水平井段钻进中快速预测实钻井底位置的方法

江苏油田属于小断块、小储油构造，采用水平井的方式开发，对水平段井眼轨迹的精确度要求高。井斜和方位的测量误差，会使实钻中井底位置偏离预测的井底位置，导致轨迹出层或脱靶。因此，通过方位角和井斜角的测量误差对井眼轨迹的影响分析后发现：若方位角存在误差，则偏离预测井底位置最大位移为Y=1.988e^{0.432 6x}；若井斜角存在误差，则偏离预测井底位置最大垂深为Y=0.28z。将这种预测方法成功应用到江苏油田HY1HF井，储层钻遇率达100%，能有效地指导水平井轨道设计和现场井眼轨迹控制。     

定向井钻井空间圆弧轨道计算的两个问题

在定向井轨道设计、实钻轨迹监控等一系列问题中,圆弧井段参数计算是一个最基础的问题。前人提出的圆弧井段井斜角和方位角的计算公式具有计算复杂、推导过程烦琐等缺点,为此以坐标增量恒等式为基础,使用初等方法推导出了一组新的圆弧井段井斜角和方位角的计算公式。这组新公式具有简洁对称、结构清晰等特点。基于井眼曲率是空间圆弧井段的不变量,还给出了井底参数预测的一种新方法。     

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。     

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。     

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。     

用局部数据的三次曲线拟合法模拟定向井井眼轨迹

在定向井钻进中,实际井眼轨迹是一条光滑连续的空间曲线。通常每钻进30m~50m就要测量一次新井底的井斜角、方位角,校校到达目标点的差距。那末可否减少测量次数,增加测点距离,用计算值代替测量值,以降低钻井成本,提高钻井速度呢。为此,本文提出用局部数据的三次曲线拟合法模拟定向井井眼轨迹。由于该方法放弃了样条函数中二阶导数连续的要求,致使模拟的定向井轨迹不会出现不应有的拐点,优于通常计算相邻两测点的近似计算法,如正切法、平均角法、曲率半径法及三次样条插值法等。该法使井眼轨迹计算具有更高的精度。使用本文方法可以较准确地计算定向井井眼轨迹上任意点的井斜角、方位角、井眼曲率及其在空间中的位置。从而为适当增大测点间距,确定套管扶正器安放位置及解决井眼防碰问题提供了可靠的依据。     

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。     

四川试验第一口深井侧钻工艺

四川石油管理局第一口深部硬地层高密度泥浆定向侧钻的一井多底工艺试验井在川东七黑峡6-1井开始定向侧钻,以探明该构造北端石炭系天然气储量。该井设计井深4242m,侧钻点井深3501m,定向侧钻斜井段长约700m,最大井斜角30°,方位角223°士10°,井底水平位移250～500m。该井由     

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。     

石油钻井测斜参量的量传方法

石油钻井测斜参量的量传方法是技术监督部门对定向测斜仪器的计量管理方法,其参量量传体系中倾角和工具面角的量传可通过倾角仪和国家标准进行传递,但磁方位角的量传目前国内尚无直接的标准可进行传递。因此,通过天文测量定位、建立磁偏角校正模型,在绝磁数显转台上建立了一个高精度的磁方位基准,为定向井测斜仪器磁方位角的量值传递与溯源提供了基准源头,从而建立了石油钻井测斜仪磁方位角的量传方法。石油钻井测斜仪参量的量传方法对定向井测量仪器和测量标准器的定期检定管理具有重要的意义。     

地应力类型影响定向井井壁稳定的规律

定向井井周应力状态和井壁稳定性规律与直井有着明显的差别,开展地应力类型对定向井井壁稳定性的影响规律研究,对定向井井眼轨迹设计具有一定的指导作用。为此,根据正常、走滑和反转三种地应力类型,深入分析了定向井井斜角和井眼方位对井壁坍塌破坏的影响规律。结果表明：①随着井斜角的增加,正常和反转地应力类型的井壁稳定性逐渐变差,即直井比定向井或水平井井壁稳定性更好;②随着井斜角的增加,走滑地应力类型的井壁稳定性逐渐增强,即水平井井壁稳定性最好;③定向井钻井或完井过程中,井壁稳定的最优钻井方位与最大水平地应力方向的夹角按正常地应力、走滑地应力和反转地应力类型依次为90°、45°和0°。     

小位移井反扣工艺技术

中原油田是典型的断块油田,钻调整井时对水平位移要求很严。施工中,当水平位移大,继续钻进就会超标时,就用弯接头带动力钻具进行180°扭方位(反扣技术),使调整后的井眼方位与原来的方位相反。方位调整是反扣技术的关键、反扣结束时,井斜角必须达到3.5°~5°,然后根据井斜角和剩余井段的有效长度,计算出下部井段的井斜变化率,以选择适当的钻具组合钻进,确保钻达目标点。反扣技术,实际上就是定向井技术在直井中的应用     

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.     

定向钻井中方位角及其坐标的归化问题

随着油气勘探开发进程的不断深化,所钻遇的地质环境日趋复杂,对井眼轨迹监测与控制的要求越来越高。为有效地监测和控制井眼轨迹,必须将实钻轨迹和设计轨道归算到同一个坐标系内,这将涉及到磁偏角和子午线收敛角。文中介绍了磁偏角的测算原理和校正方法,论述了子午线收敛角的定义和计算方法,阐述了磁性测斜仪的测量原理,并重点研究讨论了方位角及坐标的归化方法。研究表明,国内的最大子午线收敛角在2°23’以上,这对于水平位移为1000 m的定向井,如果不考虑子午线收敛角的影响,井眼轨迹的计算结果在水平方向上将会产生超过41.68 m的位移误差。文中较系统地论述了方位角及其坐标归化的有关理论和方法,对提高井眼轨迹的监测精度和可靠性具有实用意义。     

定向井井眼轨道预测方法研究及其应用

对定向井片眼轨道进行预测是实现井眼轨道定量控制的关键.本文提出了井眼轨道预测控制的力-位移模型.在此基础上,建立了描述侧向切削问题的多元幂积模式,推导了预测井斜、方位及其变化率的基本预测公式,形成了井眼轨道预测控制系统,并进一步研制了适于井场快速预测的自适应信号跟踪顶测软件,针对IBM-PC微机,开发了定向井井眼控制预测软件包DTCPS.多例预测实践表明,使用该软件包预测井眼轨道,精度较高,相符程度较好.     

磁力随钻测斜仪轴向磁干扰校正方法

针对磁力随钻测斜仪在受到轴向磁干扰时会出现方位角测量结果不准确的问题,在介绍磁力随钻测斜仪测量原理的基础上,研究了Russell法和短钻铤测量修正法2种间接磁干扰校正方法的原理及迭代计算过程,提出了矢量和法和钻具截面法2种直接磁干扰校正方法,并对这4种方法进行了数据仿真分析。数据仿真结果表明,直接校正方法计算简单,但具有一定的局限性;间接校正方法计算复杂,但具有较好的准确性。在其他井眼参数不变的条件下,方位角偏差随干扰磁场增强而增大;在轴向干扰磁场固定的情况下,方位角偏差随井斜角增大而增大,井斜角相同时,0°~360°范围内方位角偏差先增大后减小,呈现对称性;井眼轨迹接近水平东西方向时,轴向磁干扰的校正效果最差。4种校正方法均可以降低轴向磁干扰对方位角测量精度的影响,减少无磁钻铤的使用长度,具有较好的现场实用性。      

侧钻钻柱三维二重非线性问题的研究

研究大曲率定向井、水平井的钻柱受力和变形问题，采用线性分析方法难以满足工程实际的要求。针对以上难题，利用有限元法研究了钻柱在井底的二重非线性（几何非线性和接触非线性）问题。提出了在三维井眼内，根据各测点的井深、相应测点处实测的方位角和井斜角来获得确保钻柱参考构形长度不变的井眼轴线插值方法。从而实现了由井眼轴线的曲率和挠率，计算得到复杂三维井眼中钻柱的初始内力。此方法为三维钻柱力学分析提供了一种新的研究思路，也对定向井、水平井等钻井工艺作业效率的提高、井下事故的减少有着重要的意义。     

基于有限元分析的方位角误差计算和修正

为了满足定向井磁方位的高精度需求,需要准确计算方位角测量误差和分析误差来源。采用有限元分析软件,模拟了钻具在地磁场中产生的干扰磁场的变化情况。通过钻杆内部三轴磁感应强度得出方位角误差的测量值,与钻杆真实方位对比得到了方位角误差。通过控制钻杆方位角、井斜角、底部钻具组合、无磁钻铤长度、外部磁场的大小和方向等因素,来观测、分析了方位角误差的变化规律。模拟试验得出,方位角误差在钻杆的南北方向上最小,在钻杆的东西方向上最大,并随着井斜角增大而增大,这种变化呈现出正弦的变化规律;经度、纬度也会对方位角的变化产生影响,方位角误差大体上随着维度增加而增大,主要取决于当地的总磁场和磁倾角大小。研究结果表明,方位角误差与测斜数据、底部钻具组合、经度、纬度和无磁钻铤长度有密切关系,可以通过有限元模拟准确估算出不同情况下方位角误差的大小,对方位角误差进行修正。模拟结果可为工程应用中无磁钻铤、底部钻具组合的选取和方位角误差修正提供参考数据和理论依据。