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。     

最小曲率法井眼轨迹控制技术研究与应用

为进一步完善最小曲率法井眼轨迹计算方法,采用数学分析的方法,推导出了一系列参数方程,可用解析方法直接计算任意井眼轨迹点的空间坐标、井斜角方位角、瞬时工具面角、井斜角变化率和方位角变化率等。其中对方位角和工具面角的计算进行了数学处理,克服了现有计算公式的缺陷。讨论了工具面角对井眼轨迹变动的影响,并对4种初始工具面角典型状态下井斜角、方位角的变化特点进行了分析。该计算方法不但可以对实钻井眼轨迹进行计算,而且还可以用于井眼轨迹设计、井眼轨迹预测和井眼轨迹控制,为设计结果的优化提供新的思路。     

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。     

井斜控制方案设计方法

井斜控制方案设计是有效控制井眼轨迹的首要环节,在定向钻进过程中普遍应用。基于空间圆弧轨迹模型,提出了井斜控制方案的交互式设计方法,解决了一些参数的多值性问题,揭示了特殊扭方位方式的适用条件,阐述了用于增、降斜的初始工具面角范围。结果表明:交互式设计方法具有优化设计和结果校验功能,现场使用方便;初始工具面角等参数的多值性问题不能简单地用井斜角增量来判别,而是取决于扭方位终点的井斜变化率;稳斜扭方位和全力扭方位应限定在一定的井段范围内使用,其范围可用许用弯曲角来表征;稳斜扭方位的许用弯曲角不超过180°,全力扭方位的许用弯曲角不超过90°。稳斜扭方位井段由增斜和降斜2部分组成,其增、降分界点为井段中点;扭方位井段的增、降斜趋势可用初始工具面角来判别,而初始工具面角的增、降斜分界线或区域取决于始点井斜角。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。     

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。     

定向井井眼轨迹的三维设计方法

本文介绍了2种设计三维定向井井眼轨迹的方法,即水平面投影法和空间斜平面法。水平面投影法适用于设计稳料变方位的三维定向井井眼轨迹,它是将定向井三维井眼所在的曲面展开后再投影到水平面上,进而根据水平投影图计算出当量水平位移。先在水平面上进行投影轨迹设计,然后扩展到铅垂面上,就是二维设计问题了。通过逐步逼近的办法设计出既能满足设计曲率的限制,又合乎打准目标要求的稳斜变方位的三维井眼轨迹。空间斜平面法适用于定向井增斜和降料变方位及三维侧钻井眼轨迹设计,它的基本作法是进行坐标变换,即通过1次坐标平移及3次分别就变方位开始点的方位角、井斜角和工具面角进行坐标旋转,把原来属于三维设计的问题转化为空间某一斜平面上的二维设计问题,从而大大简化了设计过程     

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。     

最小曲率法中水平投影长度的计算

最小曲率法是钻井轨道设计和实钻井眼轨迹计算中最常用的计算方法,在最小曲率法中,假设井段是空间斜平面上的圆弧。在目前的最小曲率法计算井段水平投影长度时使用一种近似公式,用椭圆的弦长代替弧长。分析了近似计算公式的缺点,推导了水平投影长度的精确计算公式,用数学试验法给出了近似计算公式与精确计算公式的偏差规律。结果表明,近似计算公式只有在井段的井斜角差值和方位角差值都比较小时才成立,当差值大于10°时,偏差将超过千分之一。     

定向井钻井空间圆弧轨道计算的两个问题

在定向井轨道设计、实钻轨迹监控等一系列问题中,圆弧井段参数计算是一个最基础的问题。前人提出的圆弧井段井斜角和方位角的计算公式具有计算复杂、推导过程烦琐等缺点,为此以坐标增量恒等式为基础,使用初等方法推导出了一组新的圆弧井段井斜角和方位角的计算公式。这组新公式具有简洁对称、结构清晰等特点。基于井眼曲率是空间圆弧井段的不变量,还给出了井底参数预测的一种新方法。     

丛式井定向钻井造斜工具面的优化控制分析

丛式井钻进时直井段不能完全打直,造成造斜点处井斜方位角偏离较远。如果在造斜点处直接朝着目标方位定向造斜,受井眼惯性的影响,井底不能及时靠近设计线,从而使丛式井防碰问题更加严重。为此,从整个平台的安全角度出发,结合"三维绕障"方向计算模型,确定了初始定向工具面的安全范围,同时结合BZ34-4WP平台讨论了定向工具面不在确定的范围内时对井眼轨迹控制的影响。分析结果表明,考虑平台槽口整体安全情况和直井段轨迹数据以及目标井斜方位后,确定出初始定向工具面角的安全范围更为科学。     

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。     

定向井、水平井靶心距计算的数值方法

靶心距计算是定向井和水平井井身质量检查中的一项重要内容,靶心距计算的核心内容是求入靶点的坐标.入靶点是井眼轨迹与某个空间平面的交点:对于定向井,该平面是圆形靶圈所在的水平面;对于水平井,该平面是靶体轴线的垂直平面.根据点与平面的有向距离的概念给出了入靶点所在井段的扫描算法,该算法能快速确定入靶点所在井段.对求解入靶点关键参数方程的数值迭代法--二分法及其收敛性能进行了详细研究,并给出了在空间圆弧、圆柱螺线、自然曲线等3种井段曲线类型情况下的详细计算公式.理论及实际算例表明,二分法是求入靶点数值解的非常有效的算法.入靶点所在井段的扫描算法和求入靶点关键参数数值解的二分法在中靶分析、邻井法面距离扫描、井眼轨迹监控中也有很重要的应用价值.     

静态推靠式旋转导向控制指令算法

旋转导向钻井系统代表了当今最高水平的定向钻进技术,而我国对该项技术的研究仍处于初级阶段,急需对该技术进行深入研究。以静态推靠式旋转导向工具为研究对象,根据其内部结构及导向工作原理,寻求针对该类型导向工具的控制指令算法。采用平面圆弧曲线假设法确定可钻达目标点的待钻井段,通过分析该井段的井斜角、井斜方位角及全角变化率,得到可实现按目标方向钻进的控制指令算法,同时将该算法编入导向工具地面控制系统。实验结果表明,该控制算法可根据轨迹要求,准确求出控制指令,实现导向功能。最后做出静态推靠式旋转导向工具的双向闭环控制图,并加以说明,以供科研人员参考。     

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。      

浅谈井斜的控制方案与设计方法

本文依据空间圆弧轨迹模型的基本关系,对井斜控制的设计方法进行了讨论,提出了交互式的设计方法,并以此来对参数多值性的相关问题予以解决,从而对特殊扭方位方式的适用性予以揭示,并对增斜初始工具和降斜初始工具的面角范围进行了浅要的研讨。     

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。     

大位移井减阻工具合理安放位置研究

大位移井技术因其具有巨大经济效益并能够满足特殊作业的目的而得以迅速推广应用，但水平井段摩阻扭矩又成为了制约大位移井推广应用的关键因素。为了减少大位移井摩阻扭矩的目的，首先根据用测斜数据，应用3次样条函数拟合井眼轨迹。将多维井段装有减阻工具套管柱作为类连续梁，并考虑弯曲载荷的影响，综合考虑了井斜角、方位角以及套管柱自身几何参数等多因素对套管柱挠曲变形综合影响，以此建立大位移井不同井段套管柱力学模型，完善了部分国外学者计算套管柱挠度“软模型”的不足；进而给出了优化大位移井减阻工具合理安放位置理论计算方法。     

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。     

旋转导向钻井系统测量技术研究

在旋转导向方式下如何设计测量系统和解决由于钻柱旋转引起的测量精度问题就是旋转导向钻井系统面临的诸多技术难点之一。深入研究了近钻头空间姿态测量系统的结构、原理及安装等问题。对比分析了两种坐标系下测量和计算井眼轨迹参数的优缺点。结果表明，不但能在钻柱旋转过程中测出近钻头处的井斜角、方位角及控制面角，而且可以消除钻柱磁感应对测量结果的影响。