效益并能够满足特殊作业的目的而得以迅速推广应用，但水平井段摩阻扭矩又成为了制约大位移井推广应用的关键因素。为了减少大位移井摩阻扭矩的目的，首先根据用测斜数据，应用3次样条函数拟合井眼轨迹。将多维井段装有减阻工具套管柱作为类连续梁，并考虑弯曲载荷的影响，综合考虑了井斜角、方位角以及套管柱自身几何参数等多因素对套管柱挠曲变形综合影响，以此建立大位移井不同井段套管柱力学模型，完善了部分国外学者计算套管柱挠度“软模型”的不足；进而给出了优化大位移井减阻工具合理安放位置理论计算方法。     

靖平2井钻井技术

靖平2井是长庆石油勘探局独立完成的第1口水平井,由于该井优化井身结构,简化施工程序,造斜点低,靶前距短,水平段长,施工难度大,因此采用了防斜快钻技术。详细介绍了靖平2井的地质情况与井眼轨迹设计,斜井段轨迹控制方面的难点、要求和措施,给出了取得的技术成果和几点建议。     

射孔完井方式下大位移井压裂裂缝起裂压力研究

压裂改造技术是实现大位移井经济高效开采的重要技术手段。大位移井压裂裂缝的起裂位置、裂缝初始方位和起裂压力是影响压裂施工成败和压裂效果的重要因素，近年来国内外对斜井和水平井的裂缝起裂机理研究较多，但对大位移井在射孔完井方式下的裂缝起裂研究未见报道。大位移井筒周围岩石实际受力状态非常复杂，裂缝起裂方向与最终扩展方向不尽相同，目前使用斜井或水平井甚至直井的破裂压力计算公式来设计计算偏差很大。文章利用广义平面应变理论和多孔弹性理论，综合考虑了孔隙度、孔隙压力和岩石抗张强度对压裂裂缝起裂的影响，基于两孔相交应力集中的力学模型建立了射孔完井方式下大位移井井壁处的应力场及起裂判断依据，获得了大位移井压裂缝起裂压力。将垂直井和水平井作为特例，所提供的大位移井压裂缝起裂压力通过数学简化，与文献公布的垂直井和水平井起裂压力计算公式完全一致。     

水平井泵挂加深方法研究与应用

为了避免油井抽油杆偏磨,水平井抽油泵主要下在直井段,然而抽油泵普遍存在下泵浅,油井产能无法发挥的问题。为此,开展水平井抽油泵泵挂加深方法研究非常必要。通过理论计算井斜角与凡尔关闭时间,确定抽油泵泵深对井斜角的适应性。通过理论计算给出水平井抽油杆扶正器优化结果,为水平井防止偏磨措施提供了理论支撑。通过开展导向泵试验和常规泵加深试验,降低了井底流压,有效提高了试验井产量,共创经济效益199.1万元。     

水平井钻柱动态摩阻扭矩计算与分析

国内近年的页岩气开采水平井井型主要有常规水平井、大斜度井和勺型水平井,为便于施工决策,有必要对上述3种井型的摩阻扭矩特性、钻压传递效率、重点关注井段或环节、极限延伸钻进长度等进行研究。为此,以上述3种水平井井型为分析对象,基于全井钻柱动力学模型和全井钻柱系统动态特性仿真计算,探究了其摩阻扭矩、载荷传递和延伸钻进情况,并在四川盆地长宁地区的3口对应井型页岩气井进行了现场应用实验。研究结果表明:(1)勺型水平井造斜段后半段的接触摩擦强度很高,造斜段后段接触强度是稳斜段接触强度的1.67倍,造斜段的总接触力是大斜度水平井的1.62倍;(2)大斜度水平井稳斜段的接触摩擦强度不仅高于造斜段,而且也高于相同井深的3种井型中的任一特征段;(3)3种井型延伸钻进中钻柱的工作应力都不大,但对于勺型水平井的弯曲段,延伸钻进时还需要重点关注稳斜段钻柱的扭断问题;(4)勺型水平井的钻压传递效率低于常规水平井和大斜度井。结论认为,该研究成果初步揭示了3种页岩气水平井井型的摩阻扭矩特性和主动载荷传递机理,指出了安全评估重点关注井段,对页岩气水平井的高效安全施工具有参考价值。     

斜井多井系统中一口井压力降落曲线试井分析

本文提出一套斜井多井系统中单井测试曲线的试井分析方法,其中包括任意倾斜角度、任意变化产量、任意排列形式的任意多口斜井的多井系统压力响应的算法和适合于斜井多井系统多解特征的求解试井参数的非线性规划算法。两种算法都通过算例得到了验证该计算方法简单明了,计算率和计算精度可靠。     

大斜度井举升泵下入通过性计算

大斜度井、水平井机采方式选择首先要考虑的问题是井下举升泵能否通过造斜段。大斜度井可供选择的下泵位置有在垂直段安装,在造斜段安装、在稳斜段安装、在分支鼠洞井眼安装。给出了大斜度井、水平井举升泵通过性评判准则及计算方法,以电动潜油离心泵为例进行了不同狗腿度下通过性的计算。现场实践表明,该计算方法是可行的。