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CN116911073B - 一种推靠式旋转导向工具极限造斜率预测方法及系统 - Google Patents

一种推靠式旋转导向工具极限造斜率预测方法及系统 Download PDF

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CN116911073B
CN116911073B CN202311154640.3A CN202311154640A CN116911073B CN 116911073 B CN116911073 B CN 116911073B CN 202311154640 A CN202311154640 A CN 202311154640A CN 116911073 B CN116911073 B CN 116911073B
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张健涛
严寒冰
秦东兴
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Chengdu Chengxin Petroleum Technology Co.,Ltd.
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Chengdu University of Information Technology
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Abstract

本发明提供了一种推靠式旋转导向工具极限造斜率预测方法及系统，涉及钻井开采技术领域。本发明通过将反应推靠式旋转导向装置的力学数学模型与旋转导向装置在实钻过程中的实测井斜数据相结合，利用力学数学模型计算导向工具的理论极限造斜率，并将修正系数与力学数学模型相结合，从而预测在相同区块相同层位中钻井作业时导向工具的极限造斜率；有效解决了如何能够结合实测数据来预测不同参数变化下推靠式旋转导向装置极限造斜率的问题。因此，本发明提供的预测方法及系统可为作业人员提供可靠的推靠式旋转导向装置性能分析手段，进而为实现高效钻井施工提供技术支撑，具备良好的实用性与推广价值。

Description

一种推靠式旋转导向工具极限造斜率预测方法及系统
技术领域
本发明涉及钻井开采技术领域，尤其涉及一种推靠式旋转导向工具极限造斜率预测方法及系统。
背景技术
但是油气储层位于地下埋深几千上万米的位置，且储层常常并不位于井口的正下方，这就需要采用定向钻井的方式使井眼轨迹按照设计形态来向前延伸至油气储层。那么，定向钻井工具的作业能力就直接关系到能否实现对油气资源的高效开发。由于旋转导向工具相较于传统定向钻井工具（如螺杆）能在钻柱旋转的状态下实现对井眼轨迹延伸趋势的调整与控制，不仅单位钻井时间内可获得更多的进尺且轨迹也更加光滑，因此旋转导向工具是一种高效的定向钻井工具。
近年来各大石油公司相继进行技术攻关实现了该装备的国产化。旋转导向工具的作业能力一般用极限造斜率这项指标来进行评估，对于二维井眼轨迹，极限造斜率是指旋转导向工具在调整井眼轨迹延伸趋势中可实现的最大井斜变化率；对于三维井眼轨迹，极限造斜率是指可实现的最大全角变化率。
定向井工程师根据设计井眼轨迹中的最大全角变化率来选取适当的旋转导向工具，或者根据旋转导向工具的极限造斜率来设计井眼轨迹。因此估算旋转导向工具的极限造斜率是采用该项工具进行施工前的重要任务，而推靠式旋转导向工具作为国产旋转导向工具的主要类型；但是，目前还缺乏一种将力学数学模型与实测井斜数据相结合的推靠式旋转导向工具极限造斜率预测方法。
因此，有必要提供一种推靠式旋转导向工具极限造斜率预测方法及系统来解决上述技术问题。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供的一种推靠式旋转导向工具极限造斜率的预测方法，通过如下步骤进行极限造斜率预测：
步骤1：选择已在实际定向井作业中使用过的推靠式旋转导向装置；
步骤2：利用力学数学模型计算该推靠式旋转导向装置的理论极限造斜率；
步骤3：根据实测井斜数据与该旋转导向装置在作业井深区间中使用的导向力记录，计算出作业井深区间中的实测最大造斜率；
步骤4：利用理论极限造斜率与实测最大造斜率计算修正系数；
步骤5：基于修正系数，改变力学数学模型中的参数，进行不同配置推靠式旋转导向装置极限造斜率的预测。
作为更进一步的解决方案，在进行力学数学模型建立时，将目前旋转导向装置所在的井眼曲率设置为k c ，并对旋转导向装置进行力学简化，将旋转导向装置视为两根梁柱构成，得到旋转导向装置的梁柱模型；其中，力学简化，将推靠式旋转导向装置简化为由钻头、扶正器、导向装置所构成。
作为更进一步的解决方案，在力学数学模型进行计算时，需要记录的参数包括钻头外径D bit ，扶正器外径D sta ，钻压WOB，推靠巴掌产生的推靠力F p ，钻头到推靠巴掌的距离L AC ，推靠巴掌到扶正器的距离L CB ，导向装置的长度L AB ，导向装置的外径D ot ，导向装置的内径D it ，导向装置的弯曲刚度EI，导向装置的线重q t ，其中，L AB =L AC +L CB 。
作为更进一步的解决方案，通过梁柱模型将钻头到推靠巴掌之间旋转导向装置受力后的位移y AC 与推靠巴掌到扶正器之间的位移y CB 表示为：
；
；
其中，c 1，c 2，c 3，c 4，c 5，c 6，c 7，c 8为8个待解系数，并分别通过如下边界条件求解：
（10）
其中，。
作为更进一步的解决方案，在求出上述8个待解系数的基础上，通过如下表达式求得钻头侧向力：
其中，F d 为钻头侧向力。
作为更进一步的解决方案，在求得钻头侧向力表达式的基础上，通过如下表达式求出旋转导向装置的理论极限造斜率：
其中，k max 表示极限造斜率，令钻头侧向力F d =0，并求出表达式中的井眼曲率k c ，便能获得理论极限造斜率；FindRoot为求根函数。
作为更进一步的解决方案，在预测理论极限造斜率后，将具有同样参数的旋转导向工具在某区块某层位钻井作业期间的实测井斜数据进行处理，计算出导向工具在该层位钻井期间的实测最大造斜率，其中，实测最大造斜率通过如下步骤进行：
在该层位作业期间的一系列导向指令可视为由不同的导向力百分比与导向方位构成，每个导向指令作用期间的指令起始井深，指令结束井深，并计算出该指令作用下所在井深区间的实测最大造斜率：
其中，Inc st表示导向指令区间起始点的井斜角；Azi st表示导向指令区间起始点的方位角；
MD st表示导向指令区间起始点的井深；Inc ed表示导向指令区间结束点的井斜角；Azi ed表示导向指令区间结束点的方位角；MD ed表示导向指令区间结束点的井深；DoglegFun表示导向指令区间形成轨迹的狗腿计算函数；
计算出该层位作业期间不同导向指令下的实测最大造斜率集合，采用取中值或平均值等不同筛选方法来选出该集合中n个实测最大造斜率中具有代表性的实测最大造斜率：
其中，FilterFun表示筛选函数，并根据需要采用对应筛选方法完成。
作为更进一步的解决方案，通过实测最大造斜率与理论极限造斜率计算出修正系数α，即：
其中，k max 表示极限造斜率，Dogleg max 表示实测最大造斜率。
作为更进一步的解决方案，在得到修正系数α的基础上，在式（1）至式（12）所表示的力学数学模型中代入不同的参数，就可预测同区块同层位下旋转导向装置的极限造斜率k RSS ，即：
其中，α表示修正系数，k max 表示极限造斜率。
一种计算机系统，所述计算机系统包括处理器和存储器；所述存储器存储有可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上任一项所述的推靠式旋转导向工具极限造斜率的预测方法的步骤。
与相关技术相比较，本发明提供的一种推靠式旋转导向工具极限造斜率预测方法及系统具有如下有益效果：
本发明通过将反应推靠式旋转导向装置的力学数学模型与旋转导向装置在实钻过程中的实测井斜数据相结合，利用力学数学模型计算导向工具的理论极限造斜率，并将修正系数与力学数学模型相结合，从而预测在相同区块相同层位中钻井作业时导向工具的极限造斜率；有效解决了如何能够结合实测数据来预测不同参数变化下推靠式旋转导向装置极限造斜率的问题。因此，利用本发明提供的方法可为作业人员提供更可靠的推靠式旋转导向装置性能分析手段，进而为实现高效钻井施工提供技术支撑，具备良好的实用性与推广价值。
附图说明
图1为本发明提供的一种推靠式旋转导向工具极限造斜率预测方法及系统的流程图；
图2为本发明提供的一种推靠式旋转导向装置在井眼中的结构示意图；
图3为本发明提供的一种推靠式旋转导向装置在井眼中的力学数学模型受力示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施方式对本发明作进一步说明。
如图1所示，本实施例提供的一种推靠式旋转导向工具极限造斜率的预测方法，通过如下步骤进行极限造斜率预测：
步骤1：选择已在实际定向井作业中使用过的推靠式旋转导向装置；
步骤2：利用力学数学模型计算该推靠式旋转导向装置的理论极限造斜率；
步骤3：根据实测井斜数据与该旋转导向装置在作业井深区间中使用的导向力记录，计算出作业井深区间中的实测最大造斜率；
步骤4：利用理论极限造斜率与实测最大造斜率计算修正系数；
步骤5：基于修正系数，改变力学数学模型中的参数，进行不同配置推靠式旋转导向装置极限造斜率的预测。
需要说明的是：本实施例通过分析推靠式旋转导向工具的结构建立力学数学模型，并基于力学数学模型计算理论极限造斜率，然后利用实测井斜数据结合旋转导向工具导向指令计算出导向工具的实测最大造斜率，接着利用实测最大造斜率与理论极限造斜率计算出修正系数，在得到修正系数的基础上预测推靠式旋转导向工具的极限造斜率，形成将力学数学模型与实测井斜数据相结合来预测推靠式旋转导向工具极限造斜率的方法。
具体的，基于力学数学模型与实测井斜数据相结合来预测推靠式旋转工具极限造斜率的方法，首先根据推靠式旋转导向工具的结构建立力学数学模型，接着利用力学数学模型计算导向工具的理论极限造斜率，然后将导向工具在井下某层位钻井作业过程中所在井深区间的实测井斜数据结合旋转导向工具导向指令进行计算，得到该井深区间中的导向工具实测最大造斜率集合，再将集合进行处理得到有代表性的导向工具实测最大造斜率，随后利用该值与理论极限造斜率计算出修正系数，最后将修正系数与力学数学模型相结合就可预测导向工具在相同区块相同层位中钻井作业时的极限造斜率。
由于本发明可以将反应推靠式旋转导向装置的力学数学模型与旋转导向装置在实钻过程中的实测井斜数据相结合，有效解决了如何能够结合实测数据来预测不同参数变化下推靠式旋转导向装置极限造斜率的问题。因此，利用本发明提供的方法可为作业人员提供更可靠的推靠式旋转导向装置性能分析手段，进而为实现高效钻井施工提供技术支撑。
作为更进一步的解决方案，在进行力学数学模型建立时，将目前旋转导向装置所在的井眼曲率设置为k c ，并对旋转导向装置进行力学简化，将旋转导向装置视为两根梁柱构成，得到旋转导向装置的梁柱模型；其中，力学简化，将推靠式旋转导向装置简化为由钻头、扶正器、导向装置所构成。
需要说明的是：如图2所示，假设目前旋转导向装置所在的井眼曲率为k c ，将旋转导向装置进行力学简化，将旋转导向装置视为两根梁柱构成，可得旋转导向装置受力示意图。本发明根据推靠式旋转导向装置主要组成结构，将其简化为由钻头、扶正器、导向装置所构成如图3所示；其中，导向装置上施加推靠力的装置称为推靠巴掌，推靠巴掌在井壁上施加推力后会产生反作用力在钻头上，使得钻头侧向力发生变化进而改变钻头在地层中的切削方向，使轨迹按照预定设计延伸。
作为更进一步的解决方案，在力学数学模型进行计算时，需要记录的参数包括钻头外径D bit ，扶正器外径D sta ，钻压WOB，推靠巴掌产生的推靠力F p ，钻头到推靠巴掌的距离L AC ，推靠巴掌到扶正器的距离L CB ，导向装置的长度L AB ，导向装置的外径D ot ，导向装置的内径D it ，导向装置的弯曲刚度EI，导向装置的线重q t ，其中，L AB =L AC +L CB 。
作为更进一步的解决方案，通过梁柱模型将钻头到推靠巴掌之间旋转导向装置受力后的位移y AC 与推靠巴掌到扶正器之间的位移y CB 表示为：
；
；
其中，c 1，c 2，c 3，c 4，c 5，c 6，c 7，c 8为8个待解系数，并分别通过如下边界条件求解：
（10）
其中，。
作为更进一步的解决方案，在求出上述8个待解系数的基础上，通过如下表达式求得钻头侧向力：
其中，F d 为钻头侧向力。
作为更进一步的解决方案，在求得钻头侧向力表达式的基础上，通过如下表达式求出旋转导向装置的理论极限造斜率：
其中，k max 表示极限造斜率，令钻头侧向力F d =0，并求出表达式中的井眼曲率k c ，便能获得理论极限造斜率；FindRoot为求根函数。
作为更进一步的解决方案，在预测理论极限造斜率后，将具有同样参数的旋转导向工具在某区块某层位钻井作业期间的实测井斜数据进行处理，计算出导向工具在该层位钻井期间的实测最大造斜率，其中，实测最大造斜率通过如下步骤进行：
在该层位作业期间的一系列导向指令可视为由不同的导向力百分比与导向方位构成，每个导向指令作用期间的指令起始井深，指令结束井深，并计算出该指令作用下所在井深区间的实测最大造斜率：
其中，Inc st表示导向指令区间起始点的井斜角；Azi st表示导向指令区间起始点的方位角；
MD st表示导向指令区间起始点的井深；Inc ed表示导向指令区间结束点的井斜角；Azi ed表示导向指令区间结束点的方位角；MD ed表示导向指令区间结束点的井深；DoglegFun表示导向指令区间形成轨迹的狗腿计算函数，该狗腿计算方法为定向井工程中的常见计算公式，可采用如下的方式进行计算：
；
计算出该层位作业期间不同导向指令下的实测最大造斜率集合，采用取中值或平均值等不同筛选方法来选出该集合中n个实测最大造斜率中具有代表性的实测最大造斜率：
其中，FilterFun表示筛选函数，并根据需要采用对应筛选方法完成。
作为更进一步的解决方案，通过实测最大造斜率与理论极限造斜率计算出修正系数α，即：
其中，k max 表示极限造斜率，Dogleg max 表示实测最大造斜率。
作为更进一步的解决方案，在得到修正系数α的基础上，在式（1）至式（12）所表示的力学数学模型中代入不同的参数，就可预测同区块同层位下旋转导向装置的极限造斜率k RSS ，即：
其中，α表示修正系数，k max 表示极限造斜率。
一种计算机系统，所述计算机系统包括处理器和存储器；所述存储器存储有可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上任一项所述的推靠式旋转导向工具极限造斜率的预测方法的步骤。
以下结合具体实例，来对实施例进一步阐述。
第一步：记录力学数学模型计算推靠式旋转导向装置极限理论造斜率的参数，如表1所示。根据式（1）至式（12）给出的计算流程，代入表1的参数可计算出理论极限造斜率为12.94°/30m。
表1 推靠式旋转导向装置
第二步，记录该旋转导向装置在某区块某层位作业期间的实测井斜数据与导向指令，分别如表2与表3所示。利用表2与表3的数据可以计算出这4条导向指令井深区间对应的实测最大造斜率分别为，7.34°/30m，9.95°/30m，7.76°/30m，8.44°/30m，采用计算平均值的方法，得到该作业井深的实测最大造斜率为8.40°/30m，
表2 井斜数据记录
表3 导向指令记录
第三步：利用理论极限造斜率与实测最大造斜率计算出修正系数为0.65。
第四步：改变表1中的数据进行不同配置参数下旋转导向装置理论极限造斜率计算，例如将表1中巴掌最大推靠力改为25kN，可计算出理论极限造斜率为11.27°/30m，然后利用已得到的修正系数，可得旋转导向装置的极限造斜率为7.33°/30m。
综上所述，本实施例通过提供一种将力学数学模型与实测井斜数据相结合来预测推靠式旋转导向工具极限造斜率的方法，以便作业人员能够根据旋转导向工具极限造斜率来设计井眼轨迹，或者根据设计井眼轨迹来选取符合轨迹趋势调整需求的旋转导向工具，或者调整旋转导向工具结构来符合施工中对工具极限造斜率的需求，实现在旋转导向工具工作期间作业人员能够更好控制与调整井眼轨迹的延伸趋势，提高作业效率。
以上仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所做的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种推靠式旋转导向工具极限造斜率的预测方法，其特征在于，通过如下步骤进行极限造斜率预测：
步骤1：选择已在实际定向井作业中使用过的推靠式旋转导向装置；
步骤2：利用力学数学模型计算该推靠式旋转导向装置的理论极限造斜率；
步骤3：根据实测井斜数据与该旋转导向装置在作业井深区间中使用的导向力记录，计算出作业井深区间中的实测最大造斜率；
步骤4：利用理论极限造斜率与实测最大造斜率计算修正系数；
步骤5：基于修正系数，改变力学数学模型中的参数，进行不同配置推靠式旋转导向装置极限造斜率的预测；
其中，在进行力学数学模型建立时，将目前旋转导向装置所在的井眼曲率设置为k c ，并对旋转导向装置进行力学简化，将旋转导向装置视为两根梁柱构成，得到旋转导向装置的梁柱模型；其中，力学简化，将推靠式旋转导向装置简化为由钻头、扶正器、导向装置所构成。
2.根据权利要求1所述的一种推靠式旋转导向工具极限造斜率的预测方法，其特征在于，在力学数学模型进行计算时，需要记录的参数包括钻头外径D bit ，扶正器外径D sta ，钻压WOB，推靠巴掌产生的推靠力F p ，钻头到推靠巴掌的距离L AC ，推靠巴掌到扶正器的距离L CB ，导向装置的长度L AB ，导向装置的外径D ot ，导向装置的内径D it ，导向装置的弯曲刚度EI，导向装置的线重q t ，其中，L AB =L AC +L CB 。
3.根据权利要求2所述的一种推靠式旋转导向工具极限造斜率的预测方法，其特征在于，通过梁柱模型将钻头到推靠巴掌之间旋转导向装置受力后的位移y AC 与推靠巴掌到扶正器之间的位移y CB 表示为：
其中，c 1，c 2，c 3，c 4，c 5，c 6，c 7，c 8为8个待解系数，并分别通过如下边界条件求解：
（10）
其中，。
4.根据权利要求3所述的一种推靠式旋转导向工具极限造斜率的预测方法，其特征在于，在求出上述8个待解系数的基础上，通过如下表达式求得钻头侧向力：
其中，F d 为钻头侧向力。
5.根据权利要求4所述的一种推靠式旋转导向工具极限造斜率的预测方法，其特征在于，在求得钻头侧向力表达式的基础上，通过如下表达式求出旋转导向装置的理论极限造斜率：
其中，k max 表示极限造斜率，令钻头侧向力F d =0，并求出表达式中的井眼曲率k c ，便能获得理论极限造斜率；FindRoot为求根函数。
6.根据权利要求5所述的一种推靠式旋转导向工具极限造斜率的预测方法，其特征在于，在预测理论极限造斜率后，将具有同样参数的旋转导向工具在某区块某层位钻井作业期间的实测井斜数据进行处理，计算出导向工具在该层位钻井期间的实测最大造斜率，其中，实测最大造斜率通过如下步骤进行：
在该层位作业期间的一系列导向指令可视为由不同的导向力百分比与导向方位构成，每个导向指令作用期间的指令起始井深，指令结束井深，并计算出该指令作用下所在井深区间的实测最大造斜率：
其中，Inc st表示导向指令区间起始点的井斜角；Azi st表示导向指令区间起始点的方位角；
MD st表示导向指令区间起始点的井深；Inc ed表示导向指令区间结束点的井斜角；Azi ed表示导向指令区间结束点的方位角；MD ed表示导向指令区间结束点的井深；DoglegFun表示导向指令区间形成轨迹的狗腿计算函数；
计算出该层位作业期间不同导向指令下的实测最大造斜率集合，采用取中值或平均值等不同筛选方法来选出该集合中n个实测最大造斜率中具有代表性的实测最大造斜率：
其中，FilterFun表示筛选函数，并根据需要采用对应筛选方法完成。
7.根据权利要求6所述的一种推靠式旋转导向工具极限造斜率的预测方法，其特征在于，通过实测最大造斜率与理论极限造斜率计算出修正系数α，即：
其中，k max 表示极限造斜率，Dogleg max 表示实测最大造斜率。
8.根据权利要求7所述的一种推靠式旋转导向工具极限造斜率的预测方法，其特征在于，在得到修正系数α的基础上，在式（1）至式（12）所表示的力学数学模型中代入不同的参数，就可预测同区块同层位下旋转导向装置的极限造斜率k RSS ，即：
其中，α表示修正系数，k max 表示极限造斜率。
9.一种计算机系统，其特征在于：所述计算机系统包括处理器和存储器；所述存储器存储有可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1-8任一项所述的推靠式旋转导向工具极限造斜率的预测方法的步骤。
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