基于定向负载不确定性的连续管定向器执行机构状态随钻预测方法研究

Coiled tubing drilling (CTD) technology is an important means of cost cutting and efficiency improvement for the development of unconventional oil and gas and the redevelopment of the maturing field. The rational control of CTD orienter is one of the keys to the efficient implementation of CTD technology. Well wall roughness formed by the first / two generation CTD orienter combination (bending screw motor). This is easy to cause coiled tubing buckling. However, CTD rib-steered orienter can improve the borehole conditions. For accurate directional drilling of CTD, it is necessary to maximize the smooth transmission of the pressure and orienter can overcome the downhole reverse torque during CTD. The key to realize this goal is to control the state of the force and displacement of the actuator in real time optimization. This project intends to consider the uncertainty of the downhole multi source information during CTD. A theoretical model of directional load uncertainty during CTD is established by combining theoretical modeling with ground experimental research, and the sensitivity parameters are identified. Considering the uncertainty propagation of directional load, the uncertainty and distribution characteristics of actuator force and displacement vector of rib-steered orienter are studied. The cooperative optimization of real-time control and prediction method for the displacement and force of the actuator of CTD orienter and the guiding mechanism are established. It provides a theoretical basis for the directional drilling of CTD.

连续管钻井（CTD）技术是非常规油气开发和老油田二次开发降本增效的重要手段，CTD定向器的合理控制是高效实施连续管钻井技术的关键之一。第一/二代CTD定向器组合（接弯螺杆）形成的井壁粗糙，易造成连续管屈曲，而CTD肋式定向器可改善井眼条件。为实现连续管精确定向钻进，需最大限度地使连续管钻压传递顺利，且钻进过程中定向器能够克服井下反扭矩，而实时优化控制肋式定向器执行机构力和位移的状态是实现这一目标的关键。本申请项目拟考虑连续管钻井过程中井下多源信息的不确定性，采用理论建模分析与地面实验研究相结合的方法，建立连续管钻井过程中定向负载的不确定性理论模型并识别敏感性参数；考虑定向负载的不确定性传播，研究肋式定向器执行机构力和位移矢量不确定性及分布特征，建立CTD定向器执行机构位移与力的协同优化实时控制预测方法及导向控制机制，为我国连续管钻井定向工具的成功应用提供理论支撑。

连续管钻井技术（CTD）具有降本增效、减少污染、安全快捷等优势，克服了许多常规钻井技术和方式难以解决的问题，目前在北美已广泛应用于页岩油气、煤层气及致密油气等非常规油气藏的开发，而我国仍处于起步阶段。不同于常规钻柱，连续管是柔性管柱，具有不可旋转性，必须应用井下定向器调整工具面方可达到有效钻进的目的。第一、二代CTD定向器下接弯螺杆，所钻井壁粗糙，导致连续管极易发生屈曲，影响钻压传递，钻进极为困难。CTD肋式定向器可解决这一问题，该定向器通过控制其执行机构输出力和位移形成一定的工具面角，克服连续管钻井过程中的定向负载，从而控制井眼轨迹。由于连续管的柔性作用，在连续管钻进过程中，连续管极易发生屈曲变形，此时若用现有的管柱力学模型得到的连续管定向载荷具有一定的局限性，而目前专门关于连续管的管柱力学尚缺乏深入研究，因此研究了基于连续管的管柱力学的定向负载理论。此外，连续管钻井过程中，既要保证定向器能够克服反扭矩，还需要最大限度地降低定向器的执行机构与井壁间的摩阻，使得在克服反扭矩的同时能够顺利钻进。由于连续管钻井井下多源信息的不确定性，造成反扭矩及定向器与井壁之间的摩阻具有一定的不确定性，导致执行机构输出的力和位移的方向和大小难以同时准确控制，不利于连续管钻井井眼轨迹控制，通过本课题研究有效地控制了定向器执行机构输出力和位移。本项目考虑了连续管钻井过程中井下多源信息的不确定性，采用理论建模分析与地面实验相结合的方法，建立了连续管钻井过程中定向负载的不确定性理论模型并识别敏感性参数；考虑定向负载的不确定性传播，研究了定向器执行机构（支撑肋）力和位移矢量不确定性及分布特征，建立了连续管钻井定向器执行机构实时位移与力的协同优化控制预测方法及导向控制机制，可为非常规油气连续管定向钻井提供理论依据。