一种基于井筒位置不确定性的水平井着陆评价方法与流程

1.本发明涉及钻井技术领域，尤其是一种基于井筒位置不确定性的水平井着陆评价方法。


背景技术：

2.在水平井地质导向过程中有两大关键阶段，即造斜段和水平段。其中在造斜段内能否安全准确着陆关系到水平段能否在储层中顺利钻进，决定着在储层钻遇率的高低，是水平井钻井能否成功的关键一步。若着陆偏则会导致钻遇不到储层，施工周期延长，投资成本增加。因此，使井眼轨迹安全着陆是造斜段的主要工作和目标，而水平井井眼轨迹始终存在误差，因而确定误差是着陆随钻的关键，直接决定水平井实施的质量和生产效果。
3.以前采用的着陆方法是模拟
‑
对比
‑
更新法。研究大都是参考邻井资料和地震资料做出储层的预测垂深，钻井工程根据预测垂深进行定向井轨迹设计，并按照设计轨迹进行钻进，在水平井着陆阶段根据实钻地层情况进行轨迹调整，或稳斜加深钻进找油层，或快速增斜钻进找油层，以此消除目标层垂深的不确定性。但并未考虑因为测量误差所导致的井筒位置的不确定性。


技术实现要素：

4.本发明的目的是针对现有的着陆方法未考虑测量误差所导致的井筒位置的不确定性，导致井眼轨迹着陆精度不高的问题，提供一种基于井筒位置不确定性的水平井着陆评价方法，用来提高水平井入靶精度。
5.本发明提供的基于井筒位置不确定性的水平井着陆评价方法，包括的主要步骤是：精简井筒位置不确定性误差模型的误差源；误差椭球计算方法；井眼轨迹着陆概率的计算方法和标志层选取范围计算方法。
6.该方法中，选取与误差椭球高边半径相关的误差源。因为靶区的宽边与长边设定远大于误差椭球，所以井眼轨迹着陆概率只需要计算误差椭球高边半径与靶区高度的比。对常用的mwd工具进行计算分析，总结归纳了13项影响垂深的误差源。误差源数量的增减，误差量级及误差权函数的改变都不影响本方法的应用，可视条件变化自行改变参数进行计算。
7.本发明提供的基于井筒位置不确定性的水平井着陆评价方法，具体包括如下步骤：
8.步骤s1、通过井筒位置不确定性模型计算设计井眼轨迹误差椭球高边半径。
9.井筒位置不确定性模型从导致测量误差的已确定的物理现象开始，评估这些现象如何影响每个测量点的测量结果，以及这些误差如何沿着测量段并最终沿着整个井筒累积，量化井下测量的不确定性。本方法从误差分析出发，为标志层的选择要求提供理论依据。
10.步骤s1中计算设计井眼轨迹误差椭球高边半径的具体过程如下：
11.s11、误差源对测点导致的矢量误差是前后测量段位移影响的总和，根据井眼轨迹测斜计算的平衡正切法可求得井眼轨迹位移矢量δr
j
；
[0012][0013]
式中：δr
j
‑
井眼轨迹位移矢量；d
‑
井深(m)；i
‑
井斜角(
°
)；a
‑
方位角(
°
)。
[0014]
s12、以p代表井眼轨迹的三要素井深d、井斜角i、方位角a，测量矢量变化对钻孔的影响用下式表达；
[0015][0016]
式中:
[0017][0018]
或者，
[0019][0020][0021][0022]
s13、计算除最终点的所有误差源e
i,l,k
；
[0023][0024][0025]
式中：σ
i,l
‑
误差量级，误差源的大小；
‑
误差加权函数，3*1矩阵，误差源对测量矢量的影响；和
‑
测量矢量变化对钻孔的影响，3*3矩阵；
[0026]
s14、计算最终点的所有误差源e
i,l,k*
；
[0027][0028][0029]
式中：σ
i,l
‑
误差量级，误差源的大小；
‑
误差加权函数，3*1矩阵，误差源对测量矢量的影响；
‑
测量矢量变化对钻孔的影响，3*3矩阵；
[0030]
s15、计算出所有测点的各个误差后，随机误差，系统误差，全局误差分别以下述的不同算法相加；
[0031]
随机误差由下式计算；
[0032][0033][0034]
系统误差由下式计算；
[0035][0036][0037]
全局误差由下式计算；
[0038][0039][0040]
s16、所有方差矩阵相加得到协方差矩阵[c]
k
；
[0041][0042]
s17、通过方向余弦矩阵将协方差矩阵转换为钻孔参考系协方差矩阵[c]
hla
；
[0043][0044]
式中：
[0045]
s18、因为钻孔参考系协方差矩阵[c]
hla
是实对称矩阵，可计算得出特征值λ1，λ2，λ3。
[0046]
s19、计算误差椭球高边半径a；
[0047]
a＝m
×
λ1[0048]
式中：a
‑
误差椭球高边半径(m)；m
‑
置信因子。
[0049]
步骤s2、根据误差椭球计算基于井筒位置不确定性中靶概率。
[0050]
水平井着陆时，井斜角一般为90
°
左右，若误差椭球高边在垂线上的投影大于储层厚度，则井眼轨迹有可能着陆于储层外，无法找到储层或者钻出储层。若误差椭球高边在垂线上的投影小于等于储层厚度，井眼轨迹能准确着陆于储层内。计算其着陆概率(即中靶概率)p公式如下：
[0051][0052]
式中：a
‑
误差椭球高边半径(m)，d
‑
储层厚度(m)，i
‑
井斜角(
°
)。
[0053]
s3、取中靶概率为100％的临界点计算临界标志层深度。具体包括以下两个子步骤：
[0054]
s31、误差椭球随着井眼轨迹逐渐累积，从已确定的标志层重新累积误差，着陆点处的误差椭球将大大降低，计算临界误差椭球高边半径a
临界
；
[0055][0056]
式中：d
‑
储层厚度(m)，i
‑
井斜角(
°
)；
[0057]
s32、计算不同垂深标志层作为起点重新累积的误差椭球，得出临界标志层深度。合适的标志层也不能离储层太近，可能导致无法调整井眼轨迹，最近应距离着陆点100m左右，因此标志层选取范围在计算出的临界标志层深度与距着陆点100m之间。
[0058]
与现有技术相比，本发明的有益之处在于：
[0059]
(1)本发明基于井筒位置不确定性，提出了一种水平井着陆评价方法，精简了井筒位置不确定性模型与垂深无关的误差源，降低了井筒位置不确定性模型计算难度，计算出准确的误差椭球高边半径和着陆概率，直观评价井眼轨道设计优劣，为标志层的选择要求提供理论依据。根据该方法确定标志层选择范围，可以有效提高井眼轨迹着陆精度。
[0060]
(2)本发明给出了误差椭球计算方法，可以计算出准确的误差椭球的三轴半径。
[0061]
(3)本发明提出了井眼轨迹着陆概率计算方法，可以直观评价井眼轨道设计。
[0062]
(4)本发明提出了合适的标志层垂深范围计算方法，可以有效提高井眼轨迹着陆精度。
[0063]
(5)本发明的方法克服了现有技术在测量井筒位置不确定性领域的不足，计算了在钻井过程中存在的井筒位置不确定性，提高了水平井着陆精度。
[0064]
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
[0065]
图1为测量点误差源作用示意图。
[0066]
图2为井口累积误差椭球示意图。
[0067]
图3为着陆点着陆概率示意图。
[0068]
图4为标志层地层对比后累积误差椭球示意图。
具体实施方式
[0069]
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
[0070]
本发明的基于井筒位置不确定性的水平井着陆评价方法，具体步骤如下：
[0071]
步骤s1、因为靶区的宽边与长边设定远大于误差椭球，所以井眼轨迹着陆概率只需要计算误差椭球高边半径与靶区高度的比。对常用的mwd工具进行计算分析，总结归纳了13项影响垂深的误差源，可分为随机误差，系统误差，全局误差3类。表1为13项与误差椭球高边半径相关的误差源的误差量级及权函数。随机误差为井深随机误差。系统误差包含井深系统误差，井眼失准误差1、3、4项，bha垂直凹陷误差，加速度计xy轴偏移误差第1、2项，加速度计z轴偏移误差，加速度计xy轴比例因子误差第1、2项，加速度计z轴比例因子误差，全局误差为深度拉伸误差。其中深度随机误差，深度系统误差，深度拉伸误差直接作用于井深，其余10项作用于井斜角，间接影响井深。误差源数量的增减，误差量级及误差权函数的改变都不影响本方法的应用，可视条件变化自行改变参数进行计算。
[0072]
表1、与高边半径相关的误差源的误差量级及权函数
[0073][0074][0075]
表中，d
‑
井深(m)；dv
‑
垂深(m)；i
‑
井斜角(
°
)；a
‑
方位角(
°
)；am
‑
磁方位角(
°
)；azt
‑
真方位角(
°
)；θ
‑
磁倾角(
°
)。
[0076]
误差源对测点导致的矢量误差是前后测量段位移影响的总和。如图1所示，a点误
差影响1、2两段；b点误差影响2、3两段；c点误差只影响第3段。
[0077]
根据井眼轨迹测斜计算的平衡正切法可求得井眼轨迹位移矢量δr
j
；
[0078][0079]
式中：δr
j
‑
井眼轨迹位移矢量；d
‑
井深(m)；i
‑
井斜角(
°
)；a
‑
方位角(
°
)。
[0080]
由于p代表井眼轨迹的三要素(井深d、井斜角i、方位角a)，所以，测量矢量变化对钻孔的影响可用下式表达；
[0081][0082]
式中:
[0083][0084]
或者，
[0085][0086][0087][0088]
所有除最终点以外的误差源e
i,l,k
均采用以下公式计算；
[0089][0090][0091]
式中：σ
i,l
‑
误差量级，误差源的大小；
‑
误差加权函数，3*1矩阵，误差源对测量矢量的影响；和
‑
测量矢量变化对钻孔的影响，3*3矩阵。
[0092]
最终点无下一点，则采用下式计算误差源e
i,l,k*
；
[0093][0094][0095]
式中：σ
i,l
‑
误差量级，误差源的大小；
‑
误差加权函数，3*1矩阵，误差源对测量矢量的影响；
‑
测量矢量变化对钻孔的影响，3*3矩阵。
[0096]
计算出所有测点的各个误差后，随机误差，系统误差，全局误差分别以下述的不同算法相加。
[0097]
随机误差由下式计算；
[0098][0099][0100]
系统误差由下式计算；
[0101][0102][0103]
全局误差由下式计算；
[0104][0105][0106]
计算所有方差矩阵相加得到协方差矩阵[c]
k
；
[0107][0108]
通过方向余弦矩阵将协方差矩阵转换为钻孔参考系协方差矩阵[c]
hla
；
[0109][0110]
式中：
[0111]
[c]
hla
是误差源累积矩阵，即关于井眼位置地理坐标(n、e、h)的协方差矩阵。
[0112]
因为[c]
hla
是实对称矩阵，可计算得出总的井眼位置不确定性的协方差矩阵的特征值λ1，λ2，λ3。
[0113]
根据数理统计，井眼位置坐标被认为是服从正态分布的，且测量点上的位置增量
为δr，概率密度为：
[0114][0115]
由上式可得，其等概率面为：
[0116]
(δr)
t
[c]
hla
‑1(δr)＝m2[0117]
式中，m称为置信因子，根据丛式井防碰惯例，取m的值为2。此方程表示了一个椭球面，而其中的误差源累积矩阵[c]
hla
就是关于井眼位置地理坐标(n、e、h)的协方差矩阵，由前面介绍的方法求得。因此，井眼轨迹上每个测量点的位置误差都可用一个椭球来描述。其中，误差椭球高边半径a：
[0118]
a＝m
×
λ1[0119]
式中：a
‑
误差椭球高边半径(m)；m
‑
置信因子。
[0120]
步骤s2、根据误差椭球计算基于井筒位置不确定性中靶概率。
[0121]
如图2所示，井眼轨迹误差椭球会随着钻进逐渐累积，从井口累积至靶点，误差椭球高边半径很大，有无法准确着陆的风险。
[0122]
水平井着陆时，井斜角一般为90
°
左右，若误差椭球高边在垂线上的投影大于储层厚度，则井眼轨迹有可能着陆于储层外，无法找到储层或者钻出储层。若误差椭球高边在垂线上的投影小于等于储层厚度，井眼轨迹能准确着陆于储层内。如图3所示，着陆概率(即中靶概率)p为：
[0123][0124]
式中：a
‑
误差椭球高边半径(m)，d
‑
储层厚度(m)，i
‑
井斜角(
°
)。
[0125]
步骤s3、取中靶概率为100％的临界点计算临界标志层深度。
[0126]
因为误差椭球是随着井眼轨迹逐渐累积，从已确定的标志层进行地层对比，重新累积误差，着陆点处的误差将大大降低，如图4所示。合适的标志层既不能离储层太远，可能导致无法准确着陆，也不能离储层太近，可能导致无法调整井眼轨迹。一般在距离着陆点100m左右进行地层详细对比，预判油层顶垂深的变化情况，目的层滞后，则降斜钻进，目的层提前，则要适当的增斜，避免进入油层后，井斜做过大的调整，造成很大的狗腿度，增加井下风险。因此，合适的标志层选择范围即计算出的距着陆点最远标志层和距着陆点垂深100m之间。距着陆点最远标志层时为p＝1的临界点，即
[0127][0128]
式中：d
‑
储层厚度(m)，i
‑
井斜角(
°
)；
[0129]
计算不同垂深标志层作为起点重新累积的误差椭球，得出临界标志层深度。
[0130]
综上所述，本发明的方法基于井筒位置不确定性，提出了一种水平井着陆评价方法，精简了井筒位置不确定性模型与垂深无关的误差源，计算出准确的误差椭球高边半径和着陆概率，直观评价井眼轨道设计优劣，为标志层的选择要求提供理论依据。根据该方法确定标志层选择范围，可以有效提高井眼轨迹着陆精。
[0131]
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。