一种钻井作业中的防碰绕障方法及系统

摘要

本发明公开了一种钻井作业中的防碰绕障方法及系统，克服目前随钻测量系统存在误差椭圆且实时性较差的缺陷，该方法包括：采用磁定位技术预测获得作业井的第一预测轨迹；获得所述作业井在所述第一预测轨迹内与已有的参考井之间的第一最小距离；根据所述第一最小距离以及为所述作业井预设的安全半径确定所述作业井是否需要进行绕障作业。本申请的实施例能够有效指导作业井绕开已有井，防止两口井产生碰撞。

说明书

技术领域

本发明涉及钻井过程中的防碰井作业，尤其涉及一种钻井作业中的防碰 绕障方法及系统。

背景技术

海上作业平台的丛式井井眼间距较小，作业井在钻进过程中存在碰撞到 已有井井眼轨迹的危险，如果两口井发生碰撞，将会带来巨大损失。因此对 于能够精确控制作业井与已有井之间距离的技术的需求日益迫切。

目前使用轨迹测量与控制工具来避免井与井之间的碰撞。传统的井眼轨 迹控制工具随钻测量系统(MWD)一般采用基于地磁场、地球重力场测量 的方式来估计井眼轨迹，一般均存在估计误差且误差椭圆随深度逐渐累加， 具有较大的局限性。而且，估计误差和计算误差最终会导致误差较大的误差 椭圆。另外，由于MWD系统距离钻头的距离一般在10米左右，对于钻头 与其他井的距离控制实时性也较差，钻进过程中仍然存在井眼轨迹碰撞的危 险。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服目前随钻测量系统存在误差椭圆且实 时性较差的缺陷。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种钻井作业中的防碰绕障方 法，包括：

采用磁定位技术预测获得作业井的第一预测轨迹；

获得所述作业井在所述第一预测轨迹内与已有的参考井之间的第一最小 距离；

根据所述第一最小距离以及为所述作业井预设的安全半径确定所述作业 井是否需要进行绕障作业。

优选地，获得所述作业井在所述预测轨迹内与已有的参考井之间的第一 最小距离，包括：

利用磁测距系统，根据所述参考井预测得到所述作业井中的多个预测 点，根据所述多个预测点获得所述作业井在所述第一预测轨迹内与所述参考 井之间的所述第一最小距离。

优选地，根据所述多个预测点获得所述作业井在所述第一预测轨迹内与 所述参考井之间的第一最小距离，包括：

在所述参考井中选取与所述作业井中某预测点垂深相同的某参考点为基 准，在所述参考井中确定包含有多个段落的参考段，根据所述多个段落获得 所述某预测点与所述参考段的最小距离作为所述某预测点与所述参考井的最 小距离；

根据所述作业井中每个预测点与所述参考井的最小距离，获得所述作业 井在所述第一预测轨迹内与所述参考井的所述第一最小距离。

优选地，根据所述第一最小距离以及为所述作业井预设的安全半径确定 所述作业井是否需要进行绕障作业，包括：

所述最小距离小于为所述作业井预设的安全半径时，缩小所述磁定位技 术中的测量间距并采用所述磁定位技术预测获得所述作业井的第二预测轨 迹；

根据所述作业井的井底到所述作业井的第二预测轨迹与参考井第二最小 距离处对应位置的距离、所述作业井的安全半径以及井眼轨迹设计比例常 数，获得所述作业井在所述第二距离处的曲率；

根据所述曲率确定所述作业井是否可以进行绕障作业。

本发明还提供了一种钻井作业中的防碰绕障系统，包括：

预测模块，配置为采用磁定位技术预测获得作业井的第一预测轨迹；

获取模块，配置为获得所述作业井在所述第一预测轨迹内与已有的参考 井之间的第一最小距离；

确定模块，配置为根据所述第一最小距离以及为所述作业井预设的安全 半径确定所述作业井是否需要进行绕障作业。

优选地，所述获取模块包括：

第一预测单元，配置为利用磁测距系统，根据所述参考井预测得到所述 作业井中的多个预测点；

距离获取单元，配置为根据所述多个预测点获得所述作业井在所述第一 预测轨迹内与所述参考井之间的所述第一最小距离。

优选地，所述距离获取单元包括：

选取子单元，配置为在所述参考井中选取与所述作业井中某预测点垂深 相同的某参考点为基准，在所述参考井中确定包含有多个段落的参考段；

第一获取子单元，配置为根据所述多个段落获得所述某预测点与所述参 考段的最小距离作为所述某预测点与所述参考井的最小距离；

第二获取子单元，配置为根据所述作业井中每个预测点与所述参考井的 最小距离，获得所述作业井在所述第一预测轨迹内与所述参考井的所述第一 最小距离。

优选地，所述确定模块包括：

第二预测单元，配置为所述最小距离小于为所述作业井预设的安全半径 时，缩小所述磁定位技术中的测量间距并采用所述磁定位技术预测获得所述 作业井的第二预测轨迹；

曲率获取单元，配置为根据所述作业井的井底到所述作业井的第二预测 轨迹与参考井第二最小距离处对应位置的距离、所述作业井的安全半径以及 井眼轨迹设计比例常数，获得所述作业井在所述第二距离处的曲率；

决定单元，配置为根据所述曲率确定所述作业井是否可以进行绕障作 业。

本申请的实施例不同于传统采用估计的方式来获得作业井和参考井之间 的距离，而是采用基于磁定位技术测量数据的三维扫描精确测量作业井与参 考井之间的真实距离，并据此进行防碰绕障分析，提高了测量精度，为作业 人员提供准确的绕障方案，能够有效指导作业井绕开已有井，防止两口井产 生碰撞。本申请的实施例解决了目前绕障主要依靠井眼轨迹进行估计而准确 性较低的问题，具有准确度高等优点，相比。本申请的实施例不仅适用于海 上作业丛式井等的需要，同样可以满足陆地上作业井的防碰绕障的需要。本 申请的实施例可以适用于石油钻井行业，同样适用于其他钻井类行业。

本发明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，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优 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

附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部 分，与本申请的实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明 技术方案的限制。

图1为本申请实施例的钻井作业中的防碰绕障方法的流程示意图。

图2为本申请实施例中用到的三维扫描的场景示意图。

图3为本申请实施例中用一口参考井来确定作业井中预测点的场景示意 图。

图4为本申请实施例中绕障计算的流程示意图。

图5为本申请实施例的钻井作业中的防碰绕障系统的构造示意图。

图6为图5所示实施例中获取模块的构造示意图。

图7为图6所示距离获取单元的构造示意图。

图8为图5所示实施例中确定模块的构造示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图 对本申请的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申 请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

如图1所示，本申请实施例的钻井作业中的防碰绕障方法主要包括如下 步骤。

步骤S110，采用磁定位技术测量作业井的井眼轨迹，根据作业井的井 眼轨迹的发展变化规律进行轨迹预测，获得作业井的第一预测轨迹。其中， 该井眼轨迹的发展变化规律包括井眼轨迹的全角变化率。

步骤S120，获得作业井与已有的参考井之间的位置关系，包括作业井 与参考井的距离和方位关系等。

步骤S130，通过三维扫描，获得作业井在该第一预测轨迹内与参考井 之间的第一最小距离。

步骤S140，当在该段第一预测轨迹内作业井与参考井之间的第一最小 距离小于为作业井预先设定的安全半径时，认为作业井和参考井可能会发生 碰撞。此时，需要在作业井当前井底设计新的井眼轨迹，以有效避开已有的 参考井。

本申请的实施例中，采用如图2所示的三维扫描方式，来确定在作业井 的一段井眼轨迹内，作业井和参考井之间的第一最小距离。

图2中，W0表示作业井，W1、W2以及W3表示三口参考井；P0_0、 P0_1、...表示作业井中一系列的预测点；P1_0、P1_1、...表示参考井W1中 的一系列参考点，P2_0、P2_1、...表示参考井W2中的一系列参考点， P3_0、P3_1、...表示参考井W3中的一系列参考点。

步骤S130中的三维扫描，具体包括如下的步骤。

对于某一口参考井，在作业井不同深度处的预测点i采用如下表达式计 算该预测点相对于作业井的距离D_ij。

$D_{\mathrm{ij}}=\sqrt{\Delta H_{\mathrm{ij}}^2+\Delta N_{\mathrm{ij}}^2+\Delta E_{\mathrm{ij}}^2}$式(1)

其中，i表示作业井中预测点的编号，j表示参考井中参考点的编号。

ΔH_ij表示在作业井中预测点i与参考井中参考点j的垂深差。

ΔN_ij表示在作业井中预测点i与参考井中参考点j的南北位移差。

ΔE_ij表示在作业井中预测点i与参考井中参考点j的东西位移差。

本申请的实施例，利用磁测距系统根据参考井的测量数据预测得到作业 井中的预测点。预测点的参数包括垂深、南北位移以及东西位移，这些参数 可以根据参考井的井深、方位角以及井斜等测量数据来进行转化获得。

以为作业井中确定一个预测点为例，在参考井中确定和作业井中预测点 垂深相同的参考点的方法，参考图3中虚线所示。

在参考井中，可以从与预测点垂深相同的某一个参考点分别向上和向下 各选取n个点(每个点的坐标为参考井坐标)，这2n个点以及参考点共构成 包含2n个段落的参考段。段落编号可以为从上到下以自然码进行的编号。

由于每个参考段中段落两点之间距离过大会造成测量的准确性下降，因 此，对参考段中段落长度较大而影响测量准确性和精度的情形，对参考段中 的每一段落进行内插值处理，获得包括段落端点在内的多个编码点(图中示 出了对段号为1的第一段进行插值的情形)，其中参考段的两个端点也作为 两个编码点。内插方式为以需要的最小精度分割井深值。如果参考段中段落 长度较小而不会影响测量准确性和精度的情形，则也可以不进行对段落的内 插值处理。

采用上述表达式(1)计算作业井中的预测点(图中以P02这一预测点 为例)与参考井中每个段落内的每个编码点之间的距离，据此获得预测点与 每一段落的最小距离。

上述对参考段中每个段落进行的内插值处理，都进行如下计算。

ΔL＝L2-L1                      式(2)

ΔH＝H2-H1                      式(3)

ΔN＝N2-N1                      式(4)

ΔE＝E2-E1                      式(5)

$\frac{\Delta L_i}{\mathrm{\Delta L}}=\frac{\Delta H_i}{\mathrm{\Delta H}}=\frac{\Delta N_i}{\mathrm{\Delta N}}=\frac{\Delta E_i}{\mathrm{\Delta E}}$式(6)

其中，L1、H1、N1以及E1分别表示段落上端点的井深、垂深、南北 位移以及东西位移；L2、H2、N2以及E2分别表示段落下端点的井深、垂 深、南北位移以及东西位移。

根据表达式(6)确定一个段落内的插值间隔ΔL_i，然后根据表达式(7) 确定编码点的数量m。

式(7)

其中，符号表示向上取整。

根据表达式(8)、(9)以及(10)计算段落内每个编码点的坐标。

$H_k=H1+2*\mathrm{\Delta H}*\frac{k*\Delta L_i}{\mathrm{\Delta L}}$式(8)

$N_k=N1+2*\mathrm{\Delta N}*\frac{k*\Delta L_i}{\mathrm{\Delta L}}$式(9)

$E_k=E1+2*\mathrm{\Delta E}*\frac{k*\Delta L_i}{\mathrm{\Delta L}}$式(10)

其中，1≤k≤m。

根据如下表达式(11)计算获得参考井中的预测点(H，N，E)与每一 个编码点的距离。

$D_k=\sqrt{{(H-H_k)}^2+{(E-E_k)}^2+{(N-N_k)}^2}$式(11)

选取最小D_k，并记录段内号。该最小的D_k即为作业井一段第一预测轨 迹内某个预测点与参考井中的对应参考段最小距离，这一最小距离也是这个 预测点与参考井的第一最小距离。

对作业井一段第一预测轨迹中的所有预测点依次进行上述处理，根据作 业井中每个预测点与参考井的最小距离，获得作业井在第一预测轨迹内与参 考井的第一最小距离。具体地，从作业井各个预测点距离参考井的最小距离 中选取最小者，作为作业井在第一预测轨迹内与参考井的第一最小距离。

上述步骤S140中，如果判断出作业井与参考井之间的第一最小距离小 于为作业井预先设定的安全半径而可能会发生碰撞时，缩小磁定位的测量间 距再次进行磁定位测量，以进行如下所述的绕障计算。

如图4所示，绕障计算主要包括如下步骤。

步骤S141，缩小磁定位技术的测量间距，使用比步骤S110中用到的测 量间距更小的测量间距对作业井的井眼轨迹再次进行测量，获得作业井密集 测量点，这些密集测量点可以更加准确地表现作业井的方位和形状等。

利用磁定位测量数据对作业井做修正，修正的具体对象是作业井预测轨 迹之前的磁定位测量点。一旦需要绕障，则要使用磁定位系统对作业井井底 的井眼轨迹做小间距的多点测量，以获得精确的作业井井底轨迹数据，用此 数据修正此前使用的测量间距较大的作业井数据。

步骤S142，计算作业井密集测量点和作业井井底处井眼轨迹的方位角 以及井斜角。

步骤S143，利用作业井的密集测量点和作业井井底处井眼轨迹的方位 角以及井斜角重新进行轨迹预测，获得作业井的第二预测轨迹。

步骤S144，根据第二预测轨迹中每个密集测量点的坐标参数以及三维 扫描，计算获得第二预测轨迹中每个密集测量点与参考井之间的第二最小距 离Dmin。

步骤S145，判断是否有第二预测轨迹落在作业井的安全半径之内，如 果第二预测轨迹的所有点都在安全半径R1之外，则不需绕障。

步骤S146，在作业井中计算从井底到作业井第二预测轨与参考井第二 最小距离处对应位置之间的距离L。这样，绕障计算可简化为距离相距L， 偏移P＝R1-Dmin，即可避免相碰，其中R1为作业井的安全半径。

步骤S147，根据如下表达式(12)计算绕障半径R，并根据如下表达式 (13)计算作业井在该第二最小距离处的曲率K_min。

$R=\frac{P^3+L^3}{4P}$式(12)

$K_{\min }=\frac{180*C_k}{2*\pi *R}$式(13)

其中，C_k表示井眼轨迹设计比例常数。

步骤S148，检查该曲率K_min，如曲率K_min太大，证明无法绕开，如曲率 K_min合适，则可以进行绕障。曲率合适是指计算得出的曲率小于作业的最大 可行曲率，作业的最大可行曲率是由现场作业条件决定的。

步骤S149，根据如下表达式(14)和(15)计算分节点井斜角α_i和方位 角Φ_i，并将井斜角和方位角转换为垂深、南北位移以及东西位移，然后进 行作业井的作业，并根据参考井的数据以及测距模型检查作业井的作业是否 正常。

α_i＝α₁                      式(14)

${\Phi }_i={\Phi }_1\pm \frac{\Delta L_i}{R}$式(15)

绕障轨迹是按照分段实行作业的，上述的分节点是指每个分段的结束 点。式(15)中的ΔL_i是分段的长度，α₁表示分段结束点的井斜角，Φ₁表示 分段结束点的方位角。

如图5所示，本申请实施例的钻井作业中的防碰绕障系统主要包括预测 模块510、获取模块520以及确定模块530，其中：

预测模块510，配置为采用磁定位技术预测获得作业井的第一预测轨 迹；

获取模块520，与预测模块510相连，配置为获得所述作业井在所述第 一预测轨迹内与已有的参考井之间的第一最小距离；

确定模块530，与获取模块520相连，配置为根据所述第一最小距离以 及为所述作业井预设的安全半径确定所述作业井是否需要进行绕障作业。

如图6所示，上述获取模块520包括第一预测单元610及距离获取单元 620。

第一预测单元610，配置为利用磁测距系统，根据所述参考井预测得到 所述作业井中的多个预测点。

距离获取单元620，与第一预测单元610相连，配置为根据所述多个预 测点获得所述作业井在所述第一预测轨迹内与所述参考井之间的所述第一最 小距离。

如图7所示，上述距离获取单元620包括选取子单元710、第二选取子 单元720以及第三选取子单元730。

选取子单元710，配置为在所述参考井中选取与所述作业井中某预测点 垂深相同的某参考点为基准，在所述参考井中确定包含有多个段落的参考 段。

第一获取子单元720，与选取子单元710相连，配置为根据所述多个段 落获得所述某预测点与所述参考段的最小距离作为所述某预测点与所述参考 井的最小距离。

第二获取子单元730，与第二选取子单元720相连，配置为根据所述作 业井中每个预测点与所述参考井的最小距离，获得所述作业井在所述第一预 测轨迹内与所述参考井的所述第一最小距离。

如图8所示，上述确定模块530包括第二预测单元810、曲率获取单元 820以及决定单元830。

第二预测单元810，配置为所述最小距离小于为所述作业井预设的安全 半径时，缩小所述磁定位技术中的测量间距并采用所述磁定位技术预测获得 所述作业井的第二预测轨迹。

曲率获取单元820，与第二预测单元810相连，配置为根据所述作业井 的井底到所述作业井的第二预测轨迹与参考井第二最小距离处对应位置的距 离、所述作业井的安全半径以及井眼轨迹设计比例常数，获得所述作业井在 所述第二距离处的曲率。

决定单元830，与曲率获取单元820相连，配置为根据所述曲率确定所 述作业井是否可以进行绕障作业。

本申请的实施例在发现碰撞危险时，采用磁定位技术详细测量作业井轨 迹来修正数据，然后重新预测判断是否存在碰撞危险，通过修正减少了误判 断的可能。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本 发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属领域内的技 术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式 上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的 权利要求书所界定的范围为准。