定向钻进控制预测技术.pdf

第 46 卷摇 第 6 期 2010 年 11 月 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 地质与勘探 GEOLOGY AND EXPLORATION摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 Vol. 46摇 No. 6 November,2010 [收稿日期]2010-07-16;[修订日期]2010-08-19;[责任编辑]郝情情。 [基金项目]2010 年国土资源部地调项目“高精度定向钻进中靶系统冶编号1212010816011。 [第一作者]向军文1967 年-,男,2008 年毕业于中国地质大学北京,博士,主要从事定向钻进技术研究与开发。 E-mailxiangjunwen vip. sina. com。 定定向钻进控制预测技术 向军文 中国地质大学北京地球物理与信息技术学院,北京摇 100083 [摘摇 要]定向钻井技术在矿产勘探及开发、煤层气开发中正发挥重大作用。 准确预测定向钻井井 底井斜和方位角,可降低定向钻井成本,减少定向钻进失误。 目前使用的计算方法不利于现场快速准确 预测井底轨迹。 本文通过对井斜、方位与造斜工具角、造斜井长和造斜率的数据处理技术,建立了井底 井斜和方位增量预测模型,与通用定向井公式比,精度高,且可在井场快速预测出定向钻井井底轨迹参 数。 经土耳其 46 对对接井实际证明,大大地提高井底预测速度和防止定向钻进失误率,对指导定向钻 井现场快速预测具有指导意义。 [关键词]定向钻进控制预测摇 井斜摇 方位角摇 造斜率摇 工具角 [中图分类号]TE243摇 [文献标识码]A摇 [文章编号]0495-5331201006-1123-04 Xiang Jun-wen. Prediction technology for directional drilling control[J]. Geology and Explora鄄 tion,2010,4661123-1126. 摇 摇 定向钻井中,需要根据目前测点数据,及时判断 该工艺器具能否满足后续工程需要,避免定向失误, 从而引起固井分支或其它事故的发生向军文等, 2001;向军文等,2003;向军文等,2007。 因此,现场 定向技术人员急需快速准确的定向钻进预测模型。 1摇 预测原理 因井斜增量和方位增量由后续定向钻进长度、 钻具造斜率及造斜工具角有关,则 驻琢 f驻l,i,w 驻兹 f驻l,i,w 1 摇 摇 式中,驻琢,驻兹 分别为井斜增量和方位增量毅, 驻l,i,w 分别为定向钻进长度、造斜率及造斜工具角 m、毅/ m、毅。 采用最小二乘法拟合多项式 y 鄱 n j 1 ajxj同济大学计算数学教研室,2004,令 xixj i0,1,2,,n,其线性式为 y a0鄱 n i 1a ixi 2 从而有 ma0鄱 n j 1 鄱 m i 1 x ij aj鄱 m i 1 yi 鄱xika0鄱 n j 1 鄱 m i 1 xijx ik aj鄱 m i 1 xiky i 3 k 1,2,3,, n 写成矩阵即为 m 鄱 m i 1 xi 鄱 m i 1 x2 i 鄱 m i 1 xi 鄱 m i 1 x2 i鄱 m i 1 x3 i 鄱 m i 1 xn i鄱 m i 1 xn1 i鄱 m i 1 xn2 i 鄱 m i 1 xn i 鄱 m i 1 xn1 i 鄱 m i 1 x2n i a0 a1 a n 鄱 m i 1 yi 鄱 m i 1 xiyi 鄱 m i 1 xn iy i 4 3211 2摇 拟合预测模型建立 确定预测原理后,将涉及定向钻进轨迹控制参 数进行数据处理Craig J T 等, 1976;Callas N P 等, 1979;韩志勇,1989; 刘修善等,1991; 刘修善等, 1993;刘修善等,1994;刘修善等,1997;刘修善等, 1998;陈庭根等,2006;刘修善等,2007。 根据定向 钻进控制公式韩志勇,1989;陈庭根等,2006 cos琢2 cos琢1cos酌 - sin琢1sin酌cosw sinw sin琢2sin驻兹 sin酌 tg驻兹 sin酌sinw sin琢1cos酌 cos琢1sin酌cosw cos酌 cos琢1cos琢2 sin琢1sin琢2cos驻 兹 5 式中琢1,琢2上下测点井斜毅;酌狗腿角毅。 不失一般性,现假设当前点井斜 45毅,后续定向 造斜钻进 2m 时的造斜率为 0郾 23毅/ m。 此时 i驻l 0郾 46。 根据式5可得以此工艺进行定向钻进后的 定向造斜井斜增量及方位增量数据表见表 1。 表 1摇 井斜和方位角增量 Table 1摇 Increment of well inclination and azimuth w驻琢驻兹w驻琢驻兹 00郾 460郾 00100-0郾 080郾 64 100郾 450郾 11110-0郾 160郾 61 200郾 430郾 22120-0郾 230郾 56 300郾 400郾 32130-0郾 290郾 50 400郾 350郾 42140-0郾 350郾 42 500郾 300郾 50150-0郾 400郾 33 600郾 230郾 56160-0郾 430郾 22 700郾 160郾 61170-0郾 450郾 11 800郾 080郾 64180-0郾 460郾 00 900郾 000郾 65 摇 摇 这样对应不同的 19 个 w,均有相应的井斜增量 及方位增量。 此时,只有造斜工具角与井斜增量和方位增量 的关系,为拟合简单化,对于工具角与井斜增量建立 矩阵为 19 鄱 19 i 1 wi 鄱 19 i 1 w2 i 鄱 19 i 1 wi 鄱 19 i 1 w2 i鄱 19 i 1 w3 i 鄱 19 i 1 w5 i鄱 19 i 1 w6 i鄱 19 i 1 w7 i 鄱 19 i 1 w5 i 鄱 19 i 1 w6 i 鄱 19 i 1 w10 i a0 a1 a 5 鄱 19 i 1 驻琢1 鄱 19 i 1 wi驻琢1 鄱 19 i 1 w5 i驻琢 1 将表 1 数据代入,对以上矩阵进行求值。 从而解得 a0 0郾 46,a1 0,a2- 0郾 23 a3 0,a4 0郾 01917,a5 0 故所拟合的井斜增量与工具角式为 驻琢 0郾 46 - 0郾 23w2 0郾 01917w4 根据泰勒级数,从而有 驻琢 0郾 46 1 - w2 2 w4 4 0郾 46cosw 即井斜增量预测式为 驻琢 i驻lcosw 同理,对方位增量与工具角建立矩阵,所拟合的方位 角增量与工具角式为 驻兹 0郾 6505 w - w3 3 w5 5 0郾 6505sinw 则方位增量预测式 驻兹 i驻l sin琢1sinw 即建立的定向钻进预测模型为 驻琢 i驻lcosw 驻兹 i驻l sin琢1sin { w 6 3摇 预测模型应用 土耳其 BEPAZARI 天然碱矿主矿垂深 350 520m,所开采的天然碱矿厚 1郾 2 4郾 6m,业主所设 计的 53 对井主要先期开采的碱矿厚 1 2郾 5m,井距 大于 450m,水平段长大于 250m,所有井建腔径 0郾 5 2郾 5m,均要求定向钻井一次对接连通向军文等, 2007;胡汉月等,2007; 向军文,2007;胡汉月等, 2010;刘海翔等,2010。 采用本预测模型,在已完成 的 46 对井中均获得很好的控制,均没有发生因定向 失败而导致重钻。 如 H004LB 定向水平井需要与 V004LB一靶 点、V004ULA二靶点和 V004LA三靶点三井 连通,水平井与第一口直井相距 216郾 582m,直井相 4211 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 地质与勘探摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 2010 年 距 125郾 62m、227郾 28m。 且所连通的主矿层厚度只 有 1郾 5m,技术套管下到主矿层下 1m。 如不很好控 制井眼轨迹,就有可能穿矿、过靶点,不得不重新分 支。 按预测模型,在井深 338m 时,MWD 显示 琢 45郾 36毅;兹112郾 67毅;该套螺杆钻具在该区段造斜率 稳定为 i0郾 23毅/ m。 现按设计要求钻进 12m 后,琢 47郾 7毅,兹115郾 9毅。 根据式5要求此时的工具角 w60毅。 钻进时工具角不稳定,且在依20毅变动,现场 即时利用式6进行预测计算井底井眼参数,是否 能达到钻进轨迹要求,从而决定是否需要停钻调整 工具角。 当钻进按 w40毅时,此时井底 琢47郾 5毅,兹 115郾 12毅,可满足轨迹增顶增方位要求。 但按 w 80毅时,此时井底 琢45郾 9毅,兹116郾 47毅,井斜增加过 小,后续定向钻进要求增大井斜造斜率,不利于轨迹 控制,因此,必须及时停钻调整工具角到设计值。 实 际钻完后测试,此时 琢47郾 76毅,兹 115郾 67毅。 采用 预测模型及时调整钻进工艺参数,实际井眼轨迹参 数与设计要求误差井斜为0郾 06毅,方位为-0郾 23毅。 如采用不同的工具角进行定向钻进轨迹参数结 果及对比精度见表 2 示。 由表 2 可以看出钻进 12m 后的预测模型精度和传统计算方法比,井斜角和方 位角最大误差均不超过 0郾 1毅。 表 2摇 计算公式与预测式部分数据对比 Table 2摇 Comparison of data from calculation and prediction ulas w 式5式6 琢兹琢兹 048郾 12112郾 6748郾 12112郾 67 3047郾 77114郾 5747郾 75114郾 61 6046郾 79115郾 9946郾 74116郾 03 9045郾 43116郾 5545郾 36116郾 55 12044郾 03116郾 0743郾 98116郾 03 15042郾 99114郾 6542郾 97114郾 61 18042郾 60112郾 6742郾 60112郾 67 摇 摇 此时如果后续钻进仍按工具角 w 60毅 钻进 12m,则可采用式6很快预测井底 琢 49郾 14毅,兹 118郾 9毅。 与设计要求的方位 兹117毅基本接近,但仍 有差距,说明不能采用此工具角,采用式6 反预 测,结果工具角定为 w 20毅,此时,预测井底 琢 50郾 35毅,兹116郾 95毅。 经与式5比,结果一致,但现 场效率大大提高。 最终再钻完 12m 后,井底 MWD 显示 琢50郾 46毅,兹116郾 84毅。 说明预测与实际精度 控制误差可行。 但预测模型进行预测井段不宜过长,如该对井 预测定向造斜井段长 120m,初始井斜 45郾 36毅,方位 为 112郾 67毅,以工具角 60毅,按造斜率 0郾 23毅/ m 钻完 后,公式5计算井底井斜 62郾 75毅,方位 142郾 19毅;而 采用预测式6井斜 59郾 16毅,方位为 146郾 26毅。 可见 预测井段达 120m,其井斜误差为-3郾 59毅,预测误差 率为 - 5郾 7;方位误差为 4郾 07毅,预测误差率为 2郾 9。 工程中,也根据预测结果可及时修正定向钻进 工艺技术,调整定向工具或定向钻进控制参数,及时 发现问题,避免定向失误。 4摇 结语 1 本论文通过对井眼参数分析,采用数据处 理方法,建立了定向钻进预测模型。 2 该模型的重要作用是可快速预测定向钻进 中各参数变化引起的结果,便于工程及时控制与调 整。 3 因钻头与 MWD 相距约 9m,根据 MWD 显 示的当前定向钻进值,可及时预测钻头处的井眼参 数。 [References] Chen Ting-geng,Guang Zhi-quan. 2000. 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Accurate pre鄄 diction of the well inclination and azimuth at the well bottom can reduce drilling cost and errors. The existing calculation is not favorable for predic鄄 ting the drilling path accurately at site. In this study,a model for prediction of increment in well inclination and azimuth is established by use of data pro鄄 cessing for well inclination,azimuth,and toll face as well as interval and rate of well inclination build-up. Compared with the general ula of directional wells,it has a high precision and is capable of predicting trace parameters of the directional well bottom rapidly at site. This model has been applied to 46 pairs of docking wells in Turkey. The result demonstrates that it can greatly enhance the speed of predicting well bottom and reduce failure ratio of direc鄄 tional drilling. Key wordsprediction for directional drilling control,well inclination,azimuth,build-up rate of inclination,tool face 6211 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 地质与勘探摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 2010 年