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。     

井眼轨迹的弯曲与扭转问题研究

井眼轨迹的空间挠曲形态对井下管柱（钻柱、套管、油管、抽油杆等）的受力和变形将产生重要影响,是研究井下管柱摩阻及强度校核的基础,也是衡量井身质量的重要指标。通过建立井眼轨迹的活动标架及其基本方程,把活动标架与井眼轨迹方程联系起来,提出利用活动标架来描述井眼轨迹空间形态的研究思想和方法。从运动学的角度,研究了活动标架沿井眼轨迹的运动规律,得到了井眼曲率和井眼挠率的运动学意义,从而揭示了井眼轨迹参数之间的内在关系和基本特征。在此基础上,验证了A．Lubinski和G．J．Wilson关于井眼弯曲问题的研究结果,提出了计算井眼挠率的一般性公式及其典型井眼轨迹模型的简化公式。     

井眼轨迹的平均井眼曲率计算

井眼曲率作为衡量工具造斜能力和评价井身质量的重要指标之一,对实现安全、快速、高效钻井具有重要意义。井眼轨迹上任意点处井眼曲率可以精确计算,但是在现场施工过程中,钻井工程师更为关注的是测量井段内的平均井眼曲率,而不是各离散测点处的井眼曲率。为此,系统地阐述了4种弯曲角计算公式的来源,并指出其中的2种计算公式是完全等价的,而另外2种是近似计算公式。在此基础上,通过典型的井眼轨迹模型,对2种计算方法进行了理论分析和算例验证,推荐出了测量井段内平均井眼曲率的计算方法,该方法完全符合井眼轨迹的空间圆弧模型,可以得到其精确的平均井眼曲率,同时对于其它的井眼轨迹模型,在理论分析和计算结果上都显示出了很好的科学性及合理性。     

测斜计算理论的新进展

本文介绍了井眼轨迹描述与计算领域中的最新研究进展，其内容包括井斜函数模型，井眼轨迹挠曲形态描述以及井眼轨迹测斜计算的自然参数法、曲线结构法和数值积分法。通过对理论模型的验证与应用，得出了一些有关测斜计算方法评价的重要结论。     

一种测斜计算新方法——自然参数法

在线性井斜函数的假设条件下,推导出了测段内坐标增量的计算公式,提出了计算井眼轨迹的自然参数法.该方法的描述模型比较合理,具有计算公式简单、计算稳定性好、对井眼轨迹的插值计算容易实现等特点,便于现场应用.经两种典型理论曲线的验证表明:自然参数法优于目前普遍采用的圆柱螺线法和最小曲率法等测斜计算方法,并且对于转盘钻进井段和导向钻具定向钻进井段都可以得到较好的计算结果.     

圆柱拟合法在描述斜井空间形态中的应用

应用圆柱拟合方法建立了斜井抛物线剖面空间曲线的参数方程,给出了井眼曲率及挠率的计算公式。文中从微分几何原理出发,证明了不存在Lubinski提出的"狗腿用平面",因而过去以此为基础的井下钻具组合和套管扶正器的三维分析都不是精确解。并指出,目前各种井眼曲率计算方法都是近似的,都低估了井眼实际弯曲的严重程度。为提高井眼质量,建议在制定技术法规时,严格控制斜井的方位漂移率。最后建议在水平井及斜井的有关技术文件中,增加一幅井眼空间轨迹的立体图,以便给钻井作业者和采油作业者一个形象的、生动逼真的井眼轨迹的空间形态。     

圆柱拟合法在描述斜井空间形态中的应用

应用圆柱拟合方法建立了斜井抛物线剖面空间曲线的参数方程，给出了井眼曲率及挠率的计算公式。文中从微分几何原理出发，证明了不存在Lubinski提出的“狗腿用平面”，因而过去以此为基础的井下钻具组合和套管扶正器的三维分析都不是精确解。并指出，目前各种井眼曲率计算方法都是近似的，都低估了井眼实际弯曲的严重程度。为提高井眼质量，建议在制定技术法规时，严格控制斜井的方位漂移率。最后建议在水平井及斜井的有关技术文件中，增加一幅井眼空间轨迹的立体图，以便给钻井作业者和采油作业者一个形象的、生动逼真的井眼轨迹的空间形态。     

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。     

特殊结构井管柱图绘制方法

特殊结构井与一般定向井或直井最主要的区别在于井眼轨迹的不同,因此井眼轨迹的确定以及井身结构的绘制方法是特殊结构井管柱图绘制的基础。侧钻井、分支井以及鱼骨井的井眼轨迹比定向井更复杂,无法直接绘制或描述,可以将特殊结构井的井眼轨迹进行分段绘制。将井眼轨迹数据进行分段处理,可得到井眼中心线和关键点,以中心线为中心,利用三次样条插值函数可得到井筒曲线,结合套管、水泥返高数据可以绘制井身结构底图。利用井眼轨迹数据,插值计算工具所处位置井斜角,按井斜角旋转工具图,并将其绘制在井筒中,再叠加到井身结构底图上,即可得到能够正确反映井下管柱结构的管柱图。     

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。     

实钻井眼轨迹视投影长度的计算方法

垂直剖面图是显示实钻井眼轨迹的重要方法,其关键在于计算实钻井眼轨迹在设计柱面上的投影曲线。根据几何学原理得到了投影计算的一般方程。并对井段曲线类型为直线、圆柱螺线、圆弧等几种常用情况进行了详细的分析,得到了投影点参数的计算公式。计算实例表明。在实际钻井过程中,利用视投影长度绘制三维井眼实钻轨迹的垂直剖面图可以直观地对比实钻井眼轨迹与设计井眼轨迹的吻合程度,从而起到较好的指导井眼轨迹预测和控制的作用。     

页岩气田压裂区加密调整井绕障轨道优化设计方法

在页岩气丛式水平井设计中，针对压裂区的加密调整井井眼轨道设计需要考虑绕开已钻井压裂段影响域及压裂段影响域之间互相干扰等问题。为了快速评估加密调整井压裂段井眼轨道设计方案的合理性，运用矢量代数方法对页岩气压裂区障碍物进行了几何建模，该几何模型考虑了压裂裂缝影响域；然后根据所建立的障碍物几何模型，建立了以设计轨道总长度最短、轨道势能最小为优化目标，以轨道间防碰为约束条件的页岩气压裂区绕障轨道优化设计模型，并给出了判断页岩气压裂段影响域之间是否存在干扰的几何校核方法；最后依据四川盆地涪陵页岩气田现场实钻数据，对所建立的设计模型进行了验证。研究结果表明：①在压裂区，忽略压裂影响域的障碍物尺寸会被严重低估；②忽略压裂影响域，所设计出的绕障轨道可以避开老井的井眼轨迹，但是有可能会与已钻井的压裂影响域相交，进而引发钻井事故。结论认为，所建立的页岩气压裂区绕障轨道优化设计模型能够满足防碰绕障约束的要求，相应的设计计算避免了繁琐的试算和校核，并且能够实现井眼轨道设计总长度和轨道势能达到最小值的优化目标。     

井眼轨迹位移插值计算的解析法

井眼轨迹的位移插值计算在定向井轨迹监控、中靶分析、水平井靶心距计算和井眼轨迹三维图形实时显示等许多问题中都有很重要的应用。位移插值计算是要根据井段两个端点的井眼轨迹参数从实钻井眼轨迹上给定点的视平移计算出该点的其他井眼轨迹参数；前人在井段曲线为圆柱螺线的假设下提出了逐次位移法实现位移插值计算，但需要反复多次迭代才能求出近似数值解。从空间解析几何学有关公式出发，推导出了圆柱螺线备件下的位移插值解析计算公式并通过算例验证了其正确性。与逐次位移法相比，解析计算公式可以极大地提高井眼轨迹位移插值计算的速度和精度，能够应用于井眼轨迹实时监控、三维图形显示、中靶分析、水平靶心距计算等问题中。     

北特鲁瓦地区裂缝性碳酸盐岩地层井壁稳定性研究

北特鲁瓦地区石炭系中统巴什基尔阶(KT-Ⅱ)碳酸盐岩地层裂缝发育,钻井过程中井壁垮塌问题严重.为提高钻井效率,研究了 KT-Ⅱ碳酸盐岩地层裂缝产状及缝间充填物质,测试了碳酸盐岩基质及缝间充填物组分,分析了裂缝发育对碳酸盐岩地层孔渗特性、力学强度的影响.同时,耦合地应力场、渗流场及裂缝力学弱面效应等因素,建立了裂缝性碳酸...     

水平井安全和危险钻井方位

在理论推导水平井井壁应力公式基础上,根据Mohr-Coulomb准则,建立了水平井井壁稳定控制方程,提出了水平井井壁安全和危险方位的确定方法。利用该方法,能够确定任意应力条件下水平井的安全和危险方位。算例研究表明,应力模式决定着水平井的安全和危险方位,研究结果能够为井眼轨迹优化设计提供理论依据。     

井身轨道设计的优化计算方法

在井眼轨道设计中,假设井眼轨道上的每一段都是空间平面圆弧或直线段,相互之间在连接处相切.根据这一假设,建立了描述井眼参数之间相互关系的非线性方程组,并采用数值优化理论进行井身轨道参数的数值计算.应用这种方法,可以设计出任意轨迹类型的井身轨道,在优化计算时增加适当约束条件,可以解决诸如三维多靶轨道设计、侧钻水平井轨道设计、随钻修正设计以及复杂分支井轨道设计等诸多相关问题,从而开辟了井身轨道设计的新途径.     

井筒注二氧化碳双重非稳态耦合模型

二氧化碳在石油工业中有着广阔的应用前景,但目前井筒注二氧化碳模型均未能表征注二氧化碳过程井筒内流动和传热双重非稳态问题。采用Span-Wagner模型和Vesovic模型对二氧化碳热物性参数进行计算,联立连续性方程、运动方程和能量守恒方程,建立了能模拟短期和长期注二氧化碳过程的井筒双重非稳态耦合模型。采用温度和流速双重迭代算法进行数值求解,并完成实例验证和相关理论分析。计算结果表明:新模型能较准确地计算注二氧化碳井筒温度、压力值;摩擦生热项在较大摩阻梯度下不能忽略,而焦耳-汤姆森效应和储层岩性的影响可以忽略。修正后的新模型还可用于预测水力压裂等工艺过程井筒温度分布。     

双水平井蒸汽辅助重力泄油注汽井筒关键参数预测模型

依据普通水平井注蒸汽井筒内参数预测模型,结合双油管质量流速耦合计算,推导出SAGD循环预热及生产过程中,不同管柱结构组合条件下注汽井筒内蒸汽流动的质量守恒、能量守恒及动量守恒方程,建立了双油管注汽井井筒沿程参数计算模型。利用该模型对某SAGD注汽井循环预热过程中井筒内沿程温度、压力等参数进行了计算,结果与现场监测结果吻合,证明了模型的准确性。利用该模型计算得出现有管柱结构下SAGD循环预热阶段最低注汽速度为60 t/d,注汽井最大水平段长度为564 m;针对现有管柱结构在SAGD生产过程中为两段式配汽,A点存在段通及点窜风险等缺点,对现有水平段内的长、短油管组合进行了优化,优化后的短油管下入水平段A点后150 m、长油管下入水平段B点,数值模拟结果表明,采用优化后管柱结构组合,在SAGD生产阶段可实现三段式配汽,有效降低了A点段通及点窜风险。