定向钻井井眼轨迹控制

1、第四章 井眼轨迹预测与控制井斜方位漂移；井眼轨迹预测与控制井眼轨迹控制井眼轨迹控制：钻井施工过程中，通过采用合理的措施包 括下部钻具组合、操作参数及测控系统等， 强制钻头沿着设计的井眼轨道破碎岩石而定 向钻进的过程。钻井实践说明，钻井过程中出现井眼轨迹漂移是必然的。理论上讲产生井眼轨迹漂移的充分必要条件是： 钻具与井眼间存在间隙，为近钻头钻具偏倒或弯曲提供了 空间； 具备偏倒或弯曲的力，为近钻头钻具偏倒或弯曲提供了能 量； 近钻头钻具偏倒或弯曲面的方向稳定。定向井轨迹控制根本概念井眼轨迹控制的两个根本目标 一是要准确地钻达目的层；二是要降低控制过程钻井本钱。 井眼轨迹控制的要求 在实钻中，设法

2、使实钻井眼轨迹尽可能符合设计井眼轨道。井眼轨迹控制的实质 不断地控制井眼的前进方向井斜角、井斜方位角。井眼方向控制内容 井斜角的控制：造斜工具或BHA进行增斜、降斜、稳斜； 井斜方位角控制：BHA+地层自然漂移或造斜工具强行进 行增方位、降方位、稳方位；增斜增方位稳方位降方位稳斜降斜九种组合第一节 井斜方位漂移一、井斜方位漂移率 井斜方位的漂移Walk：井斜方位角变化的现象。右手漂移右漂：在较长的井段内，井斜方位角总 是增加的现象。左手漂移左漂：在较长的井段内，井斜方位角总 是减小的现象。 如果井斜方位角总在某个方位值左右，那么认为该井的方位没有发生漂移。 当井斜方位发生漂移时，就需要进行扭方

3、位。扭方位的首要问题是需要知道扭转量，然后才是如何扭的问题。1影响井斜方位漂移的因素 1钻柱旋转方向的影响转盘钻井多数井眼出现右漂。井下动力钻具钻的井眼多为左漂。2地层走向的影响3其他因素的影响钻具组合(尺寸、长度、扶正器位置和直径)、钻压、转速等。当钻柱旋转方向和地层走向不变的情况下，直接影响井斜方位漂移的方向和漂移率的主要因素是钻具组合。2井斜方位漂移率的计算方位漂移率Kp ：钻进单位长度井段井斜方位的变化 量，反映了井斜方位角的变化程度。 此值等于井斜方位角的变化率K。Kp的单位与K相同，常用/100m表示。 Kp 0时为右漂； Kp 0时为左漂。对于井斜方位控制来说，最具 有现实意义的

4、是靠近井底那个 井段de段的漂移率。 井斜方位漂移率计算示意图计算井斜方位漂移率时，利用井身的水平投影图，图4-4；先挑出用井下动力钻具钻出的井段图中的oa段；再将转盘钻钻出的井段，根据井斜方位变化的趋势，分成几段，如图4-4中的ab，bc，cd，de段；最后根据井身测斜计算的数据，分别求出各段的井斜方位变化率。二、方位扭转角的计算1确定目标点T的井深LOT、 坐标DT、ET、NT；2根据测斜资料及测斜计算确 定d、e两点的根本参数，即 Ld、Le 、d、e 、d和 e；3确定e点的坐标De、Ee、 Ne。 方位扭转角的计算步骤8步：1. 测斜计算 即算出当前井段de段的坐标位置； 2.计算现

5、用钻具组合所钻井眼的井斜方位漂移率Kp 3.计算用现用钻具组合钻达目标的总方位漂移量p 根据现用钻具组合计算。假设更换了钻具组合，应重新计算。 显然，这样计算的p是一个近似值。二、方位扭转角的计算4. 计算对准目标方位线eT的井斜方位角z分两种情况计算：1当NT Ne时， 2当NT Ne时， 二、方位扭转角的计算5. 计算当前井底的井斜方位角与目标点井斜方位角之 间的偏差Z对于偏差角Z，如果按照井斜方位均匀漂移即漂移率不变，那么从当前井底e钻达目标点T，需要的方位漂移量为2Z。二、方位扭转角的计算6. 选择控制井斜方位的方法选择方法的依据是将P与2Z进行比照。假设2Z P ，使用当前钻具组合的

6、自然漂移率即可准确钻至目标点既不用更换钻具组合。假设2Z与P相差较大时，使用井下动力钻具带弯接头强行扭方位。必须注意，在强行扭完方位之后的钻进过程中，仍然会出现井斜方位漂移的现象。所以，在计算使用弯外壳动力钻具扭方位的方位扭转角时，必须考虑井斜方位漂移的影响。二、方位扭转角的计算7. 计算用井下动力钻具强行扭方位的 方位扭转角 式中说明，用动力钻具强扭方位时，在计算出的方位扭 转角的根底上要“少扭一个角度 ，留下的这个角度让钻具组合的自然漂移去扭。二、方位扭转角的计算Z 当前井底与目标点井斜方位角之差；p 现用钻具组合钻达目标的总方位漂移量。8. 计算预计的井底井斜方位角T说明：上述计算过程是

7、根据该井在用钻具组合和正在钻进的地层条件下的井眼方位漂移率来计算的。当钻具组合、地层变化了，需要根据井身水平投影图及新的测斜资料，重新计算井眼漂移率。定向井的方位控制，是一个不断调整的过程，不可能调整一次就能钻达目标点。但是每一次的调整计算都只能是根据靠近当时井底那个井段的方位漂移率来进行的。二、方位扭转角的计算例4-1 例4-2二、方位扭转角的计算实例：第二节 井眼轨迹预测与控制钻进过程中，预测是控制的根底。钻井五大任务： 井眼轨迹控制、保持井壁稳定、提高机械钻速、保护油气层和钻井施工管理。 其中，井眼轨迹控制是钻井施工中至关重要的环节，它关系到能否顺利实现钻井目的。本节只探讨井眼轨迹预测及

8、控制的方法。 地质特性： 不可控 地层可钻性、各向异性、地层的自然倾斜、岩石类型与强度；井眼直径等；钻具组合结构：可控 钻头类型、稳定器的位置、数量、尺寸、钻具的刚性、倾斜和弯曲等；井眼轨迹几何形状：可控 井斜角、井斜方位角；钻井工艺参数：可控 钻压、转速、泵压等。 井眼轨迹是上述诸因素互相作用的结果。钻井施工中影响井眼轨迹的主要因素有： 井眼轨迹与轨道示意图井眼轨道井眼轨迹目前尚无数学力学模型能反映井眼轨迹变化与上述诸因素之间的函数关系来指导施工；现场只能凭经验及外推法进行施工；工程技术人员层次、经验的差异必然造成实钻眼轨迹要偏离井眼轨道的现象。注意！ 为了提高中靶率，施工过程中必须对钻头的

9、前进方向时时进行控制。而实际的井眼轨迹参数只能通过专用仪器监测在地面上才能得到。目前的井眼轨迹监测技术存在的缺乏：不能实现连续监测；监测仪器的方向参数传感器离钻头有一段距离； 一般为4-17m 。测量与显示不同步。 实钻过程中各钻进监测参数值采集滞后。在施工中需要及时了解当前钻头的方向参数及待钻井眼延伸趋势，目前的监测技术都无法实现。为完成井眼轨迹控制就需工程技术人员进行预测并做出施工决策。目前钻井井眼轨迹监测技术存在的缺乏：一、待钻井眼轨迹的预测1井眼轨迹预测的内涵 在钻井施工中，井眼轨迹预测的实质就是预测井眼的延伸方向。2井眼轨迹预测的依据 由力学可知：力是改变物体运动状态的原因。物体运动

10、状态包括： 方向：钻井上主要是指井斜角、井斜方位角或井斜变 化率、井斜方位的变化率。 速度：钻井中主要指机械钻速的大小。研究说明： 钻头前进方向由钻头受力状态决定。 钻头受力状态由近钻头钻具组合结构、受力变形、钻井工艺参数、井眼轨迹的几何形状和地层特性决定。目前尚无准确预测、计算井眼延伸方向的力学数学模型，多用的预测方法主要有经验法、软件法和综合分析法三种。综合分析法的预测程序：如以下图 一、待钻井眼轨迹的预测3. 单项预测分析说明 1测斜结果计算比照分析 监测 测斜结果计算 测斜结果绘图 预测井眼延伸方 向的趋势。 2待钻地层因素分析 地质特性引起的轨迹自然漂移 结合邻井资料和经验分析 预测

11、井眼延伸方向的趋势。3近钻头钻具组合受力分析软件预测 考虑钻具组合结构类型造、增、降、稳斜钻具组合、地 层特性、井眼轨迹几何形状、工艺参数的相互影响。通过构 建力学数学模型软件预测井眼的延伸方向趋势。建议用： HoDA软件包Horigontal Drilling Sssistor； 力-位移模型法； 极限曲率法等预测软件。综合分析法的预测程序说明4实钻外推预测更换新的钻具组合；下至井底i点，用规定的钻井工艺参数钻进510m考虑井眼惯性的影响，并算出该段实际造斜率Kz；依据MWD的方向传感器的安装位置i+1点到钻头的距离Ld ，用外推法预测出钻头处i+2点的方向参数，即：i+2，i+2 ；再依据

12、i+2点的参数、待钻井段长度L及Kz，继续用外推法预测出待钻井段终点i+3处的方向参数(i+3,i+3).现场通过钻井工程技术人员对以上各项预测结果进行比照分析综合评价，最终预测出井眼延伸的方向。一、待钻井眼轨迹的预测综合分析法的预测程序说明轨迹控制的主要内容有以下几方面：1适时进行轨迹监测和轨迹计算 选择适宜的监测仪器、监测密度和测点密度。根据轨迹计 算结果，提出下步轨迹控制要求。2精心选择造斜工具和下部钻具组合 造斜工具和钻具组合结构的选择是轨迹控制的关键。3做好造斜工具的装置方位计算 装置角、装置方位角、井下动力钻具反扭角、定向方位角 的计算必须准确无误。4造斜工具的井下定向工艺和钻进

13、正确选择定向方法，严格执行定向工艺措施；严格执行钻 进过程中制定的工艺措施和技术参数标准。 二、井眼轨迹控制 三、井眼轨迹控制原那么决策控制理论中控制的定义：被控制对象中某一某些被 控制量，克服干扰影响到达预先要求状 态的手段或操作。井眼轨迹控制：钻井施工中通过一定的手段使实钻井眼 轨迹尽量能符合设计的井眼轨道最终保 证中靶的过程。运用控制理论对井眼轨迹控制分析可知，目前的井眼轨迹控制系统是一个开环的人工控制系统。第二节 井眼轨迹预测与控制 井眼轨迹控制系统示意框图被控制对象钻头；控制量井斜角、井斜方位角或相应的变化率；给定量井眼轨道参数最大井斜角、闭合方位角、规定靶 区和给定的地层特性；操作

14、量控制量BHA结构、钻压、转盘转速、排量和工 具面角等；扰动量地层产状误差、井壁不规那么性、岩石不均匀性、岩 性分布变化、井底工况及其他随机因素(井塌、断层等)。由此可以看出，井眼轨迹控制是一项多目标，多扰动的复杂动态控制过程。地层因素干扰决策(变更) 设计参数 BHA 监测仪器 预 测钻头(状态) 钻头前进方向现场工程技术人员随时需要做出下一步施工决策：1是否继续使用该钻具组合控制井眼轨迹？2是否通过调整工艺参数控制井眼轨迹？调整量是多少？3是否起钻更换其它控制工具控制井眼轨迹？更换何种工 具？4使用导向钻具时，是复合钻进？滑动钻进？ 现场工程技术人员只能通过预测做出决策。 三、井眼轨迹控制

15、原那么决策1既要保证中靶，又要提高钻速轨迹偏离轨道“不要太远。 “太远可能造成脱靶；要求误差始终很小，就会频繁地测斜、更换造斜工具，造成屡次钻进间断，增加本钱，还有可能造成井下复杂情况，得不偿失。控制要点：在待钻井段内，如果因地层因素产生的自然 漂移，通过调整钻进工艺参数即可使井眼轨迹恢复 到设计的井眼轨道上来的，那么用调整后的钻进工艺 参数继续钻进，否那么更换其它钻具组合进行控制。研究控制理论及实践经验归纳总结出的控制原那么：三、井眼轨迹控制原那么原那么预测判据二：现用钻具组合钻达目标点的总漂移量：方位偏差： 当 p 2Z时，可继续钻进，否那么需扭方位。两种判据的适用条件均为待钻井眼地层特性与已钻井眼地层特性接近，近钻头钻具组合不变。控制要点：预测判据一：当前工具的造斜率：预测继续待钻井眼所需的造斜率： 当 Kz K时，可继续钻进，否那么应起钻更换钻具组合。2. 尽量使用转盘钻+近钻头钻具组合轨迹控制转盘钻的机械钻速比动力钻具钻要高，造斜段结束后，换转盘钻继续增斜、稳斜或降斜。据预测出现以下情况之一时，用动力钻具进行控制： 1转盘钻扶正器组合难以完成增斜或降斜要求； 2转盘钻扶正器组合不能控制方位，井眼方位有较大偏 差，可能造成脱靶时。3. 尽可