松南中浅层水平井钻完井及储层保护技术研究-黑帝庙薄油层井眼轨迹控制方法20131104

中国石油吉林油田公司对外技术协作项目开题设计报告项目名称：松南中浅层水平井钻完井及储层保护技术研究—黑帝庙薄油层井眼轨迹控制方法负责人：闫铁汇报人：刘维凯东北石油大学2013年11月10日目录四、结论三、现场应用情况分析二、技术研究内容总结一、项目总体完成情况一、项目总体完成情况序号技术水平及参数要求考核指标完成情况1建立一套适用于吉林油田薄油层井眼轨迹监测、随钻设计方法完成2形成长水平段后期水平井控制方法完成3提交完整的技术总结报告完成4技术方法现场应用2口井现场应用3口井5在相同井眼轨迹前提下提高砂岩钻遇率5%黑188提高23.7%黑187提高14.6%二、技术理论创新总结针对吉林油田黑帝庙薄油层的两个重要特点:(1)即油层中靶精度要求高；(2)油层内井眼轨迹控制困难；开展黑帝庙薄油层井眼轨道控制方法研究工作。角度偏大，易从油层顶部穿出角度偏小，易从油层底部穿出二、技术研究内容总结1薄油层水平井井眼轨迹描述及监测方法薄油层，地层倾角变化使得井眼轨迹在油层最佳位置穿行难，精确控制钻头走向控制难度大。因此，对于薄油层水平井井眼轨迹描述及监测要求高。薄油层水平井轨迹示意图自然曲线模型：井斜变化率和方位变化率保持为常数。方位漂移的井段0,0)]...,(),([210,0]......sin),([210,0]......sin),([210.....................cossin00QPQQCPPCQPPQQCQPQPPCQPkkkAFkAFkkALkAFkkALkAFkkLN当当当当0,0)]...,(),([210,0]......cos),([210,0)]......,(cos[210.....................sinsin00QPPPSQQSQPPQQSQPPPSQQPkkkAFkAFkkALkAFkkkAFALkkLE当当当当0)...,(0....cos00kkFkLHS当当0)...,(0.....sin00kkFkLSC当当1.1三种井眼轨迹描述方法二、技术研究内容总结圆柱螺线法示意图圆柱螺线模型：井轨迹是等变螺旋角的圆柱螺线。转盘钻进井段0............).........sin(sin0,0.....................cos)cos(cos0..............................cossin00000HHVHVkrkkRkkLN当当当0...........).........cos(cos0,0.....................sin)cos(cos0...............................sinsin00000HHVHVkrkkRkkLE当当当0)...sin(sin0..............cos00VVkRkLH当当0)...cos(cos0................sin00VVkRkLS当当二、技术研究内容总结轨迹扫描示意图空间圆弧模型：井轨迹是一斜平面上的圆弧线。装置方位角不变井段1100012000130coscoscossinsincossincoscossinsincosTTT2100022000230coscossinsincoscossinsincoscossinsinTTT31003200330sincossinsincosTTT1cos0sinRR0113112321333sinLLNTTETTHTTSdL二、技术研究内容总结1.2实钻井眼轨迹监测轨迹扫描示意图实钻井眼轨迹监测主要对实钻轨迹与设计轨道之间的偏差进行分析。本项目分析中采用最为常用的方法——法面距离扫描法进行实钻轨道监测。二、技术研究内容总结2薄油层水平井井眼轨迹预测及中靶预测分析薄油层轨迹预测是控制的基础，没有精确的参数预测，就不能实现薄油层水平井轨道准确的控制。薄油层水平井包含着陆控制和水平控制，其难度高于定向井，故提前预测轨迹趋势和中靶预测分析更加必要。中靶是对钻井施工的基本要求，同时，中靶分析是实钻轨迹监测的重要组成部分。二、技术研究内容总结2.1井眼轨迹预测分析薄油层井眼轨迹预测轨迹预测井底钻头位置预测待钻井轨迹预测主要适用于井内钻具组合未更换、钻进方式和条件没有改变时井轨迹预测。(针对不同井段选择不同的模型预测待钻轨道)二、技术研究内容总结2.2中靶分析应用井眼轨迹预测模型预测水平井井眼入靶的靶心距、偏转角等参数，对中靶情况进行分析，如果出现较大偏差即可及时进行轨道修正设计，调整钻井作业参数，提高油层中靶成功率。coscoscossinsinsincos0coscoscoscoscoseetzzzzzezzetzzzzzeetxNNyEEzHH靶平面摆放示意图22eexyr=+taneeyxq=靶心距偏转角实钻轨迹上e点与设计轨道靶点t位置关系：二、技术研究内容总结3薄油层水平井轨迹随钻修正设计方法研究由于地质勘探误差或井下事故等方面的原因需要中途改变目标点的位置时，则需要调整或重新设计新的井眼轨迹，因此，随钻修正设计是薄油层井眼轨道控制的一个重要研究内容。本项目基于空间斜平面方法进行随钻修正设计井眼轨迹，主要包括单圆弧修正轨道设计、三段式修正轨道设计、以及考虑地层参数影响的随钻修正轨道设计三种方法。二、技术研究内容总结3.1单圆弧式随钻修正设计方法单圆弧的中靶控制方案,,,coscoscossinsinsincoscossincoscossinsinsinsincoscosBTBBBBBBBBTBBBBBBBBTBBBNEH,,,cos22sin2sincostansincosBTBBTBBBBTBedRdNEHe已知当前井底坐标B和靶点坐标，即可进行单圆弧控制方案设计中靶轨道。该方法设计简便，而且具有一趟钻具即可完成施工等优点，现场应用较为广泛。因此，本项目将其作为一种重要设计方法。二、技术研究内容总结3.2三段式随钻修正设计方法三段式圆弧的中靶控制方案已知当前井底坐标B和靶点坐标，进行三段式圆弧控制方案设计中靶轨道。最为常用的是“直线—圆弧段—直线段”剖面，该方法较单圆弧法增加最后的直线稳斜段，具有方便轨迹调整等优点。这一设计优点正好适用于薄油层轨道控制。NEHTTBTNEHTBTTBNEHaaaNNbbbEEHHcccarctansincossinNEBBBHHaaaa2180LR22312TTTLLR二、技术研究内容总结3.3软着陆轨道控制软着陆轨道的控制方案软着陆控制方案常采用直线段—圆弧段—直线段—圆弧段—直线段”剖面，既要求中靶，又要达到指定的井斜角和方位角。uRLFFF22232444180RLsinarctantancoscostanECDcCECEarctansincossinNEBBBBHHaaaa222180LR223122FFFLLR初始工具面角第一圆弧长稳斜段长度第二圆弧长第一直线段第二工具面角二、技术研究内容总结3.4考虑地层特性的随钻修正设计方法研究水平井方位漂移轨道示意图针对薄油层随钻修正设计受地层倾角影响的特点，本项目针对地层变化引起的随钻修正设计方法进行改进，引入以下两方面研究内容。（1）薄油层井眼轨迹随钻修正参数计算（2）基于井斜方位漂移机理的随钻修正设计方法研究二、技术研究内容总结由于薄油层井眼轨道控制要求精度高，因此，需要考虑油层误差给薄油层轨道修正设计带来的技术困难，主要包括以下四方面研究内容。（1）确定油层水平角（2）预测地层倾角（3）确定探油顶稳斜角（4）确定目的层垂深变化范围3.4.1薄油层井眼轨迹随钻修正参数计算二、技术研究内容总结设计方位与地层走向及倾向关系（1）确定水平段井斜角当水平段与地层走向不垂直，为使水平段与地层平行，则应考虑地层视倾角影响，井眼轨道设计方位与地层走向及倾向的关系如下图所示。则水平段井斜角（上倾取“+”，下倾取“-”）0390costanarctans二、技术研究内容总结（2）地层倾角确定21021arctanLLhHH钻头沿油层下倾方向底部穿出：钻头沿油层上倾方向底部穿出：钻头沿油层下倾方向顶部穿出：钻头沿油层下倾方向顶部穿出：01212arctan+()hHHLLa轾=--犏臌（）2121arctanLLHH2112arctanLLHH二、技术研究内容总结（3）探油顶稳斜角确定探油顶及软着陆关系图探油顶的稳斜角钻头到油顶的长度探油顶总长度323arcsinsin3hkaa骣÷ç÷ç=-÷ç÷ç÷桫2121tanLLRx2(3cos)yha=221cos3tanhRL油层顶部钻进长度二、技术研究内容总结（4）目的层垂深变化下轨道设计油顶提前时轨迹与地层关系示意图电阻率探测器测点井斜角30Lsinsin121RH实际油层深度提前值二、技术研究内容总结3.4.2基于井斜方位漂移机理的随钻修正设计方法研究主要设计思想：将定向井三维漂移轨道作为一个整体来处理，根据下面列出的约束方程，求解决定井眼轨道形态的关键参数，进而设计出方位漂移轨道。这种设计思想适用于所有轨道设计问题。()22n2ii11111,01NtannitinnitiiinitiniitiEAENHHLCjkfkjj======ìï骣骣ï鼢珑ï鼢D+D=珑ï鼢珑ï鼢珑桫桫ïïïïïD=DïïíïïïD=ïïïïïïD=-ïïïî邋邋åå水平井井斜方位投影图二、技术研究内容总结4薄油层长水平段后期井眼轨迹控制技术长水平段水平井后期，井眼轨迹控制一个重要问题就是如何提高定向工具的工具面稳定性。工具面稳定性直接关系到水平段钻进过程中定向效率，特别是对于薄油层长水平段后期钻井施工过程。二、技术研究内容总结工具面稳定技术研究由于井身曲率、摩阻和钻柱扭转的影响，长水平段水平井后期致使工具面角不稳定，工具面角数值在较大范围内跳跃。针对该突出问题，本项目从以下几个方面进行研究：（1）预测的工具面角如何选取；（2）准确计算钻具反扭角；（3）优选钻具及钻井作业参数。二、技术研究内容总结工具面角对方位角变化的影响增井斜减方位(Ⅳ)增井斜增方位(Ⅰ)降井斜减方位(Ⅲ)降井斜增方位(Ⅱ)井斜平面工具平面全力减方位全力增方位应把预测的工具面角选为“Ω”变化范围的中值，提高长水平段工具面定向的准确性。（1）预测的工具面角如何选取二、技术研究内容总结（2）准确计算钻具反扭角反扭角示意图计算该井段的狗腿角计算造斜工具的实际装置角计算实际反扭角)cos(sinsincoscoscos1221211)sin/(sin)coscoscoscos1211－（实w实wsn1