（油气井工程专业论文）扶余平台水平井井眼轨迹预测技术研究.pdf

鬈一 w e l lt r a c kp r e d i c t i o nf o rh o r i z o n t a lw e l lo ff u y up l a t f o r m at h e s i ss u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：f a n g c h e n s u p e r v i s o r ：z h a n gw e i d o n g c o l l e g eo f p e t r o l e u me n g i n e e r i n g c h i n au n i v e r s i t yo fp e t r o l e u m ( e a s t c h i n a ) i l l - 一 ， t l 孙 ， i 蕾 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：塞堡日期： 年 学位论文使用授权书 月日 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机 构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、 借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、 缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：碣压 指导教师签名：量墨丝 日期： 日期： 年月日 年月日 畸f姆t。，_=擎 ， 叠 摘要 本论文针对扶余区块现场施工要求，根据水平井底部钻具组合( b h a ) 工作状态，在 纵横弯曲法理论计算的基础上，建立了底部钻具组合非线性力学分析模型，该模型充分 考虑了底部钻具结构、浅层水平井地层特点、各种外载等因素，除此之外还考虑了钻具 自重分力和钻压引起的纵向弯扭。采用纵横弯曲法在二维平面内对b h a 的进行受力分 析，求解钻头侧向力。并在此基础上应用a n s y s 力学分析软件采用b e a m 梁单元取代 传统计算中所采用的s o l i d 实体单元建立b h a 模型，对钻具的非线性力学模型进行求解， 为下部钻具力学分析提供了一种简便实用的计算方法，利用b e a m 梁单元具有转动自由 度的特点，通过钻头侧向力的参数求解钻头转角。提出了预测点井斜角和预测点井深的 概念，并给出了其相应的计算公式，通过公式建立适合扶余区块的水平井井眼轨迹预测 方法，该方法利用有限元分析计算出的钻头转角，结合现场随钻测量仪器返回的数据对 井眼轨迹实行实时预测，与传统方法相比较，该方法计算简便现场灵活性好，并达到了 一定的预测精确度。经过扶余平台城平- 4 9 、城平4 8 、城平4 5 三口井的实钻数据检验， 本文所提出的预测方法适用性强，计算精度较好，计算方便快捷。本预测方法对于扶余 地区浅层水平井井眼轨迹预测和控制技术提供了重要的参考依据，同时对于其他地区的 定向井、水平井轨迹预测和控制也有着一定的借鉴价值。 关键词：b h a 井眼轨迹预测纵横弯曲法a n s y s 扶余平台 粤 l 9 t；l。肇 n r w e l lt r a c kp r e d i c t i o nf o rh o r i z o n t a lw e l lo ff u y up l a t f o r m f a n g c h e n ( o i l & g a sw e l le n g i n e e r i n g ) d f f e c t mb ya s s o c i a t ep r o f e s s o rz h a n gw e i d o n g a b s t r a c t i no r d e rt os o l v et h ep r o b l e mo ff u y uf i e l di nw e l lt r a c kp r e d i c t i o n a c c o r d i n gt ot h e w o r ks t a t eo fb o t t o mh o l ea s s e m b l y ( 8 h a ) ，o nt h eb a s eo fv e r t i c a la n dh o r i z o n t a lb e n d i n g m e t h o d ，t h en o n l i n e a rm e c h a n i c sm o d e lo fb h ai sp r e s e n t e d i nt h i sm o d e lt h es t r u c t u r eo f b h a ，t h es t r a t u mf e a t u r e sa n dt h ee x t e r n a ll o a da r ea l lc o n s i d e r e d e x c e p tt h a tt h ec o m p o n e n t o fg r a v i t ya n dt h eb e n d i n gd u et ot h ep r e s s u r ei sc o n s i d e r e d b yv e r t i c a la n dh o r i z o n t a l b e n d i n gm e t h o dw ec a ng e tt h el a t e r a lf o r c eo nt h ed r i l lb i t o nt h i sb a s eb ya n s y st o c o n s t r u c tab h am o d e ld ot h ef e mc a l c u l a t i o nw i t hb e a me l e m e n ti n s t e a do ft h et r a d i t i o n a l e l e m e n t - s o l i de l e m e n t b e c a u s eo ft h ed e g r e e so ff r e e d o mo fr o t a t i o n , w ec a ng o tt h er o t a t i o n a n g l ee a s i l y ，t h i se l e m e n tp r o v i d eu saq u i c ka n dc o n v e n i e n c em e t h o dt h a nb e f o r e i nt h i s p a p e rt w oc o n c e p t sa r ep r o p o s e d ，t h a ti st h ed e v i a t i o na n g l eo ft h ep r e d i c t i o np o i i l ta n dt h e d e p t ho ft h ep r e d i c t i o np o i n 4a l s ot h ef o r m u l a t i o nf o rh o wt og e tt h et w ov a l u ei sp r o p o s e d b y t h ef o r m u l a t i o n , t h em e t h o d 。o fw e l lt r a c kp r e d i c t i o nf o rh o r i z o n t a lw e l lo ff u y up l a t f o r m i se s t a b l i s h e d t h i sm e t h o dt a k ea d v a n t a g eo ft h er e s u l to ft h ef e m ，c o m b i n e 谢mt h ed a t a m e a s u r e db ym w d ，t h eo p e r a t o rc a l ld ot h ep r e d i c t i o ni nt h ed r i l l i n gs i t e t oc o m p a r e dw i t h t h et r a d i t i o n a lm e t h o d ，t h i sn e wm e t h o ds h o wm o r ef l e x i b i l i t yi nc a l c u l a t i o na n da c h i e v ea c e r t a i nd e g r e eo fp r e d i c t i o na c c u r a c y t e s t e db yt h r e eh o r i z o n t a lc h e n g p i i 坞4 9e h e n g p i n g - 4 8 c h e n g p i n g - 4 5o ff u y up l a t f o r m , t h i sn e wm e t h o ds h o w su ph i g ha p p l i c a b i l i t y , g o o da c c u r a c y , a n de a s i l yt ou s e 1 1 1 em e t h o df o rh o r i z o n t a lw e l l st r a c kp r e d i c t i o na n dc o n t r o lt e c h n o l o g yo f f u y ur e g i o nh a sa ni m p o r t a n tr e f e r e n c ev a l u e ，a tt h es a l t i et i m e ，i ta l s op r o v i d es o m el e a r n e d i n f o r m a t i o nt ot h eh o r i z o n t a lo rd i r e c t i o n a lw e l li no t h e rb l o c k s k e y w o r d s ：b o t t o mh o l ea s s e m b l y , v e r t i c a la n dh o r i z o n t a lb e n d i n gm e t h o d , a n s y s ，w e l l t r a c kp r e d i c t i o n , f u y up l a t f o r m 孽；9 每；三二擎 t 氏、 ，r “ 目录 第一章绪论1 1 1 研究背景1 1 2 研究目的及意义。1 1 3 研究内容与研究方法1 1 4 国内外研究现状2 1 4 1 国内外定向并轨迹控制与预测技术概况2 1 4 1 国内外定向井b h a 力学分析现状分析4 1 4 2 国内外定向井并眼轨迹预测技术分析6 1 5 本文的创新点。9 第二章扶余平台水平井井眼轨迹预测新方法l o 2 1 水平井轨迹预测传统方法优缺点分析l o 2 1 1 水平井轨迹预测要点。1 0 2 1 2 轨迹预测传统方法的优缺点1 0 2 2 井轨迹预测新方法11 2 2 1 井眼轨迹预测新思维1 l 2 2 2 预测点井斜角与预测点井深概念的提出1 l 2 2 3 井眼轨迹新预测方法相关系数的提出1 2 2 2 4 井眼轨迹预测新方法的计算公式。1 2 2 3 井眼轨迹预测新方法的优缺点1 3 2 3 1 新方法的优点1 3 2 3 2 新方法的主要不足1 4 2 4 本章小结1 5 第三章b h a 的力学分析1 6 3 1 力学分析综述。1 6 3 2 基于纵横弯曲法的钻头侧向力分析1 6 3 2 1n l a 的力学模型与基本假设1 8 3 2 2 纵横弯曲法对b h a 钻头侧向力的二维分析2 0 3 2 3 钻头侧向力与钻压以及井斜角的关系2 2 3 3b h a 力学分析的有限元方法2 3 3 3 1 运用有限元法的基本步骤2 5 3 3 2 单元分析2 6 3 3 3 整体分析3 0 3 4 扶余城平台b h a 有限元分析3 2 3 4 1 建立模型3 2 3 4 2 分析所采用的假设条件3 6 3 4 3 模型的边界条件与外力加载计算3 6 3 4 4 钻头转角的计算。3 6 3 5 本章小结4 9 第四章井眼轨迹预测技术的现场应用5 0 4 1 轨迹预测技术在扶余平台水平井适用性证明5 0 4 1 1 轨迹预测技术在城平一4 9 的应用验证5 0 4 1 2 井眼轨迹预测方法在城平- 4 8 、城平- 4 5 的应用验证5 7 4 2 轨迹预测技术在扶余平台应用总结。6 2 第五章结论6 5 参考文献6 7 致谢6 9 噜 o ， ， t ： 搪 吒、 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景 本论文研究内容来源于中国石油天然气股份有限公司吉林钻井院科学研究与技术 开发项目扶余浅层特钻井完井技术研究。 吉林油田扶余地区油藏埋藏浅，开发目的层为扶余油层位于下白垩系泉头组，储层 的埋深较浅仅为3 0 0 4 7 0 米左右，油层的平均渗透率和平均孔隙度分别为为1 2 0 x 1 0 。3 u t l 2 和2 3 ，扶余油田建立在老城区上近1 3 的面积地面被城区、江河、道路、工业园区等 覆盖井网基本为7 0 年代或更早钻的井，多年的使用导致大部分井因套变、套损等原因 报废、封井，这些原因导致井网极其不完善严重地影响了开发效果，2 7 7 8 万吨地质储量 不能采用常规钻井技术开发。吉林油田为了更加有效的利用地下资源在扶余地区采用了 平台的方式进行开发，这样不仅节约了占地面积，而且使一些采用常规钻井无法开发的 地下资源充分得到利用。 平台中大部分为水平井。由于井网密集，在井钻井过程中一个突出的问题就是对于 井眼轨迹的预测和控制问题。现场对于轨迹预测与控制往往是凭借现场工作人员的工作 经验来完成，这主要是因为目前现有的研究成果存在的一些问题所导致，比如现场调节 的灵活性性不足导致设计轨迹与实钻轨迹相差甚远等情况等，因此本课题根据现场工程 实际要求对轨迹预测技术进行研究。 1 2 研究目的及意义 ， 通过本课题的研究，旨在建立一种适用于扶余区块的水平井井眼轨迹预测方法，利 用该方法的使用能够较为快捷和准确的预测水平井井眼轨迹的情况，解决扶余区块水平 井预测的难题，对于现场人员更好的控制井眼轨迹有着重要的参考价值。 1 3 研究内容与研究方法 本文的主要研究内容如下： ( 1 ) 建立一套适用性强，快捷方便的水平井轨迹预测方法。该方法以钻头侧向力为切 入点，通过分析钻头侧向力与钻头转角对轨迹进行分析预测，通过对传统的井眼轨迹预 测方法的改进，建立新的轨迹预测公式。透过该公式可以利用纵横弯曲法和有限元分析 的结果预测井眼轨迹。 ( 2 ) 通过合理的简化利用纵横弯曲法计算钻头侧向力的大小，并分析井斜钻压等参数 第一章绪论 对其的影响。 ( 3 ) 在一定的假设条件的基础上，建立b h a 有限元分析模型。该模型利用纵横弯曲法 得到的钻头侧向力参数计算出钻头转角，并分析不同的钻头侧向力对钻头转角的影响。 ( 4 ) 通过现场随钻数据对得出的井眼轨迹预测方法进行检验。 1 4 国内外研究现状 1 4 1 国内外定向井轨迹控制与预测技术概况 井眼轨迹预测和控制问题，是水平井钻井施工中的最主要的问题之一，一直以来国 内外都普遍的重视这一问题。关于如何处理井眼轨迹的预测以及控制问题的研究，到目 前为止国内外已经有了五十多年的研究的发展史。在过去的五十多年里，许多国内外在 此领域卓有见地的专家和专业研究人员为了使井眼轨迹与控制理论和技术能够得到发 展和完善，建立不同的井眼轨迹预测方法、研究钻头与地层的相互作用关系以及管柱力 学领域( 尤其是底部钻具组合的受力分析以及与之相应的变形分析) 这些方面做过了很 多深入的探讨并且取得了不错的实际成果。在5 0 、6 0 年代的研究是基于当时的情况， 将着眼点放置于“防斜打直 这一问题上，当时的研究方向主要是解决井斜控制理论 和技术问题，在经历了井眼轨迹控制技术研究的起步阶段之后，定向井成为了7 0 年代 研究的主题，定向井井眼轨迹控制相较于之前的研究是一个复杂得多的研究课题，在钻 井过程中，不仅要求对井斜角进行严格的控制，而且对于方位角的控制也提出了要求， 随着研究重心移向定向井，越来越多的国外研究技术进入了我们的视野。 1 9 5 0 年，美国专家l u b i n s k i 先生的研究为井眼轨迹控制技术打开了一个新的篇章， 他以直井井眼中的钻柱屈曲问题为着眼点【2 】，采取了定量分析的方法进行研究，他的这 一研究为后来关于定向井井眼轨迹研究奠定了基础。在这之后他与w o o d s 先生合作，集 合管柱力学的相关原理成功的解决了如何定量计算“平衡井斜角这一问题。在解决这 一问题的过程中他们提出了如何使用稳定器来有效的控制井斜并且第一次提出了地层 各向异性的钻井理论，这一理论将地层的造斜性分为了2 1 级，划分的依据主要取决于 地层的各向异性程度，除此之外他们还制定了解决井斜问题实用的图版，对于后来的轨 迹控制技术起到了重要的参考价值。关于造斜中的井斜角问题，l u b i n s k i 和r o l l i n 达成 了共识，他们认为与其严格的苛求井斜角以便使之达到某种精度不如适当的放宽限制， 这种做法不仅在成本上较为合算而且能够提高钻速，因为在放宽井斜角的同时，钻压也 得到了释放。一方面放宽对井斜角的要求，另一方面加强了对狗腿严重度的严格限制， 这一限制的主要目的则是防止钻柱疲劳破坏，根据改良后的井斜控制标准l u b i n s k i 还给 。 2 j 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 出了最大井眼曲率的实用图标与计算模式。l u b i n s k i 对于狗腿严重度的研究在其后得到 了h o c h 的补充和发展。h o c h 为了消除井斜变化太快的问题提出了一种含有三个稳定器 的“满眼 钻具组合方式，并且它还通过定量的限制钻铤的外径进一步地解决了这一问 题。尽管后来经过实践检验对于h o c h 的究结果存在有一定的错误，然而其在通过“满 眼 钻具消除井斜变化过快这问题上的处理方式还是比较正确的，此外他在狗腿严重度 的降低方法这一领域的认识也得到了后来的证实。由于是早期研究，因此l u b i n s k i 等人 基本以井斜角为着眼点而忽略了方位角的问题，也即说这些研究始终是处于一个二维层 面内的研究，然而在实际的钻井过程中我们发现二维层面内的分析并不能满足所有定向 井轨迹控制研究的需要，存在着一些无法用二维理论解释的问题口儿钔。 随着钻井技术的不断进步，越来越多的研究人员从事到这一领域的相关研究。s h e l l 公司在l u b i n s k i 等前人的研究基础之上从许多角度对井斜轨迹预测和控制进行了进一 步的研究。二维平面内光钻铤的受力与变形问题最早是由m u r p h y 分析给出的，这种简 单钻具组合的计算模型虽然较为简便然而存在精确度不够好的特点。最早同归计算机分 析程序来实现对井眼轨迹的控制是由f i s h e r 实现的，他采用有限差分法对平面弯曲经验 中的钻柱进行了二维静力大挠度分析m c l a m o r e 和b r a d l e y 试图对井斜现象作出定量解 释，他们通过建立一个偏斜力公式来做定量分析，这个分析是基于修正的m o h r - c o u l o m b 破坏准则( t h em o d i f i e dm o h r - c o u l o m bf a i l u r ec r i t e r i o n ) ，他f l j - - 人还先后分别进行了单 楔齿破岩( 层状) 实验，借由这一实验的理论结果他们提出了“优先成屑底层理论” ( p r e f e r r e dc h i pf o r m a t i o nt h e o r y ) 。为了使现场工作人员更全面更准确的认识到并斜发生 的真正愿意以及其影响因素，b r a d l e y 利用管柱力学方法研究了地层特点以及钻头的结 构特征等因素，不仅进行了系统的论述还采取了一些定量分析的手段，详尽的描述了在 井眼轨迹控制的过程中使用如金属钨这种具有较高的弹性模量以及较大的重度的钻铤 的好处。尽管b r a d l e y 等人在与定向井轨迹控制相关的较多方面都做出了一定的贡献， 不过这些人与先前l u b i n s l d 等人的研究都没能突破二维分析这一局限性。 在对于底部钻具组合分析法之中有一种方法被称为能量法w a l k e r 最早将其使用在 了二维分析之中，在其后他通过与f r i e d m a n 的合作通过三维手段建立了钻柱分析的静 力学方程，该方程建立在小变形假设条件之下，尽管小变形模拟并不能完全真实的反应 钻具的井下受力状态，然而w a l k e r 与f r i e d m a n 的这一次尝试性的研究将井下钻具力学 分析突破至了三维领域，而且通过计算机计算机近似的求解了控制方程，通过将底部钻 具组合与计算机分析的结果相结合达到了提高钻速控制成本的效果，变分原理的应用在 3 第一章绪论 这一过程中起到了关键的作用。此外w a l k e r 在管柱力学方面的另一项突破性研究就是 他首次对方位角的漂移做了概括性的论述，当然这一过程中也伴随着井斜角的变化。 关于轨迹控制理论还有许多的外国学者都做出了一定的贡献，比如研究员b i r a d e s 、 法国专家a m a r a 、英国专家b r o w n 等等，经过这些人的共同努力大大丰富了井眼轨迹预 测和控制技术的理论系统，为之后的研究做出了很大的贡献。 中国国内的井眼轨迹预测以及控制技术相对于国外虽然起步较晚，但发展迅速。上 世纪8 0 年代之前，国内尚无比较成熟的技术研究，一直到唐骏才等人借鉴国外资料， 修改了“霍奇公式”国内的轨迹控制技术研究才初上轨迹啼】。在这之后，轨迹控制技术 在国内得到了迅速的发展，尤以自家祉为代表的一批专家和学者，他们的努力为井眼轨 迹预测和控制理论和在国内的良好发展做出了打下了坚实的基础，在8 0 年代末期国内 已经形成了一系列理论技术。自家祉等人利用经典力学中的理论建立了底部钻具组合的 三弯矩方程，通过三弯矩方程计算b h a 的受力和变形，此外他提出的地层力计算公式丰 富了l u b i n s k i 的地层各向异性的理论嘲。在地层力的计算方面杨勋尧也有自己的见解， 他通过求解简单的力学模型提出了一套b h a 设计方法，这种方法不仅便于计算而且能够 表达地层各向异性造成的井斜角的影响，解决了一些井斜控制技术问题。2 0 多年来经过 专家学者们的不断努力轨迹预测与控制理论和技术得到了长足的进步和发展，对于我国 钻井技术的健全和发展有着卓越的贡献。 1 4 1 国内外定向井b h a 力学分析现状分析 b h a 力学分析的主要目的是通过研究定向井的井身结构、钻具的组合方式、不同 钻井参数带来不同影响、钻头上所受作用力以及产生的相应变形等外界条件来确定钻具 对应的变化如增斜、稳斜、降斜的性能h 刮。因此通过对b h a 的力学分析可以帮助工作 人员更为合理的设计钻具组合类型，帮助工程人员更为可靠的控制井眼轨迹。b h a 的 结构参数是影响其力学特征的最主要因素，主要包括以下因素：钻井参数( 钻压、钻井 液密度) 、各段钻铤长度、井斜角、井眼曲率半径、主法线方向、刚度、稳定器个数、 稳定器安放位置、稳定器偏心度、装置角、弯角、线长度重量等。即便应用计算机来对 进行分析这些因素对b h a 力学特性的影响也是一个非常复杂的工程，在实际问题中要 充分考虑以上这些参数往往也是不可能的，因此通常需要对这些参数进行简化。同样的 这一技术也是在国外率先起步，通过5 0 年代l u b i n s k i 等人一系列努力，终于逐渐形成 了一系列比较可靠的方法。随着技术的不断进步，计算机逐渐成为解决复杂问题计算的 重要工具，进入8 0 年代后越来越多的复杂计算开始使用计算机作为辅助手段，因此在 4 崎 t v j _ - 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 这一时期轨迹控制以及预测技术得到了充分的发展，其中在动力学领域的研究由于阻 尼、干扰力等因素太过复杂，因此动力学研究技术在实际工程中的应用还是难以实现。 而静力学领域的发展则较为突出，出现诸如了经典的数学微分方程法、能量法、有限元 法以及纵横弯曲法等多种计算理论与技术，这些技术迄今为止仍是现代钻井轨迹预测与 控制技术的核心技术。钻具静力学研究主要有解析法和数值法，在此对以下几种常见的 方法做以简述。 ( 1 ) 经典数学微分方程法。在5 0 年代初期l u b i n s k i 提出了通过建立能够说明钻具在 各种不同的工作状态下的线弹性微分方程来对钻具进行力学分析【l l 】【1 4 1 ，该方法建立在 经典的材料力学理论基础上，他提出的这种解析法在当时是对钻具进行力学分析的较为 经典的方法，在研究初期这种方法仅适用于直井的底部钻具组合，之后经过了许多专家 的不断研究，在这种方法的基础上建立了能够说明钻具不同工作状态的计算公式，通过 这些公式分析计算b h a 的受力变形。他们的这些研究成果拓宽了当时人们对于轨迹预 测和控制技术的认识，对于现场施工设计有着重要的参考价值，取得了一定的应用成果。 然而这种方法存在主要问题则是其建立在诸多假设条件的基础之上，而且考虑的模型也 相对过于简单，这是由于解析法的限制所导致的，在当时的技术情况看来想要较为详尽 的通过解析法来计算是不太可能实现的。因此，这种方法对于b h a 受力分析的精确程 度就打了很大的折扣，为了使得结果尽可能的精确当时的许多研究人员还提出了通过增 加加权参数的方法来实现，这一方法虽然一定程度上提高了经典的数学微分发的精度， 但由于受客观条件的局限性仍无法较为精确地进行模拟计算。 ( 2 ) 能量法。能量法的基本思想就是通过含有广义系数的三角级数也就是逆解法的构 造形式来进行计算。该方法一般是取距离钻头处1 0 0 f t - - 1 5 0 f t 长度的一段钻柱，所取钻 柱的上边界认为是b h a 的上边界，通过最小势能原理应用拉格朗日乘子法来确定广义 系数，通过计算就可以求得b h a 的受力与变形情况。 ( 3 ) 纵横弯曲连续梁法。相较于国外在轨迹控制领域的研究，我国专家也在这一领域 有所突破。7 0 年代中期我国专家白家祉教授提出了一种新的思维方式，他将三维空间中 的轨迹看作是两个发生在相对独立的平面内的轨迹，这种认识是对传统方法的一次突 破，再后来的研究和工程实践中证明这种方法虽然存在一定误差但是较之前的方法还是 大大提高了预测以及控制的精确程度，至今为止仍是国内适用性最好的方法之一。该方 法的最大优点就是分析思路清晰明了、计算简便，并且伴随着计算机的发展使相应的计 算越发的简单，通过材料力学的经典理论解决非线性问题。然而此方法对于比较简洁的 5 第一章绪论 钻具组合有较好的适用性，但是如果b h a 状况比较复杂比如含有多个弯接头或者多个稳 定器，那么这种情况对于通过纵横弯曲法来求解钻头处的受力以及变形就变得相对的较 为困难，这是由于对视作连续梁的钻具组合进行力学分在处理过于复杂的结构时精确程 度会显著下降而且计算复杂度会大大增加，这样就会造成b h a 上的受力以及变形状况难 以精确地表示清楚，尽管如此该方法还是为轨迹预测和控制技术做出了突出的贡献，为 之后的理论分析和技术进步打下了很好的基础。 ( 4 ) 有限元法。有限元是上世纪8 0 年代末期新型的一种解法，这种方法利用有限元 的基本原理通过计算求得近似的数值解。在求解的过程中通过建立b h a 模型将一定长 度的钻柱视为计算模型，并通过单元网格的划分将整体模型细划成有限个细小的单元， 单元的划分方式以及大小等参数，往往决定着计算的精确程度。在对于b h a 模型与井 壁接触问题的计算通常是通过间隙单元来实现的。有限元法的一个重要的优点就是可以 通过计算机来实现复杂的计算，通常只需要建立计算的基本方程计算机可以通过迭代的 方式自动求解，大大简化了计算难度，也使得以前无法通过计算求得解析解的一些问题 迎刃而解。可以说有限元法的出现为现代钻井技术中轨迹预测和控制有着里程碑式的意 义。 上述四种方法中出能量法由于理论体系较为复杂不适合现场应用外其余方法均是 现代钻井工程中用来对b h a 进行静力学分析时最为常用的几种方法，一般是用来计算 小变形问题，在求解的过程中常常需要建立在许多假设理论的基础之上： ( 1 ) 钻具的中心线与井眼轴线重合。 ( 2 ) b h a 上切点之上的部分在重力的作用下靠于井壁底侧。 ( 3 ) 在计算的过程中忽略钻具沿轴线的轴向扭转以及钻具的上下跳动的影响。 ( 4 ) 钻头压力为一个不变量，作用点位于地面中心作用线为钻具的轴线。 ( 5 ) 钻具的受力变形始终处于弹性变形的范围之内，且不发生大位移的变形。 ( 6 ) 井壁一般看作是刚性的，而且忽略井眼直径与时间的变化关系。 ( 7 ) 一般忽略稳定器的受力变形的特点而将之视为一个外部载荷作用。 1 4 2 国内外定向井井眼轨迹预测技术分析 井眼轨迹预测技术是指通过技术手段对还未钻的井眼的轨迹进行预测的一种技术 手段。这种技术通常作为轨迹控制技术的基础和前提。只有通过较为准确的对井眼轨迹 加以预测才能保证后续控制技术的精确性。井眼轨迹预测技术最早起源于对定向井轨迹 的研究，后来在水平井技术中成为了重点研究对象。而对于水平井而言井眼轨迹控制技 6 审 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 术的难度要远远地高于普通定向井，其主要原因则是着陆段的控制技术比较难以掌握， 因此加大对水平井井眼轨迹预测技术的研究力度一直以来是国内外的努力方向之一。如 何建立一种较为精确且计算简便的轨迹预测技术被看作是当前钻井技术的关键技术之 一，透过国内外几次技术革新中的经历来看，都包含着轨迹预测以及控制技术的革新， 不断改良发展轨迹预测和控制技术对于提高钻井速度降低钻进成本以及改善井身质量 均有着重要的意义。 目前，井眼轨迹预测理论及方法主要包括三类n 5 h 川：( 1 ) 几何法。几何法就是利用 在工程中的实钻井眼轨迹利用几何作图的手段对将要钻进的井眼轨迹加以预测。该方法 考虑因素较少，忽略了钻具结构以及钻具的受力情况带来的影响，同时也未能考虑钻头 与底层的相互作用，由于误差较大在工程中的实际应用也不多。( 2 ) 力学分析法。这种 方法将着眼点放在b h a 的受力变形方面，通过对b h a 受力变形的分析形成井眼轨迹的预 测模型。该方法基于钻柱力学原理考虑了b h a 的受力变形与钻具组合的结构特征，同时 该方法还认为井眼轨迹不仅仅取决于b h a 的结构以及受力，因此将b h a 与地层的相互作 用也加以考虑。通过对b i d 受力分析可以给出作用与b h a 上的机械力，通过分析b h a 与 底层的相互关系可以得出作用与b h a 上的地层力。在这两种力学因素的共同作用下应用 三维钻速方程计算出井眼轨迹上的钻速的平动分量，之后根据以钻井眼轨迹中的数据就 可以对待钻井眼轨迹参数进行预测。相对而言第二类方法无论是从理论技术上或者是从 计算难度上而言都具有较好的性质，一方面因为考虑了地层与钻具的相互作用因而计算 精度得到了保障，另一方面由于在计算过程中使用的参数较少简化了计算过程。由于上 述原因使得这类方法在实际工程中得到了比较多的应用啪1 。( 3 ) 综合法。相对于前面两 种方法在理论方面的特点这类方法更强调实际因素的影响。该方法主张将理论计算的结 果与实际工程数据加以结合，也即以理论计算为基础通过实际数据做以修正。因为实际 工程中影响钻井轨迹的因素很多其中还包含一些不确定的随机因素有些参数因为种种 原因无法准确地获得或者分析，因此合理的结合实测数据与分析结果是一种更为合理的 方法，然而这种理论与实践相结合的预测方法由于很难把握各种参数在对于结果影响的 权重，因此这种方法虽然具有较好的精确性和理论性但是适用性不足，需要富有经验的 现场专家来把握权重作出井眼轨迹预测模型。 经过几十年的发展，井眼轨迹预测技术在国内也有了十足的进步。通过对轨迹预测 和控制理论的深入研究国内专家丰富和发展了不少国外的理论技术，仅近十年来就有1 0 多种井眼轨迹预测和控制方法被不断提出，经过这些研究人员的努力而形成了一些国内 7 第一章绪论 应用较多的轨迹预测方法乜。 ( 1 ) 三点定圆法。三点定圆法是国内最先引入的方法之一，这是一种几何法的轨迹 预测方法，该方法视钻具与井壁的接触点在同一个圆弧上的三个点，在钻进的过程中， 当此三点处于一个相对稳定的圆弧上时，钻具组合将会获得一个稳定的造斜率，该方法 成为三点定圆法，由于是初期方法这种方法经实践证明存在较大误差，主要是因为其理 论思想过于理想化而且忽略了诸如钻头地层的作用等很多因素乜副，所以现代工程实践中 几乎已经看不到这种方法的应用。 ( 2 ) b h a 力学分析结合钻具与地层的相互作用相结合的方法。通过对b h a 的组合结构 和力学特征的分析结合钻具与地层的相互作用模型来实现对轨迹的预测瞳引。通过确立钻 头、扶正器间隙、钻具的上切点以及与之相互作用的地层处的边界条件结合地层倾角、 地层的各向异性、钻头的各向异性等特点建立起三维钻速方程，在该方程中钻头的各向 异性是通过矩阵的形式表达的。通过该方程可以建立其轨迹预测的预测模型，从而能够 计算出井斜角以及方位角的变化达到轨迹预测的目的。 ( 3 ) 平衡曲率法。该方法目的通过研究井眼曲率来实现对轨迹的预测，该方法认为 轨迹的形成与钻头上所受到的侧向力有着密切的关系，因此该方法认为井眼轨迹的曲率 会向着钻头侧向力为0 时的井眼曲率发展，结合b h a 的挠曲形式就可以对井斜角、方位 角进行预测和模拟。该方法的预测精确度受对底部钻具组合受力变形计算精度的影响很 大，由于目前关于底部钻具组合受力情况的计算方法多种多样，因此选用何种方法来计 算b h a 是工程中应用这方法的难点之一，而且本方法在计算中通常忽略岩石以及钻头的 各向异性的特点，因此在预测上的精度值得考查。 ( 4 ) 极限曲率法是我国国内专家在轨迹预测领域方面的创新型方法之一，究其本质 上来说该方法可以说是对平衡曲率法的改良，通过钻井工程中的实践发现平衡曲率法在 应用时忽略了钻具造斜的性能以及钻头造斜率这两个因素，因此极限平衡法通过加入这 两个参量对平衡曲率法综合考虑。虽然该方法对比平衡曲率法能有效地提高预测精度， 但是如何正确合适的选用这两个参数就成为了钻井研究人员的重要任务，而这往往取决 于钻井工作者的实践经验和当地区块的特点，这也就是的本方法在工程实践中的应用并 不非常的方便。此外由于基于平衡曲率法，本方法对底部钻具组合受力分析的影响也同 样的敏感，受力分析的精度很大程度上影响着本方法的精度。 ( 5 ) 综合预测法。该方法与国外提出的综合法有所类似，也是通过将理论分析结果 与实践经验相结合的方法来实现的。该方法综合涉及到的因素很多，比如地层参数、钻 8 囊 p 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 头侧向力、地层可钻性、钻头的破岩特性、井眼偏移量等等阱h 嘲。运用该方法的前提是 需要通过b h a 力学分析以及管柱的摩阻计算来求得钻头的侧向力以及钻压等等，在这样 的条件下本方法才具有比较高的使用价值能过综合考虑多重因素对轨迹进行模拟。 1 5 本文的创新点 本文利用理论分析与实践验证相结合的方式，在创新方面有以下特点： ( 1 ) 在建立有限元模型时使用b e a m 梁单元取代传统计算b h a 受力时所采用的s o l i d 单元。利用b e a m 梁单元的转动自由度可直接得到钻头转角，利用b e a m 梁单元在计算 平面应变问题时的截面参数设置简化计算。 ( 2 ) 建立一套新的轨迹预测方法。该方法与目前常用的计算方法相比较，计算更为简 便，可随着现场随钻测量数据进行实时调节，灵活性更高。是对传统的基于钻头侧向力 的方法的改进，与该方法相比较，新方法利用扶余区块临近地层相似性好的特点，成功 解决了传统方法忽略地层参数的这一缺点，通过实践检验，新方法适用性好，计算灵活 简便，切实可行。 9 第二章扶余平台水平井井眼轨迹预测新方法 第二章扶余平台水平井井眼轨迹预测新方法 2 1 水平井轨迹预测传统方法优缺点分析 2 1 1 水平井轨迹预测要点 在水平井的轨迹预测与控制过程中，有两个与常规定向井相比突出特点值得注意： ( 1 ) 普遍采用造斜率较大的弯外壳动力钻具组合。这种装置的特点即为钻头侧向力较 大，因此造斜率较高，是目前中半径水平井钻井中最为常用的一种造斜工具，通常来讲 他的钻头侧向力是弯接头的几倍甚至十几倍，这也就使得b h a 的力学分析更为重要。 ( 2 ) 随着井斜角的增加地层力会逐渐减小，由正变负。与常规钻井相比钻压较小，因 此通过钻具的弹性变形而产生的变形是一个小相对较小的量( 但在分析仍是大变形问 题) 同样的地层力也是一个较小的量，尽管如此，但是这个较小的量通常会影响b h a 力学分析的结果，因此一般仍需考虑这两个小量的影响才能保证轨迹预测的精确性。 基于上述两个特点可以得出出，水平井预测与定向井预测相比较钻具组合井斜受力 分析更为重要，而且分析得出的预测结果的精确性受到钻具弹性变形和地层力的影响。 2 1 2 轨迹预测传统方法的优缺点 自从水平井出现以来国内外对于水平井井眼轨迹预测方面的研究就非常重视，自上 世纪8 0 年代以来，就有很多在轨迹预测方面的理论技术被提出并被后人不断地加以改 良，在此主要介绍常用的几大类方法： ( 1 ) 经验预测法。建立于现场经验基础上的方法，该方法根据长期在同一地区掌握 的地质资料以及该地区多次的钻井施工经验来评选钻具组合的造斜率并以通过钻具组 合的造斜率来预测井斜变化，该方法仅在同一地区有比较好的适用性，不同的地区或者 同一地区的不同地址层常常会带来很大误差，因此该方法的推广性较差。 ( 2 ) 受力分析预测法。该方法通过对b h a 的受力分析，比较好的计算出了预测轨迹 所需要的相关参数，然而该方法通常过于理论化且不考虑地层因素因此也会存在一定的 误差，此类方法的典型代表为侧向力法、合力法、钻头轴线法等等。在对于轨迹精度要 求比不非常严格的情况下此类方法由于计算简便的特点其实用性还是很强的。 ( 3 ) 理论模型预测法。典型代表为力和位移模型以及钻头和底层模型。该类方法的 预测是建立在一些列的理论模型基础上，通常来说这些理论模型的计算建模会包含一定 的力学计算，同时这些模型还考虑很多地层因素和现场因素，比如钻头特性、钻进参数 等等。这样虽然使得计算的结果较前两类方法更为精确一下，但是带来的问题就是计算 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 的复杂性太高，考虑的因素越多计算复杂度越高，预测时效性就越差，花费的成本就越 高。但是在对于要求非常高的钻井过程中此类方法还是受到了比较多的重视。 2 2 井轨迹预测新方法 2 2 1 井眼轨迹预测新思维 通过分析传统的井眼轨迹预测方法中的常用理论和要点不难发现各类方法都具有 各自的优点，