定向井井身轨迹最优化方法研究
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摘要
随着钻井工程技术的提高和钻井设备的改进,近些年来,钻井技术发展迅速。定向井作为一种非常重要而又实用的钻井方法,也受到了极大的关注。目前关于井身轨迹的设计和计算方法很多,发表的文章和专著也不少,涉及到二维设计方法和三维设计方法,但是它们都有一个共同的特点,设计出来的轨迹能够满足现场施工的要求,却不能肯定它是一条可行的最优轨迹。所谓最优轨迹就是在满足现场工具能力的要求下,设计出来的轨迹具有最小的井斜变化率和方位变化率、最短的井身长度、最小的扭矩和摩阻力等特点。
作者在总结前人经验的基础上,做了以下重要工作。归纳总结了几种常用的定向井轨迹计算方法,利用计算机编程语言做成一个实用的计算软件,使用方便,计算快速,准确。在研究定向井轨迹计算方法的基础上,把非线性不等式约束下非线性目标函数的非线性数学规划理论引入到定向井井身轨迹的最优化设计中,提出了定向井井身轨迹设计定量意义上的最优化方法,建立了定向井轨迹的最优化数学模型。
针对定向井井身轨迹的不同数学模型,给出了应用实例,分析了计算过程,并对不同的数学模型进行了求解。同时,作者编写了利用常规方法设计定向井轨迹的软件,可以作为研究定向井轨迹最优化方法的辅助工具。
最后,通过把常规方法设计的数据和最优化方法设计的数据相比较而得出结论:最优化设计方法确实比常规方法设计的井身轨迹要短,利用最优化方法设计的井身轨迹将大大减少可能的井下事故,缩短钻井周期,降低钻井成本。
With the advancement of drilling engineering technology and the improvement of drilling equipment, drilling technology develops rapidly. Directional Well, as a very important drilling method, has gained great attention. Currently, there have been many articles and monographs about design and calculation methods of directional well trajectory, both planar and three-dimensional. But they have a common point, that is, the trajectory designed can satisfy in-situ demand, but can’t be proved as an optimal trajectory. The optimal trajectory is designed under in-situ tool capacity, which has the minimum rate of inclination, the minimum rate of azimuth, the minimum length of measured depth, and the minimum torque and friction.
The author has done the following work based on the experiences of former experts. One is summing up several calculation methods of directional well trajectory and working out useful software which can be used easily and calculated quickly and precisely. Another is introducing nonlinear mathematical programming into directional well trajectory design and putting forward a quantitative design method and establishing several optimized mathematical models of directional well trajectory.
Aimed at different mathematical models, the paper gives several application examples, analyses calculation process, and solves the models. Also the author writes calculation software which can design directional well trajectory with conventional methods. The software can also be an assistant tool for studying optimization methods of directional well trajectory.
By comparing the results of conventional design methods and optimized design methods, the length of well trajectory designed by optimized design methods is shorter than that designed by conventional design methods. Therefore, the optimized design trajectory can largely reduce the rate of under well accidents, shorten penetration period and decrease drilling cost.
作者在总结前人经验的基础上,做了以下重要工作。归纳总结了几种常用的定向井轨迹计算方法,利用计算机编程语言做成一个实用的计算软件,使用方便,计算快速,准确。在研究定向井轨迹计算方法的基础上,把非线性不等式约束下非线性目标函数的非线性数学规划理论引入到定向井井身轨迹的最优化设计中,提出了定向井井身轨迹设计定量意义上的最优化方法,建立了定向井轨迹的最优化数学模型。
针对定向井井身轨迹的不同数学模型,给出了应用实例,分析了计算过程,并对不同的数学模型进行了求解。同时,作者编写了利用常规方法设计定向井轨迹的软件,可以作为研究定向井轨迹最优化方法的辅助工具。
最后,通过把常规方法设计的数据和最优化方法设计的数据相比较而得出结论:最优化设计方法确实比常规方法设计的井身轨迹要短,利用最优化方法设计的井身轨迹将大大减少可能的井下事故,缩短钻井周期,降低钻井成本。
With the advancement of drilling engineering technology and the improvement of drilling equipment, drilling technology develops rapidly. Directional Well, as a very important drilling method, has gained great attention. Currently, there have been many articles and monographs about design and calculation methods of directional well trajectory, both planar and three-dimensional. But they have a common point, that is, the trajectory designed can satisfy in-situ demand, but can’t be proved as an optimal trajectory. The optimal trajectory is designed under in-situ tool capacity, which has the minimum rate of inclination, the minimum rate of azimuth, the minimum length of measured depth, and the minimum torque and friction.
The author has done the following work based on the experiences of former experts. One is summing up several calculation methods of directional well trajectory and working out useful software which can be used easily and calculated quickly and precisely. Another is introducing nonlinear mathematical programming into directional well trajectory design and putting forward a quantitative design method and establishing several optimized mathematical models of directional well trajectory.
Aimed at different mathematical models, the paper gives several application examples, analyses calculation process, and solves the models. Also the author writes calculation software which can design directional well trajectory with conventional methods. The software can also be an assistant tool for studying optimization methods of directional well trajectory.
By comparing the results of conventional design methods and optimized design methods, the length of well trajectory designed by optimized design methods is shorter than that designed by conventional design methods. Therefore, the optimized design trajectory can largely reduce the rate of under well accidents, shorten penetration period and decrease drilling cost.
引文
[1]国家经济贸易委员会,SY/T 5435-2003,定向井轨道设计与轨迹计算,2003-03-18
[2]国家发展和改革委员会,SY/T 6332-2004,定向井轨迹控制,2004-07-03
[3]国家发展和改革委员会,SY/T 5955-2004,定向井井身轨迹质量,2004-07-03
[4]国家发展和改革委员会,SY/T 5234-2004,优选参数钻井基本方法及应用,2004-07-03
[5]中华人民共和国地质矿产部,DZ/T 0054-93,定向钻进技术规范,1993-02-19
[6]中国石油天然气总公司,SY/T 5431-1996,井身结构设计方法,1996-11-15
[7]国家经济贸易委员会,SY/T 5088-2002,评定井身质量的项目和计算方法,2002-05-28
[8]中国石油天然气集团公司,Q/CNPC 52-2001,石油钻井井身质量要求,2001-02-02
[9]中国石油天然气总公司,SY/T 5313-93,钻井工程术语,1994-01-06
[10]白家祉,苏义脑,定向钻井过程中的三维井身随钻修正设计与计算[J],石油钻采工艺,1991,13(6):1~4
[11]谢国民,张良万,杜远洋,等. 定向井实用三维设计——方位比较法,石油学报,2000,21(3):77～81
[12]韩志勇,定向井设计与计算,北京:石油工业出版社,1989
[13]江天寿,周铁芳,刘励慎,等. 受控定向钻探技术,北京:地质出版社,1994
[14]崔红英,王德金,林雍森,等. 靶段定向井轨道设计方法,石油钻探技术,2000,28(6):8～10
[15]鲁港,常规二维定向井剖面计算的新方法,河南石油,1995,9(4):8～13
[16]Helmy M W,Khalaf F,Darwish T,Well design using computer Model,SPE Drlling Completion,1998,13(1):42-46
[17]Suryanarayana P V R,,Roger C M,Rudolf R L,etc. Mathematical technique improves directional well-path planning,Oil and Gas Journal,,1998,96(34):57-63
[18]江胜宗,非直井轨迹最优控制模型、算法及应用,大连:大连理工大学,2002
[19]于桂荣,邢玉德,鲁港,石油钻井井身轨道设计的最优化计算方法,沈阳航空工业学院学报,2003,20(2):75-77
[20]张焱,吴爽,刘坤芳,等. 定向井待钻井身轨迹最优化设计方法研究,石油钻探技术,1999,27(6):11～13
[21]张焱,刘坤芳,曹里民,水平井待钻井身轨迹最优化设计方法研究,石油学报,2001,22(1):100～104
[22]张焱,李骥,刘坤芳,等. 定向井井身轨迹最优化设计方法研究,天然气工业,2000,20(1):57～60
[23]邱国虎,付建红,三维定向井轨迹优化设计,钻采工艺,1997,20(5):26～29 刘乃震,定向井井身轨道的最优化设计方法,石油钻探技术,2001,29(4):14～16
[24]吴光琳,定向钻进工艺原理,成都:成都科技大学出版社,1991
[25] C.C. 苏拉克申,定向钻进(汤凤林,杨凯华译),武汉:中国地质大学出版社,1991
[26]刘绘新,孟英峰,定向井最优井身轨迹研究,天然气工业,2004,24(2):64～67
[27]刘修善,何树山,殷朝阳,等. 定向井设计的新方法及其应用,中国海上油气(工程),1997,9(3):27～30
[28]吴石磊,冯恩民,江胜宗,二维定向井轨道优化设计及实例研究,应用基础与工程科学学报,2001,9(2～3):125～132
[29]刘修善,刘喜林,何树山,等. 二维绕障定向井设计方法,石油学报,1996,17(4):120～126
[30]刘修善,石在虹,给定井身方向的修正轨道设计方法,石油学报,2002,23(2):72～76
[31]孙振纯,许岱文,国内外水平井钻井技术现状初探,石油钻采工艺,1997,19(4):6～12
[32]鲁港,佟长海,邢玉德,基于约束优化方法的三维多靶井身轨迹设计模型,石油学报, 2005,26(6):93～95
[33]苏义脑,极限曲率法及其应用,石油学报,1997,18(3):110～114
[34]刘巨保,李治淼,李树亮,阶梯水平井水平段三维轨道设计与计算,大庆石油学院学报,2004,28(6):44～47
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[36] 刘修善,岑章志,井身轨迹间相互关系的描述与计算,钻采工艺,1999,22(3):7～12
[37]刘修善,郭钧,空间圆弧轨道的描述与计算,天然气工业,2000,20(5):44～46
[38]韩志勇,黄根炉,考虑方位漂移的单目标定向井轨道设计方法,中国海上油气,2005,17(1):38～40
[39]于永南,王晖,吕英民,等. 定向井与水平井井身轨迹控制专家系统,石油大学学报(自然科学版),1995,19(5):51～55
[40]王俊良,李海峰,袁学峰,等. 定向井水平井轨道设计和轨迹计算分析三维可视化技术,钻采工艺,2005,28(1):25～28
[41]陈作,曹红军,水平井造斜段待钻井身轨迹设计及应用,天然气工艺,1998,18(4):52~54
[42]李子丰,孙玉学,刘希胜,井身轨迹预测的数学模型,大庆石油学院学报,1995,19(2):6～9
[43]王志国,李希霞,王立波,等. 冷 41-平 14“L”型水平井轨迹优化与控制技术,石油钻探技术,2006,34(2):72～74
[44]崔宏英,张建国,韩志勇,两维定向井轨迹设计的通用方程,钻采工艺,1999,22(4):6～9
[45]张建国,韩志勇,崔红英,等. 绕障定向井轨道优化设计方法,石油钻探技术,1997,25(1):4～6
[46]张建国,韩志勇,崔红英,等. 绕障定向井轨迹设计研究,钻采工艺,1997,20(4):1～4
[47]崔红英,张建国,胡清富,绕障定向井三维轨道选择及设计方法,石油钻探技术,1998,26(4):4～7
[48]崔红英,双靶点定向井轨道优化设计方法,石油钻探技术,2001,29(5):15～17
[49]张跃军,赵子仁,崔江杰,水平井钻井优化设计技术研究,西部探矿工程(岩土、钻掘和矿业工程),1995,7(1):34～37
[50]崔红英,水平井轨道优化设计方法,石油钻探技术,2002,30(6):18～20 唐雪平,苏义脑,陈祖锡,三维井身轨道设计模型及应用,数学的实践与认识,2004,34(3):62～72
[51]谢国民,张良万,三维双目标定向井优化设计方法,钻采工艺,1999,22(3):21～23
[52]王希胜,定向井井身轨迹数学模型及软件实现,中国海上油气(工程),1999,11(6):59～60
[53]罗武胜,鲁琴,徐涛,等. 水平定向钻进轨迹最优化设计方法研究,岩土工程学报,2005,27(6):726～728
[54]吴井军,油田定向井井身轨迹选择,中国煤田地质,2001,13(4):60～62
[55]路学忠,尹伟. 定向井(丛式井)的设计与施工技术要点,探矿工程(岩土钻掘工程),2001,增刊:218～220
[56]李枝林,钟敬敏,张杰,等. 一种新的绕障三维定向井轨迹设计方法研究,钻采工艺,2004,27(1):11～13
[57]唐志军,洪学福,曹锡玲,等. 预测井身轨迹的实用方法,石油钻探技术,1994,22(4):24～26
[58]胡丰金,庞保军,定向井扭方位三维轨迹设计简易解析法,石油钻采工艺,1996,18(3):32～36
[59]Sawaryn SJ, Thorogood JL, A compendium of directional calculations based on the minimum curvature method, SPE DRILLING & COMPLETION, 2005, 20 (1): 24-36
[60]陈庭根,管志川,钻井工程理论与技术,山东:石油大学出版社,2000
[61]孙光明等,钻井、完井工程基础知识手册,北京:石油工业出版社,2002
[62]赵金洲,张桂林,钻井工程技术手册,北京:中国石化出版社,2005
[63]苏金明,阮沈勇,Matlab 实用教程,北京:电子工业出版社,2005
[64]曹卫华,郭正,最优化技术方法及 Matlab 的实现,北京:化学工业出版社 2005
[65]飞思科技产品研发中心,Matlab6.5 辅助优化计算与设计,北京:电子工业出版社,2003年
[2]国家发展和改革委员会,SY/T 6332-2004,定向井轨迹控制,2004-07-03
[3]国家发展和改革委员会,SY/T 5955-2004,定向井井身轨迹质量,2004-07-03
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