井眼轨迹模式定量识别方法

为了准确计算实钻轨迹,提出了井眼轨迹模式定量识别方法,并进行实例分析。随钻测量数据可以提供井斜角、方位角以及工具面角的实测值,据此提出利用工具面角来识别井眼轨迹模式的技术思路。根据导向钻具的定向造斜机理建立了适用所有井眼轨迹的工具面角方程,结合各种井眼轨迹模型的特征参数便可计算工具面角理论值。评价工具面角理论值与实测值之间的误差,可优选出最符合实际的井眼轨迹模型。井眼轨迹模式识别提供了测斜计算方法的定量评价指标和选用依据,可避免主观和随意选用测斜计算方法等问题,从而能提高井眼轨迹的监测精度及可靠性。     

空间圆弧轨迹的解析描述技术

空间圆弧作为一种典型的井眼轨迹组件,广泛应用于三维井眼轨道设计、实钻轨迹监测和滑动导向钻井轨迹控制等领域。分别基于井眼曲率及初始工具面角和井段两端点的基本轨迹参数来表征空间圆弧轨迹的形状和摆放姿态,建立了空间圆弧轨迹的两种描述方法即坐标转换法和矢量分析法,提出了两套空间圆弧轨迹参数的计算公式。这些计算公式在数学上是精确解,可计算空间圆弧轨迹上任一点的井斜角、方位角、空间坐标、工具面角、定向方位角等参数,并且它们都是井深或弯曲角的单值解析函数。对空间圆弧轨迹模型进行了系统地描述,形成了普遍适用的井眼轨迹内、外插值计算方法,可直接用于计算井眼轨迹的分点参数、外推预测井眼轨迹等,具有形式简明、方法实用等特点。此外,应用此研究成果,还可简化三维井眼轨道设计、邻井防碰扫描等设计与计算方法。应用实例验证了研究结果的科学性和适用性。     

空间圆弧轨迹的井斜演化规律及控制模式

建立空间圆弧轨迹的井斜方程,得到空间圆弧轨迹所在斜平面姿态、空间圆弧轨迹井斜角极值等求解方法,揭示空间圆弧轨迹的井斜演化规律及控制模式。可分别由正演模型和反演模型计算出空间圆弧轨迹上任一点的井斜角和方位角、斜平面姿态的倾斜角和倾斜方位角以及轨迹井斜角极值点参数,正演模型和反演模型的计算结果完全相同。空间圆弧轨迹或其趋势线存在井斜角极值点,极小和极大井斜角点的井眼轨迹切线分别指向所在斜平面的下倾和上倾方向,两个极值点的弯曲角和方位角均相差180°。斜平面姿态参数、井斜角极值点参数与井段始点的井斜角和工具面角有关,与井段长度无关。对于空间圆弧轨迹,斜面倾角模式存在二义性,应使用工具面角或定向方位角控制模式。     

高精度油井测斜系统及校正方法的研究

为提高旋转导向钻井姿态(井斜角、方位角和工具面角)的测量精度,研究了高精度油井测斜系统及校正方法。对该系统的下位机硬件数据采集系统和上位机软件进行设计,根据试验数据确定传感器的性能,设计传感器的标定流程。测试结果表明,传感器工作正常,其输出范围符合标示指标。为避免误差超过设计指标,建立传感器误差补偿模型,提出12参数自动校正算法,据此可以计算出传感器的零位偏差、标度因子和不同心度偏差,从而对传感器输出数据进行误差补偿。应用结果表明,井斜角绝对误差在±0.29°以内,工具面角绝对误差最大为0.484 01°,均满足工业标准要求。说明该校正算法能提高井眼测量精度,从而可以指导钻头钻出更优的井眼轨迹,更有利于旋转导向钻进。     

磁力随钻测量磁干扰校正方法研究

为提高磁力随钻测量的井眼轨迹精度,研究了随钻测量磁干扰校正方法。利用随钻测量参数,计算井斜角、工具面角和方位角;采取360°旋转钻柱记录、分析径向磁力计读数的方法,纠正磁热点引起的径向磁干扰;采用循环迭代的方法,纠正钻柱磁化引起的轴向磁干扰。通过仿真测量参数、磁干扰数据和地磁参数,应用磁干扰校正方法计算得到校正方位角,并与实测方位角、真实方位角进行了对比,结果发现,在其他井眼参数保持不变的条件下,井斜角接近90°或方位角接近90°、270°时,实测方位角误差变大;井斜角接近0°或方位角接近0°、180°时,实测方位角误差变小;真实方位角为0°~180°时,实测方位角比真实方位角小,真实方位角为180°~360°时,实测方位角比真实方位角大;井眼轨迹接近水平东或水平西方向时,轴向磁干扰的校正效果最差。磁干扰校正方法能够提高方位角测量精度,减少无磁钻铤长度。      

水平井井眼轨迹的模拟

为解决井眼轨迹模拟的问题,采用了最小二乘法与三次样条插值原理相结合来确定井眼轨迹。为降低测试误差,采用最小二乘法对实测数据进行拟合修匀,利用样条插值函数计算井眼轴线上任意一点的井斜角、方位角、曲率,并确定该点的空间坐标。利用该方法编写了井眼轨迹模拟软件,计算结果表明,用该方法计算出来的未知测点的井斜角和方位角与实测值相比,误差很小,满足实际井眼轨迹计算的要求,并且利用该方法可以增大测量间距,减少测点个数,降低成本。     

圆柱螺线法中井眼曲率的计算

圆柱螺线法是井眼轨道设计和实钻井眼轨迹计算中最常用的方法,目前常使用近似公式计算圆柱螺线型井眼轨道的平均井眼曲率。推导了圆柱螺线型井眼轨迹的井眼曲率和平均井眼曲率的精确计算公式。通过数学实验方法对行业标准公式和刘修善公式相对于圆柱螺线型井眼轨迹真实平均井眼曲率的偏差进行了研究,得到了偏差的统计规律:偏差随井段井斜角、方位角差值而增大;对于行业标准公式,井斜角差值是产生偏差的主要影响因素;对于刘修善公式,方位角差值是产生偏差的主要影响因素;行业标准公式和刘修善公式只适用于井斜角、方位角差值较小的情形。     

圆柱螺线法中井眼曲率的计算

圆柱螺线法是井眼轨道设计和实钻井眼轨迹计算中最常用的方法，目前常使用近似公式计算圆柱螺线型井眼轨道的平均井眼曲率。推导了圆柱螺线型井眼轨迹的井眼曲率和平均井眼曲率的精确计算公式。通过数学实验方法对行业标准公式和刘修善公式相对于圆柱螺线型井眼轨迹真实平均井眼曲率的偏差进行了研究，得到了偏差的统计规律：偏差随井段井斜角、方位角差值而增大；对于行业标准公式，井斜角差值是产生偏差的主要影响因素；对于刘修善公式，方位角差值是产生偏差的主要影响因素；行业标准公式和刘修善公式只适用于井斜角、方位角差值较小的情形。     

随钻测斜系统的数学模型分析及应用

随钻测斜仪在钻井现场中应用相当广泛。文章首先对随外事测斜仪所测参数进行定义，包括井斜角、方位角、高边工具面角及磁性工具面角，然后分析了一系列确定井眼参数的数学模型。这些数学模型在计算中利用随钻仪传感器数据，同时对传感器输出数据的数学修正进行了分析。     

最小曲率法计算中的数值方法

最小曲率法是测斜计算、井眼轨道设计中最常用的方法之一,在井眼轨迹计算中有广泛的应用。研究了最小曲率法计算机数值计算中的几个细节问题,给出了零井斜角测点的方位角定义,阐述了零井斜角测点方位角的二义性。分析了坐标增量计算过程,给出了减小三角函数计算次数的算法。对小弯曲角情形的坐标计算使用高精度近似公式代替容易产生除法溢出的直接计算,提高了计算过程的稳定性和计算精度。对水平投影长度的计算给出了使用Gauss数值积分法的精确计算方法。文中提出的方法可以用于使用最小曲率法时的井眼轨道计算的计算机软件开发,提高计算机软件的计算稳定性和计算精度。对涉及井眼轨迹计算的其他实际问题如定向井中靶分析预测、井眼轨迹控制、井身质量检查等都有一定的参考价值。     

空间圆弧轨迹的矢量描述技术

为了简化空间圆弧轨迹上任一点井身参数的计算公式,对空间圆弧模型的矢量描述方法进行了研究。以矢量代数为基本的数学工具,从圆弧的基本数学属性和装置角的定义出发,建立了空间圆弧轨迹的矢量描述法。推导出了两套空间圆弧轨迹上任一点的井眼方向矢量、圆弧内法线矢量、矢径等矢量的计算公式,和井斜角、方位角、装置角、定向方位角等参数的计算公式。其中一套公式以圆弧曲率和初始装置角为基本参数,另一套公式以井段两端的井深、井斜角、方位角为基本参数。提出了同时使用装置角的正弦值和余弦值来正确计算装置角的新规则。研究结果表明,提出的新计算公式不仅形式上更加简洁,具有几何直观性,而且可以极大地简化井眼轨迹监控、中靶分析、邻井防碰等计算问题的理论公式推导过程;在软件开发中更易于编程实现,便于代码维护。     

磁力随钻测斜仪轴向磁干扰校正方法

针对磁力随钻测斜仪在受到轴向磁干扰时会出现方位角测量结果不准确的问题,在介绍磁力随钻测斜仪测量原理的基础上,研究了Russell法和短钻铤测量修正法2种间接磁干扰校正方法的原理及迭代计算过程,提出了矢量和法和钻具截面法2种直接磁干扰校正方法,并对这4种方法进行了数据仿真分析。数据仿真结果表明,直接校正方法计算简单,但具有一定的局限性;间接校正方法计算复杂,但具有较好的准确性。在其他井眼参数不变的条件下,方位角偏差随干扰磁场增强而增大;在轴向干扰磁场固定的情况下,方位角偏差随井斜角增大而增大,井斜角相同时,0°~360°范围内方位角偏差先增大后减小,呈现对称性;井眼轨迹接近水平东西方向时,轴向磁干扰的校正效果最差。4种校正方法均可以降低轴向磁干扰对方位角测量精度的影响,减少无磁钻铤的使用长度,具有较好的现场实用性。      

最小二乘法在定向钻进中的数据拟合

定向钻进成功的关键在于按设计要求,较好地控制预定井段的井斜角和方位角。而目前使用的计算方法不能快速准确地预测井底轨迹参数。通过对井斜角、方位角、造斜率、井段长与造斜工具角的数据分析,采用最小二乘法原理,拟合出快速计算井底井斜角和方位角计算公式。结合实例,与通用定向井计算公式相比,井斜角最大误差为-0.036°,方位角最大误差为+0.02°。该计算式只涉及到初始角、井段长、钻具造斜率及定向工具角,且计算精度高,现场应用较为方便,提高了井底轨迹预测速度和防止定向钻进失误率,可指导定向钻井现场快速准确地预测井底参数。     

定向钻井造斜工具面控制方法研究与应用

在定向钻井中常常会遇到表层直井段不能打直且直井段井底井斜方位偏离目标井斜方位较远,二开定向造斜时定向井工程师一般直接朝着目标井斜方位定向,由于井眼惯性的影响使实钻轨迹不能很快贴近轨道设计方位。为了解决这个问题,在造斜点初始定向时不应按照设计方位定向,可提出科学的定向方法使实钻轨迹尽快贴近轨道设计方位,当接近目标井斜方位时再朝着目标井斜方位定向。根据"空间斜面圆弧"模型以及在直井段没有打直的情况下定向工具面的"全力扭方位"计算模型,并以BZ13-1A2井为实例,计算出定向工具面角并用landmark软件计算了各个定向工具面角对井眼轨迹控制的影响。实例计算结果表明:通过该方法,能够尽快使实钻轨迹贴近设计线,从而减小扭方位井段的长度,提高定向造斜效率和控制精度,同时减小丛式井防碰的潜在风险。     

三维定向井轨道设计新方法─恒装置角法

由于在恒装置角曲线井眼轨道的坐标增量计算中使用了定积分,致使相应的井眼轨道设计问题的求解非常困难,不仅计算时间长,且算法收敛性差。在假设弯曲井段为恒装置角曲线条件下,建立了新的三维定向井和侧钻井井眼轨道设计数学模型;使用幂级数展开方法计算井段坐标增量公式中的定积分,将井眼轨道设计模型中的多元非线性方程组求解问题降维转化为二元非线性优化问题,极大地降低了数值计算的复杂度。使用数值优化算法对恒装置角井眼轨道设计问题进行求解,不仅减少了计算时间,增强了算法稳定性,而且具有全局收敛性质。实际算例表明,新方法能够快速、有效地求解恒装置角型井眼轨道设计问题,所使用的幂级数展开方法适用于解决恒装置角井眼轨道计算的一系列问题,是一种有效的数学简化方法。     

考虑地层方位漂移特性的定向井轨道设计方法

按照地层划分方位漂移规律进行了定向井轨道设计,建立了井眼轨道的自然曲线模型,给出了更为简洁的井眼轨道数学模型。分析了井斜单元和方位单元之间的耦合关系,得到了计算单元的划分方法。论述了定向井和水平井方位漂移轨道设计的特点,提出了约束方程和设计方法。解决了按地层划分方位漂移规律的井眼轨道设计问题,适用于各种定向井和水平井的漂移轨道设计。定向井和水平井的设计实例验证了该设计方法的科学性和实用性。     

连续管钻定向井工具面角调整方法研究

为了解决连续管钻井定向过程中存在的工具面角调整偏差问题,提出了两段式定向施工设计方法.以斜面扭方位计算模式为理论基础,根据工具面角的调整特点,建立了双圆弧定向轨道设计模型,利用数值迭代法对其轨道约束方程组进行求解,从而得到符合定向设计要求的井眼轨道方案.实例计算结果表明,工具面角调整符合定向调整特点,设计的井眼轨道光滑,满足各项井眼约束条件.研究结果表明,两段式定向施工方法理论设计切实可行,符合定向要求,解决了连续管定向偏差问题,具有现场实际应用价值.