旋转导向钻井的井眼轨迹控制方法.pdf

本发明公开了一种旋转导向钻井的井眼轨迹控制方法，解决了在现有技术中难以使用工具面角来监测和控制井眼轨迹的技术问题。该井眼轨迹控制方法包括：定义工具面角；表征井眼轨迹特征；设计控制方案；控制井眼轨迹，可广泛应用于各种复杂结构井的旋转导向钻井工艺设计与施工。

1.一种旋转导向钻井的井眼轨迹控制方法，其特征在于，包括：定义工具
面角；表征井眼轨迹特征；设计控制方案；控制井眼轨迹。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述定义工具面角是在旋转
导向钻井条件下按井眼轨迹的空间形态来定义工具面角。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述表征井眼轨迹特征是用
井斜变化率和方位变化率来表征井眼轨迹的空间形态。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述设计控制方案是根据所
述井斜变化率、方位变化率和井斜角，计算井眼轨迹上任一井深处的工具面角，
其计算公式为
$tan\mathrm{\ω}=\frac{{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\φ}}}{{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\α}}}\sin \mathrm{\α}$
式中，ω为工具面角；κ_α为井斜变化率；κ_φ为方位变化率；α为井斜角；
根据上述公式，能计算出各井深处的工具面角等井眼轨迹参数，从而得到工
具面角的控制方案。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述控制井眼轨迹是按照工
具面角的控制方案，在钻进过程中利用随钻测量仪器来监测和控制工具面角，从
而实现控制井眼轨迹的目的。

旋转导向钻井的井眼轨迹控制方法

技术领域

本发明涉及油气钻探领域，具体涉及旋转导向钻井的井眼轨迹控制方法。

背景技术

导向钻井的核心任务是控制井斜角、方位角及其变化规律。工具造斜率决定
了井眼轨迹的弯曲程度，而工具面角决定了工具造斜率用于改变井斜角和改变方
位角的分配关系，因此工具面角是井眼轨迹控制中的一个重要参数。

在现场定向施工过程中，当造斜工具入井后，在现有技术条件下其工具造斜
率的可控范围往往有限，所以用于定向造斜和控制井眼轨迹的可控参数主要是工
具面角。

然而，现有的工具面角设计及计算方法主要采用井眼轨迹的空间圆弧模型，
适用于滑动导向钻井，但不适用于旋转导向钻井。由于没有适用于旋转导向钻井
的工具面角的设计及计算方法，得不到工具面角的设计结果，因此在旋转导向钻
井的条件下现有技术难以使用工具面角来监测和控制井眼轨迹。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于旋转导向钻井的工具面角设计及计算方
法，以解决在旋转导向钻井条件下难以使用工具面角来监测和控制井眼轨迹的技
术问题。

本发明提供一种旋转导向钻井的井眼轨迹控制方法，包括：定义工具面角；
表征井眼轨迹特征；设计控制方案；控制井眼轨迹。

所述定义工具面角是在旋转导向钻井条件下按井眼轨迹的空间形态来定义
工具面角。

所述表征井眼轨迹特征是用井斜变化率和方位变化率来表征井眼轨迹的空
间形态。

所述设计控制方案是根据所述井斜变化率、方位变化率和井斜角，计算井眼
轨迹上任一井深处的工具面角，其计算公式为

式中，ω为工具面角，单位(°)；κ_α为井斜变化率，单位(°)/m；κ_φ为方位变化
率，单位(°)/m；α为井斜角，单位(°)；

根据上述公式，能计算出各井深处的工具面角等井眼轨迹参数，从而得到工
具面角的控制方案。

所述控制井眼轨迹是按照工具面角的控制方案，在钻进过程中利用随钻测量
仪器来监测和控制工具面角，从而实现控制井眼轨迹的目的。

本发明带来了以下有益效果：本发明提供的旋转导向钻井的井眼轨迹控制方
法，利用旋转导向钻井的技术特点和井斜演化规律，能够计算出井眼轨迹上任一
井深处的工具面角，并以此得到工具面角的控制方案，进而在钻进过程中可通过
监测和控制工具面角来控制井眼轨迹。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书
中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过
在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需
要的附图做简单的介绍：

图1是本发明实施例提供的技术方法流程图；

图2是本发明实施例中的工具面角定义示意图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何
应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实
施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的
各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

本发明实施例提供一种旋转导向钻井的井眼轨迹控制方法，能够在旋转导向
钻井条件下，使用工具面角来监测和控制井眼轨迹。

如图1所示，该旋转导向钻井的井眼轨迹控制方法主要包括以下步骤：

S1：定义工具面角。

在现有技术中，工具面角定义为指造斜工具所在平面与井斜平面之间的夹
角，与井眼轨迹无关联。在本发明中，构造了造斜工具对井眼轨迹的作用关系，
具体为：①造斜工具的造斜率决定了井眼轨迹的井眼曲率，即工具造斜率与井眼
曲率的数值相等；②对于井眼轨迹而言，工具面角为井眼轨迹的主法线方向与井
眼高边方向之间的夹角。如图2所示，对于井眼轨迹上任一点P，其主法线方向
与井眼高边方向之间的夹角ω即为工具面角。

S2：表征井眼轨迹特征。

具体的，不同钻井方式所钻出的井眼轨迹形状不同，而井眼轨迹形状可用井
眼轨迹的特征参数来表征。在旋转导向钻井条件下，井眼轨迹的特征参数是井斜
变化率和方位变化率。根据井眼轨迹的控制要求，这两个特征参数既可以作为已
知数据给出，也可以根据控制目标点的井深、井斜角和方位角等参数求得。对于
后一种情况，若当前井深为L_A、井斜角为α_A、方位角为φ_A，继续钻进至井深L_B
时，要求达到的井斜角为α_B、方位角为φ_B，则用以下方法求得井斜变化率和方位
变化率

S3：设计控制方案。

工具面角沿井深变化，只有设计出各井深处的工具面角，才能有效地控制井
眼轨迹。在现有技术中，没有适用于旋转导向钻井的工具面角设计方法。在本发
明中，按以下方法设计任一井深处的工具面角

其中，

α＝α_A+κ_α(L-L_A) (3)

式中，L为井深，单位m。

这样，由步骤S2获取井斜变化率κ_α和方位变化率κ_φ，由公式(3)求得任一井
深L处的井斜角α，从而由公式(2)得到各井深处工具面角ω的设计方案。

根据石油钻井行业规范，工具面角的取值范围为[0°，360°)。而由式(2)得
到的工具面角ω的值域为(180°，180°]，所以应根据式(2)中分子和分母的正负
值将工具面角ω化算到[0°，360°)值域内。

另外，还可以根据已知的方法，计算出其它的井眼轨迹参数。例如，井眼曲
率的计算方法为

式中，κ为井眼曲率，单位(°)/m。

S4：控制井眼轨迹。

在钻进过程中，按照工具面角的设计方案，利用随钻测量(MWD)仪器来
监测和控制工具面角，便可实现控制井眼轨迹的目的。

以下为本发明实施例提供的旋转导向钻井的井眼轨迹控制方法，在具体应用
中的实例：

在某水平井的施工过程中，当前井深L_A＝2680m、井斜角α_A＝45°、方位角
φ_A＝70°。采用旋转导向钻井工艺继续钻进，要求钻至井深L_B＝2730m时，井斜
角α_B＝60°、方位角φ_B＝85°，试设计井眼轨迹控制方案。

根据上述本发明实施例提供的旋转导向钻井的井眼轨迹控制方法，按井眼轨
迹的控制要求，由式(1)可算得：井斜变化率κ_α＝0.30°/m，方位变化率κ_φ＝0.30°/m。

以井深L＝2690m为例，由式(3)计算出井斜角α＝48.00°，由式(2)计算
出工具面角ω＝36.62°，由式(4)计算出井眼曲率κ＝0.37°/m。

以相同方法，可以计算出各井深处的工具面角等井眼轨迹参数。若以步长为
10m进行计算，则可得到井眼轨迹控制方案的设计结果，见下表：

因此，按照该控制方案所设计的工具面角，在钻进过程中利用随钻测量仪器
监测和控制工具面角，便可控制井眼轨迹按设计轨道钻进。

本发明实施例提供的旋转导向钻井的井眼轨迹控制方法，利用井斜变化率、
方位变化率等井眼轨迹的特征参数，能够计算出井眼轨迹上各井深处的工具面
角，并以此得到工具面角的设计结果。根据所得到的设计结果进行钻井，即可实
现使用工具面角来监测和控制井眼轨迹，从而解决了现有技术中在旋转导向钻井
条件下难以使用工具面角来监测和控制井眼轨迹的技术问题。

另外，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算
机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可
以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明
而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人
员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节
上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所
界定的范围为准。