一種用工具面角控制井眼軌跡的方法技術

本發明專利技術公開了一種用工具面角控制井眼軌跡的方法，屬于油氣鉆探技術領域，解決了在旋轉導向、復合導向等鉆井方式下難以使用工具面角來監測和控制井眼軌跡的技術問題。內容包括：定義井眼軌跡的工具面角；構造工具面角的求取方法；解析工具面角的計算模型；設計控制方案并實施控制。本發明專利技術提供了普遍適用的工具面角計算模型和控制方案設計方法，適用于各種井眼軌跡模型及導向鉆井方式，有效解決了井眼軌跡過程控制中的關鍵問題。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及油氣鉆探
，具體的說涉及一種用工具面角控制井眼軌跡的方法。
技術介紹
導向鉆井的核心任務是控制井斜角、方位角及其變化規律。工具造斜率決定了井眼軌跡的彎曲程度，而工具面角決定了工具造斜率用于改變井斜角和改變方位角的分配關系，因此工具面角是井眼軌跡控制中的一個重要參數。在現場定向施工過程中，當造斜工具入井后，在現有技術條件下其工具造斜率的可控范圍往往有限，所以用于定向造斜和控制井眼軌跡的可控參數主要是工具面角。然而，在現有技術中，工具面角的設計及計算方法主要采用井眼軌跡的空間圓弧模型，僅適用于滑動導向鉆井。對于圓柱螺線、自然曲線等井眼軌跡模型，由于沒有工具面角的求取方法，得不到工具面角的設計結果，因此現有技術在復合導向、旋轉導向等鉆井方式下，難以使用工具面角來監測和控制井眼軌跡，嚴重制約了井眼軌跡控制技術的發展和應用。
技術實現思路
本專利技術的目的在于提供一種用工具面角控制井眼軌跡的方法，以解決在旋轉導向、復合導向等鉆井方式下，難以使用工具面角來監測和控制井眼軌跡的技術問題。本專利技術提供一種用工具面角控制井眼軌跡的方法，包括：定義井眼軌跡的工具面角；構造工具面角的求取方法；解析工具面角的計算模型；設計控制方案并實施控制。所述定義井眼軌跡的工具面角是按井眼軌跡來定義工具面角，即工具面角定義為井眼軌跡的主法線方向與井眼高邊方向之間的夾角。所述構造工具面角的求取方法是建立了具有普遍適用性的工具面角計算模型，適用于各種井眼軌跡模型，可計算井眼軌跡上任一井深處的工具面角，具體計算模型為：式中，ω為工具面角，單位(°)；κα為井斜變化率，單位(°)/m；κφ為方位變化率，單位(°)/m；α為井斜角，單位(°)。其中，給出了在工程應用時工具面角的取值方法，具體為：式中：x和y分別代表工具面角計算模型中的分母和分子；sgn為符號函數。所述解析工具面角的計算模型是根據不同的井眼軌跡模型，分別給出了工具面角的具體求取方法；其中所述井眼軌跡模型包括空間圓弧模型、圓柱螺線模型、自然曲線模型和恒工具面模型。所述設計控制方案并實施控制是根據導向鉆井方式，首先選定相應的井眼軌跡模型，并按井眼軌跡的控制要求來確定井眼軌跡模型的特征參數；然后，選取適當的計算步長，求得一系列井深處的工具面角，形成工具面角的控制方案；這樣，在鉆進過程中，按照設計的工具面角控制方案，利用隨鉆測量儀器通過監測和控制工具面角，便可實現控制井眼軌跡的目的。本專利技術帶來了以下有益效果：本專利技術提供的用工具面角控制井眼軌跡的方法，能夠給出工具面角沿井眼軌跡的變化規律，根據井眼軌跡的控制要求，可以設計出各井深處的工具面角，從而得到工具面角的控制方案。按照所得到的工具面角控制方案進行鉆井施工，便可有效地監測和控制井眼軌跡。本專利技術構造了利用工具面角來控制井眼軌跡的方法，適用于各種導向鉆井方式及井眼軌跡模型，解決了井眼軌跡的過程控制問題。本專利技術的其它特征和優點將在隨后的說明書中闡述，并且，部分的從說明書中變得顯而易見，或者通過實施本專利技術而了解。本專利技術的目的和其他優點可通過在說明書、權利要求書以及附圖中所特別指出的結構來實現和獲得。附圖說明為了更清楚的說明本專利技術實施例中的技術方案，下面將對實施例描述中所需要的附圖做簡單的介紹：圖1是本專利技術實施例提供的技術方法流程圖；圖2是現有的工具面角定義示意圖；圖3是本專利技術實施例中工具面角定義的示意圖。具體實施方式以下將結合附圖及實施例來詳細說明本專利技術的實施方式，借此對本專利技術如何應用技術手段來解決技術問題，并達成技術效果的實現過程能充分理解并據以實施。需要說明的是，只要不構成沖突，本專利技術中的各個實施例以及各實施例中的各個特征可以相互結合，所形成的技術方案均在本專利技術的保護范圍之內。本專利技術實施例提供一種用工具面角控制井眼軌跡的方法，適用于各種井眼軌跡模型，在滑動導向、旋轉導向、復合導向等鉆井方式下，都能使用工具面角來監測和控制井眼軌跡。如圖1所示，本專利技術包括以下步驟：步驟S10：定義井眼軌跡的工具面角。在現有技術中，根據造斜工具的姿態來定義工具面角，即工具面角定義為造斜工具所在平面與井斜平面之間的夾角，沒有給出工具面角與井眼軌跡形態之間的關系。如圖2所示，過井底點P作井眼軌跡的法平面，稱為井底平面。井底平面與井斜平面有一個交線，該交線的增井斜方向稱為井眼高邊。井底平面與工具面也有一個交線，該交線從井底點P指向鉆頭的方向可稱為工具面方向。為敘述方便，井眼高邊和工具面方向分別用單位向量h和n來表示。這樣，工具面角ω就定義為工具面方向n與井眼高邊方向h之間的夾角。在本專利技術中，構造了造斜工具對井眼軌跡的作用關系，建立了按井眼軌跡來定義工具面角的方法。如圖3所示，對于井眼軌跡上的P點而言，井眼高邊方向與圖1中向量h的方向相同，井眼軌跡的主法線方向與圖1中向量n的方向一致。因此，對于井眼軌跡而言，工具面角ω定義為井眼軌跡的主法線方向與井眼高邊方向之間的夾角。步驟S20：構造工具面角的求取方法。在現有技術中，沒有關于井眼軌跡的定義，因此也沒有關于井眼軌跡上任一井深處工具面角的求取方法。在本專利技術中，根據工具面角的新定義和兩向量間夾角的數學定義，建立了具有普遍適用性的工具面角計算模型(步驟S21)。對于井眼軌跡上任一井深處，工具面角ω的計算模型為：式中，ω為工具面角，單位(°)；κα為井斜變化率，單位(°)/m；κφ為方位變化率，單位(°)/m；α為井斜角，單位(°)。用式(1)求取工具面角，涉及反正切函數。反正切函數的值域為(-90°，90°)，而工具面角的取值范圍為[0°，360°)。為解決二者的值域相容性問題，采用如下方法來規范工具面角的取值(步驟S22)：式中：x和y分別代表工具面角計算公式(1)中的分母和分子；sgn為符號函數。步驟S30：解析工具面角的計算模型。不同導向鉆井方式所鉆出的井眼軌跡形態也不同，可以用不同的井眼軌跡模型來表征。因此，要由步驟S20求得工具面角，首先需得到各種井眼軌跡模型的井斜角α、井斜變化率κα和方位變化率κφ公式，然后再代入式(1)計算出工具面角。本專利技術包含空間圓弧模型、圓柱螺線模型、自然曲線模型和恒工具面模型等井眼軌跡模型。每種井眼軌跡模型都分別有2個特征參數，它們決定了井眼軌跡的空間形態。在設計工具面角的控制方案時，這些特征參數往往為已知數據，也可以根據井眼軌跡控制要求來確定。在已知特征參數條件下，若當前井深為LA、井斜角為αA、方位角為φA，按如下方法計算井眼軌跡上任一井深L處的工具面角ω：①空間圓弧模型(步驟S31)其中ε＝κ(L-LA)(4)式中：ωA為初始工具面角，即當前井深LA處的工具面角，單位(°)；κ為井眼曲率，單位(°)/m；L為井深，單位m；ε為彎曲角，單位(°)。②圓柱螺線模型(步驟S32)式中：κv和κh分別為井眼軌跡在垂直剖面圖和水平投影圖上的曲率，單位均為(°)/m。③自然曲線模型(步驟S33)式中：κα和κφ分別為井斜變化率和方位變化率，單位均為(°)/m。④恒工具面模型(步驟S34)恒工具面模型的工具面角ω保持為常數，即不隨井深變化。若繼續鉆進至井深LB時，要求達到的井斜角為αB、方位角為φB，則用以下公式計算工具面角：步驟S40：設計控制方案本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種用工具面角控制井眼軌跡的方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟：定義井眼軌跡的工具面角；構造工具面角的求取方法；解析工具面角的計算模型；設計控制方案并實施控制。

【技術特征摘要】
1.一種用工具面角控制井眼軌跡的方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟：定義井眼軌跡的工具面角；構造工具面角的求取方法；解析工具面角的計算模型；設計控制方案并實施控制。2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述定義井眼軌跡的工具面角是按井眼軌跡來定義工具面角，即工具面角定義為井眼軌跡的主法線方向與井眼高邊方向之間的夾角。3.根據權利要求2所述的方法，其特征在于，所述構造工具面角的求取方法是建立了具有普遍適用性的工具面角計算模型，適用于各種井眼軌跡模型，可計算井眼軌跡上任一井深處的工具面角，具體計算模型為：tanω=κφκαsinα]]>式中，ω為工具面角；κα為井斜變化率；κφ為方位變化率；α為井斜角。4.根據權利要求3所述...

【專利技術屬性】
技術研發人員：劉修善，
申請(專利權)人：中國石油化工股份有限公司，中國石油化工股份有限公司石油工程技術研究院，
類型：發明
國別省市：北京;11