鉆井工程井眼軌跡控制技術(shù)研究

【摘 要】本文從科學(xué)方法，論述井眼軌跡預(yù)測(cè)方法，并從實(shí)際中得出科學(xué)結(jié)論，論述精確井眼軌跡控及工具的應(yīng)用。并從三個(gè)方面進(jìn)論述：一是井眼軌跡預(yù)測(cè)理論及方法；二是井眼軌跡預(yù)測(cè)的主要方法；三是鉆井系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的井眼軌跡預(yù)測(cè)理論及方法。

【關(guān)鍵詞】井眼軌跡 預(yù)測(cè)動(dòng)力學(xué)鉆具組合

鉆井工程井眼軌跡預(yù)測(cè)就是通過(guò)對(duì)井眼軌道內(nèi)鉆具力學(xué)建?；?qū)?shí)鉆井眼軌跡資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析等手段來(lái)建立井眼軌跡預(yù)測(cè)目標(biāo)函數(shù)，從而指導(dǎo)軌跡設(shè)計(jì)、優(yōu)化下部鉆具組合、預(yù)測(cè)實(shí)鉆井眼軌跡參數(shù)、提高軌跡控制精度的一種科學(xué)方法。

為了縮短我國(guó)與先進(jìn)國(guó)家在鉆井技術(shù)方面的差距，特別是為了發(fā)展我國(guó)在復(fù)雜結(jié)構(gòu)井、大位移井及連續(xù)導(dǎo)管鉆井等方面的鉆井技術(shù)，不僅應(yīng)該開(kāi)展井眼軌跡控制理論及工具的研究，更應(yīng)該開(kāi)展科學(xué)的井眼軌跡預(yù)測(cè)理論及方法研究。

一、井眼軌跡預(yù)測(cè)理論及方法

科學(xué)的井眼軌跡預(yù)測(cè)方法是鉆井工程中的關(guān)鍵技術(shù)之一。它是進(jìn)行精確、高效井眼軌跡控制的前提。

在國(guó)內(nèi)外鉆井工程歷次技術(shù)革新中井眼軌跡的預(yù)測(cè)方法與控制技術(shù)都是研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)，井眼軌跡預(yù)測(cè)與控制關(guān)系到井身質(zhì)量、鉆井速度和鉆井成本。

目前，井眼軌跡預(yù)測(cè)理論及方法基本上可以分為以下幾類(lèi)：

第一類(lèi)方法根據(jù)實(shí)際使用鉆具類(lèi)型和原井眼軌跡參數(shù)，利用實(shí)際的井眼軌跡計(jì)算方法預(yù)測(cè)井眼，它沒(méi)有考慮鉆具的結(jié)構(gòu)和力學(xué)特性以及鉆頭與巖石互作用對(duì)井眼軌跡的影響。

第二類(lèi)方法認(rèn)為井眼軌跡的形成不僅與下部鉆具組合的受力狀態(tài)和變形特征有關(guān)，而且與鉆頭及鉆頭與地層互作用有關(guān)。對(duì)下部鉆具組合的分析給出了鉆頭上的機(jī)械作用力，而對(duì)鉆頭與地層互作用的分析則提供了作用在鉆頭上的地層力。

綜合考慮上述兩種因素，然后通過(guò)鉆頭與巖石互作用模型的具體體現(xiàn)形式——三維鉆速方程可以計(jì)算出井眼軌道上任一點(diǎn)在平動(dòng)坐標(biāo)系中的鉆速分量，再結(jié)合原井斜角和方位角即可計(jì)算出新井斜角和方位角，從而實(shí)現(xiàn)井眼軌跡的預(yù)測(cè)，這類(lèi)方法建立的理論模型比較合理，且模型中需要實(shí)驗(yàn)或統(tǒng)計(jì)分析來(lái)確定的參數(shù)相對(duì)較少、易于編程實(shí)現(xiàn)，所以該類(lèi)方法應(yīng)用較廣泛。

第三類(lèi)方法認(rèn)為井眼軌跡的形成受眾多確定因素和隨機(jī)因素的綜合影響，影響井眼軌跡的諸多參數(shù)如鉆具組合、鉆井參數(shù)、井眼幾何形狀及地層參數(shù)對(duì)鉆進(jìn)方向的影響比較復(fù)雜，有些參數(shù)無(wú)法取全取準(zhǔn)或者無(wú)法準(zhǔn)確分析各影響因素的貢獻(xiàn)權(quán)重，因此有必要將理論計(jì)算和實(shí)鉆數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)合起來(lái)，才能使得建立的預(yù)測(cè)模式更符合實(shí)際。這類(lèi)方法在分析影響井眼軌跡的主要參數(shù)的基礎(chǔ)上建立相應(yīng)的理論模式，然后通過(guò)實(shí)鉆數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析確定理論模式中的待定系數(shù)，從而形成理論計(jì)算與統(tǒng)計(jì)分析相結(jié)合的預(yù)測(cè)模式。

二、井眼軌跡預(yù)測(cè)的主要方法

國(guó)內(nèi)外鉆井界專(zhuān)家在井眼軌跡預(yù)測(cè)與控制領(lǐng)域作了大量研究工作，近十年來(lái)僅國(guó)內(nèi)鉆井界專(zhuān)家提出的井眼軌跡預(yù)測(cè)方法就達(dá)十余種之多，這些預(yù)測(cè)方法在不同時(shí)期都做出了不同的貢獻(xiàn)，現(xiàn)簡(jiǎn)要介紹幾種近年來(lái)國(guó)內(nèi)應(yīng)用較多的預(yù)測(cè)方法。

（1）下部鉆具組合力學(xué)與結(jié)構(gòu)分析和鉆頭與巖石互作用相結(jié)合的預(yù)測(cè)方法。

分析了下部鉆具的受力狀態(tài)，建立了下部鉆具三維靜力分析的微分方程，確立了鉆頭處、穩(wěn)定器或接觸點(diǎn)、彎角處、切點(diǎn)處和井壁的邊界條件；考慮鉆頭與地層的作用力、鉆頭各向異性、地層各向異性和地層傾向、傾角等因素的影響，建立了以矩陣形式表達(dá)的各向異性鉆頭與正交各向異性地層相互作用的三維鉆速方程；根據(jù)實(shí)際鉆進(jìn)時(shí)，井眼軌跡除個(gè)別點(diǎn)外都是光滑的，橫向鉆速為零，建立了井眼軌跡預(yù)測(cè)的目標(biāo)函數(shù)，使用該模型可以計(jì)算井斜角和方位角的變化從而實(shí)現(xiàn)井眼軌跡預(yù)測(cè)。

（2）完善的平衡曲率預(yù)測(cè)方法。

平衡曲率法認(rèn)為鉆具組合最終會(huì)形成一個(gè)使鉆頭側(cè)向力等于零的井眼曲率。該方法認(rèn)為下部鉆具組合撓曲形式和鉆頭的側(cè)向切削力對(duì)井眼軌跡的形成有很大影響，并且指出只有當(dāng)二者結(jié)合時(shí)才會(huì)發(fā)揮作用。該方法根據(jù)建立在不同坐標(biāo)系下的鉆速方程表達(dá)式和井斜角、方位角表達(dá)式及曲率增量表達(dá)式可以對(duì)實(shí)鉆井眼進(jìn)行模擬和預(yù)測(cè)。

（3）理論模式與實(shí)鉆數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析相結(jié)合的預(yù)測(cè)方法。

在多元冪積側(cè)向切削理論模型的基礎(chǔ)上結(jié)合鉆頭與巖石互作用理論，建立了綜合考慮地層因素、鉆頭切削破巖特性對(duì)鉆頭軸向力和側(cè)向力的有效作用綜合影響、井深增量、鉆頭轉(zhuǎn)速和井眼前進(jìn)方向地層可鉆性等因素的井眼偏移量計(jì)算模式。在下部鉆具力學(xué)特性、鉆柱摩阻分析計(jì)算提供井底鉆壓和井眼側(cè)向力的情況下，使用該模式可對(duì)井眼軌跡進(jìn)行預(yù)測(cè)計(jì)算。該模式構(gòu)造的理論模型中一些綜合影響比例因子、系數(shù)及各因素的影響指數(shù)需要在分析大量已有鉆井資料的前提下對(duì)多元冪積側(cè)向切削模型取對(duì)數(shù)然后進(jìn)行多元線性回歸確定。

三、鉆井系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的井眼軌跡預(yù)測(cè)理論及方法

完整的井眼軌跡預(yù)測(cè)方法應(yīng)該以鉆頭、下部鉆具組合、地層、鉆柱為主要研究對(duì)象，并應(yīng)考慮鉆井液水力因素的影響。

目前的井眼軌跡預(yù)測(cè)方法考慮了下部鉆具組合的力學(xué)與結(jié)構(gòu)特性、鉆頭的結(jié)構(gòu)特性及鉆頭側(cè)向切削性能與軸向切削性能不一致性、地層性質(zhì)及鉆頭與巖石互作用等因素，并采用了理論模型與實(shí)鉆數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析相結(jié)合的研究方法，但是這些預(yù)測(cè)模式都忽略了井眼內(nèi)鉆具的動(dòng)力學(xué)特性及鉆井液水力因素對(duì)井眼軌跡的影響。

因此，本文提出了一種基于鉆井系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的井眼軌跡預(yù)測(cè)理論及方法。該方法從系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的角度出發(fā)，認(rèn)為鉆井系統(tǒng)（鉆柱、下部鉆具組合、鉆頭）的振動(dòng)是影響井眼軌跡的一個(gè)重要因素，僅僅考慮下部鉆具組合和鉆頭與巖石互作用來(lái)預(yù)測(cè)井眼軌跡是不全面的。

該預(yù)測(cè)模式的理論模型包括四個(gè)主要部分：鉆柱縱橫扭耦合振動(dòng)模型、下部鉆具組合特性分析（力學(xué)特性和結(jié)構(gòu)特性）、鉆頭特性分析（結(jié)構(gòu)、切削、水力）及鉆頭與巖石互作用模型，其中鉆井液對(duì)井眼軌跡的影響體現(xiàn)在鉆頭特性分析上。

考慮到井眼軌跡的形成是眾多確定性和隨機(jī)性因素綜合影響的結(jié)果，因此有必要將實(shí)鉆數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析手段引入到下部鉆具組合力學(xué)與結(jié)構(gòu)分析模型和鉆頭與巖石互作用模型的構(gòu)建中以幫助確定模型中的統(tǒng)計(jì)量、比例因子、影響因素的指數(shù)等。

使用基于鉆井系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的井眼軌跡預(yù)測(cè)模式，通過(guò)預(yù)測(cè)軟件的仿真計(jì)算，可以完成不同鉆井參數(shù)、鉆具組合和要鉆遇井下條件（如地層巖性變化、構(gòu)造力影響等）的井眼軌跡待鉆預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)和隨鉆跟蹤預(yù)測(cè)計(jì)算，從而可以指導(dǎo)井眼優(yōu)化設(shè)計(jì)，減少井下糾偏的多舉性、增加實(shí)鉆井眼的可預(yù)知性、提高鉆井系統(tǒng)的可靠性，同時(shí)通過(guò)節(jié)省實(shí)鉆時(shí)間達(dá)到降低鉆井成本的目的。

針對(duì)定叢井，由于井間距的縮小，在做定叢井每口井的定向設(shè)計(jì)時(shí)，防碰成為我們優(yōu)化定向井軌道的首選，運(yùn)用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度優(yōu)勢(shì)，針對(duì)地下障礙物水平投影的多樣性，利用試探法進(jìn)行繞障圓位置的確定，優(yōu)化了在水平投影圖上的軌跡設(shè)計(jì)曲線，并給出了多種不同設(shè)計(jì)軌跡，可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工狀況的不同，靈活地選用井眼軌道設(shè)計(jì)軌跡。

結(jié)論

通過(guò)密井網(wǎng)定向井防碰研究和多段制繞障定向井井眼軌道控制方法的研究，制定了密井網(wǎng)定向井防碰施工方案，利用防碰預(yù)警技術(shù)驗(yàn)證設(shè)計(jì)軌跡的可行性，確保了設(shè)計(jì)井眼和已鉆井眼無(wú)相碰事故發(fā)生。

同時(shí)利用無(wú)線隨鉆導(dǎo)向技術(shù)、MWD儀器隨鉆定向技術(shù)，不斷優(yōu)選出鉆具組合，實(shí)現(xiàn)了井眼軌跡的精準(zhǔn)控制。