CN108661620B - 一种基于层中线的钻井轨迹控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于层中线的钻井轨迹控制方法，属于油气开发与勘探领域。所述方法包括：第一步：收集并处理三维地震数据，形成地震剖面图；第二步：对地震剖面图中的道数据进行0‑1刻度,形成由0‑1构成的地震道数据；第三步：对目标地层的上界面和下界面进行矢量化；第四步：获取目标地层的上界面和下界面的中线，即层中线；第五步：对层中线进行曲线分段直线化获得各段的起始坐标点和结束坐标点以及各段的直线方程，形成直线方程集合；第六步：根据所述各段的直线方程获取各段的钻进倾角和钻进距离；第七步：顺序连接各段的起始坐标点和结束坐标点，形成最佳钻井轨迹。

Description

一种基于层中线的钻井轨迹控制方法

技术领域

本发明属于油气开发与勘探领域，具体涉及一种基于层中线的钻井轨迹控制方法，用于钻井过程中获取钻进倾角和钻进距离，从而指导钻井工程师快速准确调整钻井轨迹。

背景技术

目前，在石油、天然气等钻井勘探开发技术领域，在水平井作业过程中，地质导向技术开始广泛应用。目前在水平钻井施工过程中，对于钻井轨迹的控制要求较高，尤其是在进入储层以后的钻进控制要求较高，需要确保轨迹在层内穿行。在如何进入储层方面的井眼轨迹设计与控制方面，已经有很多成熟的技术。但是进入储层以后，如何优化井眼轨迹设计与控制，现有技术存在不足。特别是在断层较多、地层界面较为复杂、薄油层及非均质储层条件下，进入储层以后，井眼轨迹的设计和控制非常困难。在采用地质导向钻井中，需要根据实钻轨迹和随钻测井资料的响应情况进行实时决策分析，并根据情况变化及时修改地质模型和调整钻井轨道，原有的设计轨迹往往已不适应实际的需要。为了提高储层钻遇率，需要先设计出一套合理的能够快速响应的待钻井眼轨迹，才能适应地质导向钻井的要求。

由于井眼空间位置及方向的限制以及钻井工艺上的不同要求，须对井眼轨迹进行三维设计。如果通过理论的几何空间求解方式，可以有无数条三维轨迹曲线。但是由于存在太多的约束条件，设计并优化出合理的井眼轨道是一难题。特别是一套可以通过软件高效实现的快速响应的待钻井眼轨迹，不仅能够提高钻井作业效率，降低地成本，而且可以有效提高井眼轨迹控制的精度，提高钻遇率，最大程度的在储层钻进。

国内外对于钻头轨迹的控制技术研究非常多，但对于如何通过软件快速有效的实现快速响应的待钻井眼轨迹的快速计算研究较少，特别是为实现有效、准确、实时、低成本的无人值守的自动化钻井提供解决方案的更少。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种基于层中线的钻井轨迹控制方法，在待钻井眼轨迹建立完成以后，根据实钻轨迹和随钻测井资料的响应情况进行实时决策分析，并根据情况变化及时修改地质模型和调整钻井轨道。从而指导钻井人员快速准确调整钻井轨迹倾角，预防打穿目标层，确保轨迹在目标层内穿行。并为钻井轨迹、钻井参数调整提提供决策依据，从而提高水平井钻井效率、优质储层钻遇率。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于层中线的钻井轨迹控制方法，所述方法在待钻井眼轨迹建立过程中，依据待钻水平段地层的界面信息获取地层中线位置，并依据该地层中线的坐标信息，获取钻进倾角，用于控制和调整钻井轨道，所述方法包括：

第一步：收集并处理三维地震数据，形成地震剖面图；

第二步：对地震剖面图中的道数据进行0-1刻度,形成由0-1构成的地震道数据；

第三步：对目标地层的上界面和下界面进行矢量化；

第四步：获取目标地层的上界面和下界面的中线，即层中线；

第五步：对层中线进行曲线分段直线化获得各段的起始坐标点和结束坐标点以及各段的直线方程，形成直线方程集合；

第六步：根据所述各段的直线方程获取各段的钻进倾角和钻进距离；

第七步：顺序连接各段的起始坐标点和结束坐标点，形成最佳钻井轨迹。

所述第一步是这样实现的：

收集钻探地区的地震处理后的时间域或深度域三维地震数据体；

对三维地震数据体进行波形特征和深度对比处理，依据目标地质设计的待钻井眼轨迹的要求提取地震剖面图，形成n行m列数组。

所述第二步是这样实现的：

计算地震道数据的道基值，查找道数据的前n个数据，按下列公式进行计算：

Baseval＝(VAL1+VAL2+…VALn)/n；

其中，Baseval为道基值，n为数据个数，VAL1～VALn为一个地震道的前n个数据；

对全部地震道数据进行0-1设置：

当VAL_i>Baseval，设为1；

当VAL_i<＝Baseval，设为0；

经过上述数据处理，形成一个n行m列的由0和1构成的数组，即0-1数组，该0-1数组代表的是一个n行m列个点构成的二维平面图形。

所述第三步是这样实现的：

将所述0-1数组中与0相邻的数字1设置为数字2，这样形成由若干个2构成的线条和环形图案，这些数据形成一个新的0-1-2数组；

所述0-1-2数组中值为2的点就是地层的边界点，环形图案或线条的上边代表地层的上界面，环形图案或线条的下边代表的是地层的下界面。

所述第四步是这样实现的：

将所述0-1-2数组中的2对应点与原地震剖面图中的对应坐标点关联起来，形成地层界面的坐标数据；

采用多点拟合算法将这些坐标点拟合成目标地层的边界线：

分别在目标地层的上界面、下界面上选取特征点，作为曲线拟合的样本点，采用整段拟合或分段拟合对所述样本点进行曲线拟合，形成曲线方程：

上界面拟合方程为：y＝ax³+bx²+cx+d。其中，a、b、c、d为方程系数，(x,y)为上界面上的一点；

下界面拟合方程为：y’＝a’x’³+b’x’²+c’x’+d’。其中，a’、b’、c’、d’为方程系数，(x’,y’)为下界面上的一点；

在目标地层的钻井轨迹水平段中，根据上界面拟合方程和下界面拟合方程，逐点计算出地层的上界面和下界面的中间点的坐标，连接各中间点获得上界面和下界面的中线，即层中线。

所述第五步是这样实现的：

以钻头所在点为起点，向后逐点计算层中线上的点的直线方程，当该直线方程上的点与层中线的距离偏差大于设定误差，同时轨迹还在上界面线和下界面线之间，且距离上界面和下界面的距离同时符合钻井施工要求时，第一个分段结束，记录下起始坐标点(x0₁,y0₁)和结束坐标点(x0₂,y0₂)；以上一段的结束点为起点，以同样方法开始下一个段的直线化操作，直至全部目标井眼轨迹结束,同样记录下各段的起始坐标点和结束坐标点，以各段的起始坐标点和结束坐标点构建各段的直线方程，形成直线方程集合:

Y₁＝b₁X₁+a₁

Y₂＝b₂X₂+a₂

Y₃＝b₃X₃+a₃

......

Y_k＝b_kX_k+a_k。

所述第六步是这样实现的：

计算各段与水平面的夹角α，作为钻井施工的依据，计算公式如下：

α₁＝180-actan(b₁)

α₂＝180-actan(b₂)

α₃＝180-actan(b₃)

......

α_k＝180-actan(b_k)

计算各段的起始坐标点和结束坐标点之间的距离D，作为钻进的距离：

D＝SQRT((Xp-Xq)²+(Yp-Yq)²)

p和q代表两个不同的点。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过本发明的中线法设计与控制钻井轨迹，适应于具有矢量化的地层上下层界面曲线的情况。该方法能够让地质导向人员或钻井决策人员在钻头钻入目标地层后，能够快速的设计出符合地层特征的钻井轨迹，控制轨迹的钻进角度，保证钻井施工最大限度内在地层上下界面中穿行，以免钻头打穿地层界面，缩短施工时间，降低施工成本，调高优质储层钻遇率，调高油气产量。

附图说明

图1矢量地层界面示意图

图2上下地层界面中间地层线(简称中线)示意图

图3中线分段直线化示意图

图4直线化后的各线段与水平面夹角示意图

图5最佳轨迹示意图

图6软件界面。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

本发明提出了一种可以快速响应的待钻井眼轨迹的方法，该方法可以通过计算机软件编程高效实现。通过该方法在待钻井眼轨迹建立过程中，依据待钻水平段地层的界面信息计算地层中线位置，并依据该中线坐标信息，计算最佳钻进倾角，用于控制和调整钻井轨道。

本发明是通过采用下述技术方案实现的：

第一步：三维地震数据收集与处理

收集钻探地区的地震处理后的时间域或深度域三维地震数据体。对三维地震数据体进行波形特征和深度对比处理，依据目标地质设计的井眼轨迹要求提取剖面图，形成了n行m列数组。该剖面数组形成的图形反映的是地层的结构，地层界面的位置及水平方向的走势。

第二步：对地震剖面的道数据进行0-1刻度,形成由0-1构成的地震道数据

通过下列公式进行：

计算地震道数据基值，查找道数据的前n个数据，按下列公式进行计算：

Baseval＝(VAL1+VAL2+…VALn)/n；

其中，Baseval为道基值，n为数据个数，VAL1～VALn为一个地震道的前n个数据。

对全部地震道数据进行0-1设置：

当VAL_i>Baseval，设为1；

当VAL_i<＝Baseval，设为0；

经过上数据处理，将形成一个n行m列的由0和1构成的数组(简称0-1数组)，该0-1数组代表的是一个n行m列个点构成的二维平面图形。

例如：

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第三步：矢量化地层上下界面

将上述0-1数组中与0相邻(“相邻”是指上、下、左、右任意位置只要有一个0)的数字1设置为数字2，这样会形成若干个2线条(即由多个2形成的线条)和环形图案(2所围成的区域可以被视为一个环形图案)，这些数据形成一个新的0-1-2数组。这里值为“2”的点就是地层的边界点，环形图案或线条的上边代表地层的上界面，环形图案或线条的下边代表的是地层的下界面，如下面所示：

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第四步：计算目标地层上下界面的中线

将上述0-1-2数组的2对应点与原地震剖面的对应坐标点关联起来，形成地层界面的坐标数据。将这些坐标点采用多点拟合算法形成地层边界线。这里分别在目标地层上界面、下界面上选取特征点，如A(x1,y1),B(x2,y2),C(x3,y3),D(x4,y4),E(x5,y5)等，作为曲线拟合的样本点，选取的多少依据曲线的光滑程度而定，对于光滑的地层可选取较少点进行拟合，可减少计算时间。对上述点进行曲线拟合，形成曲线方程：

上界面拟合方程为：y＝ax³+bx²+cx+d。其中，a、b、c、d为方程系数，(x,y)为上界面上的一点。

下界面拟合方程为：y’＝a’x’³+b’x’²+c’x’+d’。其中，a’、b’、c’、d’为方程系数，(x’,y’)为下界面上的一点。

本部分可根据需要进行分段拟合，如果是分段拟合，后面的步骤还是相同的。根据上述方程，计算两曲线中间的点，目标地层的钻井轨迹水平段中，逐点计算出地层的上下界面的中间点坐标，连接各点形成中线；形成上下地层界面中间地层线，简称层中线。

第五步：曲线直线化(分段变曲线为直线)

直线化曲线的目的是为了钻井施工中便于按照一定的角度控制钻进，减少钻井角度的变化，实现快速钻井。

以钻头所在点为起点，向后逐点计算中间线上的点的直线方程，当该方程上的点与中间线的距离偏差大于某一误差(如50％，该误差量依据轨迹的设计要求而定)，同时轨迹还在在上、下界面线之间，且距离边界距离可以符合钻井施工要求时，第一个分段结束，记录下起始坐标点(x0₁,y0₁)和结束坐标点(x0₂,y0₂)；以上一段结束点为起点，开始下一个段直线化操作，直至全部目标井眼轨迹(在石油钻井中，井眼轨迹是指所钻井穿过的地层的全部位置坐标点连线，这里要求层中线的终点结束位置是与目标井眼标轨迹的结束位置一致)结束,同样记录下各段的起止坐标点。如图3所示，形成中线分段直线化示意图。

形成分段后的直线方程集合

以上述各段起止坐标点构建各自直线方程，形成方程集合:

Y₁＝b₁X₁+a₁

Y₂＝b₂X₂+a₂

Y₃＝b₃X₃+a₃

......

Y_k＝b_kX_k+a_k

第六步：计算钻进倾角和钻进距离

如图4所示，计算划出直线化后的各线段与水平面夹角α，作为钻井施工的依据。计算公式如下：

α₁＝180-actan(b₁)

α₂＝180-actan(b₂)

α₃＝180-actan(b₃)

......

α_k＝180-actan(b_k)

计算各段首尾两点间距离，作为钻进的距离：

D＝SQRT((Xp-Xq)²+(Yp-Yq)²)

p和q代表两个不同的点。

第七步：顺序连接各段点，形成最佳钻井轨迹，形成的最佳轨迹如图5所示，最终在软件中实现的界面如图6所示。

本发明涉及油气开发与勘探领域，具体地用于让地质导向人员或钻井决策人员在钻头钻入目标地层后，能够快速的设计出符合地层特征的钻井轨迹，控制轨迹的钻进角度，保证钻井施工最大限度内在地层上下界面中穿行。此项发明的成果应用到随钻地质导向，将非常有效的提高地质导向效率，具有非常好的市场需求.

上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。

Claims (4)

1.一种基于层中线的钻井轨迹控制方法，其特征在于：所述方法包括：

第一步：收集并处理三维地震数据，形成地震剖面图；

第二步：对地震剖面图中的道数据进行0-1刻度,形成由0-1构成的地震道数据，即0-1数组；

第三步：对目标地层的上界面和下界面进行矢量化；

第四步：获取目标地层的上界面和下界面的中线，即层中线；

第五步：对层中线进行曲线分段直线化获得各段的起始坐标点和结束坐标点以及各段的直线方程，形成直线方程集合；

第六步：根据所述各段的直线方程获取各段的钻进倾角和钻进距离；

第七步：顺序连接各段的起始坐标点和结束坐标点，形成最佳钻井轨迹；

所述第二步是这样实现的：

计算地震道数据的道基值，查找道数据的前n个数据，按下列公式进行计算：

Baseval＝(VAL1+VAL2+…VALn)/n；

其中，Baseval为道基值，n为数据个数，VAL1～VALn为一个地震道的前n个数据；

对全部地震道数据进行0-1设置：

当VAL_i>Baseval，设为1；

当VAL_i<＝Baseval，设为0；

经过上述数据处理，形成一个n行m列的由0和1构成的数组，即0-1数组，该0-1数组代表的是一个n行m列个点构成的二维平面图形；

所述第三步是这样实现的：

将所述0-1数组中与0相邻的数字1设置为数字2，这样形成由若干个2构成的线条和环形图案，这些数据形成一个新的0-1-2数组；

所述0-1-2数组中值为2的点就是地层的边界点，环形图案或线条的上边代表地层的上界面，环形图案或线条的下边代表的是地层的下界面；

所述第四步是这样实现的：

将所述0-1-2数组中的2对应点与原地震剖面图中的对应坐标点关联起来，形成地层界面的坐标数据；

采用多点拟合算法将这些坐标点拟合成目标地层的边界线：

分别在目标地层的上界面、下界面上选取特征点，作为曲线拟合的样本点，采用整段拟合或分段拟合对所述样本点进行曲线拟合，形成曲线方程：

上界面拟合方程为：y＝ax³+bx²+cx+d，其中，a、b、c、d为方程系数，(x,y)为上界面上的一点；

下界面拟合方程为：y’＝a’x’³+b’x’²+c’x’+d’，其中，a’、b’、c’、d’为方程系数，(x’,y’)为下界面上的一点；

在目标地层的钻井轨迹水平段中，根据上界面拟合方程和下界面拟合方程，逐点计算出地层的上界面和下界面的中间点的坐标，连接各中间点获得上界面和下界面的中线，即层中线。

2.根据权利要求1所述的基于层中线的钻井轨迹控制方法，其特征在于：所述第一步是这样实现的：

收集钻探地区的地震处理后的时间域或深度域三维地震数据体；

对三维地震数据体进行波形特征和深度对比处理，依据目标地质设计的待钻井眼轨迹的要求提取地震剖面图，形成n行m列数组。

3.根据权利要求2所述的基于层中线的钻井轨迹控制方法，其特征在于：所述第五步是这样实现的：

以钻头所在点为起点，向后逐点计算层中线上的点的直线方程，当该直线方程上的点与层中线的距离偏差大于设定误差，同时轨迹还在上界面线和下界面线之间，且距离上界面和下界面的距离同时符合钻井施工要求时，第一个分段结束，记录下起始坐标点(x0₁,y0₁)和结束坐标点(x0₂,y0₂)；以上一段的结束点为起点，以同样方法开始下一个段的直线化操作，直至全部目标井眼轨迹结束,同样记录下各段的起始坐标点和结束坐标点，以各段的起始坐标点和结束坐标点构建各段的直线方程，形成直线方程集合:

Y₁＝b₁X₁+a₁

Y₂＝b₂X₂+a₂

Y₃＝b₃X₃+a₃

......

Y_k＝b_kX_k+a_k。

4.根据权利要求3所述的基于层中线的钻井轨迹控制方法，其特征在于：所述第六步是这样实现的：

计算各段与水平面的夹角α，作为钻井施工的依据，计算公式如下：

α₁＝180-actan(b₁)

α₂＝180-actan(b₂)

α₃＝180-actan(b₃)

......

α_k＝180-actan(b_k)

计算各段的起始坐标点和结束坐标点之间的距离D，作为钻进的距离：

D＝SQRT((Xp-Xq)²+(Yp-Yq)²)

p和q代表两个不同的点。

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