一种利用旋转导向工具控制井眼轨迹的方法技术

控制井眼轨迹的方法，根据设计井眼轨道和预计导向工具造斜能力，确定导向工具控制模式、导向比例及进尺、磁性或重力工具面参数进行导向钻进作业；井下和地面进行双向通信，同时监测导向控制结果，计算导向工具实际造斜能力及井眼轨道偏差；进而确定导向参数或调整待钻井眼轨道，适应导向工具造斜能力的变化，满足井眼轨道控制精度要求；利用井下深度自动跟踪装置及方法，实现导向系统井下智能控制目的，减少导向参数下传指令及误码率，提高导向钻井作业效率及井眼轨道控制精度，能够满足大位移井、复杂地质结构水平井及地质导向钻井轨道控制的要求。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种定向钻井导向工具控制井眼轨迹的方法，尤其涉及一种利用旋转 导向工具控制井眼轨迹的方法。
技术介绍
现有技术中，旋转导向工具由于在钻柱旋转状态下实现井眼轨迹的导向控制，克 服了滑动导向作业中摩阻过大、岩屑沉积及极限位移小等缺陷，可大幅度提高井身质量、钻 井效率和钻井安全性，所以广泛应用于大位移井、水平井和三维复杂结构井的导向施工作 业，是当今典型的先进钻井装备之一。 目前旋转导向工具按导向方式分为钻头推靠式和钻头指向式两种基本类型，按动 力传递结构方式又可划分为驱动轴一不旋转套结构和全旋转结构等，其中全旋转指向 式导向工具结合了指向式导向和全旋转钻井两者的优点，更能适应各种复杂的地层和作业 工况，钻得更深，钻速更高，在海洋油气资源开发以及在油田开发复杂油气藏中钻超深井、 高难定向井、丛式井、水平井、大位移井、分支井及三维复杂结构井等特殊工艺井中更具竞 争力。因此，它是当今钻井工程和油气勘探开发迫切需要的一项尖端钻井装备，是现代导向 钻井技术发展的趋势。 在旋转导向工具设计研发上国内外现存很多种方式，在国外，很多公司研发的旋 转导向工具在设计上存在诸多差别，特点也各不相同。诸如贝克休斯公司的AutoTrack 是钻头推靠式工具的典型代表，研发的驱动轴一不旋转套结构特点在于通过控制不 旋转外套上推力块作用于井壁的合力大小及方向进行导向作业（例如参照专利文献 W02008101020A、US2013256034A等）。而典型的钻头指向式旋转导向工具诸如哈里伯顿 公司的Geo-Pilot (例如参照专利文献W02014055068A)、威德福公司的Revolution (例如 参照专利文献W02008120025A)及斯伦贝谢公司的PowerDrive Xceed (例如参照专利文献 N020061119A)等，其中所述Geo-Pilot和Revolution是静态指向式旋转导向工具，特点 是工具造斜能力通过井下调整导向工具偏置位移实现，且可连续调节。所述PowerDrive Xceed是全旋转结构，即全旋转指向式导向工具，采用了固定导向偏置结构，其造斜率通 过交替变化的导向和稳斜钻进模式来实现，依靠地面系统下传导向参数（工具面及导向比 例）来进行控制。由于受控制指令编码长度的限制，所传参数不能满足井眼轨道精细控制 的需要，且由于地层特性等引起导向工具造斜率变化时，频繁地下传导向指令，将影响导向 钻井作业效率。 在国内也有多家公司和科研机构在研发旋转导向工具，现已成型的工具几乎全是 钻头推靠式导向方式，工作原理与国外产品基本相同，只是在具体技术实现方式上呈现出 一定的差异。而钻头指向式旋转导向工具目前国内尚处于空白状态。 基于此，本 申请人:在深入调研国外钻头指向式旋转导向工具的基础上，特别是针 对斯伦贝谢公司的PowerDrive Xceed全旋转指向式导向工具存在的缺点，提出了一种利用 全旋转导向工具控制井眼轨迹的改进的方法，不但有效解决上述问题，大大提高了井眼轨 道控制精度和导向钻井作业效率，而且填补国内此项技术的空白。
技术实现思路
鉴于此，本专利技术目的在于提出一种能够确定导向工具控制模式和导向参数、实现 井眼轨道自动控制、提高导向工具作业效率、满足定向钻井导向控制需求的利用旋转导向 工具控制井眼轨迹的方法。 根据本专利技术，能够优化旋转导向工具控制并实现闭环导向控制，提高导向钻井作 业效率和井眼轨道控制精度，能够满足大位移井、复杂地质结构水平井及地质导向钻井轨 道控制的要求。 根据本专利技术，通过进行井眼轨迹偏差分析和建立轨道控制模型，分析已钻轨迹偏 差和计算导向参数，实现井眼曲率调整和轨道控制。 具体的，本专利技术提供，其特征在于包 括如下步骤： 按给定导向参数钻达预定测斜深度时，暂停钻柱运动，确保测量出准确的井斜参 数，将测斜数据上传到地面，确认后下发指令，进而井下和地面均获得完整的测斜数据及导 向工具面姿态，作为轨迹跟踪分析和导向控制计算的依据； 根据测斜数据计算出井眼轨迹，并相应进行控制工具面的计算； 然后进行轨迹偏差分析，通过分析已钻轨迹偏差和计算导向参数，实现井眼曲率 调整和轨道控制。 其中，根据设计井眼曲率和导向工具的造斜能力来确定合理的导向比例参数； 在调整井眼曲率时，通过控制导向工具以稳斜和导向模式交替的方式来实现，所 采用的控制模型由n+1个相同稳斜段长和n(n为正整数）个相同圆弧段长轨道间隔组成， 选择不同的导向段数η、导向和稳斜钻进长度实现井眼轨道的控制，当n =C?时，导向轨迹 最佳地逼近设计井眼轨道，在实际控制时，交替地控制导向和稳斜钻进时间比例及总钻进 长度来逼近设计井眼轨道。 如上述所述利用旋转导向工具控制井眼轨迹的方法，其特征在于，计算导向工具 实际造斜能力及井眼轨道偏差；进而确定导向参数或调整待钻井眼轨道，适应导向工具造 斜能力的变化，满足井眼轨道控制精度要求。 如上述所述利用旋转导向工具控制井眼轨迹的方法，其特征在于，暂停钻柱运动 测斜时，初始化运动速度和位移为〇,井下接收到地面指令后，获取当前深度数据，开始钻 进，利用测量轴向运动加速度，求出钻柱轴向运动位移，进而实现井下自动跟踪钻进深度。 在本专利技术中，导向工具控制模式有两种，一种是稳斜模式，一种是导向模式进行。 在稳斜模式中存在两种方案，一种方案是控制导向偏置机构反向旋转，并与导向工具保持 一定转速差；另一种方案是控制导向偏置机构反向旋转，与导向工具间保持相同转速，形成 相对大地稳定的工具面，并维持工具面一短暂时长，然后间隔一定角度，变化工具面和维持 固定短暂时长，以此达到稳斜钻井目的。而在导向模式中，通常按井眼轨道控制要求的工具 面进行导向工具控制。 在本专利技术中，在调整井眼曲率时，通过控制导向工具以稳斜和导向模式交替的方 式来实现，所采用的控制模型由n+1个相同稳斜段长Lt和η (η为正整数）个相同圆弧段长 St轨道间隔组成（如图4所示），这在后文中将详述。在采用井下自动导向模式时，通过轴 向加速计获得钻进段长，可实现两种模式自动转换。 其中，利用导向工具和随钻测量单元上的定向测量参数，可自动监测井斜角、方位 角和井眼曲率的变化，实现导向工具井下闭环控制。 专利技术效果 根据本专利技术提供的控制井眼轨迹的方法，实现了钻头指向式全旋转导向工具的控 制，根据设计井眼轨道和预计导向工具造斜能力，确定导向工具控制模式、导向比例及进 尺、磁性或重力工具面参数进行导向钻进作业；井下和地面进行双向通信，同时监测导向控 制结果，计算导向工具实际造斜能力及井眼轨道偏差；进而确定导向参数或调整待钻井眼 轨道，适应导向工具造斜能力的变化，满足井眼轨道控制精度要求；利用井下深度自动跟踪 装置及方法，实现导向系统井下智能控制目的，减少导向参数下传指令及误码率，提高导向 钻井作业效率及井眼轨道控制精度。 【附图说明】 图1为本专利技术【具体实施方式】的旋转导向系统示意图。 图2为本专利技术【具体实施方式】的导向控制方法流程图。 图3为本专利技术【具体实施方式】的井眼轨迹计算模型图。 图4为本专利技术【具体实施方式本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用旋转导向工具控制井眼轨迹的方法，其特征在于包括如下步骤：按给定导向参数钻达预定测斜深度时，暂停钻柱运动，确保测量出准确的井斜参数，将测斜数据上传到地面，确认后下发指令，进而井下和地面均获得完整的测斜数据及导向工具面姿态，作为轨迹跟踪分析和导向控制计算的依据；根据测斜数据计算出井眼轨迹，并相应进行控制工具面的计算；然后进行轨迹偏差分析，通过分析已钻轨迹偏差和计算导向参数，实现井眼曲率调整和轨道控制；其中，根据设计井眼曲率和导向工具的造斜能力来确定合理的导向比例参数；在调整井眼曲率时，通过控制导向工具以稳斜和导向模式交替的方式来实现，所采用的控制模型由n+1个相同稳斜段长和n(n为正整数)个相同圆弧段长轨道间隔组成，选择不同的导向段数n、导向和稳斜钻进长度实现井眼轨道的控制，当n＝∞时，导向轨迹最佳地逼近设计井眼轨道，在实际控制时，交替地控制导向和稳斜钻进时间比例及总钻进长度来逼近设计井眼轨道。

【技术特征摘要】
1. 一种利用旋转导向工具控制井眼轨迹的方法，其特征在于包括如下步骤： 按给定导向参数钻达预定测斜深度时，暂停钻柱运动，确保测量出准确的井斜参数，将 测斜数据上传到地面，确认后下发指令，进而井下和地面均获得完整的测斜数据及导向工 具面姿态，作为轨迹跟踪分析和导向控制计算的依据； 根据测斜数据计算出井眼轨迹，并相应进行控制工具面的计算； 然后进行轨迹偏差分析，通过分析已钻轨迹偏差和计算导向参数，实现井眼曲率调整 和轨道控制； 其中，根据设计井眼曲率和导向工具的造斜能力来确定合理的导向比例参数； 在调整井眼曲率时，通过控制导向工具以稳斜和导向模式交替的方式来实现，所采用 的控制模型由n+1个相同稳斜段长和n(n为正整数）个相同圆弧段长轨道...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐雪平，盛利民，张连成，洪迪峰，魏志刚，曹冲，禹德洲，陈文艺，彭烈新，弓志谦，石荣，
申请(专利权)人：中国石油集团钻井工程技术研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11