定向井井眼軌跡預(yù)測與控制技術(shù)

張沙沙

（中石化華北石油工程有限公司五普鉆井分公司 河南新鄉(xiāng) 453000）

定向井井眼軌跡預(yù)測與控制技術(shù)

張沙沙

（中石化華北石油工程有限公司五普鉆井分公司 河南新鄉(xiāng) 453000）

井眼軌跡預(yù)測與控制是定向井鉆井過程中的特殊工藝，精確的預(yù)測和控制將能夠有效降低鉆井成本，不僅如此通過預(yù)測控制還能夠?qū)ο虏裤@具組合進行科學(xué)優(yōu)化，進而提升軌跡控制精度。正因為如此，在今后就應(yīng)該加強對定向井井眼軌跡預(yù)測及控制的研究。本文首先是分析預(yù)測理論，在了解相關(guān)理論之后再來介紹方法，最后就是對當前井眼軌跡控制進行科學(xué)介紹。

井眼軌跡；定向井；預(yù)測

井眼軌跡預(yù)測重點是要能夠利用實鉆井眼軌跡資料或者是鉆具力學(xué)建模等手段來進一步建立起井眼軌跡預(yù)測目標函數(shù)，利用這一目標函數(shù)從而來實現(xiàn)對井眼軌跡設(shè)計優(yōu)化下部鉆具組合、預(yù)測實鉆井眼軌跡參數(shù)，提升精度等目標。近些年來井眼軌跡預(yù)測及控制技術(shù)獲得了較快發(fā)展，但是同國際水平相比還是有較大差距的。正因為如此，在今后工作中要對此進行科學(xué)研究。

1 井眼軌跡預(yù)測理論

了解井眼軌跡預(yù)測理論是進行深入分析地重要前提。對井眼軌跡的預(yù)測直接關(guān)系到鉆井速度、井身質(zhì)量以及鉆井成本。對于井眼軌跡的預(yù)測理論主要是包含以下幾個方面的內(nèi)容：

對于井眼軌跡的預(yù)測通常情況下是根據(jù)原井眼軌跡參數(shù)及使用鉆具類型來進行確定，主要是依靠實際的井眼軌跡計算方法來預(yù)測井眼，這樣一種方法實際上并沒有充分考慮的力學(xué)特性、鉆具結(jié)構(gòu)以及巖石互作用等因素。這樣預(yù)測結(jié)果就要受到影響。對此在今后工作中必須要重視。

井眼軌跡的形成既同下部鉆具組合受力狀態(tài)和變形特征有關(guān)，同時也同鉆頭與底層之間的互作用也是有密切聯(lián)系的。在實際分析過程中往往是對機械作用進行了科學(xué)分析，對于來自鉆頭與地層互作用的地層力分析不夠。為了能夠適應(yīng)實際需要，今后就應(yīng)該綜合考慮這兩種因素，在工作中可以通過三維鉆速方程將能夠有效計算出井眼軌道上任一點在平均坐標系中的鉆速分量，再結(jié)合井斜角和方位角將能夠?qū)崿F(xiàn)對井眼軌跡的科學(xué)預(yù)測。理論模型的建立是非常必要的，應(yīng)用這種方法來建立理論模型，在工作中所需要確定的參數(shù)也是比較少的，在工作中能夠通過編程的方法實現(xiàn)。

把理論計算同實際統(tǒng)計結(jié)合起來進行科學(xué)分析將有助于實現(xiàn)真正預(yù)測。通過上述分析就可以發(fā)現(xiàn)，在實際井眼軌跡預(yù)測過程中是要受到多種因素和隨機因素的綜合影響的，鉆具組合、井眼幾何形狀、鉆井參數(shù)、地層參數(shù)等都會對鉆進方向產(chǎn)生較大影響，有些參數(shù)甚至是無法有效準確地區(qū)分析。正因為如此，在今后工作中才主張把理論計算同實際統(tǒng)計分析結(jié)合起來，通過這樣的方法來建立起預(yù)測模式。這是在充分考慮主要參數(shù)基礎(chǔ)上建立起來的相應(yīng)的理論模式，對于理論模式中的各種參數(shù)主要是通過對實鉆數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析從而來確定。這樣實際上將能夠把理論計算同統(tǒng)計分析有效結(jié)合起來，這對于實現(xiàn)科學(xué)分析無疑是非常重要的。

2 預(yù)測方法

當前對于井眼軌跡預(yù)測的方法是非常多的，在實際預(yù)測過程中這些預(yù)測方法將能夠起到非常重要地作用。在工作中對于這些方法應(yīng)該是進行科學(xué)分析。

2.1 基于鉆井系統(tǒng)動力學(xué)的預(yù)測方法

這種方法主要是從系統(tǒng)動力學(xué)的角度出發(fā)來進行科學(xué)分析，系統(tǒng)動力學(xué)認為鉆井系統(tǒng)的振動會嚴重影響到井眼軌跡，這是一個非常重要的因素。在實際分析過程中如果只對下部鉆具組合和鉆頭同巖石互作用這些因素是很難達到目的的。在今后實際預(yù)測過程中必須要從多個方面入手來進行科學(xué)分析，要專門建立預(yù)測模型。下部鉆具組合特性分析、鉆柱縱橫扭耦合振動模型、鉆頭特性分析、鉆頭同巖石互作用模型。通過利用這些模型將能夠科學(xué)分析當前鉆井系統(tǒng)對井眼軌跡的影響。

在實際預(yù)測過程中關(guān)鍵步驟就是要建立鉆柱耦合振動模型，建立基于鉆具組合、鉆柱、鉆井液以及巖石作用下的鉆頭動力學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上將能夠建立起鉆頭運動軌跡仿真分析模型，之后再利用有限單元法離散理論模型來編制計算機軟件，從而求解該系統(tǒng)模型。通過對該系統(tǒng)模型的分析實際上將能夠計算出鉆頭作用力大小、運動規(guī)律以及方向等，這樣在工作中就能夠?qū)崿F(xiàn)對井眼軌跡的仿真分析。在建立模型過程中最為關(guān)鍵的問題就是要能夠建立起離散理論模型，對于離散后的仿真模型還應(yīng)該科學(xué)合理地組成一個系統(tǒng)。

在工作中應(yīng)該看到這種離散模型同剛度、質(zhì)量、鉆具組合力學(xué)、結(jié)構(gòu)特性都是密切相關(guān)的。鉆具組合的多樣性實際上就已經(jīng)決定了不同鉆具組合將會與對應(yīng)有不同的離散模型。因此就應(yīng)該建立起下部鉆具組合動力學(xué)參數(shù)數(shù)據(jù)庫。通過利用這樣一種數(shù)據(jù)庫實際上將能夠?qū)崿F(xiàn)科學(xué)計算分析。

2.2 下部鉆具組合力學(xué)結(jié)構(gòu)分析同鉆頭與巖石互作用相結(jié)合的預(yù)測方法

這樣一種方法首先是要對下部鉆具三維靜力進行科學(xué)分析，在工作中主要是利用微分方程的方式來進一步確定彎角處、鉆頭處、井壁以及切點處邊界條件。同時對于鉆頭各向異性、傾角、地層各向異性和底層傾向、傾角等因素應(yīng)該是進行科學(xué)合理地分析。通過對此分析從而來進一步確定影響。通過建立井眼軌跡預(yù)測的目標函數(shù)，利用這一函數(shù)實際上將能夠?qū)崿F(xiàn)對方位角和井斜角的變化的分析進而能夠?qū)崿F(xiàn)對井眼軌跡的預(yù)測。

2.3 平衡率預(yù)測方法

這是一種比較典型的方法，這種方法認為鉆具組合最終是會形成一個鉆頭側(cè)向力等于零的井眼曲率。下部鉆具組合撓曲形式、鉆頭側(cè)向切削力這些因素會對井眼軌跡形成造成很大影響，這是平衡率預(yù)測法的主要根據(jù)，這種方法認為只有把這兩者結(jié)合到一起之后才能夠?qū)崿F(xiàn)科學(xué)預(yù)測。在實際分析過程中則是要建立不同坐標系下的鉆速方程表達式以及井斜角、方位角以及曲率增量表達式，通過這些表達式從而來實現(xiàn)對實鉆井眼軌跡的科學(xué)模擬及預(yù)測。

2.4 理論模式同實際統(tǒng)計分析相結(jié)合的預(yù)測方法

這種方法主要是利用了多元冪積側(cè)向切削理論模型，這這種模型的基礎(chǔ)上再來結(jié)合鉆頭及巖石互作用理論，從而建立起綜合考慮鉆頭切削破巖特性、地層因素等對側(cè)向力、鉆頭軸向力的綜合影響。在實際計算過程中利用這樣一種模式將有助于實現(xiàn)對井眼軌跡的預(yù)測計算。這種模式在實際分析過程中一些綜合影響比例因子、各因素影響指數(shù)、系數(shù)等都需要在對鉆井資料進行大量分析的前提下才能夠?qū)Χ嘣獌绶e側(cè)向切削模型對數(shù)，之后才能夠通過多元線性回歸的方式來確定。

3 井眼軌跡控制

在工作中為了保證工作的順利進行還應(yīng)該對井眼軌跡進行嚴格控制，對于井眼軌跡的控制實際上就是要能夠利用一定手段能夠使得實鉆井眼軌跡能夠盡量符合設(shè)計，最終保證能夠中靶。在實際控制過程中要能夠做到既能夠保證中靶，同時還要進一步提升鉆速，這樣才能夠滿足要求。為了滿足需要就應(yīng)該選擇合適的造斜工具或者是鉆具組合，這樣就能夠使得實鉆軌跡不會偏離軌道太遠。偏離軌道太遠就會造成脫靶，如果始終誤差又很小，這樣就會頻繁地更換造斜工具，這樣實際上就會得不償失。正因為如此，在實際計算過程中就是要充分考慮如何科學(xué)地選擇鉆具從而來實現(xiàn)對井眼軌跡的有效控制，這是實現(xiàn)科學(xué)控制的關(guān)鍵。

在控制過程當中因底層因素產(chǎn)生自然漂移或者是通過調(diào)整工藝參數(shù)就能夠使得井眼軌跡能夠恢復(fù)到設(shè)計軌道上來的時候，此時就能夠通過調(diào)整鉆井工藝參數(shù)的方式來繼續(xù)鉆進，相反就應(yīng)該更換其他鉆具組合來進行嚴格控制。

對于井眼軌跡的預(yù)測和控制是一項非常重要地工作，科學(xué)預(yù)測及控制就要求能夠?qū)Ω鞣N因素進行充分考慮，在眾多方法中要結(jié)合實際需要來進行選擇。這樣才能夠真正滿足實際要求。

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TE243

A

1004-7344（2016）06-0165-02

2016-1-28

張沙沙（1984-），男，助理工程師，本科，主要從事石油工程工作。