一种基于智能连续油管的定向钻井控制系统及定向钻井方法与流程

本发明涉及井中定向钻井，特别涉及一种基于智能连续油管的定向钻井控制系统及定向钻井方法。

背景技术：

1、连续油管起初作为经济有效的井筒清理工具而在市场上赢得了立足之地。传统的修井和完井作业的经济收入占连续油管作业总收入的四分之三以上。连续油管设备在油气田上的应用范围持续扩大，连续油管钻井技术和连续油管压裂技术成为近年来发展最快的两项技术。连续油管钻井技术已经成为经济高效地在各种油气藏进行加深钻井、老井侧钻、钻浅井的重要技术，在钻井市场，特别在欠平衡水平钻井市场赢得了地位。

2、目前，随着技术不断的发展，连续油管钻井技术已经得到了广泛的应用，但是在金属套管外布设永久式铠装光缆、光电复合缆、电缆及液压管线面临施工作业难度大和成本高情况，且各种缆的方位探测困难，同时井下避射工艺也不成熟，这就导致作业时铠装缆容易被射断，而在套管内布设的铠装光缆、光电复合缆、电缆和液压管线只能进行临时性的数据采集和工作，因为套管内布设的铠装光缆将影响或干扰井下的其它作业，无法将铠装光缆长期布设在套管内进行监测作业；虽然用连续油管内布设铠装光缆或电缆或液压管线可以进行水平井段的微地震监测和产液剖面测量或控制井下工具作业，也只能是临时性的，不可能把内置铠装光缆或电缆或液压管线的连续油管长期布放在水平井里而不影响井下油气的生产，现有的连续油管钻井系统普遍存在功能单一和智能化程度不高的情况，且如何在井下布设安全、低成本、不干扰其它井下作业和油气生产的长期稳定可靠不易损坏的由智能连续油管控制的连续油管钻井系统已经成为了一个难题；因此，需要设计一种基于智能连续油管的定向钻井控制系统及定向钻井方法。

技术实现思路

1、本发明的主要目的是解决如何在井下布设安全、低成本、不干扰其它井下作业和油气生产的长期稳定可靠不易损坏的由智能连续油管控制的连续油管钻井系统的问题；本发明提供了一种基于智能连续油管的定向钻井控制系统及定向钻井方法，其实现了具有实时调整和修正钻进过程中的目标储层埋深的功能，不仅提高了优质储层钻遇率，还预防了连续油管本体、液压导向器和电动钻头发生局部损坏的情况，且具有一次完成完井和固井作业的效果，还实现具有对井下和井周围油气水三相流体变化的实时测量和监测的功能，提高了油气采收率。

2、为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

3、一种基于智能连续油管的定向钻井控制系统及定向钻井方法，包括连续油管组件，所述连续油管组件的下端设置有液压导向器，且所述液压导向器的下端设置有电动钻头，其中所述连续油管组件外侧壁设置有液压控制管线、供电控制电缆和钻井监测组件；

4、所述供电控制电缆的一端与电动钻头连接，且所述供电控制电缆的另一端延伸出地面后与供电控制模块相连接，其中所述供电控制电缆的数目为多对，所述液压控制管线的一端与液压导向器连接，且所述液压控制管线的另一端延伸出地面后与液压控制模块相连接；

5、所述液压控制模块用于经液压控制管线对液压导向器进行控制并调整电动钻头至所需钻井方位及钻井角度，所述供电控制模块用于经多对供电控制电缆对电动钻头进行供电控制并使得电动钻头进行钻井作业，所述电动钻头和液压导向器能随连续油管组件的移动深入至井孔中；

6、所述钻井监测组件用于在钻井作业过程中实时监测和测量连续油管组件内外的噪声数据、温度数据、压力数据及应变数据，并同时监测连续油管组件、液压导向器和电动钻头在钻井作业中的状态及井筒内外的环境变化。

7、前述的一种基于智能连续油管的定向钻井控制系统，所述钻井监测组件包括直形光单元和直形应变光单元，所述直形光单元和直形应变光单元设置在连续油管本体外侧壁，且所述直形光单元和直形应变光单元的信号输出端延伸出地面后与复合调制解调仪相连接，其中所述复合调制解调仪内部设置有das信号输入模块、dts信号输入模块、dss信号输入模块和dps信号输入模块。

8、前述的一种基于智能连续油管的定向钻井控制系统，所述直形光单元包括直形单模光纤、直形多模光纤和直形连续光栅光纤，所述直形单模光纤与das信号输入模块的信号输入端相连，所述直形多模光纤与dts信号输入模块的信号输入端相连，所述直形连续光栅光纤与dps信号输入模块的信号输入端相连，其中所述直形单模光纤、直形多模光纤和直形连续光栅光纤均采用耐高温抗氢损光纤制成；

9、所述直形应变光单元内部设置有直形单模应变光纤，所述直形单模应变光纤与dss信号输入模块的信号输入端相连，其中所述直形单模应变光纤是在直形单模光纤外侧壁挤上耐高温高强的柔性复合材料并增加直形单模光纤的直径至1mm至2mm后紧包在内径1mm至2mm的不锈钢管内部制成，且所述直形单模应变光纤用于对不锈钢管内外的应力和应变进行感应。

10、前述的一种基于智能连续油管的定向钻井控制系统，所述连续油管组件包括连续油管本体，所述连续油管本体外侧壁均匀开设有第一卡槽、第二卡槽和第三卡槽；

11、所述第一卡槽的数目为两个，且两个所述第一卡槽内侧壁分别与直形光单元和直形应变光单元外侧壁相互锲合，所述第二卡槽的数目为两个，且两个所述第二卡槽内侧壁与液压控制管线外侧壁相互锲合，所述第三卡槽的数目为四个，且四个所述第三卡槽内侧壁与供电控制电缆外侧壁相互锲合；

12、所述直形光单元、直形应变光单元、液压控制管线和供电控制电缆与连续油管本体之间均采用焊接的方式进行连接。

13、前述的一种基于智能连续油管的定向钻井控制系统，所述连续油管组件还包括柔性复合层，所述柔性复合层包覆在连续油管本体外侧壁，且所述柔性复合层外侧壁套接有不锈钢保护套。

14、前述的一种基于智能连续油管的定向钻井控制系统，所述定向钻井控制系统还包括人工震源，所述人工震源设置在地面，所述人工震源定期激发的时移井中das-vsp数据和随钻das-vsp数据能被直形单模光纤及复合调制解调仪采集，其中所述随钻das-vsp数据的纵波和横波初至用于修正井下的纵波和横波速度并对井孔周围内的三维地震数据重新进行快速偏移处理，从而获得偏移处理结果，所述偏移处理结果用于实时调整和修正钻进过程中的目标储层埋深。

15、前述的一种基于智能连续油管的定向钻井控制系统，所述定向钻井控制系统还包括检波器，所述检波器设置在地面，所述检波器用于采集常规及时移地面地震数据，并由直形单模光纤同步采集常规及时移井中地震数据，从而实现井-地联合立体勘探。

16、前述的一种基于智能连续油管的定向钻井控制系统，所述液压控制模块经液压控制管线能驱动液压导向器调整电动钻头向修正后的目标储层钻进。

17、一种基于智能连续油管的定向钻井控制方法，包括以下步骤，

18、步骤一，在下井作业前，将液压导向器与液压控制管线相连接，再将电动钻头与液压导向器连接，接着通过连续油管本体能将电动钻头与液压导向器推送到钻井作业位置；

19、步骤二，利用液压控制模块经液压控制管线驱动液压导向器调整电动钻头到所需钻井方位，再通过供电控制模块经供电控制电缆驱动电动钻头向目标储层钻进；

20、步骤三，在钻井过程中，通过连续油管本体外侧壁设置有的直形单模应变光纤和复合调制解调仪能实时监测和测量连续油管本体内外两侧的dss信号，再通过连续油管本体外侧壁设置有的直形单模光纤、直形多模光纤和直形连续光栅光纤并配合复合调制解调仪能分别实时监测和测量连续油管本体内外两侧的das信号、dts信号和dps信号；

21、步骤四，利用复合调制解调仪对测得的dts信号和dss信号进行调制解调，获得连续油管本体外侧不同深度的温度数据和应力数据，再通过解调dts信号能获得的全井段连续油管本体的实时温度数据，接着对测量到的应力数据进行温度漂移的校正，获得井下连续油管本体、液压导向器和电动钻头在不同深度钻井作业时的真实应力数据；

22、步骤五，利用直形光单元和直形应变光单元能在钻井过程中实时监测地下井段内和钻具内外的流体噪声、温度、压力、应力和应变，从而实时监测井下连续油管本体、液压导向器和电动钻头的温度、承受应力、钻井泥浆和地层孔隙流体压力及流量；

23、步骤六，根据步骤四获得的实时真实应力数据沿连续油管本体的分布变化特征对连续油管本体、液压导向器和电动钻头承受高应力的井段进行监控，从而对连续油管本体、液压导向器和电动钻头进行局部损坏预防作业。

24、前述的一种基于智能连续油管的定向钻井控制方法，步骤三中利用复合调制解调仪对das信号、dts信号、dss信号和dps信号进行调制解调能分别获得井下分布的噪声数据、温度数据、应力数据和压力数据，从而能实时调整和修正钻进过程中的目标储层埋深及提高优质储层的钻遇率，进而完成对油气资源采收率的提高作业，具体步骤如下，

25、步骤a，根据实时解调出的沿连续油管本体分布的应力数据对沿连续油管本体外壁上应力场的分布变化情况进行实时监测，从而对高应力集中井筒发生形变、破裂和坍塌的情况进行预防；

26、步骤b，在钻井作业过程中，不定期停钻并快速激发设于地面上的人工震源，再通过直形单模光纤采集光纤随钻变偏移距、光纤垂直地震剖面数据和随钻三维光纤垂直地震剖面数据；

27、步骤c，快速拾取随钻das-vsp数据下行直达纵波和横波的初至，再计算地下纵波和横波速度沿井轨迹的变化，接着对井孔范围内的三维地面地震数据重新进行快速偏移处理并获得偏移处理结果，且偏移处理结果用于实时调整和修正钻进过程中的目标储层埋深，从而对优质储层钻遇率进行提高；

28、步骤d，启动液压控制模块经液压控制管线驱动液压导向器实时调整电动钻头钻进的方位和角度，从而使得连续油管本体向修正后的目标储层钻进；

29、步骤e，在连续油管本体到达所需钻进的目标储层后，从井口经连续油管本体向井底注入高压水泥浆并使得高压水泥浆沿连续油管本体外壁和钻孔壁之间的环形空隙上溢至井口，从而能将井底的岩屑和井下的钻井泥浆带出井口，进而在注入井下的高压水泥浆凝固后能将连续油管本体与井壁的岩石固结在一起，这样就能一次完成完井和固井作业；

30、步骤f，在连续油管本体内放入小口径射孔枪阵列并在目标储层井段进行射孔作业，再在射孔作业完成后对已经完成射孔的目标储层井段进行压裂作业，从而完成对目标储层的改造作业；

31、步骤g，对目标储层井段进行闷井和返排作业，并通过连续油管本体正式开始目标储层的油气生产；

32、步骤h，油气资源每生产半年后激发设置在地面上的人工震源，再通过直形单模光纤采集时移das-vsp数据；

33、步骤i，对步骤h中不同期次采集的时移das-vsp数据进行地表一致性振幅补偿处理、地表一致性反褶积处理和相对保持振幅的波场分离处理，得到处理后时移das-vsp数据；

34、步骤j，对步骤i中得到的处理后时移das-vsp数据分期次进行保幅叠前深度偏移处理，并提取偏移处理后地震数据体中的流体敏感属性参数，再计算并监测井周围油水两相及油气水三相流体边界的三维空间分布范围和随时间的变化数据，从而监测地下油气资源的采收状况和剩余油气资源在井周围内的分布状态，进而能对油气井进行规划布设及调整并完成开采制度的调整，这样就完成了对油气资源采收率的提高作业；

35、步骤k，在利用连续油管本体进行生产的过程中，利用连续油管本体外侧壁直形光单元及地面上的复合调制解调仪能长期实时监测和测量全井段的das信号、dts信号和dps信号，再根据井下噪声、温度和压力数据能计算井下产油产气井段的油气水的流量剖面变化数据、井段注入流量剖面变化数据、及步骤j中获得的井周围油水两相及油气水三相流体边界的三维空间分布范围和随时间的变化数据能对井下和井周围油气水三相流体变化的实时测量和监测，从而能及时优化调整开发方案和生产制度，进而完成对油气采收率的提高作业。

36、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

37、1、本发明通过在直形连续油管本体外侧壁嵌设供电控制电缆、液压控制管线、直形光单元和直形应变光单元构建了一个智能连续油管，再将智能连续油管连接液压导向器和电动钻头并随智能连续油管下放至井下后配合地面的复合调制解调仪器、液压控制模块、液压控制模块、人工震源和检波器就构建了一个基于智能连续油管的定向钻井控制系统，且若将基于智能连续油管的定向钻井控制系统作为最终的油气生产管柱，并将直形光单元和直形应变光单元分别与复合调制解调仪相连接，即可构建了一个基于智能连续油管和分布式光纤传感技术的井下和地下流体动态分布长期综合光纤监测系统，为油气藏开发的科学管理和提高采收率提供不可缺少的手段、系统和方法。

38、2、本发明在下井作业前，将液压导向器与液压控制管线相连接，再将电动钻头与液压导向器连接，接着通过连续油管本体将电动钻头与液压导向器推送到钻井作业位置，随后利用液压控制模块经液压控制管线驱动液压导向器调整电动钻头到所需钻井方位，再通过供电控制模块经供电控制电缆驱动电动钻头向目标储层钻进，有效的实现了本发明具有实时控制液压导向器和电动钻头进行定向钻井的功能，且在钻井的过程中能实时采用液压导向器调整电动钻头到所需钻井方位，保障了电动钻头向目标储层钻进的准确性，提高了油气井的钻井效果。

39、3、本发明在钻井过程中通过连续油管本体外侧壁设置有的直形单模应变光纤和复合调制解调仪能实时监测和测量连续油管本体内外两侧的dss信号，再通过连续油管本体外侧壁设置有的直形单模光纤、直形多模光纤和直形连续光栅光纤并配合复合调制解调仪能分别实时监测和测量连续油管本体内外两侧的das信号、dts信号和dps信号，接着利用复合调制解调仪对测得的dts信号和dss信号进行调制解调并获得连续油管本体外侧不同深度的温度数据和应力数据，再通过解调dts信号能获得的全井段连续油管本体的实时温度数据，随后对测量到的应力数据进行温度漂移的校正并获得井下连续油管本体、液压导向器和电动钻头在不同深度钻井作业时的真实应力数据，有效的实现了本发明具有在钻井过程中实时监测连续油管本体内外dss信号、das信号、dts信号和dps信号的功能，且监测获得的信号能实时输出至复合调制解调仪进行调制解调从而获得井下连续油管本体、液压导向器和电动钻头在不同深度钻井作业时的真实应力数据，监测和测量效果较好。

40、4、本发明利用直形光单元和直形应变光单元能在钻井过程中实时监测地下井段内和钻具内外的流体噪声、温度、压力、应力和应变，从而实时监测井下连续油管本体、液压导向器和电动钻头的温度、承受应力、钻井泥浆和地层孔隙流体压力及流量，接着根据获得的实时真实应力数据沿连续油管本体的分布变化特征对连续油管本体、液压导向器和电动钻头承受高应力的井段进行监控，从而对连续油管本体、液压导向器和电动钻头进行局部损坏预防作业，有效的实现了本发明具有在钻井过程中实时监测井下连续油管本体、液压导向器和电动钻头的温度、承受应力、钻井泥浆和地层孔隙流体压力及流量的功能，且还根据获得的实时真实应力数据沿连续油管本体的分布变化特征对连续油管本体、液压导向器和电动钻头承受高应力的井段进行监控，有效的预防了连续油管本体、液压导向器和电动钻头发生局部损坏的情况，保障了钻井过程的安全性，提高了钻井效率。

41、5、本发明根据实时解调出的沿连续油管本体分布的应力数据对沿连续油管本体外壁上应力场的分布变化情况进行实时监测，从而对高应力集中井筒发生形变、破裂和坍塌的情况进行预防，接着在钻井作业过程中不定期停钻并快速激发设于地面上的人工震源，再通过直形单模光纤采集光纤随钻变偏移距、光纤垂直地震剖面数据和随钻三维光纤垂直地震剖面数据，随后快速拾取随钻das-vsp数据下行直达纵波和横波的初至，再计算地下纵波和横波速度沿井轨迹的变化，紧接着对井孔范围内的三维地面地震数据重新进行快速偏移处理并获得偏移处理结果，且偏移处理结果用于实时调整和修正钻进过程中的目标储层埋深，从而对优质储层钻遇率进行提高，有效的实现了本发明具有实时调整和修正钻进过程中的目标储层埋深的功能，提高了优质储层钻遇率。

42、6、本发明启动液压控制模块经液压控制管线驱动液压导向器实时调整电动钻头钻进的方位和角度，从而使得连续油管本体向修正后的目标储层钻进，接着在连续油管本体到达所需钻进的目标储层后，从井口经连续油管本体向井底注入高压水泥浆并使得高压水泥浆沿连续油管本体外壁和钻孔壁之间的环形空隙上溢至井口，从而能将井底的岩屑和井下的钻井泥浆带出井口，进而在注入井下的高压水泥浆凝固后能将连续油管本体与井壁的岩石固结在一起，这样就能一次完成完井和固井作业，有效的实现了本发明具有一次完成完井和固井作业的功能，且完井和固井作业速度较快。

43、7、本发明在连续油管本体内放入小口径射孔枪阵列并在目标储层井段进行射孔作业，再在射孔作业完成后对已经完成射孔的目标储层井段进行压裂作业，从而完成对目标储层的改造作业，接着对目标储层井段进行闷井和返排作业，并通过连续油管本体正式开始目标储层的油气生产，且油气资源每生产半年后激发设置在地面上的人工震源，再通过直形单模光纤采集时移das-vsp数据，随后对步骤h中不同期次采集的时移das-vsp数据进行地表一致性振幅补偿处理、地表一致性反褶积处理和相对保持振幅的波场分离处理，得到处理后时移das-vsp数据，然后对得到的处理后时移das-vsp数据分期次进行保幅叠前深度偏移处理，并提取偏移处理后地震数据体中的流体敏感属性参数，再计算并监测井周围油水两相及油气水三相流体边界的三维空间分布范围和随时间的变化数据，从而监测地下油气资源的采收状况和剩余油气资源在井周围内的分布状态，进而能对油气井进行规划布设及调整并完成开采制度的调整，这样就完成了对油气资源采收率的提高作业，有效的实现了本发明具有监测井周围油水两相及油气水三相流体边界的三维空间分布范围和随时间的变化数据的功能，且还监测了地下油气资源的采收状况和剩余油气资源在井周围内的分布状态，这样能对油气井进行规划布设及调整并完成开采制度的调整，提高了油气资源采收率。

44、8、本发明在利用连续油管本体进行生产的过程中，利用连续油管本体外侧壁直形光单元及地面上的复合调制解调仪能长期实时监测和测量全井段的das信号、dts信号和dps信号，再根据井下噪声、温度和压力数据能计算井下产油产气井段的油气水的流量剖面变化数据、井段注入流量剖面变化数据、及获得的井周围油水两相及油气水三相流体边界的三维空间分布范围和随时间的变化数据能对井下和井周围油气水三相流体变化的实时测量和监测，从而能及时优化调整开发方案和生产制度，进而完成对油气采收率的提高作业，有效的实现了本发明具有对井下和井周围油气水三相流体变化的实时测量和监测的功能，且还能及时优化调整开发方案和生产制度，提高了油气采收率。