一种水平井造斜段造斜率优化取值方法及装置

技术领域

本发明涉及石油地质勘探中技术领域，尤其涉及一种水平井造斜段造斜率优化取值方法及装置。

背景技术

在石油勘探技术领域中，通过钻水平井延升水平井段在储层的接触面积已经成为油田勘探开发中采用的重要方式。但是，较长的水平井段容易导致水平井钻井过程中产生较高的钻井摩阻，影响钻机井口能量高效传递到钻头实现破碎岩石。尤其是，造斜段属于弯曲井段，该井段的弯曲率的设计对钻井摩阻具有重要影响。

现有技术中一般在钻井设计阶段设计水平井井眼轨迹时，常根据钻具组合的造斜能力、地层岩性性质来设计水平井造斜段的造斜率。但根据钻具造斜能力或地层岩性设计的造斜率未必能满足最小的钻井摩阻，影响水平井钻井过程中钻井摩阻扭矩，影响钻机能量的传递效率，严重时甚至因钻井摩阻过大导致钻具能量传递不到钻头。这种水平井造斜段造斜率的设计方法通常在水平井较短时(如小于500m)影响较小。但对于较长的水平段长度的水平井(如超过500m)，这种方法设计出的造斜率在水平段钻井后期，存在钻井摩阻较大的风险(如超过30吨)，严重时影响钻进作业效率甚至无法完成设计地质目标。

因此，现有技术中根据钻具造斜能力或地层岩性设计的造斜率常常不能满足最小的钻井摩阻要求，水平井钻井过程存在因钻井摩阻过大而发生钻具能量传递不到钻头的风险。现有技术中亟需一种可以以降低水平井段摩阻为目标的造斜率设计方法，降低水平井段钻井摩阻，提高水平井段的钻井作业效率。

发明内容

本发明目的在于提供一种水平井造斜段造斜率优化取值方法及装置，可以降低水平井段钻井摩阻，保障水平井段钻井过程中摩阻始终处于较小的状态，提高钻井效率。

本申请提供的一种水平井造斜段造斜率优化取值方法及装置是这样实现的：

一种水平井造斜段造斜率优化取值方法，所述方法包括：

确定设计目标井的预设摩阻系数μ；

确定设计目标井的水平段长度L；

判断所述设计目标井的水平长度是否小于设定的造斜率趋势分界值；

当所述判断的结果为是时，以上提管柱最小钻井摩阻为目标设计最佳造斜率，根据下述公式确定所述设计目标井的水平井造斜段的造斜率：

$\theta =\frac{1719.745}{\mu L}$

θ为确定出的当前水平井造斜段造斜率的取值。

优选的实施例中，所述方法还包括：

当判断结果为否时，以下放管柱最小钻井摩阻为目标设计最佳造斜率，设计目标井的水平井造斜段的造斜率的取值范围设置为：3～5°/30m。

优选的实施例中，采用下述方式确定预设摩阻系数：

当优化设计的水平井所在的工区100km范围内有水平井资料时，根据资料记录的摩阻反算出区域摩阻系数，取不同井段区域摩阻系数的平均值作为预设摩阻系数；

当所述100km范围内无水平井资料时，则预设摩阻系数在0.25至0.4之间取值。

优选的实施例中，以1200米为所述造斜率趋势分界值的取值。

优选的实施例中，所述方法还包括：

根据确定出的所述造斜率采用下述公式计算井眼的靶前距D：

D＝1719.745/θ

θ为确定出的当前水平井造斜段造斜率，D为所述造斜率取值为θ时靶点距离造斜点的靶前距，单位为米。

一种水平井造斜段造斜率优化取值装置，所述装置包括：

摩阻系数计算模块，用于确定设计目标井的预设摩阻系数μ；

长度确定模块，用于确定设计目标井的水平段长度L；

判断模块，用于判断所述设计目标井的水平长度是否小于设定的造斜率趋势分界值；

第一判断处理模块，用于当所述判断的结果为是时，以上提管柱最小钻井摩阻为目标设计最佳造斜率，根据下述公式确定所述设计目标井的水平井造斜段的造斜率：

$\theta =\frac{1719.745}{\mu L}$

θ为确定出的当前水平井造斜段造斜率的取值。

优选的实施例中，所述装置还包括：

第二判断处理模块，用于当判断结果为否时，以下放管柱最小钻井摩阻为目标设计最佳造斜率，设计目标井的水平井造斜段的造斜率的取值范围设置为：3～5°/30m。

优选的实施例中，所述摩阻系数计算模块采用下述方式确定预设摩阻系数：

当优化设计的水平井所在的工区100km范围内有水平井资料时，根据资料记录的摩阻反算出区域摩阻系数，取不同井段区域摩阻系数的平均值作为预设摩阻系数；

当所述100km范围内无水平井资料时，则预设摩阻系数在0.25至0.4之间取值。

优选的实施例中，所述判断模块中设定的造斜率趋势分界值包括：

以1200米为所述造斜率趋势分界值的取值。

优选的实施例中，所述装置还包括：

靶前距计算模块，用于根据确定出的所述造斜率采用下述公式计算井眼的靶前距D：

D＝1719.745/θ

上述中，θ为确定出的当前水平井造斜段造斜率，D为所述造斜率取值为θ时靶点距离造斜点的靶前距，单位为米。

本申请提供的一种水平井造斜段造斜率优化取值方法及装置，采用基于目标井的水平井长度来确定造斜率的趋势取值，然后具体的可以确定目标井的预设摩阻系数，并在不同的现场施工条件下采用相应的造斜率取值方式获得水平井造斜段造斜率。本发明与现有技术相比较，具有以下突出的优点：以水平井段钻井过程中降低造斜段的摩阻为目标，提供了一种管柱上下放过程中摩阻最小时的造斜率设计方法，利于降低造斜段摩阻。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请所述一种水平井造斜段造斜率优化取值方法一种实施例的方法流程示意图；

图2是本申请所述一种水平井造斜段造斜率优化取值方法另一种实施例的方法流程示意图；

图3是本申请一种典型水平井井眼轨迹场景示意图；

图4是本申请所述一种水平井造斜段造斜率优化取值装置一种实施例的模块结构示意图；

图5是本申请所述一种水平井造斜段造斜率优化取值装置另一种实施例的模块结构示意图；

图6是本申请所述一种水平井造斜段造斜率优化取值装置另一种实施例的模块结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

图1是本申请所述一种水平井造斜段造斜率优化取值方法一个实施例的方法流程图。虽然本申请提供了如下述实施例或附图所示的方法操作步骤或装置结构，但基于常规或者无需创造性的劳动在所述方法或装置中可以包括更多或者更少的操作步骤或模块结构。在逻辑性上不存在必要因果关系的步骤或结构中，这些步骤的执行顺序或装置的模块结构不限于本申请实施例提供的执行顺序或模块结构。所述的方法或模块结构的在实际中的装置或终端产品应用时，可以按照实施例或者附图所示的方法或模块结构连接进行顺序执行或者并行执行(例如并行处理器或者多线程处理的环境)。

本发明提供了一种水平井造斜段造斜率优化取值方法，提供一种以水平井段钻井摩阻最小为参数目标的水平井造斜率取值方法，确保水平井段钻井过程中摩阻始终处于较小的状态，提高钻井效率。具体的如图1所述，本申请提供的一种水平井造斜段造斜率优化取值方法的一种实施例可以包括：

S1：确定设计目标井的预设摩阻系数μ。

若设计目标井100km内存在已经完钻的水平井资料，则根据已钻井的水平井段的摩阻大小情况采用摩阻扭矩力学分析软件反算出摩阻系数，从不同井段的不同摩阻系数中选择平均值，也可以在平均值基础上附加0.02作为预计的摩阻系数；

具体的，预计摩阻系数方法可以包括：若设计目标井100km内存在已经完钻的水平井资料，则根据已钻井的水平井段的摩阻大小情况采用摩阻扭矩力学分析软件反算出摩阻系数，可以从众多摩阻系数中选择平均值，也可以在平均值基础上附加0.02作为预计的摩阻系数；若设计目标井100km内不存在已经完钻的水平井资料，可在0.25～0.4之间选择，跟钻井过程中的钻井液的润滑性能的优良选择较小或较大值。

S2：确定设计目标井的水平段长度L。

所述的水平段长度设计L可以根据地质目标确定，也可以根据钻井泵额定泵压、钻具能力、地层破裂压力梯度或漏失压力梯度要求确定，此处不再赘述。

S3：判断所述设计目标井的水平长度L是否小于设定的造斜率趋势分界值。

所述的管柱下放时摩阻最小和管柱上提时摩阻最小对造斜率设计是一对矛盾值。本申请中最优化造斜率取值设计分为两种情况：管柱下放时摩阻最小和管柱上提时摩阻最小。在本实施例中，可以基于水平井长度划分不同的造斜率趋势取值，当水平井在一定长度之内时以管柱上提摩阻为主要设计对象，超过一定长度之后，其他的摩阻则应该列入重点减小摩阻的设计对象。本申请的一种实施例中可以以1200m(米)为造斜率趋势分界值的取值设计造斜率时，一般水平井段长度在1200m以内的水平井主要以管柱上提摩阻最小为主，超过1200m水平井段长度的水平井以管柱下放最小为主。具体的，本申请所述一种水平井造斜段造斜率优化取值方法的一种实施例中，当所述判断的结果为是时，所述方法可以包括：

S401：当所述判断的结果为是时以上提管柱最小钻井摩阻为目标设计最佳造斜率，根据下述公式确定所述设计目标井的水平井造斜段的造斜率：

$\theta =\frac{1719.745}{\mu L}$

θ为确定出的当前水平井造斜段造斜率的取值。

所述的最优化造斜率设计分为两种情况：管柱上提时，在造斜段进入水平段的水平拐点除管柱与下井壁接触、或与上井壁接触。为说明最小摩阻时最优造斜率的推导过程，参考图3，是本申请一种典型水平井井眼轨迹场景示意图，图3中，KOP为造斜点位置，通常井斜为0°；A为造斜点进入水平段的拐点位置，通常井斜为90°；B水平段的终点位置，通常井斜为90°；F_Dkop：造斜点KOP处管柱的轴向载荷，牛，上提管柱时为拉力，下放管柱为压缩载荷；F_DA：A点位置管柱的轴向载荷，牛，上提管柱时为拉力，下放管柱为压缩载荷；L：水平段段的长度，即A、B两点之间的轨迹的长度，米；F_D：造斜段某弯曲微段管柱下端面的轴向载荷，牛；ΔF_D：造斜段某微段管柱轴向载荷增量，牛；Δα：造斜段某弯曲微段管柱的上下端面的井斜角增量，也称弯曲微段管柱的弯曲角，°；α：造斜段某弯曲微下端面的井斜角，°；R：为造斜段某弯曲微段的弯曲半径，米；N：井壁对管柱的正压力，牛；q：为管柱的线重，牛/米；x,y:为建立直角坐标系。参照图3所示，在y方向上，力学平衡有关系：

NRΔα+F_DΔα＝qRΔαsinα

得到：$N=q\sin \alpha -\frac{F_D}{R}$

当N>0时，管柱与下井壁接触，当N<0时，管柱与上井壁接触。当N＝0时，此处无正压力，简称正压力平衡点。因此，管柱上提时，在A靶点(井眼轨迹刚好进入水平井段初始靶区)，若管柱与下井壁接触，根据受力平衡(附图3)应满足以下关系：

${\mathrm{qsin\alpha }}_A-\frac{F_{DA}}{R}>0---\left(1\right),$

即：

通过计算，此时造斜段的摩阻为：

上式(3)对R求导分析后可知ΔF_d上与R存在正向变化关系，而R与θ成反比关系，综合可得θ越大，造斜段摩阻ΔF_d上越小。结合式(2)可知造斜率可以选择：

$\theta =\frac{1719.745}{\mu L}$

管柱上提时在A靶点(井眼轨迹刚好进入水平井段初始靶区)管柱与上井壁接触时，造斜率满足关系:

$\theta >\frac{1719.745}{\mu L}---\left(4\right),$

造斜段的摩阻为显然此时造斜段的摩阻与造斜率同向变化，此时θ应当选择较小值。同样应该取值：

$\theta =\frac{1719.745}{\mu L}$

因此，本发明的另一种实施例中，当所述判断的结果为是时，所述方法还可以包括：

S402：当判断结果为否时，以下放管柱最小钻井摩阻为目标设计最佳造斜率，设计目标井的水平井造斜段的造斜率的取值范围设置为：3～5°/30m。

图2是本申请所述一种水平井造斜段造斜率优化取值方法一个实施例的方法流程图。例如水平井段大于1200m时，下钻摩阻对钻井影响较大，为抓住主要矛盾，应该选择较大的造斜率，而兼顾考虑上提时的钻井摩阻，应该按照θ＝1719.745/μL设计。但其设计值仍然较小，本发明通过多次试验和综合考虑分析后，提供此时造斜率的取值范围，即增加造斜率值至3-5°/30m。

上式中，L为水平段长度；α_A为井斜90°；u为预计的摩阻系数；F_DA为水平井A点轴向拉力，近似为uqL，kN；F_Dkop为造斜点轴向拉力；α_kop为井斜角0°；θ为造斜率(单位为°/30m)，假设造斜段均匀造斜；R为造斜段曲率半径，值为1719.745/θ；q为单位长度管柱的重量，N/m。

所述的靶前距设计和轨迹精细设计根据以下方式计算：跟上所述的最优造斜率θ可得到靶前距(靶前距为A靶点离造斜点的距离)为1719.745/θ。考虑到钻井工具在的造斜率及预测地层的不确定性因素，需要把均匀造斜的管柱设计成五段制或七段制的轨迹剖面，完成井眼轨迹的精细设计。因此，本发明的另一种实施例中，所述方法还包括：

根据确定出的所述造斜率采用下述公式计算井眼的靶前距D：

D＝1719.745/θ

θ为确定出的当前水平井造斜段造斜率的取值，D为所述造斜率取值为θ时靶点距离造斜点的靶前距，单位为米。

本申请上述实施例所述的方法采用基于目标井的水平井长度来确定造斜率的趋势取值，然后具体的可以确定目标井的预设摩阻系数，并在不同的现场施工条件下采用相应的造斜率取值方式获取造斜率取值。因此，用此法设计的计算得到造斜率可以确保管柱上提或下放时的综合摩阻处于较小的状态，提高水平井段钻井效率。

基于本申请上述提供的一种水平井造斜段造斜率优化取值方法，本申请可以提供一种水平井造斜段造斜率优化取值装置。图4是本申请所述一种水平井造斜段造斜率优化取值装置一种实施例的模块结构示意图，具体的如图4所示，所述装置可以包括：

摩阻系数计算模块101，可以用于确定设计目标井的预设摩阻系数μ；

长度确定模块102，可以用于确定设计目标井的水平段长度L；

判断模块103，可以用于判断所述设计目标井的水平长度是否小于设定的造斜率趋势分界值；

第一判断处理模块104，可以用于当所述判断的结果为是时，用于当所述判断的结果为是时，以上提管柱最小钻井摩阻为目标设计最佳造斜率，根据下述公式确定所述设计目标井的水平井造斜段的造斜率：

$\theta =\frac{1719.745}{\mu L}$

θ为确定出的当前水平井造斜段造斜率的取值。

图5是本申请本申请所述一种水平井造斜段造斜率优化取值装置另一种实施例的模块结构示意图，具体的如图5所示，所述装置还可以包括：

第二判断处理模块105，可以用于当判断结果为否时，以下放管柱最小钻井摩阻为目标设计最佳造斜率，设计目标井的水平井造斜段的造斜率的取值范围设置为：3～5°/30m。

本申请上述实施例所述的装置，采用基于目标井的水平井长度来确定造斜率的趋势取值，然后具体的可以确定目标井的预设摩阻系数，并在不同的现场施工条件下采用相应的造斜率取值方式获取造斜率取值。因此，用此法设计的计算得到造斜率可以确保管柱上提或下放时的综合摩阻处于较小的状态，提高水平井段钻井效率。

本申请所述一种水平井造斜段造斜率优化取值装置的另一种实施例中，所述摩阻系数计算模块101采用下述方式确定预设摩阻系数：

当优化设计的水平井所在的工区100km范围内有水平井资料时，根据资料记录的摩阻反算出区域摩阻系数，取不同井段区域摩阻系数的平均值作为预设摩阻系数；

当所述100km范围内无水平井资料时，则预设摩阻系数在0.25至0.4之间取值。

本申请所述一种水平井造斜段造斜率优化取值装置的另一种实施例中，所述判断模块103中设定的造斜率趋势分界值包括：

以1200米为所述造斜率趋势分界值的取值。

图6是本申请本申请所述一种水平井造斜段造斜率优化取值装置另一种实施例的模块结构示意图，具体的如图6所示，所述装置还可以包括：

靶前距计算模块106，可以用于根据确定出的所述造斜率采用下述公式计算井眼的靶前距D：

D＝1719.745/θ

上述中，θ为确定出的当前水平井造斜段造斜率，D为所述造斜率取值为θ时靶点距离造斜点的靶前距，单位为米。

考虑到钻井工具在的造斜率及预测地层的不确定性因素，通常需要把均匀造斜的管柱设计成五段制或七段制的轨迹剖面，完成井眼轨迹的精细设计。

本申请上述实施例所述的水平井造斜段造斜率优化取值方法或者装置，采用基于目标井的水平井长度来确定造斜率的趋势取值，然后具体的可以确定目标井的预设摩阻系数，并在不同的现场施工条件下采用相应的造斜率取值方式获取造斜率取值。因此，用此法设计的计算得到造斜率可以确保管柱上提或下放时的综合摩阻处于较小的状态，提高水平井段钻井效率。

虽然本申请提供了如实施例或流程图所述的方法操作步骤，但基于常规或者无创造性的手段可以包括更多或者更少的操作步骤。实施例中列举的步骤顺序仅仅为众多步骤执行顺序中的一种方式，不代表唯一的执行顺序。在实际中的装置或客户端产品执行时，可以按照实施例或者附图所示的方法顺序执行或者并行执行(例如并行处理器或者多线程处理的环境)。

尽管本发明人内容中提到造斜率推导方式的描述、给出了一些优选实施例的参数选择范围(如3～5°/30m、工区100km范围内、摩阻系数在0.25至0.4之间取值、以1200米为所述造斜率趋势分界值的取值)、摩阻系数计算等之类的数据取值定义、参数计算、数据交互描述，但是，本申请并不局限于必须是完全符合上述推导全过程、摩阻系数的计算方式、某些行业标准、常规计算方式等的实施方式。使用自定义方式或实施例描述的实施基础上略加修改后的实施方案也可以实现上述实施例相同、等同或相近、或变形后可预料的实施效果。应用这些修改或变形后的数据参数计定义、计算、取值等获取的实施例，仍然属于本申请的可选实施方案范围之内。

上述实施例阐明的装置或模块，具体可以由计算机芯片或实体实现，或者由具有某种功能的产品来实现。为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种模块分别描述。当然，在实施本申请时可以把各模块的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现，也可以将实现同一功能的模块由多个子模块或子单元的组合实现。

本领域技术人员也知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现控制器以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得控制器以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器和嵌入微控制器等的形式来实现相同功能。因此这种控制器可以被认为是一种硬件部件，而对其内部包括的用于实现各种功能的装置也可以视为硬件部件内的结构。或者甚至，可以将用于实现各种功能的装置视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。

本申请可以在由计算机执行的计算机可执行指令的一般上下文中描述，例如程序模块。一般地，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构、类等等。也可以在分布式计算环境中实践本申请，在这些分布式计算环境中，由通过通信网络而被连接的远程处理设备来执行任务。在分布式计算环境中，程序模块可以位于包括存储设备在内的本地和远程计算机存储介质中。

通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本申请可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，移动终端，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

本说明书中的各个实施例采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。本申请可用于众多通用或专用的计算机系统环境或配置中。例如：个人计算机、服务器计算机、手持设备或便携式设备、平板型设备、多处理器系统、基于微处理器的系统、置顶盒、可编程的电子设备、网络PC、小型计算机、大型计算机、包括以上任何系统或设备的分布式计算环境等等。

虽然通过实施例描绘了本申请，本领域普通技术人员知道，本申请有许多变形和变化而不脱离本申请的精神，希望所附的权利要求包括这些变形和变化而不脱离本申请的精神。