三维定向井轨道设计和轨迹控制的新技术

目前三维定向井存在着设计井眼轨迹曲线与实钻扭方位方式相互脱节的问题,解决该问题的方法有:一是针对目前的恒装置角扭方位方式,将恒装置角曲线作为三维定向井轨迹设计曲线;二是针对目前现有的轨迹设计曲线(斜面圆弧、圆柱螺旋和自然参数曲线),开发新的MWD显示技术,以便显示可表征这些曲线特征的参数。

斜面圆弧形井眼的轨迹控制新模式

斜面圆弧曲线是三维定向井轨道设计的最优曲线,在相同设计条件下,设计曲率最小,设计长度最短。但采用目前的井眼轨迹控制方法不可能钻出真正的斜面圆弧形井眼。在研究斜面圆弧曲线与其所在的斜平面之间关系的基础上,提出一种新的井眼轨迹控制模式——斜平面角模式。采用该模式可以钻出斜面圆弧形井眼轨道。同时向MWD厂商建议,司钻显示屏应该有两种显示模式,一种是目前常用"装置角"模式,可以钻出恒装置角曲线的井眼;另一种"斜平面角"模式,可以钻出斜面圆弧形井眼。两种模式应该能很容易转换。

非均质储层三维水平井轨道设计研究与应用

为解决常规定向装备三维水平井施工难题,降低成本,对三维水平井道设计与应用进行了研究。通过分析三维轨道设计模型,对比其优势与不足,优选恒工具面角模型,针对"直—增—扭—稳—增—平"六段制典型轨道,从其基本公式和A靶点约束方程出发,建立了初始方位角模型,根据初始方位角得到造斜率和工具面角,进而计算出其他全部轨道参数,从而完成三维水平井轨道设计。在JH17P36井中应用该方法,采用常规装备施工,矢量中靶,实钻轨迹与设计符合率高,各技术指标优秀。钻井实例表明,计算模型和设计方法是正确、合理和可行的,同时也验证了恒工具面角模型的优越性。

恒工具面角三维水平井轨道设计模型及求解算法

基于恒工具面角模型的水平井轨道设计缺乏完整性和适用性,且求解过程相当复杂。文中提出一种基于恒工具面角的轨道设计模型及求解算法。通过坐标旋转,将水平井轨道类型转换为2种基本类型,针对"直—增—扭—稳—增—平"六段制典型轨道,从其基本公式和A靶点约束方程出发,建立了初始方位角模型。大量数据计算结果显示,其函数是求解区间上的一元非线性单调函数,可用二分法、黄金分割法及Fibonacci法等一维搜索法计算,并给出了求解算法,具有直观简明、数值计算稳定可靠、无需设初始值等优点。根据初始方位角得到造斜率和工具面角,进而计算出其他全部轨道参数,从而完成三维水平井轨道设计。钻井实例表明,轨道模型、设计方法及算法是正确、合理和可行的,同时也验证了恒工具面角设计模型的优越性。

三维定向井轨道设计新方法——恒装置角法

由于在恒装置角曲线井眼轨道的坐标增量计算中使用了定积分,致使相应的井眼轨道设计问题的求解非常困难,不仅计算时间长,且算法收敛性差。在假设弯曲井段为恒装置角曲线条件下,建立了新的三维定向井和侧钻井井眼轨道设计数学模型;使用幂级数展开方法计算井段坐标增量公式中的定积分,将井眼轨道设计模型中的多元非线性方程组求解问题降维转化为二元非线性优化问题,极大地降低了数值计算的复杂度。使用数值优化算法对恒装置角井眼轨道设计问题进行求解,不仅减少了计算时间,增强了算法稳定性,而且具有全局收敛性质。实际算例表明,新方法能够快速、有效地求解恒装置角型井眼轨道设计问题,所使用的幂级数展开方法适用于解决恒装置角井眼轨道计算的一系列问题,是一种有效的数学简化方法。

一种新的阶梯水平井段轨道设计模型

对于开发有一定高度差的多个薄油层,阶梯水平井较普通的定向井和水平井,节约了钻井成本,提高了单井的开采效率。分析了现有的阶梯水平井的设计模型,采用恒工具面模型进行三维阶梯水平井的轨道设计,以上下靶点的井斜角和方位角作为已知量,造斜工具的造斜率和安装角作为控制因素,将过渡点的井斜角和方位角作为待求参数。所设计的三维井眼轨道,通过计算示例表明,可用于设计阶梯水平井段。

曲面型前刀面实际切削前角的建模与分析

采用向量矩阵的方法,建立了曲面型前刀面车刀实际前角计算的数学模型,利用该模型可以计算出法剖面、主剖面和流屑剖面内前角的大小,从而为车刀的结构设计和卷屑槽槽型的研究提供了基础数据。最后给出了计算实例并进行了分析。

井眼轨迹单根控制的新计算方法

井眼轨迹控制是定向井工程师的基本工作任务,以前常常凭经验估算控制参数。针对单根的“复合+滑动”钻进过程,使用恒工具面角曲线建立了数学模型;使用最优化思想给出了求解这个数学模型的两个算法,给出了施工参数设计的最优方案。使用理论模型数据对算法进行了大量验证,结果表明,该算法可以以非常高的数值精度(10^(−9))反算出理论模型参数;对于实际钻井数据,算法精度为10^(−2),满足工程精度要求。该方法可以应用于现场定向井工程师日常的控制参数设计工作中,结合MWD数据实时采集,在电控系统的钻井反馈实时控制中也有广泛的应用前景。

泾河油田非均质储层三维水平井钻井技术

为解决泾河油田因地表复杂井位部署难度大及井网井距的难题,部署了首口三维水平井——JH17P36试验井。通过分析该三维水平井钻井技术难点,借鉴前期钻井实践成果,制定了一系列技术措施:采用二级井身结构,139.7 mm套管固井完井方式;基于恒工具面角轨道模型,设计了"直-增-扭-稳-增-平"六段制轨道;采用"螺杆钻具+MWD系统"定向工具,精确计算工具面角,优选牙轮钻头,精细化操作施工,实现了井眼轨迹的有效控制;在钾铵基钻井液中随钻加入单封和润滑剂,确保了井壁稳定和有效降阻。在JH17P36井上应用该钻井技术可安全快速完井,完钻井深2 604 m,垂深1 466.23 m,水平段长750 m,钻井周期21.20 d,机械钻速11.09m/h,实钻轨迹与设计符合率高,电测和套管下入顺利。JH17P36三维水平井试验初获成功,为下步三维水平井试验与推广奠定了基础。

带卷屑槽刀具最大前角的数学模型与求解

由于现代数控刀具都设计有卷屑槽,从而使其前刀面不是平面,而是曲面。本文针对前刀面为圆柱面的一部分时,采用向量矩阵法建立最大前角计算的数学模型,应用该模型可以在给定条件下,计算曲面型前刀面车刀的最大前角和其它重要的几何参数。最后,给出了计算实例。

恒装置角模式井眼轨迹控制计算方法研究

在滑动钻进过程中,井眼轨迹具有井眼曲率和装置角基本保持不变的特征,但是使用空间圆弧模型计算出的装置角是逐渐变化的。为了解决这个理论与实际相矛盾的问题,提出了使用恒装置角曲线模型进行井眼轨迹控制方案设计的数学模型,并对求解方法进行了初步研究。建立了扭方位模型、点靶模式、线靶模式等三种实际问题中经常使用的轨迹控制方式的优化目标函数,使用序贯数论网格优化算法(SNTO)对一些算例进行了实际计算。结果表明,所建立的数学模型具有可行性,能够设计出合理的井眼轨迹控制方案,并且能够使用计算机软件编程来实现。本文的研究是初步的由于优化目标函数具有"狭长峡谷"特征,对数值优化算法的求解效率要求很高,这个问题需要进一步的深入研究。

恒工具面角井眼轨道设计模型及求解方法

恒工具面角曲线是一种典型的井眼轨道设计模型组件,计算复杂,设计求解难度大。现有模型缺乏一般性,且求解模式单一,为此提出两种典型的恒工具面角井眼轨道设计模型,并寻求灵活、有效的求解方法。针对定向井和水平井一般设计问题,构建了单、双恒工具面角曲线与直线组合两种典型设计模型,探讨了多种设计变量求解方法。通过合理确定设计变量初值,采用拟牛顿数值求解方法,精确、快速、灵活地求解了这两种设计模型。算例应用结果表明,两种典型轨道设计模型及其求解方法合理、有效,可用于定向井和水平井轨道设计。

七段制恒工具面角三维水平井轨道设计方法

为降低页岩油气田三维水平井的施工难度,提出了七段制恒工具面角轨道设计模型。根据工程设计需求,将设计参数归为3类18种求解组合。由于参数约束方程为多元非线性方程组,难以解析求解,为此探索了数值求解方法。首先求解对应的三维圆弧轨道模型,将其结果作为恒工具面角轨道模型的初值,进而采用拟牛顿法进行求解。基于三维圆弧轨道模型及其解析公式,设计了恒工具面角轨道模型常用求解组合算法流程,解决了三维恒工具面角设计模型求解难题。算例研究表明,模型求解方法简单、有效,计算精度高,易于编程实现,可以为三维水平井轨道设计以及页岩油气田三维丛式水平井优快钻井提供新选择以及相应的技术支持。