三维多目标定向井井眼轨道优化设计_图文

1、三维多目标定向井井眼轨道优化设计王俊芳(中石化江汉油田分公司地质工程设计监督中心,湖北潜江433124摘要优化井眼轨道设计是保证井身质量,减少井下事故,降低钻井成本的关键环节之一。三维多目标定向井井眼轨道的设计方法众多,但在设计中人为主观因素较多,通常,设计出来的井眼轨道较难成为最优化的轨道。COM-PASS(兰德马克轨道设计软件定向井软件是将非线性数学理论引入到全井井眼轨道的最优化设计中,综合了各种设计方法的优点,简化了设计程序,对于三维多目标井的设计,只需设计者提供必要的约束条件即可设计出操作性强、经济、安全的最优井眼轨道。关键词三维;多目标定向井;井眼轨道优化设计;兰德马克轨道设计软件中

2、图分类号T E24;TE319文献标识码A文章编号1009301X(2005060021(03采用先进的轨道设计方法优化井眼轨道设计,使得设计轨道能够满足现场施工条件的限制,保证设计的可操作性;达到各种设计要求下的最短轨道,降低钻井成本;将设计轨道的钻柱扭矩和摩阻力减小到相对最小,保证施工安全。这就是优化井眼轨道的意义所在。2004年江汉油区在钻井中有30口为三维双目标定向井,且多为大斜度井。科学、安全、优质的三维多目标定向井井眼轨道优化设计意义重大。1传统三维多靶定向井轨道设计井眼轨道设计的方法发展到今天已有很多种,涉及到二维和三维,有曲率半径法、常曲率法、悬链线法、斜平面法、柱面法、螺旋线

3、法等等1。不同的方法各有其优缺点,其共同之处就是设计出来的井眼轨道基本能够满足现场施工的要求,但很难从定量的角度确定是一条可行的最优轨道。尤其对于靶点与井口不在一个方向的三维定向井,井眼轨道的设计一直存在设计程序繁杂、费时,设计出来的轨道可操作性不强的问题。1.1待钻井眼试算法设计井眼轨道:对于多靶连线方位与井口不在一个方向的三维多目标定向井,我们通常利用二维软件,采用试算的方法,先从井口设计到第一靶点。然后再不断调整工具面和造斜率及段长,反复计算,设计到第二靶,第三靶,直至设计出一条贯穿所有靶点的轨道。以设计一口双靶点的井W76X7井为例。首先,从井口设计到A靶点,采用直-增剖面中A 靶。但

4、从趋势线来看,稳斜下去难以中B靶。要想中B 靶就必须摆工具面调整方位,再增斜满足B靶位移要求(见图1。反复调整工具面和造斜率,重复试算定向段段长以满足中靶要求,中B 靶点后再稳斜到井底。图1试算法综合评价:这种试算方法过于繁琐,设计出来的轨道不光滑;对于三靶以上剖面的三维定向井,设计出来的剖面相当复杂,可操作性差,在实际施工中将引发各种井眼问题,也会影响到后期的固井下作业和测井作业。而且反复试算将花去很多设计时间,很不经济。该方法更适合于实钻作业中指导待钻井眼钻进。1.2调方位圆弧法设计井眼轨道调方位圆弧法实际上是将三维设计转换为二维平面设计的一种柱面法,基本步骤是先进行水平投影图的设计,在水

5、平投影图设计中,通过一段圆弧来调整方位,然后展开。仍以上口井为例。首先人为确定一个定向方位195b和提前段长10m,调节方位圆弧半径在合理范围内进行计算,再选择5段制剖面,给定造斜率及最终井斜角55.31b进行剖面设计(见图2。比较而言,柱面法设计出来的井眼轨道相对光滑,现场操作可行性较好。但对于那种靶间距较大,靶点方位变化较大的三维双目标井,在预测定向方位和提前段长时间不能给出满意的数值而难以绘制出方位圆弧,即使制出调方位圆弧,也存在水平投影图曲率选择不当使得做出的井眼轨道设计在实钻中无法实现的情况。如果是三靶或三靶以上的多靶,重复试算的结果仍会导致井眼剖面复杂,可操作性降低,江汉石油职工大

6、学学报2005年11月Journal of Jianghan Petroleum U niversity of Staff and Workers第18卷第6期收稿日期20050825作者简介王俊芳(1972-,女,1994年毕业于江汉石油学院钻井工程专业,现在江汉油田分公司地质工程设计监督中心从事钻井工程设计工作,工程师。 因此该方法设计出来的轨道也不能称为最优轨道设计。图2调方位圆弧法2 三维多目标定向井井眼轨道优化设计2.1 井眼轨道优化设计理论模型目前钻井界提出了一种新的全井眼轨道设计定量意义上的优化设计方法,它把非线性不等式约束下的非线性数学规划理论引入到全井井眼轨道的最优化设计中,

7、摆脱了设计者的主观因素,不需要反复试算,只要设计者提供一些必要的约束参数即可自动优化出一条真正意义上的最优轨道2。以S 型剖面为例建立的模型见图3 。图3S 型剖面示意图假设造斜点垂深D k ,造斜率K 1,降斜点垂深为D d ,降斜率为K 2,水平位移为S,靶点垂深为D,则造斜率半径r 1及降斜率半径r 2分别为:r 1=5400/P K 1,r 2=5400/P K 2井深为:L=Z 5+H 1r 1+(H 1-H 2r 2+Z 1/cos H 2+Z 4/sin H 1Z 1=D-D d -r 2(sin H 1-sin H 2Z 2=r 2(cos H 2-c os H 1Z 3=r

8、1(1-cos H 1Z 4=S-Z 1tan H 2-Z 2-Z 3Z 5=D d -Z 4/tan H 1-r 1sin H 1根据以上各关键点、 求,可以得到S 型剖面轨道最优化设计数学模型:min Ls.t. H 1m ax -H 10;H 2m ax -H 20;H 1-H 20K 1max -5400/P r 10;K 2max -5400/P r 20D kmax -D k 0;D k -D kmin 0;r 2(cos H 2-cos H 1/sin H 10;D-D d -r2(sin H 1-sin H 2/cos H 20利用最优化理论求解上式,即得到在满足现场施工条件下

9、具有相对光滑、井眼轨道最短等特点的最优井眼轨道。2.2 井眼轨道优化设计与应用L ANDM ARK 公司开发的COM PASS 对于不同的井段有许多曲线类型可供选择,曲线的选择主要是基于将狗腿定为常数或将造斜率/扭方位率定为常数,变化率既可以计算得来也可以给一定值以满足某一特定的需要,或由程序推荐以优化井眼轨道3。进行三维双目标井眼轨道设计时,我们采用打靶点间连线的方法,即:确定造斜点和造斜率,根据两靶点间的最终井斜和靶点连线方位,在地质条件许可的情况下,井斜较小时,将方位调整到多靶连线方位上,再以较大井斜角进入目的层,稳斜穿多靶。实钻中可以随时跟踪计算,及时调整轨道,满足井身质量要求。下面仍

10、以W76X 7井为例,井身剖面设计为直增稳增稳5段制。首先根据邻井实钻情况,定向前控制反向位移小于80m;选择造斜点,给定K 1=18b /100m,K 2=20b /100m,软件自动优选设计定向方位194.26b ,第一稳斜角45.06b ,稳斜钻进300m,最终稳斜角55.31b ,连中两靶。图4AB 连线法设计剖面设计出来的井眼轨道用于现场井眼轨迹控制效果良好。图4中对比了设计剖面与实钻井眼轨迹,吻合性较好。设计与实钻情况对比表见表1:表1W76X 7井设计与实钻情况对比表22江汉石油职工大学学报3 结论多目标定向井能最大限度地增加油层的裸露面积,提高采收率。对于江汉油田的勘探开发是有

11、益的。因此优化其井眼轨道设计,对于在现场实钻中有效地开展井眼轨道控制具有指导意义。(1以打靶点连线的设计方法设计出来的剖面,在井斜小的时候进行扭方位作业,减少了纠方位进尺,能大大提高定向的速度;稳斜穿多靶4,可以防止全角变化率过大,避免了较大狗腿度引起的各种复杂情况和事故,确保了施工安全。同时该设计方法操作灵活,节省设计时间和人力,在设计任务重、设计人员紧张的情况下能够高效优质地完成钻井工程设计,保证了生产的顺利、安全开展,值得推广。(2三维多靶点连线中靶轨道设计的关键点是造斜点和造斜率的选择。(3设计用于指导施工,采用本方法设计出来的井眼轨道,实钻中必须有配套的井眼轨迹控制技术相辅助,如优选

12、钻头、钻具组合、钻井参数,应用随钻M WD 对井眼轨道进行及时监控,才能保证全井的井身质量及井下的安全。参考文献1韩志勇.定向井设计与计算M .北京:石油出版社,1989.2张焱,刘坤芳等.多底井井眼轨迹与控制理论M .北京:石油工业出版社,2001.3兰德马克公司开发的定向井设计系统COM PA SSEB/01.中国钻井网,2005-07-22/2005-08-25.4谢国民等.三维双目标定向井优化设计方法J.钻采工艺,1999,(3:21-22.Optimizing design of wellbore trajectory of three -dimensionalmulti -targ

13、et directional wellWang Junfang(Geo logical Eng ineering Desig n &Supervision Center of Jianghan Oilfield Branch Co mpany,SINOPEC,Qianjiang 433124,ChinaAbstract:Optimizing w ellbore trajectory desig n is the key link to ensure the quality of w ell bo re,decrease ac -cidents in w ell hole and low

14、 er drilling cost.There are many m ethods to desig n the w ellbore trajecto ry of three-dim ensio nal multi-target directional w ell,but m ore subjective factors in design make it difficult be an optimized one.Co mpass dir ectio nal w ell softw are(Landmark trajecto ry design so ftw arehas intr oduced the theory of non-linear m ath into optim izing design of the wellbore trajecto ry,w hich has synthesized the advantages o f all kinds of design methods,simplified the desig n progr am ,and all desig ner needs to do is to specify some necessar y r estr ictio ns to desig n an