三维定向井实钻井眼轨迹视投影长度的计算

三维井眼一般都绘制垂直剖面图，其难点就是怎样在设计井眼轨道的垂直剖面图上描绘实钻井眼轨迹的剖面线，由于三维井眼设计剖面图是用垂深与投影长度绘制，其实钻井眼轨迹剖面图应该是用垂深和视投影长度绘制。在给出视投影长度基本定义的基础上，推导了其计算公式。计算实例表明，在实际钻井过程中，利用视投影长度绘制三维井眼实钻轨迹的垂直剖面图可以直观地对比实钻井眼轨迹与设计井眼轨道的吻合程度，从而起到较好的指导井眼轨迹预测和控制的作用。     

实钻井眼轨迹监控的自然曲线模型

在实钻井眼轨道监控过程中,绘制井眼轨迹的水平投影图和剖面展开图是一种重要的和常用的图示方法。绘制实钻轨迹剖面图时需要将实钻轨迹投影到设计柱面上。在井眼轨迹曲线为自然曲线模型的假设条件下,得到了实钻投影点的约束方程,并对求解这个约束方程的数值算法进行了研究,提出了解区间搜索结合二分法求解的数值算法。实际算例表明,这种数值算法具有非常好的收敛性态,是求解投影点约束方程的最有效的和最可靠的数值算法。     

基于VB与OpenGL的三维井眼轨迹可视化描述

在石油钻井中,实钻井眼轨迹的计算与描述是井眼轨迹监测的重要环节,也是井眼轨迹控制的基础。通过对测斜数据的处理并结合计算机图形学,可以更直观地显示井眼轨迹的空间形态。在理论研究的基础上,运用Visual Basic 6.0开发了井眼轨迹可视化模块,绘制了井眼轨迹二维投影图,并利用OpenGL在Visual Basic 6.0平台上实现了实钻井眼轨迹三维可视化,并能对井眼轨迹进行缩放、平移、旋转等交互操作,为井眼轨迹的设计和控制方案的制定带来便利。     

基于OPENGL的井眼轨迹三维可视化系统的实现

在定向井和水平井施工过程中,实钻井眼轨迹的计算和描述是钻井工程监测的重要环节,也是井眼轨迹设计控制的基础。井眼轨迹三维可视化系统集成了目前常用的井眼轨迹计算方法,现场可根据需要选择计算方法,计算得到井眼轨迹数据,同时基于OPENGL技术实现了井眼轨迹的三维可视化。现场应用结果表明:该系统井眼轨迹计算快速方便,可满足不同现场和用户的需求,采用OPENGL绘制的三维井眼轨迹可直观地显示井眼轨迹的空间形态,为设计井眼轨迹控制方案提供依据。     

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。     

二维绕障井轨道设计中障碍曲线的计算方法

在设计二维绕障井井眼轨道时,确定实钻井的控制范围是关键环节之一。实钻井的控制范围可以描述为以实钻井眼轨迹为轴线的曲圆台等,其与设计平面的相交部分为实钻井在设计平面上的控制区域。使用局部坐标系与整体坐标系之间坐标变换的方法建立了曲圆台面的曲面参数表达式,并据此推导出了障碍曲线的参数方程,以及井身参数的不等式约束条件。理论分析和实际算例表明,在实钻井眼轨迹与设计平面交角较大的情况下,采用曲圆台模型计算得到的障碍曲线所限定的控制区域比采用直圆柱模型计算得到的障碍椭圆所限定的控制区域略大。在实钻井眼轨迹与设计平面有多个交点时,障碍曲线由多个分支曲线组成,能够更合理地限定实钻井在设计平面上的控制区域,可以使绕障井轨道设计更加合理、可靠。      

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在水平井钻井中，进行水平井造斜段实钻井眼轨迹中靶情况判别和待钻井眼轨迹的设计是非常复杂而又至关重要的问题，它们相互影响，并直接关系着水平井钻井的成败。文中揭示了实钻井眼轨迹和待钻井眼轨迹间的相互关系。首先通过实钻井眼轨迹数据和井下钻具的造斜能力来判别实钻井眼轨迹与原设计井眼轨迹的偏离情况，然后根据偏离的情况来修正待钻井段的井眼轨迹设计，并对待钻井段造斜钻具组合进行判别：当未发生偏离时，不改变原钻具组合，继续钻进；当实钻井眼与原设计轨迹发生偏离时，利用实钻中正在使用的造斜钻具另加一套稳斜钻具可准确钻达水平段的入靶点。这样可充分保证在钻达水平段入靶点时的垂深、水平位移都能达到原设计要求，为水平段在产层内准确钻进打下良好的基础。     

水平井井眼轨迹绘制方法

为描述水平井眼轨迹在地下空间的立体延伸情况，当采用垂直和水平两重深度显示任一解释层段的解释成果时，需要绘制井眼轨迹平面投影图、剖面投影图以及沿井各个方位的投影轨迹。从分析钻井造斜数据的几何和数学关系入手，介绍了模拟井眼轨迹的原理。并编制了相应的模拟软件，对塔河油田TK244H水平井资料井进行了处理，其结果与实钻轨迹完全一致。     

三维井眼轨迹地质导向软件的开发与应用

为了避免丛式井、分支井、定向井(水平井)等复杂井在井眼轨迹设计过程中与其周边邻井井眼轨迹相碰,便于新井眼钻进过程中与设计井眼轨迹实时对比,指导实钻井眼轨迹在储集层内最优化穿行,通过利用井位坐标和井眼轨迹数据建立井眼轨迹三维空间分布模型,依据该模型原理设计开发三维井眼轨迹地质导向软件,实现了以正钻井井眼轨迹坐标为中心,自动绘制出正钻井实时井眼轨迹和设计井眼轨迹,由于同时可将该井周边的多口邻井井眼轨迹导入到该坐标系中,从而在设计上解决了多井眼之间防碰问题,在实际钻进过程中依据提供的井眼轨迹三维空间分布模型,可更好地展现地质导向的实时应用效果。该软件在Y 12-P水平井与LP 3丛式井的应用表明,三维井眼轨迹地质导向软件应用效果突出。     

用法面方程计算靶心距

各类定向井随着我国石油工业的发展与日俱增。控制与考核定向井的实钻井眼轨迹是否在设计井眼的目标靶区内,沿用的考核方法是以相同垂深为特征的二维水平位移计算方法。在定向井井斜增大,绕障井、待钻井方位扭转形成井斜、方位角较大变化时,对目标靶区形状规定要求多样化及防碰、扫描的要求,原来的二维水平位移计算就不适应,误差也愈来愈大。尤其是水平井的实钻井眼轨迹往往很难做到与所设计的井眼目标靶区是在相同垂深的水平面上。若水平井的实钻井眼轨迹与设计井眼平行时,水平位移将不能求出。且水平井的目标靶区总是垂直于设计井眼(即法面上)。为此,本文根据解析几何原理,在具备实钻井眼测量数据的基础上,用法面方程求出其在设计井眼上各目标靶区,即三维法面上穿靶点(交点)的参数。以此算出各靶点间靶心距。本法也适用于直井或定向井降斜成直井时,因为直井(段)的法面是在设计井眼垂深的水平面上。     

涪陵页岩气田三维水平井轨道优化设计方法探讨

为了降低涪陵页岩气田三维水平井的施工难度,保障三维水平井安全高效钻进,提出了三维水平井轨道为"直井段—增斜段—稳斜段—稳斜扭方位段—稳斜段—增斜段—水平段"七段式的优化设计方法。首先根据井眼轨道的水平投影和垂直剖面建立轨道设计模型,再预设稳斜角和造斜方位角求解轨道设计模型,最后以轨道总长度最短为目标优选轨道。该方法将常规三维五段式轨道中增斜扭方位的第二个圆弧井段分为稳斜扭方位井段与铅垂面上的增斜井段进行设计,即先扭方位对准靶点方位再增斜中靶,以避免在极为关键的中靶阶段同时进行增斜与扭方位作业,降低中靶难度。采用该方法对已完钻井焦页14-3HF井重新进行轨道设计,并将设计结果与原设计轨道及实钻轨迹进行了对比,发现新设计的轨道与实钻轨迹更贴近,该井实钻时为降低施工难度就是先扭方位对准靶点方位再增斜中靶的,这表明该三维水平井轨道优化设计方法更适用于涪陵页岩气田三维水平井的轨道设计与现场施工。      

基于测量工具的U型水平井井身剖面设计

为实现2口水平井的精确连通,引入了磁场测距导向工具,开展了U型水平井井身剖面设计方法研究。在对井眼轨迹不确定性分析过程中,引入了合成误差圆。通过对比合成误差圆直径与磁场测距导向工具测距范围的大小,得到2种磁场测距导向工具的使用时机。根据磁场测距导向工具的选择使用情况以及测量特点,设计了相应的井身剖面。额外延伸部分为剖面设计的关键所在,根据测距范围给出了其精确的计算公式。通过实例验证可以看出此剖面设计是合理的。U型水平井的井身剖面设计体现了钻井设计与控制一体化,对今后的深入研究和实践具有参考意义。     

华北油田雁63断块丛式井快速钻井技术

随着定向井技术的不断完善,丛式井钻井技术现已在国内各大油田广泛应用。华北油田雁63断块根据地质构造特征采用了定向丛式井开发,井眼采用五段制井眼轨道设计剖面,该区块布井多,井网密,整拖距离5 m,上直段并行井段长,井间碰撞因素较多,钻井施工过程中绕障难度大,对井眼轨迹控制和监测技术要求高。针对华北油田雁63断块丛式井特点在实钻过程中采用了定向剖面优化设计,MWD无线随钻定向与监测,及时调整井眼轨迹,保证了井眼轨迹的规则,减少了后期采油杆管的偏磨效应,施工过程中通过优化钻井参数、简化钻具结构、严格控制轨迹、优化钻井液体系等技术措施实现了安全快速钻井。     

页岩气田压裂区加密调整井绕障轨道优化设计方法

在页岩气丛式水平井设计中，针对压裂区的加密调整井井眼轨道设计需要考虑绕开已钻井压裂段影响域及压裂段影响域之间互相干扰等问题。为了快速评估加密调整井压裂段井眼轨道设计方案的合理性，运用矢量代数方法对页岩气压裂区障碍物进行了几何建模，该几何模型考虑了压裂裂缝影响域；然后根据所建立的障碍物几何模型，建立了以设计轨道总长度最短、轨道势能最小为优化目标，以轨道间防碰为约束条件的页岩气压裂区绕障轨道优化设计模型，并给出了判断页岩气压裂段影响域之间是否存在干扰的几何校核方法；最后依据四川盆地涪陵页岩气田现场实钻数据，对所建立的设计模型进行了验证。研究结果表明：①在压裂区，忽略压裂影响域的障碍物尺寸会被严重低估；②忽略压裂影响域，所设计出的绕障轨道可以避开老井的井眼轨迹，但是有可能会与已钻井的压裂影响域相交，进而引发钻井事故。结论认为，所建立的页岩气压裂区绕障轨道优化设计模型能够满足防碰绕障约束的要求，相应的设计计算避免了繁琐的试算和校核，并且能够实现井眼轨道设计总长度和轨道势能达到最小值的优化目标。     

邻井间最近距离扫描的快速算法

在钻井轨道设计、井间防碰计算、实钻轨迹监控等问题中，邻井之间的最近距离计算有很重要的意义。目前最近距离扫描算法使用迭代法来计算最近距离点，计算量较大，迭代算法的收敛性对扫描算法的整体性能有较大的影响。推导了点到线段和圆弧最近距离点的解析计算公式，使用该公式替换常规扫描算法中的迭代计算过程，得到了一个快速扫描算法，该算法的总计算量一般比常规算法低一个数量级，并且有非常好的收敛性能。该快速扫描算法只适用于井段曲线为直线段和圆弧的情形。     

多控制点水平井靶体参数的计算

石油天然气行业标准中只规定了两种水平井靶型：二维铅垂靶和三维铅垂靶，这远远不能满足水平井钻井设计等工作的实际需要。为了适应更加复杂的地质和工程上的需要，近年来更多采用拱形水平井或阶梯水平井靶区。为此，介绍了由多个关键点控制的水平井三维靶体的数学模型，给出了靶窗平面方程、靶体轴线上任意点的横向偏差和纵向偏差以及靶窗局部坐标变换等靶体参数的基础计算公式；并对描述实钻轨迹与水平井靶体的偏差的方法进行了探讨，建立了一个归一化实钻偏差模型。该模型用归一化正方形中的一条连续平面曲线直观地描述实钻轨迹与靶体轴线的距离和位置关系，可应用于水平井井眼轨道设计、井身质量评价、实钻轨迹控制等。     

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。     

泥页岩水化对气体钻井井壁稳定性影响规律研究

气体钻井钻遇地层水后，井壁岩石力学特征变得复杂，给钻井施工带来较大的安全威胁。从泥页岩水化机理着手，通过实验和理论计算方法，对气体钻井过程中泥页岩水化对井周岩石力学参数的影响规律进行分析研究，给出地层出水条件下泥页岩井段井壁稳定性分析评价方法，结合工程地质特征，对川西特殊复杂地层出水情况下气体钻井井壁稳定性进行定量评价。分析结果表明，由于川西地区中浅～中深井段泥页岩层段较多，且地层水丰富，气体钻井过程中井壁容易发生失稳破坏。因此在气体钻井过程中，应充分认识待钻井段地层出水情况和泥页岩地层的纵向分布规律。     

圆柱靶小半径三维绕障定向井钻井技术在萨中区块的应用

大庆油田萨中区块井网密集,为确保新钻调整井轨迹躲避老井,使定向井井眼轨迹精准命中目的层,要求钻小半径、圆柱靶区定向井。通过对剖面设计优化、钻具组合的优化、总结不同区块的地层对井眼轨迹的影响规律等一系列措施,建立起了一套较为完善的圆柱靶、小半径三维绕障定向井钻井技术,并取得了较好的钻井效果。