一种井眼轨道控制方法及其系统 【技术领域】
本发明涉及一种轨道控制方法及其系统， 尤其是涉及一种井眼轨道控制方法及其系统。 背景技术 旋转导向钻井技术是钻井技术发展的趋势， 代表了当今定向钻井技术的先进水 平。 旋转导向钻井是在钻柱连续旋转的情况下进行井眼轨道控制的， 具有以下技术优势 ： 井 眼光滑， 钻柱摩阻小， 可提高井身质量和增加位移延伸能力 ； 井眼清洁， 减小井下复杂情况 ； 一套钻具实现多种井眼轨道控制功能， 提高钻井作业效率。 因此， 旋转导向钻井技术广泛应 用于大位移井、 复杂结构水平井和地质导向钻井。
旋转导向钻井系统由地面监控系统、 双向通讯系统、 井下测量控制系统三大部分 组成。 地面监控系统监视井下导向工具工作状况， 实时跟踪井眼轨迹， 分析实钻井眼轨迹与 设计轨道的偏离程度， 调整待钻井眼轨道， 产生新的井眼轨道控制指令 ； 井下测量控制系统 实现井下随钻参数测量 ( 工具姿态参数和 MWD/LWD 等测量数据 )、 信息通讯、 导向工具控制 等功能 ； 双向通讯系统将井下测量信息上传到地面， 由通讯电缆或数据传输线直接传到监 控计算机， 地面监控系统进行井眼轨迹跟踪分析， 然后下传控制指令到井下控制机构， 实现 对井眼轨迹的实时监控。
由于实钻井眼轨迹和设计井眼轨道会存在偏差， 地质目标也可能发生变化， 因此， 实钻过程中会进行井眼轨道调整设计。当偏差超出允许范围或调整井眼轨道设计后， 都须 下传信息 ( 指令和数据 ) 来控制旋转导向机构的执行。由于各种噪声的干扰， 信息传输容 易出现传输和解码错误。为了保证下传信息被正确地接收和解码， 通常将井下接收和解码 的信息再回传到地面接收单元。当回传信息和下传信息一致时， 才能确定井下已正确地接 收和解码下传信息 ； 当回传信息和下传信息不一致时， 须重新下传信息。目前， 旋转导向钻 井系统的信息传输速率还很低， 因此， 频繁地下传， 将严重影响旋转导向钻井系统的作业效 率。下传信息少又影响井眼轨道控制效果。
发明内容 本发明主要是解决现有技术所存在的技术问题 ； 提供了一种在导向工具中预存井 眼轨道设计参数和测量控制点数据， 当钻达测量控制点时， 向井下导向工具发送简单而易 于识别的信号， 井下进行参数测量、 跟踪分析计算以及直接生成导向工具控制指令和控制 参数， 减少下传信息量， 提高系统可靠性， 更好地满足井下智能导向控制的要求， 提高旋转 导向钻井系统作业效率的一种井眼轨道控制方法及其系统。
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的 ：
一种井眼轨道控制方法， 其特征在于， 包括以下步骤 ：
步骤 1， 导向工具下钻准备步骤 ： 即按设计导向钻具组合和钻柱结构进行钻具准 备工作， 现场丈量入井钻具， 按入井顺序对钻具进行编号和记录钻具参数 ；
步骤 2， 设置导向初始工作参数， 并对导向钻井系统进行测试， 检验系统工作是否 正常， 测试导向系统正常后组合钻具开始下钻 ；
步骤 3， 钻具下钻到底后， 按步骤 2 中设置的初始工作参数进行旋转导向钻进工 作； 工作同时， 对井眼轨道进行监控， 并根据监控的数据实时调整轨道设计 ；
步骤 4， 结束导向钻井作业， 起出导向工具。
本发明创造性的提出一种新的井眼轨道监控方法， 下钻前在导向工具存储器中和 地面监控计算机中预存井眼轨道设计目标参数、 模型编号、 轨道节点参数、 起始深度和测量 控制点深度， 监控目标及偏差等。 当地面监测钻达测量控制点深度时， 向井下发送易于识别 的作业指令， 井下按规则读取指令所指示的深度数据， 根据读取的深度数据、 采用的设计模 型和轨道节点参数， 自动计算对应井深的轨道设计数据， 并测量实钻井眼轨迹参数和上传 井下测量参数， 井下和地面同时进行轨道监控分析。 如果偏差小于控制目标， 则直接根据井 下预存深度数据生成控制指令， 控制旋转导向工具执行机构的动作， 地面监控系统对导向 工具进行必要的监视。如果偏差大于控制目标， 可按设计约束条件由井下直接进行轨道调 整设计， 并修改预存的轨道节点参数 ； 也可由地面监控系统进行轨道调整设计， 下传轨道设 计关键参数并存储。只有当地质目标发生变化时， 才必须下传目标数据或轨道调整设计关 键参数。 在上述的一种井眼轨道控制方法， 所述步骤 2 中， 设置导向初始工作参数的具体 步骤如下 ：
步骤 2.1， 设置井眼轨道设计数据 ： 在导向工具中存储井眼轨道设计模型及设计 轨道节点数据， 包括井深、 井斜角和方位角 ；
步骤 2.2， 设置测量控制点 ： 在地面监控系统和导向工具中， 同时按井深顺序存储 测量控制点深度数据 ；
步骤 2.3， 设置其它导向参数 ： 设置导向工具初始控制参数、 导向工具和 MWD/LWD 测量点位置、 测斜数据计算方法、 允许轨道控制偏差和调整井眼曲率。
在上述的一种井眼轨道控制方法， 所述步骤 3 中， 对井眼进行轨道监控的具体步 骤如下 ：
步骤 3.1， 当地面系统监测到钻达测量控制点深度时， 向井下发送测量控制指令， 井下进行井身参数测量 ；
步骤 3.2， 将井下测量结果参数上传到地面系统， 井下和地面同时根据已知深度数 据对实钻井眼轨迹进行跟踪和偏差分析 ；
步骤 3.3， 根据偏差分析结果和设计轨道节点数据计算导向工具控制参数 ；
步骤 3.4， 导向工具按计算出的控制参数进行导向钻进， 同时上传导向工具工作姿 态到地面监控系统 ；
步骤 3.5， 在导向系统正常工作情况下， 继续导向钻进到下一测量控制点时， 返回 步骤 3.1 ；
步骤 3.6， 若导向系统未按预期姿态动作， 则进行系统综合分析与决策， 决定下步 作业。
在上述的一种井眼轨道控制方法， 所述的步骤 3 中， 根据监控的数据实时调整轨 道设计的具体操作步骤如下 ：
步骤 4.1， 当偏差超出允许范围时， 井下自动按调整设计限定条件进行井眼轨道调 整设计， 并将设计主要参数上传到地面系统加以确定 ：
步骤 4.11， 选取调整点位置。在原设计轨道最近距离点前方选取一点， 间距为 ΔL ；
步骤 4.12， 计算调整点参数。根据间距为 ΔL 计算调整点井斜、 方位和坐标 ；
步骤 4.13， 进行轨道调整设计 ： 以精确调整到原设计轨道为例， 按斜平面法模型 进行轨道调整设计 ；
根据允许导向工具造斜能力 K， 选取 K1 ≤ K， 则 K2 ＝ f(K1) ；
如果 K2 ≤ K， 转步骤 4.14 ； 否则， 调整 ΔL 长度， 转步骤 4.12 ；
步骤 4.14， 上传调整设计参数 ： 上传轨道调整设计结果数据 ΔL、 K1、 K2 ；
步骤 4.15， 保存设计结果数据 ： 井下接收到地面系统确定信息后， 保存调整设计 结果。
步骤 4.2， 当地质目标发生变化时， 采用以下两种调整设计方式 ：
步骤 4.21， 地面进行轨道调整设计， 并下传设计结果参数 ；
步骤 4.22， 地面下传新的目标数据， 井下进行调整设计， 回传设计结果加以确认 ；
步骤 4.3， 按井眼轨道调整设计进行监控， 并返回执行井眼轨道监控工作。
在上述的一种井眼轨道控制方法， 所述的步骤 3.1 中， 向井下发送测量控制指令 选择执行以下选择步骤 A 或选择步骤 B ：
选择步骤 A ： 单指针作业指令 ： 地面和井下按测量控制点深度顺序存储井深数据， 地面监控到钻达各测量控制点井深时， 向井下发送井深到达信号， 井下接收到指令后， 按规 定程序进行测斜作业， 记录测斜参数和对应的测深数据， 进行轨道监控分析和导向控制作 业。
选择步骤 B ： 双指针作业指令 ： 指令 1， 测量控制基点指针， 为必发指令 ； 指令 2， 测 量控制加密点指针， 它以指令 1 当前指示的基点为起点的， 为可选指令。地面和井下按测量 控制点深度顺序存储井深数据， 并对基点进行标志。当地面监控到钻达测量控制基点井深 时， 向井下发送指令 1 ； 当地面监控到钻达测量控制加密点井深时， 视井眼轨道控制需要确 定是否向井下发送指令 2。井下接收到指令后， 按规定程序进行测斜作业， 记录测斜参数和 指令所指示的对应测深数据， 进行轨道监控分析和导向控制作业。
在上述的一种井眼轨道控制方法， 步骤 3.2 的具体操作方法如下 ：
步骤 3.21， 计算井底井斜和方位。根据旋转导向工具和 MWD/LWD 两测点的井身参 数、 旋转导向工具测量点离井底距离和导向工具工作参数计算井底井斜角和方位角 ；
步骤 3.22， 测斜数据计算 ： 按设置测斜数据计算方法对包括步骤 3.21 中计算出的 井斜参数在内的测斜数据进行实钻井眼轨迹计算 ；
步骤 3.23， 轨迹偏差分析 ： 按设置扫描方法对设计轨道进行扫描分析， 求出设计 轨道上的最小距离点， 计算实际轨迹与设计轨道的偏差距离、 坐标偏差、 井斜和方位偏差、 矢量偏差以及井眼曲率偏差数据。
一种使用井眼轨道控制方法的系统， 其特征在于， 包括 ：
一地面监控系统 ： 用于实时收集井下测量数据并根据测量数据发出控制指令控制 导向工具工作 ；一信息上传通讯模块 ： 用于实时传输导向工具和 MWD/LWD 测量数据给地面监控系统； 一信息下传通讯模块 ： 用于实时传输地面监控系统发出的控制指令给导向工具 ；
一 MWD/LWD 随钻测量仪 ： 用于实时监控测量井下数据并将该数据通过信息上传通 讯模块传输给地面监控系统 ；
一旋转导向工具 ： 用于导向钻进井眼轨道。
因此， 本发明具有如下优点 ： 在导向工具中预存井眼轨道设计参数和测量控制点 数据， 当钻达测量控制点时， 向井下导向工具发送简单而易于识别的信号， 井下进行参数测 量、 跟踪分析计算以及直接生成导向工具控制指令和控制参数， 减少下传信息量， 提高系统 可靠性， 更好地满足井下智能导向控制的要求， 提高旋转导向钻井系统的作业效率。
附图说明
图 1 为本发明的结构原理示意图。
图 2 为本发明的工作流程示意图。
图 3 为设计井眼轨道及测量控制点示意图。 具体实施方式 下面通过实施例， 并结合附图， 对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例 ：
在给定钻井地质目标情况下， 根据旋转导向工具造斜能力和钻井工艺要求等进行 井眼轨道设计 ； 结合下部钻具组合 BHA 和钻井参数对 BHA 进行力学分析， 确定理想条件下旋 转导向工具控制参数 ( 推力或弯角、 工具面 ) 和钻头侧向力或造斜率的关系， 将分析结果或 经验值作为旋转导向工具控制参数的初始值 ； 当导向工具钻进一定进尺后， 再用实钻结果 对旋转导向工具控制参数进行调整， 达到自动控制井眼轨道的目的。
以一口三维水平井进行旋转导向控制为例， 该井设计目标数据 ： 起始点垂深 1046.97m、 北坐标 -134.15m、 东坐标 2656.86m， 终止点垂深 1045.00m、 北坐标 -877.16m、 东 坐标 2786.80m， 水平段长 754.29m， 井斜角 90.15°， 方位角 170.08°。
采 用 斜 平 面 圆 弧 设 计 方 法， 造 斜 点 深 KOP ＝ 140.00m， 井眼曲率分别为 ： K1 ＝ 3° /30m， K2 ＝ 5° /30m， 设计分段数据见表 1。
表 1 三维水平井设计分段数据
本实施例中， 旋转导向钻井系统作业步骤如下 ：( 一 ) 导向工具下钻准备
按设计导向钻具组合和钻柱结构进行钻具准备工作。现场丈量入井钻具， 按入井 顺序对钻具进行编号和记录钻具参数。
( 二 ) 设置导向基础数据
1. 设置井眼轨道设计数据。 在导向工具中存储井眼轨道设计模型及设计轨道节点 数据 ( 井深、 井斜角和方位角 )。
2. 设置测量控制点。在地面监控系统和导向工具中， 同时按井深顺序存储测量控 制点深度数据。
根据表 1 设计分段数据， 一种测量控制点深度设置方案如图 3 所示。第一圆弧段 为二维井眼轨道， 可设置轨道分段节点和钻完单根井深点为测量控制点 ； 第二圆弧段为三 维井眼轨道， 设置轨道分段节点和钻完单根井深为大的测量控制点， 单根间补充一两点为 小间距的测量控制点 ； 对稳斜井段， 可以钻完立柱井深为大的测量控制点， 中间以单根间距 为小的测量控制点。
3. 设置其它导向参数。设置导向工具初始控制参数、 导向工具和 MWD/LWD 测量点 位置、 测斜数据计算方法、 允许轨道控制偏差和调整井眼曲率等。 ( 三 ) 系统测试和下钻
在导向工具下钻前， 对导向钻井系统进行测试， 检验系统工作是否正常。 测试导向 系统正常后方可组合钻具下钻。
( 四 ) 开始导向钻进
钻具下钻到底后， 按设置的初始工作参数进行旋转导向钻进工作。
( 五 ) 井眼轨道监控
1. 当地面系统监测到钻达测量控制点深度时， 向井下发送测量控制指令， 井下进 行井身参数测量。
测量控制点的确定以满足轨道控制工程要求为原则， 通常包括井眼轨道设计节点 和钻完单根深度为测量控制点。以钻完单根为测量控制点时， 每当暂停循环接单根时进行 测斜， 以测得的静态井斜参数作为实钻轨迹跟踪和偏差分析计算的依据。这样能消除井下 振动对测量结果的影响， 既可获得准确的测量数据， 又节省静态测量时间， 还可满足工程上 对井眼轨道控制的要求。
以双指针作业指令为例， 在井斜方位变化井段， 以轨道设计节点和钻完单根为测 量控制基点 ； 为了实施更精细的井眼轨道控制策略， 在设计井斜和方位变化大的井段， 单根 之间可增加一两个测量控制加密点。 对于长的稳斜段， 以立柱为大的测量控制基点， 立柱内 单根为小的测量控制加密点， 根据实际控制需要， 发送指令进行井眼轨道监控， 这样可减少 下传指令。
2. 将井下测量结果参数上传到地面系统， 井下和地面同时根据已知深度数据对实 钻井眼轨迹进行跟踪和偏差分析。
(1) 计算井底井斜和方位。 根据旋转导向工具和 MWD/LWD 两测点的井身参数、 旋转 导向工具测量点离井底距离和导向工具工作参数等计算井底井斜角和方位角 ；
(2) 测斜数据计算。按设置测斜数据计算方法对包括 (1) 中计算出的井斜参数在 内的测斜数据进行实钻井眼轨迹计算。
(3) 轨迹偏差分析。 按设置扫描方法对设计轨道进行扫描分析， 求出设计轨道上的 最小距离点， 计算实际轨迹与设计轨道的偏差距离、 坐标偏差、 井斜和方位偏差、 矢量偏差 以及井眼曲率偏差等数据。
3. 根据偏差分析结果和设计轨道节点数据计算导向工具控制参数。
4. 导向工具按计算出的控制参数进行导向钻进， 同时上传导向工具工作姿态到地 面监控系统。
5. 在导向系统正常工作情况下， 继续导向钻进到下一测量控制点时， 回步骤 1。
6. 若导向系统未按预期姿态动作， 则进行系统综合分析与决策， 决定下步作业。
( 六 ) 轨道调整设计
1. 当偏差超出允许范围时， 井下自动按调整设计限定条件进行井眼轨道调整设 计， 并将设计主要参数上传到地面系统加以确定。
(1) 选取调整点位置。在原设计轨道最近距离点前方选取一点， 间距为 ΔL。
(2) 计算调整点参数。根据间距为 ΔL 计算调整点井斜、 方位和坐标。
(3) 进行轨道调整设计。 以精确调整到原设计轨道为例， 按斜平面法模型进行轨道 调整设计。 根据允许导向工具造斜能力 K， 选取 K1 ≤ K， 则 K2 ＝ f(K1)。
如果 K2 ≤ K， 转步骤 (4) ； 否则， 调整 ΔL 长度， 转步骤 (2)。
(4) 上传调整设计参数。上传轨道调整设计结果数据 ΔL、 K1、 K2。
(5) 保存设计结果数据。井下接收到地面系统确定信息后， 保存调整设计结果。
2. 当地质目标发生变化时， 可采用以下两种调整设计方式。
(1) 地面进行轨道调整设计， 并下传设计结果参数。
(2) 地面下传新的目标数据， 井下进行调整设计， 回传设计结果加以确认。
3. 按井眼轨道调整设计进行监控， 转步骤 ( 五 )1。
( 七 ) 结束导向钻井作业
当钻达预期目标或需起钻更换钻头等情况时， 则结束导向钻进， 进行钻井液循环 和起钻等后续作业。
本实施例中， 使用的井眼轨道控制方法的系统， 包括 ：
一地面监控系统 ： 用于实时收集井下测量数据并根据测量数据发出控制指令控制 导向工具工作 ；
一信息上传通讯模块 ： 用于实时传输导向工具和 MWD/LWD 测量数据给地面监控系 统；
一信息下传通讯模块 ： 用于实时传输地面监控系统发出的控制指令给导向工具 ；
一 MWD/LWD 随钻测量仪 ： 用于实时监控测量井下数据并将该数据通过信息上传通 讯模块传输给地面监控系统 ；
一旋转导向工具 ： 用于导向钻进井眼轨道。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。 本发明所属技术领 域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替 代， 但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。