一种待钻井眼轨道自动优化设计的方法技术

一种待钻井眼轨道自动优化设计的方法，构建待钻设计轨道评价函数的优化模型，设定原设计轨道的井身参数以及待钻设计轨道的初始值，自动计算出评价函数值，从而自动筛选出最优待钻设计轨道。本发明专利技术将无穷维优化问题离散化成有限维优化问题，然后求解有限维优化问题，用求解出来的有限维优化问题的解来近似地作为无穷为优化问题的解；即解决了钻井现场嵌入式设备的性能与设备成本之间的矛盾，又能满足钻井工程上的精度要求。实现了待钻井眼轨道设计的快速优化、及时性、科学性、规范性，减少了人为因素产生的随意性和不确定性。

A method of automatic optimization design for the trajectory of the hole to be drilled

【技术实现步骤摘要】
一种待钻井眼轨道自动优化设计的方法
本专利技术涉及经验轨道设计领域，尤其涉及一种待钻井眼轨道自动优化设计的方法。
技术介绍
待钻井眼轨道设计是钻井施工中实现定向钻井的重要任务。待钻井眼轨道的设计结果不仅影响到定向控制的难易程度，还直接关系到能否实现安全、优质、快速地完成钻井作业。待钻井眼轨道的优化设计不仅能够减轻井眼轨道控制的难度、减少定向控制的工作量，还能够减小钻具组合的扭矩和摩阻，有利于钻井速度和井身质量的提高、降低钻井作业综合成本。与原设计轨道)相比，待钻井眼轨道优化设计有很多不同的特别之处：第一，待钻井眼轨道是从实钻过程中的当前钻头位置开始钻达设计目标，在每进行一次测斜测量之后，都需要重新进行一次待钻井眼轨迹设计，从而为下一步钻井轨迹控制提供参考依据。第二，待钻井眼轨道要贴近原设计轨道，两者之间不能相距太远，两者之间的距离随着井深的增加逐渐地趋近于零、直到准确地钻达设计目标。第三，在当前钻头位置偏离原设计轨道较大时，不能立刻将待钻设计轨道扭至原设计轨道，要考虑钻具组合的造斜能力、原设计轨道的井眼曲率、待钻设计轨道的光顺程度等因素，以保障优质的井身质量和后续钻井作业(比如下套管)的通过性好。目前在钻进过程中，也有一些做法可以对待钻井眼轨道进行人工筛选，力求得到比较好的待钻井眼轨道，这些做法有以下一些特征：第一，用钻井工程设计相关软件设计几条或十几条待钻井眼轨道，从这些事先设计好了的待钻井眼轨道中筛选出设计者认为是最优的待钻井眼轨道。第二，每一位设计者对指标的选择不尽相同，对多个指标、考虑的侧重度也不同，而且对待钻井眼轨道的最优性有很大的主观性。这样的结果是：不同的设计人员对同样的设计条件，设计出来最优待钻待钻井眼轨道是不同的。第三，设计过程麻烦，除了先期的数条待钻井眼轨道可以借用专门的井眼轨道设计软件来完成，但是后面的人工优选都得手工操作，不能由计算机自动地完成。这样造成工作效率很低，不能满足钻井现场钻进过程要求的及时性，耽误钻进时间，增大钻井成本。待钻设计轨道有5项约束条件：井斜控制条件、方位控制条件、曲率控制条件、距离偏差控制条件、目标控制条件；满足以上约束条件的待钻设计轨道，在理论上有无穷多条，在工程应用上，没有必要考虑这无穷多种可能性；而且考虑无穷多种待钻设计轨道可能性所需要的数值算法，在编写成计算机程序之后，对计算机的内存和运行速度有很高的性能要求，很难在钻井现场普通的嵌入式设备上通畅地运行；如果必须要在钻井现场嵌入式设备上通畅运行，势必增加钻井成本。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种待钻井眼轨道自动优化设计的方法，从而解决现有技术中存在的前述问题。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：一种待钻井眼轨道自动优化设计的方法，包括以下步骤：S1、设定原设计轨道设计节点Pl的井身参数为：Ll,αl,φl,Nl,El,Hl，l＝0,1,2,…,(M-1)式中，l为设计节点的编号，M为设计节点的个数，Ll为设计节点的井深，αl为设计节点的井斜角，φl为设计节点的方位角，Nl为设计节点的北坐标，El为设计节点的东坐标，Hl为设计节点的垂深；S2、为待钻井眼轨道的优化模型做数据准备：定义约束区域的参数、约束区域内的划分，规定约束区域内划分参数的表示方法以及规定所述待钻设计轨道初始的井身参数；S3、构建所述待钻设计轨道优化设计的数学模型：定义待钻设计轨道的井斜角评价函数为：其中，pl为井斜角偏差的权重系数，满足：0≤pl≤1(l＝1,2,…,M-1)；eα为给定的常数值；u为原设计轨道上第l-1个设计节点的约束区域中格点的编号；v为原设计轨道上第l个设计节点的约束区域中格点的编号,下同；定义待钻设计轨道的方位角评价函数为：其中，ql为方位角偏差的权重系数，满足：0≤ql≤1(l＝1,2,…,M-1)；eφ为给定的常数值；定义待钻设计轨道与原设计轨道的偏差评价函数为：其中，rl为权重系数，满足：0≤rl≤1(l＝1,2,…,M-1)；为待定设计井段的距离偏差；其中：权重默认值可取定义待钻设计轨道的井眼曲率评价函数为：对于第l个待钻设计轨道，计算出来的井眼曲率为在原设计轨道上对应的设计井段的井眼曲率为kl，则井眼曲率约束条件为：定义待钻设计轨道的评价函数为：F(z)＝βαfα(z)+βφfφ(z)+βρfρ(z)+fκ(z)其中：βα、βφ、βρ为权重系数，满足0≤βα,βφ,βρ≤1，βα+βφ+βρ＝1；再定义一个格点连接系数其中，u为原设计轨道上第l-1个设计节点的约束区域中格点的编号(1≤u≤Ml-1)；v为原设计轨道上第l个设计节点的约束区域中格点的编号(1≤v≤Ml)；则待钻设计轨道的评价函数也可以写为：S4、求出所有可行的所述待钻设计轨道的评价函数，并输出最优待钻设计轨道。优选的，步骤S2中约束区域的参数为：每一个设计节点的法平面上定义一个约束区域，当设计目标是定向井的圆形靶时，约束区域为以设计节点为圆心、dl为半径的法面约束圆；当设计目标是水平井的矩形靶时，在A靶和A靶之后的设计节点的法平面上，约束区域为以设计节点为中心，与设计靶床矩形相似的半宽为dwl、半高为dhl的法面约束矩形；在A靶之前的设计节点的法平面上，约束区域以设计节点为中心、dl为半径的法面约束圆。优选的，步骤S2中所述约束区域的划分及参数表示为：将所述约束区域按设定精度Δd划分成纵横网格，所述纵横网格的交点为格点；从一个约束区域的一个格点到下一个约束区域的一个格点之间的直线或曲线为一段待钻井段；设待钻设计轨道的设计节点记为：Pm，m＝0,1,2…M-1,当前井底即当前钻头位置的为待钻设计轨道的第一个设计节点P0，在设计节点P0的约束区域内的格点记为：i＝1,2,…,M0；在设计节点P1的约束区域内的格点记为：j＝1,2,…,M1；则待钻设计井段有m-1个；则一条完整的待钻设计轨道可以表示为：优选的，所述待钻设计轨道初始的井身参数为：实钻井深L0、井斜角α0、方位角北坐标N0、东坐标E0、垂深H0、水平投影长度S0。优选的，步骤S4中，所述评价函数取值最小的所述待钻设计轨道为所述最优待钻设计轨道。本专利技术的有益效果是：本专利技术所述的待钻井眼轨道自动优化设计的方法，首先将无穷维优化问题离散化成有限维优化问题，然后求解有限维优化问题，用求解出来的有限维优化问题的解来近似地作为无穷为优化问题的解；这个算法即解决了钻井现场嵌入式设备的性能与设备成本之间的矛盾，又能满足钻井工程上的精度要求。而且以前由专人进行选择的工作，都可通过本专利技术所述的方法进行自动选择，实现了待钻井眼轨道设计的快速优化、及时性、科学性、规范性，减少了人为因素产生的随意性和不确定性。附图说明...

【技术保护点】
1.一种待钻井眼轨道自动优化设计的方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1、设定原设计轨道设计节点P

【技术特征摘要】
1.一种待钻井眼轨道自动优化设计的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、设定原设计轨道设计节点Pl的井身参数为：
Ll,αl,φl,Nl,El,Hl，l＝0,1,2,…,(M-1)
式中，l为设计节点的编号，M为设计节点的个数，Ll为设计节点的井深，αl为设计节点的井斜角，φl为设计节点的方位角，Nl为设计节点的北坐标，El为设计节点的东坐标，Hl为设计节点的垂深；
S2、为待钻井眼轨道的优化模型做数据准备：定义约束区域的参数、约束区域内的划分，规定约束区域内划分参数的表示方法以及规定所述待钻设计轨道初始的井身参数；
S3、构建所述待钻设计轨道优化设计的数学模型：
定义待钻设计轨道的井斜角评价函数为：



其中，pl为井斜角偏差的权重系数，满足：eα为给定的常数值；u为原设计轨道上第l-1个设计节点的约束区域中格点的编号；v为原设计轨道上第l个设计节点的约束区域中格点的编号,下同；
定义待钻设计轨道的方位角评价函数为：



其中，ql为方位角偏差的权重系数，满足：eφ为给定的常数值；
定义待钻设计轨道与原设计轨道的偏差评价函数为：



其中，rl为权重系数，满足：为待定设计井段的距离偏差；
其中：



权重默认值可取
定义待钻设计轨道的井眼曲率评价函数为：



对于第l个待钻设计轨道，计算出来的井眼曲率为在原设计轨道上对应的设计井段的井眼曲率为kl，则井眼曲率约束条件为：






定义待钻设计轨道的评价函数为：
F(z)＝βαfα(z)+βφfφ(z)+βρfρ(z)+fκ(z)
其中：βα、βφ、βρ为权重系数，满足0≤βα,βφ,βρ≤1，βα+βφ+βρ＝1；
再定义一个格点连接系数



其中，u为原设...

【专利技术属性】
技术研发人员：鲁港，缑柏弘，李学清，冯俊龙，
申请(专利权)人：北京四利通控制技术股份有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11