三维定向井在呼唤新的技术(改)

三维定向井轨道设计和轨迹控制的新技术韩志勇石油大学(华东)石油工程学院摘要：目前三维定向井存在着设计轨道曲线与实钻扭方位方式相互脱节的现象。消除此脱节现象的方法是：针对目前的恒装置角扭方位方式，应该开发恒装置角曲线作为三维定向井轨道设计曲线；针对目前现有的轨道设计曲线（斜面圆弧、圆柱螺线和自然参数曲线），应该在MWD上开发新的显示技术，以便显示可表征这些曲线特征的参数。关键词：定向井；三维定向井；轨道设计；轨迹控制；MWD；扭方位；恒装置角曲线一．三维定向井轨迹控制存在的问题近20年来，定向井技术发展的最重大的成果，是导向钻井系统的出现。开始出现的是以弯外壳动力钻具与MWD相配合组成的滑动导向钻井系统，近年来又出现了旋转导向钻井系统。导向钻井系统的最大优点，就是一套工具下入井内后，可以增斜，可以降斜，也可以稳斜，总之可以根据设计轨道的需要钻出不同曲率的井眼。这就使轨迹控制能力大大提高，可以钻出轨迹符合率非常高的定向井。正是由于导向钻井系统的出现，才出现了长、中、短半径水平井，大位移井，分支井等各种类型的高难度定向井。可是我们也看到，这种实钻井眼曲线与设计井眼曲线的高度符合，目前仅仅存在于二维定向井中。在绝大多数二维定向井中，增斜段和降斜段均设计成铅垂平面上的圆弧曲线，只是在部分大位移井中采用变曲率曲线，例如悬链线、准悬链线等。但是不管是圆弧曲线，还是悬链线等变曲率曲线，只要是在铅垂平面上的曲线，在实钻的时候，轨迹控制方法是比较简单的：增斜时装置角（请读者注意：本文所讲的装置角，即高边模式的工具面角）为零度，降斜时装置角为180度。滑动钻进与旋转钻进的恰当组合，可以钻出设计的井眼曲线。但对于三维定向井来说，这种实钻井眼曲线与设计井眼曲线的统一，目前还做不到。目前的三维定向井，大体上有四种类型：一类是二维定向井在实钻过程中井斜角和井斜方位角出现较大偏差，需要纠偏而设计的“待钻井眼”。待钻井眼轨道目前采用的设计曲线有两种，即斜面圆弧曲线和圆柱螺旋曲线[1]。第二类是三维绕障定向井，此类井眼目前采用的设计曲线只有圆柱螺线[1]。第三种是三维多目标定向井(DesignerWells)，此类定向井要钻穿多个目标点，当井眼轨迹到达第一个目标点时，不仅要求准确的坐标位置，而且要求严格的井眼方向。这类定向井的轨道设计曲线也可使用斜面圆弧和圆柱螺线。第四种是“考虑方位漂移的定向井”，有人[2]提出使用“自然参数曲线”作为其轨道设计曲线。总之，目前三维定向井的设计轨道曲线有三种：斜面圆弧、圆柱螺线和自然参数曲线。问题在于，实际钻进时钻不出这些曲线。目前无论是用滑动导向钻井系统，还是旋转导向钻井系统，其最终原理都是迫使钻头偏向某个方向前进，都相当于控制“工具面角”，都是采用“柱面法扭方位”，即采用装置角始终不变的方法。这样钻出的井眼轴线实际上是“恒装置角曲线”。这就存在实钻井眼曲线与设计井眼曲线不统一的问题。设计曲线仅仅作为参考，施工者并不按照设计轨道去钻进。这必将给三维定向井的轨迹控制带来很大困难。解决此问题需要开发两方面的新技术：1．针对目前柱面法扭方位方式，研究恒装置角曲线，作为三维定向井轨道设计曲线；2．针对现有的斜面圆弧曲线、圆柱螺旋曲线和自然参数曲线，研究新的扭方位方式。二．四种曲线的对比如上所述，目前在三维定向井中已经使用的曲线有斜面圆弧曲线、圆柱螺旋曲线和自然参数曲线三种。本文提出一种新的曲线——恒装置角曲线，作为与目前广泛采用的“柱面法扭方位”方式相配套的三维定向井轨道设计曲线。为了对恒装置角曲线有所认识，本文对这四种曲线做一个简单比较。这四种曲线，既可以作为测斜计算的假设曲线，也可以作为三维轨道设计曲线。斜面圆弧曲线和圆柱螺旋曲线，作为测斜计算曲线和轨道设计曲线，在文献[1]中都有详细的论述。文献[3][2]对自然参数曲线作为测斜计算曲线和轨道设计曲线，作了专题探讨和论述。本文给出恒装置角曲线作为测斜计算的假设曲线而推导出的测斜计算公式。这种测斜计算方法可称为“恒装置角曲线法”。已知上下二测点的测斜参数：上测点井斜角α1，井斜方位角φ1；下测点井斜角α2，井斜方位角φ2；测段长度ΔL。求该测段的垂增ΔD、平长增量ΔS、水平坐标增量ΔN和ΔE：2ln2ln1212tgtgtg————————————————(1)cos12LK————————————————————(2)cossinsin12KD——————————————————(3)coscoscos21KS——————————————————(4)dtgtgtgKN22lncoscossin1121————————(5)dtgtgtgKE22lnsincossin1121————————(6)式中，ω为装置角；K为井眼曲率；从上述测斜计算公式可见，水平坐标增量ΔN和ΔE的计算函数是不可积分的，需要用数值法计算，这在计算机技术广泛应用的今天，这种计算已经不存在难度。采用上述四种曲线进行轨道设计，其难度要比测斜计算大得多，还有待进一步研究。下面我们以“三维单目标待钻井眼”轨道设计为例，对比四种曲线的设计结果。已知目前井底0点的参数：井深1000m，井斜角20o，井斜方位角20o，垂深950m，N坐标150m，E坐标80m；给定目标点t的坐标：垂深1100m，N坐标210m，E坐标130m；试用四种曲线分别设计该待钻井眼轨道。设计结果见表1。求得目标点t点的设计参数后，可以对整个待钻井段进行分点计算，还可求得所有分点处的井眼曲率和装置角，从而得到各种曲线的井眼曲率和装置角随着井眼长度的变化关系，如图1和图2所示。图1.四种曲线井眼曲率随井眼长度变化的关系图图2.四种曲线装置角随井眼长度变化的关系图表1.四种曲线设计结果对比曲线名称t点井斜角(o)t点井斜方位角(o)待钻井段长度(m)斜面圆弧曲线36.633351.0041170.1342圆柱螺旋曲线35.954459.6111170.3996恒装置角曲线36.289553.2792170.6888自然参数曲线38.852056.0700172.9969从图1和图2可以看出：1．圆柱螺旋曲线的曲率和装置角随着井眼长度的增大，都在大范围内变化。这显然是不利于井眼轨迹控制的。2．自然参数曲线的曲率和装置角随着井眼长度的增大，也在变化，但变化范围比圆柱螺旋曲线稍小。这同样不利于井眼轨迹控制。3．斜面圆弧曲线的曲率在整个井段都是不变的，这当然有利于轨迹控制。但斜面圆弧曲线的装置角却在较大范围内变化，即使使用MWD监测，也难以钻出真正的斜面圆弧曲线。4．恒装置角曲线的井眼曲率和装置角，在整个井段内对保持不变。在使用MWD监测的情况下，可以看着装置角进行轨迹控制。只要保持装置角不变化，就可以钻出这样的曲线。这就是恒装置角曲线的优点，也是目前三维定向井采用恒装置角曲线进行轨道设计的原因。三．两种扭方位方式的对比目前存在的扭方位方式只有两种，即斜面法扭方位和柱面法扭方位。我们先讲斜面法扭方位。斜面法扭方位钻出的井眼，理论上应该是斜面圆弧曲线。文献[1]把“工具面”定义为：“造斜工具的作用方向线和井底井眼方向线所构成的平面”。或者说，“工具面”是在使用造斜工具时，钻头前进的方向线与原井眼方向线构成的平面。斜面法扭方位就是在钻进过程中始终保持“工具面”不变，也就是说始终保持“工具面”所在的空间斜平面不变。在没有MWD的情况下，斜面法扭方位被广泛采用。其做法是：给造斜工具定向之后即锁住转盘，滑动钻进，在整个扭方位过程中不转动钻柱，这样可以保持“工具面”始终处在定向时选定的空间斜平面上。但实际上由于动力钻具反扭角难以准确计算，即使钻柱不转动，实际的工具面也不可能处在定向时选定的空间斜平面上。这就是在没有MWD情况下，实际上不可能真正做到斜面法扭方位，不可能钻出真正的斜面圆弧曲线的原因。在使用MWD监测的情况下，虽然可以观察到反扭角的大小，并据此给工具定向。但在扭方位钻进过程中，由于各种因素的影响，反扭角在不断地变化着，使实际的工具面也不可能总是处在定向时选定的空间斜平面上，实际上也不可能钻出真正的斜面圆弧曲线。这就是在使用MWD情况下，不再采用斜面法扭方位，而采用柱面法扭方位的原因。再说柱面法扭方位。柱面法扭方位钻出的井眼，理论上应该是恒装置角曲线。在没有MWD的情况下，无法监测装置角，所以不可能实现柱面法扭方位。文献[1]介绍了一种近似方法：可以事先计算每钻进一个单根后装置角的变化量，在实际扭方位过程中每钻完一个单根，转动一次钻柱，而在一个单根的钻进过程中则采用斜面法扭方位方式。这不仅从方法上说是近似的，而且同样摆脱不了反扭角的干扰。只有在使用了MWD之后，才有了真正的柱面法扭方位。因为在司钻面前可以直接看到装置角的大小，通过扭转钻柱可以随时调整装置角，以便保持装置角不变。所以应该说，在目前的MWD技术条件下，扭方位的最好方式就是柱面法扭方位，即恒装置角法扭方位。也就是说，与此扭方位方式相适应的井眼轨道曲线最好是恒装置角曲线。所以，三维定向井轨迹控制目前首先需要采用恒装置角曲线设计三维井眼轨道。上述所述只是问题的一个方面。问题的另一个方面是：在相同的设计条件下，与斜面圆弧曲线相比，恒装置角曲线设计的井段长度相对较长，需要的工具造斜率也相对较大。从表1可以看出，斜面圆弧曲线是所有四种曲线中设计井段最短的，这带来的效益乃是少打进尺；斜面圆弧曲线所需要的工具造斜率也是最小的，这将使造斜工具的选择更容易更方便。所以从理论上讲，最优的设计井眼轨道应该是斜面圆弧曲线。可是问题在于目前的MWD技术无法钻出斜面圆弧曲线的井眼，这就使设计轨道与实钻曲线相脱节。所以本文认为，三维定向井还需要另一方面的技术，即新的MWD显示技术。这种MWD不仅可以显示装置角(包括磁北模式的工具面角)，而且可以显示斜面法扭方位的所选定的空间斜平面的特性参数，司钻可以看到这个特性参数，从而控制这个参数，彻底摆脱反扭角的干扰，钻出真正的斜面圆弧曲线来。另外，圆柱螺旋曲线和自然参数曲线，也并非一无是处。有些三维定向井采用圆柱螺旋曲线或自然参数曲线进行设计比较容易，而采用斜面圆弧曲线或恒装置角曲线进行设计则相当困难。所以三维定向井也需要未来的MWD能够根据设计曲线需要，可以显示出表征圆柱螺旋曲线和自然参数曲线特性的参数，以便控制此参数，钻出圆柱螺旋曲线和自然参数曲线来。MWD每一个新的显示技术，就意味着一个新的扭方位方式。三维定向井的发展迫切需要与斜面圆弧、圆柱螺线和自然参数曲线相对应的扭方位方式。本文衷心希望此项MWD技术能够在中华大地上诞生，诚心呼吁我国有关MWD的研制和生产厂家，重视此项技术的开发。四．结论1．目前三维定向井存在着设计轨道曲线与实钻轨迹曲线相互脱节的现象。现有的设计曲线有三种：斜面圆弧曲线、圆柱螺旋曲线和自然参数曲线。但目前使用MWD时采用的扭方位方式只能钻出恒装置角曲线。2．解决这种脱节现象的方法之一：采用恒装置角曲线进行三维定向井轨道设计，以便与目前广泛采用的柱面法扭方位（或称为“恒装置角法”扭方位）方式相一致。3．解决这种脱节现象的方法之二：开发MWD的显示技术，开发新的扭方位方式。未来的MWD不仅可以显示与恒装置角曲线相配合的装置角（即高边模式的工具面角），还应该显示与斜面圆弧曲线、圆柱螺旋曲线、自然参数曲线相配合的某种特征参数。4．未来的三维定向井，应该是设计轨道曲线与实钻扭方位方式的高度统一。参考文献1韩志勇·定向井设计与计算·北京：石油工业出版社，19892刘修善等·三维漂移轨道的设计方法·北京：石油学报，1995，16（4）3刘修善等·一种测斜计算新方法——自然参数法·北京：石油学报，1998，19（4）作者简介：韩志勇，男，1937年生，1962年毕业于北京石油学院有井工程专业，同时留校任教，现为石油大学（华东）石油工程学院教授。3D-Directional-WellsAreCalling