CN103883307B - 一种中靶优先着陆控制的通用导向钻井方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种中靶优先着陆控制的通用导向钻井方法，其包括以下步骤：根据测斜数据，采用外推法计算井底点的轨迹参数；在靶平面上选定入靶点的位置，计算入靶点的空间坐标；建立并求解着陆轨迹的约束方程，得到轨迹特征参数和井段长度；计算入靶方向，校核是否满足工程要求；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，以进一步优化着陆控制方案；根据最优的着陆控制方案，按相应的井眼轨迹模型计算着陆轨迹的分点参数并输出设计结果。本发明可以采用最简单的工艺、最少的工序或者说最少的起下钻次数满足了着陆入靶的轨迹控制要求，技术方案简明、实用性强。

Description

一种中靶优先着陆控制的通用导向钻井方法

技术领域

本发明涉及石油钻井工程技术，尤其涉及一种中靶优先着陆控制的通用导向钻井方法。

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位置，也给定了入靶方向。

无论是中靶控制方案还是软着陆控制方案，现有技术至少需要2个井段甚至多达5个井段，而每个井段可能会采用不同的导向钻井方式和工艺技术参数，并且需要进行若干次的起下钻。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。

目前，已有一些关于定向井中靶控制和水平井软着陆控制的设计方法，但是现有技术存在以下缺点：（1）钻井工艺复杂，需要多个井段才能实现着陆入靶；（2）对于定向井、水平井等不同的井型，需要采用不同的着陆控制方案及其设计方法，没有适用于不同井型的通用控制方法；（3）对于滑动导向钻井、旋转导向钻井等不同的导向钻井方式，需要分别提供不同的着陆控制方法，没有适用于不同导向钻井方式的通用控制方法；（4）没有适用于复合导向钻井的着陆控制方法，也没有着陆控制方案的优化方法。

发明内容

本发明针对现有技术的缺点，提出了一种中靶优先着陆控制的通用导向钻井方法。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（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、在靶平面上选定入靶点（e）的位置，计算入靶点（e）的空间坐标，所述空间坐标是指井口坐标系下的北坐标、东坐标和垂深坐标；

S103、建立着陆轨迹的约束方程，按着陆控制的导向钻井工艺求解所述约束方程，得到着陆轨迹的轨迹特征参数和井段长度；

S104、基于所述井底点（b）的轨迹参数、着陆轨迹的轨迹特征参数和井段长度，计算入靶方向，所述入靶方向包括入靶井斜角和方位角，如果入靶方向满足工程要求，则着陆轨迹的控制方案可行，执行下一个步骤，否则，调整入靶点位置并返回到步骤S102，重复执行步骤S102到S104以获得满足工程要求的入靶方向；

S105、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S102到步骤S104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；

S106、根据所述最优的着陆控制方案，按相应的井眼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，在执行步骤S102时，采用如下公式计算所述入靶点（e）在井口坐标系下的空间坐标：

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

式中，N_t、E_t、H_t分别为靶点（t）的北坐标、东坐标和垂深坐标，α_z、φ_z分别为靶平面的法线井斜角和法线方位角，x_e、y_e分别为入靶点（e）在靶点坐标系下的坐标，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；

所述入靶点（e）的空间坐标计算公式，适用于任意摆放姿态的靶平面，对于定向井和水平井中常用的水平靶和铅垂靶，只需选取特定的α_z和φ_z数值，其中，对于水平靶，可取α_z=0°、φ_z=0°；对于铅垂靶，取α_z=90°。

根据本发明的一个实施例，在所述步骤S103中，按照以下步骤求解着陆轨迹的轨迹特征参数和井段长度：

S201、根据导向钻井工艺来表征轨迹特征参数，石油钻井行业常用的导向钻井工艺技术有滑动导向钻井、旋转导向钻井和复合导向钻井，所适用的井眼轨迹模型分别为空间圆弧模型、圆柱螺线模型和自然曲线模型，空间圆弧模型的轨迹特征参数为井眼曲率κ（或曲率半径R）和工具面角ω，圆柱螺线模型的轨迹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），自然曲线模型的轨迹特征参数为井斜变化率κ_α和方位变化率κ_φ；

S202、按轨迹特征参数建立各空间坐标增量的计算模型，所述各种井眼轨迹模型分别有两个轨迹特征参数，基于这两个轨迹特征参数和井段长度，按以下方法计算各空间坐标增量：

对于空间圆弧模型：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\ΔN}=R\left({\cos \mathrm{\α}}_b{\cos \mathrm{\φ}}_b\cos \mathrm{\ω}{-\sin \mathrm{\φ}}_b\sin \mathrm{\ω}\right)(1-\cos \mathrm{\ϵ})+{R\sin \mathrm{\α}}_b{\cos \mathrm{\φ}}_b\sin \mathrm{\ϵ}\\ \mathrm{\ΔE}=R({\cos \mathrm{\α}}_b{\sin \mathrm{\φ}}_b\cos \mathrm{\ω}+{\cos \mathrm{\φ}}_b\sin \mathrm{\ω})(1-\cos \mathrm{\ϵ})+{R\sin \mathrm{\α}}_b{\sin \mathrm{\φ}}_b\sin \mathrm{\ϵ}\\ \mathrm{\ΔH}=-{R\sin \mathrm{\α}}_b\cos \mathrm{\ω}(1-\cos \mathrm{\ϵ})+{R\cos \mathrm{\α}}_b\sin \mathrm{\ϵ\ω}\end{array}\right.$

其中

$\mathrm{\ϵ}\frac{180}{\mathrm{\π}}\frac{\mathrm{\ΔL}}{R}$

对于圆柱螺线模型：

其中

对于自然曲线模型：

$\mathrm{\ΔN}=\frac{1}{2}[F_C({\mathrm{\α}}_b-{\mathrm{\φ}}_b,{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\α}}-{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\φ}})+F_C({\mathrm{\α}}_b+{\mathrm{\φ}}_b,{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\α}}+{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\φ}})]$

$\mathrm{\ΔE}=\frac{1}{2}[F_S({\mathrm{\α}}_b-{\mathrm{\φ}}_b,{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\α}}-{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\φ}})-F_S({\mathrm{\α}}_b+{\mathrm{\φ}}_b,{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\α}}+{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\φ}})]$

$\mathrm{\ΔH}=F_S({\mathrm{\α}}_b,{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\α}})$

其中

式中，L为井深，α为井斜角，φ为方位角，ε为弯曲角，R为曲率半径，ω为工具面角，S为水平长度，κ_v为井眼轨迹在垂直剖面图上的曲率，κ_h为井眼轨迹在水平投影图上的曲率，R_v、R_h分别为对应于κ_v、κ_h的曲率半径，κ_α为井斜变化率，κ_φ为方位变化率；

S203、建立适用于各种导向钻井工艺的通用性着陆轨迹约束方程，在满足中靶要求的条件下，着陆轨迹是以井底点（b）为起始点，按特定的轨迹特征参数钻达入靶点（e），其约束方程为：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\ΔN}(p_1,p_2,{\mathrm{\ΔL}}_{b,e})=N_e-N_b\\ \mathrm{\ΔE}(p_1,p_2,{\mathrm{\ΔL}}_{b,e})=E_e-R_b\\ \mathrm{\ΔH}(p_1,p_2,{\mathrm{\ΔL}}_{b,e})=H_e-H_b\end{array}\right.$

其中，ΔL_b,e为着陆轨迹的井段长度，p₁、p₂为着陆轨迹的轨迹特征参数。对于空间圆弧模型，p₁=R（或κ），p₂=ω；对于圆柱螺线模型，p₁=R_v（或κ_v），p₂=R_h（或κ_h）；对于自然曲线模型，p₁=κ_α，p₂=κ_φ；

S204、求解所述约束方程得到着陆轨迹的轨迹特征参数和井段长度，基于所述井底点（b）的轨迹参数和入靶点（e）的空间坐标，根据着陆控制的导向钻井工艺求解所述约束方程，从而得到着陆轨迹的两个轨迹特征参数和井段长度。

根据本发明的一个实施例，在所述步骤S104中，按照以下方法来计算入靶方向：

对于空间圆弧模型：

$\left\{\begin{array}{c}{\cos \mathrm{\α}}_e={\cos \mathrm{\α}}_b{\cos \mathrm{\ϵ}}_{b,e}-{\sin \mathrm{\α}}_b\cos \mathrm{\ω}{\sin \mathrm{\ϵ}}_{b,e}\\ {\tan \mathrm{\φ}}_e=\frac{{\sin \mathrm{\α}}_b{\sin \mathrm{\φ}}_b{\cos \mathrm{\ϵ}}_{b,e}+({\cos \mathrm{\α}}_b{\sin \mathrm{\φ}}_b\cos \mathrm{\ω}+{\cos \mathrm{\φ}}_b\sin \mathrm{\ω}){\sin \mathrm{\ϵ}}_{b,e}}{{\sin \mathrm{\α}}_b{\cos \mathrm{\φ}}_b{\cos \mathrm{\ϵ}}_{b,e}+({\cos \mathrm{\α}}_b{\cos \mathrm{\φ}}_b\cos \mathrm{\ω}-{\sin \mathrm{\φ}}_b\sin \mathrm{\ω}){\sin \mathrm{\ϵ}}_{b,e}}\end{array}\right.$

对于圆柱螺线模型：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\α}}_e={\mathrm{\α}}_b+{\mathrm{\κ}}_v{\mathrm{\ΔL}}_{b,e}\\ {\mathrm{\φ}}_e={\mathrm{\φ}}_b+{\mathrm{\κ}}_h{\mathrm{\ΔS}}_{b,e}\end{array}\right.$

对于自然曲线模型：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\α}}_e={\mathrm{\α}}_b+{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\α}}{\mathrm{\ΔL}}_{b,e}\\ {\mathrm{\φ}}_e={\mathrm{\φ}}_b+{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\φ}}{\mathrm{\ΔL}}_{b,e}\end{array}\right..$

本发明带来了以下有益效果：

（1）在优先满足中靶要求的前提下，通过校核入靶方向，采用一套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）满足了着陆入靶的轨迹控制要求，技术方案简明、实用性强。

（2）通过建立通用的靶平面方程，使着陆控制方法适用于定向井、水平井等不同井型甚至特殊形态靶区的着陆控制，形成了普遍适用的一体化技术。

（3）通过建立通用的着陆轨迹约束方程，提出了适用于滑动导向钻井、旋转导向钻井、复合导向钻井等不同钻井方式的着陆控制方法。

（4）提出了包括入靶位置网格细化、入靶方向校核等内容的着陆控制优化方法，从而能设计出最优的着陆控制方案。

（5）可随钻设计出各种导向钻井条件下的轨迹特征参数和工艺技术参数，能直接用于指导现场钻井施工。

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是本发明的技术原理示意图；

图2是本发明的中靶优先着陆控制方法流程图；

图3是本发明的导向钻井工艺技术参数设计流程图；

图4是本发明的优化着陆控制方案的网格划分示意图；

图5是本发明的复合导向钻井着陆轨迹设计的方法流程图。

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。

图1显示了本发明的技术原理示意图。在钻井过程中，设计轨道往往要求通过靶点t，实钻轨迹已钻达井底点b。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，着陆控制方案就是要设计出着陆轨迹以及钻井工艺技术参数。

在实钻轨迹上，利用MWD等仪器可获得一系列测点M_i（i=1，2，…，n）的测斜数据，而井底点b往往位于最后测点M_n以后数米甚至十余米，因此需要根据测斜数据采用外推法来计算井底点（b）的轨迹参数。

入靶点e的位置是根据地质和工程要求来选取的，用靶点坐标系t—xyz下的坐标（x_e，y_e）来表示。由于入靶点e位于靶平面内，所以z_e≡0。根据靶点坐标系t—xyz与井口坐标系O—NEH之间的转换关系，可计算出入靶点e在井口坐标系下的空间坐标（N_e，E_e，H_e）。

本发明提供一种中靶优先着陆控制的通用导向钻井方法，其设计思路为：根据着陆控制的导向钻井工艺，选取相应的井眼轨迹模型，首先考虑空间坐标要求来设计着陆轨迹以保证中靶，然后再校核入靶方向，最终得到同时满足入靶位置和入靶方向双重要求的着陆控制方案。

实施例一：

图2显示了本发明的中靶优先着陆控制方法流程图。

在步骤S101中，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。

具体地，利用MWD等随钻测量仪器获取一系列测点M_i（i=1，2，…，n）的测斜数据，该测斜数据包括井深、井斜角和方位角。根据实际钻井工艺条件选用相应的井眼轨迹模型，计算出各测点在井口坐标系O—NEH下的空间坐标等参数。根据最后两测点M_n-1和M_n的测斜数据计算最后测段的轨迹特征参数，采用外推法来计算井底点（b）在井口坐标系O—NEH下的轨迹参数。

在步骤S102中，在靶平面上选定入靶点（e）的位置，计算入靶点（e）的空间坐标，所述空间坐标是指井口坐标系下的北坐标、东坐标和垂深坐标。

具体地，以靶点t为原点，以靶平面的外法线（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轴并取高边方向为正，根据右手法则确定y轴，建立坐标系t—xyz。

靶点t的空间坐标决定了靶平面的位置，而靶平面的摆放姿态可用其法线方向来确定。为此，将靶平面法线方向与铅垂方向的夹角定义为靶平面的法线井斜角α_z，将靶平面法线方向在水平面上投影与正北方向的夹角定义为靶平面的法线方位角φ_z。在本发明中，井斜角α_z和法线方位角φ_z均为已知数据。

工程上，入靶点e的位置用靶点坐标系t—xyz下的坐标（x_e，y_e）来表示，由于入靶点e位于靶平面内，所以z_e≡0。在已知入靶点坐标（x_e，y_e）的条件下，根据靶点坐标系t—xyz与井口坐标系O—NEH之间的转换关系，可计算出入靶点e在井口坐标系下的空间坐标（N_e，E_e，H_e）：

$\left\{\begin{array}{c}{N}_e=N_t+x_e{\cos \mathrm{\α}}_z{\cos \mathrm{\φ}}_z-y_e{\sin \mathrm{\φ}}_z\\ E_e=E_t+x_e{\cos \mathrm{\α}}_z{\sin \mathrm{\φ}}_z+y_e{\cos \mathrm{\φ}}_z\\ H_e=H_t-x_e{\sin \mathrm{\α}}_z\end{array}\right.$ (1)

式中，N、E、H分别为北坐标、东坐标和垂深坐标，单位是米（m）；x_e、y_e分别为入靶点（e）在靶点坐标系下的坐标，单位是米（m）；α_z、φ_z分别为靶平面的法线井斜角和法线方位角，单位为（°）。

入靶点（e）的空间坐标计算公式（1）适用于任意摆放姿态的靶平面。对于定向井和水平井中常用的水平靶和铅垂靶，只需选取特定的α_z和φ_z数值，即可得到简化的计算公式。

对于水平靶，取α_z=0°、φ_z=0°，则公式（1）变为

$\left\{\begin{array}{c}{N}_e=N_t+x_e\\ E_e=E_t+y_e\\ H_e=H_t\end{array}\right.$ （2）

对于铅垂靶，取α_z=90°，则公式（1）变为

$\left\{\begin{array}{c}{N}_e=N_t-y_e{\sin \mathrm{\φ}}_z\\ E_e=E_t{+y}_e{\cos \mathrm{\φ}}_z\\ H_e=H_t-x_e\end{array}\right.$ （3）

因此，入靶点e的空间坐标计算公式（1）具有通用性，可表征水平靶、铅垂靶甚至特殊摆放姿态的靶平面。

在步骤S103中，建立着陆轨迹的约束方程，按着陆控制的导向钻井工艺求解所述约束方程，得到着陆轨迹的轨迹特征参数和井段长度。图3为导向钻井工艺技术参数设计流程图。在一个实施例中，按照以下步骤来设计着陆轨迹的轨迹特征参数和井段长度：

步骤S201，根据导向钻井工艺来表征轨迹特征参数。石油钻井行业常用的导向钻井工艺技术有滑动导向钻井、旋转导向钻井和复合导向钻井，所适用的井眼轨迹模型分别为空间圆弧模型、圆柱螺线模型和自然曲线模型。空间圆弧模型的轨迹特征参数为井眼曲率κ（或曲率半径R）和工具面角ω，圆柱螺线模型的轨迹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），自然曲线模型的轨迹特征参数为井斜变化率κ_α和方位变化率κ_φ。

步骤S202，按轨迹特征参数建立各空间坐标增量的计算模型。所述各种井眼轨迹模型分别有2个轨迹特征参数，基于这2个轨迹特征参数和井段长度，可按以下方法计算各空间坐标增量：

对于空间圆弧模型：

ΔN＝R(cosα_bcosφ_bcosω-sinφ_bsinω)(1-cosε)+Rsinα_bcosφ_bsinε （4）

ΔE＝R(cosα_bsinφ_bcosω+cosφ_bsinω)(1-cosε)+Rsinα_bsinφ_bsinε （5）

ΔH＝-Rsinα_bcosω(1-cosε)+Rcosα_bsinε （6）

其中

$\mathrm{\ϵ}\frac{180}{\mathrm{\π}}\frac{\mathrm{\ΔL}}{R}$ （7）

对于圆柱螺线模型：

（8）

（9）

（10）

其中

（11）

对于自然曲线模型：

$\mathrm{\ΔN}=\frac{1}{2}[F_C({\mathrm{\α}}_b-{\mathrm{\φ}}_b,{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\α}}-{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\φ}})+F_C({\mathrm{\α}}_b+{\mathrm{\φ}}_b,{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\α}}+{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\φ}})]$ （12）

$\mathrm{\ΔE}=\frac{1}{2}[F_S({\mathrm{\α}}_b-{\mathrm{\φ}}_b,{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\α}}-{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\φ}})-F_S({\mathrm{\α}}_b+{\mathrm{\φ}}_b,{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\α}}+{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\φ}})]$ （13）

$\mathrm{\ΔH}=F_S({\mathrm{\α}}_b,{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\α}})$ （14）

其中

（15）

（16）

式中，L为井深，单位为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m；ω为工具面角，单位为（°）；S为水平长度，单位为m；κ_v为井眼轨迹在垂直剖面图上的曲率，单位为（°）/m；κ_h为井眼轨迹在水平投影图上的曲率，单位为（°）/m；R_v、R_h分别为对应于κ_v、κ_h的曲率半径，单位为m；κ_α为井斜变化率，单位为（°）/m；κ_φ为方位变化率，单位为（°）/m；

步骤S203，建立适用于各种导向钻井工艺的通用性着陆轨迹约束方程。在满足中靶要求的条件下，着陆轨迹是以井底点（b）为起始点，按特定的轨迹特征参数钻达入靶点（e），其约束方程为：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\ΔN}(p_1,p_2,{\mathrm{\ΔL}}_{b,e})=N_e-N_b\\ \mathrm{\ΔE}(p_1,p_2,{\mathrm{\ΔL}}_{b,e})=E_e-R_b\\ \mathrm{\ΔH}(p_1,p_2,{\mathrm{\ΔL}}_{b,e})=H_e-H_b\end{array}\right.$ （17）

式中，ΔL_b,e为着陆轨迹的井段长度，单位为m；p₁、p₂为着陆轨迹的轨迹特征参数。对于空间圆弧模型，p₁=R（或κ），p₂=ω；对于圆柱螺线模型，p₁=R_v（或κ_v），p₂=R_h（或κ_h）；对于自然曲线模型，p₁=κ_α，p₂=κ_φ。

步骤S204，求解所述约束方程得到着陆轨迹的轨迹特征参数和井段长度。基于所述井底点（b）的轨迹参数和入靶点（e）的空间坐标，根据着陆控制的导向钻井工艺求解所述约束方程，可得到着陆轨迹的2个轨迹特征参数和井段长度。

在求解所述约束方程时，已知数据有：井底点坐标（N_b，E_b，H_b）及井眼方向（α_b，φ_b）、入靶点坐标（N_e，E_e，H_e）。根据着陆控制的导向钻井工艺，选取空间圆弧模型、圆柱螺线模型、自然曲线模型三者之一，将公式（4）～（16）中的相应公式代入约束方程（17），则只有2个轨迹特征参数p₁、p₂和井段长度ΔL_b,e这3个未知参数。根据3个约束方程来求解3个未知参数，是一个定解问题，因此可设计出着陆控制方案及导向钻井工艺技术参数。

在步骤S104中，基于所述井底点（b）的轨迹参数、着陆轨迹的轨迹特征参数和井段长度，计算入靶方向，所述入靶方向包括入靶井斜角和方位角。如果入靶方向满足工程要求，则着陆轨迹的控制方案可行，执行下一个步骤，否则，调整入靶点位置并返回到步骤S102，重复执行步骤S102到S104以获得满足工程要求的入靶方向。

具体地，按照以下方法来计算入靶方向：

对于空间圆弧模型：

$\left\{\begin{array}{c}{\cos \mathrm{\α}}_e={\cos \mathrm{\α}}_b{\cos \mathrm{\ϵ}}_{b,e}-{\sin \mathrm{\α}}_b\cos \mathrm{\ω}{\sin \mathrm{\ϵ}}_{b,e}\\ {\tan \mathrm{\φ}}_e=\frac{{\sin \mathrm{\α}}_b{\sin \mathrm{\φ}}_b{\cos \mathrm{\ϵ}}_{b,e}+({\cos \mathrm{\α}}_b{\sin \mathrm{\φ}}_b\cos \mathrm{\ω}+{\cos \mathrm{\φ}}_b\sin \mathrm{\ω}){\sin \mathrm{\ϵ}}_{b,e}}{{\sin \mathrm{\α}}_b{\cos \mathrm{\φ}}_b{\cos \mathrm{\ϵ}}_{b,e}+({\cos \mathrm{\α}}_b{\cos \mathrm{\φ}}_b\cos \mathrm{\ω}-{\sin \mathrm{\φ}}_b\sin \mathrm{\ω}){\sin \mathrm{\ϵ}}_{b,e}}\end{array}\right.$ （18）

对于圆柱螺线模型：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\α}}_e={\mathrm{\α}}_b+{\mathrm{\κ}}_v{\mathrm{\ΔL}}_{b,e}\\ {\mathrm{\φ}}_e={\mathrm{\φ}}_b+{\mathrm{\κ}}_h{\mathrm{\ΔS}}_{b,e}\end{array}\right.$ （19）

对于自然曲线模型：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\α}}_e={\mathrm{\α}}_b+{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\α}}{\mathrm{\ΔL}}_{b,e}\\ {\mathrm{\φ}}_e={\mathrm{\φ}}_b+{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\φ}}{\mathrm{\ΔL}}_{b,e}\end{array}\right.$ （20）

在步骤S105中，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S102到步骤S104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；

具体地，当完成步骤S104之后，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。为了得到最优的着陆控制方案，可以将靶区窗口划分成多个网格单元，将每个纵横网格线的交点作为一个入靶位置，如图4所示。然后，用上述方法求得相应的入靶井斜角、入靶方位角以及着陆轨迹的其它参数，进而可从中优选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。

步骤S106中，当完成步骤S105之后，就确定了最优的着陆控制方案，包括着陆轨迹的2个轨迹特征参数和井段长度等参数。为了便于具体实施该控制方案，还需要计算出着陆轨迹上各分点的轨迹参数，并以图表等形式来输出着陆控制方案的设计结果，作为水平井着陆控制施工的依据。

由以上实施例得，在本发明的实施过程中，由于建立了通用的靶平面方程和着陆轨迹约束方程，所以该方法适用于定向井、水平井等不同井型以及滑动导向、旋转导向、复合导向等不同钻井方式。采用单井段的着陆控制方案使得工艺简单、工序少，且可随钻设计出着陆控制的工艺技术参数，能直接指导现场钻井施工。

实施例二：

下面结合复合导向钻井，选用自然曲线模型，给出一个着陆轨迹设计的具体实施例。

图5是本发明的复合导向钻井着陆轨迹设计的方法流程图。该实施例在保持技术思路和设计方法不变的前提下，通过变形约束方程（17），提高了设计效率。

具体实施步骤如下：

在步骤S301中，选取着陆轨迹井段长度ΔL_b,e的初值ΔL_b,e ⁰；

在步骤S302中，计算井斜变化率κ_α：

若ΔL_b,e ⁰cosα_b＝ΔH_b,e，则κ_α＝0；否则，由下式迭代计算κ_α

$\frac{180}{{\mathrm{\π\κ}}_{\mathrm{\α}}}[\sin ({\mathrm{\α}}_b+{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\α}}{{\mathrm{\ΔL}}_{b,e}}^0)-{\sin \mathrm{\α}}_b]={\mathrm{\ΔH}}_{b,e}$ （21）

在步骤S303中，计算方位变化率κ_φ：

利用迭代法，由下式计算出方位变化率κ_φ

ΔN_b,e[F_S(α_b-φ_b,κ_α-κ_φ)-F_S(α_b+φ_b,κ_α+κ_φ)] （22）

＝ΔE_b,e[F_C(α_b-φ_b,κ_α-κ_φ)+F_C(α_b+φ_b,κ_α+κ_φ)]

在步骤S304中，用迭代法计算出新的ΔL_b,e值：

[F_C(α_b-φ_b,κ_α-κ_φ)+F_C(α_b+φ_b,κ_α+κ_φ)]² （23）

+[F_S(α_b-φ_b,κ_α-κ_φ)-F_S(α_b+φ_b,κ_α+κ_φ)]²＝4(ΔN_b,e ²+ΔE_b,e ²)

在步骤S305中，若|ΔL_b,e-ΔL_b,e ⁰|＜ε（ε为井深的计算精度），则完成迭代计算；否则，令ΔL_b,e ⁰＝ΔL_b,e，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S305中，计算入靶方向：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\α}}_e={\mathrm{\α}}_b+{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\α}}{\mathrm{\ΔL}}_{b,e}\\ {\mathrm{\φ}}_e={\mathrm{\φ}}_b+{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\φ}}{\mathrm{\ΔL}}_{b,e}\end{array}\right.$ （24）

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 (4)

1.一种中靶优先着陆控制的通用导向钻井方法，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、在靶平面上选定入靶点(e)的位置，计算入靶点(e)的空间坐标，所述空间坐标是指井口坐标系下的北坐标、东坐标和垂深坐标；

S103、建立着陆轨迹的约束方程，按着陆控制的导向钻井工艺求解所述约束方程，得到着陆轨迹的轨迹特征参数和井段长度；

S104、基于所述井底点(b)的轨迹参数、着陆轨迹的轨迹特征参数和井段长度，计算入靶方向，所述入靶方向包括入靶井斜角和方位角，如果入靶方向满足工程要求，则着陆轨迹的控制方案可行，执行下一个步骤，否则，调整入靶点位置并返回到步骤S102，重复执行步骤S102到S104以获得满足工程要求的入靶方向；

S105、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S102到步骤S104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；

S106、根据所述最优的着陆控制方案，按相应的井眼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，在执行步骤S102时，采用如下公式计算所述入靶点(e)在井口坐标系下的空间坐标：

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

式中，N_t、E_t、H_t分别为靶点(t)的北坐标、东坐标和垂深坐标，α_z、φ_z分别为靶平面的法线井斜角和法线方位角，x_e、y_e分别为入靶点(e)在靶点坐标系下的坐标，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；

所述入靶点(e)的空间坐标计算公式，适用于任意摆放姿态的靶平面，对于定向井和水平井中常用的水平靶和铅垂靶，只需选取特定的α_z和φ_z数值，其中，对于水平靶，可取α_z＝0°、φ_z＝0°；对于铅垂靶，取α_z＝90°。

3.如权利要求1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的轨迹特征参数和井段长度：

S201、根据导向钻井工艺来表征轨迹特征参数，石油钻井行业常用的导向钻井工艺技术有滑动导向钻井、旋转导向钻井和复合导向钻井，所适用的井眼轨迹模型分别为空间圆弧模型、圆柱螺线模型和自然曲线模型，空间圆弧模型的轨迹特征参数为井眼曲率κ或曲率半径R和工具面角ω，圆柱螺线模型的轨迹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，自然曲线模型的轨迹特征参数为井斜变化率κ_α和方位变化率κ_φ；

S202、按轨迹特征参数建立各空间坐标增量的计算模型，所述各种井眼轨迹模型分别有两个轨迹特征参数，基于这两个轨迹特征参数和井段长度，按以下方法计算各空间坐标增量：

对于空间圆弧模型：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}N=R\left({\mathrm{cos\α}}_b{\mathrm{cos\φ}}_b\cos \mathrm{\ω}-{\mathrm{sin\φ}}_b\sin \mathrm{\ω}\right)\left(1-\cos \mathrm{\ϵ}\right)+R{\mathrm{sin\α}}_b{\mathrm{cos\φ}}_b\sin \mathrm{\ϵ}\\ \mathrm{\Δ}E=R\left({\mathrm{cos\α}}_b{\mathrm{sin\φ}}_b\cos \mathrm{\ω}+{\mathrm{cos\φ}}_b\sin \mathrm{\ω}\right)\left(1-\cos \mathrm{\ϵ}\right)+R{\mathrm{sin\α}}_b{\mathrm{sin\φ}}_b\sin \mathrm{\ϵ}\\ \mathrm{\Δ}H=-R{\mathrm{sin\α}}_b\cos \mathrm{\ω}\left(1-\cos \mathrm{\ϵ}\right)+R{\mathrm{cos\α}}_b\sin \mathrm{\ϵ}\end{array}\right.$

其中

$\mathrm{\ϵ}=\frac{180}{\mathrm{\π}}\frac{\mathrm{\Δ}L}{R}$

对于圆柱螺线模型：

其中

对于自然曲线模型：

$\mathrm{\Δ}N=\frac{1}{2}\[F_C({\mathrm{\α}}_b-{\mathrm{\φ}}_b,{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\α}}-{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\φ}})+F_C({\mathrm{\α}}_b+{\mathrm{\φ}}_b,{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\α}}+{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\φ}})\]$

$\mathrm{\Δ}E=\frac{1}{2}\[F_S({\mathrm{\α}}_b-{\mathrm{\φ}}_b,{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\α}}-{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\φ}})-F_S({\mathrm{\α}}_b+{\mathrm{\φ}}_b,{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\α}}+{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\φ}})\]$

ΔH＝F_S(α_b,κ_α)

其中

式中，L为井深，α为井斜角，φ为方位角，ε为弯曲角，R为曲率半径，ω为工具面角，S为水平长度，κ_v为井眼轨迹在垂直剖面图上的曲率，κ_h为井眼轨迹在水平投影图上的曲率，R_v、R_h分别为对应于κ_v、κ_h的曲率半径，κ_α为井斜变化率，κ_φ为方位变化率，α_b、φ_b分别为井底点(b)的井斜角和方位角，ΔL为井段长度，ΔS为水平长度增量，F_C、F_S为坐标函数，A、κ分别为坐标函数中的角度和曲率自变量，N_b、E_b、H_b分别为井底点(b)的北坐标、东坐标和垂深坐标；

S203、建立适用于各种导向钻井工艺的通用性着陆轨迹约束方程，在满足中靶要求的条件下，着陆轨迹是以井底点(b)为起始点，按特定的轨迹特征参数钻达入靶点(e)，其约束方程为：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}N(p_1,p_2,{\mathrm{\ΔL}}_{b,e})=N_e-N_b\\ \mathrm{\Δ}E(p_1,p_2,{\mathrm{\ΔL}}_{b,e})=E_e-E_b\\ \mathrm{\Δ}H(p_1,p_2,{\mathrm{\ΔL}}_{b,e})=H_e-H_b\end{array}\right.$

其中，ΔL_b,e为着陆轨迹的井段长度，p₁、p₂为着陆轨迹的轨迹特征参数。对于空间圆弧模型，p₁＝R或κ，p₂＝ω；对于圆柱螺线模型，p₁＝R_v或κ_v，p₂＝R_h或κ_h；对于自然曲线模型，p₁＝κ_α，p₂＝κ_φ；

S204、求解所述约束方程得到着陆轨迹的轨迹特征参数和井段长度，基于所述井底点(b)的轨迹参数和入靶点(e)的空间坐标，根据着陆控制的导向钻井工艺求解所述约束方程，从而得到着陆轨迹的两个轨迹特征参数和井段长度。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，在所述步骤S104中，按照以下方法来计算入靶方向：

对于空间圆弧模型：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{cos\α}}_e={\mathrm{cos\α}}_b{\mathrm{cos\ϵ}}_{b,e}-{\mathrm{sin\α}}_b{\mathrm{cos\ωsin\ϵ}}_{b,e}\\ {\mathrm{tan\φ}}_e=\frac{{\mathrm{sin\α}}_b{\mathrm{sin\φ}}_b{\mathrm{cos\ϵ}}_{b,e}+({\mathrm{cos\α}}_b{\mathrm{sin\φ}}_{b}cos\mathrm{\ω}+{\mathrm{cos\φ}}_{b}sin\mathrm{\ω}){\mathrm{sin\ϵ}}_{b,e}}{{\mathrm{sin\α}}_b{\mathrm{cos\φ}}_b{\mathrm{cos\ϵ}}_{b,e}+({\mathrm{cos\α}}_b{\mathrm{cos\φ}}_{b}cos\mathrm{\ω}-{\mathrm{sin\φ}}_{b}sin\mathrm{\ω}){\mathrm{sin\ϵ}}_{b,e}}\end{array}\right.$

对于圆柱螺线模型：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\α}}_e={\mathrm{\α}}_b+{\mathrm{\κ}}_v{\mathrm{\ΔL}}_{b,e}\\ {\mathrm{\φ}}_e={\mathrm{\φ}}_b+{\mathrm{\κ}}_h{\mathrm{\ΔS}}_{b,e}\end{array}\right.$

对于自然曲线模型：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\α}}_e={\mathrm{\α}}_b+{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\α}}{\mathrm{\ΔL}}_{b,e}\\ {\mathrm{\φ}}_e={\mathrm{\φ}}_b+{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\φ}}{\mathrm{\ΔL}}_{b,e}\end{array}\right..$