[發明專利]利用地層自然造斜規律的懸鏈線鉆井軌道設計方法

有效

• 申請號: 200610137779.7
• 申請日: 2006-10-31
• 公開（公告）號: CN101173598A
• 公開（公告）日: 2008-05-07
• 發明（設計）人: 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勘探開發研究院
• 主分類號: E21B7/06
• 分類號: E21B7/06
• 代理公司: 北京思創畢升專利事務所
• 代理人: 韋慶文

1.利用地層自然造斜規律的懸鏈線鉆井軌道設計方法；其特征是：對于由“穩斜段-圓弧段-懸鏈線段”三段式剖面組成的大位移井，或對于由“穩斜段-圓弧段-懸鏈線段-穩斜段”四段式剖面組成的大位移井，采用下述步驟設計井眼軌道：

第1步，給定已知參數：

根據設計條件確定下列參數的值：

總垂深H_t；總水平位移A_t；平移方位ψ_t；

第一個井段的段長ΔL₁；第一個井段的井斜角α₁；

圓弧井段的井斜變化率κ_α，b；

懸鏈線井段終點的井斜角α₃；

誤差允許值ε；

以及對于四段式剖面，增加給定懸鏈線井段始點的井斜角α₂；

第2步，給定方位漂移率κ^f_φ，i：

根據地層條件和自然造斜規律，從井口到目標點按垂深劃分出若干個地層單元，并給出每個地層單元的方位漂移率；其中第i個地層單元的方位漂移率記作：κ^f_φ，i；

第3步，按方位漂移規律細分井段：

對于一口具體的大位移井，按照方位漂移規律將井段細分為以下3種情況：

①一個計算單元恰好是一個井段；

②一個計算單元是一個井段的一部分，此時，該井段將包含若干個計算單元，其中每個計算單元的方位漂移率不同；第k個計算單元的方位漂移率記作κ_φ，k；

在劃分后的每個計算單元內，其方位漂移率κ_φ，k保持為常數；原來的井段數n，被細分為m段，m≥n；細分后的每一個井段稱為一個細分井段；

第4步，給定初始參數：

令：φ_0，1＝ψ_t；S_t⁰＝A_t；

第5步，計算井身剖面參數：

①對于三段式剖面，按下述公式(1)、(2)分別計算出懸鏈線井段的始點井斜角α₂和懸鏈線的特征參數a：

1sinα2-1sinα3-H0-R2sinα2S0+R2cosα2ln{tanα32tanα22}=0---(1)]]>

a=H0-R2sinα21sinα2-1sinα3---(2)]]>

其中：

H₀＝H_t-ΔL₁cosα₁+R₂sinα₁?????(3)

S₀＝S_t⁰-ΔL₁sinα₁-R₂cosα₁(4)

R2=180CKπκa,b---(5)]]>

式中：

C_κ單位換算系數，當曲率單位為：度/30米時，C_κ＝30；

?????????????????????當曲率單位為：度/100米時，C_κ＝100；

②對于四段式剖面，按下述公式(6)、(7)分別計算出懸鏈線井段的特征參數a和第四個井段的段長ΔL₄：

a=H0sinα3-S0cosα3bsinα3-ccosα3---(6)]]>

ΔL4=bS0-cH0bsinα3-ccosα3---(7)]]>

其中：

H₀＝H_t-ΔL₁cosα₁-R₂(sinα₂-sinα₁)(8)

S₀＝S_t⁰-ΔL₁sinα₁-R₂(cosα₁-cosα₂)????????????(9)

b=1sinα2-1sinα3---(10)]]>

c=ln(tanα32tanα22)---(11)]]>

第6步，計算圓弧井段的段長ΔL₂、懸鏈線井段的段長ΔL₃：

ΔL₂＝R₂(α₂-α₁)(21)

ΔL3=a(1tanα2-1tanα3)---(22)]]>

第7步，逐段計算第k個細分井段的段長ΔL_k：

①當第k個細分井段是穩斜段井段時：

ΔLk=ΔHkcosα0,k---(23)]]>

②當第k個細分井段是圓弧段井段時：

ΔLk=180CkπKα,k(αk-α0,k)---(24)]]>

③當第k個細分井段是懸鏈線段井段時：

ΔLk=a(1tanα0,k-1tanαk)---(25)]]>

其中：α_0，k為第k個細分井段的起始井斜角；

α_k為第k個細分井段的終點井斜角；

αk=α0,k+κa,kCκ(Lk-L0,k)---(26)]]>

對于第一段穩斜段：α_0，1＝α₁，

第k+1段的起始點井斜角等于第k段終點的井斜角，

即α_0，k+1＝α_k；

第8步，計算各細分井段的坐標增量：

逐個計算m個細分井段的坐標增量；

在計算第k個細分井段的北坐標增量ΔN_k、東坐標增量ΔE_k、垂深增量ΔH_k、水平長度增量ΔS_k時，分為兩種情況計算：

當第k個細分井段屬于穩斜段或圓弧段時，用(31)～(34)式；

當第k個細分井段屬于懸鏈線段時，用(40)～(43)式；

第k+1段的起始點參數等于第k段終點的參數；

①對于穩斜段或圓弧段：

αk=α0,k+Kα,kCK(Lk-L0,k)---(35)]]>

φk=φ0,k+κφ,kCκ(Lk-L0,k)---(36)]]>

在(31)～(34)式中：

AP,k=α0,k+φ0,kAQ,k=α0,k-φ0,k---(37)]]>

κP,k=κα,k+κφ,kκQ,k=κα,k-κφ,k---(38)]]>

FS(ΔL,β,χ)=180Cκπχ[sin(β+χCκΔL)-sinβ]FC(ΔL,β,χ)=180Cκπχ[cos(β+χCκ)-cosβ]---(39)]]>

②對于懸鏈線段：

ΔNk=∫L0,kLksinα(L)coaφ(L)dL---(40)]]>

ΔEk=∫L0,kLksinα(L)φ(L)dL---(41)]]>

ΔHk=∫L0,kLkcosα(L)dL---(42)]]>

ΔSk=∫L0,kLksinα(L)dL---(43)]]>

tanαk=11tanα0,k-Lk-L0,k,a---(44)]]>

φk=φ0,k+κφ,kCκ(Lk-L0,k)---(45)]]>

其中，(42)式和(43)式還可以寫成：

ΔHk=a(1sinα0,k-1sinαk)---(42b)]]>

ΔSk=alntanαk2tanα0,k2---(43b)]]>

在(31)～(45)式中：

ΔL_k第k個細分井段的段長，單位：米；

L_k??第k個細分井段終點的井深；

L_0，k第k個細分井段起點的井深；

κ_α，k??第k個細分井段的井斜變化率，單位：度/30米、度/100米；

κ_φ，k??第k個細分井段的方位漂移率，單位：度/30米、度/100米；

C_κ單位換算系數，當曲率單位為：度/30米時，C_κ＝30；

當曲率單位為：度/100米時，C_κ＝100；

α_0，k??第k個細分井段的起始井斜角，單位：度；

φ_0，k第k個細分井段的起始方位角，單位：度；

α_k??第k個細分井段的終點井斜角，單位：度；

φ_k??第k個細分井段的終點方位角，單位：度；

第9步：計算三維井眼軌道的水平長度S_t：

將按照公式(34)、(43)計算出的各井段水平長度增量代入(51)式，計算出總水平長度；

St=Σk=1mΔSk---(51)]]>

第10步：判斷計算誤差：

當|S_t-S_t⁰|＜ε時，則執行第11步；

否則，令S_t⁰＝S_t，返回到第5步，重新進行迭代計算；

第11步：計算方位超前角θ和初始方位角φ₀：

根據(31)、(32)、(40)、(41)式計算出的ΔE_k、ΔN_k，代入(52)式計算出：

將和ψ_t代入(53)、(54)式，解出θ和φ₀：

在(52)～(54)式中：

ψ_t靶點的平移方位，單位：度；

t′點的平移方位，單位：度；

第12步：井眼軌道計算：

通過(54)式計算出實際的初始方位角φ₀，進而用上述公式計算出井眼軌道上任意點的井斜角、方位角及坐標等參數，完成井眼軌道設計。