发布时间 : 星期六 文章定向井轨迹设计计算方法探析更新完毕开始阅读
?E???2?1(sin?/kcos?)cos{?1?tan?ln[tan(?/2)/tan(?1/2)]}d??1?2 (5)
?E???2?1(si?n/kcos?)sin?{?ln[ta?n/(2)/tan?(1/2)]}d?1?tan?1?2 (6)
式中,ω为装置角; K 为井眼曲率。
由式(5)、(6) 可见, ΔN 和ΔE 的计算函数是不可积分的, 需要用数值法计算, 用计算机计算已经不存在难度。
采用上述四种曲线进行轨迹设计, 其难度要比测斜计算大得多, 还有待进一步研究。下面以“三维单目标待钻井眼”轨迹设计为例, 对比四种曲线的设计结果。
已知目前井底O 点的参数: 井深1000m , 井斜角20°, 井斜方位角20°, 垂深950m , N 坐标150m , E 坐标80m。给定目标点t 的坐标: 垂深1100m , N 坐标210m , E 坐标130m。试用4 种曲线分别设计该待钻井眼轨迹。设计结果见表1。
表5-1 四种曲线设计结果对比
曲线名称t 斜面圆弧曲线 圆柱螺旋曲线 恒装置角曲线 自然参数曲线 点井斜角, (°) 36.16333 35.19544 36.12895 38.18520 t 点井斜方位角,(°) 待钻井段长度/m 51.10041 59.16111 53.12792 56.10700 170.11342 170.13996 170.16888 172. 19969 求得t 点的设计参数后, 可以对整个待钻井段进行分点计算, 还可求得所有分点处的井眼曲率和装置角, 从而得到各种曲线的井眼曲率和装置角随着井眼长度的变化关系, 如图5-1 和图5-2 所示。
- 21 -
图5-1井眼曲率随井眼长度变化关系
图5-2装置角随井眼长度变化关系
从图5-1 和图5-2 可以看出:
1) 圆柱螺旋曲线的曲率和装置角随着井眼长度的变化, 都在大范围内变化。这显然不利于井眼轨迹控制。
- 22 -
2) 自然参数曲线的曲率和装置角随着井眼长度的变化, 也在变化, 但变化范围比圆柱螺旋曲线稍小。这同样不利于井眼轨迹控制。
3) 斜面圆弧曲线的曲率在整个井段都是不变的,这当然有利于轨迹控制。但其装置角却在较大范围内变化, 即使使用MWD 监测, 也难以钻出真正的斜面圆弧曲线井眼。 4) 恒装置角曲线的井眼曲率和装置角, 在整个井段内都保持不变。在使用MWD 监测的情况下, 可以__图1 4 种曲线井眼曲率与井眼长度变化的关系图2 4 种曲线装置角与井眼长度变化的关系利用装置角进行轨迹控制。只要保持装置角不变, 就可以钻出这样的曲线井眼。这就是恒装置角曲线的优点, 也是目前三维定向井需要采用恒装置角曲线进行轨迹设计的原因。
5.3 两种扭方位方式的对比
目前存在的扭方位方式只有两种, 即斜面法扭方位和柱面法扭方位。斜面法扭方位就是在钻进过程中始终保持“工具面”不变, 也就是说始终保持“工具面”所在的空间斜平面不变。利用斜面法扭方位钻出的井眼轴线, 理论上应该是斜面圆弧曲线。
在不使用MWD 的情况下, 斜面法扭方位被广泛采用。其作法是: 给造斜工具定向之后即锁住转盘, 滑动钻进, 在整个扭方位过程中不转动钻柱, 这样可以保持“工具面始终处在定向时选定的空间斜平面上。但实际上由于动力钻具反扭角难以准确计算, 即使钻柱不转动, 实际的工具面也不可能处在定向时选定的空间斜平面上。这就是在不使用MWD 情况下, 实际上不可能真正做到斜面法扭方位, 不可能钻出真正的斜面圆弧曲线井眼的原因。
在使用MWD 监测的情况下, 虽然可以观察到反扭角的大小, 并据此给工具定向，但在扭方位钻进过程中, 由于各种因素的影响, 反扭角不断变化, 实际的工具面也不可能总是处在定向时选定的空间斜平面上, 因此也不可能钻出真正的斜面圆弧曲线井眼。这就是在使用MWD 情况下, 不再采用斜面法扭方位,而采用柱面法扭方位的原因。
柱面法扭方位钻出的井眼, 理论上应该是恒装置角曲线。
在不使用MWD 的情况下, 无法监测装置角, 所以不可能实现柱面法扭方位。文献[ 1 ] 介绍了一种近似方法: 可以事先计算每钻进一个单根后装置角的变化量, 在实际扭方位过程中每钻完一个单根, 转动一次钻柱, 而在一个单根的钻进过程中则采用斜面法扭方位方式。该方法同样摆脱不了反扭角的干扰。
只有在使用了MWD 之后, 才真正实现柱面法扭方位。因为司钻可以直接看到装置角的大小, 通过扭转钻柱可以随时调整装置角, 以便保持装置角不变。所以, 在目前应用
- 23 -
MWD 控制井眼轨迹的条件下, 扭方位的最好方式就是柱面法扭方位, 即恒装置角法扭方位。也就是说, 与该扭方位方式相适应的井眼轨迹曲线最好是恒装置角曲线。
所以, 三维定向井目前首先需要采用恒装置角曲线法进行井眼轨迹设计与控制。 以上所述只是问题的一个方面。问题的另一个方面是: 在相同的设计条件下, 与斜面圆弧曲线相比, 恒装置角曲线设计的井段长度相对较长, 需要的工具造斜率也相对较大。从表1 可以看出, 斜面圆弧曲线是所有4 种曲线中设计井段最短的, 这使进尺减少; 它所需要的工具造斜率也是最小的, 这使造斜工具的选择更容易更方便。所以从理论上讲, 最优的设计井眼轨迹应该是斜面圆弧曲线。可是问题在于目前的MWD 技术无法钻出斜面圆弧曲线的井眼, 这就使设计轨迹与实钻轨迹相脱节。
所以笔者认为, 三维定向井还需要研究开发新的MWD 显示技术。这种MWD 不仅可以显示装置角(包括高边模式的工具面角) , 而且可以显示斜面法扭方位所选定的空间斜平面的特性参数, 司钻可以看到这个特性参数, 并且能控制这个参数, 彻底摆脱反扭角的干扰, 钻出真正的斜面圆弧曲线井眼来。
另外, 圆柱螺旋曲线和自然参数曲线, 也并非一无是处。有些三维定向井采用圆柱螺旋曲线或自然参数曲线进行设计比较容易, 而采用斜面圆弧曲线或恒装置角曲线进行设计则相当困难。所以三维定向井也需要未来的MWD 能够根据设计曲线需要, 可以显示出表征圆柱螺旋曲线和自然参数曲线特性的参数, 以便控制此参数, 钻出圆柱螺旋曲线和自然参数曲线井眼来。
MWD 每一个新的显示技术, 就意味着一个新的扭方位方式。三维定向井的发展迫切需要与斜面圆弧、圆柱螺线和自然参数曲线相对应的扭方位方式。
6.总结
1.优化设计方法得到的井眼轨道井眼光滑，轨道短，摩阻力小，它有利于提高钻速，降低成本，安全生产。优化设计方法可以最大限度地排除设计人的经验干扰，能提供使人确信的最优设计方案。优化设计方法将使人的补偿作用越来越小，可以促进钻井技术向闭环钻井、自动化钻井方向发展。
2.目前普遍采用“两点法”来计算相邻两测点间的小段井眼中心的垂直深度、水平位移、南北坐标、东西坐标、水平位移。根据把小段井眼中心线作为直线或曲线的不同处理方法。
- 24 -