CN106639879A - 一种底部钻具组合造斜率预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种底部钻具组合造斜率预测方法，包括以下步骤：首先利用室内实验方法测定或实钻井史资料反演得到钻头和地层各向异性指数；综合考虑底部钻具结构、钻井工艺参数、井眼几何形状、钻头各向异性以及地层各向异性、地层倾角和倾向等各种因素影响，建立钻进趋势角A_r与井眼曲率K_h之间的关系；令A_r＝0，反算井眼曲率K_h大小，则此时井眼曲率大小K_h即等于底部钻具组合的造斜率。本发明考虑因素全面，造斜率预测精度高，为今后复杂结构井底部钻具组合的优化设计提供了一种新的理论依据和分析手段。

Description

一种底部钻具组合造斜率预测方法

技术领域

本发明涉及一种复杂结构井设计与施工过程中的底部钻具组合造斜率预测方法，属于石油天然气钻井、地质勘探以及矿山钻探技术领域。

背景技术

井眼轨迹控制一直是钻井过程中的一项重要工作,对底部钻具组合结构的合理配置以及钻井参数的选取是该项工作顺利进行的基础。长期以来，国内外有关专家和学者在底部钻具组合力学分析、钻头与地层交互作用分析及钻具造斜率的计算等方面开展了大量的研究工作，取得了许多科研成果。

关于钻具组合钻进趋势的评价及预测，现有常用方法主要有以下几种：

(1)“三点定圆法”：是一种针对导向螺杆钻具的几何造斜率计算方法。该方法优点在于计算简单，并且得到的是底部钻具的“造斜率”指标，便于指导现场技术人员使用。但是该方法的缺点也十分突出，比如，未考虑钻具受力与变形对造斜率的影响，未考虑地层倾角、地层各向异性等因素的影响，等等。

(2)“钻头侧向力”：是一种利用作用在钻头上的侧向力大小来进行底部钻具钻进趋势评价的方法。尽管该方法能够定性、准确地判断钻具组合的增降斜趋势，但是该方法没有考虑地层倾角、地层各向异性以及钻头特性等因素的影响，并且由于现场技术人员无法根据钻头侧向力的大小来准确判断钻具组合的造斜率大小，因此不便于指导现场人员使用。

(3)“平衡曲率法”：认为当钻具造斜趋势达到平衡状态以后，底部钻具组合的造斜率应与钻头侧向力值为零时的井眼曲率大小相等。该方法得到的是“造斜率”指标，便于指导现场应用，但是该方法同样没有考虑地层倾角、地层各向异性以及钻头特性等因素对造斜率的影响，因此多数情况下与现场实际造斜率结果存在较大误差。

(4)“极限曲率法”：极限曲率法的计算原理基本上同平衡曲率法，首先通过钻具受力变形分析，求得钻头侧向力为零时的井眼曲率值，然后根据钻井实践，引入两个经验系数A和B，进而得到钻具的造斜率。该方法的缺点在于钻具造斜率的计算精度受A、B两个系数的合理选取影响较大，与使用者的钻井经验密切相关。

(5)“钻进趋势角”：定义为钻头在地层中将要钻进的方向与井底井眼轴线切线方向之间的夹角。利用“钻进趋势角”进行底部钻具钻进趋势的评价，其优点在于该方法考虑因素比较全面，它综合考虑了钻具结构、钻进参数、钻头特性及地层性质等各种因素的影响，但是其缺点与“钻头侧向力”方法一样，不便于指导现场人员使用。

综上分析，若能够建立一种既考虑因素全面、又可以得到钻具“造斜率”指标的预测方法，将可以为今后复杂结构井底部钻具组合的优化设计提供一种新的理论依据和分析手段。

发明内容

本发明目的在于提供一种复杂结构井设计与施工过程中的底部钻具组合造斜率预测方法，既考虑钻头特性、地层性质等各种因素影响，又可以得到钻具“造斜率”大小，便于指导现场技术人员使用。

本发明的技术方案按照以下步骤进行：

步骤1：利用室内实验方法测定或实钻井史资料反演，得到钻头各向异性指数I_b和地层各向异性指数I_r两个参数；

步骤2：考虑底部钻具结构、钻井工艺参数、井眼几何形状等影响因素，建立钻头力学特性参数与井眼曲率K_h之间的关系；

步骤3：基于钻头与地层相互作用模型，综合考虑钻头力学特性、钻头各向异性、地层各向异性以及地层倾角和倾向等因素影响，得到钻进趋势角A_r的计算表达式；

步骤4：令A_r＝0，反算井眼曲率K_h大小，则此时井眼曲率大小K_h即等于底部钻具组合的造斜率。

本发明的技术特点还在于，所述的底部钻具组合可以是常规钻具组合、螺杆钻具组合、自动垂直钻井系统以及旋转导向钻井系统等所有钻具类型。

另外，步骤3中的钻进趋势角A_r可以根据如下公式计算：

其中：

w₁＝k₁₁s₁+k₂₁s₂+k₃₁s₃

w₂＝k₁₂s₁+k₂₂s₂+k₃₂s₃

w₃＝I_r(k₁₃s₁+k₂₃s₂+k₃₃s₃)

s₁＝I_bI_r cosα_f+I_r(1-I_b)cosα_af cosα_a

s₂＝I_bI_r cosβ_f+I_r(1-I_b)cosα_af cosβ_a

s₃＝I_bI_r cosγ_f+I_r(1-I_b)cosα_af cosγ_a

cosα_a＝cos A_αcos A_φ

cosβ_a＝sin A_φ

cosγ_a＝sin A_αcos A_φ

式中，α_f、β_f、γ_f分别为钻头合力矢量与井底坐标系三坐标轴的夹角；α_a、β_a、γ_a分别为钻头轴向方向矢量与井底坐标系三坐标轴的夹角；α_af为钻头合力矢量与钻头轴向方向矢量的夹角；P_B为作用在钻头上的钻压；α、φ分别表示井底的井斜角、方位角；β、分别为地层倾角和地层倾向；N_Bα、N_Bφ分别为作用在钻头上的变井斜力和变方位力；A_α、A_φ分别为钻头轴向方向矢量与井斜平面、方位平面的夹角。

本发明的有益效果是综合考虑了底部钻具结构、钻井工艺参数、井眼几何形状、钻头各向异性以及地层各向异性、地层倾角和倾向等各种因素的影响，并且具有较高的造斜率预测精度，为今后底部钻具组合的优化设计提供了一种新的理论依据和分析手段。

附图说明

图1为利用本发明方法计算得到的不同钻压下的理论造斜率与现场实钻造斜率的结果对比图。

图2为本发明一种底部钻具组合造斜率预测方法步骤图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

某油田1口完钻井井深5236m，水平段长1362m，最大井斜88.1°，方位160°。水平段钻进期间，使用“双扶正器”常规钻具组合：Ф152.4mmPDC钻头×0.25m+双母接头×0.38m+Φ148mm扶正器×1.41m+Ф120mm短钻铤×5.88m+Φ147mm扶正器×1.41m+Ф120mm无磁钻铤×9.17m+Ф120mm钻铤×9m+Ф101.6mm钻杆，施加钻压40～80kN，实钻造斜率为-2.13～2.37°/100m，取得了较好的稳斜钻进效果，见图1中的黑色实线所示。其他相关参数为：钻井液密度1.45g/cm³，井眼扩大率4％，目的层倾角3°，地层倾向10°。

为了计算该井“双扶正器”钻具组合的理论造斜率，利用本发明底部钻具组合造斜率预测方法，按照以下步骤进行：

首先，利用邻井的实钻资料(主要是实钻造斜率随钻压变化规律)针对该区块所使用钻头及地层的各向异性进行了反演，经反演该井的钻头和地层各向异性指数分别为0.25和0.95。

其次，将反演得到的钻头和地层各向异性指数以及钻井液密度、井眼扩大率等相关参数代入本发明提供的造斜率计算方法，可以得到不同钻压下该“双扶正器”钻具组合的理论造斜率结果，如图1中的红色直线所示。

通过对比不同钻压下“双扶正器”钻具组合的理论造斜率与实钻造斜率的结果，可以看出理论造斜率和实钻造斜率误差小于1°/100m，表明本发明提供的一种底部钻具组合造斜率预测方法具有较高的预测精度，完全能够满足现场应用的需要。

Claims (3)

1.一种底部钻具组合造斜率预测方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：利用实验方法测定或实钻井史资料反演，得到钻头各向异性指数I_b和地层各向异性指数I_r两个参数；

步骤2：考虑底部钻具结构、钻井工艺参数、井眼几何形状等影响因素，建立钻头力学特性参数与井眼曲率K_h之间的关系；

步骤3：基于钻头与地层相互作用模型，综合考虑钻头力学特性、钻头各向异性、地层各向异性以及地层倾角和倾向等因素影响，得到钻进趋势角A_r的计算表达式；

步骤4：令A_r＝0，反算井眼曲率K_h大小，则此时井眼曲率大小K_h即等于底部钻具组合的造斜率。

2.根据权利要求1所述的一种底部钻具组合造斜率预测方法，其特征在于，所述的底部钻具组合可以是常规钻具组合、螺杆钻具组合、自动垂直钻井系统以及旋转导向钻井系统等所有钻具组合类型。

3.根据权利要求1所述的一种底部钻具组合造斜率预测方法，其特征在于，所述步骤3中，钻进趋势角A_r的计算公式如下：

$A_r=arccos\left(\frac{k_{11}{w}_1+k_{12}{w}_2+k_{13}{w}_3}{\sqrt{w_1^2+w_2^2+w_3^2}}\right)$

其中：

w₁＝k₁₁s₁+k₂₁s₂+k₃₁s₃

w₂＝k₁₂s₁+k₂₂s₂+k₃₂s₃

w₃＝I_r(k₁₃s₁+k₂₃s₂+k₃₃s₃)

s₁＝I_bI_rcosα_f+I_r(1-I_b)cosα_afcosα_a

s₂＝I_bI_rcosβ_f+I_r(1-I_b)cosα_afcosβ_a

s₃＝I_bI_rcosγ_f+I_r(1-I_b)cosα_afcosγ_a

${\mathrm{cos\α}}_f=\frac{P_B}{\sqrt{P_B^2+N_{B\mathrm{\α}}^2+N_{B\mathrm{\φ}}^2}}$

${\mathrm{cos\β}}_f=-\frac{N_{B\mathrm{\φ}}}{\sqrt{P_B^2+N_{B\mathrm{\α}}^2+N_{B\mathrm{\φ}}^2}}$

${\mathrm{cos\γ}}_f=\frac{N_{B\mathrm{\α}}}{\sqrt{P_B^2+N_{B\mathrm{\α}}^2+N_{B\mathrm{\φ}}^2}}$

cosα_a＝cos A_αcos A_φ

cosβ_a＝sin A_φ

cosγ_a＝sin A_αcosA_φ

${\mathrm{cos\α}}_{af}=\frac{P_B\cos A_{\mathrm{\α}}\cos A_{\mathrm{\φ}}-N_{B\mathrm{\φ}}\sin A_{\mathrm{\φ}}+N_{B\mathrm{\α}}\sin A_{\mathrm{\α}}\cos A_{\mathrm{\φ}}}{\sqrt{P_B^2+N_{B\mathrm{\α}}^2+N_{B\mathrm{\φ}}^2}}$

式中，α_f、β_f、γ_f分别为钻头合力矢量与井底坐标系三坐标轴的夹角；α_a、β_a、γ_a分别为钻头轴向方向矢量与井底坐标系三坐标轴的夹角；α_af为钻头合力矢量与钻头轴向方向矢量的夹角；P_B为作用在钻头上的钻压；α、φ分别表示井底的井斜角、方位角；β、分别为地层倾角和地层倾向；N_Bα、N_Bφ分别为作用在钻头上的变井斜力和变方位力；A_α、A_φ分别为钻头轴向方向矢量与井斜平面、方位平面的夹角。