CN103883251B - 一种基于旋转导向钻井的水平井方向优先着陆控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于旋转导向钻井的水平井方向优先着陆控制方法，其包括以下步骤：计算井底点的轨迹参数；建立旋转导向钻井条件下的着陆轨迹约束方程；选取入靶方位角并设计着陆轨迹的水平投影图；选取入靶井斜角并设计着陆轨迹的垂直剖面图；判别入靶点是否位于靶区范围内；优化着陆控制方案并输出最优方案的设计结果。本发明结合旋转导向钻井的工艺技术特点，在优先满足水平井入靶方向要求的前提下，通过计算并判别入靶位置，采用单一的导向钻井工艺和技术参数实现了着陆入靶，从而用最简单的工艺和最少的工序来满足水平井着陆控制要求，技术方案简明、实用性强。

Description

一种基于旋转导向钻井的水平井方向优先着陆控制方法

技术领域

本发明涉及石油钻井工程领域，尤其涉及一种基于旋转导向钻井的水平井方向优先着陆控制方法。

背景技术

井眼轨迹控制是一个复杂的多扰动控制过程，要使实钻轨迹与设计轨道完全吻合是不可能的，工程上允许二者之间存在一定的误差。当二者误差较大时，则需要修正设计从当前井底到靶点的井眼轨道。这种修正轨道(也称待钻井眼)设计主要有两种方案：一是中靶控制方案，中靶控制方案只要求击中给定的靶区，而对进入靶区的井斜角和方位角没有严格的限制。二是软着陆控制方案，软着陆控制方案既给定了入靶点的空间位置，也给定了入靶点的井眼方向。

现有的井眼轨迹控制技术无论是中靶控制方案还是软着陆控制方案，至少需要2个井段甚至多达5个井段。而每个井段会采用不同的导向钻井方式和工艺技术参数，并且涉及到若干次的起下钻(起下钻次数＝井段数-1)。在钻井施工过程中，钻头距离靶区窗口越近，其轨迹控制要求越高。水平井着陆控制的关键阶段往往位于距靶区窗口数十米的范围内，此时不仅要满足着陆入靶要求，还应尽量采用最简单的工艺及工序，减少施工难度，提高井身质量。另外，现有的着陆轨迹控制也不涉及靶区窗口(靶平面)、入靶井斜角和方位角的校核等问题。

综上，现有的着陆轨迹控制方案有以下不足：(1)工艺复杂，需要多个井段才能实现中靶着陆控制；(2)中靶控制方案不涉及靶平面、入靶方向和入靶位置的校核等问题；(3)没有中靶控制方案的优化方法。

发明内容

本发明针对现有技术中着陆轨迹控制方案的不足，提出了一种在旋转导向钻井条件下的水平井方向优先着陆控制方法。该方法包括以下几个步骤：

S101、根据随钻测量所获取的测斜数据，按实际使用的导向钻井工艺，采用外推法计算井底点的轨迹参数，所述轨迹参数包括所述井底点的井斜角、方位角和空间坐标；

S102、建立旋转导向钻井条件下的着陆轨迹约束方程，形成着陆轨迹与靶区的约束关系，作为着陆控制方案的设计条件；

S103、在工程实际允许的方位角范围内选取入靶方位角，根据着陆轨迹的约束方程以及所选的入靶方位角和所述井底点的轨迹参数，按圆柱螺线轨迹模型设计着陆轨迹的水平投影图，得到着陆轨迹在水平投影图上的关键技术参数，所述着陆轨迹在水平投影图上的关键技术参数包括曲率、水平投影长度和入靶点在靶点坐标系下的横坐标；

S104、在工程实际允许的井斜角范围内选取入靶井斜角，根据着陆轨迹的约束方程以及所选取的入靶井斜角、所述井底点的轨迹参数和着陆轨迹的水平投影长度，设计着陆轨迹的垂直剖面图，得到着陆轨迹在垂直剖面图上的关键技术参数，所述着陆轨迹在垂直剖面图上的关键技术参数包括曲率、井段长度和入靶点在靶点坐标系下的纵坐标；

S105、根据所求得的入靶点在靶点坐标系下的坐标判别所述入靶点是否位于靶区范围内，如果是，则执行下一个步骤，如果否，则调整入靶方向并重复步骤S103和步骤S104，直到满足所选的入靶方向对应的入靶位置位于靶区范围内为止；

S106、继续优化着陆控制方案，用纵横网格线将井斜角和方位角的允许范围划分成若干个单元，将每个纵横网格线的交点作为一个入靶方向，采用步骤S103到S104的方法计算出各入靶方向所对应的入靶位置，综合考虑所述入靶方向和入靶位置，选取较优的入靶方向区域，进一步细划网格线，不断优化着陆控制方案，得到最优的着陆控制方案；

S107、根据所述最优的着陆控制方案，按圆柱螺线轨迹模型计算着陆轨迹的分点参数，并以图表形式输出设计结果，作为水平井着陆控制施工的依据。

根据本发明的一个实施例，按照以下步骤建立旋转导向钻井条件下的着陆轨迹约束方程：

S201、建立以首靶点为原点的靶点坐标系t-xyz，其中，x轴铅垂向上，y轴水平向右，z轴为靶平面的法线方向；

S202、建立靶点坐标系t—xyz与井口坐标系O—NEH的转换关系：

$\left\{\begin{array}{c}N=N_t-y{\mathrm{sin\φ}}_z\\ E=E_t+y{\mathrm{cos\φ}}_z\\ H=H_t-x\end{array}\right.$

式中，N_t、E_t、H_t分别为首靶点的北坐标、东坐标和垂深坐标，φ_z为靶平面的法线方位；

S203、建立旋转导向钻井条件下的着陆轨迹方程：

α＝α_b+κ_vΔL

φ＝φ_b+κ_hΔS

其中，

式中，L为井深，α、φ分别为着陆轨迹上任一点处的井斜角和方位角，N、E、H、S分别为着陆轨迹任一点处的北坐标、东坐标、垂深和水平长度，ΔN、ΔE、ΔH、ΔS分别为着陆轨迹上任一点距井底点的增量，α_b、φ_b分别为井底点的井斜角和方位角；

S204、建立旋转导向钻井条件下的着陆轨迹的约束方程，由于入靶点是着陆轨迹与靶平面的交点，所以入靶点的轨迹参数应满足以下方程：

$\left\{\begin{array}{c}{N}_t-y_e{\mathrm{sin\φ}}_z=N_b+{\mathrm{\ΔN}}_{b,e}\\ E_t+y_e{\mathrm{cos\φ}}_z=E_b+{\mathrm{\ΔE}}_{b,e}\\ H_t-x_e=H_b+{\mathrm{\ΔH}}_{b,e}\end{array}\right.$

式中，N_b、E_b、H_b分别表示井底点的北坐标、东坐标和垂深坐标，x_e和y_e为入靶点在靶平面内的坐标。

根据本发明的另一个实施例，在执行步骤S103时，按照以下步骤设计着陆轨迹的水平投影图：

首先，基于所选取的入靶方位角与井底点的方位角判别着陆轨迹在水平投影图上的曲率取值

式中，κ_h为着陆轨迹在水平投影图上的曲率，φ_e为入靶方位角，φ_b为井底方位角；

然后，基于κ_h的取值设计着陆轨迹的水平投影图：

当κ_h＝0时，着陆轨迹在水平投影图上为直线，此时，

${\mathrm{\ΔS}}_{b,e}=\frac{{\mathrm{\ΔN}}_{b,t}{\mathrm{cos\φ}}_z+{\mathrm{\ΔE}}_{b,t}{\mathrm{sin\φ}}_z}{cos({\mathrm{\φ}}_z-{\mathrm{\φ}}_b)}$

$y_e=\frac{{\mathrm{\ΔN}}_{b,t}{\sin }_b-{\mathrm{\ΔE}}_{b,t}{\mathrm{cos\φ}}_b}{\cos \left({\mathrm{\φ}}_z-{\mathrm{\φ}}_b\right)}$

其中，

ΔN_b，t＝N_t-N_b

ΔE_b，t＝E_t-E_b

当κ_h≠0时，着陆轨迹在水平投影图上为圆弧，此时，

$R_h=\frac{{\mathrm{\ΔN}}_{b,t}{\mathrm{cos\φ}}_z+{\mathrm{\ΔE}}_{b,t}{\mathrm{sin\φ}}_z}{\sin \left({\mathrm{\φ}}_z-{\mathrm{\φ}}_b\right)-\sin \left({\mathrm{\φ}}_z-{\mathrm{\φ}}_e\right)}$

${\mathrm{\ΔS}}_{b,e}=\frac{\mathrm{\π}}{180}{R}_h({\mathrm{\φ}}_e-{\mathrm{\φ}}_b)$

$y_e=\frac{{\mathrm{\ΔN}}_{b,t}({\mathrm{cos\φ}}_b-{\mathrm{cos\φ}}_e)-{\mathrm{\ΔE}}_{b,t}({\mathrm{sin\φ}}_e-{\mathrm{sin\φ}}_b)}{sin({\mathrm{\φ}}_z-{\mathrm{\φ}}_b)-\sin ({\mathrm{\φ}}_z-{\mathrm{\φ}}_e)}$

式中，R_h为对应于κ_h的曲率半径，ΔS_b,e为着陆轨迹的水平投影长度，y_e为入靶点在靶点坐标系下的横坐标值。

根据本发明的另一个实施例，在执行步骤S104时，按照以下步骤设计着陆轨迹的垂直剖面图：

首先，基于所选取的入靶井斜角与井底点的井斜角判别着陆轨迹在垂直剖面图上的曲率取值

式中，κ_v为着陆轨迹在垂直剖面图上的曲率，α_b为井底井斜角，α_e为入靶井斜角；

然后，基于κ_v的取值设计着陆轨迹的垂直剖面图：

当κ_v＝0时，着陆轨迹在垂直剖面图上为直线，此时

${\mathrm{\ΔL}}_{b,e}=\frac{{\mathrm{\ΔS}}_{b,e}}{{\mathrm{sin\α}}_b}$

x_e＝ΔH_b，t-ΔL_b，ecosα_b

其中，

ΔH_b，t＝H_t-H_b

当κ_v≠0时，着陆轨迹在垂直剖面图上为圆弧，此时，

$R_v=\frac{{\mathrm{\ΔS}}_{b,e}}{{\mathrm{cos\α}}_b-{\mathrm{cos\α}}_e}$

${\mathrm{\ΔL}}_{b,e}=\frac{\mathrm{\π}}{180}{R}_v({\mathrm{\α}}_e-{\mathrm{\α}}_b)$

x_e＝ΔH_b，t-R_v(sinα_e-sinα_b)

式中，R_v为对应于κ_v的曲率半径，ΔL_b,e为着陆轨迹的井段长度，x_e为入靶点在靶点坐标系下的纵坐标值。

根据本发明的另一个实施例，按照以下公式判别所述入靶点是否位于靶区范围内：

$\left|x_e\right|\≤\frac{h_t}{2}$ 且 $\left|y_e\right|\≤\frac{w_t}{2}$

式中，h_t、w_t为矩形靶区的靶区高度和宽度。

本发明带来了以下有益效果：

(1)结合旋转导向钻井的工艺技术特点，在优先满足水平井入靶方向要求的前提下，通过计算并判别入靶位置，采用单一的导向钻井工艺和技术参数实现了着陆入靶，从而用最简单的工艺和最少的工序(最少的起下钻次数)来满足水平井着陆入靶的轨迹控制要求，技术方案简明、实用性强。

(2)可随钻设计出旋转导向钻井条件下的工艺技术参数，能直接用于指导钻井工艺技术的现场施工。

(3)通过建立靶平面，将着陆控制方案与靶区有机地结合起来，提出了包括入靶方向网格细化、入靶位置校核等内容的优化方法，从而能更好地设计着陆控制方案。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

图1是本发明的水平投影图上的控制方案示意图；

图2是本发明的垂直剖面图上的控制方案示意图；

图3是本发明的着陆控制方案设计方法流程图；

图4是本发明的建立着陆轨迹约束方程的方法流程图；

图5是本发明的优化着陆控制方案的网格划分示意图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

另外，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

方向优先着陆控制方案的设计思路为：选取或给出期望的入靶方向(入靶点的井斜角、方位角)，根据入靶方向以及着陆轨迹的约束方程，计算出入靶点位置，然后判别入靶位置是否满足设计要求(是否位于靶区范围内)。若满足要求，则着陆控制方案可行；否则，重新选择入靶方向并重复上述步骤。直到满足设计要求后，最后计算着陆控制方案的工艺技术参数及井眼轨迹参数，并以表格形式输出设计结果。

水平井的着陆控制方案应同时满足入靶位置和入靶方向的双重要求。本发明首先预设入靶方向，然后根据旋转导向钻井特征计算出入靶位置，并判别入靶位置是否位于靶区范围内，得到了水平井着陆控制方法的设计方法，其设计结果同时满足了水平井入靶位置和入靶方向的双重要求。

本发明所涉及的着陆控制方案是在旋转导向钻井条件下设计的着陆轨迹。旋转导向钻井所钻出的井眼轨迹为一条圆柱螺线，圆柱螺线的基本特征是在水平投影图和垂直剖面图上均为圆弧曲线，因此其空间形状可用这两张图上的曲线曲率或曲率半径来表征，如图1和2所示。

实施例一：

图3是本发明的着陆控制方案的设计方法流程图。

在步骤S101中，采用外推法计算井底点b的轨迹参数。该轨迹参数包括井底点b的井斜角、方位角和空间坐标。

在实际钻井过程中，利用MWD等仪器随钻测量实钻轨迹，可以获得一系列测点的井深、井斜角、方位角等测斜数据，对于每个测点都应根据其实测井深、井斜角、方位角计算出空间坐标等轨迹参数。

一般情况下，最末测点距离井底(钻头处)总有一段距离，可根据实际使用的导向钻井工艺，采用外推法来计算井底点b的轨迹参数，包括井底点b的井斜角α_b、方位角φ_b以及井口坐标系O—NEH下的坐标N_b、E_b、H_b等参数。对于滑动导向钻井、旋转导向钻井和复合导向钻井，宜分别按空间圆弧模型、圆柱螺线模型和自然曲线模型进行外推计算。

在步骤S102中，建立旋转导向钻井条件下的着陆轨迹约束方程。通过建立着陆轨迹约束方程，形成着陆轨迹与靶区的约束关系，作为着陆控制方案的设计条件。

在步骤S103中，设计着陆轨迹的水平投影图。在工程实际允许的方位角范围内选取入靶方位角，根据着陆轨迹约束方程以及所选入靶方位角和井底点b的轨迹参数，按圆柱螺线轨迹模型设计着陆轨迹的水平投影图，得到着陆轨迹在水平投影图上的关键技术参数，其关键技术参数包括着陆轨迹在水平投影图上的曲率、水平投影长度和入靶点e在靶点坐标系下的横坐标。在本实施例中，按照以下步骤设计着陆轨迹的水平投影图：

首先，基于所选取的入靶方位角和井底方位角判别着陆轨迹在水平投影图上的曲率取值

式中，κ_h为着陆轨迹在水平投影图上的曲率，φ_e为入靶方位角，φ_b为井底方位角。

然后，基于κ_h的取值设计着陆轨迹的水平投影图：

当κ_h＝0时，着陆轨迹在水平投影图上为直线，此时，

${\mathrm{\ΔS}}_{b,e}=\frac{{\mathrm{\ΔN}}_{b,t}{\mathrm{cos\φ}}_z+{\mathrm{\ΔE}}_{b,t}{\mathrm{sin\φ}}_z}{cos({\mathrm{\φ}}_z-{\mathrm{\φ}}_b)}---\left(2\right)$

$y_e=\frac{{\mathrm{\ΔN}}_{b,t}{\sin }_b-{\mathrm{\ΔE}}_{b,t}{\mathrm{cos\φ}}_b}{\cos \left({\mathrm{\φ}}_z-{\mathrm{\φ}}_b\right)}---\left(3\right)$

其中，

ΔN_b，t＝N_t-N_b

(4)

ΔE_b，t＝E_t-E_b

当κ_h≠0时，着陆轨迹在水平投影图上为圆弧，此时，

$R_h=\frac{{\mathrm{\ΔN}}_{b,t}{\mathrm{cos\φ}}_z+{\mathrm{\ΔE}}_{b,t}{\mathrm{sin\φ}}_z}{\sin \left({\mathrm{\φ}}_z-{\mathrm{\φ}}_b\right)-\sin \left({\mathrm{\φ}}_z-{\mathrm{\φ}}_e\right)}---\left(5\right)$

${\mathrm{\ΔS}}_{b,e}=\frac{\mathrm{\π}}{180}{R}_h({\mathrm{\φ}}_e-{\mathrm{\φ}}_b)---\left(6\right)$

$y_e=\frac{{\mathrm{\ΔN}}_{b,t}({\mathrm{cos\φ}}_b-{\mathrm{cos\φ}}_e)-{\mathrm{\ΔE}}_{b,t}({\mathrm{sin\φ}}_e-{\mathrm{sin\φ}}_b)}{sin({\mathrm{\φ}}_z-{\mathrm{\φ}}_b)-\sin ({\mathrm{\φ}}_z-{\mathrm{\φ}}_e)}---\left(7\right)$

式中，R_h为对应于κ_h的曲率半径，ΔS_b,e为着陆轨迹的水平投影长度，y_e为入靶点e在靶点坐标系下的横坐标值，φ_z为靶平面的法线方位。

在步骤S104中，设计着陆轨迹的垂直剖面图。在工程实际允许的井斜角范围内选取入靶井斜角，根据着陆轨迹约束方程以及所选取的入靶井斜角、井底点b的轨迹参数和着陆轨迹的水平投影长度，设计着陆轨迹的垂直剖面图，得到着陆轨迹在垂直剖面图上的关键技术参数，其关键技术参数包括着陆轨迹在垂直剖面图上的曲率、井段长度和入靶点e在靶点坐标系下的横坐标。在本实施例中，按照以下步骤设计着陆轨迹的垂直剖面图：

首先，基于所选取的入靶井斜角和井底井斜角判别着陆轨迹在垂直剖面图上的曲率取值

式中，κ_v为着陆轨迹在垂直剖面图上的曲率，α_b为井底井斜角，α_e为入靶井斜角。

然后，基于κ_v的取值设计着陆轨迹的垂直剖面图：

当κ_v＝0时，着陆轨迹在垂直剖面图上为直线，此时

${\mathrm{\ΔL}}_{b,e}=\frac{{\mathrm{\ΔS}}_{b,e}}{{\mathrm{sin\α}}_b}---\left(9\right)$

x_e＝ΔH_b，t-ΔL_b，ecosα_b(10)

其中，

ΔH_b，t＝H_t-H_b(11)

当κ_v≠0时，着陆轨迹在垂直剖面图上为圆弧，此时，

x_e＝ΔH_b，t-R_v(sinα_e-sinα_b)(14)

式中，R_v为对应于κ_v的曲率半径，ΔL_b,e为着陆轨迹的井段长度，x_e为入靶点e在靶点坐标系下的纵坐标值。

在步骤S105中，判别入靶点e是否位于靶区范围内。根据所求得的入靶点e在靶点坐标系下的坐标判别入靶点e是否位于靶区范围内，如果是，则执行下一个步骤，如果否，则调整入靶方向并重复步骤S103和步骤S104，直到满足所选的入靶方向对应的入靶位置位于靶区范围内为止。在本实施例中，按照以下公式判别入靶位置是否位于靶区范围内：

$\left|x_e\right|\≤\frac{h_t}{2}$ 且 $\left|y_e\right|\≤\frac{W_t}{2}---\left(15\right)$

式中，h_t、w_t为矩形靶区的靶区高度和宽度，单位均为m。

若满足公式(15)，则入靶点e位于靶区范围内；否则，入靶点e不在靶区范围内，应调整入靶方向并重新计算入靶点e的坐标。

在步骤S106中，继续优化着陆控制方案。

若步骤S105判别的入靶点e位于靶区范围内，那么就得到了一个满足入靶位置和入靶方向要求的着陆控制方案，但是不一定是最优方案。

多数情况下着陆控制方案的入靶位置和方向与设计轨道的入靶位置和方向越接近越好。然而，其衡量标准是一种综合性指标，至于什么样的方案最优应根据实际的工程情况来确定。例如，当选取的入靶位置与设计轨道相同时，可能井眼方向就会相差很大，此时就未必是个好方案。再如，若入靶位置偏左，但入靶方向偏右，即使与设计轨道的入靶方向相差较大，也可能是一种好方案，等等。正是由于这些原因，提出了步骤S106的优化着陆控制方案。

为了得到最优的着陆控制方案，可用纵横网格线将井斜角和方位角的允许范围(α_e,min，α_e,max)和(φ_e,min，φ_e,max)划分成若干个单元(见图5)，将每个纵横网格线的交点作为一个入靶方向，采用步骤S103到S104的方法和步骤分别计算出入靶位置。为减小计算量，可以先用较大的网格进行划分，根据入靶方向计算出入靶位置，然后综合考虑入靶位置和入靶方向选出较优的入靶方向范围。通过逐步缩小入靶井斜角和方位角的优选范围和细化网格，实现着陆控制方案的不断优化，最终得到最优的着陆控制方案。

在步骤S107中，输出设计结果。根据最优的着陆控制方案，按圆柱螺线轨迹模型计算着陆轨迹的各分点的轨迹参数。根据着陆控制方案及井眼轨迹设计要求，按一定的井深步长，计算出着陆轨迹上各分点的井斜角、方位角、空间坐标等轨迹参数，并以图表形式输出设计结果，作为水平井着陆控制施工的依据。

本发明通过提出入靶方向的网格细化法，提出了设计着陆轨迹的优化方法，从而可以保证更好地设计着陆轨迹。

如图4所示，是本发明的建立着陆轨迹约束方程的方法流程图，建立旋转导向钻井条件下的着陆轨迹约束方程包括如下步骤：

在步骤S201中，建立以首靶点t为原点的靶点坐标系t-xyz。其中，x轴铅垂向上，y轴水平向右，z轴为靶平面的法线方向。

在步骤S202中，建立靶点坐标系t—xyz与井口坐标系O—NEH的转换关系：

$\left\{\begin{array}{c}N=N_t-y{\mathrm{sin\φ}}_z\\ E=E_t+y{\mathrm{cos\φ}}_z\\ H=H_t-x\end{array}\right.---\left(16\right)$

式中，N_t、E_t、H_t分别为首靶点t的北坐标、东坐标和垂深坐标，φ_z为靶平面的法线方位。

在步骤S203中，建立旋转导向钻井条件下的着陆轨迹方程。旋转导向钻井所钻出的井眼轨迹为一条圆柱螺线，圆柱螺线的基本特征是在水平投影图和垂直剖面图上均为圆弧曲线，因此空间形状可用这两张图上的曲线曲率或曲率半径来表征。本发明改进了圆柱螺线轨迹的描述方程，使其更为简洁、实用。本发明公开的着陆轨迹的特征可以用下面的公式来描述：

α＝α_b+κ_vΔL(17)

φ＝φ_b+κ_hΔS(18)

其中，

式中，L为井深，单位为m；α、φ分别为着陆轨迹上任一点处的井斜角和方位角，单位均为(°)；N、E、H、S分别为着陆轨迹任一点处的北坐标、东坐标、垂深和水平长度，ΔN、ΔE、ΔH、ΔS分别为着陆轨迹上任一点距井底点b的增量，单位均为m；α_b、φ_b分别为井底点b的井斜角和方位角，单位均为(°)。

在步骤S204中，建立着陆轨迹的约束方程。旋转导向钻井条件下，着陆轨迹以圆柱螺线的形状从井底点b延伸到靶平面，并受靶平面的约束。因此，当着陆轨迹与靶平面相交时，其交点就是入靶点e。由于入靶点e既位于靶平面内又位于着陆轨迹上，所以入靶点e的轨迹参数应满足以下方程：

$\left\{\begin{array}{c}{N}_t-y_e{\mathrm{sin\φ}}_z=N_b+{\mathrm{\ΔN}}_{b,e}\\ E_t+y_e{\mathrm{cos\φ}}_z=E_b+{\mathrm{\ΔE}}_{b,e}\\ H_t-x_e=H_b+{\mathrm{\ΔH}}_{b,e}\end{array}\right.---\left(24\right)$

式中，N_b、E_b、H_b分别表示井底点b的北坐标、东坐标和垂深坐标，单位均为m。

最后，还可以计算入靶点e的空间坐标。由于入靶点e位于靶平面内，所以可以用公式(16)计算入靶点e的空间坐标。另外，由于入靶点e还位于着陆轨迹上，所以也可以用公式(19)～(21)与井底点b的实钻轨迹参数来计算入靶点e的空间坐标，其中入靶点e的空间坐标为由公式(19)～(21)计算的从井底点b到着陆轨迹上任一点的坐标增量加上井底点b的空间坐标而得。

综上，本发明结合旋转导向钻井的工艺技术特点，在优先满足水平井入靶方向要求的前提下，通过计算并判别入靶位置，采用单一的导向钻井工艺和技术参数实现了着陆入靶，从而用最简单的工艺和最少的工序(最少的起下钻次数)来满足水平井着陆入靶的轨迹控制要求，技术方案简明、实用性强。另外，根据本发明的方法，可随钻设计出旋转导向钻井条件下的工艺技术参数，能直接用于指导钻井工艺技术的现场施工。

实施例二

下面以某实际水平井为例来具体说明按照本发明的技术原理和步骤如何设计旋转导向钻井方向优先的着陆轨迹控制方案。

某水平井首靶点t的垂深H_t＝1500m、水平位移A_t＝280m、平移方位及靶平面法线方位角靶窗宽度w_t＝20m、宽度h_t＝6m，其设计轨道的节点数据见表1。

根据随钻测量数据，经实钻轨迹计算，知：当前钻头处b的井斜角α_b＝72°、方位角φ_b＝55°、北坐标N_b＝105m、东坐标E_b＝192m、垂深H_b＝1490m。若采用滑动导向钻井工艺进行着陆，设计着陆轨迹控制方案。

表1某水平井设计轨道节点数据

根据本发明的技术方案，设计着陆轨迹控制方案包含以下步骤：

首先，由水平井设计结果知：首靶点t的空间坐标N_t＝140.00m，E_t＝242.49m，H_t＝1500.00m。由于井底点b的实钻轨迹参数已确定，所以由公式(4)和(11)得首靶点t与井底点b(钻头处)的坐标增量为

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ΔN}}_{b,t}=140.00-105.00=35.00m\\ {\mathrm{\ΔE}}_{b,t}=242.49-192.00=50.49m\\ {\mathrm{\ΔH}}_{b,t}=1500.00-1490.00=10.00m\end{array}\right.$

其次，设计着陆轨迹的水平投影图。在本实施例中，由于φ_e≠φ_b，所以κ_h≠0，着陆轨迹在水平投影图上为圆弧。此时，由公式(5)～(7)及公式(23)设计着陆轨迹的水平投影图，得到着陆轨迹在水平投影图上的工艺技术参数，计算如下：

再次，设计着陆轨迹的垂直剖面图。在本实施例中，由于φ_e≠φ_b，所以κ_h≠0，着陆轨迹在水平投影图上为圆弧。此时，由公式(12)～(14)及公式(23)设计着陆轨迹的水平投影图，得到着陆轨迹在垂直剖面图上的工艺技术参数，计算如下：

x_e＝10.00-198.38(sin90°-sin72°)＝0.29m

接着，根据计算的入靶点e在靶点坐标系的值用公式(15)判断入靶点e是否位于靶区范围内：

$\left|x_e\right|=0.29\≤3.00=\frac{h_t}{2}$ 且 $\left|y_e\right|=2.39\≤10.00=\frac{w_t}{2}$

最后，计算入靶点e的空间坐标。由于入靶点e既位于靶平面内，又位于着陆轨迹上，所以可以把算得的x_e和y_e代入公式(16)和/或基于公式(19)～(21)计算的从井底点b到入靶点e的坐标增量加上井底点b的空间坐标而计算，具体计算过程如下：

可见，上述两种方法的计算结果相同。

通过以上各个步骤，即得到了一个满足入靶位置和入靶方向要求的着陆轨迹控制方案，但是不一定是最优方案，为了得到最优的着陆轨迹控制方案，可以进一步优化该着陆轨迹控制方案。在本实施例中，通过确定入靶井斜角和方位角的允许范围，例如确定α_e＝88°～91°、φ_e＝58°～63°，然后分别以井斜角和方位角作为纵坐标和横坐标，用纵横网格线将井斜角和方位角的允许范围划分成若干个单元，将每个纵横网格线的交点作为一个入靶方向，然后用上述方法求得相应的着陆轨迹的工艺技术参数，进而从中优选出最优的着陆轨迹控制方案。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (5)

1.一种基于旋转导向钻井的水平井方向优先着陆控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S101、根据随钻测量所获取的测斜数据，按实际使用的导向钻井工艺，采用外推法计算井底点(b)的轨迹参数，所述轨迹参数包括所述井底点(b)的井斜角、方位角和空间坐标；

S102、建立旋转导向钻井条件下的着陆轨迹约束方程，形成着陆轨迹与靶区的约束关系，作为着陆控制方案的设计条件；

S103、在工程实际允许的方位角范围内选取入靶方位角，根据着陆轨迹的约束方程以及所选的入靶方位角和所述井底点(b)的轨迹参数，按圆柱螺线轨迹模型设计着陆轨迹的水平投影图，得到着陆轨迹在水平投影图上的关键技术参数，所述着陆轨迹在水平投影图上的关键技术参数包括曲率、水平投影长度和入靶点(e)在靶点坐标系下的横坐标；

S104、在工程实际允许的井斜角范围内选取入靶井斜角，根据着陆轨迹的约束方程以及所选取的入靶井斜角、所述井底点(b)的轨迹参数和着陆轨迹的水平投影长度，设计着陆轨迹的垂直剖面图，得到着陆轨迹在垂直剖面图上的关键技术参数，所述着陆轨迹在垂直剖面图上的关键技术参数包括曲率、井段长度和入靶点(e)在靶点坐标系下的纵坐标；

S105、根据所求得的入靶点(e)在靶点坐标系下的坐标判别所述入靶点(e)是否位于靶区范围内，如果是，则执行下一个步骤，如果否，则调整入靶方向并重复步骤S103和步骤S104，直到满足所选的入靶方向对应的入靶位置位于靶区范围内为止；

S106、继续优化着陆控制方案，用纵横网格线将井斜角和方位角的允许范围划分成若干个单元，将每个纵横网格线的交点作为一个入靶方向，采用步骤S103到S104的方法计算出各入靶方向所对应的入靶位置，综合考虑所述入靶方向和入靶位置，选取较优的入靶方向区域，进一步细划网格线，不断优化着陆控制方案，得到最优的着陆控制方案；

S107、根据所述最优的着陆控制方案，按圆柱螺线轨迹模型计算着陆轨迹的分点参数，并以图表形式输出设计结果，作为水平井着陆控制施工的依据。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，按照以下步骤建立旋转导向钻井条件下的着陆轨迹约束方程：

S201、建立以首靶点(t)为原点的靶点坐标系t-xyz，其中，x轴铅垂向上，y轴水平向右，z轴为靶平面的法线方向；

S202、建立靶点坐标系t—xyz与井口坐标系O—NEH的转换关系：

$\left\{\begin{array}{c}N=N_t-{\mathrm{ysin\φ}}_z\\ E=E_t+{\mathrm{ycos\φ}}_z\\ H=H_t-x\end{array}\right.$

式中，N_t、E_t、H_t分别为首靶点(t)的北坐标、东坐标和垂深坐标，φ_z为靶平面的法线方位；

S203、建立旋转导向钻井条件下的着陆轨迹方程：

α＝α_b+κ_vΔL

φ=φ₀+κ_hΔS

其中，

式中，L为井深，α、φ分别为着陆轨迹上任一点处的井斜角和方位角，N、E、H、S分别为着陆轨迹任一点处的北坐标、东坐标、垂深和水平长度，ΔN、ΔE、ΔH、ΔS分别为着陆轨迹上任一点距井底点(b)的增量，α_b、φ_b分别为井底点(b)的井斜角和方位角；

S204、建立旋转导向钻井条件下的着陆轨迹的约束方程，由于入靶点(e)是着陆轨迹与靶平面的交点，所以入靶点(e)的轨迹参数应满足以下方程：

$\left\{\begin{array}{c}{N}_t-y_e{\mathrm{sin\φ}}_z=N_b+{\mathrm{\ΔN}}_{b,e}\\ E_t+y_e{\mathrm{cos\φ}}_z=E_b+{\mathrm{\ΔE}}_{b,e}\\ H_t-x_e=H_b+{\mathrm{\ΔN}}_{b,e}\end{array}\right.$

式中，N_b、E_b、H_b分别表示井底点(b)的北坐标、东坐标和垂深坐标，x_e和y_e为入靶点(e)在靶平面内的坐标。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，在执行步骤S103时，按照以下步骤设计着陆轨迹的水平投影图：

首先，基于所选取的入靶方位角与井底方位角判别着陆轨迹在水平投影图上的曲率取值

式中，κ_h为着陆轨迹在水平投影图上的曲率，φ_e为入靶方位角，φ_b为井底方位角；

然后，基于κ_h的取值设计着陆轨迹的水平投影图：

当κ_h＝0时，着陆轨迹在水平投影图上为直线，此时，

${\mathrm{\ΔS}}_{b,e}=\frac{{\mathrm{\ΔN}}_{b,t}{\mathrm{cos\φ}}_z+{\mathrm{\ΔE}}_{b,t}{\mathrm{sin\φ}}_z}{cos({\mathrm{\φ}}_z-{\mathrm{\φ}}_b)}$

$y_e=\frac{{\mathrm{\ΔN}}_{b,t}{\mathrm{sin\φ}}_b-{\mathrm{\ΔE}}_{b,t}{\mathrm{cos\φ}}_b}{cos({\mathrm{\φ}}_z-{\mathrm{\φ}}_b)}$

其中，

ΔN_b，t＝N_t-N_b

ΔE_b，t=E_t-E_b

当κ_h≠0时，着陆轨迹在水平投影图上为圆弧，此时，

$R_h=\frac{{\mathrm{\ΔN}}_{b,t}{\mathrm{cos\φ}}_z+{\mathrm{\ΔE}}_{b,t}{\mathrm{sin\φ}}_z}{\sin ({\mathrm{\φ}}_z-{\mathrm{\φ}}_b)-\sin ({\mathrm{\φ}}_z-{\mathrm{\φ}}_e)}$

${\mathrm{\ΔS}}_{b,e}=\frac{\mathrm{\π}}{180}{R}_h({\mathrm{\φ}}_e-{\mathrm{\φ}}_b)$

$y_e=\frac{{\mathrm{\ΔN}}_{b,t}({\mathrm{cos\φ}}_b-{\mathrm{cos\φ}}_e)-{\mathrm{\ΔE}}_{b,t}({\mathrm{sin\φ}}_e-{\mathrm{sin\φ}}_b)}{sin({\mathrm{\φ}}_z-{\mathrm{\φ}}_b)-\sin ({\mathrm{\φ}}_z-{\mathrm{\φ}}_e)}$

式中，R_h为对应于κ_h的曲率半径，ΔS_b,_e为着陆轨迹的水平投影长度，y_e为入靶点(e)在靶点坐标系下的横坐标值。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，在执行步骤S104时，按照以下步骤设计着陆轨迹的垂直剖面图：

首先，基于所选取的入靶井斜角与井底井斜角判别着陆轨迹在垂直剖面图上的曲率取值

式中，κ_v为着陆轨迹在垂直剖面图上的曲率，α_b为井底井斜角，α_e为入靶井斜角；

然后，基于κ_v的取值设计着陆轨迹的垂直剖面图：

当κ_v＝0时，着陆轨迹在垂直剖面图上为直线，此时

${\mathrm{\ΔL}}_{b,e}=\frac{{\mathrm{\ΔS}}_{b,e}}{{\mathrm{sin\α}}_b}$

x_e＝ΔH_b，t-ΔL_b，ecosα_b

其中，

ΔH_b，t＝H_t-H_b

当κ_v≠0时，着陆轨迹在垂直剖面图上为圆弧，此时，

$R_v=\frac{{\mathrm{\ΔS}}_{b.e}}{{\mathrm{cos\α}}_b-{\mathrm{cos\α}}_e}$

${\mathrm{\ΔL}}_{b,e}=\frac{\mathrm{\π}}{180}{R}_v({\mathrm{\α}}_e-{\mathrm{\α}}_b)$

x_e＝ΔH_b，t-R_v(sinα_e-sinα_b)

式中，R_v为对应于κ_v的曲率半径，ΔL_b,_e为着陆轨迹的井段长度，x_e为入靶点(e)在靶点坐标系下的纵坐标值。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，按照以下公式判别所述入靶点(e)是否位于靶区范围内：

且

式中，h_t、w_t为矩形靶区的靶区高度和宽度。