CN108894768A - 一种基于蝙蝠算法和井壁稳定的钻进轨迹设计方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于蝙蝠算法和井壁稳定的钻进轨迹设计方法及系统，优化工作分3个步骤进行，首先，对三维钻进轨迹进行解析建模，获得钻进轨迹优化模型的目标函数和等式约束条件；然后，由井壁稳定分析得到钻进轨迹优化模型不等约束条件；最后，采用蝙蝠搜索智能算法优化各参数。本文所提方法克服了以前钻进轨迹设计优化方法中未将井壁稳定性这一关键地层环境参数和蝙蝠搜索智能算法形成统一构架，和使用人工试错法大量计算带来的缺陷。相比传统的人工计算和遗传智能算法，降低了井眼轨迹设计的钻进成本指标和设计时间，提高了设计精度，为地质勘探钻进过程轨迹优化控制打下了良好的基础。

Description

一种基于蝙蝠算法和井壁稳定的钻进轨迹设计方法与系统

技术领域

本发明属于地质勘探钻进过程智能控制领域，尤其涉及一种基于蝙蝠算法和井壁稳定的钻进轨迹设计方法与系统。

背景技术

我国深部矿产资源丰富，然而深部地质勘探技术尚不成熟，要保证国家资源能源安全，就必须要推动深部地质钻探科技创新，建立符合复杂地质钻进需求的智能决策和钻进控制方法。钻进轨迹设计与优化是实现复杂地质条件下高效、安全钻进的关键之一，不合适的钻进轨迹设计可能导致效率低下，甚至钻进事故、脱靶等问题。因此建立三维优化钻进轨迹是钻进过程智能控制的基准，同时也是实现地质勘探钻进过程安全高效目标的重要基础。

目前对于钻进轨迹优化问题仅对针对单一指标进行优化，且多未考虑地层因素的影响。面对复杂地质钻进过程，传统的轨迹设计和优化方法已经不能满足需求，也不适用技术日益发展的工程实际。因此，形成一种考虑井壁稳定性、钻井工艺参数等的钻进轨迹设计优化方法，并在保证安全的前提下减少钻进成本，提高钻进效率，是实现钻进过程智能控制的新途径。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于蝙蝠算法和井壁稳定的钻进轨迹设计方法及系统，本发明通过融合随钻测量所获得的地层应力信息和轨迹参数信息，建立了三维钻进轨迹设计模型及其优化方法，能够有效获得较好的轨迹参数优化效果，为地质勘探钻进过程智能控制打下良好的基础。

为了实现上述目的，本发明提供的基于蝙蝠算法和井壁稳定的钻进轨迹设计方法包括以下步骤：

步骤一：基于三维钻进轨迹模型，构建钻进进尺成本目标函数和对应的等式约束条件；

步骤二：在步骤一中的三维钻进轨迹模型的基础上，建立井周应力模型，采用Mohr-Coulomb破坏准则确定三维钻进轨迹中轨迹参数的范围，同时结合钻进轨迹狗腿率范围，确定三维钻进轨迹优化模型的不等约束条件；

步骤三：对所述钻进进尺成本目标函数、所述等式约束条件以及所述不等约束条件中的各变量进行无量纲化处理，在无量纲化处理后，将各约束条件加入钻进进尺成本目标函数中形成惩罚函数，基于所述惩罚函数采用蝙蝠搜索算法进行模型优化，得到优化的钻进轨迹作为最终要得到的钻进轨迹。

进一步地，在本发明的基于蝙蝠算法和井壁稳定的钻进轨迹设计方法中，所述步骤一具体包括以下具体步骤：

1)通过地质勘探钻进设计及随钻测量原理分析，设计三维钻进轨迹模型，并依据空间向量法和半角公式推导轨迹设计参数等式约束公式；

2)通过所述设计轨迹推导轨迹长度公式，将推导出的结果作为钻进进尺成本目标函数。

进一步地，在本发明的基于蝙蝠算法和井壁稳定的钻进轨迹设计方法中，所述步骤二具体包括以下具体步骤：

1)通过岩石力学性质，建立井眼周围应力模型，利用原地应力模型和轨迹参数获得地层主应力，通过Mohr-Coulomb破坏准则，确定井壁稳定情况下稳斜段的井斜角和方位角范围，将其作为不等约束条件之一；

2)根据底部钻具组合的限制，确定狗腿度的范围，将其作为不等约束条件之一。

进一步地，在本发明的基于蝙蝠算法和井壁稳定的钻进轨迹设计方法中，所述步骤三具体包括以下具体步骤：

1)将各不同单位的设定参数和过程参数进行无量纲化处理，采用罚函数法进行去约束化处理，形成最终的蝙蝠优化算法目标函数；

2)调整蝙蝠算法的参数，使得蝙蝠算法收敛得到优化结果，将结果还原为原轨迹模型设计参数。

进一步地，在本发明的基于蝙蝠算法和井壁稳定的钻进轨迹设计方法中，其特征在于，

钻进进尺成本目标函数f(x)为：

等式约束条件为：

其中，钻头从钻头钻进的初始点位置A点开始在第一平面内进行第一段圆弧曲线造斜到达第一平面和第二平面的交线上的B点处，沿着交线方向进行一段直线稳斜到达C点后达到第二平面进行第二段圆弧造斜达到靶点设计钻头钻进到的靶点位置D点，所述两个平面是指第一平面和第二平面；记向量s即为A点所在位置的切线方向，向量t则代表D点所在位置的切线方向，向量s、t之间的夹角是θ，A点到D点的直线距离为L，A点到D点的直线线段投影到向量s和向量t上，所得到的投影长度分别为T_s和T_t；记向量s与两平面交线的交点为点M，向量t与两平面交线的交点为N，A点和B点到M点的直线距离均为L_m，C点和D点到M点的直线距离均为L_n，B点到C点的直线距离为L_h；记第一段造斜圆弧的半径为R₁，记第二段造斜圆弧的半径为R₂，而半径R₁、R₂的倒数即为造斜率K₁、K₂。

进一步地，在本发明的基于蝙蝠算法和井壁稳定的钻进轨迹设计方法中，不等约束条件为：

式中，α、φ分别稳斜段的井斜角和方位角，α_lb、α_ub分别是求解出的井斜角的最小值和最大值，φ_lb、φ_ub分别是求解出的井斜角的最小值和最大值。

进一步地，在本发明的基于蝙蝠算法和井壁稳定的钻进轨迹设计方法中，α、φ满足下述等式：

式中，坐标改变量(△N，△E，△D)为在直角坐标系下A点的坐标(N1，E1，D1)和D点的坐标(N2，E2，D2)之间的坐标差，α₁、φ₁分别是A点所在位置的井斜角和方位角，α₂、φ₂是D点所在位置的井斜角和方位角。

进一步地，在本发明的基于蝙蝠算法和井壁稳定的钻进轨迹设计方法中，步骤三中将各约束条件加入钻进进尺成本目标函数中形成的惩罚函数为F(x)：

式中，μ_i、ω_j为惩罚因子，为等式约束平方项，为不等约束平方项。

进一步地，在本发明的基于蝙蝠算法和井壁稳定的钻进轨迹设计方法中，等式约束h₁(x)、h₂(x)、h₃(x)和不等约束g_j(x)分别为：

式中，独立变量x₁、x₂、x₃依次为L_m/L、L_n/L、L_h/L，t₁、t₂依次为T_s/L、T_t/L，k₁、k₂依次为K₁L、K₂L，a、b依次为1-cosθ、1+cosθ。

本发明为实现其技术目的，还提供了一种基于蝙蝠算法和井壁稳定的钻进轨迹设计系统，该系统采用如上述任意一项中的方法进行钻进轨迹设计。

本发明基于其技术方案所具有的有益效果在于：

(1)本发明的基于蝙蝠算法和井壁稳定的钻进轨迹设计方法，首先对钻进三维轨迹进行解析建模，获得钻进轨迹优化模型的钻进进尺成本目标函数和等式约束条件，能够为后面的优化设计工作奠定良好的基础；

(2)本发明的基于蝙蝠算法和井壁稳定的钻进轨迹设计方法，在获得三维轨迹解析模型的基础上，建立井周应力模型，采用Mohr-Coulomb破坏准则确定轨迹解析模型中井斜角和方位角的范围，能够使得模型在地层信息的支持下安全进行钻进过程；

(3)本发明的基于蝙蝠算法和井壁稳定的钻进轨迹设计方法，基于以上获得的轨迹约束模型，进行无量纲化处理，运用结合罚函数法的蝙蝠智能搜索算法建立完整的钻进轨迹优化模型，并基于某井段轨迹数据上进行仿真验证，有利于本发明在实际生产中应用。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明的基于蝙蝠算法和井壁稳定的钻进轨迹设计方法的流程示意图；

图2是三维钻进轨迹设计解析模型的示意图；

图3是井周应力坐标转换示意图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

实施例一

本发明的实施例提供了一种基于蝙蝠算法和井壁稳定约束的三维钻进轨迹设计方法，能够有效减少钻进成本，为地质勘探钻进过程智能控制打下良好的基础。

请参阅图1，本发明的基于蝙蝠算法和井壁稳定约束的三维钻进轨迹设计优化方法包括以下步骤：

步骤S100：基于空间几何建立的三维钻进轨迹模型，构建钻进轨迹优化模型的钻进进尺成本目标函数和等式约束条件。

如图2所示为三维轨迹解析示意图，图中A点为钻头钻进的初始点位置，D点为设计钻头钻进到的靶点位置，它们在直角坐标系下的坐标分别是(N1，E1，D1)(即图中的(N1，E1，H1))和(N2，E2，D2)(即图中的(N2，E2，H2))，这两个坐标的坐标差即为坐标改变量(△N，△E，△D)。图中黑色加粗的线条代表实际的钻进曲线，钻进方向是黑色加粗的线条上的点的切线方向，两个大平面代表着黑色加粗的线条所在的平面，由于线条不在同一个平面上，因此轨迹是一条三维轨迹，而非二维平面轨迹。α1、φ₁分别是A点所在位置的井斜角和方位角，α₂、φ₂是D点所在位置的井斜角和方位角。在钻井轨迹设计概念中，井斜角是该点的切线与铅垂线的夹角，方位角是该点切线投影到水平面后，投影线与正北方向的顺时针夹角。由随钻测量可以得到井斜角和方位角，进而确定钻头钻进的方向，也就是所在位置的切线方向。图中向量s即为A点所在位置的切线方向，向量t则代表D点所在位置的切线方向，两个向量的夹角是θ。A点到D点直接用直线连接起来则是L，代表A点到D点的直线距离。将所在的直线投影到向量s和向量t上，所得到的投影长度分别为T_s和T_t。向量s与两平面交线的交点为点M，向量t与两平面交线的交点为N。钻头从A点开始进行一段圆弧曲线造斜到达两个平面的交线B点处，沿着交线方向进行一段直线稳斜到达C点后达到另一个平面进行第二段圆弧造斜达到靶点D点。和的长度都是L_m，和的长度都是L_n，段的长度是L_h。圆弧造斜的特性是由标准钻井施工以及滑动导向技术决定的。图中，O₁、O₂分别为造斜圆弧的圆心，第一段造斜圆弧的半径是R₁，第二段造斜圆弧的半径是R₂，而半径的倒数依次就是造斜率K₁、K₂。

钻进进尺成本公式为

等式约束条件为

步骤S200：在步骤一钻进轨迹模型的基础上，建立井周应力模型，如图3所示，采用Mohr-Coulomb破坏准则确定三维钻进轨迹中轨迹参数的范围，结合钻进轨迹狗腿率范围，确定钻进轨迹优化模型不等约束条件；

不等约束条件为

α、φ分别稳斜段的井斜角和方位角，α_lb、α_ub分别是求解出的井斜角的最小值和最大值，φ_lb、φ_ub分别是求解出的井斜角的最小值和最大值。

其中约束变量分别是轨迹参数中稳斜段的井斜角和方位角，它们均可以使用解析长度和控制参数表示为以下公式。

其中，△N、△E、△D为钻头改变的坐标量，其他是初始点和靶点的井斜角和方位角，均为模型中的控制参数。

α_lb、α_ub、φ_lb、φ_ub的求解方式如下：

首先由井斜角和方位角和地面测量获得的原地应力(σ_H，σ_h，σ_V)计算井壁应力直角坐标下的各应力分量，公式如下

再由直角坐标系下的应力分量转换到井壁圆柱坐标应力分量上，公式如下

最后得到井壁径向上的三个应力大小

判定井壁稳定性的Mohr-Coulomb准则，需要这三个应力中的最大应力和最小应力：

Mohr-Coulomb准则能被以下函数f表述出来

当函数大于0时，则代表井壁是稳定的，此应力变换角度下的轨迹是安全的。反之，则是危险的轨迹方向。

当由随钻测量技术获得以上公式中的原地应力坐标(σ_H，σ_h，σ_V)，岩石的摩擦角并且由井上的泵量估计井下的渗透压力p_w，可以计算出井斜角和方位角安全可行解的范围，即：

步骤S300：在步骤1和2所获得的钻进轨迹优化模型基础上，对各变量进行无量纲化处理，并将约束式加入目标函数中设计惩罚函数，采用蝙蝠搜索算法优化模型。

由于步骤一中模型的变量大小均不一致，为了使得蝙蝠优化算法能够顺利收敛，将各变量进行无量纲处理。

由公式

处理后得到等式约束

其中，处理的方式见如下表格，x₁、x₂、x₃均属于0到1的范围，是优化算法中的独立变量，其他值均可以通过测量值和设计值计算出来。

另一方面，约束条件可以表示为以下方程

一般的蝙蝠算法为无约束优化算法，于是将以上约束条件的平方项乘一个较大的惩罚因子加入到目标函数中，如以下公式表示

其中μ_i、w_j为惩罚因子，为等式约束平方项，为不等约束平方项。

蝙蝠优化算法是一种群体智能优化算法，其核心更新公式如下

分别了模拟蝙蝠定位时，超声波的频率、速度以及蝙蝠位置来进行启发式搜索可行解。

更新位置后，对目标函数的适应度进行判定后进行筛选，同时对声波的响度和脉冲率进行更新，以加快算法的收敛速度，更新公式如下。

在适应度稳定后，算法跳出迭代过程，得到最终的近似最优解或者最优解。

基于上述三个步骤形成基于蝙蝠算法和井壁稳定的三维钻进轨迹设计优化方法。

实施例二

某井段结合本发明上文的三维钻进轨迹模型示意图，测量计算获得约束条件如表一所示。

表一目标函数级约束参数

坐标改变量(m)	(30,180,-100)
		初始点及目标点井斜角(°)	75,91
初始点及目标点方位角(°)	310,340
		第一造斜段狗腿率	4-10
第二造斜段狗腿率	2-8
		稳斜段井斜角范围	70-90
稳斜段方位角范围	160-340

使用蝙蝠智能搜索算法获得结果与传统遗传算法相比较，结果如表二。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (10)

1.一种基于蝙蝠算法和井壁稳定的钻进轨迹设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：基于三维钻进轨迹模型，构建钻进进尺成本目标函数和对应的等式约束条件；

步骤二：在步骤一中的三维钻进轨迹模型的基础上，建立井周应力模型，采用Mohr-Coulomb破坏准则确定三维钻进轨迹中轨迹参数的范围，同时结合钻进轨迹狗腿率范围，确定三维钻进轨迹优化模型的不等约束条件；

步骤三：对所述钻进进尺成本目标函数、所述等式约束条件以及所述不等约束条件中的各变量进行无量纲化处理，在无量纲化处理后，将各约束条件加入钻进进尺成本目标函数中形成惩罚函数，基于所述惩罚函数采用蝙蝠搜索算法进行模型优化，得到优化的钻进轨迹作为最终要得到的钻进轨迹。

2.根据权利要求1所述的一种基于蝙蝠算法和井壁稳定的钻进轨迹设计方法，其特征在于，所述步骤一具体包括以下具体步骤：

1)通过地质勘探钻进设计及随钻测量原理分析，设计三维钻进轨迹模型，并依据空间向量法和半角公式推导轨迹设计参数等式约束公式；

2)通过所述设计轨迹推导轨迹长度公式，将推导出的结果作为钻进进尺成本目标函数。

3.根据权利要求1所述的一种基于蝙蝠算法和井壁稳定的钻进轨迹设计方法，其特征在于，所述步骤二具体包括以下具体步骤：

1)通过岩石力学性质，建立井眼周围应力模型，利用原地应力模型和轨迹参数获得地层主应力，通过Mohr-Coulomb破坏准则，确定井壁稳定情况下稳斜段的井斜角和方位角范围，将其作为不等约束条件之一；

2)根据底部钻具组合的限制，确定狗腿度的范围，将其作为不等约束条件之一。

4.根据权利要求1所述的一种基于蝙蝠算法和井壁稳定的钻进轨迹设计方法，其特征在于，所述步骤三具体包括以下具体步骤：

1)将各不同单位的设定参数和过程参数进行无量纲化处理，采用罚函数法进行去约束化处理，形成最终的蝙蝠优化算法目标函数；

2)调整蝙蝠算法的参数，使得蝙蝠算法收敛得到优化结果，将结果还原为原轨迹模型设计参数。

5.根据权利要求1所述的一种基于蝙蝠算法和井壁稳定的钻进轨迹设计方法，其特征在于，

钻进进尺成本目标函数f(x)为：

等式约束条件为：

其中，钻头从钻头钻进的初始点位置A点开始在第一平面内进行第一段圆弧曲线造斜到达第一平面和第二平面的交线上的B点处，沿着交线方向进行一段直线稳斜到达C点后达到第二平面进行第二段圆弧造斜达到靶点设计钻头钻进到的靶点位置D点，所述两个平面是指第一平面和第二平面；记向量s即为A点所在位置的切线方向，向量t则代表D点所在位置的切线方向，向量s、t之间的夹角是θ，A点到D点的直线距离为L，A点到D点的直线线段投影到向量s和向量t上，所得到的投影长度分别为T_s和T_t；记向量s与两平面交线的交点为点M，向量t与两平面交线的交点为N，A点和B点到M点的直线距离均为L_m，C点和D点到M点的直线距离均为L_n，B点到C点的直线距离为L_h；记第一段造斜圆弧的半径为R₁，记第二段造斜圆弧的半径为R₂，而半径R₁、R₂的倒数即为造斜率K₁、K₂。

6.根据权利要求5所述的一种基于蝙蝠算法和井壁稳定的钻进轨迹设计方法，其特征在于，不等约束条件为：

式中，α、φ分别稳斜段的井斜角和方位角，α_lb、α_ub分别是求解出的井斜角的最小值和最大值，φ_lb、φ_ub分别是求解出的井斜角的最小值和最大值。

7.根据权利要求6所述的一种基于蝙蝠算法和井壁稳定的钻进轨迹设计方法，其特征在于，α、φ满足下述等式：

式中，坐标改变量(△N，△E，△D)为在直角坐标系下A点的坐标(N1，E1，D1)和D点的坐标(N2，E2，D2)之间的坐标差，α₁、φ₁分别是A点所在位置的井斜角和方位角，α₂、φ₂是D点所在位置的井斜角和方位角。

8.根据权利要求6所述的一种基于蝙蝠算法和井壁稳定的钻进轨迹设计方法，其特征在于，步骤三中将各约束条件加入钻进进尺成本目标函数中形成的惩罚函数为F(x)：

式中，μ_i、ω_j为惩罚因子，为等式约束平方项，为不等约束平方项。

9.根据权利要求8所述的一种基于蝙蝠算法和井壁稳定的钻进轨迹设计方法，其特征在于，等式约束h₁(x)、h₂(x)、h₃(x)和不等约束g_j(x)分别为：

式中，独立变量x₁、x₂、x₃依次为L_m/L、L_n/L、L_h/L，t₁、t₂依次为T_s/L、T_t/L，k₁、k₂依次为K₁L、K₂L，a、b依次为1-cosθ、1+cosθ。

10.一种基于蝙蝠算法和井壁稳定的钻进轨迹设计系统，其特征在于，采用如权利要求1-9任意一项所述的基于蝙蝠算法和井壁稳定的钻进轨迹设计方法进行钻进轨迹设计。