基于过程控制的井眼轨迹控制系统技术方案

本发明专利技术提供了一种基于过程控制的井眼轨迹控制系统，由井眼轨迹设计、导向工具特性设计、井眼轨迹监测、导向工具特性监测、导向工具特性曲线绘制、导向工具特性评价、井眼轨迹评价和导向工具特性调整等8个单元构成。通过揭示导向工具的定向造斜特性与井眼轨迹的空间挠曲形态之间的相互作用及约束关系，形成了基于导向工具的定向造斜特性来控制井眼轨迹的技术方法；提供了导向工具的定向造斜特性曲线的绘制方法，便于随钻监测和评价导向工具的实际定向造斜特性，实现了井眼轨迹过程控制的有形化和可视化。本发明专利技术适用于各种导向钻井方式及井眼轨迹模型，可用于各种复杂结构井的设计与施工。

【技术实现步骤摘要】
基于过程控制的井眼轨迹控制系统
本专利技术涉及石油钻井中的井眼轨迹控制，具体而言，涉及基于过程控制的井眼轨迹控制系统。
技术介绍
目前，普遍使用井眼轨迹的垂直投影图、水平投影图、三维轨迹图等监测井眼轨迹，以对比分析实际井眼轨迹与设计井眼轨迹的符合情况。然而，井眼轨迹控制的目标是控制井眼轨迹的井斜角、方位角及其变化规律，其技术途径是控制导向工具的定向造斜特性。因此，现有技术只专注于对井眼轨迹的井斜角、方位角等参数的控制，缺少对导向工具的定向造斜特性的监测和控制，致使技术手段与控制目标之间相脱节。此外，现有技术主要适用于滑动导向钻井及空间圆弧模型，对于旋转导向钻井等其它导向钻井方式及井眼轨迹模型有局限性。因此，亟需解决井眼轨迹的过程控制问题，建立导向工具定向造斜特性的监测和控制系统，从而提供有效控制井眼轨迹的技术手段。
技术实现思路
本专利技术为解决上述技术问题，提供了一种基于过程控制的井眼轨迹控制系统其特征在于，该系统包括以下单元：井眼轨迹设计单元，其用于根据地质和工程要求设计井眼轨迹，得到井眼轨迹的设计结果，其中所述设计结果包括井深、井斜角、方位角等参数；工具特性设计单元，其用于根据所述井眼轨迹的设计结果，设计导向工具的定向造斜特性参数，其中所述定向造斜特性参数包括工具造斜率和工具面角；井眼轨迹监测单元，其用于利用随钻测量仪器获取实际井眼轨迹的测斜数据，其中所述测斜数据包括井深、井斜角、方位角和工具面角，并按选取的测斜计算方法计算出实际井眼轨迹的井斜变化率、方位变化率等参数；工具特性监测单元，其用于根据所述实际井眼轨迹数据计算导向工具的实际造斜率和工具面角；工具特性曲线绘制单元，其用于根据所述导向工具定向造斜特性的设计值和实际值，在同一幅图上绘制导向工具定向造斜特性的设计曲线和实际曲线；工具特性评价单元，其用于对比和评价导向工具定向造斜特性的实际值与设计值的偏差程度，当二者偏差较小时(在工程允许误差范围内)继续钻进，当二者偏差较大时执行调整工具特性单元；井眼轨迹评价单元，其用于对比和评价实际井眼轨迹与设计井眼轨迹的偏差程度，当二者偏差较小时继续钻进，当二者偏差较大时执行调整工具特性单元；调整工具特性单元，其用于调整导向工具的造斜率、工具面角等定向造斜特性，以补偿导向工具定向造斜特性的实际值与设计值之间偏差对井眼轨迹的影响。在一个实施例中，根据本专利技术的基于过程控制的井眼轨迹控制系统，基于导向工具定向造斜特性和井眼轨迹参数等两方面因素，来监测和评价实际值与设计值的符合情况。当实际值与设计值超出工程允许误差范围或者预设值时，则调整导向工具的定向造斜特性，否则继续进行钻井作业。在一个实施例中，根据本专利技术的基于过程控制的井眼轨迹控制系统，对于导向工具的定向造斜特性，提供了设计值和实际值等两套求取方法，其中设计值基于设计井眼轨迹来求取，实际值基于实际井眼轨迹来求取。由于不同井眼轨迹模型的特征不同，而且设计井眼轨迹和实际井眼轨迹的已知数据不同，所以导向工具定向造斜特性的设计值和实际值的求取方法也不同，其中所述井眼轨迹模型包括空间圆弧模型、自然曲线模型、圆柱螺线模型。根据本专利技术的一个实施例，在井眼轨迹设计单元中，根据设计井眼轨迹的不同特征按不同计算公式获得井眼轨迹参数：对于空间圆弧模型，特征参数为井眼曲率κP和初始工具面角ωAP，主要井眼轨迹参数的求取方法为：cosαP＝cosαAPcosε-sinαAPcosωAPsinε其中式中，L为井深，米；α为井斜角，度；ω为工具面角，度；κ为井眼曲率，度/30米；κα为井斜变化率，度/30米；κφ为方位变化率，度/30米；ε为弯曲角，度；下标“A”表示井段始点；上标“P”表示设计参数；对于自然曲线模型，特征参数为井斜变化率和方位变化率井斜角的求取方法为：αP＝αAP+καP(LP-LAP)对于圆柱螺线模型，特征参数为垂直剖面图上的曲率κvP和水平投影图上的曲率κhP，主要井眼轨迹参数的求取方法为：αP＝αAP+κvP(LP-LAP)καP＝κvPκφP＝κhPsinαP式中，κv为井眼轨迹在垂直剖面图上的曲率，度/30米；κh为井眼轨迹在水平投影图上的曲率，度/30米。根据本专利技术的一个实施例，在工具特性设计单元中，按设计井眼轨迹来设计导向工具的定向造斜特性：式中，κ为导向工具的造斜率，度/30米；ω为导向工具的工具面角，度。根据本专利技术的一个实施例，在井眼轨迹监测单元中，根据实际井眼轨迹的不同特征按不同计算公式获得实际井眼轨迹的特征参数：对于自然曲线模型：对于圆柱螺线模型：式中，φ为方位角，度；下标“B”表示井段终点；上标“D”表示实际参数。根据本专利技术的一个实施例，在工具特性监测单元中，根据实际井眼轨迹的不同特征按不同计算公式获得导向工具的实际造斜率：对于空间圆弧模型：其中cosεAB＝cosαADcosαBD+sinαADsinαBDcos(φBD-φAD)对于自然曲线模型：对于圆柱螺线模型：根据本专利技术的一个实施例，在工具特性曲线绘制单元中，在极坐标系下，以导向工具的造斜率κ为矢径、工具面角ω为极角，绘制导向工具的定向造斜特性曲线，即κ～ω曲线。在直角坐标系下，其横坐标轴为κφsinα、纵坐标轴为κα。这样，通过在同一幅图上绘制导向工具定向造斜特性的设计曲线和实际曲线，就可以随钻监测和评价导向工具定向造斜特性的实际值与设计值的符合情况。本专利技术的有益之处在于，建立了基于过程控制的井眼轨迹控制系统，通过监测和控制导向工具的定向造斜特性，提供了有效控制井眼轨迹的技术手段。控制系统适用于各种导向钻井方式和井眼轨迹模型，所述导向钻井方式包括滑动导向钻井、旋转导向钻井和复合导向钻井，所述井眼轨迹模型包括但不限于空间圆弧模型、自然曲线模型、圆柱螺线模型等。本专利技术研究揭示了导向工具的定向造斜特性与井眼轨迹的空间挠曲形态之间的相互作用及约束关系，从而可根据导向工具的定向造斜特性来控制井眼轨迹；通过建立导向工具的定向造斜特性曲线，形成了简洁实用的井眼轨迹过程控制方法，使井眼轨迹控制的技术手段有形化和可视化。本专利技术的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本专利技术而了解。本专利技术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。附图说明附图用来提供对本专利技术的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本专利技术的实施例共同用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的限制。在附图中：图1为本专利技术的井眼轨迹控制系统结构框图；图2为本专利技术的导向工具的定向造斜特性曲线的绘制原理图；图3为本专利技术实施例的导向工具的定向造斜特性曲线图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图对本专利技术实施例作进一步地详细说明。参见图1。要实现井眼轨迹控制，首先应根据地质和工程要求设计井眼轨迹，得到井眼轨迹的设计结果。如图1所示，本专利技术的系统包括井眼轨迹设计单元，其用于根据地质和工程要求设计井眼轨迹，得到井眼轨迹参数的设计值，其中所述井眼轨迹参数包括井深、井斜角、方位角等参数。不同的井眼轨迹模型具有不同的特征参数，根据所述特征参数可确定设计井眼轨迹上任一井深L处的井斜角、井斜变化率、方位变化率等井眼轨迹参数。本专利技术不限制具体的井眼轨迹模型，其中对于本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于过程控制的井眼轨迹控制系统，其特征在于，所述系统包括以下单元：井眼轨迹设计单元，其用于根据地质和工程要求设计井眼轨迹，得到井眼轨迹的设计结果，其中所述设计结果包括井深、井斜角、方位角；工具特性设计单元，其用于根据所述井眼轨迹的设计结果，设计导向工具的定向造斜特性参数，其中所述定向造斜特性参数包括工具造斜率和工具面角；井眼轨迹监测单元，其用于利用随钻测量仪器获取实际井眼轨迹的测斜数据，其中所述测斜数据包括井深、井斜角、方位角和工具面角，并按选取的测斜计算方法计算出实际井眼轨迹的井斜变化率、方位变化率；工具特性监测单元，其用于根据所述实际井眼轨迹数据计算导向工具的实际造斜率和工具面角；工具特性曲线绘制单元，其用于根据所述导向工具定向造斜特性的设计值和实际值，在同一幅图上绘制导向工具定向造斜特性的设计曲线和实际曲线；工具特性评价单元，其用于对比和评价导向工具定向造斜特性的实际值与设计值的偏差程度，当二者偏差在工程允许误差范围内时继续钻进，当二者偏差超过工程允许误差范围时执行调整工具特性单元；井眼轨迹评价单元，其用于对比和评价实际井眼轨迹与设计井眼轨迹的偏差程度，当二者偏差较小时继续钻进，当二者偏差较大时执行调整工具特性单元；调整工具特性单元，其用于调整导向工具的造斜率、工具面角等定向造斜特性，以补偿导向工具定向造斜特性的实际值与设计值之间偏差对井眼轨迹的影响。...

【技术特征摘要】
1.一种基于过程控制的井眼轨迹控制系统，其特征在于，所述系统包括以下单元：井眼轨迹设计单元，其用于根据地质和工程要求设计井眼轨迹，得到井眼轨迹的设计结果，其中所述设计结果包括井深、井斜角、方位角；工具特性设计单元，其用于根据所述井眼轨迹的设计结果，设计导向工具的定向造斜特性参数，其中所述定向造斜特性参数包括工具造斜率和工具面角；井眼轨迹监测单元，其用于利用随钻测量仪器获取实际井眼轨迹的测斜数据，其中所述测斜数据包括井深、井斜角、方位角和工具面角，并按选取的测斜计算方法计算出实际井眼轨迹的井斜变化率、方位变化率；工具特性监测单元，其用于根据所述实际井眼轨迹数据计算导向工具的实际造斜率和工具面角；工具特性曲线绘制单元，其用于根据所述导向工具定向造斜特性的设计值和实际值，在同一幅图上绘制导向工具定向造斜特性的设计曲线和实际曲线；工具特性评价单元，其用于对比和评价导向工具定向造斜特性的实际值与设计值的偏差程度，当二者偏差在工程允许误差范围内时继续钻进，当二者偏差超过工程允许误差范围时执行调整工具特性单元；井眼轨迹评价单元，其用于对比和评价实际井眼轨迹与设计井眼轨迹的偏差程度，当二者偏差较小时继续钻进，当二者偏差较大时执行调整工具特性单元；调整工具特性单元，其用于调整导向工具的造斜率、工具面角等定向造斜特性，以补偿导向工具定向造斜特性的实际值与设计值之间偏差对井眼轨迹的影响。2.如权利要求1所述的基于过程控制的井眼轨迹控制系统，其特征在于，在井眼轨迹设计单元中，根据设计井眼轨迹的不同特征按不同计算公式获得井眼轨迹参数：对于空间圆弧模型，特征参数为井眼曲率κP和初始工具面角ωAP，主要井眼轨迹参数的求取方法为：cosαP＝cosαAPcosε-sinαAPcosωAPsinε其中式中，L为井深，米；α为井斜角，度；ω为工具面角，度；κ为井眼曲率，度/30米；κα为井斜变化率，度/30米；κφ为方位变化率，度/30米；ε为弯曲角，度；下标“A”表示井段始点；上标“P”表示设计参数；对于自然曲线模型，特征参数为井斜变化...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘修善，
申请(专利权)人：中国石油化工股份有限公司，中国石油化工股份有限公司石油工程技术研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11