定向井方位漂移轨道设计问题的数值算法

方位漂移是实际钻井过程中普遍存在的现象,常规的轨道设计方法没有考虑方位漂移的影响,增加了钻井施工过程中的井眼轨迹控制的难度。考虑方位漂移影响的轨道设计方法采用井段的自然曲线模型,能够较好地反映地层自然造斜和方位漂移规律。所产生的约束方程组为三元非线性方程组,通常使用的数值迭代方法不易给定迭代初始值、迭代收敛性能差、收敛速度慢。推导出了用稳斜井段井斜角来表示的初始方位角和稳斜段长的解析公式,将三元方程组的求解问题归结为以稳斜井段井斜角为未知数的一元非线性方程方程的求解问题,并给出了求解该一元非线性方程的数值迭代算法。理论分析和大量实际算例表明,文中新算法具有收敛速度快、迭代初值相关性小、全局范围收敛等良好性质。     

自然曲线型三维井眼轨道设计的数值算法

在井眼轨道的自然曲线模型中,假设各个井段的井斜变化率和方位变化率分别保持为常数.由于计算公式形式复杂,自然曲线模型导出的井眼轨道约束方程组难以进行数值求解。通过一系列的数学化简,将该多元方程组的求解简化为一个一元方程的求解,并使用解区间搜索和二分法给出了一个数值迭代求解算法。实际算例表明,这种数值算法非常有效,具有非常好的收敛性能。该方法具有很重要的理论意义和实际应用价值,所使用的数学化简技巧在涉及自然曲线模型的各种井眼轨迹问题中也具有重要的借鉴作用。     

七段式三维水平井井眼轨道设计方法

国内页岩油气储层埋深较大,传统的五段式三维水平井轨道难以满足优快钻井需求。鉴于此,提出了“垂直段-增斜段-稳斜段-扭方位段-稳斜段-增斜段-水平段”七段式三维水平井轨道,给出了与之对应的基本方程组(三元非线性方程组),将上述七段式三维轨道拆分至2个铅垂面和1个斜平面上,建立了与之等效的3个二元非线性方程组,降低了求解难度。实例分析表明,储层埋深较大的丛式三维水平井采用七段式轨道能够显著缩短三维扭方位段长,有助于降低井眼轨迹控制难度并提高钻井速度。该研究成果能够为丛式三维水平井轨道设计提供技术支持。     

恒工具面角井眼轨道设计模型及求解方法

恒工具面角曲线是一种典型的井眼轨道设计模型组件,计算复杂,设计求解难度大。现有模型缺乏一般性,且求解模式单一,为此提出两种典型的恒工具面角井眼轨道设计模型,并寻求灵活、有效的求解方法。针对定向井和水平井一般设计问题,构建了单、双恒工具面角曲线与直线组合两种典型设计模型,探讨了多种设计变量求解方法。通过合理确定设计变量初值,采用拟牛顿数值求解方法,精确、快速、灵活地求解了这两种设计模型。算例应用结果表明,两种典型轨道设计模型及其求解方法合理、有效,可用于定向井和水平井轨道设计。     

巴西Santos盆地钻穿厚蒸发岩层的井身设计

本文提出了一种方法,可用于钻井液和套管设计,以及钻穿很深的厚盐层的钻井方案.应用所开发的室内有限元代码可以完成数值模拟,以评价在高应力差、高温下盐岩(岩盐、杂盐、准水合物)的蠕变特性.对高蠕变速率、厚达2000m的各种蒸发岩的勘探进行了数值模拟,应用获得的结果对不同钻井液中井眼闭合度随时间的变化规律进行了预测,并对几种钻井方案进行了可行性分析.针对盐岩中固井失败的几种情况,完成了套管设计和环空钻井液设计,以确定不均匀载荷和盐层载荷时限对油井套管变形的影响.所设计的套管能够承受杂盐和准水合物的高蠕变速率.     

纠偏轨道设计中谱集的解析计算

在钻井纠偏轨道设计中为了解决已知设计参数谱集的数值算法的计算效率差、谱图绘制不精确等问题,研究了从设计方程组的解析解出发直接推导谱集解析表示式的快速计算技术。对六种不同设计条件下的设计方程组求出了解析解,得到了对应的谱集的不等式组表示式,并给出了谱图绘制的一种实现方法及实例。该方法的应用表明,设计人员在使用计算机软件进行钻井设计时,谱图有助于快速给定已知设计参数的数值,提高设计方案的质量和效率。     

基于钻前风险预测的井身结构优化方法

考虑钻井工程风险、基于钻前风险预测的井身结构设计是钻井施工安全顺利进行的保证。钻井工程风险在实钻过程中的主要表现是:井漏、井喷、井塌、卡钻以及井下工具失效等问题。首先基于邻井资料求取了待钻目标井含可信度的地层压力剖面,再利用钻井风险评价方法对待钻目标井井身结构设计方案进行评价,在钻前预测出可能发生的工程风险,并基于预测结果优化井身结构设计方案,规避钻井风险的发生。新方法为合理规避工程风险、调整施工方案、安全快速钻井提供了科学的依据,可以有效降低钻井工程风险发生的概率和频度,缩短建井周期,对于安全、高效钻井具有重要意义。     

基于斜面圆弧法的三维绕障轨道设计方法

在复杂的钻井工况下,需要绕过一定障碍钻达目标点,要求设计的井眼轨道既有井斜角的变化,又有方位角的变化。运用传统的圆柱螺线法设计三维绕障井时,先设计水平面上的投影,再设计垂直剖面图,设计步骤繁琐,空间曲线复杂。将用于纠斜设计的斜面圆弧法运用于三维绕障井设计,且使井眼轨道上任一点在水平面上的投影距绕障中心的距离大于绕障半径,从而使斜面圆弧法设计绕障井成为可能。由于设计的井眼轨道仅为斜平面上的圆弧和直线,轨道形状简单,设计方便。施工中运用单一的造斜率进行钻进,不用频繁地调整造斜率或更换造斜工具,施工方便。     

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。     

悬链线轨道设计方法研究

悬链线轨道可以降低钻柱摩阻，改善钻柱的受力状况，有利于提高机械钻速和固井质量，在大位移井中具有显著的优越性。为此，系统地阐述了悬链线轨道的数学模型，并改进了无因次模型，使其更为简洁。分析了悬链线剖面的特征参数和设计条件，提出了新的悬链线剖面设计方法。新设计方法不需要进行迭代计算，可直接求解出井身剖面的待求参数，使悬链线轨道的设计过程大为简化。研究表明，悬链线剖面设计的实质就是确定悬链线井段的形状和位置；悬链线的特征参数决定了其形状，而悬链线井段的起始井斜角或稳斜井段的段长等参数决定了悬链线井段在井身剖面中的位置。最后，给出了悬链线剖面的设计与计算实例。     

救援井井眼轨迹设计切入角分析

墨西哥湾漏油事件的发生,使得救援井设计越来越受到海洋石油的重视。众多案例表明,救援井井眼轨迹与切入角的合理设计是保障救援井与事故井顺利对接的关键,然而目前关于井眼轨迹与切入角的理论分析方面尚未有深入的讨论。文中首先分析了救援井常用的三段式和S型井眼轨迹,发现三段式井眼轨迹适用于简单救援井,S型井眼轨迹可以在降斜过程中调整切入角,适用性更强。在S型井眼轨迹设计的基础上,针对直井事故井,引入了"切入转折点"的设计理念,通过研究井眼轨迹切入角、井斜角等参数的几何关系,给出了轨迹参数的计算公式,建立了救援井考虑对接段切入角的井眼轨迹设计方法。现场工程实例证明,该设计方式具有较好的效果。该方法为完善救援井轨迹设计理论提供了新的理论支撑,对深水救援井设计提供了理论指导。     

煤层气鱼骨状分支水平井轨道优化设计

我国的煤层普遍渗透率较低,影响了煤层气开发效果,鱼骨状分支水平井能够有效增大煤层气储层裸露面积、提高煤层气的单井产量,因而近年来被普遍采用。但常规二维轨道设计方法难以满足各分支水平井井眼轨道的设计要求。为此,将各个分支拆分成相对独立的待钻轨道与主井眼轨道,分别加以设计计算--拆分后的井眼轨道可以转化为二维轨道来进行设计;结合鱼骨状分支水平井的特点,建立了分支水平井眼轨道最优化设计模型,并对分支井眼与主井眼的关系进行了分析研究。结果表明：随着井深、造斜率的增加,分支井眼与主井眼的直线夹角增加且分支井眼偏离主井眼的距离是逐渐增大的;在直线夹角一定的情况下,造斜率与井深呈反比关系（造斜率越高所需要的分支井井段越短,造斜率越低则所需要的分支井井段就越长）。     

基于约束优化方法的三维多靶井眼轨迹设计模型

拓广了平面靶和三维靶的定义,建立了多靶三维井眼轨迹的坐标增量方程组,提出了基于约束优化方法的三维井眼轨迹设计新模型。该模型可用于解决多靶情形的三维定向井、水平井的井眼轨迹优化设计问题,优化参数不仅可以包含井深、井斜角、井斜方位角、井段曲率等井眼轨迹参数,还可以包含曲线井段的曲线类型,从而使优化设计结果更好,更适应复杂情况的设计问题。     

三维圆弧型井眼轨道设计模型的拟解析解

为了研究三维圆弧型井眼轨道设计方程组是否存在解析解以及如何有效求解，使用消去法从多元非线性方程组中推导出其中的某个未知数满足一个特征多项式方程，并且证明了该方程组的拟解析解可以由特征多项式方程的实数根和已知设计参数构成的解析公式计算得到；如果极点多项式非恒等于0，则当特征多项式次数不超过5时，如果有解则为解析解，否则为数值解。通过使用C++类实现多项式加减法、乘法的计算方法，提出了多项式实数根的分隔算法、并用二分法快速求解出多项式全部实数根的计算方案。该方法在数学上经严格推导，计算方案简洁、稳健，在三维井眼轨道设计、智能钻井定向控制中具有应用价值。     

三维圆弧型井眼轨道设计模型的拟解析解

为了研究三维圆弧型井眼轨道设计方程组是否存在解析解以及如何有效求解,使用消去法从多元非线性方程组中推导出其中的某个未知数满足一个特征多项式方程,并且证明了该方程组的拟解析解可以由特征多项式方程的实数根和已知设计参数构成的解析公式计算得到;如果极点多项式非恒等于0,则当特征多项式次数不超过5时,如果有解则为解析解,否则为数值解。通过使用C++类实现多项式加减法、乘法的计算方法,提出了多项式实数根的分隔算法、并用二分法快速求解出多项式全部实数根的计算方案。该方法在数学上经严格推导,计算方案简洁、稳健,在三维井眼轨道设计、智能钻井定向控制中具有应用价值。     

阶梯水平井轨迹优化设计

阶梯水平井轨迹优化以设计井深或者摩阻为目标函数,这些都是基于纯技术层面上的,对经济和钻井安全考虑较少。根据其特点,提出了阶梯水平井井眼轨迹的最优化设计方法,以安全、有用和费用最低为井眼轨迹的设计原则,根据阶梯水平井井眼轨迹的设计原理,应用数学优化理论,建立了追求费用最低的最优井身轨迹的目标函数,这是一个非线性有约束的目标函数,利用外罚函数法可以对其求解,进而求得最优井身轨迹。现场试验表明,提出的阶梯水平井井眼轨迹最优化设计方法是正确的、可靠的,可以满足现场要求。     

三维悬链线井眼轨迹模型的数值计算

在三维悬链线轨道设计问题的非线性方程组的数值求解算法中,悬链线井段的坐标增量是使用数值积分法来计算的,由于数值积分嵌套在迭代算法中,数值积分的计算成为影响设计方程组求解效率的主要因素。通过一些数学技巧推导出了垂深增量和水平投影长度增量的解析计算公式,从而在设计方程组的迭代算法中不必再使用数值积分法来计算垂深和水平投影长度增量。使用积分变量替换将北、东坐标增量的积分计算式简化成了另一种等价形式,使用这种新形式来计算数值积分,可以比原来的数值积分法节省三分之一的三角函数运算次数,从而显著提高整个设计方程组迭代算法的计算效率。     

侧钻水平井段铣套管长度及轨迹设计方法

采用段铣套管开窗方式进行侧钻中半径水平井时,设计确定出合理的段铣套管长度及井眼轨迹,对于施工时有效控制井眼轨迹尤为重要。该文在理论和实践基础上,提出了段铣套管长度及井眼轨迹的设计方法,并给出相应的计算模式。     

煤层气多分支水平井轨迹控制技术

多分支水平井因能够有效提高煤层气产能而成为煤层气开采的主要井型,但由于技术和经验不足,在钻井施工过程中,钻速慢、井下复杂情况时有发生。文中分析了多分支水平井在各个阶段的轨迹控制难点,并探讨了悬空侧钻、老眼重入等技术难点及控制要点,给出了造斜段轨道设计运算过程,通过合理选择随钻测量系统,精确控制了钻井全过程轨迹参数。该井眼轨迹的精确控制为我国煤层气多分支水平井整套工艺的施工提供可靠的技术借鉴和准确的参考数据。