三維多目標(biāo)定向井井眼軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)_圖文

1、三維多目標(biāo)定向井井眼軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)王俊芳(中石化江漢油田分公司地質(zhì)工程設(shè)計(jì)監(jiān)督中心,湖北潛江433124摘要優(yōu)化井眼軌道設(shè)計(jì)是保證井身質(zhì)量,減少井下事故,降低鉆井成本的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。三維多目標(biāo)定向井井眼軌道的設(shè)計(jì)方法眾多,但在設(shè)計(jì)中人為主觀因素較多,通常,設(shè)計(jì)出來(lái)的井眼軌道較難成為最優(yōu)化的軌道。COM-PASS(蘭德馬克軌道設(shè)計(jì)軟件定向井軟件是將非線性數(shù)學(xué)理論引入到全井井眼軌道的最優(yōu)化設(shè)計(jì)中,綜合了各種設(shè)計(jì)方法的優(yōu)點(diǎn),簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)程序,對(duì)于三維多目標(biāo)井的設(shè)計(jì),只需設(shè)計(jì)者提供必要的約束條件即可設(shè)計(jì)出操作性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)、安全的最優(yōu)井眼軌道。關(guān)鍵詞三維;多目標(biāo)定向井;井眼軌道優(yōu)化設(shè)計(jì);蘭德馬克軌道設(shè)計(jì)軟件中

2、圖分類號(hào)T E24;TE319文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)1009301X(2005060021(03采用先進(jìn)的軌道設(shè)計(jì)方法優(yōu)化井眼軌道設(shè)計(jì),使得設(shè)計(jì)軌道能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)施工條件的限制,保證設(shè)計(jì)的可操作性;達(dá)到各種設(shè)計(jì)要求下的最短軌道,降低鉆井成本;將設(shè)計(jì)軌道的鉆柱扭矩和摩阻力減小到相對(duì)最小,保證施工安全。這就是優(yōu)化井眼軌道的意義所在。2004年江漢油區(qū)在鉆井中有30口為三維雙目標(biāo)定向井,且多為大斜度井?？茖W(xué)、安全、優(yōu)質(zhì)的三維多目標(biāo)定向井井眼軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)意義重大。1傳統(tǒng)三維多靶定向井軌道設(shè)計(jì)井眼軌道設(shè)計(jì)的方法發(fā)展到今天已有很多種,涉及到二維和三維,有曲率半徑法、常曲率法、懸鏈線法、斜平面法、柱面法、螺旋線

3、法等等1。不同的方法各有其優(yōu)缺點(diǎn),其共同之處就是設(shè)計(jì)出來(lái)的井眼軌道基本能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)施工的要求,但很難從定量的角度確定是一條可行的最優(yōu)軌道。尤其對(duì)于靶點(diǎn)與井口不在一個(gè)方向的三維定向井,井眼軌道的設(shè)計(jì)一直存在設(shè)計(jì)程序繁雜、費(fèi)時(shí),設(shè)計(jì)出來(lái)的軌道可操作性不強(qiáng)的問(wèn)題。1.1待鉆井眼試算法設(shè)計(jì)井眼軌道:對(duì)于多靶連線方位與井口不在一個(gè)方向的三維多目標(biāo)定向井,我們通常利用二維軟件,采用試算的方法,先從井口設(shè)計(jì)到第一靶點(diǎn)。然后再不斷調(diào)整工具面和造斜率及段長(zhǎng),反復(fù)計(jì)算,設(shè)計(jì)到第二靶,第三靶,直至設(shè)計(jì)出一條貫穿所有靶點(diǎn)的軌道。以設(shè)計(jì)一口雙靶點(diǎn)的井W76X7井為例。首先,從井口設(shè)計(jì)到A靶點(diǎn),采用直-增剖面中A 靶。但

4、從趨勢(shì)線來(lái)看,穩(wěn)斜下去難以中B靶。要想中B 靶就必須擺工具面調(diào)整方位,再增斜滿足B靶位移要求(見圖1。反復(fù)調(diào)整工具面和造斜率,重復(fù)試算定向段段長(zhǎng)以滿足中靶要求,中B 靶點(diǎn)后再穩(wěn)斜到井底。圖1試算法綜合評(píng)價(jià):這種試算方法過(guò)于繁瑣,設(shè)計(jì)出來(lái)的軌道不光滑;對(duì)于三靶以上剖面的三維定向井,設(shè)計(jì)出來(lái)的剖面相當(dāng)復(fù)雜,可操作性差,在實(shí)際施工中將引發(fā)各種井眼問(wèn)題,也會(huì)影響到后期的固井下作業(yè)和測(cè)井作業(yè)。而且反復(fù)試算將花去很多設(shè)計(jì)時(shí)間,很不經(jīng)濟(jì)。該方法更適合于實(shí)鉆作業(yè)中指導(dǎo)待鉆井眼鉆進(jìn)。1.2調(diào)方位圓弧法設(shè)計(jì)井眼軌道調(diào)方位圓弧法實(shí)際上是將三維設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換為二維平面設(shè)計(jì)的一種柱面法,基本步驟是先進(jìn)行水平投影圖的設(shè)計(jì),在水

5、平投影圖設(shè)計(jì)中,通過(guò)一段圓弧來(lái)調(diào)整方位,然后展開。仍以上口井為例。首先人為確定一個(gè)定向方位195b和提前段長(zhǎng)10m,調(diào)節(jié)方位圓弧半徑在合理范圍內(nèi)進(jìn)行計(jì)算,再選擇5段制剖面,給定造斜率及最終井斜角55.31b進(jìn)行剖面設(shè)計(jì)(見圖2。比較而言,柱面法設(shè)計(jì)出來(lái)的井眼軌道相對(duì)光滑,現(xiàn)場(chǎng)操作可行性較好。但對(duì)于那種靶間距較大,靶點(diǎn)方位變化較大的三維雙目標(biāo)井,在預(yù)測(cè)定向方位和提前段長(zhǎng)時(shí)間不能給出滿意的數(shù)值而難以繪制出方位圓弧,即使制出調(diào)方位圓弧,也存在水平投影圖曲率選擇不當(dāng)使得做出的井眼軌道設(shè)計(jì)在實(shí)鉆中無(wú)法實(shí)現(xiàn)的情況。如果是三靶或三靶以上的多靶,重復(fù)試算的結(jié)果仍會(huì)導(dǎo)致井眼剖面復(fù)雜,可操作性降低,江漢石油職工大

6、學(xué)學(xué)報(bào)2005年11月Journal of Jianghan Petroleum U niversity of Staff and Workers第18卷第6期收稿日期20050825作者簡(jiǎn)介王俊芳(1972-,女,1994年畢業(yè)于江漢石油學(xué)院鉆井工程專業(yè),現(xiàn)在江漢油田分公司地質(zhì)工程設(shè)計(jì)監(jiān)督中心從事鉆井工程設(shè)計(jì)工作,工程師。 因此該方法設(shè)計(jì)出來(lái)的軌道也不能稱為最優(yōu)軌道設(shè)計(jì)。圖2調(diào)方位圓弧法2 三維多目標(biāo)定向井井眼軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)2.1 井眼軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)理論模型目前鉆井界提出了一種新的全井眼軌道設(shè)計(jì)定量意義上的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,它把非線性不等式約束下的非線性數(shù)學(xué)規(guī)劃理論引入到全井井眼軌道的最優(yōu)化設(shè)計(jì)中,

7、擺脫了設(shè)計(jì)者的主觀因素,不需要反復(fù)試算,只要設(shè)計(jì)者提供一些必要的約束參數(shù)即可自動(dòng)優(yōu)化出一條真正意義上的最優(yōu)軌道2。以S 型剖面為例建立的模型見圖3 。圖3S 型剖面示意圖假設(shè)造斜點(diǎn)垂深D k ,造斜率K 1,降斜點(diǎn)垂深為D d ,降斜率為K 2,水平位移為S,靶點(diǎn)垂深為D,則造斜率半徑r 1及降斜率半徑r 2分別為:r 1=5400/P K 1,r 2=5400/P K 2井深為:L=Z 5+H 1r 1+(H 1-H 2r 2+Z 1/cos H 2+Z 4/sin H 1Z 1=D-D d -r 2(sin H 1-sin H 2Z 2=r 2(cos H 2-c os H 1Z 3=r

8、1(1-cos H 1Z 4=S-Z 1tan H 2-Z 2-Z 3Z 5=D d -Z 4/tan H 1-r 1sin H 1根據(jù)以上各關(guān)鍵點(diǎn)、 求,可以得到S 型剖面軌道最優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型:min Ls.t. H 1m ax -H 10;H 2m ax -H 20;H 1-H 20K 1max -5400/P r 10;K 2max -5400/P r 20D kmax -D k 0;D k -D kmin 0;r 2(cos H 2-cos H 1/sin H 10;D-D d -r2(sin H 1-sin H 2/cos H 20利用最優(yōu)化理論求解上式,即得到在滿足現(xiàn)場(chǎng)施工條件下

9、具有相對(duì)光滑、井眼軌道最短等特點(diǎn)的最優(yōu)井眼軌道。2.2 井眼軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)與應(yīng)用L ANDM ARK 公司開發(fā)的COM PASS 對(duì)于不同的井段有許多曲線類型可供選擇,曲線的選擇主要是基于將狗腿定為常數(shù)或?qū)⒃煨甭?扭方位率定為常數(shù),變化率既可以計(jì)算得來(lái)也可以給一定值以滿足某一特定的需要,或由程序推薦以優(yōu)化井眼軌道3。進(jìn)行三維雙目標(biāo)井眼軌道設(shè)計(jì)時(shí),我們采用打靶點(diǎn)間連線的方法,即:確定造斜點(diǎn)和造斜率,根據(jù)兩靶點(diǎn)間的最終井斜和靶點(diǎn)連線方位,在地質(zhì)條件許可的情況下,井斜較小時(shí),將方位調(diào)整到多靶連線方位上,再以較大井斜角進(jìn)入目的層,穩(wěn)斜穿多靶。實(shí)鉆中可以隨時(shí)跟蹤計(jì)算,及時(shí)調(diào)整軌道,滿足井身質(zhì)量要求。下面仍

10、以W76X 7井為例,井身剖面設(shè)計(jì)為直增穩(wěn)增穩(wěn)5段制。首先根據(jù)鄰井實(shí)鉆情況,定向前控制反向位移小于80m;選擇造斜點(diǎn),給定K 1=18b /100m,K 2=20b /100m,軟件自動(dòng)優(yōu)選設(shè)計(jì)定向方位194.26b ,第一穩(wěn)斜角45.06b ,穩(wěn)斜鉆進(jìn)300m,最終穩(wěn)斜角55.31b ,連中兩靶。圖4AB 連線法設(shè)計(jì)剖面設(shè)計(jì)出來(lái)的井眼軌道用于現(xiàn)場(chǎng)井眼軌跡控制效果良好。圖4中對(duì)比了設(shè)計(jì)剖面與實(shí)鉆井眼軌跡,吻合性較好。設(shè)計(jì)與實(shí)鉆情況對(duì)比表見表1:表1W76X 7井設(shè)計(jì)與實(shí)鉆情況對(duì)比表22江漢石油職工大學(xué)學(xué)報(bào)3 結(jié)論多目標(biāo)定向井能最大限度地增加油層的裸露面積,提高采收率。對(duì)于江漢油田的勘探開發(fā)是有

11、益的。因此優(yōu)化其井眼軌道設(shè)計(jì),對(duì)于在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)鉆中有效地開展井眼軌道控制具有指導(dǎo)意義。(1以打靶點(diǎn)連線的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)出來(lái)的剖面,在井斜小的時(shí)候進(jìn)行扭方位作業(yè),減少了糾方位進(jìn)尺,能大大提高定向的速度;穩(wěn)斜穿多靶4,可以防止全角變化率過(guò)大,避免了較大狗腿度引起的各種復(fù)雜情況和事故,確保了施工安全。同時(shí)該設(shè)計(jì)方法操作靈活,節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間和人力,在設(shè)計(jì)任務(wù)重、設(shè)計(jì)人員緊張的情況下能夠高效優(yōu)質(zhì)地完成鉆井工程設(shè)計(jì),保證了生產(chǎn)的順利、安全開展,值得推廣。(2三維多靶點(diǎn)連線中靶軌道設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)是造斜點(diǎn)和造斜率的選擇。(3設(shè)計(jì)用于指導(dǎo)施工,采用本方法設(shè)計(jì)出來(lái)的井眼軌道,實(shí)鉆中必須有配套的井眼軌跡控制技術(shù)相輔助,如優(yōu)選

12、鉆頭、鉆具組合、鉆井參數(shù),應(yīng)用隨鉆M WD 對(duì)井眼軌道進(jìn)行及時(shí)監(jiān)控,才能保證全井的井身質(zhì)量及井下的安全。參考文獻(xiàn)1韓志勇.定向井設(shè)計(jì)與計(jì)算M .北京:石油出版社,1989.2張焱,劉坤芳等.多底井井眼軌跡與控制理論M .北京:石油工業(yè)出版社,2001.3蘭德馬克公司開發(fā)的定向井設(shè)計(jì)系統(tǒng)COM PA SSEB/01.中國(guó)鉆井網(wǎng),2005-07-22/2005-08-25.4謝國(guó)民等.三維雙目標(biāo)定向井優(yōu)化設(shè)計(jì)方法J.鉆采工藝,1999,(3:21-22.Optimizing design of wellbore trajectory of three -dimensionalmulti -targ

13、et directional wellWang Junfang(Geo logical Eng ineering Desig n &Supervision Center of Jianghan Oilfield Branch Co mpany,SINOPEC,Qianjiang 433124,ChinaAbstract:Optimizing w ellbore trajectory desig n is the key link to ensure the quality of w ell bo re,decrease ac -cidents in w ell hole and low

14、 er drilling cost.There are many m ethods to desig n the w ellbore trajecto ry of three-dim ensio nal multi-target directional w ell,but m ore subjective factors in design make it difficult be an optimized one.Co mpass dir ectio nal w ell softw are(Landmark trajecto ry design so ftw arehas intr oduced the theory of non-linear m ath into optim izing design of the wellbore trajecto ry,w hich has synthesized the advantages o f all kinds of design methods,simplified the desig n progr am ,and all desig ner needs to do is to specify some necessar y r estr ictio ns to desig n an