三维定向井在呼唤新的技术(改)..doc

三维定向井轨道设计和轨迹控制 的新技术 韩志勇 石油大学(华东) 石油工程学院 摘要：目前三维定向井存在着设计轨道曲线与实钻扭方位方式相互脱节的现象。消除此脱节现象的方法是：针对目前的恒装置角扭方位方式，应该开发恒装置角曲线作为三维定向井轨道设计曲线；针对目前现有的轨道设计曲线（斜面圆弧、圆柱螺线和自然参数曲线），应该在MWD上开发新的显示技术，以便显示可表征这些曲线特征的参数。 关键词：定向井；三维定向井；轨道设计；轨迹控制；MWD；扭方位；恒装置角曲线 一．三维定向井轨迹控制存在的问题 近20年来，定向井技术发展的最重大的成果，是导向钻井系统的出现。开始出现的是以弯外壳动力钻具与MWD相配合组成的滑动导向钻井系统，近年来又出现了旋转导向钻井系统。导向钻井系统的最大优点，就是一套工具下入井内后，可以增斜，可以降斜，也可以稳斜，总之可以根据设计轨道的需要钻出不同曲率的井眼。这就使轨迹控制能力大大提高，可以钻出轨迹符合率非常高的定向井。正是由于导向钻井系统的出现，才出现了长、中、短半径水平井，大位移井，分支井等各种类型的高难度定向井。 可是我们也看到，这种实钻井眼曲线与设计井眼曲线的高度符合，目前仅仅存在于二维定向井中。在绝大多数二维定向井中，增斜段和降斜段均设计成铅垂平面上的圆弧曲线，只是在部分大位移井中采用变曲率曲线，例如悬链线、准悬链线等。但是不管是圆弧曲线，还是悬链线等变曲率曲线，只要是在铅垂平面上的曲线，在实钻的时候，轨迹控制方法是比较简单的：增斜时装置角（请读者注意：本文所讲的装置角，即高边模式的工具面角）为零度，降斜时装置角为180度。滑动钻进与旋转钻进的恰当组合，可以钻出设计的井眼曲线。 但对于三维定向井来说，这种实钻井眼曲线与设计井眼曲线的统一，目前还做不到。 目前的三维定向井，大体上有四种类型：一类是二维定向井在实钻过程中井斜角和井斜方位角出现较大偏差，需要纠偏而设计的“待钻井眼”。待钻井眼轨道目前采用的设计曲线有两种，即斜面圆弧曲线和圆柱螺旋曲线[1]。第二类是三维绕障定向井，此类井眼目前采用的设计曲线只有圆柱螺线[1]。第三种是三维多目标定向井(Designer Wells)，此类定向井要钻穿多个目标点，当井眼轨迹到达第一个目标点时，不仅要求准确的坐标位置，而且要求严格的井眼方向。这类定向井的轨道设计曲线也可使用斜面圆弧和圆柱螺线。第四种是“考虑方位漂移的定向井”，有人[2]提出使用“自然参数曲线”作为其轨道设计曲线。 总之，目前三维定向井的设计轨道曲线有三种：斜面圆弧、圆柱螺线和自然参数曲线。问题在于，实际钻进时钻不出这些曲线。目前无论是用滑动导向钻井系统，还是旋转导向钻井系统，其最终原理都是迫使钻头偏向某个方向前进，都相当于控制“工具面角”，都是采用“柱面法扭方位”，即采用装置角始终不变的方法。这样钻出的井眼轴线实际上是“恒装置角曲线”。这就存在实钻井眼曲线与设计井眼曲线不统一的问题。设计曲线仅仅作为参考，施工者并不按照设计轨道去钻进。这必将给三维定向井的轨迹控制带来很大困难。 解决此问题需要开发两方面的新技术： 1．针对目前柱面法扭方位方式，研究恒装置角曲线，作为三维定向井轨道设计曲线； 2．针对现有的斜面圆弧曲线、圆柱螺旋曲线和自然参数曲线，研究新的扭方位方式。 二．四种曲线的对比 如上所述，目前在三维定向井中已经使用的曲线有斜面圆弧曲线、圆柱螺旋曲线和自然参数曲线三种。本文提出一种新的曲线——恒装置角曲线，作为与目前广泛采用的“柱面法扭方位”方式相配套的三维定向井轨道设计曲线。为了对恒装置角曲线有所认识，本文对这四种曲线做一个简单比较。 这四种曲线，既可以作为测斜计算的假设曲线，也可以作为三维轨道设计曲线。斜面圆弧曲线和圆柱螺旋曲线，作为测斜计算曲线和轨道设计曲线，在文献[1]中都有详细的论述。文献 [3] [2]对自然参数曲线作为测斜计算曲线和轨道设计曲线，作了专题探讨和论述。 本文给出恒装置角曲线作为测斜计算的假设曲线而推导出的测斜计算公式。这种测斜计算方法可称为“恒装置角曲线法”。 已知上下二测点的测斜参数：上测点井斜角α1，井斜方位角φ1；下测点井斜角α2，井斜方位角φ2；测段长度ΔL。求该测段的垂增ΔD、平长增量ΔS、水平坐标增量ΔN和ΔE： ————————————————(1) ————————————————————(2) ——————————————————(3) ——————————————————(4) ————————(5) ————————(6) 式中，ω为装置角；K为井眼曲率； 从上述测斜计算公式可见，水平坐标增量ΔN和ΔE的计算函数是不可积分的，需要用数值法计算，这在计算机技术广泛应用的今天，这种计算已经不存在难度。 采用上述四种曲线进行轨道设计，其难度要比测