CN103883254B - 一种基于导向钻井方向优先着陆控制的通用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于导向钻井方向优先着陆控制的通用方法，其包括：根据随钻测量获取的测斜数据计算井底点的轨迹参数；在优先满足入靶方向要求的条件下，建立适用于各种导向钻井方式的着陆轨迹通用约束方程；在工程实际允许的井斜角和方位角范围内选取入靶方向，根据着陆轨迹的通用约束方程计算着陆轨迹的井段长度和入靶点在靶平面内的坐标；判别入靶位置是否满足工程要求，即是否位于靶区范围内；用网格线将入靶井斜角和方位角的允许范围划分成网格单元，将每个网格线的交点作为入靶方向，将得到对应的入靶位置；考虑入靶方向和入靶位置，逐步细化网格，可得到最优的着陆控制方案。本发明具有工艺简单、工序少、技术方案简明、实用性强等特点。

Description

一种基于导向钻井方向优先着陆控制的通用方法

技术领域

本发明涉及石油钻井工程技术，尤其涉及一种基于导向钻井方向优先着陆控制的通用方法。

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。

目前，存在针对滑动导向钻井、旋转导向钻井的中靶控制方案以及复合导向钻井的方向优先控制方案三种着陆控制方案。然而，上述三种方向优先着陆控制方案分别针对不同的导向钻井方式，不具有通用性，即滑动导向钻井的方向优先着陆控制方案不能适用于旋转导向钻井或复合导向钻井，因此不具有通用性。

发明内容

本发明针对现有技术的缺点，提出一种通用的导向钻井方向优先着陆控制方法，适用于各种导向钻井的方向优先着陆控制。其包括以下步骤：

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、建立通用的满足各种导向钻井方式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、在工程实际允许的井斜角和方位角范围内选取入靶方向，根据通用的着陆轨迹约束方程和所选取的入靶方向计算着陆轨迹的井段长度和入靶点（e）在靶平面内的坐标；

S104、根据入靶点（e）在靶平面内的坐标判别所述入靶点（e）的位置是否位于靶区范围内，如果是，则执行下一步骤，如果否，则返回到步骤S103，调整入靶方向重新计算入靶点（e）的坐标；

S105、继续优化着陆控制方案，用纵横网格线将工程允许的井斜角和方位角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，进一步细化入靶方向的网格线，不断优化着陆控制方案，得到最优的着陆控制方案；

S106、根据所述井底点（b）的轨迹参数、所述最优着陆控制方案的入靶方向和井段长度，计算出最优着陆控制方案的轨迹特征参数，所述轨迹特征参数是用于表征着陆轨迹形状的两个特征参数，不同的导向钻井方式具有不同的轨迹特征参数；

S107、根据所述最优的着陆控制方案及轨迹特征参数，计算着陆轨迹的各分点轨迹参数，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，按照以下步骤建立着陆轨迹约束方程：

S201、建立以靶点（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：

$\left\{\begin{array}{c}{N}_e=N_t+x_e{\cos \mathrm{\α}}_z{\cos \mathrm{\φ}}_z-y_e{\sin \mathrm{\φ}}_z\\ E_e=E_t+x_e\cos {\mathrm{\α}}_z\sin {\mathrm{\φ}}_z+y_e\cos {\mathrm{\φ}}_z\\ H_e=H_t-x_e{\sin \mathrm{\α}}_z\end{array}\right.$

式中，N_e、E_e、H_e分别为入靶点（e）的北坐标、东坐标和垂深坐标，α_z为靶平面的法线井斜角，φ_z为靶平面的法线方位角；

S203、建立通用的着陆轨迹方程：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ΔN}}_{b,e}=\mathrm{\λ}{g}_N\\ {\mathrm{\ΔE}}_{b,e}=\mathrm{\λ}{g}_E\\ {\mathrm{\ΔH}}_{b,e}=\mathrm{\λ}{g}_H\end{array}\right.;$

S204、建立通用的着陆轨迹约束方程，首先建立靶平面方程：

(N-N_t)sinα_zcosφ_z+(E-E_t)sinα_zsinφ_z+(H-H_t)cosα_z＝0

式中，N为北坐标，E为东坐标，H为垂深坐标，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：

m_NΔN_t,e+m_EΔE_t,e+m_HΔH_t,e，＝0

其中， $\left\{\begin{array}{c}{m}_N={\sin \mathrm{\α}}_z{\cos \mathrm{\φ}}_z\\ m_E={\sin \mathrm{\α}}_z{\sin \mathrm{\φ}}_z\\ m_H={\cos \mathrm{\α}}_z\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ΔN}}_{t,e}={\mathrm{\ΔN}}_{b,e}-{\mathrm{\ΔN}}_{b,t}\\ {\mathrm{\ΔE}}_{t,e}={\mathrm{\ΔE}}_{b,e}-{\mathrm{\ΔE}}_{b,t}\\ {\mathrm{\ΔH}}_{t,e}={\mathrm{\ΔH}}_{b,e}-{\mathrm{\ΔH}}_{b,t}\end{array}.\right.$

根据本发明的一个实施例，在步骤S203中应根据不同的导向钻井方式来确定着陆轨迹的形状：

A：滑动导向钻井

$\left\{\begin{array}{c}{g}_N={\sin \mathrm{\α}}_b\cos {\mathrm{\φ}}_b+{\sin \mathrm{\α}}_e{\cos \mathrm{\φ}}_e\\ g_E=\sin {\mathrm{\α}}_b\sin {\mathrm{\φ}}_b+{\sin \mathrm{\α}}_e{\sin \mathrm{\φ}}_e\\ g_H={\cos \mathrm{\α}}_b+{\cos \mathrm{\α}}_e\end{array}\right.$

cosε_b,e＝cosα_bcosα_e+sinα_bsinα_ecosΔφ_b,e

C：复合导向钻井

$\left\{\begin{array}{c}{g}_N=\frac{1}{2}[f_C(A_Q,{\mathrm{\θ}}_Q)+f_C(A_P,{\mathrm{\θ}}_P)]\\ g_E=\frac{1}{2}[f_S(A_Q,{\mathrm{\θ}}_Q)-f_S(A_P,{\mathrm{\θ}}_P)]\\ g_H=f_S({\mathrm{\α}}_b,{\mathrm{\α}}_e-{\mathrm{\α}}_b)\\ \end{array}\right.$

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

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_P=({\mathrm{\α}}_e-{\mathrm{\α}}_b)+({\mathrm{\φ}}_e-{\mathrm{\φ}}_b)\\ {\mathrm{\θ}}_Q=({\mathrm{\α}}_e-{\mathrm{\α}}_b)-({\mathrm{\φ}}_e-{\mathrm{\φ}}_b)\end{array}\right.$

λ＝ΔL_b,e。

根据本发明的一个实施例，在所述步骤S106中应根据不同的导向钻井方式来计算着陆轨迹的轨迹特征参数和井段长度：

A：滑动导向钻井

$\tan \mathrm{\ω}=\frac{\sin {\mathrm{\α}}_b\sin {\mathrm{\α}}_e\sin \mathrm{\Δ}{\mathrm{\φ}}_{b,e}}{\cos {\mathrm{\α}}_b\cos {\mathrm{\ϵ}}_{b,e}-{\cos \mathrm{\α}}_e}$

其中，κ为井眼曲率，ω为工具面角；

B：旋转导向钻井

式中，κ_v、κ_h为井眼轨迹在垂直剖面图和水平投影图上的曲率；

C：复合导向钻井

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\α}}=\frac{{\mathrm{\α}}_e-{\mathrm{\α}}_b}{\mathrm{\λ}}\\ {\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\φ}}=\frac{{\mathrm{\φ}}_e-{\mathrm{\φ}}_b}{\mathrm{\λ}}\end{array}\right.$

ΔL_b,e＝λ

κ_α为井斜变化率，κ_φ为方位变化率，上述各式中的ΔL_b,e为井段长度。

根据本发明的一个实施例，采用如下公式计算入靶点（e）在靶平面内的坐标：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_e=\frac{{\mathrm{\ΔN}}_{t,e}{\cos \mathrm{\φ}}_z+{\mathrm{\ΔE}}_{t,e}{\sin \mathrm{\φ}}_z-{\mathrm{\ΔH}}_{t,e}}{{\sin \mathrm{\α}}_z+{\cos \mathrm{\α}}_z}\\ y_e=\mathrm{\Δ}{E}_{t,e}\cos {\mathrm{\φ}}_z-{\mathrm{\ΔN}}_{t,e}\sin {\mathrm{\φ}}_z\end{array}\right..$

本发明带来以下有益效果：

（1）适用于定向井、水平井、大位移井等各种井型及靶平面，以及滑动导向钻井、旋转导向钻井、复合导向钻井等各种钻井方式，有利于形成一体化技术；

（2）直接设计出钻井工艺技术参数，从而能直接指导钻井工艺技术的现场施工；

（3）在优先保证入靶方向并满足中靶要求的条件下，给出了入靶控制方案的优化方法，可得到最优的入靶控制方案。

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是本发明靶平面姿态及靶点坐标系；

图2是本发明着陆控制方案的设计方法流程图；

图3是本发明优化网格划分示意图；

图4是本发明建立着陆轨迹约束方程的方法流程图；

图5是本发明另一实施例提供的方向优先着陆控制方法流程图。

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。

方向优先着陆控制的思想是：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,即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轨迹特征参数及井眼轨迹参数，并输出设计结果，使用该设计结果指导工程控制。

本发明所涉及的着陆控制方案适用于各种导向钻井方式，由于采用了任意摆放姿态的靶平面，所以同时适用于定向井、水平井等不同井型。此外，其通用性还体现在建立了通用的着陆轨迹方程及约束方程，并具有统一的表现形式。图1给出了靶点坐标系以及任意摆放姿态的靶平面。在建立靶点坐标系的过程中，以靶点t为原点，以靶平面的外法线，即钻头前进方向为z轴，以过z轴的铅垂平面与靶平面的交线为x轴，根据右手法则确定y轴，建立坐标系t-xyz。

实施例一：

图2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。

在步骤S102中，建立通用的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，形成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，选取入靶方向，计算着陆轨迹的井段长度和入靶点e在靶平面内的坐标。在工程实际允许的井斜角和方位角范围内选取入靶方向，根据复合导向钻井条件下的着陆轨迹约束方程和所选取的入靶方向计算着陆轨迹的井段长度和入靶点e在靶平面内的坐标。

在步骤S104中，判别入靶点e的位置是否位于靶区范围内。如果是，则执行下一步骤，如果否，则返回到步骤S103，调整入靶方向重新计算入靶点e的坐标。

在本实施例中，按照以下公式判别水平井入靶位置是否位于靶区范围内：

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(1)，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S105中，继续优化着陆控制方案。

若步骤S104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S105的优化着陆控制方案。

为了得到最优的着陆控制方案，可用纵横网格线将工程允许的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3），将每个纵横网格线的交点作为一个入靶方向，采用步骤S103的方法计算出入靶位置。然后，综合考虑入靶方向和入靶位置，选取较优的入靶方向区域，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。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S106中，计算最优着陆控制方案的轨迹特征参数。

不同的导向钻井方式所钻出的井眼轨迹形状是不同的。石油钻井行业基本公认：采用滑动导向钻井工艺技术，所钻出的井眼轨迹为空间圆弧；采用旋转导向钻井工艺技术，所钻出的井眼轨迹为圆柱螺线；采用复合导向钻井工艺技术，所钻出的井眼轨迹为自然曲线。

轨迹特征参数是指能确定井眼轨迹形状及姿态的参数。空间圆弧轨迹的特征参数为井眼曲率κ(或曲率半径R)和工具面角ω，圆柱螺线轨迹的特征参数为井眼轨迹在垂直剖面图上的曲率κ_v和水平投影图上的曲率κ_h(或它们的曲率半径R_v和R_h)，自然曲线轨迹的特征参数为井斜变化率κ_α和方位变化率κ_φ。

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，并输出设计结果，作为水平井着陆控制施工的依据。

图4为本发明的建立着陆轨迹约束方程的方法流程图。如图4所示，在执行图2所示的步骤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：

在步骤S201中，建立以靶点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：

$\left\{\begin{array}{c}{N}_e=N_t+x_e{\cos \mathrm{\α}}_z{\cos \mathrm{\φ}}_z-y_e{\sin \mathrm{\φ}}_z\\ E_e=E_t+x_e\cos {\mathrm{\α}}_z\sin {\mathrm{\φ}}_z+y_e\cos {\mathrm{\φ}}_z\\ H_e=H_t-x_e{\sin \mathrm{\α}}_z\end{array}\right.---\left(2\right)$

式中，N_e、E_e、H_e分别为入靶点（e）的北坐标、东坐标和垂深坐标，α_z为靶平面的法线井斜角，φ_z为靶平面的法线方位角。

在步骤S203中，建立通用的着陆轨迹方程：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ΔN}}_{b,e}=\mathrm{\λ}{g}_N\\ {\mathrm{\ΔE}}_{b,e}=\mathrm{\λ}{g}_E\\ {\mathrm{\ΔH}}_{b,e}=\mathrm{\λ}{g}_H\end{array}\right.---\left(3\right)$

在实际应用过程中，每种导向钻井对应一种井眼轨迹模型，每种井眼轨迹模型有2个轨迹特征参数。在设计方向优先入靶控制方案时，对于从井底点b到入靶点e的着陆轨迹，针对不同的着陆轨迹，公式（3）有如下变形：

A、滑动导向钻井采用空间圆弧轨迹模型：

$\left\{\begin{array}{c}{g}_N={\sin \mathrm{\α}}_b\cos {\mathrm{\φ}}_b+{\sin \mathrm{\α}}_e{\cos \mathrm{\φ}}_e\\ g_E=\sin {\mathrm{\α}}_b\sin {\mathrm{\φ}}_b+{\sin \mathrm{\α}}_e{\sin \mathrm{\φ}}_e\\ g_H={\cos \mathrm{\α}}_b+{\cos \mathrm{\α}}_e\end{array}\right.---\left(4\right)$

cosε_b,e＝cosα_bcosα_e+sinα_bsinα_ecosΔφ_b,e（5）

其中，L为井深，单位为米（m）；α为井斜角，单位为（°）；φ为方位角，单位为（°）；ε为弯曲角，单位为(°)；R为曲率半径，单位为米（m）。

B、旋转导向钻井采用圆柱螺旋轨迹模型：

C、复合导向钻井采用自然曲线轨迹模型：

$\left\{\begin{array}{c}{g}_N=\frac{1}{2}[f_C(A_Q,{\mathrm{\θ}}_Q)+f_C(A_P,{\mathrm{\θ}}_P)]\\ g_E=\frac{1}{2}[f_S(A_Q,{\mathrm{\θ}}_Q)-f_S(A_P,{\mathrm{\θ}}_P)]\\ g_H=f_S({\mathrm{\α}}_b,{\mathrm{\α}}_e-{\mathrm{\α}}_b)\\ \end{array}\right.---\left(11\right)$

λ＝ΔL_b,e（16）

在步骤S204中，建立通用的着陆轨迹约束方程。

首先采用公式（17）建立靶平面方程：

(N-N_t)sinα_zcosφ_z+(E-E_t)sinα_zsinφ_z+(H-H_t)cosα_z＝0（17）

式中，N为北坐标，E为东坐标，H为垂深坐标，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：

m_NΔN_t,e+m_EΔE_t,e+m_HΔH_t,e＝0（18）

其中，

$\left\{\begin{array}{c}{m}_N={\sin \mathrm{\α}}_z\cos {\mathrm{\φ}}_z\\ m_E={\sin \mathrm{\α}}_z\sin {\mathrm{\φ}}_z\\ m_H=\cos {\mathrm{\α}}_z\end{array}\right.---\left(19\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ΔN}}_{t,e}={\mathrm{\ΔN}}_{b,e}-{\mathrm{\ΔN}}_{b,t}\\ {\mathrm{\ΔE}}_{t,e}={\mathrm{\ΔE}}_{b,e}-{\mathrm{\ΔE}}_{b,t}\\ {\mathrm{\ΔH}}_{t,e}={\mathrm{\ΔH}}_{b,e}-{\mathrm{\ΔH}}_{b,t}\end{array}\right.---\left(20\right)$

根据公式（3）和公式（18）可求得：

$\mathrm{\λ}=\frac{m_N{\mathrm{\ΔN}}_{b,t}+m_E{\mathrm{\ΔE}}_{b,t}+m_H{\mathrm{\ΔH}}_{b,t}}{m_N{g}_N+m_E{g}_E+m_H{g}_H}---\left(21\right)$

在上述实施例的基础上，如果采用公式（4）-公式（6）建立的着陆轨迹约束方程，那么着陆控制方案的轨迹特征参数及井段长度可以采用如下公式计算：

$\tan \mathrm{\ω}=\frac{{\sin \mathrm{\α}}_b{\sin \mathrm{\α}}_e\sin \mathrm{\Δ}{\mathrm{\φ}}_{b,e}}{\cos {\mathrm{\α}}_b{\cos \mathrm{\ϵ}}_{b,e}-{\cos \mathrm{\α}}_e}---\left(23\right)$

其中，κ为井眼曲率，ω为工具面角，ΔL_b,e为井段长度；

如果采用公式（7）-公式（10）建立的着陆轨迹约束方程，那么着陆控制方案的轨迹特征参数及井段长度可以采用如下公式计算：

其中，κ_v、κ_h为井眼轨迹在垂直剖面图和水平投影图上的曲率，ΔL_b,e为井段长度。

如果采用公式（11）-公式（16）建立的着陆轨迹约束方程，那么着陆控制方案的轨迹特征参数及井段长度可以采用如下公式计算：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\α}}=\frac{{\mathrm{\α}}_e-{\mathrm{\α}}_b}{\mathrm{\λ}}\\ {\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\φ}}=\frac{{\mathrm{\φ}}_e-{\mathrm{\φ}}_b}{\mathrm{\λ}}\end{array}\right.---\left(28\right)$

ΔL_b,e＝λ（29）

其中，κ_α为井斜变化率，κ_φ为方位变化率，ΔL_b,e为井段长度。

在上述实施例的基础上，计算入靶坐标可以采用如下公式进行计算：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_e=\frac{{\mathrm{\ΔN}}_{t,e}{\cos \mathrm{\φ}}_z+{\mathrm{\ΔE}}_{t,e}{\sin \mathrm{\φ}}_z-{\mathrm{\ΔH}}_{t,e}}{{\sin \mathrm{\α}}_z+{\cos \mathrm{\α}}_z}\\ y_e={\mathrm{\ΔE}}_{t,e}{\cos \mathrm{\φ}}_z-{\mathrm{\ΔN}}_{t,e}{\sin \mathrm{\φ}}_z\end{array}\right.---\left(30\right)$

实施例二：

下面将结合一个具体的实施例对本发明的着陆控制方法进行进一步地说明。

在设计方向优先着陆控制方案时，已知数据包括：①井底点坐标（N_b，E_b，H_b）及井眼方向（α_b，φ_b）；②靶平面姿态参数（α_z，φ_z）；③靶点坐标（N_t，E_t，H_t）；④入靶方向（α_e，φ_e）。根据上述已知数据可以间接获得一些参数，如：参数（ΔN_b,t，ΔE_b,t，ΔH_b,t）、（m_N，m_E，m_H）、（g_N，g_E，g_H）。

方向优先着陆控制方法流程如图5所示。

在步骤S301中，由公式（3）知（ΔN_b,e，ΔE_b,e，ΔH_b,e）都只是λ的函数，所以由着陆轨迹的约束方程可求解出λ值，即通过公式（21）可得λ值。

在步骤S302中，将公式（21）算得的λ值代入到公式（3），计算（ΔN_b,e，ΔE_b,e，ΔH_b,e）；

在步骤S303中，用公式（20）计算（ΔN_t,e，ΔE_t,e，ΔH_t,e）；

在步骤S304中，用公式（30）计算入靶位置（x_e，y_e）；

在步骤S305中，判别入靶点（x_e，y_e）是否位于靶区范围内。若不满足中靶要求，应调整（α_e，φ_e），并重新设计，返回步骤S301，根据调整的（α_e，φ_e）及相关参数重新计算λ值。

在步骤S306中，最后计算着陆轨迹的轨迹特征参数和井段长度。

本发明实施例提供的基于导向钻井方向优先着陆轨迹控制的通用方法，通过建立通用的靶平面方程和通用的着陆轨迹约束方程，使得该方法适用于各种井型、各种靶平面以及各种钻井方式，并且通过设计轨迹特征参数可以直接应用于导向钻井的现场施工。

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)

1.一种基于导向钻井方向优先着陆控制的通用方法，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、建立通用的满足各种导向钻井方式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、在工程实际允许的井斜角和方位角范围内选取入靶方向，根据通用的着陆轨迹约束方程和所选取的入靶方向计算着陆轨迹的井段长度和入靶点(e)在靶平面内的坐标；

S104、根据入靶点(e)在靶平面内的坐标判别所述入靶点(e)的位置是否位于靶区范围内，如果是，则执行下一步骤，如果否，则返回到步骤S103，调整入靶方向重新计算入靶点(e)的坐标；

S105、继续优化着陆控制方案，用纵横网格线将工程允许的井斜角和方位角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，进一步细化入靶方向的网格线，不断优化着陆控制方案，得到最优的着陆控制方案；

S106、根据所述井底点(b)的轨迹参数、所述最优着陆控制方案的入靶方向和井段长度，计算出最优着陆控制方案的轨迹特征参数，所述轨迹特征参数是用于表征着陆轨迹形状的两个特征参数，不同的导向钻井方式具有不同的轨迹特征参数；

S107、根据所述最优的着陆控制方案及轨迹特征参数，计算着陆轨迹的各分点轨迹参数，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，按照以下步骤建立着陆轨迹约束方程：

S201、建立以靶点(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：

式中，N_e、E_e、H_e分别为入靶点(e)的北坐标、东坐标和垂深坐标，α_z为靶平面的法线井斜角，φ_z为靶平面的法线方位角；

S203、建立通用的着陆轨迹方程：

S204、建立通用的着陆轨迹约束方程，首先建立靶平面方程：

(N-N_t)sinα_zcosφ_z+(E-E_t)sinα_zsinφ_z+(H-H_t)cosα_z＝0

式中，N为北坐标，E为东坐标，H为垂深坐标，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：

m_NΔN_t,e+m_EΔE_t,e+m_HΔH_t,e＝0

其中，

其中，N_t、E_t、H_t分别是靶点t在井口坐标系下的北坐标、东坐标和垂深坐标，ΔN_b,t、ΔE_b,t、ΔH_b,t分别是靶点t与井底点b在井口坐标系下的北坐标差、东坐标差和垂深坐标差。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，在步骤S203中应根据不同的导向钻井方式来确定着陆轨迹的形状：

C：复合导向钻井

λ＝ΔL_b,e

其中，α_b为井底点b处的井斜角，φ_b为井底点b处的方位角，α_e为入靶点e处的井斜角，φ_e为入靶点e处的方位角，Δφ_b,e为入靶点e与井底点b之间的方位角差，ε_b,e为入靶点e与井底点b之间的弯曲角，R为对应于井眼曲率κ的曲率半径，R_v为对应于垂直剖面图上曲率κ_v的曲率半径。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，在所述步骤S106中应根据不同的导向钻井方式来计算着陆轨迹的轨迹特征参数和井段长度：

其中，κ为井眼曲率，ω为工具面角；

B：旋转导向钻井

式中，κ_v、κ_h为井眼轨迹在垂直剖面图和水平投影图上的曲率；

C：复合导向钻井

ΔL_b,e＝λ

κ_α为井斜变化率，κ_φ为方位变化率，上述各式中的ΔL_b,e为井段长度。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，采用如下公式计算入靶点(e)在靶平面内的坐标：