井眼轨迹

2024-08-02

井眼轨迹（共7篇）

井眼轨迹篇1

1 井眼轨迹连续控制技术原理及钻具组合

随着油田的大规模开发, 各种在钻井的技术要求就更高, 涉及到的技术领域也就更加宽泛。特别是各种的定向井以及一些水平井的质量要求特别高。这些井的数目在钻井总数中的比例越来越大, 其施工难度也随之加大。为解决这一难题, 提高钻井的质量和水平井身的技术要求, 研究出了适合油田地层特点的一般水平井、丛式井井眼轨迹连续控制钻井技术, 使其适合大、中曲率半径的倾斜度大的井和水平井。根据需要调整井眼的轨迹, 保证钻井的质量, 并且提高钻井的速度, 在相同的时间内取得更大的经济效益。

1.1 井眼轨迹连续控制技术原理

在钻深井时, 下部的钻具组合机构中, 单弯螺杆自身的弯曲角度使钻头相对螺杆发生一定角度的倾斜, 钻头在偏心距的作用下不断切削井眼一侧的井壁, 这样就使得井壁发生了倾斜, 最终达到了钻井轨迹造斜的目的。

在钻垂直的井时, 这需要有旋转盘带动导向钻具进行旋转, 在旋转力矩的作用下, 使得工具面连续发生改变, 就使钻头完全失去了井壁造斜的能力, 完成直井阶段的钻进。在设计具有一定的倾斜角的井深时, 停止转盘的转动, 滑动定向轨迹来进行深钻造斜。当钻斜的井的轨迹达到预定的技术和质量要求时, 这时候就可以重新启动转盘恢复旋转钻具继续完成造斜钻井。

1.2 钻具的组合

钻具的组合系统在井底发挥着重要的作用。钻井的导向系统是井下钻井系统的核心环节, 对它具有严格的要求:

(1) 尽量保持井的直径的扩大率要小, 或者保持不变, 为以后的井眼完善的其他工作准备好条件, 不至于至于后期的工作;

(2) 使得井眼的平滑度要高, 确保后续工作的顺利进行;

(3) 要求在不更换钻井组合设备的情况下, 完成钻直井和有一定倾斜角的井的双重工作:

(4) 在同样条件下, 能够实现滑动定向钻井与转盘旋转钻井的两种钻井方式组合钻井;

(5) 钻具必须有一定的使用寿命:

(6) 使用范围要尽可能的广, 能够使用到不同规格的钻井要求。

除了满足了以上的控制要求以外, 井眼轨迹连续控制钻井技术在钻定向井以及水平方向的井时, 还对井身有着严格的要求。着需要对导向钻井过程中的力学综合分析, 从中找出其造、降斜能力及稳斜效果, 最后才能达到预期的钻井技术要求效果。

井眼轨迹连续控制钻井技术常用的钻具组合大致可以分为:

(1) Ø241 mm钻头+Ø197 mm (0.75°) 单弯螺杆 (下带Ø238 mm扶正器) +Ø236 mm扶正器+Ø178mm可调定位接头+Ø178 mm无磁钻铤×1根+Ø178mm钻铤×2根+Ø127 mm加重钻杆5柱+Ø127 mm钻杆。

(2) Ø215 m m钻头+Ø165 m m (0.75°) 单弯螺杆 (下带Ø210 mm扶正器) +Ø210 mm扶正器+Ø165 mm可调定位接头+Ø159 mm无磁钻铤×1根+Ø159mm钻铤×2根+Ø127 mm加重钻杆×5柱+Ø127 mm钻杆。

这类组合是十分常见的普通的造斜的钻具组合, 需要注意的是单弯螺杆的度数需要根据地层的造斜率来准确地选择, 通常是设计的百分之一百一到一百二。螺杆的辅助设备也尤其重要, 它在钻井时能够使转盘在转动时起到一定的稳斜的效果, 确保钻头能够沿着直钻进, 不至于使井眼的轨迹发生歪斜或者损坏钻头。

2 钻井过程中的应用

2.1 在相对较浅的钻井中的应用

有些地区中的油层在地下的储藏的厚度、宽度、深浅度在跨度上差别相当大, 这就增大了开采前的钻井难度。根据以往的钻井经验可以得出在钻井过程中存在以下的技术难点需要攻克。

(1) 轨道的设计与控制的难度系数高。设计该水平轨道需要有三阶的落差, 这就增大了井眼轨迹的控制难度。

(2) 在具有一定倾斜度的井眼中, 这些地段的岩石类型的种类繁多, 而且地质又不稳定, 井的直径又不固定, 施工时的倾斜率很难得到控制。

(3) 钻井入靶时的角度大, 油层表面的胶结显得十分松软, 使得造斜率很难得到保证。

(4) 井眼的控制精度要求高, 但是井下的种种因素导致这一精度很难得到预期的保障。

但是这些难点在此系统化的连续井眼控制中得到了相应的解决和有效控制。

在深水井中的应用, 深水中的油层一般都是在井深达到了5000米以上, 这样的深度当然是一次性钻井无法完成的, 但是井眼轨迹连续控制钻井技术, 在钻此类的深井时运用钻具的组合, 预先调整好井的斜度以及方位, 使得定向钻井在一次性就成功, 保证了较高的机械钻井的速度。这类技术在深水井钻井中取得了一定的效果。

3 结论

(1) 井眼轨迹连续控制钻井技术的研究与应用在钻井的实践操作中取得了重大的成果, 着对于钻井在技术上的突破有着重要的战略性意义。为油田开采节约了不少的成本, 为井眼轨迹连续控制钻井技术研究与应用奠定了一定的理论和实践基础。井眼轨迹连续控制钻井技术研究与应用主要在以下几方面取得了重大的突破。

(2) 井眼轨迹连续控制钻井技术在一定程度上减少了井下钻头的更换次数, 节省了许多人力的劳动强度, 提高了生产的效率, 确保了工程的高质量, 为钻井节约了不少的可控成本。

(3) 井眼轨迹连续控制钻井技术极大地减少了井下作业的次数, 简化了钻井设备的组合, 在一定程度上确保了井下作业的安全系数。

(4) 井眼轨迹连续控制钻井技术可以在钻井的工程中对井眼的轨迹进行实时的调整, 这样就提高了井眼的控制精度以及轨迹的控制能力。

(5) 为以后在井眼轨迹连续控制钻井技术的研究上奠定了基础, 使得日后在钻井技术上再次取得重大的突破。使得油田的井眼轨迹连续控制钻井技术更上一层楼。

参考文献

[1]李慧, 黄本生, 刘清友.微小井眼钻井技术及应用前景, 2008.9

[2]崔龙连, 汪海阁, 葛云华等.新型径向钻井技术.石油钻采工艺, 2008.5

[3]娄铁强, 杨立军.乌兹别克斯坦巨厚盐层水平井钻井技术, 2008.8

井眼轨迹篇2

1 工作原理

高造斜率井眼轨迹控制工具其基本工作原理如图1 所示,主轴前端装有上支撑轴承,下端装有调心轴承,中间装有偏心机构,偏心机构旋转,从而主轴发生不同程度的弯曲,使主轴轴线偏离原来的方向,让钻头发生偏转,达到造斜的目的[5]。其机械动力偏置装置主要由电磁离合器、减速装置和偏心机构组成偏心机构由两个偏心环组成,主轴动力通过联轴器传给电磁离合器,当电磁离合器通电后,与减速装置啮合,动力经减速后传到偏心机构,从而实现内外偏心环的转动[6],其结构如图2 所示。

2 主轴力学行为分析

2. 1 主轴动力学模型

如图1 所示,通过调节内外偏心环使主轴发生弯曲,从而使钻头达到指定的偏转角和方位角。通过偏心机构的运动分析可知,偏心机构对主轴的作用可等效为已知的动位移载荷作用在主轴上。通过对模型的简化,结果如图3 所示。其中Tbit为钻头所受的扭矩,p为偏心机构对主轴的动位移载荷,W为钻压。

2. 2 动力学有限元基本理论

式( 1) 中M为质量矩阵,C为阻尼矩阵,K为整体刚度矩阵,R为载荷向量,为加速度向量,为速度向量,d为位移向量。

2. 3 边界条件

2. 3. 1 位移边界条件

以偏心环所在截面处的井眼中心为坐标原点,建立如图4 所示坐标系。设以外偏心环厚边为始端、井眼中心O点为末端形成的位移矢量为e1。以内偏心环厚边为始端、外偏心环内孔中心点为末端形成的位移矢量为e2,内外偏心环合成位移矢量为e。当e1与x轴负向一致、e2与x轴正向一致时,主轴轴线与工具外壳同轴,此时工具为无偏置状态,取此时的内外环状态为初始状态。设内外环顺时针旋转,e1、e2、e与x轴正向夹角分别为 α1,α2,θ ( 顺时针方向为正) ,则内外偏心环合矢量为

即

从而:

2. 3. 2 载荷边界条件

考虑钻头类型影响,运用文献[7]的模型分析钻压和扭矩对主轴的影响。钻压W随时间的变化t可以表示为

式( 5) 中W1为钻压的稳态幅值,k N; W0为钻压的波动幅值,k N; ωb为钻压的波动频率,Hz; t为时间,s。

式( 6) 中 Ω 为主轴转速,χ 是与钻头类型有关的系数( 三牙轮钻头: χ = 3,其他钻头: χ = 1 或2) 。

钻头所受的扭矩Tbit可以表示为

式( 7) 中Dbit为钻头直径,m; μ( vs) 为钻柱与井壁的摩擦系数[7]。

2. 4 有限元模型的建立及载荷施加

笔者采用显示积分算法,将高造斜率井眼轨迹控制工具主轴简化为梁单元模型,主轴上支撑轴承处约束其X、Y方向的移动自由度和X、Y方向的转动自由度,偏心环处施加已知动位移载荷,主轴下支撑轴承处约束其X、Y方向的移动自由度,钻头处约束其X、Y、Z方向的移动自由度和Z方向的转动自由度,施加钻压、扭矩和主轴涡动速度,模型如图5所示。

2. 5 具体计算参数

主轴外径70 mm; 主轴内径40 mm; 弹性模量2. 06 × 109Pa; 泊松比0. 3; PDC钻头直径为  215. 9mm; 钻柱与井壁的摩擦系数为0. 3,内外偏心环偏心距3 mm,减速装置减速比为200∶ 1,偏心环距上支撑轴承距离1 795 mm,偏心环距下支撑轴承距离590 mm,钻头距下支撑轴承距离478 mm。

模拟主轴转速100 r/min; 钻压稳态幅值30 k N,波动幅值5 k N。首先模拟稳斜工况10 s,然后调整时间偏心环合位移偏转角由初始状态调整到30°,偏移量调整到6 mm时主轴的力学行为。图6 为偏心环动位移载荷曲线,在0 ~ 10 s内为稳斜工况,故偏心环合位移为0; 在10 ~ 80 s内为调整工况,由于内外偏心环需同时先转动30°,然后外偏心环转动180°才能到达所设定的工位,故在10 ~ 20 s内,偏心环合位移仍为0,然后随着外偏心环的转动,偏心环合位移逐渐增加,到达80 s时,合位移达到最大6mm,即为设定工位; 在80 ~ 90 s内为造斜工况,工具以一定的造斜率开始造斜。图7 为偏心环作用力、下支撑轴承作用力及钻头侧向力在整个模拟工况内随时间的变化规律。

从图7 中可以看出,在0 ~ 20 s偏心环作用力、下支撑轴承作用力及钻头侧向力均为0,因为在该时段偏心环合位移为0,主轴未偏转; 在20 ~ 80 s之间,偏心环作用力、下支撑轴承作用力及钻头侧向力随着时间的增加而增大,在80 s达到最大值,与偏心环合位移变化规律一致,符合力学规律。在80 ~90 s之间,偏心环作用力、下支撑轴承作用力及钻头侧向力基本保持不变,此时偏心环已处于稳定状态,钻压及扭矩波动对三者的影响较小。

为验证动力学模型的正确性,现提取偏心环稳定后t = 85 s时刻,主轴在X、Y方向变形曲线如图8所示。

从图中可以看出在长度为1 795 mm时,主轴在X、Y方向变形达到最大; 在近钻头处,存在二次弯角,与文献[8]中的静力学分析相比更符合实际工况,计算结果更为准确。为验证动力学模型的正确性,现提取下支撑轴承150 mm处主轴在X、Y方向的位移值,用于与实验作对比,验证模型的准确性,其X、Y值分别为- 0. 396 09 mm和- 0. 228 78 mm。

3 实验验证

高造斜率井眼轨迹控制工具实验台架主要由加速系统、加载系统、控制系统以及测试系统四大部分组成,其主要用于模拟高造斜率井眼轨迹控制工具在井下的造斜、调整及稳斜过程,并测试该过程中高造斜率井眼轨迹控制工具主轴的几何参数和力学参数。通过开展室内模拟实验,进一步验证高造斜率井眼轨迹控制工具主轴动力学分析的可靠性。

偏心环合位移偏转角检测原理如图9 所示。

采用四个位移传感器,分别位于F、F'、H、H'处,测量主轴E处变形后的点E'的横坐标x1,x2、纵坐标y1,y2,E点距下支撑轴承距离为150 mm。从而主轴中心偏移后的坐标( x0,y0) ,其中

从而计算得出偏心环合位移偏转角 θ,其中

通过实验测得偏心环合位移为6 mm,偏转角度为30°,待偏心环稳定2 min后测得x1= - 0. 42mm,x2= - 0. 40 mm、纵坐标y1= - 0. 24 mm,y2=- 0. 27 mm。

从而

如前所述,仿真结果为

由此计算出仿真得出的偏心环合位移偏转角θ'。

通过上述分析可知,实验测得的数据与仿真结果非常接近,因此建立的动力学模型合理且可靠。

4 主轴力学行为影响因素分析

4. 1 转速对主轴力学行为的影响

现模拟主轴转速分别为50 r/min、80 r/min、100r / min; 平均钻压为30 k N,波动幅值为5 k N,偏转角为30°,合位移为6 mm时主轴的力学行为。主轴转速对偏心环作用力、下支撑轴承作用力和钻头侧向力的影响如图10 所示。

从图10 中可以看出,在相同偏移量及偏心角度条件下,主轴转速对偏心环作用力、下支撑轴承作用力、和钻头侧向力的影响较小,其主要原因是由于减速机构的减速比较高,主轴涡动速度较小,从而主轴转速对主轴的力学行为影响较小。

4. 2 偏移量对主轴力学行为的影响

现模拟主轴转速为100 r/min; 钻压稳态幅值为30 k N,波动幅值为5 k N,偏转角为30°,偏移量分别为1 mm、2 mm、3 mm、4 mm、5 mm和6 mm时主轴的力学行为。偏移量对偏心环作用力、下支撑轴承作用力、和钻头侧向力的影响如图11 所示。

从图11 中可以看出,在相同主轴转速及偏心角度下,随着偏移量的增加,偏心环作用力、下支撑轴承作用力和钻头侧向力逐渐增加。

4. 3 钻压对主轴力学行为的影响

现模拟主轴转速为100 r/min,偏移量为6 mm,偏转角为30°,钻压稳态幅值分别为10 k N 、20 k N、30 k N、40 k N和50 k N时主轴的力学行为。钻压对偏心环作用力、下支撑轴承作用力和钻头侧向力的影响如图12 所示。

从图12 中可以看出,在相同主轴转速、偏心角度和偏移量条件下,钻压对偏心环作用力、下支撑轴承作用力和钻头侧向力的影响较小。

5 结论

( 1) 综合考虑井下复杂工况,建立了高造斜率井眼轨迹控制工具主轴的动力学模型,并通过实验验证了模型的正确性。

( 2) 分析了转速、偏移量及钻压对主轴力学行为的影响,得出转速和钻压对主轴力学行为的影响较小; 随着偏移量的增加,偏心环作用力、下支撑轴承作用力、钻头侧向力逐渐增加。

( 3) 通过高造斜率井眼轨迹控制工具主轴的动力学分析,得出了偏心环及下支撑轴承载荷变化规律,为偏心环及下支撑轴承的设计提供了理论依据。

( 4) 采用数值仿真技术预测导向钻进过程中主轴力学行为,为优化高造斜率井眼轨迹控制工具结构、优选钻井参数、精确预测井眼轨迹提供理论依据。

参考文献

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[2]熊继有,温杰文,荣继光,等.旋转导向钻井技术研究新进展.天然气工业,2010;30(4):87-90Xiong Jiyou,Wen Jiewen,Rong Jiguang,et al.New progress in the research of rotary steerable drilling technology.Natural Gas Industry,2010;30(4):87-90

[3]光新军,王敏生.新型旋转导向工具在页岩气开发中的应用.石油机械,2014;(1):27-31Guang Xinjun,Wang Minsheng.Application of new type of rotary steering tools in shale gas development.China Petroleum Machinery,2014;(1):27-31

[4]吕建国,刘宝林,李清涛.指向式旋转导向钻井系统旋转轴力学模型.探矿工程(岩土钻掘工程),2009;36(12):29-32LüJianguo,Liu Baolin,Li Qingtao.Mechanical model of rotation axis in directive rotary steerable drilling system.Exploration Engineering(Rock&Soil Drilling and Tunneling),2009;36(12):29-32

[5] Feng D,Wu L,Wang J W,et al.Research on eccentric displacement of the trajectory control tool of high build-up rate wellbore.Lecture Notes in Information Technology,2012;9:291-296

[6]边景红.静态指向式旋转导向钻井系统导向执行机构的设计与研究.天津:天津大学,2012Bian Jinghong.Design and studies of steering actuator of the static point-the-bit rotary steerable drilling system.Tianjing:Tianjin University,2012

[7]胡以宝.基于实际井眼轨迹的钻柱动力学特性有限元分析.上海:上海大学,2011Hu Yibao.Finite element analysis of dynamic characteristics of drillstring based on actual well path.Shanghai:Shanghai University,2011

浅谈水平井井眼轨迹控制技术篇3

关键词：水平井,井眼轨迹,控制技术

1 以转盘钻为主的水平井井眼轨迹控制

1.1 以转盘钻为主的水平井井眼轨迹控制主要思路

在以转盘钻为主的水平井井眼轨迹控制中, 采用两层技术套管的井身结构, 对于井下的安全有了充分的保障, 但是在经济上却处到劣势。通过总结实践经验, 逐渐认识到:采用这种井眼轨迹控制模式应当简化井身结构, 整个增斜井段采用单一的Φ311mm井眼尺寸。在此基础上, 将这种模式定型为:

一是充分利用成功的高压喷射和防斜打直技术, 严格的将造斜点前的直井段井眼轨迹控制在允许范围之内, 快速优质地钻完该井段。

二是定向造斜段的施工用常规动力钻具、弯接头或弯套动力钻具的方式进行。应选择合适的弯接头或弯壳体度数, 使实际造斜率尽可能地接近设计造斜率。井斜角应达到10~15°换转盘钻进, 以利于待钻井段增斜和方位的稳定。

三是根据设计增斜率选择合适的转盘增斜钻具组合增斜钻进, 并根据实际增斜率及时调整钻井参数或更换钻具组合, 必要时用动力钻具进行井斜角和方位角的修正, 使之满足轨迹点的位置和矢量方向的综合控制。

四是在转盘钻钻具组合的钻进过程中, 要经常短起下钻和交叉接力循环, 以铲除岩屑床和修理井壁, 长半径水平井更应如此。

五是长半径水平井的水平段相对较短, 可以转盘钻具组合为主要钻进方式, 但必须进行摩阻计算, 钻具组合设计为倒装钻具, 并采用大排量来提高携岩能力。备用一套DTU导向钻具或者1°左右的单弯动力钻具, 以弥补转盘钻钻具组合的意外失控。

1.2 以转盘钻为主钻增斜井段的井眼轨迹控制工艺技术

在进行增斜井段的井眼轨迹控制时, 与普高定向井的控制也没有什么区别, 但到长半径水平井其造斜率的井斜角大于70°的井眼轨迹控制则是普遍定向井无法完成的, 这是一个新的技术领域, 需要研究以转盘钻具组合实现高造斜率的技术手段和途径是钻增斜井段的技术关键。

因此, 以转盘钻为主钻增斜井段的井眼轨迹控制的主要技术难点是在大井斜或高造斜率条件下, 如何通过调整钻具组合与钻井参数, 在保证井下安全的情况下实现井眼轨迹的有效控制。

一是长半径水平井使用常规定向井工具, 用转盘钻方式进行增斜井段的井眼轨迹控制, 通过精心设计钻具组合, 合理调整钻井参数, 可以实现有控制地强增斜、微增斜以及比较稳定的增斜率, 调整钻井参数的核心是钻压。

二是在Φ444.5mm井眼中, 采用Φ228.6mm和Φ203.2mm钻铤组成的增斜钻具组合, 能够获得4.5°/30 m的比较稳定的增斜率。但若用柔性更强的组合来实现更高的增斜率, 其增斜率很难控制稳定, 最高增斜率曾达到11.3°/30m, 而且因转盘扭矩过大, 极易造成钻具事故。

三是在Φ311 mm井眼中, 用转盘钻具组合能得到6°/30m的最高稳定增斜率。因此, 在Φ311mm井眼中以转盘钻的方式进行长半径水平井的轨迹控制是经济可行的, 而用这种方式进行中半径水平井的轨迹控制是比较困难的。

水平井钻井方式的选择是进行有效的井眼控制的关键, 只有合理的钻井方式才能达到经济安全的目的, 同时也是水平井井眼轨迹控制技术的关键。

2 以动力钻具为主的水平井井眼轨迹控制

以动力钻具组合钻进为主, 以转盘钻具组合进行通井、调整造斜率为辅, 既可以克服动力钻具循环排量小的不足, 通过通井和大排量循环铲除岩屑床, 调整动力钻具造斜率的偏差和调整井眼垂深, 又可以加大钻压钻掉可钻性差的地层, 是水平井安全钻井的有效措施。

这一钻井模式的主要内容有:

一是直井段与转盘钻模式相同, 充分利用成功的高压喷射和防斜打直技术, 严格将造斜点前的直井段井眼轨迹控制在允许范围之内, 快速优质地钻完该井段;

二是对入靶前地层较稳定的水平井, 造斜段的施工以弯壳体动力钻具为主要钻进方式, 以转盘钻具组合通井铲除岩屑床和修整井眼, 并完成稳斜段或造斜率较低的调整段, 以二至三套钻具组合在二至三趟钻内钻完0~90°造斜段;对人靶前地层稳定性较差的水平井, 造斜段的施工以弯套动力钻具与转盘钻具组合相结合的钻进方式, 用动力钻具在易造斜井段按设计先打出高造斜率, 再用转盘钻具组合钻掉可钻性差的井段 (即后打出低造斜率) 。

三是对地质设计靶区垂深误差要求在5~10m、而平面误差大于5m的水平探井和水平开发井, 以转盘钻钻具组合为主要钻进方式, 可采用大排量来提高携岩能力, 以两套转盘钻钻具组合用二至三趟钻钻完500m左右的水平井段。

四是对地质设计靶区垂深误差要求在5m之内、而平面误差也小于5m的水平井, 采用1°左右的单弯动力钻具或DTU导向钻具与转盘钻钻具组合相结合的方式钻水平段。

2.1 以动力钻具为主钻增斜井段的井眼轨迹控制工艺技术

采用动力钻具为主钻增斜井段能获得高造斜率, 并采用有线随钻测斜仪或MWD无线随钻测斜仪严格监控井眼轨迹, 通过调整和控制动力钻具的工具面, 可以获得较稳定的井眼全角变化率, 几乎不存在出现方位漂移的问题。因此, 造斜井段井眼轨迹控制工艺技术研究的重点是在不同的井眼条件下, 如何选择不同角度的弯动力钻具来获得需要的造斜率, 并研究与之相关因素的影响规律。

2.2 以动力钻具为主钻水平井段的井眼轨迹控制工艺技术

以动力钻具为主钻水平井段的技术在国外应用较为广泛, 比较典型的是采用小角度弯动力钻具组合或DTU异向双弯动力钻具组合组成的导向钻井系统。

结语

水平井钻井技术是一种利用特殊的造斜工具和测斜仪器, 在油层中钻开一定长度水平延伸井眼的特殊钻井工艺, 按造斜率的大小可分为长、中、短三种曲率半径水平井。油田复杂的地质特点, 要求在利用水平井开发油藏时具有较高的轨迹控制能力。在几千米的地下, 要把井眼轨迹打成复杂的形状, 确保获得较高单井产量的同时, 尽可能降低成本以保证开发效益, 这就要求水平井在跟踪环节中必须做到中靶点精确、着陆后轨迹控制稳定、随钻监测信息反馈及时、轨迹调整到位、钻井过程中, 地质与工程技术人员密切配合, 充分利用气测、岩屑录井、LWD等综合手段, 保证水平段在油层的最大穿越。

参考文献

[1]刘晖.水平井井眼轨迹控制技术[J].石油钻采工艺, 2005 (4) .

浅谈侧钻水平井井眼轨迹控制技术篇4

1 关于井眼轨迹控制的控制范围

水平井井眼轨迹控制有三个方面的控制范围, 即水平段长度、垂向允许偏差以及横向允许偏差。通常情况下, 水平段长度除要预防偏差满足增产要求外, 还要对实时工艺技术水平综合考虑。允许偏差主要受两方面因素的影响, 目的是为了将水平段控制在剩余油富集区内, 所以要严格控制其允许偏差, 但为了技术经济的合理化又会对允许偏差降低标准。关于侧钻水平井的靶区设计要综合考虑技术水平、成本经济以及地质环境等因素, 在地质环境条件允许的情况下, 将允许偏差最大化, 从而在水平井井眼轨迹便于控制的同时, 将钻井成本资金降到最低。

2 井眼曲率对侧钻水平井井眼轨迹控制的影响

要做好侧钻水平井井眼轨迹控制工作, 就要找出对其产生影响的参数, 因此就不得不提及井眼曲率这个重要参数。当井眼曲率参数设置过大时, 就会出现转盘钻进十分困难、井下复杂情况多等现象;若井眼曲率参数设置过小, 则会增加螺杆钻具的造斜进尺, 从而加大井眼轨迹控制的工作量, 给钻井进度带来影响。所以, 经过实事研究及综合考虑我国使用的单弯螺杆钻具造斜特性、水平井井眼曲率要求等因素的基础上, 一般将侧钻水平井井眼轨迹的井眼设计曲率控制在 (12°—15°) /30m。

3 侧钻水平井井眼轨迹控制施工工艺技术

3.1 侧钻工艺技术

侧钻井段作为全井在井眼轨迹控制的初始阶段, 开窗后需要选择合适的侧钻工具, 将新的井眼快速钻出。而在开窗后侧钻水平井时, 通常采用的是具有较大造斜率的弯外壳螺杆钻具加上配有有线随钻测斜仪功能的定向侧钻工具结合作业。在钻具钻井时要对钻压、钻时、磁工面以及送钻量严格控制。在进行侧钻钻井时要保持每钻进1m都要采集一包砂样, 便于实时掌握侧钻工具的钻头是否与老井眼位置产生偏差。

3.2 侧钻井造斜段轨迹控

由于受到地质环境、技术操作水平、侧钻使用工具摩擦阻力以及井眼实时状况的综合复杂因素的影响和制约, 造斜工具的实际造斜能力一般都会与理论计算参数存在误差, 这些参数间的误差自然给着陆入靶控制带来了一定程度的困难, 情况严重时还会造成脱靶现象发生。因此, 在实际钻井过程中, 为确保井眼轨迹能按照设计参数要求入窗进靶, 在对钻井造斜段的控制上一般采用“增—稳—增”模式来制定三段可行方案。其具体做法就是通过造斜扭方位钻至井斜50°位置以上, 从而保证到达位置与设计一致。再通过对入靶垂深和地质设计误差校正后, 使实钻轨迹与设计误差缩小, 再增斜入靶。

3.3 侧钻井水平段轨迹控制

通常在侧钻水平段时, 在对钻井速度以及钻井成本的综合考虑后, 一般都会使用双稳定器组合钻具通过转盘钻进模式来进行作业, 对于预防井下复杂情况出现以及净化井眼很有作用。在钻进过程中, 要根据实时斜测参数及时的更换钻进使用工具、调整钻进参数, 保证井眼轨迹始终控制在靶区内。

3.4 侧钻井井眼轨迹测量

目前, 为确保侧钻井的井眼轨迹测量参数的精确度, 通常采用国产DST和引进Tensor有线随钻测斜系统来对井眼轨迹进行监测, 每钻进一段距离就停

泵对实际井眼轨迹的斜造率及方位进行复测, 再通过专用仪器对侧钻井的井斜参数以及斜向开窗进行实时测量, 从而保证实施参数及数据的真实性。

3.5 侧钻井井眼轨迹控制软件

通常为保证侧钻井的井眼轨迹控制水平及精度, 需要采用井眼控制软件来进行监测和控制。通常使用的井眼轨迹控制软件都是用可视化编程技术编写研发的, 具有操作方便、界面直观等特点。通过在施工现场对井眼轨迹控制软件的使用, 将实际井眼轨迹的参数精确计算, 能快速并且高效率的绘制井眼轨迹图并进行井眼轨迹设计与预测, 为侧钻井的井眼轨迹控制工作提供了科学依据。

4 结语

侧钻井井眼轨迹控制技术经过多年的理论研究与现场应用, 有效解决了井眼轨迹控制工具、测量仪器落后的难题, 并逐渐摸索出一套低成本、高效率的井眼轨迹控制施工技术, 为侧钻水平井的有序施工奠定了良好的技术基础, 已成为老油田开发的主要技术手段。

参考文献

[1]李梦刚.水平井井眼轨迹控制关键技术探讨[J].西部探矿工程, 2009 (02) .

[2]龚雅明, 张所生, 杨龙, 张庆华.小井眼开窗侧钻绕障水平井的施工工艺[J].钻采工艺, 2006 (03) .

[3]蒋恕.小井眼套管开窗侧钻水平井井眼轨迹控制技术[J].海洋石油, 2004 (01) .

井眼轨迹篇5

目前对旋转导向井眼轨迹控制方面的研究,主要集中在讨论导向机构与各方面影响因素之间的关系,而很少涉及到根据导向参数计算和预测井眼轨迹[2—5]。因此,基于推靠式旋转导向系统,通过分析导向参数与钻头侧向力和偏转角之间的关系,进而根据钻头处的有效钻力预测井眼轨迹,为实际钻井提供理论指导。

1 BHA力学特性分析

推靠式旋转导向包括静态偏置推靠式RSS,如Auto Trak和动态偏置推靠式RSS,如Power Drive,它们的工作方式均是通过导向偏置机构产生一定的导向力,在接触井壁后,靠井壁的反作用力使钻头产生侧向切削力,从而实现导向[6,7]。因此通过底部钻具组合(BHA)力学特性分析,研究导向力与钻头侧向力和转角之间的关系,是推靠式RSS井眼轨迹控制的关键之一。

1.1 导向力的分解

在三维定向钻井过程中,可以将井斜角和方位角同时变化的三维井身平面转化成井斜平面P和方位平面Q两个二维问题进行分析[8]。

如图1所示,沿钻头的上方往下看,F为导向机构推靠井壁后产生的导向力,造斜工具的工具面为钻具的中心线与导向力F的方向线构成的平面,则工具面角ω是以井眼高边h方向线为基准沿顺时针旋转到工具面所转过的角度。则导向力F作用在井斜平面P和方位平面Q的分量分别为

图2为P面内钻头至稳定器1的第一段钻杆进行受力分析,其中A端为钻头,B端为稳定器。设导向力作用在C点,根据图2所示,导向力F作用在井斜平面P内的横向集中载荷为

式(2)中,λ=Ls/R,Ls为导向装置中点到钻头处的距离,R为井身轨迹投影在平面P内的近似圆弧的曲率半径。导向力F作用在方位平面Q内的横向集中载荷Fφ亦可用上述方法得出。

1.2 钻头侧向力和偏转角的计算

图3是推靠式旋转导向底部钻具组合普遍应用的结构[9],如图2,以井斜平面P为例,应用纵横弯曲法建立三弯矩方程即可求得到导向分力Fα与钻头侧向力Pα和钻头转角Aα的函数关系式[10,11]。

式中,α为钻头处井斜角;Wob为钻压;q1为第一段钻杆的线重度;y1为稳定器1处的纵坐标,,K为P面内井眼曲率;M1为稳定器1处的弯矩。通过纵横弯曲法立三弯矩方程求得;;E1I1为钻杆的抗弯刚度;μ1,X(μ1),Z(μ1)为稳定系数和放大因子。

方位平面内导向分力Fφ与钻头侧向力Pφ和转角Aφ的函数关系同样可以按照类似方法建立。由此可以得出导向参数与钻头侧向力和钻头转角间的联系。

2 利用有效钻力预测井眼轨迹

推靠式旋转导向井眼轨迹预测,是在已知钻具组合、地层参数和钻井操作参数的情况下,根据给定的导向参数估测钻头的钻进趋势。根据上述BHA力学特性分析,能够得出钻头处力矢量F=[Pa,Pp,Wob]T。但是在实际钻井钻过程中,由于地层以及钻头的各向异性钻井效应的存在,会产生自然井斜的变化和方位漂移,所以钻头并不会按照F的方向钻进。因此本文利用在UPC模型基础上提出的有效钻力的概念[12,13],通过计算钻头有效钻力来预测实钻过程中的钻进趋势。有效钻力可表示为

式中,Ib,Ir1和Ir2分别为钻头和地层的各向异性指数,[E]为单位矩阵,矩阵AC与井斜角α、地层倾角γ、方位角φ和地层下倾走向方位角φf的8夹角Δφ(Δφ=-фf)有关,矩阵B与钻头转角有关。

如图4,建立井眼轨迹坐标系OXYZ,O点为钻头处,X轴指向井眼高边,Y轴指向增方位方向,Z轴为钻头轴向进给方向。则有效钻力即为变井斜力R1,变方位力R2和轴向进给作用力R3。在R1,R2和R3的共同作用下,钻头沿着三者的合力方向钻进。下面分别从井斜变化和方位变化具体分析在三者的作用下井眼轨迹的变化趋势。

从图4可以看出,当前钻头处于井斜角α,方位角φ,当给定推靠力F和工具面角ω时,可根据上述方法计算出钻头处实际变井斜力Rα和变方位力Rφ。

图5中,变井斜力R1和轴向力R3决定井斜角的变化,所以得到新井斜角。

由于方位角是井眼轴线上任一点的正北方向线与该点的井眼方向线在水平面投影线间的夹角,所以将钻头处影响方位角变化的力投影到水平面上,如图6所示,即可得到新方位角。

式(8)中,

根据式(7)~式(9)即可预测出下一点的井斜和方位角。也可根据上述方法,在给定的下一点期望的井斜和方位角的情况下计算出所需的推靠力和工具面角。

3 应用实例与分析

推靠式旋转导向BHA结构参数如图7所示,除特殊说明外,设井眼轨迹参数:井斜角为α=10°,方位角为φ=0°,井眼曲率为K=3°/30 m;钻井参数:钻压Wob=50 k N,泥浆密度为1.25 g/cm3;钻头与地层参数:钻头各向异性指数Ib=0.75,地层为横观各向同性地层即地层各向异性指数Ir1=Ir2=0.95,地层倾角γ=20°,地层下倾走向方位角φf=300°;导向参数:导向力F=10 k N,工具面角0°。下面对系统的导向性能与各参数间的关系进行分析。

3.1 井眼轨迹对导向力的影响

图8为在不同井斜角和井眼曲率的情况下,导向钻具产生3°/30 m的增斜效果所用导向力的大小。由图可知,随着井斜角的增加,导向力需要增加才能满足条件,这是由于底部钻具产生的降斜钟摆力变大;已钻井眼曲率越大,所需导向力越大,因为在弯曲的井眼中,由于钻具的自身的抗弯刚度会产生一定的“反弹效应”,会减小钻头处的增井斜力。所以当井斜角和井眼曲率变大时均需要增加导向力来补偿减小的造斜力。

3.2 地层参数对钻头有效钻力的影响

图9、图10为当工具面角ω=30°时,分别得出钻头处变井斜力R1和变方位力R2在不同地层参数下的变化趋势。通过BHA力学分析得到的钻头处机械力Pα=5 252 N,Pφ=3 968 N,由此可见,因地层的各向异性的影响,钻头的机械力和有效钻力差别较大,不能仅仅依靠钻头机械力来预测井眼轨迹。由于Ir1=Ir2=0.95<1,因此符合完全上倾规律[14]。

由图9可知,当井斜方向与地层下倾方向基本一致(0°<Δφ<180°)时,对变井斜力影响较小。地层倾角越大,影响效果越强;当井斜方向与地层上倾方向基本一致(180°<Δφ<360°)时,对变井斜力影响较大。地层倾角越大,影响效果越弱。

由图10可知,当Δφ=90°和270°时对变方位力均无影响,且当90°<Δφ<270°时会出现方位左漂增加变方位力,并随着地层倾角的变大而增强,图10中由于钻头的各向异性的影响并未完全出现方位左漂的效果。

3.3 钻头的各向异性和钻压对造斜性能的影响

图11为给定的导向参数下,不同的钻压和钻头对钻具造斜性能的影响。钻头的各向异性指数Ib越大,侧向切削能力越强,旋转导向工具施加的侧向力越大,因此选择较短保径的钻头有利于增加造斜性能[15];当导向力一定时,钻压越大,钻具轴向切削性能越强,造斜率越小。因此在旋转导向钻井中,需要通过增加转速,减小钻压,降低机械钻速来提高造斜率。由此可见,钻头的各向异性和钻压指数是影响旋转导向工具轴向和侧向切削的关键因素,合理选择钻头和钻压才能实现稳斜段和造斜段同时具有最佳效果。

3.4 导向参数计算

设某一设计三维井身曲率为1.2°/30m,钻头处位置为:井深1 250 m,井斜角38.1°,方位角104.15°。表1为钻头钻至其相应设计点所需要的导向参数。

由表1可知,在降斜增方位的过程中,随着井斜角的减小,由于底部钻具的自重影响减弱,钻头处降斜力减小,同时由于方位右漂减小了变方位力。因此需要不断增加导向力才能减小上述因素的影响.

4 结论

(1)推靠式RSS是以“力的工作方式”,通过导向装置使钻头处产生侧向切削力,从而实现导向钻进的。

(2)应用纵横弯曲法,建立底部钻具组合力学模型,可以得到导向参数与钻头侧向力和转角的联系,进而根据考虑钻头和地层的各向异性的情况下钻头有效钻力力确定井眼轨迹的延伸趋势。

(3)由于井眼轨迹的控制受到多种因素的影响,因此在实钻过程中只有综合考虑钻具结构,钻井工艺参数,地层及钻头的各向异性等因素,才能准确计算出导向参数,确保钻头沿设计轨迹钻进。

摘要：旋转导向钻井系统是现代导向钻井技术的发展方向。通过导向机构调节导向参数来预测和控制井眼轨迹,是旋转导向钻井系统的关键技术之一。为解决推靠式旋转导向钻具的导向力和工具面角对井眼轨道的控制问题,对导向力分别在井斜平面和方位平面进行解耦;并应用了纵横弯曲理论建立了底部钻具组合三维力学分析模型,得出了导向参数与钻头侧向力和转角的定量关系。在考虑钻头和地层的各向异性因素的影响下,利用在UPC模型基础上提出的有效钻力的概念,通过计算钻头有效钻力来预测实钻过程中的钻进趋势。在此理论基础上,计算了按设计的井眼轨道钻进所需要的导向参数,并讨论了井眼轨迹参数、钻压、钻头各向异性参数和地层参数对钻具导向性能的影响;分析了其中的规律,并得出只有综合考虑上述各项因素,才能准确计算出导向参数,确保钻头沿设计轨迹钻进,也为旋转导向井眼轨迹控制提供了理论依据。

井眼轨迹篇6

1 直井段轨迹控制工艺技术

该井深层定向, 靶区小, 井斜大, 自馆陶组以下地层, 地层倾角由3°逐步增大至10°以上, 直井段井斜的控制程度直接影响下部定向井段能否安全顺利的进行。

1.1 φ444.5mm井眼 (0-747.02m)

地层主要是黄色粘土、松散沙层, 结构疏松, 选用成熟、经济的GA114牙轮钻头。

塔式钻具结构:φ444.5mm牙轮钻头+φ228.6mmDC×3根+φ203mmDC×6根+φ178mm DC×3根+φ127mmDp钻头装三个等径水眼;

参数:钻压50～100kN, 排量50l/s, 转速:65-120r/min。

轨迹控制要点:开眼时先启动转盘再下放钻具, 轻压慢转, 保持钻具处于拉直状态;单泵钻进3～5个单根后, 开双泵;接单根做到晚停泵早开泵, 防堵水眼;下套管前短起下钻, 防拔活塞, 阻卡井段划眼通过。

1.2 φ215.9mm井眼 (750-1970m)

明化镇组为砂、泥岩互层, 局部底界含砾状砂岩, 馆陶组以块状砂岩、含砾砂岩、砾状砂岩为主, 夹薄层泥岩、灰质泥岩, 可钻性好, 软硬交错, 岩性不均, 不适宜PDC, 选用成熟经济的GA114牙轮钻头, 结合高压喷射技术, 提高机械钻速。

采用钟摆钻具组合:φ215.9mm牙轮钻头+φ177.8mmDC×2根+φ214mm扶正器+φ158mmNDC×1根+φ158mmDC×5根+φ127mmHWDp×15根+φ127mmDp

参数:钻压120-140k N吊打钻压30-50kN转速120r/min排量55l/s

轨迹控制要点:起始泵压15MPa, 采用高泵压高钻速, 一只钻头穿过馆陶组, 利用水力破岩作用, 保障井身质量前提下, 加快钻进速度;地层交界面及整个馆陶组吊打钻进;钻时快时, 送钻要均匀, 防止井斜;从井深800m开始每200米左右吊测一次, 监控轨迹。

1.3 φ215.9mm井眼 (1970-3197m)

沙二下、沙三上直井段地层为泥岩、泥质粉砂岩、白云质泥岩互层, 岩性软, 可钻性较好, 应用PDC钻头, 配合小钻压、高转速, 不但提高机械钻速, 对控制井身质量也起到了很好的效果。

钻具组合:φ215.9mm PDC+φ172mm直螺杆+φ177.8mmDC×1根+φ214mm扶正器+φ158mmNDC×1根+φ158mmDC×5根+φ127mmHWDp×15根+φ127mmDp

参数:钻压20-60KN, 转速65r/min, 排量55l/s。

轨迹控制要点:扶正器下部采用较大尺寸螺杆、钻铤, 提高钻盘转速, 以获得较大钟摆效果防斜;PDC钻头应用期间, 起钻带上刮泥器, 保持井底干净;每钻进200-300米, 短起下拉井壁, 长短起结合, 确保井眼畅通;送钻均匀, 加压平稳, 即利于保护钻头又可防斜;每钻进100-150米, 测斜监控, 特殊情况加密测量。

2 定向段轨迹控制工艺技术。

2.1 定向增斜段 (3197-3909m)

沙三段为泥岩、油页岩、泥质粉砂岩、粉砂岩呈不等厚互层, 可钻性较差, 选用专用的定向M1955SS型PDC钻头。

增斜钻具结构:Φ215.9mm定向PDC+φ165mm1° (1.250) 单弯单扶螺杆+φ159mmNDC×1根+φ127mmHWDP×15根+φ127mmDP。

轨迹控制要点:选择合适的1.25°单弯螺杆配合专用的定向PDC钻头, 按照13-14°/100m增斜率滑动增斜至30°左右, 其间井斜基数小、增斜慢时可多滑动少复合, 以达到设计增斜率;井斜基数大增斜快时, 可适时增加复合增斜井段, 平滑井眼轨迹, 不超设计增斜率;根据单弯钻具复合增斜具有的一定井斜范围内, 井斜基数小增斜率低, 基数大增斜率高的特点, 结合邻井复合增斜规律, 确定复合增斜前200米左右井段设计增斜率为4°+/100m, 以后设计增斜率递增至5-7°/100m;增斜率达不到时, 可适当滑动增斜进行调整, 利于井眼轨迹平滑, 提高钻进速度;达到设计井斜后, 依据方位右漂2-3°/100m规律, 采取措施方位偏小2°, 预留漂移空间, 起钻更换稳斜钻具结构。

2.2 定向稳斜段 (3909-4120m)

沙三下段主要为泥岩、泥质粉砂岩、油页岩, 压实作用大, 选用冠状、保径可适当延长、具备稳斜稳方位能力的DF1905G型PDC钻头。

稳斜钻具结构:Φ215.9m m钻头+φ165mm1° (1-1.250) 单弯双扶螺杆+φ159mmNDC×1

根+φ159mm DC× (2-5) 根+φ127mmHWDP×15根+φ127mmDP。

参数:钻压40-80KN, 排量24-26l/s。

轨迹控制要点:密切关注复合钻进时井斜、方位自然漂移变化规律, 随时对设计井眼轨迹进行修正并推演, 灵活调整工艺参数, 精准的井斜、方位预留量, 往往稳斜几百米, 也可实现顺利中靶;稳斜钻具适当增加钻挺数量, 重心低, 贴近钻头, 在大斜度定向井中便于钻压的有效传递, 以获得较高机械钻速;螺杆上扶正器依据邻井调研资料, 结合以往的使用经验, 选用φ206mm尺寸, 稳斜效果理想;方位漂移稳斜前期在预计范围内, 稳斜钻进170米, 顺利实现中靶。

3 几点认识

(1) 直井段轨迹控制的程度直接影响到定向井段能否顺利开展, 同时又是提高钻速的关键井段, 其钻头选型、钻具组合和参数优化十分重要。

井眼轨迹篇7

关键词：Java3D,井眼轨迹,三维仿真

0 引言

随着油气勘探开发工作的不断深入,钻探对象越来越复杂,钻探手段也越来越多样化,井眼轨迹作为最直观显示井眼情况、井斜控制水平等的重要依据,技术人员需要根据测斜数据计算井眼轨迹参数,以判断实钻井眼轨迹是否与设计轨迹一致。因此,通过三维可视化技术,将从测量和实验计算得来的数据转化为井眼轨迹的三维图形图像[1],实现其三维立体表示,弥补了国内开发的一些井眼轨迹绘制软件还停留在二维水平[2]的不足,为提高我国钻井水平和管理水平,具有重要的现实意义。本文采用Java3D技术,利用数据库技术、面向对象技术等,实现三维井眼轨迹仿真软件的研究和开发。

1 Java3D平台技术研究

基于Java的Java3D技术,作为Java的一个标准扩展模块,具有优秀的、丰富的UI(Swing、AWT、Eclipse的SWT)和Web发布能力[3]。它提供了一套完整的从几何体建模、三维图形渲染生成到场景交互控制、动画生成的类和接口,为用户创建并控制三维场景提供了方便的工具。Java3D基于场景图结构(Scene Graph Structure)[4],这种层次结构,无论是描述现实中的对象,还是计算机实现都栩栩如生。根据以上特征,本文的设计开发选用Java3D平台技术来实现。

2 三维井眼轨迹曲线插值算法研究

井眼轨迹是由一些离散的点绘制而成。在获得了井眼轨迹的空间坐标点序列后,关键要解决如何通过插值算法获得更多的点来绘制平滑的井眼轨迹曲线。为使所绘制的曲线接近真实轨迹,本文使用了基于拉格朗日插值思想推导出的一种参数均匀插值方程的表示方法[5],在此基础上采用分段三次的插值方法,这种插值曲线可以保证在每一段内的曲线有指定次数导数的连续性,然后实现多段序列点的光滑拼接,从而绘制出三维空间中的平滑井眼轨迹曲线。

给定一组有序离散的井眼轨迹空间坐标点Pi(i=0,1,…,n),完成以下工作:

1)如何构造参数均匀插值方程P(t)=[x(t),y(t),z(t)],t∈[0,1]来表示经过这n+1个点;2)对生成的三次参数均匀插值曲线段,如何实现光滑连接。

2.1 参数均匀插值曲线的表示

设过P0,P1,…,Pn+1的n+1点的n次参数曲线方程P(t)(t∈[0,1]),用均匀插值方法来构造曲线方程P(t),ti分别取0,1/n,2/n,…,(n-1)/n,1时,使p(ti)=Pi。构造P(t)为下列的参数多项式:

其中Bin(t)为关于t的n次多项式。由拉格朗日插值基函数[6]和参数均匀插值定义可得:

过三点的均匀参数插值方程如下:表示一条二次曲线(如图1(b)所示,其中(a)过两点表示一条直线,(c)过四点表示一条三次曲线)

2.2 三次参数均匀插值生成多点光滑曲线

由于Pi的数点n直接决定了Bin(t)的阶,插值曲线会由于n值较大而引起振荡,而且计算量很大。所以本文中采用上面介绍的三次参数均匀插值法实现较多点的光滑连接,其算法思想是:

(1)先对多个序列点进行分组,生成多个三次参数均匀插值方程;

(2)构造拼接函数,实现相邻两段插值曲线的光滑拼接;

(3)重复步骤2),直到最后生成一条光滑曲线。

光滑拼接函数的构造与实现:

以下对两个相邻的三次参数均匀曲线方程,构造一个拼接函数f(t)实现两曲线段的光滑拼接。令P1(t)、P2(t)是两个三次参数均匀曲线方程,f(t)为拼接函数。f(t)的基函数可采用线性基函数(1-t与t)[7]实现,如图2所示。

如考虑以P0为起点,通过P1P2P3P4两点,并以P5为终点的序列点,先生成的两个三次参数均匀曲线P1(t)、P2(t),然后构造一个连接函数f(t),函数f(t)是连接P1(t)和P2(t)的公共区域(如图3-2(b))P2,P3之间的曲线段。

f(t)=(1-t)×p1(u)+t×p2(v),t∈[0,1]

其中u=u(t),v=v(t)

因此,可构造拼接函数:

本文采用的分段三次参数均匀插值方法能在三维空间形成平滑的井眼轨迹曲线,程序的时间复杂度较小,改进了在插值点较多情况下直接采用插值法计算量大的缺点。

3 建立井眼轨迹三维模型

通过对设计和实测的井眼轨迹坐标数据的转换得到井眼轨迹的空间坐标数据,然后进行插值运算获得更多井眼轨迹的空间坐标点,再利用Java3D的绘制线条的方法,实现设计和实测的井眼轨迹的三维模型,方便用户观察两者之间模型的差异,实现对实钻作业的指导。

本研究中创建井眼轨迹类:Line Shape,继承自Shape3D类。由于要同时实现设计井眼轨迹和实测井眼轨迹的三维模型,所以会在场景中生成两个Line Shape对象分别接受设计和实测的井眼轨迹数据。在Line Shape构造方法中调用Java3D API的Line Strip Array类。Line Strip Array的构造方法为:

Line Strip Array(int vertext Count,int vertex Format,int[]strip Vertex Counts)。

vertext Count等于该井眼轨迹的数据点总量。

vertex Format用于设置该几何形体的顶点坐标的格式。

strip Vertex Counts等于该井眼轨迹的数据点总量。

4 三维井眼轨迹仿真系统设计

4.1 系统总体设计及功能模块

本系统的设计目标是实现一个桌面应用程序,使用户在本机上就能获得完整的功能,所以系统的结构由“前台程序+后台数据库”组成。三维图形仿真由Java3D包结合Java语言完成,在Eclipse集成开发工具下开发。后台采用Access2003存储和管理井眼轨迹实测数据。

根据井眼轨迹的数据特征和三维显示的流程,将系统划分为以下几大模块,其中坐标数据插值计算和井眼轨迹绘制是本系统的核心模块。系统功能模块框图如图3所示:

4.2 主要模块间的关系

划分好模块及其功能后,要实现整个系统的协调运行,各个模块之间还要互相调用参数和数据。模块功能的具体实现是通过设计相关的类,那么模块之间的参数关系也是通过类的实例之间的调用和数据传递来实现的。如图4所示为三维井眼轨迹模块主要参数传递关系图。

5 结论

本三维井眼轨迹仿真系统采用Java和Java3D技术开发实现,通过分段三次参数均匀曲线插值算法求得的井眼轨迹精度高、曲线平滑。本文研究工作从油田现场实际问题出发,有助于帮助解决油田井下钻井作业过程中实际的问题,具有较强的实用性和前瞻性。