定向鉆進(jìn)軌跡控制誤差矢量分析方法及工程應(yīng)用

吳翔，王天放，賀冰新，陳振榮

(1.中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院，湖北武漢430074;2.山東省魯南地質(zhì)工程勘察院，山東兗州272100; 3.中國地質(zhì)大學(xué)圖書館，湖北武漢430074)

定向鉆進(jìn)軌跡控制誤差矢量分析方法及工程應(yīng)用

吳翔1，王天放2，賀冰新3，陳振榮1

(1.中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院，湖北武漢430074;2.山東省魯南地質(zhì)工程勘察院，山東兗州272100; 3.中國地質(zhì)大學(xué)圖書館，湖北武漢430074)

定向鉆進(jìn)中，實(shí)鉆軌跡與設(shè)計(jì)控制目標(biāo)之間往往存在誤差，誤差的定量分析對(duì)軌跡調(diào)整與精度控制至關(guān)重要。論文依據(jù)定向鉆進(jìn)矢量控制原理，分析研究了造斜工具實(shí)鉆矢量與設(shè)計(jì)軌跡控制矢量之間的誤差，根據(jù)實(shí)際鉆進(jìn)軌跡參數(shù)，得出了一種誤差定量化分析、產(chǎn)生誤差綜合作用方向角度和強(qiáng)度的簡便計(jì)算方法。如果可以確知誤差產(chǎn)生于地層自然造斜作用，該方法還可用于地層的各向異性分析和自然造斜作用分析。該方法在地質(zhì)勘探多回次、短鉆程定向鉆進(jìn)工程實(shí)踐中取得了很好的應(yīng)用效果，在隨鉆測量大鉆程定向鉆進(jìn)軌跡的快速準(zhǔn)確調(diào)整中也具有應(yīng)用價(jià)值。

定向鉆進(jìn)誤差分析矢量分析軌跡控制

Wu Xiang，Wang Tian－fang，He Bing－xin，Chen Zhen－rong.A vector analysis method for directional drilling trajectory control and its application to engineering［J］.Geology and Exploration，2012，48(4):0835－0839．

1 問題的提出

定向鉆進(jìn)中，鉆孔軌跡參數(shù)的定向控制是實(shí)現(xiàn)定向鉆孔或鉆孔糾斜達(dá)到預(yù)期造斜目標(biāo)的重要保證，然而，由于諸多因素的影響，設(shè)計(jì)參數(shù)與實(shí)際定向鉆進(jìn)結(jié)果存在有一定的誤差，如果實(shí)鉆軌跡與設(shè)計(jì)軌跡之間的偏差超出了允許范圍，就需要進(jìn)行軌跡誤差分析與參數(shù)設(shè)計(jì)修正(劉修善等，2002;向軍文，2007;向軍文，2010)。在不考慮設(shè)計(jì)計(jì)算錯(cuò)誤、定向機(jī)具故障和人為定向錯(cuò)誤的前提下，影響定向鉆進(jìn)精度的影響因素主要有:螺桿鉆具組合差與反扭轉(zhuǎn)角的補(bǔ)償精度、地層的自然造斜作用等(黃才啟，1993;T.A.英格里斯，1995;劉濤等，2011)。理論與實(shí)踐中雖然已有一定原則、方法供設(shè)計(jì)參考，但是，由于誤差產(chǎn)生的多元性，特別是當(dāng)存在不確定因素時(shí)，對(duì)誤差的定量分析則因其較為復(fù)雜而少有涉及。本文提出的定向鉆進(jìn)軌跡誤差控制的矢量分析法是基于在同樣地層和造斜器具及工藝條件下根據(jù)上一回次造斜鉆進(jìn)實(shí)際效果的黑箱修正方法，并在工程中取得了較好的實(shí)際應(yīng)用效果。

2 矢量分析方法原理

以重力高邊安裝角為例，定向鉆進(jìn)軌跡控制矢

圖1 矢量誤差分析方法原理Fig.1Principle of vector error analysis

將公式(1)中的θ1、α1替換為實(shí)際造斜鉆進(jìn)結(jié)束后測量得到的回次造斜終點(diǎn)頂角θ2、方位角α2，可以計(jì)算得到該回次造斜工具在孔內(nèi)的實(shí)際安裝角β2，由此可以得到二者誤差△β。

造斜強(qiáng)度i1取決于造斜工具的類型(螺桿鉆具的造斜強(qiáng)度取決于選配的造斜件)，對(duì)于確定的造斜工具組合、工藝和地層，其造斜強(qiáng)度i1一般為定值，可由工程經(jīng)驗(yàn)確定(吳景華，1997;吳振江等，2009)。

實(shí)際定向鉆進(jìn)的造斜強(qiáng)度i2可根據(jù)該回次造斜段長△L和造斜前后的頂角、方位角的變化量由公式(2)計(jì)算得到(韓志勇，1989;江天壽等，1994;吳翔等，2006)。

由矢量關(guān)系，推導(dǎo)得到:

3 矢量分析方法在ZK1003孔的應(yīng)用

ZK1003為山東某鐵礦床勘探鉆孔，設(shè)計(jì)鉆孔深度1300m，孔深700m以上地層主要為頁巖、頁巖夾灰?guī)r、粉砂巖等，下部地層以黑云變粒巖為主。由于礦體產(chǎn)狀陡斜，鉆孔設(shè)計(jì)為頂角20°、方位角20°的斜直孔，開孔孔徑為Φ91mm，鉆進(jìn)至300m，下Φ89mm套管，換S75繩索取心鉆具，鉆進(jìn)至終孔。

該孔鉆進(jìn)至650m時(shí)，頂角基本保持不變，但鉆孔方位角受自然造斜規(guī)律影響不斷減小，650m處方位角為5.6°，鉆進(jìn)至685m，方位角降至1°，孔斜超差，如若繼續(xù)鉆進(jìn)，難以達(dá)到勘探要求。根據(jù)礦區(qū)以往鉆孔勘探經(jīng)驗(yàn)，下部地層鉆進(jìn)鉆孔頂角和方位角有一定程度的自然增加趨勢(shì)，因此，結(jié)合礦區(qū)勘探精度要求，ZK1003鉆孔糾斜控制目標(biāo)為:頂角＞16°，方位角＞16°。

造斜鉆進(jìn)主要設(shè)備為:XY－6B立軸巖心鉆機(jī)，BW－320泥漿泵，JTC－2動(dòng)調(diào)陀螺測斜儀，DXY－1定向儀，3LZ－60螺桿鉆。造斜鉆具組合:Φ75電鍍金剛石造斜鉆頭+Φ73分水接頭+3LZ－60螺桿+0.75°彎外管(1.0°彎外管)+Φ60定向接頭+ Φ55.5繩索取心鉆桿18m+上部Φ71繩索取心鉆桿。

自685m進(jìn)行了三個(gè)回次的造斜鉆進(jìn)，定向糾斜目標(biāo)以增方位為主，適當(dāng)減小鉆孔頂角，螺桿鉆具(0.75°彎外管)在孔內(nèi)的定向安裝采用經(jīng)驗(yàn)估算法，反扭轉(zhuǎn)角取35°并補(bǔ)償鉆具組合差，實(shí)際造斜鉆進(jìn)效果除第一回次鉆孔方位角略有增加以外，其他二回次方位角基本不變甚至略有降低，而鉆孔頂角降低，與設(shè)計(jì)糾斜目標(biāo)有很大偏差。自第4回次造斜，換1.0°彎外管螺桿鉆具，根據(jù)糾斜目標(biāo)精確計(jì)算定向安裝角，反扭轉(zhuǎn)角取30°，再次進(jìn)行了二回次的造斜鉆進(jìn)，糾斜鉆進(jìn)效果見表1，有一定效果，但仍然與設(shè)計(jì)糾斜目標(biāo)有一定偏差。

表1 ZK1003鉆孔第1～5回次糾斜鉆進(jìn)效果表Table1 Correcting drift results of the trips 1～5 in drillhole ZK1003

表中第5回次系采用S75繩索取心常規(guī)鉆進(jìn)6m，頂角與方位角由鉆進(jìn)前的17.2°降為16.1°，方位角由鉆進(jìn)前的7.7°降為2.8°。分析達(dá)不到預(yù)期糾斜目標(biāo)的原因可能來自于造斜鉆具組合差測量、補(bǔ)償反扭轉(zhuǎn)角、地層的造斜作用等方面的影響，但地表再次檢查儀器和鉆具組合差，均未發(fā)現(xiàn)異常和錯(cuò)誤，由于影響因素的不確定性，引入矢量分析方法研究了第4回次和第6回次造斜鉆進(jìn)情況。

第4回次:按目標(biāo)頂角20°、目標(biāo)方位角20°計(jì)算，依據(jù)公式(1)，設(shè)計(jì)安裝角β1取值為82°，反扭角取值為30°，根據(jù)該回次造斜鉆進(jìn)結(jié)果反算孔內(nèi)造斜工具實(shí)際安裝角β2為121.9°，誤差Δβ為39.9°，按一般情況，此誤差超過反扭角的變化范圍(吳景華，1997;滕子軍等，2004)，因此，將該誤差值設(shè)定為綜合因素影響黑箱值。依據(jù)公式(2)、(3)、(4)，取i1為0.35°/m(劉廣志，1999;吳翔等，2000)，可分別計(jì)算得到i2為0.342°/m，i3為0.237°/m，β3為193.7°。

第6回次:目標(biāo)頂角與方位角不變，設(shè)計(jì)計(jì)算安裝角β1取值為62°，反扭角取值為40°，反算實(shí)際安裝角β2為84°，差值為22°，但是，此時(shí)反扭角取值為40°，對(duì)應(yīng)相同定向儀讀數(shù)下，安裝角等效于減小了10°，實(shí)際黑箱值32°。i1同樣取為0.35°/m，得到i2為0.276°/m，i3為0.111°/m，β3為194.6°。

顯然，從第5回次和第6回次矢量分析計(jì)算結(jié)果來看，二回次造斜鉆進(jìn)中影響因素綜合作用角度β3基本穩(wěn)定在193°～195°，造成的實(shí)際定向安裝角誤差△β約為32°～40°。

根據(jù)分析結(jié)果，對(duì)后續(xù)的第7回次、第8回次糾斜定向進(jìn)行了黑箱補(bǔ)償修正，取黑箱修正Δβ為36°，糾斜鉆進(jìn)控制參數(shù)及效果見表2。

表2 ZK1003第4．6～8回次糾斜鉆進(jìn)誤差分析及定向參數(shù)效果控制表Table2 Correcting error analysis and directional control effect of trips 4．6～8 in drillhole ZK1003

由造斜終點(diǎn)的頂角與方位角測斜數(shù)據(jù)，第7～8回次糾斜效果非常理想，定向安裝角和反算實(shí)際安裝角分別誤差－4.2°、1.8°，實(shí)鉆軌跡參數(shù)與設(shè)計(jì)糾斜目標(biāo)參數(shù)完全吻合?？紤]到下部孔段常規(guī)鉆進(jìn)頂角和方位角有一定的自然增加趨勢(shì)，且糾斜鉆進(jìn)已達(dá)到中靶目標(biāo)要求，造斜鉆進(jìn)結(jié)束，穩(wěn)斜后換S75繩索取心鉆進(jìn)，鉆進(jìn)至950m時(shí)，鉆孔頂角20.4°，方位角19.8°，完全達(dá)到地質(zhì)設(shè)計(jì)中靶精度要求。

4 關(guān)于矢量分析方法的討論

地質(zhì)勘探定向鉆進(jìn)中，鉆進(jìn)地層較硬、單回次鉆程較短，矢量分析方法主要是針對(duì)鉆前定向和鉆后測斜工藝的誤差分析與修正方法。雖然在隨鉆測量定向中可以及時(shí)測量定向鉆孔軌跡參數(shù)和進(jìn)行定向調(diào)整，如若回次鉆程較長，操作者可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)逐漸調(diào)整(劉偉等，2007)，但是，如果鉆程較短，允許調(diào)整的次數(shù)有限，應(yīng)用矢量分析方法定量分析誤差，1～2次即可達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)參數(shù)調(diào)整。

當(dāng)經(jīng)過復(fù)核檢查，排除鉆具組合、反扭轉(zhuǎn)角補(bǔ)償、定向測斜儀及定向鉆進(jìn)工藝等方面存在問題，確知誤差的產(chǎn)生是由于地層方面的原因而造成(劉修善等，2008)，誤差的矢量分析方法還可以用于地層的各向異性、自然造斜作用方向和強(qiáng)度的定量分析。

5 結(jié)論

依據(jù)矢量分析方法，針對(duì)定向鉆進(jìn)中軌跡控制誤差，研究得出不確定因素綜合作用強(qiáng)度i3和作用方向角度β3分析計(jì)算方法，由于該因素的影響，使得實(shí)際造斜安裝角與設(shè)計(jì)安裝角之間存在誤差，研究提出了誤差Δβ分析計(jì)算與修正方法，根據(jù)ZK1003孔第4和第6回次實(shí)際造斜中軌跡的控制誤差，研究得到影響因素綜合作用方向角度β3基本穩(wěn)定在193°～195°，安裝角誤差Δβ約為32°～40°。研究采取Δβ為36°對(duì)該孔第7和第8回次糾斜鉆進(jìn)定向安裝角進(jìn)行修正補(bǔ)償，實(shí)際鉆進(jìn)效果與設(shè)計(jì)完全吻合，達(dá)到理想的軌跡控制目標(biāo)。

該方法不僅可用于目前地質(zhì)勘探中鉆前定向、鉆后測斜的定向鉆進(jìn)誤差分析及補(bǔ)償，同樣可用于隨鉆測量中軌跡控制誤差的分析與修正。如果可以確定該誤差主要是由于地層的自然造斜作用影響，該方法還可用于地層的各向異性分析和自然造斜作用的定量分析。

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A Vector Analysis Method for Directional Drilling Trajectory Control and Its Application to Engineering

WU Xiang1，WANG Tian－fang2，HE Bing－xin3，CHEN Zhen－rong1
(1．The Faculty of Engineering of China University of Geoscience，Wuhan，Hubei430074; 2．Shandong Provincial Lunan Geo－engineering Exploration Institute，Yanzhou，Shandong272100; 3．The Library of China University of Geoscience，Wuhan，Hubei430074)

In the directional drilling，the practical trajectory of the well is often inconsistent with the projected objective．The quantitative analysis of the error is crucial for the track adjustment and accuracy control．According to the principle of the vector manipulation in directional drilling，the vector error between the practical drilling direction of the deflection tool and the controlled direction of the designed well has been studied in this paper．Based on the practical drilling trajectory parameters，a simple calculation method for the quantitative analysis of the error and the directional angle and intensity of the comprehensive effects which produce the error has been deduced．The method can be used to analyze the aeolotropy and the natural oblique effect of strata if it is sure that the error is produced by stratum deflecting characteristics．The method has been used successfully in the directional drilling projects of multi－trip and short－roundtrip．Furthermore，it is of the practical value for the trajectory accurate adjustment in the long－roundtrip engineering of measurements while drilling

directional drilling，error analysis，vector analysis，trajectory control

book=1,ebook=223

P634.7

A

0495－5331(2012)04－0835－5

2011－8－29;

2012－2－20;［責(zé)任編輯］郝情情。

吳翔(1964年—)，男，1987年畢業(yè)于武漢地質(zhì)學(xué)院，獲得博士學(xué)位，教授，主要從事勘查技術(shù)與工程、定向鉆進(jìn)技術(shù)教學(xué)研究工作。E－mail:wubox@126.com。