一种井壁稳定性约束下的钻进轨迹多目标优化方法技术

本发明专利技术提供一种井壁稳定性约束下的钻进轨迹多目标优化方法，以轨迹长度、钻柱扭矩作为优化目标，以中靶误差，安全泥浆密度上限和下限为约束，建立井壁稳定性约束下的钻进轨迹优化模型；利用结合拐点和反世代距离的多目标进化算法求解井壁稳定性约束下的轨迹优化问题，得到一组互不支配的轨迹设计方案集；选择在各点处安全泥浆密度值变化最小的方案作为最终的轨迹设计方案，本发明专利技术建立的井壁稳定性约束下的钻井轨迹优化问题模型，能够在轨迹设计中给出安全钻进方向；有效解决井壁稳定性约束下的钻井轨迹优化问题，有利于在实际钻井工程的应用。程的应用。程的应用。

【技术实现步骤摘要】
一种井壁稳定性约束下的钻进轨迹多目标优化方法


[0001]本专利技术涉及复杂地质钻进过程智能控制领域，尤其涉及一种井壁稳定性约束下的钻进轨迹多目标优化方法。

技术介绍

[0002]定向水平井是石油、天然气、页岩气等资源勘探开发的主要形式，如何在钻前进行轨迹设计来提高钻进效率、保证钻进安全，是钻进轨迹优化要研究的问题。
[0003]许多已有的研究通过最小化钻进轨迹长度来降低工程成本。例如用序列无约束最小化方法、数论序贯优化算法等优化造斜点和造斜率。这些基于梯度的优化方法对模型的要求较高，或者需要简化条件。对于复杂的轨迹模型，遗传算法、粒子群算法等智能优化算法能够有效解决其优化问题。然而更短的轨迹长度往往意味着更复杂的井眼结构。这将会产生快速变化的井斜角和方位角，以及较大的狗腿角，从而加大钻进安全风险。因此，有必要将钻进轨迹优化问题归为多目标优化问题进行求解。
[0004]多目标进化算法在单次计算中得到一系列非劣解集，且不必对优化问题模型进行处理，有利于保留问题信息。已有研究以最小化轨迹长度和钻柱扭矩为目标，来得到同时考虑了效率和安全性的轨迹设计方案，但是尚未在轨迹设计方案中考虑到井壁稳定性的约束。而有关井壁稳定性与钻进方向的研究，仅给出了各类地应力对应的安全钻进方向。
[0005]因此，本专利技术将井壁稳定性约束引入到钻进轨迹多目标优化模型中，从而使轨迹设计方案给出的钻进方向都能保证井壁稳定。

技术实现思路

[0006]有鉴于此，本专利技术提供一种井壁稳定性约束下的钻进轨迹多目标优化方法，包括以下步骤：
[0007]S1、以轨迹长度L、钻柱扭矩T作为优化目标，以中靶误差e、井深s处的安全泥浆密度上限MW
high
和下限MW
low
为约束，建立井壁稳定性约束下的钻进轨迹多目标优化问题模型；
[0008]S2、利用结合拐点和反世代距离的多目标进化算法求解步骤S1中井壁稳定性约束下的轨迹优化问题，得到一组互不支配的轨迹设计方案集；
[0009]S3、计算轨迹设计方案集在各关键点处的安全泥浆密度上限和下限，选择上限和下限标准差最小的方案作为最终的轨迹设计方案。
[0010]本专利技术提供的技术方案带来的有益效果是：
[0011]1)本专利技术建立的井壁稳定性约束下的钻井轨迹优化问题模型，能够在轨迹设计中给出安全钻进方向；
[0012]2)本专利技术提供的优化方法能够有效解决井壁稳定性约束下的钻井轨迹优化问题，有利于在实际钻井工程的应用。
附图说明
[0013]图1是本专利技术一种井壁稳定性约束下的钻进轨迹多目标优化方法的流程；
[0014]图2是本专利技术实施例中待优化的钻进轨迹的示意图；
[0015]图3是本专利技术实施例中得到的帕累托解集中的解在目标空间内的分布图。
具体实施方式
[0016]为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本专利技术实施方式作进一步地描述。
[0017]请参考图1，本专利技术的实施例提供了一种井壁稳定性约束下的钻进轨迹多目标优化方法，包括以下步骤：
[0018]S1、以轨迹长度L、钻柱扭矩T作为优化目标，以中靶误差e、井深s处的安全泥浆密度上限MW
high
和下限MW
low
为约束，建立井壁稳定性约束下的钻进轨迹优化问题模型；
[0019]轨迹上的点由井斜角α、方位角北方向坐标N、东方向坐标E、垂深D描述，具体地，这几个描述参数可以由决策参数井深s、工具面角ω和弧线段曲率τ得到：
[0020][0021]上式用于计算第i段轨迹上井深s处的井斜角和方位角，基于上式，可以得到井深s处某点的方位坐标为：
[0022][0023]待优化的钻进轨迹如图2所示，建立的钻进轨迹多目标优化问题模型为：
[0024]min[f1(x)＝L,f2(x)＝T][0025][0026]其中，优化目标L为轨迹长度，T为钻柱扭矩，轨迹长度为
[0027]L＝L
OA
+L
AB
+L
BC
+L
CF
[0028]直井段的钻柱扭矩T和所受拉力F分别为
[0029]T
i
＝μbw
p
L
i
r
p sinα
i
[0030]F
i
＝F
i
‑1+bw
p
L
i
cosα
i
[0031]上式中，井壁与钻柱间的摩擦系数μ＝0.66，浮力系数b＝0.7，钻柱的重力系数w
p
＝0.98kN/m，钻柱的半径r
p
＝0.33m，α
i
是井斜角，弧线井段的钻柱扭矩T
i
和所受拉力F
i
分别
为：
[0032]T
i
＝μr
p
F
i
/ω
i
[0033][0034]上式中，ω
i
是弧线段起始点的工具面角，所以轨迹的总钻柱扭矩为：
[0035]T＝T
OA
+T
AB
+T
BC
+T
CF
[0036]约束函数e是中靶误差：
[0037][0038]其中，N(L)、E(L)是轨迹终点的北、东方向坐标，N
ta
＝16m、E
ta
＝175m是目标靶区中心的北、东坐标。
[0039]约束函数安全泥浆密度上限安全泥浆密度下限重力常数g＝9.8m/s2，p
low
(s)和p
high
(s)分别是最低和最高的极限压力，D(s)是井深为s时对应的井的垂直深度；MW
hb
和MW
lb
分别是安全泥浆密度上限和下限的边界值。经分析，设置MW
lb
＝1.4，而所有深度和钻进方向对应的p
high
值均大于5
×
103kg/m3，也就说一般情况下设置的泥浆密度都不会超过安全值，所以本专利技术在此实施例中不限制MW
hb
；
[0040]S2、结合拐点和反世代距离的多目标进化算法求解井壁稳定性约束条件下轨迹优化问题，具体步骤如下：
[0041]S21、输入参数：井壁稳定性约束下的钻进轨迹优化问题、种群大小N＝200、迭代终止条件为迭代200次(根据具体情况设定迭代次数)、阈值参数e＝0.5、P＝0.5；
[0042]S22、初始化：随机产生N个体(以各井段长度、曲率、起始点工具面角为决策参数)，初始化计算反世代距离的参考点、存档集合、拐点，对随机个体进行非支配排序；
[0043]其中，定义直线M:ax+by+c＝0，在邻域内距离直线M最远的点即为拐点，邻域可定本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种井壁稳定性约束下的钻进轨迹多目标优化方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、以轨迹长度L、钻柱扭矩T作为优化目标，以中靶误差e、井深s处的安全泥浆密度上限MW
high
和下限MW
low
为约束，建立井壁稳定性约束下的钻进轨迹多目标优化问题模型；S2、利用结合拐点和反世代距离的多目标进化算法求解步骤S1中井壁稳定性约束下的轨迹优化问题，得到一组互不支配的轨迹设计方案集；S3、计算轨迹设计方案集在各关键点处的安全泥浆密度上限和下限，选择上限和下限标准差最小的方案作为最终的轨迹设计方案。2.根据权利要求1所述的一种井壁稳定性约束下的钻进轨迹多目标优化方法，其特征在于，步骤S1中，所述钻进轨迹多目标优化模型为：min[f1(x)＝L,f2(x)＝T]其中，L为轨迹长度，T为钻柱扭矩，e是中靶误差，MW
high
为安全泥浆密度上限，MW
low
为安全泥浆密度下限，g
2n+1
是第2n+1个约束函数，s`是第2+n个约束函数中的井深；MW
hb
和MW
lb
分别是安全泥浆密度上限和下限的边界值。3.根据权利要求2所述的一种井壁稳定性约束下的钻进轨迹多目标优化方法，其特征在于，安全泥浆密度上限MW
high
和下限MW
low
的计算公式分别如下：的计算公式分别如下：其中，p
low
(s)和p
high
(s)分别是最低和最高的极限压力，g是重力常数，D(s)是井深为s时对应的井的垂直深度。4.根据权利要求2所述的一种井壁稳定性约束下的钻进轨迹多目标优化方法，其特征在于，所述中靶误差e的计算公式如下：其中，N(L)、E(L)是轨迹终点的北、东方向坐标，N
ta
、E
ta
是目标靶区中心的北、东坐标。5.根据权利要求2所述的一种井壁稳定性约束下的钻进轨迹多目标优化方法，其特征
在于，所述轨迹长度L为：其中，m为轨迹的总段数，L
i
为第i段轨迹长度；直井段i的钻柱扭矩T
i
和所受拉力F
i
分别为：T
i
＝μbw
p
L
i
r
p
sinα
i
F
i
＝F
i
‑1+bw
p
L
i
cosα
...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴敏，黄雯蒂，胡杰，陈略峰，陆承达，曹卫华，
申请(专利权)人：中国地质大学武汉，
类型：发明
国别省市：