基于MATLAB的钻井井眼轨迹三维仿真研究.pdf

2 O1 4焦 第 4期 第 4 3卷 第 1页 石 油矿 ol L FI ELD 场机械 EQUI P MENT 2 0 1 4， 4 3 4 卜6 O o 文 章 编 号 1 0 0 1 3 4 8 2 2 0 1 4 0 4 0 0 0 1 - 0 6 基于 MAT L AB的钻井井眼轨迹三维仿真研究 王鸿 雁 ， 肖文生 ， 一 ， 刘忠砚 ， 姜立杰。 ， 田 雪 ， 王现锋 1 ． 中国石油大学 华东 机电工程学 院， 山东 青岛 2 6 6 5 8 0 ； 2 ． 中国石油勘探开发研究 院， 北京 1 0 0 0 8 3 ； 3 ． 中石化上海海洋石油局 钻井分公司 ， 上海 2 0 1 2 0 6 ； 4 ． 中海油能源发展股份有限公 司 采油技术服务分公司， 天津 3 0 0 4 5 2 摘 要 为 了直观 形 象地 观 察钻 井 井眼轨 迹 ， 便 于钻 井井 眼轨 迹 设 计 和控 制 ， 提 出一种 钻 井井 眼轨 迹 三 维仿 真 方法 。该 方法基 于 MATI AB软 件 ， 采 用 圆柱螺 线 内插 法进 行计 算 ， 实现 钻 井并眼 轨迹 的 三维仿真， 并具有图形平移、 图形旋转、 图形缩放等功能。该方法既可以直接从 E X C E L文档 中整 体 导入 测量 的 离散 井眼数 据 来 实现 钻 井井 眼轨迹 的三 维仿 真 ， 也 可 以对设 计 的 井 眼轨 迹 实现 三 维 仿 真 ； 便 于将 设 计的 井眼轨 迹 与 实际测 量 的井 眼轨迹 进行 对 比分 析 ， 为井 眼轨迹 的合 理设 计和 有效 控制 、 油田开发方案的制定等带来方便 ， 具有较高的实用价值。 关键 词 井眼轨 迹 ； 三 维 ； 仿 真 ； MATI AB 中图分 类号 T E 9 2 8 文献 标识 码 A Th r e e d i me n s i o n a l We I I T r a j 【 e c t o r y P l a n n i n g a n d S i mu l a t i o n Ba s e o n MAT L AB W ANG H o ng y a n ． XI AO W e n s he n g ～， LI U Zh ong y a n ， J I ANG L i i e 。 ， TI AN Xu e ， W ANG Xi a n f e n g 1 ． C o l l e g e o f Me c h a n i c a l a n d E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g， C h i n a U n i v e r s i t y o f P e t r o l e u m， Q i n g d a o 2 6 6 5 8 0 ， C h i n a ； 2 ． Re s e a r c h I n s t i t u t e o f Pe t r o l e u m Exp l o r a t i o n a n d De v e l o p me n t ， Be i j i n g 1 0 0 0 8 3， Ch i n a； 3 ． Dr i l l i n g Di v i s i o n， S I NOPEC S h a n g h a i Off s h o r e Pe t 7 o l e u m Bu r e a u， S h a n g h a i 2 0 1 2 0 6 ， Ch i n a； 4 ． CNOOCEn e r g y Te c h n o l o gy Se r v i c e s Oi l fi e l d Te c h n o l o g y Se r v i c e s Co ． ， Ti a n j i n 3 0 0 4 5 2 ， C h i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o o b s e r v e we l l t r a j e c t o r y d i r e c t l y ， d e s i g n r e a s o n a b l y a n d c o n t r o l e f f e c t i v e l y ， a f e a s i b l e me t h o d t o r e a l i z e we l l t r a j e c t o r y t h r e e d i me n s i o n a l s i mu l a t i o n i s p r o p o s e d ． Th i s me t h o d ba s e s O n M ATLAB a nd u s e s c y l i nd r i c a 1 he l i x i n t e r p ol a t i on me t h o d t o c a l c u l a t e i n o r de r t o r e a l i z e t h e we l 1 t r a j e c t o r y t h r e e d i me n s i o n a l s i mu l a t i o n， a n d a l s o h a s f u n c t i o n s o f mo v i n g， r e v o l v i n g， e n l a r g e a nd d i mi ni s h．Thi s me t h od e i t he r c a n i mpo r t t he m e a s u r e d d i s c r e t e d a t a d i r e c t l y f r o m t he EXC EL f i l e t o r e a l i z e t h e we l l t r a j e c t o r y t h r e e d i me n s i o n a l s i mu l a t i o n o r c a n r e a l i z e t h e d e s i g n e d we 1 1 t r a j e c t o r y t h r e e d i me n s i o n a l s i mu l a t i o n ．Th i s me t h o d i s e a s y t o a n a l y z e t h e d e s i g n e d we l l t r a j e c t o r y c o mp a r e d t o t h e me a s u r e d we l l t r a j e c t o r y， d e s i g n r e a s o n a b l y a n d c o n t r o l e f f e c t i v e l y ， a n d ha s c on s i d e r a b l e p r a c t i c a l v a l ue ． Ke y wo r d s we l l t r a j e c t o r y ； { h r e e d i me n s i o n a l ； s i mu l a t i o n； MATLAB 收稿 日期 2 0 1 3 - 1 0 1 9 基金项 目 山东省 自然科 学基 金资助项 目 Y 2 0 0 8 F 4 8 ； 山东省 自主创新专项项 目 2 0 1 2 C X 8 0 1 0 1 作者 简介 王鸿雁 1 9 8 0 一 ， 女 ， 山东东 营人 ， 博士研 究生 ， 主要 从事 石油钻 采工艺 及设 备技术 研究 ， E - ma i l w a n g h y 0 5 4 6 1 6 3． c o rn 。 石 油 矿场 机械 2 O 1 4年 4月 钻探作业中， 钻井井眼轨迹是最直观显示井眼 情况 、 控制井斜角度的重要依据 。井眼轨迹 三维 仿真技术可以将钻井过程真实地再现在钻井技术人 员眼 前 ， 为技 术人 员提 供更 为直观 方便 地操作 界 面 。 井眼轨迹三维仿真技术在油 田勘探与开发中占有十 分重 要 的地 位 ， 该 技 术 可 以有 效 地 提 高油 田的 钻井 效率 、 减小井下事故、 降低在 勘探开发 中的经济成 本 。本文采 用 MATL AB提供 的可 视化 仿真模 块 ， 实现井眼轨迹的三维仿真 ， 对提高我国钻探水平 具有 重要 的现实 意义[ 3 ] 。 l 钻井井眼轨迹设计 1 ． 1 三段式 轨迹 设计 原理 对于三段式轨迹设计r 】 ] ， 可通过给定 的 6个 钻井参数 a 。 ， D ， s ， D ， K ， 0 。 ， 计算 出 a 和△L w。 如图 1 ， 字母 a代表轨迹的造斜点 ， b代表轨迹增斜 段 的结束点 ， t 代表轨迹靶点。 图 1 三段式轨迹设计 由图 1 可 得 ． 一 S f S 一 R C O S O t R C O S o t 6 t n 一 D , --Do --Re s i n a b - - R2 s i n a △L 一 S 一 S 。 一R C O S 0 ／ R C O S O L 6 D 一D。 一R s i n 6 R s i n d 1 1 一 1 一 3 0 、 1 8 O 令 D 一D 一 D R s i n a 。 S 一 S 一 S 一 R C O S O t 。 R R ． 2 t a n 詈 1 一 t a n 警 S1 r l O b一CO S O t b 1 4 - t a n 警l t a n 警 带 人式 1 得 z a r c t a n - z a rc ta n 等警 △Lw一 2 2 二 2 R-- 式 中 D 为 目标段 始点 或 目标点 的垂 深 ， i n ； S 为 目 标段始点或 目标点的水平位 移， m； D 为造斜 点的 垂 深 ， m； S 为 造 斜 点 的水 平 位 移 ， r lq ； K 为 造斜 段 的造斜率 ，o ／ 3 0 m； 0 o为设计方位 角，o ； a 为造 斜点处 的井斜 角，o ； 为 稳斜段 的井斜 角 ，o ； △L W为稳斜段的长度 ， m。 1 ． 2 五 段 式轨迹 设计原 理 对 于五段 式轨 迹设计 l_ 7 ] ， 可 通过 给定 的 9个钻 井参数 a 。 ， D ， S ， D。 ， K ， K ， 0 o ， a ， △L ， 计算 出 a 和△L w。如 图 2 ， 字母 a代 表 轨迹 的造 斜 点 ， b代 表轨迹增斜段 的结束点 ， t 代表轨迹靶点 ， d代表多 目标井 的 目标 终点 。 0 图 2 五段式轨迹设计 由图 2可得 第 4 3 卷第 4期 王鸿雁 ， 等 基 于 MAT L AB的钻井 井眼轨迹三维仿真研究 令 一 S ￡ 一 S 一R C O S 0／ 。 一C O S 0 t 6 一R C O S ff ￡ 一 C O S 0／ 6 t an0／b 一 二 二 二 一 S f S 一R C O S 0 t 一R C O S 0／ ￡ R R C O S 0／ 6 D 一 D。 R s i n a R s i n a 一 R R s i n a 6 a L b 一 S f S 一R C O S ff 一R C O S 0／ f R R C O S 口 6 D 一 D R s i n a R s i n a 一 R R s i n a 6 R 一 1 一 _ 1 一 妄 3 0 ’ 1 8 0 S 一 S￡ 一 S。 一 R。 C OS 0／ 。一 R C OS 0／ f D 一D， 一 D。 R s i n a R s i n a R 一R R 2 t a n 等 1 一 t a n 等 s i na 6 一 ～ ， C O S 0／ 6 一 l - }- t a n 。 等 1 - }- t a n 。 等 带入 式 3 得 f 。 ． D 一 ／ D ； 4 - S 一R 一 “ 一 { △ L Ⅳ 一 露 4 lR 一 式 中 K 为降斜 段 的造 斜率 ， 。 ／ 3 0 m 为 目标段 的井斜角 ， 。 ； △L 为 目标段的长度 ， m。 2 三维仿真软件基本原理及 功能实现 2 ． 1基本 原理 井 眼轨 迹设 计方 法有 很 多 ， 常 用 的方法 有 正切 法 、 平均角法 、 弦步法 、 曲率半径 法、 水平面投影法、 空 间斜 平 面法 、 三 维几 何 分 析 法 、 平 衡 正 切 法 、 校 正 平均角法、 最小曲率法 、 自然参数法 、 圆柱螺线法及 井眼轨迹内插和外推法等 。本软件设计是以井眼轨 迹 圆柱 螺线 法 内插 为 基 本 原 理 ， 在 MATL AB数 字 模块 化 基础 之 上 ， 通 过 MA TL AB语 言 进 行 编 制 的 一 款人机互动的可视化仿真三维软件。 所谓 圆柱螺线法l_ 3 ] ， 就是将 1 个测段 如 图 1 中 1 ～2测段 ， 假设 为 1段 圆柱面上的螺旋 曲线 ， 其 圆柱螺线在水平面上的投影仍为圆弧的方法 。我 国 钻井 工 程 界 所 编 制 的钻 井 行 业 标 准 S Y ／ T 5 4 3 5 2 0 0 3 定向井轨道设计与轨迹计算 中， 规 定了 2种 最常用的基本方法 ， 即最小曲率法和圆柱螺线法 ； 其 中， 最小曲率法在欧美国家应用较多 。在我国， 较多 使用转盘旋转钻 出井眼 ， 其井眼形状趋 向于柱面螺 旋线， 因此选用圆柱螺线法更贴近我国钻井实 际情 况 ， 计算模型更精确 ， 计算更合理。 3 由于轨迹测量时， 只能测量每个测段的 2个端 点 1 ， 2 的基本参数 ， 如 图 3所示 ， 若要求得 2个端 点之间的无数个点 的基本参数 ， 可 以采用轨迹 内插 法 。内插 法有 直线 内插 和 曲 线 内插 2种 ， 曲线 内插 的计 算公 式 比直线 内插 的公 式要 复杂 得多 。 当内插 工作量很大 ， 需要简化计算 ， 或者要求得内插精度不 很高时， 可 以选用直线内插法 。 已知 条件 为 上端点 井深 L ， 井斜角 a ， 井斜方位角 ， 垂 深 D ， 东 西位 移 E ， 南 北 位移 N 。 下端点 井深 L ， 井斜角 0／ ， 井斜方位角 ， 垂 深 D ， 东西 位 移 E ， 南 北位 移 N 。 图 3圆柱 螺 线 法 内插 给定 插入 点井 深 L ， 通 过 已知条 件 可得 到插 入 点距离上端点的井段长度△L ， 利用公式 5 ～ 7 可 以求得插入点 i 的井斜角、 垂深以及井斜方位角 ， 带入公式 8 ～ 1 0 从而求得插入点 i 的坐标值 。 A r 0／ i 一0／ 1 O ／ 2 0／ 1 5 一_ T _ 0 D 一 Dl _ } s l n 0／ i --s l n mAL 0／i 0／1 一声 S S1 _ }c o s ta -- c o s 0／ ．AL 口 ，一d 1 6 7 8 石 油 矿场 机械 Ni _N1 0 1 i 1 9 a1， 西 一 西 E 一 E 0 t 1若 △ a ，一 ， 哂 一 西 1 ， 1 0 给定插入点垂深 D ， 通过 已知条件可得到插入 点 距离 上 端 点 的垂 增 △D 。利 用 式 1 1 ～ 1 2 可 以求得 插入 点 i 的井斜 角 和井深 ， 带入 式 7 ～ 1 0 从而求得插入点 i 的井斜方位角和坐标值。 a arcsarcsl‘ n [ s l’n a ] ⋯， a l ■ _『 一 十 1 l L l l El L】 4 AD ． m -- a i ． ． 1 2 Sl no ／ i。 Sl nal 2 ． 2功能 实现 本文采用 E X C E L存储和管理井眼轨迹的实际 测量数据， 将功能划分为几个大模块 ， 其中井眼轨迹 显 示 是 核 心 模 块⋯ 。 系 统 功 能 模 块 框 图 如 图 4 所 示 。 图 4 系统功能模块框图 数据 预处 理流 程如 图 5所示 。 从E X C E 1 表中 查询出井深、 I 井斜角、方位角数据， 保I 存在变量数组中 I I 基于圆柱螺线内插法将井眼 数据转换为井眼轨迹大地坐 标 ， y ， z ，并输出保存在 另一变量数组中 图 5 数据预处理流程图 实际钻井井眼轨迹显示流程如图 6所示 。 消除缓冲区 滇取川 选择的井眼轨 迹图形衷达方式 从数据预处理保1 字 的数 据『 f 1 读取所需参数 绘制J { { 户选择的外眼轨 迹 形表达方式 图 6买 际钻 井 井 眼 轨 迹 显 不 流 程 3 现 场 应 用 以渤 海油 田 QK1 7 - 2平 台 的 P 3 0井 的部 分 井 眼 轨迹数据作为实际测量数据 ， 对软件 的应用情况进 行 试验 。渤海 油 田 QK1 7 - 2平 台的 P 3 0井 的基本 数 据 如表 l 所示 。 表 1渤海油田 QK 1 7 2平 台的 P 3 0井的基本 数据 名称 基本参数 名称 基本参数 钻 机 型 号 Z J 5 O 地 表 海 拔 ／ m 0 ． 0 0 井位 东安 补 心高／ m 0 ． 0 0 北参考 真北 磁偏角／ 。 一6 ． 9 6 H Z 参考 转盘面 收敛角／ 。 0 ． 0 0 地磁模 型WMM2 0 0 0 投影 方位 ／ 。 3 5 6 ． 0 3 井口坐标／ m 0 ， 0 ， O 靶点坐标 m 8 1 5 7 O ， 1 2 l 6 ， 一 3 49 O． O O 注 日期 2 0 1 0 0 7 2 6 。 3 ． 1 系统登 录 本 软件是 建 立 在 MATI A B模 块 化 基 础 之 上 ， 因此 该 软件必 须在 MAT I AB集 成环境 之 下才 能运 行 。在程序运行之前 ， 需要检查软件所在计算机是 否装有 MAT I AB程序， 若 已安装 ， 直接点击 r u n ． e x e程序即可运行该软件。 若未安装 MATI A B软件 ， 则须首先点击文件 中 MC R I n s t a l l e r ． e x e程 序， 系统 会 自动 产生 一 个 MATL AB运 行 的 系统 环境 ， 安装 完 毕后 再 点击 r u n ． e x e 程 序 即可运 行该软 件 。 如图 7所示 ， 系统启动后将会立刻弹出登录窗 口， 用户根据提示按要求填写用户信息 ， 单击登陆按 钮 即可进 入该 系统 。