CN103883253B - 一种基于复合导向钻井的水平井着陆控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于复合导向钻井的水平井着陆控制方法，其包括步骤：计算井底点的轨迹参数；建立复合导向钻井条件下的着陆轨迹约束方程；选取入靶点位置并求解着陆轨迹约束方程，得到着陆轨迹的轨迹特征参数；计算入靶方向，包括入靶井斜角和方位角；校核入靶方向是否满足工程要求；优化设计着陆控制方案并输出设计结果。本发明提出了一种复合导向钻井条件下的水平井着陆控制方案设计方法，在优先满足水平井中靶要求的前提下，通过计算并判别入靶方向，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入靶的轨迹控制要求，技术方案简明、实用性强。

Description

一种基于复合导向钻井的水平井着陆控制方法

技术领域

本发明涉及石油钻井工程领域，尤其涉及一种基于复合导向钻井的水平井着陆控制方法。

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。该方案的典型井身剖面为“直线段-曲线段-直线段”剖面，最简化的井身剖面为“曲线段-直线段”剖面，如图1所示。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。该方案的典型井身剖面为“直线段-曲线段-直线段-曲线段-直线段”剖面，最简化的井身剖面为“曲线段-直线段-曲线段”剖面，如图2所示。

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钻井工艺及工序，以减少施工难度、提高井身质量。另外，现有的着陆轨迹控制方法不涉及靶区窗口(靶平面)，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。

复合导向钻井是转盘与井下马达同时驱动钻头工作的一种钻井工艺技术，不用起钻变更钻具组合就能实现滑动导向钻井和旋转导向钻井的各种功能，从而实现对井眼轨迹的连续控制，具有机械钻速高、起下钻时间少、井眼轨迹平滑等优点。然而，针对于复合导向钻井工艺技术，现有技术中还没有提出井眼轨迹控制方案及其设计方法。

综上，现有的着陆轨迹控制技术存在以下缺点：(1)钻井工艺复杂，需要多个井段才能实现着陆入靶；(2)着陆控制方案不涉及靶平面，也不涉及入靶方向和入靶位置的校核问题；(3)没有着陆控制方案的优化方法；(4)没有针对复合导向钻井工艺的着陆控制方法。

发明内容

本发明针对现有技术中的上述问题，提出了一种基于复合导向钻井的水平井着陆控制方法。该方法包括以下步骤：

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，采用外推法来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、建立复合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、在靶平面上选定入靶点的位置并基于所述井底点的轨迹参数求解着陆轨迹约束方程，得到着陆轨迹的轨迹特征参数，所述轨迹特征参数包括着陆轨迹的井斜变化率、方位变化率和井段长度；

S104、基于所述井底点的轨迹参数和着陆轨迹的轨迹特征参数，计算入靶方向，所述入靶方向包括入靶井斜角和方位角；

S105、校核所述入靶方向是否满足工程要求，如果满足要求，则着陆控制方案可行，执行下一个步骤，否则，调整入靶点位置并返回到步骤S103，重复执行步骤S103和S104以获得满足工程要求的入靶方向；

S106、继续优化着陆控制方案，用纵横网格线将靶区窗口划分成多个网格单元，分别将每个纵横网格线的交点作为一个入靶点位置，然后采用步骤S103到步骤S105的方法计算各入靶位置所对应的入靶方向，结合工程实际综合考虑入靶位置和入靶方向选出较优的入靶区域，进一步细化网格线，不断优化着陆控制方案，从而确定出最优的着陆控制方案；

S107、根据所述最优的着陆控制方案，按自然曲线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，在执行步骤S102时，按照以下步骤建立复合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：

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

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、建立复合导向钻井条件下的着陆轨迹方程：

其中， $\left\{\begin{array}{c}{A}_P={\mathrm{\α}}_b+{\mathrm{\φ}}_b\\ A_Q={\mathrm{\α}}_b-{\mathrm{\φ}}_b\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\κ}}_{P=}{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\α}}+{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\φ}}\\ {\mathrm{\κ}}_Q={\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\α}}-{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\φ}}\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}{F}_S(A,\mathrm{\κ})=\frac{180}{\mathrm{\π\κ}}[\sin (A+\mathrm{\κ\ΔL})-\sin A]\\ F_C(A,\mathrm{\κ})=\frac{180}{\mathrm{\π\κ}}[\cos (A+\mathrm{\κ\ΔL})-\cos A]\end{array}\right.$

式中，L为井深，α、φ分别为井斜角和方位角，N、E、H分别为北坐标、东坐标和垂深坐标，κ_α、κ_φ分别为井斜变化率和方位变化率，ΔL、ΔN、ΔE、ΔH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、建立复合导向钻井条件下的着陆轨迹约束方程，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：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{N}_{b,t}-y_e\sin {\mathrm{\φ}}_z=\mathrm{\Δ}{N}_{b,e}\\ \mathrm{\Δ}{E}_{b,t}+y_e\cos {\mathrm{\φ}}_z=\mathrm{\Δ}{E}_{b,e}\\ \mathrm{\Δ}{H}_{b,t}-x_e=\mathrm{\Δ}{H}_{b,e}\end{array}\right.$

其中，

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{N}_{b,t}=N_t-N_b\\ \mathrm{\Δ}{E}_{b,t}=E_t-E_b\\ \mathrm{\Δ}{H}_{b,t}=H_t-H_b\end{array}\right.$

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为入靶点在靶平面的坐标。

根据本发明的另一个实施例，在所述步骤S103中，按照以下步骤求解着陆轨迹约束方程：

S301、选取井段长度的初值ΔL_b，e ⁰，其计算公式如下：

$\mathrm{\Δ}{L_{b,e}}^0=\sqrt{\mathrm{\Δ}{N_{b,t}}^2+\mathrm{\Δ}{E_{b,t}}^2+\mathrm{\Δ}{H_{b,t}}^2}$

S302、求解井斜变化率κ_α：

若ΔL_b，e ⁰cosα_b＝ΔH_b，t-x_e，则井斜变化率κ_α＝0；否则，由下式用迭代法计算井斜变化率κ_α：

$\frac{180}{\mathrm{\π}{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\α}}}[\sin ({\mathrm{\α}}_b+{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\α}}\mathrm{\Δ}{L_{b,e}}^0)-\sin {\mathrm{\α}}_b]=\mathrm{\Δ}{H}_{b,t}-x_e$

S303、求解方位变化率κ_φ：由下式用迭代法计算方位变化率

aΔE_b，e＝bΔN_b，e

其中，

$\left\{\begin{array}{c}a=\mathrm{\Δ}{N}_{b,t}-y_e\sin {\mathrm{\φ}}_z\\ b=\mathrm{\Δ}{E}_{b,t}+y_e\cos {\mathrm{\φ}}_z\end{array}\right.$

ΔE_b，e和ΔN_b，e的计算公式如下：

S304、求解井段长度：由下式用迭代法计算井段长度

ΔN_b，e ²+ΔE_b，e ²＝a²+b²

S305、判别是否满足设计精度要求，若由步骤S304求得的井段长度ΔL_b，e与井段长度的初值ΔL_b，e ⁰相比，满足设计精度要求，即满足条件|ΔL_b，e-ΔL_b，e ⁰|＜ε(ε为井深的计算精度)，则结束迭代计算，从而得到着陆轨迹的井段长度ΔL_b，e、井斜变化率κ_α和方位变化率κ_φ；否则，令ΔL_b，e＝ΔL_b，e ⁰，返回到步骤S302，重复上述计算，直到满足精度要求ε为止；

S306、若井段长度满足了设计精度要求，则井斜变化率和方位变化率也随之满足设计精度要求，从而得到着陆轨迹的轨迹特征参数。

本发明带来了以下有益效果：

(1)提出了在复合导向钻井条件下的着陆控制方法。

(2)结合复合导向钻井的工艺技术特点，在优先满足水平井中靶要求的前提下，通过校核入靶方向，采用单一的钻井工艺技术和技术参数实现着陆入靶，从而用最简单的工艺、最少的工序(最少的起下钻次数)和一个井段满足了水平井着陆入靶的轨迹控制要求，技术方案简明、实用性强。

(3)可随钻设计出复合导向钻井条件下的轨迹特征参数，能直接用于指导钻井工艺技术的现场施工。

(4)本发明通过建立靶平面与着陆轨迹的约束关系，将着陆控制方案与靶区有机地结合起来。

(5)通过网格细化法，提出了着陆控制方案的优化方法，确保设计出最优的着陆控制方案。

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是现有技术中靶控制方案的典型井身剖面；

图2是现有技术软着陆控制方案的典型井身剖面；

图3是本发明的技术原理示意图；

图4是本发明的着陆控制方案的设计方法流程图；

图5是本发明的建立着陆轨迹约束方程的方法流程图；

图6是本发明的计算着陆轨迹的轨迹特征参数的方法流程图；

图7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。

钻井过程中，设计轨道往往要求通过首靶点t，实钻轨迹已钻达井底点b(当前的钻头位置)。而着陆轨迹是从井底点b开始钻达入靶点e的待钻轨迹，因此，着陆轨迹控制方案就是要设计出着陆轨迹以及轨迹特征参数。

本发明所涉及的方案为复合导向钻井条件下的中靶优先着陆控制方法。复合导向钻井所钻出的井眼轨迹为一条自然曲线，如图3所示。中靶优先着陆控制技术思路为：在靶区范围内选取一个入靶点位置（x_e，y_e)，根据复合导向钻井的技术特征，按井眼轨迹的自然曲线模型计算着陆轨迹的轨迹特征参数(井斜变化率、方位变化率)和入靶方向(入靶井斜角、入靶方位角)。然后，校核入靶方向是否满足要求。若满足要求，则着陆控制方案可行。

实施例一：

图4是本发明的着陆控制方案的设计方法流程图。

在步骤S101中，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，建立复合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。关于着陆轨迹约束方程建立的过程稍后将会进行详述。

在步骤S103中，计算着陆轨迹的轨迹特征参数。在靶平面上选定入靶点e的位置并基于井底点b的轨迹参数，求解着陆轨迹约束方程，得到着陆轨迹的轨迹特征参数，该轨迹特征参数包括着陆轨迹的井斜变化率、方位变化率、井段长度。关于求解着陆轨迹约束方程的过程稍后将会进行详述。

在步骤S104中，计算入靶井斜角和方位角。基于井底点b的轨迹参数和着陆轨迹的轨迹特征参数，按照以下公式计算入靶井斜角和方位角：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\α}}_e={\mathrm{\α}}_b+{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\α}}\mathrm{\Δ}{L}_{b,e}\\ {\mathrm{\φ}}_e={\mathrm{\φ}}_b+{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\φ}}\mathrm{\Δ}{L}_{b,e}\end{array}\right.----\left(1\right)$

式中，α_e和φ_e分别是入靶井斜角和方位角，ΔL_b，e为井段长度，κ_α、κ_φ分别为井斜变化率和方位变化率。

在步骤S105中，校核由步骤S104算得的入靶井斜角和方位角是否满足工程要求。如果算得的入靶井斜角和方位角满足要求，则着陆控制方案可行，执行下面的步骤，否则，返回到步骤S103重新选取入靶点位置，重复执行步骤S103到本步骤以获得满足工程要求的入靶井斜角和方位角。

在步骤S106中，继续优化着陆控制方案。若步骤S105判别的入靶方向满足工程要求，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。正是由于这些原因，提出了本步骤的优化着陆控制方案。

为了得到最优的着陆控制方案，可用纵横网格线将靶区窗口划分成多个网格单元，分别将每个纵横网格线的交点作为一个入靶点位置(见图7)，然后采用步骤S104的方法计算各入靶位置对应的入靶方向，按照工程要求从一系列入靶位置、入靶方向中选出较优的区域，进一步细化网格线，不断优化着陆控制方案，从而确定出最优的着陆控制方案。

为了减少计算量，可先用间距较大的纵横网格，然后选取较优方案的区域，进一步细划网格线，不断优化着陆控制方案，直到满足优选控制方案的间距要求为止。通过这种循环往复的优化过程，保证能设计出最优的着陆控制方案。

在步骤S107中，输出设计结果。根据最优着陆控制方案的轨迹特征参数，按井眼轨迹的自然曲线模型，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。

如图5所示，为本发明的建立着陆轨迹约束方程的方法流程图。在执行图4所示的步骤S102时，可按照以下步骤来建立复合导向钻井条件下的着陆轨迹约束方程：

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：

$\left\{\begin{array}{c}N=N_t-y\sin {\mathrm{\φ}}_z\\ E=E_t+y\cos {\mathrm{\φ}}_z\\ H=H_t-x\end{array}\right.---\left(2\right)$

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，建立复合导向钻井条件下的着陆轨迹方程。复合导向钻井所钻出的井眼轨迹为一条自然曲线，自然曲线的基本特征是井眼轨迹的井斜变化率κ_α和方位变化率κ_φ分别保持为常数。其井眼轨迹模型为：

其中， $\left\{\begin{array}{c}{A}_P={\mathrm{\α}}_b+{\mathrm{\φ}}_b\\ A_Q={\mathrm{\α}}_b-{\mathrm{\φ}}_b\end{array}\right.---\left(6\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\κ}}_{P=}{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\α}}+{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\φ}}\\ {\mathrm{\κ}}_Q={\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\α}}-{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\φ}}\end{array}\right.---\left(7\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{F}_S(A,\mathrm{\κ})=\frac{180}{\mathrm{\π\κ}}[\sin (A+\mathrm{\κ\ΔL})-\sin A]\\ F_C(A,\mathrm{\κ})=\frac{180}{\mathrm{\π\κ}}[\cos (A+\mathrm{\κ\ΔL})-\cos A]\end{array}\right.---\left(8\right)$

式中，L为井深，α、φ分别为井斜角和方位角，N、E、H分别为北坐标、东坐标和垂深坐标，κ_α、κ_φ分别为井斜变化率和方位变化率，ΔL、ΔN、ΔE、ΔH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。

在步骤S204中，建立复合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：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{N}_{b,t}-y_e\sin {\mathrm{\φ}}_z=\mathrm{\Δ}{N}_{b,e}\\ \mathrm{\Δ}{E}_{b,t}+y_e\cos {\mathrm{\φ}}_z=\mathrm{\Δ}{E}_{b,e}\\ \mathrm{\Δ}{H}_{b,t}-x_e=\mathrm{\Δ}{H}_{b,e}\end{array}\right.---\left(9\right)$

其中，

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{N}_{b,t}=N_t-N_b\\ \mathrm{\Δ}{E}_{b,t}=E_t-E_b\\ \mathrm{\Δ}{H}_{b,t}=H_t-H_b\end{array}\right.---\left(10\right)$

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在靶平面的坐标。

如图6所示，为本发明的计算着陆轨迹的轨迹特征参数的方法流程图。通过求解着陆轨迹约束方程，得到着陆轨迹的轨迹特征参数。

轨迹特征参数等同于工艺技术参数，对于井眼轨迹来说称为轨迹特征参数，对于钻井工艺来说称为工艺技术参数。不同的导向钻井工艺有不同的技术参数，复合导向钻井的典型的轨迹特征参数是井斜变化率和方位变化率。

当给出入靶点坐标(x_e，y_e)时，约束方程(9)左侧各参数项均为已知，而约束方程(9)右侧的各坐标增量可由公式(3)～(5)计算。此时，待定的关键参数有：着陆轨迹的井段长度ΔL_b，e、井斜变化率κ_α和方位变化率κ_φ。其约束方程可用多重迭代法求解，可按照以下步骤来求解着陆轨迹的约束方程：

在步骤S301中，选取井段长度的初值ΔL_be ⁰。按照以下公式确定井段长度的初值ΔL_b，e ⁰ $\mathrm{\Δ}{L_{b,e}}^0=\sqrt{\mathrm{\Δ}{N_{b,t}}^2+\mathrm{\Δ}{E_{b,t}}^2+\mathrm{\Δ}{H_{b,t}}^2}---\left(11\right)$

在步骤S302中，求解井斜变化率。将上一个步骤求得的井段长度的初值ΔL_b，e ⁰代入ΔL_b，e ⁰cosα_b＝ΔH_b，t-x_e，若其结果满足该等式，则κ_α＝0。否则，利用迭代法由下式计算出井斜变化率κ_α

$\frac{180}{\mathrm{\π}{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\α}}}[\sin ({\mathrm{\α}}_b+{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\α}}\mathrm{\Δ}{L_{b,e}}^0)-\sin {\mathrm{\α}}_b]=\mathrm{\Δ}{H}_{b,t}-x_e---\left(12\right)$

在步骤S303中，求解方位变化率κ_φ。在本步骤中，利用迭代法由以下公式求解方位变化率κ_φ：

aΔE_b，e＝bΔN_b，e(13)

其中，

$\left\{\begin{array}{c}a=\mathrm{\Δ}{N}_{b,t}-y_e\sin {\mathrm{\φ}}_z\\ b=\mathrm{\Δ}{E}_{b,t}+y_e\cos {\mathrm{\φ}}_z\end{array}\right.---\left(14\right)$

在步骤S304中，求解井段长度。利用迭代法，由下式求解出井段长度ΔL_b，e值

ΔN_b，e ²+ΔE_b，e ²＝a²+b²(17)

在步骤S305中，判别是否满足设计精度要求。若由步骤S304求得的井段长度ΔL_b，e与井段长度的初值ΔL_b，e ⁰相比，满足精度要求，即满足条件|ΔL_b，e-ΔL_b，e ⁰|＜ε(ε为井深的计算精度)，则结束迭代计算，从而得到着陆轨迹的井段长度ΔL_b，e、井斜变化率κ_α和方位变化率κ_φ；否则，令ΔL_b，e＝ΔL_b，e ⁰，返回到步骤S302，重复上述计算，直到满足精度要求ε为止。

在步骤S306中，若井段长度满足了设计精度要求，则井斜变化率和方位变化率也随之满足设计精度要求，从而得到着陆轨迹的轨迹特征参数。

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，所以可以将（x_e，y_e)代入公式(2)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，所以还可以先按公式(3)～(5)计算出着陆轨迹的坐标增量，然后再加上井底点b的空间坐标。这两种方法的计算结果相同。

本发明可随钻设计出复合导向钻井条件下的轨迹特征参数，能直接用于指导钻井工艺技术的现场施工。

本发明提出了一种在复合导向钻井条件下的着陆控制方案，结合复合导向钻井的工艺技术特点，在优先满足水平井中靶要求的前提下，通过计算并判别入靶方向，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。

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方向优先着陆控制方案。

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，试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(10)得首靶点t与井底点b(钻头处)的坐标增量为

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

其次，求解约束方程，得到着陆轨迹的井段长度ΔL_b，e、井斜变化率κ_α和方位变化率κ_φ等参数值。步骤如下：

(1)选取井段长度的初值ΔL_b，e ⁰

$\mathrm{\Δ}{L_{b,e}}^0=\sqrt{\mathrm{\Δ}{N_{b,t}}^2+\mathrm{\Δ}{E_{b,t}}^2+\mathrm{\Δ}{H_{b,t}}^2}=62.24m$

(2)利用迭代法，由公式(12)得：井斜变化率κ_α＝0.2951°/m

(3)利用迭代法，由公式(13)～(16)得：方位变化率κ_φ＝0.0978°/m

(4)利用迭代法，由公式(17)得：井段长度ΔL_b，e＝62.29m

(5)若选取井深的计算精度ε＝10^-5m，经多次迭代计算，满足精度要求的设计结果为κ_α＝0.2951°/m

κ_φ＝0.0977°/m

ΔL_b，e＝62.29m

接下来，计算入靶井斜角和方位角：

可见，入靶井斜角和方位角与设计值符合较好，因此该着陆控制方案可行。

最后，计算入靶点的空间坐标.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(2)和/或基于公式(3)～(5)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：

通过以上计算结果可得，入靶点位置和入靶方向的最优点往往并不重合。然而，在一定的入靶点位置(x_ey_e)和入靶方向(α_e，φ_e)允许范围内，本发明可以设计出满足要求的着陆轨迹控制方案，并且可逐步优化方案。

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 (3)

1.一种基于复合导向钻井的水平井着陆控制方法，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，采用外推法来计算井底点(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、建立复合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、在靶平面上选定入靶点(e)的位置并基于所述井底点(b)的轨迹参数求解着陆轨迹约束方程，得到着陆轨迹的轨迹特征参数，所述轨迹特征参数包括着陆轨迹的井斜变化率、方位变化率和井段长度；

S104、基于所述井底点(b)的轨迹参数和着陆轨迹的轨迹特征参数，计算入靶方向，所述入靶方向包括入靶井斜角和方位角；

S105、校核所述入靶方向是否满足工程要求，如果满足要求，则着陆控制方案可行，执行下一个步骤，否则，调整入靶点位置并返回到步骤S103，重复执行步骤S103和S104以获得满足工程要求的入靶方向；

S106、继续优化着陆控制方案，用纵横网格线将靶区窗口划分成多个网格单元，分别将每个纵横网格线的交点作为一个入靶点位置，然后采用步骤S103到步骤S105的方法计算各入靶位置所对应的入靶方向，结合工程实际综合考虑入靶位置和入靶方向选出较优的入靶区域，进一步细化网格线，不断优化着陆控制方案，从而确定出最优的着陆控制方案；

S107、根据所述最优的着陆控制方案，按自然曲线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，在执行步骤S102时，按照以下步骤建立复合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、建立复合导向钻井条件下的着陆轨迹方程：

其中，

$\left\{\begin{array}{c}{A}_P={\mathrm{\α}}_b+{\mathrm{\φ}}_b\\ A_Q={\mathrm{\α}}_b-{\mathrm{\φ}}_b\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\κ}}_P={\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\α}}+{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\φ}}\\ {\mathrm{\κ}}_Q={\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\α}}-{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\φ}}\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}{F}_S(A,\mathrm{\κ})=\frac{180}{\mathrm{\π}\mathrm{\κ}}\[sin(A+\mathrm{\κ}\mathrm{\Δ}L)-\sin A\]\\ F_c(A,\mathrm{\κ})=\frac{180}{\mathrm{\π}\mathrm{\κ}}\[cos(A+\mathrm{\κ}\mathrm{\Δ}L)-\cos A\]\end{array}\right.$

其中，F_s为关于自变量A和κ的正弦函数形式的二元函数；F_c为关于自变量A和κ的余弦函数形式的二元函数；

式中，L为井深，α、φ分别为井斜角和方位角，N、E、H分别为北坐标、东坐标和垂深坐标，κ_α、κ_φ分别为井斜变化率和方位变化率，ΔL、ΔN、ΔE、ΔH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、建立复合导向钻井条件下的着陆轨迹约束方程，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：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ΔN}}_{b,t}-y_e{\mathrm{sin\φ}}_z={\mathrm{\ΔN}}_{b,e}\\ {\mathrm{\ΔE}}_{b,t}+y_e{\mathrm{cos\φ}}_z={\mathrm{\ΔE}}_{b,e}\\ {\mathrm{\ΔH}}_{b,t}-x_e={\mathrm{\ΔH}}_{b,e}\end{array}\right.$

其中，

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{N}_{b,t}=N_t-N_b\\ {\mathrm{\ΔE}}_{b,t}=E_t-E_b\\ {\mathrm{\ΔH}}_{b,t}=H_t-H_b\end{array}\right.$

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)在靶平面的坐标。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，在所述步骤S103中，按照以下步骤求解着陆轨迹约束方程：

S301、选取井段长度的初值ΔL_b,e ⁰，其计算公式如下：

${{\mathrm{\ΔL}}_{b,e}}^0=\sqrt{{{\mathrm{\ΔN}}_{b,t}}^2+{{\mathrm{\ΔE}}_{b,t}}^2+{{\mathrm{\ΔH}}_{b,t}}^2}$

S302、求解井斜变化率κ_α：

若ΔL_b,e ⁰cosα_b＝ΔH_b，t-x_e，则井斜变化率κ_α＝0；否则，由下式用迭代法计算井斜变化率κ_α：

$\frac{180}{{\mathrm{\π\κ}}_a}\[sin({\mathrm{\α}}_b+{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\α}}{{\mathrm{\ΔL}}_{b,e}}^0)-{\mathrm{sin\α}}_b\]={\mathrm{\ΔH}}_{b,t}-x_e$

S303、求解方位变化率κ_φ：由下式用迭代法计算方位变化率

aΔE_b，e＝bΔN_b，e

其中，

$\left\{\begin{array}{c}a={\mathrm{\ΔN}}_{b,t}-y_e{\mathrm{sin\φ}}_z\\ b={\mathrm{\ΔE}}_{b,t}+y_e{\mathrm{cos\φ}}_z\end{array}\right.$

ΔE_b，e和ΔN_b，e的计算公式如下：

S304、求解井段长度：由下式用迭代法计算井段长度

ΔN_b，e ²+ΔE_b，e ²＝a²+b²

S305、判别是否满足设计精度要求，若由步骤S304求得的井段长度ΔL_b,e与井段长度的初值ΔL_b,e ⁰相比，满足设计精度要求，即满足条件∣ΔL_b,e-ΔL_b,e ⁰∣＜ε(ε为井深的计算精度)，则结束迭代计算，从而得到着陆轨迹的井段长度ΔL_b,e、井斜变化率κ_α和方位变化率κ_φ；否则，令ΔL_b,e＝ΔL_b,e ⁰，返回到步骤S302，重复上述计算，直到满足精度要求ε为止；

S306、若井段长度满足了设计精度要求，则井斜变化率和方位变化率也随之满足设计精度要求，从而得到着陆轨迹的轨迹特征参数。