閆 鐵，劉珊珊，畢雪亮

（東北石油大學油氣鉆井技術國家工程實驗室，黑龍江大慶163318）

基于智能鉆井的三維井眼軌道設計及修正方法研究

閆 鐵*，劉珊珊，畢雪亮

（東北石油大學油氣鉆井技術國家工程實驗室，黑龍江大慶163318）

完全智能鉆井系統(tǒng)是未來定向鉆井技術的發(fā)展方向，其井下系統(tǒng)可以智能識別儲層情況，在地面預測出現(xiàn)較大誤差時，能夠自動設計相應的井眼軌道完成精確中靶的施工目標。在能夠獲取實際地質信息的前提下，對于條形儲層預測走向與實際走向誤差較大的情況，設計了三維智能井眼軌道。在鉆井過程中，設計了軌道修正閉環(huán)控制系統(tǒng)，有效控制井眼軌跡與設計軌道的符合率。提出的三維井眼軌道模型能夠充分反映出智能鉆井的技術特點和需求，并具有通用性，可廣泛應用于斜直井、定向井、水平井的軌道設計、監(jiān)測及修正設計，這種新的數(shù)學模型和設計方法為智能鉆井技術的推廣和應用奠定了基礎。

智能鉆井；三維軌道設計；三維軌道修正

1 完全智能鉆井系統(tǒng)

1.1 基本組成

完全智能鉆井系統(tǒng)由地面監(jiān)控系統(tǒng)、井下數(shù)據(jù)處理與軌道設計系統(tǒng)、井下測量與測控系統(tǒng)、雙向通訊系統(tǒng)、偏置執(zhí)行機構5部分組成[1]。相比于旋轉導向鉆井系統(tǒng)，完全智能鉆井系統(tǒng)應該具有高速、高效的雙向通訊系統(tǒng)，能探測儲層及鉆具信息的隨鉆井下測量系統(tǒng)，能對測量數(shù)據(jù)進行處理并作出決策的井下數(shù)據(jù)處理與軌道設計系統(tǒng)，能夠將井下信息實時可視化反映到監(jiān)控屏和可干預井下智能鉆井系統(tǒng)的地面監(jiān)控系統(tǒng)，能鉆出平滑井眼、精確改變鉆具造斜能力的偏置執(zhí)行機構。地面監(jiān)控系統(tǒng)不斷將井深參數(shù)傳入井下數(shù)據(jù)處理與軌道設計系統(tǒng)；井下數(shù)據(jù)處理與軌道設計系統(tǒng)，處理井下測量系統(tǒng)傳來的數(shù)據(jù)并結合井深參數(shù)，在預測出現(xiàn)較大誤差時，智能設計井眼軌道；在鉆井過程中，井下測量與測控系統(tǒng)中的工具測控系統(tǒng)不斷將實鉆軌道與設計軌道進行對比，通過偏置執(zhí)行機構糾正偏差。

1.2 完全智能鉆井系統(tǒng)特點

20世紀80年代中期以后，國際石油鉆井中使用隨鉆測量、隨鉆測井、隨鉆地震、隨鉆地層評價、鉆井動態(tài)信息實時采集處理、地質導向和井下旋轉導向閉環(huán)鉆井等先進技術以來，鉆井技術發(fā)生了質的變化，其變化特征為[2-6]：

（1）鉆井信息數(shù)字化。在鉆井過程中，井下地質參數(shù)、鉆井參數(shù)、流體參數(shù)和導向工具位置及狀態(tài)的實時測試、傳輸、分析、執(zhí)行、反饋及修正，鉆井信息向完全數(shù)字化方向發(fā)展。越來越脫離人們的經(jīng)驗影響和控制，鉆井過程逐步成為可用數(shù)字描述的確定性過程。

（2）工具和作業(yè)智能化、集成化。當前的導向鉆具、測試工具和作業(yè)控制都日趨智能化。一項由國際數(shù)家公司組成，1990年開始，歷時5年，耗資950萬美元開發(fā)的集成鉆井系統(tǒng)(IDS)和集成鉆井作業(yè)系統(tǒng)(IDO)獲得成功，是鉆井系統(tǒng)及操作智能化的體現(xiàn)。而近年地面自動控制的導向鉆井工具和隨鉆地層評價測試系統(tǒng)(FEMWD)開發(fā)成功，更體現(xiàn)了工具和作業(yè)智能化趨勢。完全智能鉆井系統(tǒng)特點為：（1）可以知道鉆頭所在位置，智能識別儲層實際情況；（2）可以連續(xù)完成鉆井任務，而旋轉鉆井系統(tǒng)需要人為干預；（3）當?shù)孛骖A測存在較大誤差時，可以智能設計相應軌道保證中靶；（4）對于一些特殊儲層，可以智能設計相應靶區(qū)軌道實現(xiàn)高效開發(fā)。

2 三維智能著陸井眼軌道設計

適用于長條形油氣藏，例如單一河道砂體形成的油氣藏，其長條延伸方向與設計方位線存在較大誤差時，為了有效開發(fā)儲層必須扭方位進行修正。

2.1 安全圓柱與靶區(qū)設計

為防止實際井眼軌跡與設計井眼軌道偏差過大而導致脫靶，設計安全圓柱與靶區(qū)，一旦井眼軌跡穿出這一范圍就重新設計井眼軌道，如圖1所示：

圖1 三維井眼軌道安全圓柱與靶區(qū)

安全圓柱是以設計著陸井眼軌道O′Pbt1為軸線，r為半徑的圓柱體。靶區(qū)的設計遵循行業(yè)技術規(guī)范，以L為靶區(qū)長度，h為靶區(qū)高度，w為靶區(qū)寬度。

從圖中可以看出，先進行了扭方位再增斜入靶，這是因為變方位率與井斜角有關，井斜角越大扭方位越困難。圖中O為水平投影圖中變方位井段的曲率中心，RH為水平投影圖中變方位井段所對應的曲率半徑，P為當前鉆頭所在位置，Pb為扭方位段，bt1為修正方位后的著陸井段，t1為入靶點，t2為設計終止點；在水平投影圖上，扭方位部分為圓弧段，扭完方位后著陸部分為直線段。

2.2 入靶井斜角的計算

通常地層是傾斜的，可以用地層傾角來表示其傾斜程度，用下傾方位來表示其傾斜方向。對于單一河道砂體的條形儲層，其砂體內部連通狀況較好而與圍巖的連通性一般較差，因而油氣主要儲集在這一長條形砂體內。當它的產(chǎn)狀與預測存在較大誤差時，為了有效開發(fā)儲層，水平井段應始終保持在儲層中。因此，需要重新設計靶區(qū)軌道方向并按該方向進行入靶井斜角的計算，其計算原理[7]如下：

若重新設計的靶區(qū)方位為Φ+ΔΦ即長條的延伸方向，入靶點處儲層的下傾方位為Ψ，儲層的地層傾角為β，如圖2所示。

入靶井斜角αt=90°-arctanC，其中C=tanβcos(Φ+ ΔФ-Ψ)。

圖2 儲層產(chǎn)狀參數(shù)圖

2.3 計算水平投影圖上變方位井眼曲率半徑

水平投影圖如圖3所示。

圖3 三維智能著陸軌道水平投影圖

圖3中，O′（NO′,EO′,DO′）為井口，P為當前井底，b為扭方位終點，O為扭方位段水平投射的曲率中心，t為入靶點。已知P點處空間坐標（NP，EP，DP），井斜角αP，方位角ΦP，當前水平位移O'P；t點處空間坐標（Nt，Et，Dt），井斜角αt，方位角Φt(即Φ+ΔФ)，設RH為曲率半徑。

令直線bt的方程為：N=EcotΦt+c，代入t點(Nt，Et)，有：

Nt=EtcotΦt+c

c=Nt-EtcotΦt

直線bt的方程為：

N=EcotΦt+Nt-EtcotΦt

橫向靶前距：

計算水平投影圖上的曲率半徑：

2.4 計算井眼軌道參數(shù)

ΔDbP=LbPcosαP

ΔDtb=ΔDtP-ΔDbP

當Φt＞ΦP時，O點水平坐標：NO=NP-RHsinΦPEO=EP+RHcosΦP

當Φt＜ΦP時，O點水平坐標：NO=NP+RHsinΦPEO=EP-RHcosΦPb點水平坐標：

Nb=NO+RHcosΦO'MEb=EO+RHsinΦO'M

扭方位后，以bM作為穩(wěn)斜調整段，at為圓弧段，計算圓弧段曲率半徑來判斷是否需要更換鉆具，如圖4所示。

圖4 扭方位-穩(wěn)-增入靶垂直剖面圖

幾何關系滿足下式：

若Rmin＜R0，先以bM作為穩(wěn)斜調整段，再通過MN段造斜到αQ，續(xù)以NQ穩(wěn)斜段，一旦發(fā)現(xiàn)油氣顯示立即增斜到αt，從靶點t進入儲層中部，如圖5所示。

圖5 三維井眼著陸軌道垂直剖面圖

欲準確進入儲層中部，需滿足以下關系式：

式中：δ——入靶點處儲層厚度，m；

α——各點井斜角，（°）；

R——造斜率對應的曲率半徑，m。

bM段：

整理，得：

分離LMb,得：

空間坐標變化：

ΔNMb=ΔSMbcosΦtΔEMb=ΔSMbsinΦtΔNNM=ΔSNMcosΦtΔENM=ΔSNMsinΦtΔNQN=ΔSQNcosΦtΔEQN=ΔSQNsinΦtΔNtQ=ΔStQcosΦtΔEtQ=ΔStQsinΦt

設計結果見表1。

表1 三維井眼著陸軌道設計結果

2.5 軌道姿態(tài)的自動調整

已知最近兩測點井深L1、L2井斜角α1、α2，方位Φ1、Φ2，則可計算當前鉆具的變井斜能力和變方位能力：Kα、KΦ。

ΔL=L2-L1

將Kα、KΦ與該井段設定值Kαx、KΦx比較，作差得到ΔKα、ΔKΦ，由控制器計算所需側向力的大小和方向并下令給偏置執(zhí)行機構；偏置執(zhí)行機構改變鉆具受力情況后，再次測量Kα、KΦ與該井段設定值Kαx、KΦx比較，不斷修正至滿足精度要求。其閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖6所示，在圖6中，設定值與反饋值經(jīng)過比較器比較產(chǎn)生偏差，控制器對偏差進行調節(jié)計算，產(chǎn)生控制信號驅動執(zhí)行機構，從而合被控參數(shù)，如井斜變化率、方位變化率等達到期望值。將上述連續(xù)控制系統(tǒng)中的比較器和控制器功能用微型計算機實現(xiàn)，就能組成一個微型計算機控制系統(tǒng)。執(zhí)行器即為偏置執(zhí)行機構，被控對象為鉆頭，被控參數(shù)為井斜變化率和方位變化率等。

圖6 軌道修正閉環(huán)控制系統(tǒng)

3 結論

（1）本文提出的三維井眼軌道模型能夠充分反映出智能鉆井的技術特點和需求，并具有通用性，可廣泛應用于斜直井、定向井、水平井的軌道設計、監(jiān)測及修正設計。

（2）文中的計算公式在數(shù)學上都是精確解，適用于設計由直線段和圓弧段所組成的各種井身剖面，這種新的數(shù)學模型和設計方法為智能鉆井技術的推廣和應用奠定了基礎。

（3）完全智能鉆井系統(tǒng)是未來水平井鉆井技術發(fā)展的方向；智能井眼軌道可用于大面積規(guī)則儲層和長條形儲層；通過軌道修正閉環(huán)控制系統(tǒng)，可獲得較好的井身質量。

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[4]吳克擇,羅肇豐.90年代以來鉆井技術進展與發(fā)展趨勢[J].西南石油學院學報，1997，19(2):89-96.

[5]石崇東,張紹槐.智能鉆柱設計方案及其應用［J］.石油鉆探技術,2004,32（6）:7-11..

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TP391

A

1004-5716(2015)06-0015-04

2015-01-21

2015-01-22

國家自然科學基金重大項目“頁巖油氣高交往開發(fā)基礎理論研究”（編號：51490650）；國家自然科學基金資助項目“基于熱質流耦合的深層欠平平衡鉆井井筒溫度場和壓力場分布規(guī)律研究”（51374077）。

閆鐵（1956-），男（漢族），黑龍江肇州人，教授、博導，現(xiàn)從事油氣井工藝理論與技術研究工作。