一种基于旋转导向钻井的水平井方向优先着陆控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于旋转导向钻井的水平井方向优先着陆控制方法，其包括以下步骤：计算井底点的轨迹参数；建立旋转导向钻井条件下的着陆轨迹约束方程；选取入靶方位角并设计着陆轨迹的水平投影图；选取入靶井斜角并设计着陆轨迹的垂直剖面图；判别入靶点是否位于靶区范围内；优化着陆控制方案并输出最优方案的设计结果。本发明结合旋转导向钻井的工艺技术特点，在优先满足水平井入靶方向要求的前提下，通过计算并判别入靶位置，采用单一的导向钻井工艺和技术参数实现了着陆入靶，从而用最简单的工艺和最少的工序来满足水平井着陆控制要求，技术方案简明、实用性强。
【专利说明】一种基于旋转导向钻井的水平井方向优先着陆控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及石油钻井工程领域，尤其涉及一种基于旋转导向钻井的水平井方向优先着陆控制方法。
【背景技术】
[0002]井眼轨迹控制是一个复杂的多扰动控制过程，要使实钻轨迹与设计轨道完全吻合是不可能的，工程上允许二者之间存在一定的误差。当二者误差较大时，则需要修正设计从当前井底到靶点的井眼轨道。这种修正轨道(也称待钻井眼)设计主要有两种方案:一是中靶控制方案，中靶控制方案只要求击中给定的靶区，而对进入靶区的井斜角和方位角没有严格的限制。二是软着陆控制方案，软着陆控制方案既给定了入靶点的空间位置，也给定了入靶点的井眼方向。
[0003]现有的井眼轨迹控制技术无论是中靶控制方案还是软着陆控制方案，至少需要2个井段甚至多达5个井段。而每个井段会采用不同的导向钻井方式和工艺技术参数，并且涉及到若干次的起下钻(起下钻次数=井段数-1)。在钻井施工过程中，钻头距离靶区窗口越近，其轨迹控制要求越高。水平井着陆控制的关键阶段往往位于距靶区窗口数十米的范围内，此时不仅要满足着陆入靶要求，还应尽量采用最简单的工艺及工序，减少施工难度，提高井身质量。另外，现有的着陆轨迹控制也不涉及靶区窗口(靶平面)、入靶井斜角和方位角的校核等问题。
[0004]综上，现有的着陆轨迹控制方案有以下不足:(I)工艺复杂，需要多个井段才能实现中靶着陆控制；(2)中靶控制方案不涉及靶平面、入靶方向和入靶位置的校核等问题；
(3)没有中靶控制方案的优化方法。
【发明内容】
[0005]本发明针对现有技术中着陆轨迹控制方案的不足，提出了一种在旋转导向钻井条件下的水平井方向优先着陆控制方法。该方法包括以下几个步骤:
[0006]S101、根据随钻测量所获取的测斜数据，按实际使用的导向钻井工艺，采用外推法计算井底点的轨迹参数，所述轨迹参数包括所述井底点的井斜角、方位角和空间坐标；
[0007]S102、建立旋转导向钻井条件下的着陆轨迹约束方程，形成着陆轨迹与靶区的约束关系，作为着陆控制方案的设计条件；
[0008]S103、在工程实际允许的方位角范围内选取入靶方位角，根据着陆轨迹的约束方程以及所选的入靶方位角和所述井底点的轨迹参数，按圆柱螺线轨迹模型设计着陆轨迹的水平投影图，得到着陆轨迹在水平投影图上的关键技术参数，所述着陆轨迹在水平投影图上的关键技术参数包括曲率、水平投影长度和入靶点在靶点坐标系下的横坐标；
[0009]S104、在工程实际允许的井斜角范围内选取入靶井斜角，根据着陆轨迹的约束方程以及所选取的入靶井斜角、所述井底点的轨迹参数和着陆轨迹的水平投影长度，设计着陆轨迹的垂直剖面图，得到着陆轨迹在垂直剖面图上的关键技术参数，所述着陆轨迹在垂直剖面图上的关键技术参数包括曲率、井段长度和入靶点在靶点坐标系下的纵坐标；
[0010]S105、根据所求得的入靶点在靶点坐标系下的坐标判别所述入靶点是否位于靶区范围内，如果是，则执行下一个步骤，如果否，则调整入靶方向并重复步骤S103和步骤S104，直到满足所选的入靶方向对应的入靶位置位于靶区范围内为止；
[0011]S106、继续优化着陆控制方案，用纵横网格线将井斜角和方位角的允许范围划分成若干个单元，将每个纵横网格线的交点作为一个入靶方向，采用步骤S103到S104的方法计算出各入靶方向所对应的入靶位置，综合考虑所述入靶方向和入靶位置，选取较优的入靶方向区域，进一步细划网格线，不断优化着陆控制方案，得到最优的着陆控制方案；
[0012]S107、根据所述最优的着陆控制方案，按圆柱螺线模型计算着陆轨迹的分点参数，并以图表形式输出设计结果，作为水平井着陆控制施工的依据。
[0013]根据本发明的一个实施例，按照以下步骤建立旋转导向钻井条件下的着陆轨迹约束方程:[0014]S201、建立以首祀点为原点的祀点坐标系t-xyz,其中，x轴铅垂向上，y轴水平向右，z轴为靶平面的法线方向；
[0015]S202、建立靶点坐标系t-xyz与井口坐标系O-NEH的转换关系:
【权利要求】
1.一种基于旋转导向钻井的水平井方向优先着陆控制方法，其特征在于，包括以下步骤:S101、根据随钻测量所获取的测斜数据，按实际使用的导向钻井工艺，采用外推法计算井底点(b)的轨迹参数,所述轨迹参数包括所述井底点(b)的井斜角、方位角和空间坐标； S102、建立旋转导向钻井条件下的着陆轨迹约束方程，形成着陆轨迹与靶区的约束关系，作为着陆控制方案的设计条件； S103、在工程实际允许的方位角范围内选取入靶方位角，根据着陆轨迹的约束方程以及所选的入靶方位角和所述井底点(b)的轨迹参数，按圆柱螺线轨迹模型设计着陆轨迹的水平投影图，得到着陆轨迹在水平投影图上的关键技术参数，所述着陆轨迹在水平投影图上的关键技术参数包括曲率、水平投影长度和入靶点(e)在靶点坐标系下的横坐标； 5104、在工程实际允许的井斜角范围内选取入靶井斜角，根据着陆轨迹的约束方程以及所选取的入靶井斜角、所述井底点(b)的轨迹参数和着陆轨迹的水平投影长度，设计着陆轨迹的垂直剖面图，得到着陆轨迹在垂直剖面图上的关键技术参数，所述着陆轨迹在垂直剖面图上的关键技术参数包括曲率、井段长度和入靶点(e)在靶点坐标系下的纵坐标； S105、根据所求得的入靶点(e)在靶点坐标系下的坐标判别所述入靶点(e)是否位于靶区范围内，如果是，则执行下一个步骤，如果否，则调整入靶方向并重复步骤S103和步骤S104，直到满足所选的入靶方向对应的入靶位置位于靶区范围内为止； S106、继续优化着陆控制方案，用纵横网格线将井斜角和方位角的允许范围划分成若干个单元，将每个纵横网格线的交点作为一个入靶方向，采用步骤S103到S104的方法计算出各入靶方向所对应的入靶位置，综合考虑所述入靶方向和入靶位置，选取较优的入靶方向区域，进一步细划网格线，不断优化着陆控制方案，得到最优的着陆控制方案； S107、根据所述最优的着陆控制方案，按圆柱螺线模型计算着陆轨迹的分点参数，并以图表形式输出设计结果，作为水平井着陆控制施工的依据。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，按照以下步骤建立旋转导向钻井条件下的着陆轨迹约束方程: S201、建立以首祀点(t)为原点的祀点坐标系t-xyz,其中，X轴铅垂向上，y轴水平向右，z轴为靶平面的法线方向； S202、建立靶点坐标系t-xyz与井口坐标系O-NEH的转换关系:
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，在执行步骤S103时，按照以下步骤设计着陆轨迹的水平投影图:首先，基于所选取的入靶方位角与井底方位角判别着陆轨迹在水平投影图上的曲率取值
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，在执行步骤S104时，按照以下步骤设计着陆轨迹的垂直剖面图: 首先，基于所选取的入靶井斜角与井底井斜角判别着陆轨迹在垂直剖面图上的曲率取值
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，按照以下公式判别所述入靶点(e)是否位于靶区范围内:
【文档编号】E21B7/04GK103883251SQ201310146414
【公开日】2014年6月25日 申请日期:2013年4月24日 优先权日:2013年4月24日
【发明者】刘修善 申请人:中国石油化工股份有限公司, 中国石油化工股份有限公司石油工程技术研究院