地质导向钻井工艺技术在胜利油田的推广应用-陈建隆 - 图文

中图分类号：TP254.3 单位代码：10425

学 号：

地质导向钻井工艺技术在胜利油田的推广应用

Application and promotion on geosteering drilling

technology in Shengli Oilfield

工程领域： 石油与天然气工程 研究方向： 油气井工程 作者姓名： 校内导师： 校外导师：

二〇〇九年四月

Application and promotion on geosteering drilling

technology in Shengli Oilfield

A Thesis Submitted for the Degree of Engineering Master

College of Petroleum Engineering China University of Petroleum (EastChina)

关于学位论文的独创性声明

本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外，本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油大学（华东）或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。

若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。

学位论文作者签名： 日期： 年 月 日

学位论文使用授权书

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保密学位论文在解密后的使用授权同上。

学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 指导教师签名： 日期： 年 月 日

摘要

摘 要

胜利油田存在着大量自然形成的复杂断块油藏、隐蔽油藏、薄油藏和老油田长期开采剩余的边底水构造油藏等复杂油气藏，迫切需要应用先进的钻井技术来开发这类油气藏，以利于油气采收率的提高和增储上产的需要，地质导向钻井技术为开发该类型油藏提供了强有力的技术支持和硬件保障。

胜利油田的开发已进入中后期，油田地质构造及地层描述已相当清楚，利用带自然伽马和电阻率两道地质参数的LWD仪器，结合邻井的测井资料，能够定性和定量地描述开发地层的地质构造及各层位的孔隙度、地层骨架的岩性及密度，在这种情况下，利用“自然伽马+电阻率+MWD”仪器构成的简易地质导向系统，再结合随钻预测应用软件系统，可以进行地质导向钻井。这种简化结构的LWD仪器，既能满足随钻地层参数测量和井眼轨迹测量的要求，又具有操作简便、成本较低的优势。

本文在对地质导向钻井技术国内外现状进行充分调研的基础上，采用结合现场实际需要，以深入的理论研究为基础，充分利用现有成熟技术，反复论证优选设计方案的技术路线，完善了包括：水平井地质导向测量参数随钻解释技术；基于地质导向的水平井待钻井眼轨道校正设计技术；基于地质导向的井眼轨道设计和井眼轨迹控制软件；现场实时数据资源共享和地质导向钻井多学科专家远程实时决策系统。

该技术的推广应用，使现场工程师能有效地控制井眼轨迹的走向，精确地控制井眼轨迹穿行于储层中有利于产油的最佳位置，有效地回避油／气和油／水界面，回避风险，从而显著地提高钻井效率，整体上提高油田的勘探开发效果。

关键词：胜利油田，地质导向，地质导向钻井工艺技术，现场应用

中国石油大学(华东)工程硕士学位论文

Application and promotion on geosteering drilling technology in

Shengli Oilfield

Abstract

There are lots of block reservoir, subtle pool, thin layer and old oil fields which contain edge and bottom water in Shengli Oil Field. It is needed to develop the oil fields that advanced drilling technique. The geosteering drilling technology can be used to explore these oil fields successfully.

In the later period of oil field development, the reservoir description is very fine. By measuring the gamma ray and resistivity while drilling and using the neighbor wells logging information, they can describe the structure, porosity, density. In this condition, by using the system of LWD and the related software the geo-steering drilling technology can be come true. Not only be measured parameter and well trajectory, but be operated simply and be lowly cost.

This paper depended on the research of the world geosteering drilling technology，combined the actual needs of oil field, taked advantage of current technology, Optimized the cases. It perfected the well geosteering drilling explanation, the design correction of well trajectory, the control software of well trajectory, the field information sharing and the Multi-disciplinary expert decision system.

If the drilling technology be spread, the field engineer will control the well trajectory in the oil layer better and better, avoid the GOC and WOC. By using the advanced drilling technology, the efficiency of drilling can be improved; the effective of exploration and development can be enhanced.

Key words: Shengli oil-field, geosteering, geosteering drilling technology, field application

目录

目 录

第一章 绪论 ......................................................................................................... 1

1.1 课题研究目的和意义 ........................................................................... 1 1.2 国内外地质导向钻井技术发展现状 ................................................... 2 1.3 本文的主要研究内容 ........................................................................... 5 第二章 地质导向钻井工艺技术研究 ................................................................. 6

2.1 水平井地质导向测量参数随钻解释软件 ........................................... 6 2.2 地质导向钻井随钻预测理论与方法研究 .......................................... 11 2.3 基于地质导向的水平井待钻井眼轨道校正设计 ............................. 14 2.4 基于地质导向的井眼轨道设计和井眼轨迹控制软件 ..................... 33 第三章 地质导向钻井工艺技术现场应用 ....................................................... 43

3.1 地质导向水平井钻井现场应用技术 ................................................. 43 3.2 钻井过程中地质、油藏工程师的作用 ............................................. 50 3.3 基于地质导向钻井的水平井钻井技术相关措施 ............................. 53 3.4 地质导向钻井技术的相关软件应用 ................................................. 59 3.5 地质导向钻井技术远程传输的应用 ................................................. 60 第四章 现场应用情况与达到的技术水平 ..................................................... 62

4.1 现场应用情况 ..................................................................................... 62 4.2 达到的技术水平 ................................................................................. 63 认识 ..................................................................................................................... 64 参考文献 ............................................................................................................. 64

第一章 绪论

第一章 绪论

1.1 课题研究目的和意义

地质导向钻井（Geo-Steering Drilling）技术是二十世纪九十年代国际钻井界发展起来的前沿钻井技术之一，是用地质信息、随钻测井（LWD-Logging While Drilling）仪器响应和用于引导井眼进入目的层并保持在目的层内的解释技术的一种综合。在钻井过程中，通过实时测量多种井底信息，对所钻地层的地质参数进行实时评价，从而精确地控制井下钻具命中最佳地质目标。

我国陆上石油和天然气储量丰富，但有相当一部分油藏属于油层薄、形状特殊、形式隐蔽或老油田开发后期的复杂油藏，迄今为止这类油藏的动用程度还比较低。随着钻井新技术的迅猛发展，地质导向钻井技术为开发该类型油藏提供了强有力的技术支持和硬件保障，而且国外已经发展到了相当高的技术水平，并已进入商业化应用时期。

测井理论及实践表明，对于开发性油田区块，特别是油田开发的中后期，油田地质构造及地层描述已相当清楚，利用带自然伽马和电阻率两道地质参数的LWD仪器，结合邻井的测井资料，能够定性和定量地描述开发地层的地质构造及各层位的孔隙度、地层骨架的岩性及密度，在这种情况下，利用“自然伽马+电阻率+MWD”仪器构成的简易地质导向系统，再结合随钻预测应用软件系统，可以进行地质导向钻井。这种简化结构的LWD仪器，既能满足随钻地层参数测量和井眼轨迹测量的要求，又具有操作简便、成本较低的优势，因此这项技术目前在国内外已得到大规模推广应用。

胜利油田存在着大量自然形成的复杂断块油藏、隐蔽油藏、薄油藏和老油田长期开采剩余的边底水构造油藏等复杂油气藏，作为技术支撑的地质导向钻井技术为开发上述类型油藏提供了强有力的技术保障，胜利油田迫切需要应用先进的地质导向钻井技术来开发这类油气藏，以利于油气采收率的提高和增储上产的需要。因此，地质导向钻井技术的推广应用对于胜利油田“油气当量重上三千万”目标的早日实现具有重要的现实意义，应用市场广阔，推广应用前景相当乐观。

该技术的推广应用，能够使现场工程师有效地控制井眼轨迹的走向，精确

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地控制井眼轨迹穿行于储层中有利于产油的最佳位置，有效地回避油／气和油／水界面，回避风险，从而显著地提高钻井效率，整体上提高油田的勘探开发效果。

1.2 国内外地质导向钻井技术发展现状

1.2.1国外地质导向钻井技术发展现状

近年来，导向钻井技术在国外已经取得了长足的发展。二十世纪八十年代，导向螺杆钻具（弯外壳马达）替代了直螺杆钻具和弯接头，通过应用导向螺杆钻具和无线随钻测量系统两项新技术，成功地实现了水平井钻井的几何导向。二十世纪九十年代，导向钻井技术的重大进展是成功地开发了遥控可变径稳定器，这种机电一体化井下工具的开发成功，标志着遥控技术引入了钻井工程，意味着将有不同功能的多种井下遥控工具陆续开发出来。随钻测井（LWD）和随钻测量（MWD）技术在二十世纪九十年代得到了较快的发展。随钻测井及实时地质导向技术的发展改变了目前普遍使用的电缆测井和钻后测井这一状况，随钻测井新技术的推广与应用使得实现测井和钻井的统一成为可能。

调研发现，国内研究和报道有关近钻头随钻地质参数测量、解释及应用技术的文献相对较少，而国外一些大的油公司则在地质导向钻井方面做了大量的研究、试验和推广应用工作。

国外Schlumberger、Baker Hughes和Halliburton （Sperry Sun）公司拥有此项技术。Schlumberger公司（Anadrill）于1993年推出IDEAL系统（Integrated Drilling Evalutation and Logging，综合钻井评价和测井系统）之后，又推出了Power Drive系统；Baker Hughes拥有RCLS（闭环旋转自动导向）系统和Navigator系统，但他们目前只进行高价技术服务而不出售商品工具，并已在技术服务中收到了巨大经济回报。

二十世纪九十年代后期，Anadrill公司拥有随钻测井仪器CDN/CDR、Geostreeing地质导向仪器、ISONIC随钻声波仪器以及Powerpulse MWD仪器系列等主导产品。Halliburton公司以HDSIM、CWRGM、CLSS和DNSC为其主要服务产品。Anadrill公司的随钻成像仪器已投入商业使用。同时，Anadrill公

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第一章 绪论

司在2000年新推出了 ARC-6和ARC-8等来取代现有的系列仪器。目前随钻测量工具己完全具备了随钻测井及地质导向的能力，并使随钻定向测量及测井工具传感器更加接近钻头。Baker Hughes Inteq公司最新推出了定向钻井及随钻测量工具——连续旋转闭环定向钻井系统AutoTrak RCLS（AutoTrak Rotary Closed Loop System，简称AutoTrak），这是一套集钻进和随钻测量为一体的定向钻井系统，它能够在连续的旋转过程中提供精确的定向控制，实现方位和井斜的调节，因而，能够大大提高机械钻速、减少扭矩和摩阻、提高井眼质量。旋转导向自动钻井系统由旋转钻井下部导向钻具组合、CDR随钻测量系统、带CDR和AND的随钻电测系统和地面计算机监控系统组成，其核心是旋转导向钻具。Power Drive旋转导向钻井系统具有自我稳定的钻井液动力和密封控制单元，通过旋转稳定传感器同步调整井眼走向。

地质导向钻井技术的趋势是将钻井技术、测井技术以及油藏工程技术更加有机地融合为一体，并尽量近钻头测量地质参数(伽马、电阻率等)、钻井参数(井斜角、方位角等)及其他辅助参数，以更有效、迅速的方式将信号传至地面控制系统，用地面软件系统(含地层构造模型、参数解释和钻井设计控制三个主要模块)适时做出解释与决策，实施随钻控制。

综上所述，国外不但有较先进的地质导向硬件工具，而且具有相配套的随钻地质工程参数解释与地质导向应用软件系统。目前，国外典型的地质导向钻井系统是法国安纳森公司的综合钻井评价和测井系统，己在北海定向井和墨西哥湾水平井等项目中施工了50多口井，取得了良好的经济效益。

1.2.3国内地质导向钻井技术发展现状

我国实质性的定向井、水平井钻井技术研究工作开始于二十世纪八十年代中后期，经过多年的探索和研究，虽然取得了一定成果，但是由于基础薄弱，各项技术、设备配套不完善，整体技术水平与国外相比仍有较大差距，其中很重要的一个差距就体现在测量仪器方面。目前我国现有的测量设备主要是国产有线随钻测量仪、近年新研制成功的无线随钻测量仪以及进口的无线随钻测量仪（MWD）、随钻测井仪器（LWD）、随钻地层评价仪器（FEWD），国内钻探大位移井、水平井时所用的LWD、FEWD仪器主要依赖进口仪器。由此可见，

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测量仪器和装备的落后严重制约了我国钻井技术水平的进一步提高。

1996年中油北京地质录井技术公司（现中油测井公司）从美国Halliburton引进了国内第一套PathFinder LWD和SLIM1 GR MWD装备。经过近几年的技术消化和吸收，组建了自己的作业队伍和研究力量，分别在大庆、塔里木、华北、大港、海上油田顺利完成了随钻测井作业。近几年来，曾先后在国内的十几口探井和开发井中提供了随钻测井服务，取得了很好的测井效果和经济效益，培养了一批具有一定随钻测井服务经验的现场工程师，为油田勘探开发提供了一项全新的测井方式。

1997年胜利石油管理局钻井工艺研究院引进了英国Geolink公司生产的带自然伽马和电阻率两道参数的随钻测量仪器，并在胜利油田的边底水剩余油区块和塔里木油田的超薄油藏区块投入了生产应用，通过对比随钻测井曲线和邻井资料，及时获得地质特征的变化，在井眼轨迹实时控制方面发挥了积极作用，为开展地质导向钻井技术研究打下了良好的应用基础；同时，开始着手研究工作，经过几年的努力，目前已成功研制出整套MWD系统，能够完全取代同类进口仪器，并且掌握了井下工具硬件电路设计、信号处理方法、信号采集、机械结构设计及工艺等多项关键技术。

1999年胜利钻井工程技术公司引进了美国Halliburton Sperry-Sun公司生产的带4道地质参数的随钻地层评价仪器（FEWD-Formation Evaluation While Drilling），并在胜利油田、新疆塔里木油田的薄油层水平井开发中进行了应用，取得了良好效果，初步实施了地质导向。新疆、大港、辽河、四川等油田也陆续引进了带自然伽马的MWD无线随钻测量系统，并且在水平井中进行了大量的应用，效果良好，为在定向井、水平井作业进行地层判断提供了重要依据。长庆油田也引进了英国Geolink公司生产的带自然伽马和电阻率两道参数的随钻测量仪器。

国内在LWD技术研究方面处于起步阶段，而且仅限于对随钻自然伽马和电阻率两道参数的研究。1999年中石油勘探开发研究院开始进行地质导向钻井技术研究工作，目前虽在电阻率测量方面进行了一些理论性研究，取得了一定的成果，但在仪器研制方面没有实质性突破。西安石油勘探仪器总厂依靠多年从事测井仪器开发和制造的技术优势，近年来在随钻电阻率研究方面做了大量的工作，并且在随钻电阻率测井响应理论研究和试验方面取得了一些实质性进

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第一章 绪论

展，初步形成了进一步深入研究开发的能力。

2003年中海油田服务股份有限公司引进了Halliburton Sperry-Sun的FEWD和Baker Hughes的LWD。

目前国内总体上处于应用引进仪器和部分国产化仪器的地质导向初级阶段，尚未形成规模化应用的局面。

1.3 本文的主要研究内容

1、基于地质导向水平井的应用软件完善。 (1) 水平井地质导向测量参数随钻解释技术。

(2) 基于地质导向的水平井待钻井眼轨道校正设计技术。 (3) 基于地质导向的井眼轨道设计和井眼轨迹控制软件。

(4) 现场实时数据资源共享和地质导向钻井多学科专家远程实时决策系统。

2、地质导向钻井工艺配套技术的完善及应用。

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第二章 地质导向钻井工艺技术研究

2.1 水平井地质导向测量参数随钻解释软件

本章研究内容就水平井测井资料标准化和斜井校正、实测地质参数的地层对比研究、随钻测井资料的解释研究及水平井地质导向测量参数随钻解释软件编制等四个方面进行了研究。

2.1.1 水平井测井资料标准化和斜井校正

钻进时需要录取的测量参数包括地质参数、工程参数和录井参数，地质与工程参数都是通过钻井液按照MWD编码方式实时传输的，其中地质参数还可以通过钻后回放获得。录取到的参数要求准确、及时、可靠，能够真实地反映地层物性、准确地评价所钻遇地层的油气水特征。

准确地分析、对比邻近井或试验井的钻井资料、地震资料、测井资料和录井资料对于有效地评价地质靶点的不确定性是十分必要的。这种不确定性可以通过所选结构模型的数据类型、数据密度和可信度进行定性及定量分析，进而指导地质导向钻井。

LWD的地质导向作用主要体现在两个关键时刻：一是实钻井眼轨迹的垂深接近于储层时；二是在油层中钻进时，实钻井眼轨迹相对于储层位置发生了变化时。此时，实时电阻率和伽马的读值均发生相应的变化。不同岩性的地层，其自然伽马变化范围不同，而致密层、渗透层和油气水层的电阻率也不相同。随钻测井时，可以充分利用不同岩性、不同层位的自然伽马和电阻率的差异特性，并及时地提供给直接应用伽马、电阻率参数的现场工程地质技术人员，再结合地质录井、气测录井资料及时识别地层岩性，并判断是否钻遇导向标志层和目标油气层。

测井数据标准化处理的实质就是利用同一油田或地区的同一层段具有相似的地质、地球物理特性，从而规定了测井数据具有自身的相似分布规律。一旦建立各类测井数据的油田标准分布模式，就可运用相关分析技术，对油田各井

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第二章

的测井数据进行整体的综合分析，校正刻度的不精确性，达到全油田范围内测井数据的标准化。对测井数据进行环境影响校正之后，可用关键井标准层段的直方图、频率交会图与多维直方图作为测井数据标准化的分析刻度模式。然后，通过分析每一口井同一标准层段数据的频率分布，逐一与油田标准模式进行相关对比，检查各井数据的准确性，并确定进行校正所需要的一组转换值。

标准层一般应具有如下特点：在油田范围内沉积稳定，地层厚度适中且变化小、分布范围广，岩性与测井响应特征标志明显，受烃类和井眼影响小，因而便于对比和识别。一般选取油气层之外的石膏与石灰岩地层或纯泥岩、纯水层等作为标准层。

水平井中的随钻测井深度为实钻井深，在实际应用中应及时将随钻测井曲线从实钻井深校正到垂直井深上以便于与直井曲线对比；在随钻测井资料解释和应用过程中，也需要将随钻曲线经过斜井校深后与直井曲线进行对比。

斜井校正的前提是假设需要校正的斜井井段的曲率为一常数（一定井段

d??常数dh内），即井斜角θ随深度h的变化为常数（）。通过编制的斜井校正

应用程序，即可完成斜井校正工作。

地层界面的识别是地质导向钻井的关键技术。通常用随钻电阻率的变化来识别地层界面，一般认为，电阻率变化20%左右即表示出现一个新的地层界面。由于LWD测井组合与钻进过程中的钻具组合不存在系统误差，利用LWD测井曲线确定的靶点垂深与实际垂深之间的偏差较小。为此，在储层位置不明确的情况下，常常利用LWD测井曲线确定储层的垂深，从而消除地质设计的不确定性，确保井眼轨道设计的准确性。

2.1.2 实测地质参数的地层对比研究

为了准确地确定出所钻地层的层位和岩性，及时地将井眼轨迹调整到穿行于储层的最佳位置，准确地进行地层对比是十分必要的，同时也是地质导向钻井技术的基础工作。地层对比的主要方法是结合邻井测井曲线，将随钻测井曲线与之比较，从而得出所钻地层的解释成果。地层对比主要包括相关对比和自动分层两个方面。

1、从测井曲线中提取小层对比信息的方法

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在多井评价、油藏描述中，小层对比一直是地质和地球物理人员的主要研究课题，它是从单井解释走向多井评价的重要步骤，同时又是制定开发方案的重要依据。测井曲线是地下各种地质信息的综合反映，从测井曲线中提取小层对比信息是获得地层对比的重要保证。测井曲线种类繁多，要求对比人员合理选择测井曲线，保证能将小层对比信息反映出来。

小层对比可用岩性特征、厚度特征、位置特征、曲线形态特征、邻层特征（或围岩特征）来描述。位置、邻层特征是反映小层在油组中的纵向特征，它是小层对比的重要依据；岩性特征定义较灵活，可以是详细的岩性描述，也可以是较粗糙的岩性分类；曲线形态特征则是多方面的，其描述较为复杂。

图2-1为小层特征提取流程图，图2-2为小层对比实例。 开始

地区经验资料 油组信息 相分析资料 输入分层结论选择特征化曲线层厚特征岩性特征位置特征曲线形态特征邻层特征输出小层特征结束差分析的概念，把方差作为分层的指标；另一类是以相邻资料点间的差异为依据，用测井曲线的极值点或微商进行分层。第一类是一种数理统计方法，包括方差分析法、马氏广义距离法、最优极差分割法及最大似然估计法等；第二种是一种模拟传统的人工分层法，包括利用梯度曲线的极值点法和适用于对称型曲线的微商法。此外，近年来又逐渐引入数学中的褶积滤波法、中值滤波法进行分层。这些方法各有其优越的一面，可用于测井相的自动分层研究。但对采样间距较小的几百米井段的测井数据进行分层取值时，多数方法表现出明显的

2、随钻测井自动分层取值方法

测井相自动分层常用的数学模型归纳起来大致分为两类：一类是借助于方

图2-1 小层特征提取流程图

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第二章

不足，实际意义不大。

图2-2 小层对比图

测井相分析的是测井曲线分层以后的层参数特征。测井曲线的形态与变化规律除受岩性控制外，还与井下仪器类型、测井速度、井眼条件等有关，可将它归结为与岩层中心对称型和不对称型两大类基本类型。利用极值点法和数理统计法对第二类曲线分层，可以得到理论分层结果。对第一类曲线，利用最大微商法和数理统计法分层效果较明显。鉴于此，本研究从方差分析和极值分析的角度出发，采用一种直观实用的适合于对称型和非对称型两类曲线分层的数理统计方法——极值方差聚类分层法解决测井相分析中的自动分层取值问题。

极值方差聚类分层法的思路是：先用分层指标函数进行粗分层，大致确定出层界面位置，再对相邻两层用方差分析和聚类分析法进行细分层，找出准确的层界面位置。这种数理统计分层方法原理简单，与方差分层法相比极大地减少了计算工作量，效果明显，适用于所有形状的测井曲线测井相分层。在通过自动分层得到每层的顶底界面（深度）后，可采用极值法、平均值法、混合取值法、地层中部趋势值法来读取各层的测井曲线值。实际应用表明，采用地层中部趋势值法读值效果良好，因此本研究全部采用地层中部趋势值法来读取各层的测井曲线值。

地层对比结果表明，在钻井与邻近井的测井曲线具有很好的一致性，但与邻近井之间存在着不同的地层高程差。

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2.1.3 随钻测井资料的解释研究

测井资料解释需要了解以下三方面的第一性资料：

1、区域资料：井位部署图、构造井位图、钻井地质设计、主要目的层构造特征、储层特征、沉积环境及油气藏类型、各层段地层水矿化度变化情况、区域测井解释模型及相应解释参数。

2、邻井资料：测试情况及油、气、水分析资料，生产、注水情况（包括累计产油、累计产水、当前含水、累计注水量、注水矿化度等），测井资料及地质分层，岩心分析资料。

3、本井资料：岩屑录井，岩性、颜色及含油情况描述；钻井过程中钻井液性能变化，槽面油气显示情况及钻井液样品含油气情况分析；钻开目的层时间、钻时、井喷、井涌、井漏情况及有关数据。

选取解释参数时应注意的几个问题：

（1）解释参数的选取应多参考邻井测井、地质资料；

（2）受注水影响的储层，在选取地层水电阻率时要了解注入水矿化度。附近无注水井时，可采用邻井相同层位水层的测井资料或水分析资料计算；

（3）对明显受测井环境影响或其它原因造成的测井资料失真，选取解释参数时应考虑其对处理结果的影响；

（4）选取计算泥质含量曲线时要考虑储层内放射性物质对自然伽马测井影响。

针对上述问题，建立了相应的解释参数计算模型。

2.1.4 水平井地质导向测量参数随钻解释系统软件

成功地编制出了水平井地质导向测量参数随钻解释系统软件，以Windows 2000操作系统为工作环境，以MS Visual Studio 6.0为依托，采用面向对象的开发技术， 用Visual C++6.0语言开发完成。系统主要包括测井预处理、单井解释和多井对比三个方面的功能，在加载LAS格式数据文件后，首先对测井曲线进行预处理。在输入测井资料、井身参数等数据后，完成深度校正、数值编辑、井斜校正等处理，目的是尽可能消除环境因素对测井数据的不利影响。其次，

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第二章

在预处理基础上，进行储层参数计算。主要是针对砂泥岩储层，建立相应的解释模型。输入测井数据和处理参数，该模块运行后，输出解释成果图。再次，在预处理基础上进行多井对比分析。主要内容是输入多口井的测井资料，根据地质、钻井、测井等特征，对曲线进行对比连线，为寻找储层在横向、纵向上的变化规律提供工具。

利用水平井地质导向测量参数随钻解释系统对所完成的地质导向井的随钻测井资料进行了处理和解释，取得了良好的应用效果。

2.2 地质导向钻井随钻预测理论与方法

包括四方面的研究内容：

① 井眼轨迹参数随钻估计和预测； ② 导向标志层随钻预测； ③ 目标层随钻预测； ④ 地质导向钻井随钻预测软件

2.2.1 井眼轨迹预测

在水平井钻井过程中，为了有效控制井眼轨迹准确中靶并在靶区中钻进，需要利用随钻测量传感器对井眼轨迹参数进行随钻测量，但由于MWD传感器一般距钻头还有8～20m的距离（测量盲区），因此测量点的数据不能反映钻头位置的实际井眼状况，这给井眼轨迹的预测和控制带来诸多困难。目前，国际上常用的井眼轨迹预测方法主要有几何预测方法和基于BHA（底部钻具组合）受力分析的方法。其中，几何预测方法虽然简单但预测结果存在较大误差；而基于BHA受力分析的方法计算过程复杂，在许多场合下无法满足其所需的条件和假设。在分析了影响井眼轨迹的几个主要因素后，本研究采用了一种利用支撑向量机（SVM）来进行井眼轨迹预测的新方法，并利用多口实钻井的轨迹数据进行了验证。

利用SVM进行井眼轨迹预测的关键是如何选取输入特征向量和目标输出，以便最大限度地提高轨迹预测的精度。对井眼轨迹预测问题，需根据影响井眼轨迹的因素来选择输入特征向量和目标输出。一般来讲，影响井眼轨迹的主要

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因素包括以下四个方面：

① BHA结构和钻进方式的影响； ② 已钻井眼轨迹的影响； ③ 钻井参数的影响； ④ 地层参数的影响。

其中，BHA的结构和钻进方式是影响井眼轨迹的最主要参数，在定向钻井或水平钻井过程中的造斜段，往往要选择带有结构弯角的动力钻具，以便钻出具有一定井斜角和方位角的井眼轨迹；而已经形成的井眼轨迹对待钻井眼轨迹也有很大的影响，特别是MWD当前测点处和上一测点处的轨迹参数对钻头处的轨迹参数影响也很大；其次，采用定向钻进还是复合钻进对井眼轨迹的影响也不可忽视；而钻井参数和地层参数的影响，可由MWD当前测点处的轨迹参数反映出来。因此，在构造支撑向量机的过程中，可通过选取BHA结构、钻进方式及已钻井眼轨迹等参数作为SVM学习和预测时的输入特征向量。经反复试验分析，选取如下5个参数作为特征输入向量：

① 当前测点的井斜角，用x1表示； ② 当前测点的钻进方式，用x2表示； ③ 上一测点的钻进方式，用x3表示；

④ 当前测点与上一测点间井段的井眼曲率，用x4表示； ⑤ 上一测点与上上一测点间井段的井眼曲率，用x5表示。

此外，将钻头处的定曲率几何预测值与真实值的差值作为目标输出y，若记

X?[x1,x2,x3,x4,x5]T Y?[y]

这样，由?(Xi,Yi),i?1,2,...,l?就构成了一组训练样本，其中，l为样本数。 用支撑向量机进行BHA轨迹预测时，首先要选取一口或几口具有代表性的已钻井，并用这些井的井眼轨迹参数作为样本数据，从中提取上述5个输入特征向量并计算出对应的目标输出，组成训练样本数据，然后用前面提出的方法构造支撑向量机。在训练支撑向量机的过程中，通过选取不同的核函数、惩罚系数C和控制误差?，使支撑向量机达到最优。支撑向量机训练完成以后，它

12

第二章

的基本结构也就定了下来，即可用于其他井的轨迹预测。通过利用梁9-平2井的井眼轨迹参数进行训练，在其它十几口井中都得到了很好的预测效果。

2.2.2 地层可钻性级数估计

在钻井过程中，特别是到达定向段和水平段，为了能准确地判断钻头是否钻遇盖层，以及井眼轨迹是否在油层中延伸，如何实时获得钻头处地层的岩性和流体的性质就显得非常重要。在实际钻井过程中，自然伽马（GR）曲线可用于地层岩性的判别，地层电阻率（Rt）曲线可用于判别储集层的物性，如泥岩盖层的GR值要高于储集层的GR值，油层的Rt值要高于水层的Rt值。通常来说，GR和Rt这两个参数可以通过钻井中使用LWD随钻测井仪器来获得，然而，在国内大部分油田的钻井过程中，LWD传感器距离钻头有8~20m的距离，因此，所测得的数据并不能真实反映钻头处的GR和Rt，从而也无法对钻头处地层的岩性和物性实时做出判断。地层可钻性级数（Kd）反应了钻头所在地层的岩性，在钻井的过程中通过获取Kd参数，可以实时判别钻头是否钻遇盖层或是否穿出目标层。为此，对Kd的实时估计问题进行了研究，采用了基于遗传算法的地层可钻性级数估计的理论与方法，通过对埕71-平4井的Kd参数进行估计，其变化趋势与随钻测得的电阻率和自然伽马参数变化相吻合。

2.2.3 基于Bayes估计理论的三维地层建模和随钻修正

首先根据邻井的测井信息建立初始的三维地层模型。将地层进行网格化，分成l层，c?r 的网格。当然，网格分得越细越好，这样有利于建立精确的地层模型。但是，由于受到邻井数量的限制，为保证模型的相关性，因此必须考虑邻井的数量以使模型得到充分初始化，从而使整个模型参数都能在钻井过程中随钻调整。我们以每个地层单元厚度所构成的向量h来表示地层模型参数，地层模型中层间节点的垂直连线长度为向量的成员变量。在一开始，模型参数有着很大的不确定性，我们可以假定每一层都相等，即其成员变量都等于地层总厚度/l。然后，根据已有的邻井的数据，利用贝叶斯方法更新地层模型和其不确定性，目的是为了使初始模型符合已有邻井的数据。在这个过程中，正演模型是一个线性模型，所以计算相对比较简单。但是，虽然此时h的估计符合

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邻井数据，但是其相关性很弱，直井间的层厚由于正演模型的相对简单而导致不相关。为了在水平井钻井中实时预测下一层的深度，必须在钻前就得到相关的不确定性，所以如果邻井中有一口或一口以上水平井，那么就可以在钻前实现整个模型厚度的相关性。否则，必须在钻前钻一口领眼井，使模型充分相关。这样就可以根据井底MWD和LWD工具测得的数据更新地层模型。而在钻水平井时，随钻更新过程是一样的。

下面我们将对钻井过程中整个地层模型的实时更新过程进行分析。 具体地，假定正演模型d?g(h)，其中d是测量井深，是沿井眼轨迹的弧长，h是模型参数空间向量。在整个过程中，必须有一位经验丰富的地质解释专家比较模型预测曲线和LWD测井曲线后确定某一地层界面测深数据并给出其

[i][i]N(h,C)，不确定性（误差）。假定得到第i次新的观测数据后，h服从正态分布

由贝叶斯理论知，后验分布正比于先验分布和似然函数的乘积，即：

P(h|d[1],?,d[i])?P(h|d[1],?,d[i?1])P(d[i]|h)

[i?1][i?1]N(h,C)，似然函数是一个正态分布函数在上式中，先验分布服从

N(d[i]?g(h[i]),e[i])，这里e是观测误差，是由地质解释专家确定测深数据时设

定的。

显然，由于g(h)不是线性的，所以严格来讲后验分布不满足正态分布。不过我们可以近似求解整个过程。即可以先利用Gauss-Newton法求解h的最大值，然后利用迭代公式求解协方差阵，继而迭代求解融合下一次测量信息后的h。

2.3 基于地质导向的水平井待钻井眼轨道校正设计

该设计方法不仅解决了地质导向钻井随钻跟踪地质目标过程中的待钻井眼轨道校正设计问题，而且针对我国地质导向钻井硬件系统不足造成的地质靶点和工具造斜能力不确定性较大的问题提出了弥补性的解决方法，还研究解决了与待钻井眼轨道校正设计有关的多目标靶区轨道优化设计问题。

2.3.1 地质导向水平井待钻井眼轨道校正设计方法研究

地质导向水平井待钻井眼轨道校正设计的目的是要设计出待钻点和目标点

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第二章

之间一条光滑的轨道，对于水平井来说，待钻点和目标点的井眼方向都是限定的。分析认为，待钻点和目标点之间的轨道设计成“斜面圆弧段+直线段+斜面圆弧段”是合理的，如图2-3所示。

由图2-3可以看出，由待钻点W（当前井底）至目标点T的待钻轨道剖面由三段组成，即：斜面圆弧段WC+直线段CD+斜面圆弧段DT。进一步分析可以发现，E点为待钻点W的井眼方向延长线上一点，其到W点的距离为?LWE，F点为目标点T的井眼方向反向延长线上一点，其到T点的距离为?LFT，通过调整?LWE和?LFT大小，可以使得：半径为R1的圆与?WEF两条边均相切且W点就是其中一切点，半径为R2的圆与?EFT两条边均相切且T点就是其中一切点。此时，待钻轨道上的两个关键点C、D的井斜角、方位角、垂深、南北位移和东西位移可以分别表示为：

1O1R1WF?2TR2O22DCE?1

图2-3 水平井待钻井眼轨道剖面组成

?HF?HE?C?arccos?222?(H?H)?(N?N)?(E?E)FEFEFE????? （2-1）

?(EF?EE)/(NF?NE)??arctan??/2??C??3?/3???(EF?EE)/(NF?NE)????arctan?NF?NE?NF?NE?NF?NE?NF?NE?0,EF?EE??0,EF?EE??0,EF?EE??0,EF?EE? （2-2）

HC?HW??LWE??cos?W?cos?C? （2-3）

NC?NW??LWE??sin?W?cos?W?sin?C?cos?C? （2-4） EC?EW??LWE??sin?W?sin?W?sin?C?sin?C? （2-5）

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?D??C （2-6）

?D??C （2-7）

HD?HT??LFT??cos?D?cos?T? （2-8） ND?NT??LFT??sin?D?cos?D?sin?T?cos?T? （2-9） ED?ET??LFT??sin?D?sin?D?sin?T?sin?T? （2-10）

式中

?W、?W、HW、NW、EW—W点的井斜角、方位角、垂深、南北位移和东西位移；

?T、?T、HT、NT、ET —T点的井斜角、方位角、垂深、南北位移和东西位移；

HE?HW??LWEcos?W

NE?NW??LWEsin?Wcos?W

EE?EW??LWEsin?Wsin?W

HF?HT??LFTcos?T NF?NT??LFTsin?Tcos?T EF?ET??LFTsin?Tsin?T

当水平井待钻轨道剖面上W、C、D、T各点参数均确定后，就可以通过井眼内插法计算出轨道上任意一点的参数。

若将?LWE和?LFT要满足的约束条件用数学方程表示，则有：

?R1?tan??1/2???LWE （2-11） ??R2?tan??2/2???LFT式中，R1、R2分别为第一、二斜面圆弧段的曲率半径。

?cos?Wcos?C?sin?Wsin?Ccos(?C??W)??1?arccos?cos?Dcos?T?sin?Dsin?Tcos(?T??D)? ?2?arccos方程组（2-11）中有两个方程和两个未知数?LWE和?LFT，理论上可以直接求解，但由于存在未知数在三角函数中的多重嵌套项，使得很多求解方法的效果都不理想。一种费时但非常可靠的求解方法是先确定?LWE和?LFT的可能取值范围，然后在其取值范围内按一定的步长取点，得到两组数据，假设数据个数

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第二章

分别m和n，将两组数据正交组合可以得到m×n个正交点，每个正交点对应着不同的?LWE和?LFT值，再针对每个正交点计算出方程组（2-11）中两方程左右两边的残差平方和?，最后选取?最小时对应的?LWE和?LFT值就可以作为方程组（2-11）的近似解。式（2-12）为残差平方和?的计算公式。

22???R1?tan??1/2???LWE???R2?tan??2/2???LFT? （2-12）

由于这种方法是逐点计算残差平方和?，并通过比较找到?的最小点，以此来设计待钻井眼轨道，故被称为逐点寻优设计法。显然，这种逐点寻优设计法要同是求解两个未知数?LWE和?LFT，需要计算大量的数据点，费时且计算精度不高，为了解决这个问题，提出了只有一个未知数的改进型逐点寻优设计法。

在逐点寻优设计法中?LWE和?LFT是作为两个未知数分别独立取值的，改进型逐点寻优设计法是将?LWE作为唯一的未知数，对每一个?LWE利用方程组（2-11）中第一个方程左右两边残差为零条件计算出相应的?LFT，由此可进一步算出第二个方程的残差，因此该方法只要知道?LWE值就可以计算方程组（2-11）残差平方和，有效地提高了计算效率和精度。

如图2-4所示，当?LWE已知时，为了保证半径为R1的圆与?WEF两条边均相切且W点就是其中一切点，则射线EF与W点的井眼方向线夹角γ1应为：

??LWE/R1? （2-13） ?1?2arctan

W ?1 R1O1E 图2-4 改进型逐点寻优设计法的原理

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CR2O2 DF1?2T

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显然，满足方程（2-13）的射线EF组成了以E点为锥顶点、以待钻点井眼方向线为中心线、锥顶角为2?1的锥面。由于实际的射线EF与目标点的井眼方向反向延长线相交于F点，所以目标点的井眼方向反向延长线与锥面的交点即为F点，F点到目标点T的长度?LFT为：

?LFT?b?b2?4ac （2-14） ?2a式中：

??cos?1?cos?wcos?t?sin?wsin?tcos(?t??w)?

??(Ht?HE)2?(Nt?NE)2?(Et?EE)2?1?(Ht?Hw)?cos?w?(Nt?Nw)?sin?wcos?w?(Et?Ew)?sin?wsin?w??LWE

?2?(Ht?Hw)?cos?t?(Nt?Nw)?sin?tcos?t?(Et?Ew)?sin?tsin?t??LWEcos?

2a?cos2?1?cos2?;b?2?1cos??2?2cos2?1;c??2cos2?1??1

很明显，方程（2-13）可以保证方程组（2-11）中第一个方程的左右两边残差为零条件，并可以作为约束条件求出F点到目标点T的长度?LFT，这样，残差平方和?只是关于自变量?LWE的一元显函数，对不同的?LWE，可以求出相应的?，选取?最小时对应的?LWE值就可以设计出符合要求的待钻井眼轨道。

采用改进型逐点寻优设计法来设计限定目标点井眼方向的待钻轨道，可以按如下步骤进行：

（1）确定?LWE的取值范围

由方程（2-13）可以看出，?LWE的大小决定了第一个圆弧段弯曲角?1的大小，正常情况下，?1的变化范围应在0??90?之间，?1超过90?的情况也可能存在，但此时设计出的待钻轨道由于弯曲角太大并不实用，由此可以确定?LWE的取值范围应为[0，R1]。

（2）计算?LFT的大小

确定?LWE的取值范围后，按照精度要求在其取值范围内按一定的步长取值，针对每个?LWE，通过计算公式（2-14）及相关公式可以求出相应的?LFT值。

（3）计算相应的残差平方和?的大小

根据?LWE和?LFT的值，由式（2-12）及相关公式可以计算出相应的残差平方和?的值。

（4）寻找最小的?对应的?LWE和?LFT

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第二章

通过逐点比较找到最小的?对应的?LWE和?LFT。 （5）确定待钻轨道上C、D两关键点参数

根据最小的?对应的?LWE和?LFT，利用式（2-1）~（2-10）就可以计算出待钻轨道上C、D两关键点的井斜角、方位角、垂深、南北位移和东西位移等参数。

（6）确定待钻轨道剖面形状

当待钻轨道剖面上W、C、D、T各点参数均确定后，就可以通过插值计算求出轨道上任意一点的参数，从而确定整个待钻轨道剖面的形状。

2.3.2 地质目标不确定条件下的水平井中靶优化设计研究

在综合分析随钻测井、录井和钻井信息确定地质靶点的准确位置前，地质导向钻井过程中存在着两个不确定性，一个是靶点垂深的不确定性，另一个是工具造斜率的不确定性。从对中靶效果的影响大小看，前者是主要因素，后者是次要因素。由于同时考虑两个不确定性进行中靶优化设计存在着较大难度，所以在将中靶过程分为2个阶段，一个是靶点位置不确定前的探油顶阶段，此时存在着靶点垂深和工具造斜率两个不确定性，重点考虑靶点垂深的不确定性；另一个是靶点位置确定后的中靶阶段，此时只有工具造斜率不确定性。地质目标不确定条件下的水平井中靶优化设计主要是解决探油顶优化设计问题，其主要任务是在油层垂深位置尚不确定时如何来调整井底的位置和姿态，以保证在探知油层准确位置后更有利于中靶。

探油顶优化设计就是要确定一套探油顶轨道控制方案，包括在目前的井底条件下是否需要沿着原井眼方向向下钻进，钻进多长，何时调整井斜，井斜调整至多大开始稳斜探油顶等，具体说来就是要确定将井斜调整至探油顶井斜角前沿当前井眼方向向下钻进的长度?L1和探油顶稳斜角?c的大小。显然，探油顶轨道控制方案不同，探知油顶时井底的位置和姿态就不同，在给定的条件下，井底的位置和姿态将决定A点靶窗向后推移距离的长短（A点靶窗向后推移距离越短，井眼轨迹穿过的油层就越长，采收率就越高），因此通过计算不同探油顶轨道控制方案下的A点靶窗向后推移长度，并综合考虑中靶轨道施工难度

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就可以选出最佳探油顶轨道控制方案，即确定?L1和?c。由此可以看出，进行探油顶优化设计首先要有一套计算A点靶窗向后推移长度的方法。在给定的探油顶轨道控制方案下，A点靶窗向后推移长度?Lback可以按下述方法进行计算。

1718.9当??Kz时：

?Lback（2-15）

?t??c(SA??1??2tan?c??3)cos?c??4sin?c1718.9?tan?Kz2sin(?t??c)

1718.9当??Kz时： ?Lback?b2?c?b

（2-16）

式中

????1718.91718.9?????????tan????cos??Scos????sin?2c3cA?tc?sin?t?1?4KKzz????

b??5cos?t??6sin?t

c??5??622?1718.91718.9??????KKj?z??

1718.9?cos?w?cos?c?K0

2?1?Sw??L1sin?w??2?HA??h?d?Hw??L1cos?w??3??Lr?Lgr?sin?c1718.9?sin?c?sin?w?K0

?4??d??Lr?Lgr?cos?c

?5?1718.91718.9sin?t?sin?c??4KjKz?6?SA???1718.91718.9?cos?t?????tan????cos?12c3c??KjKz??

Hw—当前井底垂深，m；

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第二章

Sw—当前井底水平位移，m；

?w—当前井底井斜角，rad； HA—靶点A设计垂深，m； SA—靶点A设计水平位移，m；

?t—靶点A井斜角，rad；

K0—进入油层前工具造斜率，°/30m； Kz—工具在油层中的造斜率，°/30m； Kj—工具在油层中的降斜率，°/30m；

?h—估计油层垂深误差（负值表示油层提前，正值表示油层滞后），m；

d—靶点A距油顶的距离，m；

Lr—随钻测井仪器滞后钻头的距离，m；

Lgr—从油层出现到最后确定油层，钻头向前钻进的长度，m。

2.3.3 工具造斜率不确定条件下的水平井待钻轨道设计方法研究

在综合分析随钻测井、录井和钻井信息确定地质靶点的准确位置后，地质导向钻井过程中的靶点垂深不确定性就消除了，只剩下工具造斜率的不确定性，但此时留给井眼轨迹调整的空间也非常小。为了避免因工具造斜率的波动造成脱靶，分别按工具造斜率的最大值、最小值和预期值进行测量盲区井眼轨迹预测和水平井待钻轨道设计，从而得到不同造斜率条件下的井眼轨迹控制方案，并随时根据新的测量结果调整井眼轨迹控制方案，直至中靶。这项研究需要用到测量盲区井眼轨迹预测和水平井待钻轨道设计，后者在前面已经介绍过，这里主要介绍测量盲区井眼轨迹预测方法。

若假设测量仪器到钻头间的井眼轨迹由n个不同的井段组成，每个井段的工具造斜率、工具面角和井段长度分别为Ki、?i、?Li（i=1,2,……,n），则该井段终点的井斜角、方位角和坐标分别为：

?i?1??i?Ki?cos?i??Li （2-17）

?i?1?tan??i?1/2????i?tan?i?ln???tan??i/2?? （2-18）

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Hi?1?Hi??sin?i?1?sin?i??Ki?cos?i? （2-19）

Ni?1?Ni???i?1?i??tan??/2???sin??cos??i?tan?i?ln??tan??/2????i?????Ki?cos?i??d?

（2-20）

Ei?1?Ei???i?1?i??tan??/2???sin??sin??i?tan?i?ln??tan??/2????i?????Ki?cos?i??d?

（2-21）

由于测量盲区内第1个井段起点的井斜角、方位角可以通过实测得到，其坐标可以通过测斜计算得到，这样由式（2-17）～（2-21）就可以计算出每个井段终点的井斜角、方位角和坐标，最后一段的终点即为钻头位置。

2.3.4 多目标靶区轨道优化设计研究

对于由多个目标点（靶点）组成的靶，根据每个靶点是否与其邻近靶点关联可以分为以下三种情况：

① 独立靶点；

② 两个靶点组成一个靶段；

③ 三个靶点组成两个相连靶段或n个靶点组成n-1个相连靶段。 分析认为，将这些靶点和靶段用光滑曲线连起来形成靶区轨道只要处理好四种连接形式就可以了。

1、靶段与靶段的连接

当两个靶段之间无独立靶点时，由于两个靶段的轨道已经给定，此时靶段与靶段之间的光滑连接与水平井待钻轨道设计的要求是一致的，可以采用水平井待钻轨道设计的方法来进行连接。

2、相连两靶段拐角处理

对于三个靶点组成两个相连靶段或n个靶点组成n-1个相连靶段这种情况，由于存在着相连的靶段，靶段与靶段之间必然有拐点，而对于井眼轨道来说，这是不允许的，必须进行拐角处理。

设三个靶点A、B、C组成AB、BC两个相连靶段，三个靶点的垂深、北南位移、东西位移分别为HA、NA、EA，HB、NB、EB，HC、NC、EC，将公

22

第二章

式（2-1）、（2-2）中的E、F换成A、B（或B、C），就可以计算出AB靶段（或BC靶段）的井斜角?AB（或?BC）和方位角?AB（或?BC）。为了消除拐角，使给定工具的造斜半径R为半径的圆与∠ABC的两条边相切，假设切点分别为P、Q，则直线段AP+圆弧段PQ+直线段QC则是一条光滑的曲线，可以作为井眼轨道。P点井斜角和方位角就是?AB和?AB，Q点井斜角和方位角就是?BC和

?BC，其垂深、北南位移和东西位移分别为：

HP?HB?R?tan??/2???cos?AB?cos?BC? （2-22） NP?NB?R?tan??/2???sin?AB?cos?AB?sin?BC?cos?BC? （2-23）

EP?EB?R?tan??/2???sin?AB?sin?AB?sin?BC?sin?BC? （2-24）

HQ?HB?R?tan??/2???cos?AB?cos?BC? （2-25）

（2-26）

NQ?NB?R?tan??/2???sin?AB?cos?AB?sin?BC?cos?BC?EQ?EB?R?tan??/2???sin?AB?sin?AB?sin?BC?sin?BC? （2-27）

?cos?AB?cos?BC?sin?AB?sin?BC?cos??BC??AB?? 式中，??arccos当A、P、Q、C各点参数均确定后，就可以通过井眼内插法计算出轨道曲线上任意一点的参数。

3、靶段到最后一个靶点的连接

当多目标靶的最后一个靶点是独立靶点，独立靶点前面正好是一个靶段时，则倒数第二个靶点处的垂深、北南位移、东西位移、井斜角和方位角均是已知的，最后一个靶点的垂深、北南位移、东西位移也是已知的。若假设倒数第二个靶点为第i个靶点，最后一个靶点为第i+1个靶点，则从第i个靶点至第i+1个靶点的设计轨道应为“斜面圆弧段+直线段”，其关键点有两个，分别为斜面圆弧段与直线段的交界点Mi+1点、目标点i+1点，因此需要确定的未知参数有Mi+1点的坐标和井斜角、方位角，目标点i+1点的井斜角和方位角。各参数的计算步骤和公式如下：

（1）计算第i个靶点处井眼方向与第i个靶点和第i+1个靶点连线的夹角?i

?i?cos?1(Hi?1?Hi)cos?i?(Ni?1?Ni)sin?icos?i?(Ei?1?Ei)sin?isin?i(Hi?1?Hi)2?(Ni?1?Ni)2?(Ei?1?Ei)223

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（2-28）

（2）计算斜面圆弧段对应的弯曲角?

?i?2tan?1其中

De?De?Se?2R?Se2R?Se （2-29）

22De?(Hi?1?Hi)2?(Ni?1?Ni)2?(Ei?1?Ei)2?cos?iSe?(Hi?1?Hi)2?(Ni?1?Ni)2?(Ei?1?Ei)2?sin?i

（3）计算第i+1个靶点处的井斜角?i?1和方位角?i?1

?i?1?cos?1?1?1??2??3222 （2-30）

?i?1?tan?1其中

?3?2 （2-31）

???1?Hi?1?Hi?R?tan??i2??cos?i?? ???2?Ni?1?Ni?R?tan??i2??sin?i?cos?i?? ???3?Ei?1?Ei?R?tan??i2??sin?i?sin?i?? （4）计算Mi+1点的坐标和井斜角

?Mi?1、方位角

?Mi?1

HMi?1?Hi?R?tan??i/2??(cos?i?cos?i?1) （2-32）

（2-33）

NMi?1?Ni?R?tan??i/2??(sin?icos?i?sin?i?1cos?i?1)EMi?1?Ei?R?tan??i/2??(sin?isin?i?sin?i?1sin?i?1) （2-34）

?M??i?1i?1 （2-35）

?Mi?1??i?1 （2-36）

计算出整个井眼轨道的各个关键点参数后，就可以通过直线插值或斜面圆弧插值计算出轨道上任何一点参数，这样就可以设计出整个井眼轨道。

4、第一个靶点到靶段的连接

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第二章

当多目标靶的第一个靶点是独立靶点，独立靶点后面正好是一个靶段时，则第二个靶点处的垂深、北南位移、东西位移、井斜角和方位角均是已知的，第一个靶点的垂深、北南位移、东西位移也是已知的。这种情况下的设计方法与靶段到最后一个靶点的设计方法类似。

5、任意个独立靶点的连接

当多目标靶是由任意个独立靶点（两个或两个以上）组成时，提出一种创新性的轨道设计方法——弹性杆挠曲线法。该方法的设计思想是：设想存在一个有弯曲刚度无重量的弹性杆，让该弹性杆在有限点上被光滑可旋转滑套限制在一些固定点（即多目标靶的各个独立靶点）上，按能量最低原理，该弹性杆必然以变形弹性能最小的方式形成一条空间弹性曲线，就以此曲线作为多目标靶区轨道。这样形成的轨道必然有以下几个特点：①井眼对管柱的附加约束力最小，摩阻扭矩小；②轨道光滑，连续性好；③轨道设计自由、方便、快捷，可靠性高。

由于在任何坐标系中多点约束条件下的弹性杆曲线的挠度与其长度相比并不总是小量，因此基于小挠度、小转角假设得到的梁的变形公式不能直接应用。但是，若将所有约束点从头至尾依次连成一条折线，在折线的每个线段上建立局部坐标系，则在每个局部坐标系内弹性杆曲线的挠度是小量，这时可以直接套用基于小挠度、小转角假设得到的梁的变形公式。弹性杆挠曲线法轨道设计就是以局部坐标系下梁的变形公式为基础，根据约束点处梁的力矩和变形连续性条件及边界约束条件，就可以得到梁的变形约束方程，通过求解可以得到约束点处的力矩，回代到局部坐标系下梁的变形公式就会得到弹性杆挠曲线形状。

为了描述这两个坐标系，以轨道设计中常见的大地坐标系（H，N，E）为母坐标系来推导整体坐标系（X，Y，Z）的各坐标向量，然后以整体坐标系为母坐标系来推导局部坐标系（x，y，z）的各坐标向量。

（1）整体坐标系

建立整体坐标系是为了在分析变形和内力矩时有一个统一的参考系。整体坐标系的选取对弹性杆挠曲线法轨道设计是非常重要的，选择得不好，就会给设计增加难度，甚至难以计算出结果。一般来说，约束点中的起点O和终点P在X轴方向上的距离越长对轨道设计就越有利。为此，整体坐标系的选取按以下方法进行：①以约束点中的起点作为坐标原点，将起点和终点连成一条有向

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直线，以该有向直线方向作为X轴方向；②将其余各约束点中离X轴最远的点（设为M点）与X轴组成的平面作为主平面，过X轴且与主平面垂直的平面作为副平面，Y轴在主平面内，过O点且与X轴垂直，Z轴在副平面内，过O点且与X轴垂直。按照以上坐标系的选取方法，可以得到整体坐标系各坐标轴方向的单位矢量。

?X轴方向的单位矢量eX为：

???(HP?HO)eD?(NP?NO)eN?(EP?EO)eE?eX? （2-37）

222(HP?HO)?(NP?NO)?(EP?EO)式中，HO、NO、EO分别为约束起点的垂深、N坐标和E坐标；HP、NP、EP分

???别为约束终点的垂深、N坐标和E坐标；eH、eN、eE分别为垂深、N坐标和E坐标方向的单位矢量。

?Z轴方向的单位矢量eZ为：

?eZ?式中：

?eX?OMsin?MOP?OM （2-38）

???OM?(HM?HO)eH?(NM?NO)eN?(EM?EO)eE

????eX?OM??MOP?arccos??

?OM???其中，HM、NM、EM分别为M点的垂深、N坐标和E坐标。

?Y轴方向的单位矢量eY为：

???eY?eZ?eX （2-39）

有了整体坐标系三个坐标轴在大地坐标系中的单位矢量，我们可以得到将大地坐标系中向量转换到整体坐标系中向量的坐标转换矩阵[TG]：

???T?TG???eX,eY,eZ? （2-40）

大地坐标系中的各点在整体坐标系中坐标为：

?Xi??Hi?HO??????Yi??[TG]??Ni?NO? （i=1 to n） （2-41） ?Z??E?E?O??i??i 26

第二章

（2）局部坐标系

建立局部坐标系是为了描述相邻两个约束点之间的弹性杆挠曲线形状及其与两端力矩之间的关系。同整体坐标系一样，局部坐标系的选取也非常重要，若局部坐标系选择得不好，弹性杆挠曲线就不能满足小挠度、小转角假设，就必需按大挠度、大变形问题处理，这样问题就会变得相当复杂，不能满足计算快捷的要求。局部坐标系的选取按以下方法进行：①将相邻两个约束点连成一条有向直线，以该有向直线方向作为x轴方向；②将与它们相邻的下一个约束点和x轴确定的平面作为主平面（对于最后两个约束点，以与它们相邻的前一个约束点和x轴确定的平面作为主平面），过x轴且与主平面垂直的平面作为副平面，y轴在主平面内，过第一个约束点且与x轴垂直，z轴在副平面内，过第一个约束点且与x轴垂直。按照以上局部坐标系的选取方法，可以得到各局部坐标系。

假设共有n个约束点，则将各约束点从头至尾依次连接可以得到n-1个线段，第i个线段两端的端点分别是第i个约束点和第i+1个约束点，因此第i个局部坐标系各坐标轴方向的单位矢量就可以表示成下面的形式。

?第i个局部坐标系x轴方向的单位矢量iex为：

???(X?X)e?(Y?Y)e?(Z?Z)e?ii?1iXi?1iYi?1iZex? （i=1 to n-1） （2-42）

222(Xi?1?Xi)?(Yi?1?Yi)?(Zi?1?Zi)?第i个局部坐标系z轴方向的单位矢量iez为： ? iez?????ex??(Xi?2?Xi?1)eX?(Yi?2?Yi?1)eY?(Zi?2?Zi?1)eZ? ???i???ex??(Xi?2?Xi?1)eX?(Yi?2?Yi?1)eY?(Zi?2?Zi?1)eZ????Li?1sin?arccos???Li?1??i（i=1 to n-2） （2-43）

??第n-1个局部坐标系z轴方向的单位矢量n?1ez?n?2ez。 式中：?Li?1?(Xi?2?Xi?1)2?(Yi?2?Yi?1)2?(Zi?2?Zi?1)2

?第i个局部坐标系y轴方向的单位矢量iey为：

i???ey?iez?iex （i=1 to n-1） （2-44）

有了局部坐标系三个坐标轴在整体坐标系中的单位矢量，可以得到将局部坐标系中的向量转换到整体坐标系中向量的坐标转换矩阵[iT]：

27

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????T???e,e,e? （2-45）

iiiixyz局部坐标系中的各点在整体坐标系中坐标为：

?ix??Xi??X??i?????iY?[T]????y???Yi? （i=1 to n-1） （2-46） ?Z??iz??Z??????i?式中，ix、iy、iz分别为某点在第i个局部坐标系中x、y、z方向的大小。

（3）局部坐标系中梁的变形分析

图2-5所示为梁在局部坐标系中的受力及变形情况。

y?1xM1xM1zM1y?1z?2zM2zxx?2xM2x?1xM1xz?1y?2yM2y?2xM2x

图2-5 梁在局部坐标系中的受力及变形

若假设梁的变形挠曲线在局部坐标系中的满足小挠度、小转角假设，则在局部坐标系下有如下线性化方程：

EIy????M1z??M2z?M1z??L2yx （2-47）

EIz???M1y??M?M1y??Lx （2-48）

对方程（2-47）、（2-48）进行两次积分，并考虑到yx?0?0、yx??L?0、

zx?0?0、zx??L?0，则有：

y???M1z(M2z?M1z)2M1zMx?x??L?2z?L （2-49） EI2EI??L3EI6EIz??y?M1yEIx?(M2y?M1y)2EI??Lx?2M1y3EI?L?M2y6EI?L （2-50）

?M1z2(M2z?M1z)3M1zMx?x??L2?2z?L2 （2-51） 2EI6EI??L3EI6EI 28

第二章

z?M1y2EIx2?(M2y?M1y)6EI??Lx3?M1y3EI?L2?M2y6EI?L2 （2-52）

（4）整体坐标系中梁的内部变形约束方程变形分析

在局部坐标系中，建立了梁的弯矩和其变形之间的关系，只要知道每跨梁两端的弯矩就可以知道梁的变形形状。但只根据一跨梁是求不出结果的，由于两跨梁在连接点处力矩和变形是连续的，若将相邻两跨梁的力矩和变形都转换到整体坐标系下，就可以得到整体坐标系下梁的内部变形约束方程。

考虑到梁的变形连续性条件只能提供两个约束，而相邻两跨梁的连接点处三个方向的力矩都是未知的，为了求解，认为梁内变化不大的扭矩在一跨间保持不变，这样问题就可以得到解决。

假设第i个约束点连接的是第i-1跨梁和第i跨梁，则第i-1跨梁右端的方

?向矢量i?1u2为：

??i?1?i?1???i?1ey?i?1z?u2?1?i?1ex?i?1y2?ez （2-53） 2i?1i?1i?1MM2yMM1yi?1i?11z2z??其中：y2???Li?1??Li?1；z2??Li?1??Li?1

6EI3EI6EI3EI?第i跨梁左端的方向矢量iu1为：

i?1i??????iey?iz1??iez （2-54） u1?1?iex?iy1iiiM1yM2yM1zM2zi?????其中：y1?Li??Li；z1?Li??Li

3EI6EI3EI6EI??在整体坐标系下，矢量i?1u2和iu1方向是相同的，若令：

ii?i?1X2??i?1??Y2???i?1Z?2???????1???i?1?? （2-55） T??i?1y2?i?1z??2???iX1??1??i?i?i??? （2-56） ?Y1??T??y1?iZ??iz???1??1?则有：

i?1X2i?1Y2?i?iX1Y1i?1Z2 （2-57） iZ1 29

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式（2-57）相当于两个方程。对于有n个约束点的轨道设计问题，由方程（2-57）确定的梁的内部变形约束方程数为2n-4个。

（5）整体坐标系下梁的变形边界条件

梁的变形除了受内部连续性条件约束外，还要受两端边界条件的约束。这里所提的弹性杆的边界条件主要有三种：（1）端部的轴线方向固定，即给定端部的井斜角和方位角；（2）端部可自由转动，即三个方向的力矩均为零；（3）弹性边界，即端部的轴线方向偏离固定方向后就会受到回复力矩的作用，其大小与偏离的角度成正比。这三种情况下的边界约束方程如下：

1、端部的轴线方向固定

当大地坐标系中某点的井斜角和方位角给定后，该点的轴线方向就确定了，将其由大地坐标系转换到局部坐标系就可以得到局部坐标系下的端部轴线方向

??矢量1u1（起点）或n?1u2（终点）。

1?u1?1T??n?1T?cos?0?????TG???sin?0cos?0? （2-58）

?sin?sin??00??Tn?1?u2??T??cos?0?????TG???sin?0cos?0? （2-59）

?sin?sin??00??T??的局部坐标系中矢量向整体坐标系变换的逆变换矩阵；?T?为第n-1跨梁所在

式中，α0、φ0为端部边界点处指定的井斜角和方位角；1T为第1跨梁所在

n?1T的局部坐标系中矢量向整体坐标系变换的逆变换矩阵。

?由于1u1?1u1x?1u1y1u1z可由式（2-58）求出，且第1跨中的扭矩为零，

?T所以起点轴线方向固定时的边界约束方程可以表示为：

1M1x?0 （2-60）

11u1yu1x11M1zM2z??L1??L1 （2-61） 3EI6EI11M1yM2yu1z???L1??L1 （2-62） 13EI6EIu1x1?同理，由于n?1u2?

?n?1u2xn?1u2yn?1u2z可由式（2-59）求出，且第n-1

?T30

第二章

跨中的扭矩为零，所以终点轴线方向固定时的边界约束方程可以表示为：

n?1M2x?0 （2-63）

n?1n?1u2yu2xn?1M1zM2z???Ln?1??Ln?1 （2-64）

6EI3EIn?1n?1n?1M1yM2yu2z??L??Ln?1 （2-65） n?1n?16EI3EIu2xn?12、端部可自由转动

当起点可自由转动时，其边界约束方程为：

1M1x?1M1y?1M1z?0 （2-66）

当终点可自由转动时，其边界约束方程为：

n?1M2x?n?1M2y?n?1M2z?0 （2-67）

3、弹性边界

当起点为弹性边界时，其边界约束方程为：

1M1x?0 （2-68）

1M1z1?1u1y1M1z?M2z??k0?1??L1??L1? （2-69） ?u?6EI?1x3EI?1?1u1z1M1y?M2y??k0??1??L1??L1? （2-70） ?u?3EI6EI1x??1M1y式中，k0为弹性约束刚度系数。

显然，由式（2-68）、（2-69）可以看出，当k0=0时，弹性边界就退化为端部自由边界；若k0??，则弹性边界就退化为端部固定边界。

当终点为弹性边界时，其边界约束方程为：

n?1M2x?0 （2-71）

n?1?M1zM2z??Ln?1??Ln?1? （2-72）

?6EI3EI?n?1n?1M1z??k0???????k0????n?1n?1u2yu2xn?1M1yn?1n?1?M1yM2yu2z??Ln?1??Ln?1? （2-73） n?1?6EI3EIu2x?n?1对于有n个约束点的轨道设计问题，需要求出每个约束点处的力矩才能知

31

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道弹性杆挠曲线形状，故有3n个未知数需要确定，而由方程（2-57）和边界条件确定的约束方程数为2n+2个，考虑到将每跨梁内扭矩看作是不变的会压缩掉n-1个未知数，所以总的约束方程数要比未知数多1个，这主要是由于每跨梁内扭矩不变假设引起的。为了解决这个问题，需要调整第一跨和最后一跨内的扭矩，使这两个约束等效于一个约束，这样就可以解出各约束点处的力矩，进而按式（2-49）~（2-52）计算出弹性杆挠曲线的形状。

（6）弹性杆挠曲线上各点轨道参数的计算

前面计算得到的弹性杆挠曲线是局部坐标系下的结果，要得到弹性杆挠曲线上的轨道参数，还需要进行一定的换算。

1、弹性杆挠曲线上任意一点在整体坐标系下的坐标及方向 在第i跨梁中，弹性杆挠曲线上任意一点的坐标可以表示为:

??i?x?xii?M1z2(iM2z?iM1z)3iM1zM2z?i22x?x??Li??Li （x∈[0,ΔLi]） ?y??2EI6EI??L3EI6EIi?iiiii?M(M?M)MM2y1y2y1y1y22?iz?x2?x3??Li??Li?2EI6EI??Li3EI6EI?（2-74）

在第i跨梁中，弹性杆挠曲线上任意一点的单位方向矢量可以表示为：

?

1?ixe?

22?i

??iz?1?y?

?iy?

（x∈[0,ΔLi]） （2-75） y??e

22

?1?iy??iz??

z??iz?

22?eii??1?y?z?

????????????其中：

ii?iM1z(iM2z?iM1z)2iM1zM2zy??x?x??Li??Li

EI2EI??Li3EI6EIiiz??M1yEIx?(iM2y?iM1y)2EI??Liix?2M1yi3EI?Li?M2y6EI?Li

利用式（2-46）就可以将局部坐标系中某点的坐标转换到整体坐标系下，

32

第二章

将局部坐标系中某点的单位矢量转换到整体坐标系下的公式为：

?ixe??Xe??i???iY?[T]??e??ye? （i=1 to n-1） （2-76） ?Z??i??e??ze?2、弹性杆挠曲线上轨道参数的计算

在大地坐标系中，弹性杆挠曲线上任意一点的坐标可以表示为：

?H???T?N??[TG]?E????X??HO???????Y???NO? （2-77） ?Z??E????O?弹性杆挠曲线上任意一点的单位方向矢量可以表示为：

?He???T?Ne??[TG]?E??e??Xe?????Ye? （2-78） ?Z??e?弹性杆挠曲线上任意一点的井斜角和方位角可以表示为：

?He? （2-79） ??arccoseee （2-80） ???Ee/Ne)Ne?0???arctan(E/N)?arctan(N?0弹性杆挠曲线上两分点间的段长、曲率及水平段长可以表示为：

?H2??N2??E2?? （2-81） ?L?2sin??/2?kb?2sin??/2??H??N??E222 （2-82）

?N2??E2 （2-83） ?S?2sin???/2?其中，??arccos?cos?1cos?2?sin?1sin?2cos???，ΔH、ΔN、ΔE分别为两分点间垂深、N坐标和E坐标增量。

2.4 基于地质导向的井眼轨道设计和井眼轨迹控制软件

本节就基于地质导向的井眼轨道设计和井眼轨迹控制软件、现场实时数据资源共享和地质导向钻井多学科专家远程实时决策系统等研究内容进行了深入

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研究，完善了地质导向钻井井眼轨道设计和轨迹控制软件、现场实时数据资源共享和地质导向钻井多学科专家远程实时决策系统软件，能够有效地指导地质导向钻井施工。

2.4.1 基于地质导向的井眼轨道设计和井眼轨迹控制软件

1、井号层次管理

程序中共设三个层次对井号层次予以管理，即油田―区块―井组或井，即区块的下一级既可以为井，也可以为井组（分支井或丛式井组）。井组既包括真正意义上的丛式井井组，也包括某一分支井的各个分支形成的“井组”。

2、靶点描述

程序允许设计任意多个靶点，每一靶点允许设计为圆靶、半圆靶、四分之一圆靶、扇形靶、矩形靶中的任一类型，并且允许相邻两靶关联形成靶段。

3、磁参数计算

针对设计提供的井口纵坐标和横坐标，能够实现磁参数计算，计算出磁偏角与方位修正角，并提供了两种方式的磁参数计算功能：

① 从软件的主菜单选“磁参数”，由用户选择各项参数，手动进行磁参数计算；

② 在新建井或打开井时，提取当前井基本参数中的大地坐标X及Y，进行磁参数的自动计算，并返回相应值，填充到磁偏角、磁倾角、方位修正角中。

4、柱面法向导式设计

柱面法设计思路是将三维设计转化成二个平面上的二维设计。先进行水平投影图设计，水平投影图设计结果为三段：稳方位-变方位-稳方位；然后进行垂直剖面图设计，选择合适的垂直剖面图类型，一般选择三段制或五段制。最后将二者叠加起来进行计算，得到各个节点的关键参数，并计算出各节点间的分点信息。

在各节点间的特征是KA与KH保持为常数，这样K?=KA也为常数，但当井斜角变化时，K??KAsin?将不断地发生变化。

K??Kcos?；K??Ksin?sin?。

34

第二章

由井眼曲率计算公式角?增大时，障设计。

式中

2224K?K??K?sin2??K2H?KAsin?可知，当井斜

K?及K均增大，这对于现场来说是不合理的。这种方法常用于绕

K—井眼曲率，°/100m；

K?—井斜变化率，°/100m；

K?—方位变化率，°/100m；

KA—水平投影图中曲线的曲率，KA?K?/sin?，°/100m； KH—垂直剖面图中曲线的曲率，KH?K?，°/100m。

柱面法向导式设计主要针对第一个靶点进行设计。除了常规的定向井、侧钻定向井、水平井、侧钻水平井、丛式井、分支井，还增加了任意轨道的设计，可以任意增加一个井段，从而可设计出任意的轨道类型。

（1）水平投影图设计

由用户输入定向方位、最终方位及提前段长，由软件自动绘制出与定向方位线、最终方位线相切的圆弧，能够可视化地在水平投影图中进行绕方位设计。

（2）垂直剖面图设计

常规的定向井设计剖面有直－增、直－增－稳、直－增－降、直－增－降－稳、直－增－稳－降、直－增－稳－降－稳、直－增－稳－增－稳七种类型。常规的水平井设计剖面有：单增、双增、增稳增、三增及增稳增稳增五种类型。

一般可以通过以上常规设计剖面来做第一靶设计。对于其它靶的设计可以选择中靶方式实现按要求中靶，也可用任意轨道类型来实现。这对于侧钻井、多靶定向井、阶梯水平井以及大位移井设计来说，就显得非常方便。

5、灵活方便的中靶方式

主要中靶方式有常规中靶及特殊中靶两大类。常规中靶方式有稳斜中靶、稳-增（降）中靶、增（降）-稳中靶、降-增中靶、增-降中靶、双增中靶；特殊中靶方式有悬链线中靶、斜面圆弧法中靶、恒工具面角法中靶等方式。为解决不同要求的待钻井眼轨道设计问题，程序提供了四种轨道设计模块，提高了轨道设计的灵活性。

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（1）柱面圆弧方法

可以选择稳斜中靶、稳-增（降）中靶、增（降）-稳中靶、降-增中靶、增-降中靶及双增中靶，计算结果为柱面圆弧与柱面直线的组合。

（2）斜面圆弧方法

设计三维剖面的斜平面不是空间任意一个斜平面，而是由给定的设计参数和设计要求所决定了的某个斜平面。计算结果为斜面圆弧与斜面直线的组合。斜面圆弧线的特点是K固定，工具角角不停地变化；斜面直线的特点是K=0。

采用斜面圆弧法实现由目前井底到目标点在任意限制条件下的轨道设计，限制条件可以分别为：

① 无任何限制条件；

② 目标点井斜、目标点方位和工具造斜率三者中限定一个； ③ 目标点井斜、目标点方位和工具造斜率三者中限定两个； ④ 目标点井斜、目标点方位和工具造斜率三者都限定。 （3）特殊曲线方法

本软件实现了悬链线类曲线段的设计，主要包括下面三种曲线： ① 悬链线

sin2?K?a。这里，a可以看悬链线上任意一点的造斜率K的表达式为：

作是表征悬链线形状的特征参数—悬链线常数，只要a给定，悬链线形状就确定了。

② 修正悬链线

由悬链线曲率公式可以看出，悬链线上任意一点的曲率是与该点井斜角正弦的平方成正比的。在实际应用悬链线时，人们希望其曲率随井斜角的变化慢

K?sin?a，此

一点，于是人为地将其修改为“与该点井斜角正弦成正比”，即即修正悬链线。

③ 准悬链线

“准悬链线”就是指恒变增曲率曲线，即单位曲线长度上曲率的增加值相等。由此可得，恒变增曲率曲线上任意一点的曲率表达式为：K?G?L?Kb

式中

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第二章

Kb—恒变增曲率曲线起点曲率，°/100m；

G—曲率变化率，（°/100m）/m；

L—恒变增曲率曲线起点到其上任意一点的曲线长度，m； K—恒变增曲率曲线上任意点的曲率，°/100m。

实现由目前井底到目标点的二维设计，限制条件分别为：①无任何限制条件；②目标点的井斜限定。

（4）恒工具面角方法

K在某一井段上保持工具面角?为常数，且K?、?满足规律：K??Kcos?，

K??Ksin?2222222K?K?Ksin??Kcos??Ksin??定值??sin?。则，即K与

工具面角均为常数。这种方法设计出来的井段适于滑动钻进。程序实现了由目前井底到目标点在工具造斜率限定条件下的轨道设计。

6、对设计轨道进行方位漂移校正

考虑方位漂移影响的轨道设计是建立在对地层漂移规律有很好认识和了解的基础上进行的。在设计井眼轨道之前，一般需要有地层分段漂移规律的大量统计数据，主要包括存在方位漂移井段的段数，每个方位漂移段起点深度、终点深度和方位漂移率等数据。

考虑到方位漂移影响，在定向造斜时将原设计方位减去一个超前角??，漂移之后的设计轨道井底就可以落到设计方位线上，由于不能与目标点重合，将其水平位移数据进行特殊处理，使其钻达终点与目标点重合，而所有各点的垂直深度保持不变，这样就构造出了新的设计轨道。最后，计算出新的设计轨道上所有各点的井深、井斜角、方位角以及坐标数据和其它有关数据。

7、丛式井防碰扫描

对于选定的用于防碰扫描的参考井，既可以手动选择用于防碰扫描的比较井，也可以指定井口间隔范围由程序自动扫描得到满足要求的比较井，然后由用户指定使用最近距离法、平面扫描法还是法面扫描法进行防碰扫描，扫描结果以最近距离表及防碰扫描图的形式显示给用户。

对于所选择的参考井与邻井，可以进行二维显示、三维显示、真三维显示。可以在水平投影图中更直观地查看哪些井需要用于扫描。

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8、摩阻计算

在已知井身剖面、钻柱、钻井参数和钻井液密度的情况下，并给定钻柱摩阻系数，可以分别计算出在起钻、下钻、滑动钻进、旋转钻进、划眼、倒划眼六种工况下的摩阻、摩扭、屈曲状态，并计算出钻柱的轴向应力、弯曲应力和扭应力以及强度安全系数。

9、测斜数据处理

对于录入或导入的实钻数据，可以由用户选择数据处理所用的计算方法，进行实钻数据处理，便于用户与设计数据对比显示，进行待钻井眼设计。

10、中靶判定

对比设计数据与实钻数据，能够进行单靶的中靶判定、靶段的中靶判定及任意“圆靶+矩形靶组合”的中靶判定，形成中靶情况图及中靶情况表。

11、灵活方便的图形显示 （1）二维图形显示

能够显示当前井、当前井组或多口井的水平投影图、垂直剖面图、垂直投影图；显示刻度线及刻度值；实时显示鼠标所在位置的N、E坐标、垂深、投影位移等；实时显示鼠标所在位置对应于哪口井的设计轨道或实钻轨迹；能够在水平投影图、垂直投影图中显示各井的靶点。如果某口井的设计轨道或实钻轨迹不存在，则相应地该井的“设计”复选框或“实钻”复选框不可见。如果某口井的设计轨道与实钻轨迹同时存在，则默认地只显示出实钻轨迹。用户可以单击该井的“设计”复选框，强制同时显示该井的设计轨道与实钻轨迹。

（2）三维图形显示

允许用户选择水平投影图原点在中心还是按实际值显示；显示坐标值及刻度、网格线，允许更改井深起点；显示任意一口井设计数据或实钻数据的柱面；允许将图片直接保存为图片文件；允许用户选择是否实时提示数据点的三维坐标值；可通过右边滚动条旋转到任意合适角度；可用鼠标在图中拉出一个矩形框局部放大重点区域；可以计算两个数据点的空间距离；可以单击“恢复”按钮，得到原始图形；可以设置各井设计轨道及实钻轨迹的显示颜色、靶点颜色、坐标轴颜色、各井柱面颜色及实时显示三维坐标值时数据点颜色。

（3）真三维图形显示

将OpenGL技术应用到设计轨道与实钻轨迹的真三维显示，同时还能对地

38

第二章

层数据、测井数据、LWD数据进行真三维显示。具有测井曲线数据的导入与显示功能。

（4）综合录井曲线数据对比显示

在二维坐标系下，可以进行综合录井曲线、数据的单井显示或对比显示，可同时查看两口井的任意四条数据曲线。

12、远程数据传输

在本地数据库与远程网络数据库中事先约定使用相同的数据库表结构，并用两个数据库连接对象（Adodb.Connection）分别连接到本地数据库与远程网络数据库，即可在本地数据库与远程网络数据库之间导入导出数据。远程数据传输有可能花费较长时间，在窗体右下部有一个进度条显示，表示当前的导入导出进度，给用户以提示。

2.4.2 现场实时数据资源共享和地质导向钻井多学科专家远程实时决策系统

现场实时数据资源共享和地质导向钻井多学科专家远程实时决策系统是为了解决随钻测井仪器实时远程监控、测量数据网络共享、多学科专家远程实时互动等问题而开发的。该系统包括数据传输系统及随钻测量实时数据库子系统、随钻测量远程监控及地质导向钻井多学科专家远程实时决策子系统两个子系统。

1、数据传输系统及随钻测量实时数据库子系统

在现场实时数据资源共享和地质导向钻井多学科专家远程实时决策系统设计中，针对随钻测井数据实时远程传输的问题，采取多条通路相互备份的数据传输方法，保证测量/控制指令数据的实时传递；引进先进的实时数据库设计理念，构建了随钻测量远程测控实时数据库（Logging While Drilling Real Time Database（LWDRTDRB）），存储LWD通信链路传输的压缩格式的随钻测量数据及保密的地面系统控制指令，保证了大量的随钻测量数据的共享以及LWD地面系统远程遥控指令可以被实时响应。

（1）随钻测量的通信链路

设计了两种数据传输方法：在通信通畅的条件下，选用SQL数据库远程连

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接，以保证数据通信速度；在通信不畅的条件下，使用基于Windows Socket网络编程接口的客户端/服务器程序，以保证在通信中断时保存断点时状态，在通信恢复后自动恢复随钻测井数据传输。国外项目则可以借助卫星地面接收站建立国内后方与钻井现场的数据交流、信息互动。

对于随钻测量远程监控的实现，我们还是倾向于使用专用的光纤与卫星通信，以保证通信线路的畅通，减小远程遥控指令到达现场计算机的时间滞后。

随钻测井远传系统的两个主要部分是数据远传客户端和网页实时曲线显示，分别用到不同数据库访问方法。其中，数据远传客户端使用ADO访问远程数据库，而实时曲线显示采用JDBC接口，实现了与SQL Server数据库的连接。

（2）随钻测量远程测控实时数据库技术（LWDRTDB）

根据随钻测量远程实时测控的需求，开发了随钻测量远程测控实时数据库。

① 随钻测量实时数据模型及语言

传统的事务模型已不适用，必须使用复杂事务模型，即嵌套、分裂/ 合并、合作、通信等事务模型。因此，实时事务的结构复杂，事务之间有多种交互行动和同步，存在结构、数据、行为、时间上的相关性以及在执行方面的依赖性。

② 随钻测量中实时事务的处理

LWDRTDB 中的事务有多种定时限制，其中最典型的是事务截止期，系统必须能让截止期更早或更紧急的事务较早地执行，即能控制事务的执行顺序，所以，又需要基于截止期和紧迫度来标明事务的优先级，然后按优先级进行事务调度。

③ 随钻测量的数据存储与缓冲区管理

RTDB 中数据存储的一个主要问题就是如何消除这种延迟及其不确定性，这需要底层的“内存数据库”支持，因而内存缓冲区管理就显得更为重要。内存缓冲区除“内存数据库”外，还包括事务的执行代码及其工作数据等所需的内存空间。管理目标是高优先事务的执行不应因此而受阻。

（3）随钻测量远程测控普通数据库技术

LWD无线随钻存储系统有两个数据库组成：一是存储测量结果等不涉及有关数据及其处理的定时限制的经典关系型数据库；二是存储仪器测量的参数及控制指令等带有实时性要求的数据的实时数据库（LWDRTDB）。

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第二章

对于以时间为序的测量结果，资料存储采用的数据库存储方式以LAS（Log ASCII Standard）为基准。数据格式：LWD（区块、井名、零长、时间、井深、方位、井斜、温度、工具面、角差）； GR 地面（井深、时间、伽马数值）；GR井下（时间、伽马值）；TRIM地面（井深、时间、电阻率值）；TRIM 井下（井深、电阻率值）。

2、随钻测量远程监控及地质导向钻井多学科专家远程实时决策子系统 （1）随钻测井曲线的WEB显示

采用Java Applet应用程序来实现随钻测井曲线在PC上的正常显示，以及在智能手机等网络终端上的正常显示。Java Applet应用程序是动态、安全、跨平台的网络应用程序。将Java Applet嵌入HTML语言，通过主页发布到Internet。网络用户访问服务器的Applet时，Applet从网络上进行传输，然后在支持Java的浏览器中运行。

通过浏览器实时显示的测井曲线有三部分：一是曲线显示的模板，由曲线的图头、坐标、标注等组成，并且可以完成对曲线的放大、缩小等操作；二是测井曲线显示，用户观看测井曲线时，Java程序首先利用JDBC-ODBC桥访问数据库，完成数据库访问身份、权限验证，返回查询的测井数据；三是地质人员对曲线的分析标注，其分析结果可以传回数据库存储。

（2）随钻测量远程监控程序

随钻测量远程监控程序可以让仪器专家远程操作远离后方基地的现场仪器处理计算机，通过后台与现场同步显示的仪器参数，判断仪器工作状态，发出遥控命令，直接操作现场仪器地面系统。这对减少人为因素带来的仪器非正常工作时间、降低由于仪器原因不能正常进行钻井进程等带来的多方面损失具有很大的优势。

（3）网络版随钻测量实时解释软件

电缆测井数据是在测井解释中心进行解释的，可以借助解释中心强大计算机的强大运算能力完成各种数据资料运算，得到相应的解释成果。然而这种部署却不能满足LWD参数实时解释的需要。为此，我们将LWD实时解释系统分成两个子系统：工作站软件子系统和单机版软件子系统。系统之间可以协同工作，其中单机版软件子系统可以在预知任务要求的情况下独立地工作。

（4）网络化专家协调系统

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中国石油大学(华东)工程硕士学位论文

仪器、钻井、地质专家及决策人员、现场工作人员、系统管理员是网络化专家协调系统的主力人员。现场处理软件作为LWD与操作者之间的媒介，在实时显示几何导向参数的同时，可以显示新钻进无污染地层的伽马数据和电阻率数据。

远传系统实时地将井下仪器测量参数传输至后方数据库，完成测量数据的存储与备份；并且当网络连接质量下降时可以切换数据的传输方法以适应网络连结速度；在通信中断时记忆中断时的状态，通信恢复后可以从中断时的状态开始自动恢复数据传输。现场工程师也可以借助这个远传平台发出协助请求，让现场地面处理计算机直接由后方仪器专家远程控制；同时也接受作业指令，和后方地质专家与决策人员进行交流。后方地质专家与决策人员可以通过通联互联网络的微型计算机、掌上电脑、甚至是智能手机随时监控井眼轨迹，浏览随钻测量地质参数曲线，对刚刚钻进的地层进行地质评估，从而可以随时调整钻井作业指令，使得钻具在最佳油藏位置穿行，达到地质导向钻井的目的。系统管理员对用户进行管理，包括增加用户、修改用户和删除用户。

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