斜面圆弧形井眼轨迹控制新模式..docVIP

斜面圆弧形井眼的轨迹控制新模式 韩志勇 石油大学(华东) 石油工程学院 摘要：斜面圆弧曲线是三维定向井轨道设计的最优曲线，在相同设计条件下，设计曲率最小，设计长度最短。但目前的轨迹控制方法不可能钻出斜面圆弧形的曲线。本文在研究了斜面圆弧曲线与其所在的斜平面之间关系的基础上，提出采用轨迹控制的“斜平面角”模式，可以钻出斜面圆弧形井眼轨道。论文向MWD厂商建议，司钻显示屏应该有两种显示模式，一种是目前常用“装置角”模式，可以钻出恒装置角曲线的井眼；另一种是本文提出的“斜平面角”模式，可以钻出斜面圆弧形井眼。两种模式应该能很容易转换。 关键词：定向井；三维定向井；轨道设计；轨迹控制；MWD；恒装置角曲线 作者在文献[1]中指出，三维定向井目前存在着实钻井眼曲线与设计井眼曲线不统一的问题。设计轨道曲线仅仅作为参考，施工者并不按照设计轨道去钻进。例如，设计轨道为“斜面圆弧曲线”，而实钻的井眼轨迹却是“恒装置角曲线”。解决这个实钻与设计不统一问题的方法有二，一是开发采用恒装置角曲线来设计三维定向井轨道，文献[1]对此已有论述；二是寻找能够钻出“斜面圆弧曲线”的轨迹控制新模式，这就是本文的目的和任务。 一．斜面圆弧形井眼轨道的优点 作为三维定向井轨道设计曲线，斜面圆弧曲线是人们最喜欢采用的曲线，因为它具有很多优点。首先，它是所有曲线中最简单的曲线，数学表达式最简单，给定一个圆心和一个半径，用一只圆规就可以完成画图。其次，与定向井轨道设计的其他曲线相比较，在相同的井段长度下，斜面圆弧曲线的曲率最小；在最大曲率限制的条件下，斜面圆弧曲线的井眼长度最短。 文献[1]以“三维单目标待钻井眼”轨道设计为例，对比了四种可用于三维定向井轨道设计的曲线。设计条件是：已知目前井底0点的井深1000m，井斜角20o，井斜方位角20o，垂深950m，N坐标150m，E坐标80m；给定目标点t的垂深1100m，N坐标210m，E坐标130m；用四种曲线分别设计该待钻井眼轨道。设计结果见表1。 表1 四种曲线的设计结果 曲线名称 t点井斜角(o) t点井斜方位角(o) 设计井段长度(m) 设计井眼曲率 （o/30m） 斜面圆弧曲线 36.6333 51.0041 170.1342 3.8301 圆柱螺旋曲线 35.9544 59.6111 170.3996 3.3066～5.8588 恒装置角曲线 36.2895 53.2792 170.6888 3.9237 自然参数曲线 38.8520 56.0700 172.9969 3.3070～5.1073 从表1可以看出，斜面圆弧是四种曲线中井眼曲率最小，设计井段最短的曲线。设计井段最短将带来少打进尺的效益；井眼曲率最小表明需要的造斜工具的造斜能力最小。所以从理论上讲，斜面圆弧曲线应该是最优的轨道设计曲线。 但是要在施工中钻出斜面圆弧曲线形的井眼，却是非常困难的。我们不去说没有MWD的情况下难以钻出，即使有了MWD也是难以钻出。因为目前的MWD可以显示给司钻的除了井斜角和井斜方位角外，只有造斜工具的装置角（即高边模式的工具面角）。而斜面圆弧曲线的装置角是在不断变化之中，司钻不可能看着装置角进行轨迹控制。 解决此问题，需要另辟新径。 二．斜面圆弧曲线的基本特性 我们需要研究的不是斜面圆弧的所有特性，而是斜面圆弧曲线作为三维定向井轨道设计曲线的基本特性。 1．斜面圆弧的基本参数 如图1所示，1点是斜面圆弧的上端点，井斜角为α1，井斜方位角为φ1；2点是斜面圆弧的下端点，井斜角为α2，井斜方位角为φ2；12井段的长度为ΔL；这五个参数便是斜面圆弧曲线的基本参数。据此，我们可以求得该段圆弧井眼的狗腿角γ以及井眼曲率K和曲率半径R。 （1） (2) (3) 2．斜平面的特征参数 空间一个斜平面的特征参数包括：该斜平面的倾斜角α0和倾斜方位角φ0。就是说，只要倾斜角和倾斜方位角确定了，该斜平面也就是唯一的了。那么，当我们已知斜面圆弧的基本参数时，如何求得该斜面圆弧所在的斜平面的特征参数呢？ 根据空间几何原理可以得到如下计算α0和φ0的公式： (4) (5) (6) 3．斜面圆弧上任一点的井斜角和井斜方位角 当我们已知一条斜面圆弧曲线的上下两个端