空间圆弧轨迹的矢量描述技术

为了简化空间圆弧轨迹上任一点井身参数的计算公式,对空间圆弧模型的矢量描述方法进行了研究。以矢量代数为基本的数学工具,从圆弧的基本数学属性和装置角的定义出发,建立了空间圆弧轨迹的矢量描述法。推导出了两套空间圆弧轨迹上任一点的井眼方向矢量、圆弧内法线矢量、矢径等矢量的计算公式,和井斜角、方位角、装置角、定向方位角等参数的计算公式。其中一套公式以圆弧曲率和初始装置角为基本参数,另一套公式以井段两端的井深、井斜角、方位角为基本参数。提出了同时使用装置角的正弦值和余弦值来正确计算装置角的新规则。研究结果表明,提出的新计算公式不仅形式上更加简洁,具有几何直观性,而且可以极大地简化井眼轨迹监控、中靶分析、邻井防碰等计算问题的理论公式推导过程;在软件开发中更易于编程实现,便于代码维护。     

平均井眼曲率的计算

从微分几何学出发,给出了平均井眼曲率的严格数学定义,推导了圆弧、圆柱螺线、自然曲线等常用井段曲线的平均井眼曲率的解析计算公式。使用数值试验方法对四个平均井眼曲率计算公式进行了对比研究,结果表明：按照行业标准推荐的公式计算出的平均井眼曲率在井斜角和方位角的很大范围内与圆柱螺线和自然曲线的理论平均井眼曲率都很接近,与圆弧的理论平均井眼曲率相差较大。当井段端点方位相差比较小时,行业标准推荐公式计算出的平均井眼曲率与圆弧、圆柱螺线和自然曲线的理论平均井眼曲率在井斜角的大范围内都很接近。在没有井眼轨迹曲线类型的先验信息的情况下,行业标准推荐公式是一个比较好的近似计算公式。     

空间圆弧轨迹的井斜演化规律及控制模式

建立空间圆弧轨迹的井斜方程,得到空间圆弧轨迹所在斜平面姿态、空间圆弧轨迹井斜角极值等求解方法,揭示空间圆弧轨迹的井斜演化规律及控制模式。可分别由正演模型和反演模型计算出空间圆弧轨迹上任一点的井斜角和方位角、斜平面姿态的倾斜角和倾斜方位角以及轨迹井斜角极值点参数,正演模型和反演模型的计算结果完全相同。空间圆弧轨迹或其趋势线存在井斜角极值点,极小和极大井斜角点的井眼轨迹切线分别指向所在斜平面的下倾和上倾方向,两个极值点的弯曲角和方位角均相差180°。斜平面姿态参数、井斜角极值点参数与井段始点的井斜角和工具面角有关,与井段长度无关。对于空间圆弧轨迹,斜面倾角模式存在二义性,应使用工具面角或定向方位角控制模式。     

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。     

圆弧型井眼轨道设计模型的综合求解法

为让圆弧型井眼轨道设计模型的求解方法简洁、有效、快速且具有足够精度,提出了井眼轨道解析、扫描和迭代的综合求解法.讨论了三段制和五段制两种典型的圆弧型井眼轨道及其初值问题.对于三段制轨道,利用其几何性质直接给出解析计算公式;对于五段制轨道,分为约束目标井段的井斜角或方位角、约束中间稳斜段的井斜角或方位角两大类,并建立了简...     

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。     

最小曲率法井眼轨迹控制技术研究与应用

为进一步完善最小曲率法井眼轨迹计算方法,采用数学分析的方法,推导出了一系列参数方程,可用解析方法直接计算任意井眼轨迹点的空间坐标、井斜角方位角、瞬时工具面角、井斜角变化率和方位角变化率等。其中对方位角和工具面角的计算进行了数学处理,克服了现有计算公式的缺陷。讨论了工具面角对井眼轨迹变动的影响,并对4种初始工具面角典型状态下井斜角、方位角的变化特点进行了分析。该计算方法不但可以对实钻井眼轨迹进行计算,而且还可以用于井眼轨迹设计、井眼轨迹预测和井眼轨迹控制,为设计结果的优化提供新的思路。     

多目标水平井水平段三维设计数学模型

用柱面法推导出多目标水平井水平段三维设计数学模型，并给出了三维设计所需井斜方位角及井斜角的简单计算公式。该数学模型具有一般性，可以方便地编制成计算机程序，对于多目标水平井水平段的优化设计和所有水平井入靶前的随钻修正设计都非常适用。     

拱形水平井的设计方法研

用一口水平井开发两个甚至多个连续薄油气藏、层叠状油气藏、断块油气藏等，相当于2口甚至2口以上水平井的开发效果，可以节约钻井投资、提高单井产能及采收率。合理地确定水平井段的井斜角和方位角是实现水平井优化设计的基础，根据地层倾角和走向，给出了2种水平井段井斜角的计算方法。拱形水平井段是以单圆弧作为过渡井段，用一口水平井开发2个具有不同井斜角的油气层。分析了拱形水平井的设计特点，指出过渡井段的造斜率是拱形水平井设计的一个关键参数，设计和施工时还需要考虑携带岩屑和钻压传递问题，以有利于井眼清洁和降低钻柱摩阻。在此基础上，探讨了二维和三维拱形水平井的轨道设计方法，并给出了设计示例。     

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空间圆弧作为一种典型的井眼轨道模型,广泛应用于多目标井,分支井,侧钻井等三维井眼轨道设计,以及定向井、水平井和大位移井的调整轨道设计。由于三维井眼轨道的设计与计算通常都是在垂直剖面图和水平投影图上进行的,而空间圆弧在这两个平面上又都是像圆弧那样的简单的曲线形式,所以增加了问题的复杂性。由于这种原因,目前对空间圆弧轨道的计算多采用近似公式。文章结合井眼轨道的设计要求和空间圆弧的特点,提出了空间圆弧轨道上的坐标,井斜角,方位角,井斜变化率,方位变化率和装置角的计算公式。这些计算公式在理论上是精确解,具有普遍适用性、从而为空间圆弧轨道模型的进一步应用和三维井眼轨道设计奠定了基础。所有公式都通过算例进行了验证。     

七段制恒工具面角三维水平井轨道设计方法

为降低页岩油气田三维水平井的施工难度,提出了七段制恒工具面角轨道设计模型。根据工程设计需求,将设计参数归为3类18种求解组合。由于参数约束方程为多元非线性方程组,难以解析求解,为此探索了数值求解方法。首先求解对应的三维圆弧轨道模型,将其结果作为恒工具面角轨道模型的初值,进而采用拟牛顿法进行求解。基于三维圆弧轨道模型及其解析公式,设计了恒工具面角轨道模型常用求解组合算法流程,解决了三维恒工具面角设计模型求解难题。算例研究表明,模型求解方法简单、有效,计算精度高,易于编程实现,可以为三维水平井轨道设计以及页岩油气田三维丛式水平井优快钻井提供新选择以及相应的技术支持。     

斜面圆弧形井眼的轨迹控制新模式

斜面圆弧曲线是三维定向井轨道设计的最优曲线,在相同设计条件下,设计曲率最小,设计长度最短。但采用目前的井眼轨迹控制方法不可能钻出真正的斜面圆弧形井眼。在研究斜面圆弧曲线与其所在的斜平面之间关系的基础上,提出一种新的井眼轨迹控制模式——斜平面角模式。采用该模式可以钻出斜面圆弧形井眼轨道。同时向MWD厂商建议,司钻显示屏应该有两种显示模式,一种是目前常用“装置角”模式,可以钻出恒装置角曲线的井眼;另一种“斜平面角”模式,可以钻出斜面圆弧形井眼。两种模式应该能很容易转换。     

一种新的大位移井轨道设计方法

摩阻和摩扭是限制大位移井水平位移的关键问题,优选造斜段曲线可以减小摩阻和摩扭。研究了造斜段曲线的优选问题。提出了一种新的大位移井轨道,即侧位悬链线轨道及其设计方法。计算分析表明:与圆弧、抛物线和悬链线轨道相比,侧位悬链线轨道井眼长度最短,摩阻、摩扭最小,而且不需要圆弧过渡段,给设计和施工带来了方便。文中不仅给出全部计算公式,而且给出计算实例.对现场设计施工具有一定的指导意义。     

水平气井流入动态计算新方法研究

目前国内外对于水平气井的产能研究较少,而且大部分是通过等效半径法来计算水平气井的产能。通过对Joshi关于水平油井的产能公式的分析,并对其进行修正用来计算水平气井的产能。实际计算表明,修正后的产能计算公式能很好地用来计算水平气井产能。最后就水平段长度对水平气井产能的影响进行分析。     

直井钻井时基于截面法的中性点计算新方法

建立直井钻井时复合钻柱局部理论模型,根据截面法推导出复合钻柱任意截面的有效轴向力计算方法。建立直井钻井复合钻柱整体模型,结合局部理论模型结论推导出实际钻井工况下复合钻柱有效轴向力计算公式和考虑液体摩阻力下及射流冲击力下钻压增量计算公式,给出了新的中性点计算方法。经实例比较分析,推导出的中性点计算公式的精度高,但计算复杂,建议在深井和超深井的钻井设计中选用。     

高耸塔设备倾斜监测与安全评估方法研究

针对高耸塔设备受风弯矩影响的倾斜问题,利用材料许用安全条件和倾角监测技术,提出了塔设备倾角监测及安全评估方法.基于材料力学原理的许用强度安全限制条件,通过求解塔设备各截面处受风弯矩的倾角计算式,推导出各危险截面的许用倾角计算式;监测布置在各截面上倾角仪的实时倾角值,将监测值与许用倾角值进行比较,对塔设备倾斜情况进行安全...     

埋弧焊钢管生产中钢板铣边坡口参数分析

为了明确埋弧焊钢管生产中铣边坡口和焊接坡口的关系,得到较为明确的坡口变化规律,通过对铣边机刀座、钢板铣边坡口和内外焊坡口的测量和计算,分析了理论坡口角度和实际焊接坡口角度的关系,以及直缝埋弧焊和螺旋埋弧焊钢管坡口角度的区别,并得出了埋弧焊管坡口角度计算的通用经验公式。结果指出,通过对焊管坡口参数的分析和优化,可以精确控制焊缝形貌,对于埋弧焊薄壁钢管的生产,应采用较大的铣边坡口角度,内外角控制在45°~55°。     

定向井方位漂移轨道设计问题的数值算法

方位漂移是实际钻井过程中普遍存在的现象,常规的轨道设计方法没有考虑方位漂移的影响,增加了钻井施工过程中的井眼轨迹控制的难度。考虑方位漂移影响的轨道设计方法采用井段的自然曲线模型,能够较好地反映地层自然造斜和方位漂移规律。所产生的约束方程组为三元非线性方程组,通常使用的数值迭代方法不易给定迭代初始值、迭代收敛性能差、收敛速度慢。推导出了用稳斜井段井斜角来表示的初始方位角和稳斜段长的解析公式,将三元方程组的求解问题归结为以稳斜井段井斜角为未知数的一元非线性方程方程的求解问题,并给出了求解该一元非线性方程的数值迭代算法。理论分析和大量实际算例表明,文中新算法具有收敛速度快、迭代初值相关性小、全局范围收敛等良好性质。