CN113051775B - 一种基于改进径向移动算法的水平定向钻进轨迹优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于改进径向移动算法的水平定向钻进轨迹优化方法，包括如下步骤：步骤一：建立三维水平定向钻进轨迹模型，提取关键控制参数，创建多维目标函数和对应的等式约束条件；步骤二：确定水平定向钻进轨迹各控制参数的约束范围，获得不等式约束条件，明确改进的径向移动算法的搜索范围；步骤三：对钻进轨迹中的基本控制点进行粒子群初始化，在等式约束条件和不等式约束条件的基础上，采用改进的算法对创建的多维目标函数搜索优化计算，最优解即钻进轨迹的优化结果，最优解所对应的控制参数解向量即可构建设计优化后的水平定向钻进轨迹。该方法在保证施工安全的前提下减少钻进成本、提高钻进效率。

Description

一种基于改进径向移动算法的水平定向钻进轨迹优化方法

技术领域

本发明属于非开挖领域水平定向钻进过程智能控制领域，尤其涉及一种基于改进径向移动算法的水平定向钻进轨迹优化的计算方法。

背景技术

目前非开挖领域水平定向钻进技术在国内发展趋于成熟、应用愈发广泛，随着钻进距离不断提高，地质条件和地下障碍物分布愈加复杂，对水平定向钻进轨迹的设计优化和施工控制要求也越来越高。如何精确控制水平定向钻进轨迹，避开地下原有障碍物，准确、顺利、合理地铺管是定向钻进铺管技术的关键。不合理的水平定向钻进轨迹设计可能导致施工效率低下、施工成本提高，甚至产生钻进事故等问题。因此，水平定向钻进轨迹的设计优化是开展水平定向钻进施工和铺管的依据，亦是施工质量检验的重要标准。

目前对于钻进轨迹优化问题，大量学者针对单一指标进行局部优化的研究，多未考虑复杂地层因素和长距离、多障碍物情形下的全局优化。国外亦有学者提出针对全局优化的蚁群智能算法，但复杂条件下的设计精度仍有待提高。

发明内容

为了解决上述问题，本发明公开一种基于改进径向移动算法的水平定向钻进轨迹优化方法，该方法能够有效优化水平定向钻进轨迹的关键控制参数，在保证施工安全的前提下，减少钻进成本、提高钻进效率，丰富了水平定向钻进领域的智能控制方法。

一种基于改进径向移动算法的水平定向钻进轨迹优化方法，包括如下步骤：

步骤一：建立三维水平定向钻进轨迹模型，提取关键控制参数，创建多维目标函数和对应的等式约束条件；

步骤二：确定水平定向钻进轨迹各控制参数的约束范围，获得不等式约束条件，明确改进的径向移动算法的搜索范围；

步骤三：对钻进轨迹中的基本控制点进行粒子群初始化，在已有等式约束条件和不等式约束条件的基础上，采用改进的径向移动算法对创建的多维目标函数进行搜索优化计算，得到的最优解即钻进轨迹的优化结果，最优解所对应的控制参数解向量即可构建设计优化后的水平定向钻进轨迹。

进一步地，所述步骤一中全局目标函数的创建过程如下：

1)建立三维水平定向钻进轨迹模型，用数学的方法描绘轨迹的空间位置状态，确定曲线段与直线段之间的几何关系，依据空间向量关系和半角公式推导各控制参数的约束条件；

2)依据所述三维水平定向钻进轨迹模型和曲线段与直线段之间的几何关系推导轨迹长度描述公式，依据推导结果创建全局目标函数。

进一步地，所述步骤二中不等式约束条件的控制参数包括如下各项：水平定向钻进轨迹的倾斜角范围和方位角范围；钻进轨迹入土直线段或出土直线段的倾角、方位角和面向角的约束范围；曲线段的导向强度或弯曲强度范围。

进一步地，水平定向钻进轨迹的倾斜角范围和方位角范围确定过程如下：基于钻孔井周应力模型，结合地质条件、岩土体力学性质，计算地层应力，通过摩尔-库伦破坏准则来确定。

进一步地，钻进轨迹入土直线段或出土直线段的倾角、方位角和面向角的约束范围；曲线段的导向强度或弯曲强度范围确定过程如下：基于施工要求、设备施工能力限制，结合岩土体力学性质来确定。

进一步地，所述步骤三般包括以下具体过程：

1)基于三维水平定向钻进轨迹模型，提取各控制点的关键控制参数(空间坐标、倾角、方位角、面向角、导向强度等)，对各控制点进行粒子群参数的初始化；

2)调整基于改进的径向移动算法的水平定向钻进轨迹计算方法中的相关系数，使计算结果收敛，搜索空间得到设计优化计算的最终结果，将结果输出为定向钻进轨迹的关键设计参数。

进一步地，所述关键设计参数包括造斜段倾角、方位角，控制点坐标，曲线段弯曲强度、弧长。

本发明的有益效果：

本发明根据定向钻进轨迹的初步设计方案或设计要求，在掌握工程地质条件、周边构建筑物环境以及地下障碍物分布等数据的情况下，建立三维钻进轨迹设计模型其优化方法，能够有效优化水平定向钻进轨迹的关键控制参数，在保证施工安全的前提下，减少钻进成本、提高钻进效率，丰富了水平定向钻进领域的智能控制方法。相比于传统的人工试错法，该方法计算速度更快；相对于蚁群算法，该方法稳定性更强，精度更高，降低了水平定向钻进的轨迹的设计优化成本和设计时间。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明控制逻辑框立体图；

图2为本发明控制逻辑框主视图；

图3为本发明控制逻辑框俯视图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本发明的目的是提出一种基于改进的径向移动算法的水平定向钻进轨迹设计优化计算方法，本发明根据定向钻进轨迹的初步设计方案或设计要求，在掌握工程地质条件、周边构建筑物环境以及地下障碍物分布等数据的情况下，建立三维钻进轨迹设计模型及其优化方法，能够有效优化水平定向钻进轨迹的关键控制参数，为非开挖领域水平定向钻进技术的智能控制提供新的方法。

为了实现上述目的，本发明提供的基于改进的径向移动算法的水平定向钻进轨迹设计优化的计算方法包括以下步骤：

步骤一：建立三维水平定向钻进轨迹模型，提取关键控制参数，创建全局目标函数和对应的等式约束条件；模型建立如下：用数学的方法描绘轨迹的空间位置状态，确定曲线段与直线段之间的几何关系，依据空间向量关系和半角公式推导各控制参数的约束条件；

1.依据上述轨迹模型及几何关系推导轨迹长度描述公式，依据推导结果创建全局目标函数。由此创建的水平定向钻进轨迹全局目标函数f(x)为：

式中，L_Si、L_Si分别表示直线段与曲线段的钻进轨迹长度；

L₀、L_E分别表示入土直线段和出土直线的钻进轨迹长度；

(x₀，y₀，z₀)、(x_E，y_E，z_E)分别表示入土点和出土点的空间坐标；

(x_i，y_i，z_i)表示第i个圆弧起始点的空间坐标；

(x′_i，y′_i，z′_i)表示第i个圆弧终止点的空间坐标；

γ_i表示第i个圆弧所对应扇形的张角(全角)；

R_i表示第i个圆弧所对应扇形的半径。

2.依据空间几何关系和三维坐标中的坐标转换关系，得到圆弧段两端点的几何等式约束关系如下：

式中：θ_i-第i个圆弧段起始点钻头轴线的倾角；

α_i-第i个圆弧段起始点钻头轴线的方位角；

β_i-第i个圆弧段轴线面向角变化量(亦或称为该圆弧段所在平面相对于前一个直线段所在铅锤面的偏角)；

θ′_i-第i个圆弧段终止点钻头轴线的倾角；

α′_i-第i个圆弧段终止点钻头轴线的方位角；

G_sd-导向强度设计值。

步骤二：确定水平定向钻进轨迹各控制参数的约束范围，获得不等式约束条件，明确改进的径向移动算法的搜索范围；具体如下：

1.基于钻孔井周应力模型，结合地质条件、岩土体力学性质，计算地层应力，通过摩尔-库伦破坏准则，确定在钻孔整体稳定情况下水平定向钻进轨迹的倾斜角和方位角范围，作为不等式约束条件之一；

2.基于施工要求、设备施工能力限制，结合岩土体力学性质，确定钻进轨迹入(出)土直线段的倾角、方位角和面向角的约束范围，曲线段的导向强度(弯曲强度)范围，作为不等式约束条件之一；

包含的不等式约束条件为：

1)直线段倾角、方位角的约束范围：

θ_l≤θ₁≤θ_h

α_l≤α₁≤α_h

式中，θ_l、θ_h分别是求解出的直线段允许倾角的最小值和最大值；α_l、α_h分别是求解出的直线段允许方位角的最小值和最大值；一般主要用于约束出、入土直线段的倾角和方位角，倾角的变化范围通常受施工限制在5-18度之间，方位角的变化范围通常由施工条件限制。

2)圆弧段曲率半径的约束范围；

R_i≥R_s

3)导向强度(造斜率/狗腿率)约束：

G_sd＝G_s≤min([i_rs]、[i_ps]、[i_cp]…)

G_sd-导向强度设计值；

G_s-由土层岩性和导向钻具特性确定的实际导向强度；

i_rs-钻杆安全工作的钻孔极限弯曲强度；

i_ps-管道安全工作的钻孔极限弯曲强度；

i_cp-检验仪器等刚性柱体通过管道的钻孔极限弯曲强度；

4)埋深条件：考虑地表的扰动影响和周围构建筑物等基础、管线，钻进轨迹的沿线的最小覆土厚度应满足一定的最小埋深，即H＞H_min，式中，H表示轨迹中任意一点的至地表距离的最小覆土厚度；H_min表示依据规范和施工要求所计算出的最小埋深；

5)直线段的长度应满足施工设备性能所对应的最小值，一般为钻杆长度的整数倍，也可设置为零(两个曲线段直接相连)；

L_Si＝nL_u，n＝0，1，2，…

步骤三：对钻进轨迹中的基本控制点(以曲线段的端点为基本单位)进行粒子群初始化，在已有等式约束条件和不等式约束条件的基础上，采用改进的径向移动算法对创建的多维目标函数进行搜索优化计算，得到的最优解即钻进轨迹的优化结果，最优解所对应的控制参数解向量即可构建设计优化后的水平定向钻进轨迹。

该步包括以下具体步骤：

1.基于三维定向钻进轨迹模型，提取各控制点的关键控制参数(空间坐标、倾角、方位角、面向角、导向强度等)，对各控制点进行粒子群参数的初始化；

2.调整基于改进的径向移动算法的水平定向钻进轨迹计算方法中的相关系数，使计算结果收敛，搜素解空间得到设计优化计算的最终结果，将结果输出为定向钻进轨迹的关键设计参数(造斜段倾角、方位角，控制点坐标，曲线段弯曲强度、弧长等)。

进一步地，在本发明的基于改进的径向移动算法的钻进轨迹设计优化计算方法中，对控制点参数进行粒子群初始化得到相应的变量矩阵。

对于每一段圆弧，将圆弧段表征的八个控制参数：(x_i，y_i，z_i)、θ_i、α_i、β_i、γ_i、R_i作为基础变量，将各个圆弧参数粒子化，建立有效的适应度函数。

对于该类粒子群的径向移动算法：

首先根据实际情况设定各个维度参数的取值范围x_maxj，x_minj(1≤j≤M)，由此可得N个初始位置点：

上标表示当前代数，下标尾标表示当前参数在矩阵中的位置，其中的最优解对应点作为目前全局的最优位置Gbest¹，对应点作为初始中心位置C¹，然后由初始中心位置向四周随机生成N个新位置点作为下一代的预位置。第k代的预位置

可由以下公式确定：

w_k为惯性权值，随代数递减，决定算法的收敛速度，w_max，w_min可由经验确定；V_i，j为粒子由中心位置开始移动的速度；G为人为设定的迭代次数，k表示当前代数。

依据更新生成的预位置

求得预位置的函数值/>

并与上一代的函数值

进行比较，按下式更新本代各点的函数值：

在更新完本代所有所有点的函数值

后，在/>

中选出最小值对应点最为本代的最优位置Rbest^k，若本代最优位置优于全局最优位置，则还需更新全局最优位置Gbest^k。新的中心位置由本代最优位置和全局最优位置的影响下共同产生，并逐渐趋向于最优解。/>

C^k+1＝C^k+c₁(Gbest^k-C^k)+c₂(Rbest^k-C^k)

重复以上过程直至算法迭代至最后一代，最终的全局最优解对应位置即所求最优解的控制参数解向量，对应函数值即所求最值。

Claims (4)

1.一种基于改进径向移动算法的水平定向钻进轨迹优化方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：建立三维水平定向钻进轨迹模型，提取关键控制参数，创建多维目标函数和对应的等式约束条件，依据上述轨迹模型及几何关系推导轨迹长度描述公式，依据推导结果创建全局目标函数；

由此创建的水平定向钻进轨迹全局目标函数f(x)为：

式中，L_Si、L_Ci分别表示直线段与曲线段的钻进轨迹长度；

L₀、L_E分别表示入土直线段和出土直线的钻进轨迹长度；

(x₀，y₀，z₀)、(x_E，y_E，z_E)分别表示入土点和出土点的空间坐标；

(x_i，y_i，z_i)表示第i个圆弧起始点的空间坐标；

(x′_i，y′_i，z′_i)表示第i个圆弧终止点的空间坐标；

γ_i表示第i个圆弧所对应扇形的张角即全角；

R_i表示第i个圆弧所对应扇形的半径；

依据空间几何关系和三维坐标中的坐标转换关系，得到圆弧段两端点的几何等式约束关系如下：

式中：θ_i—第i个圆弧段起始点钻头轴线的倾角；

α_i—第i个圆弧段起始点钻头轴线的方位角；

β_i—第i个圆弧段轴线面向角变化量亦或称为该圆弧段所在平面相对于前一个直线段所在铅锤面的偏角；

θ′_i—第i个圆弧段终止点钻头轴线的倾角；

α′_i—第i个圆弧段终止点钻头轴线的方位角；

G_sd—导向强度设计值；

步骤二：确定水平定向钻进轨迹各控制参数的约束范围，获得不等式约束条件，明确改进的径向移动算法的搜索范围；具体如下：

基于钻孔井周应力模型，结合地质条件、岩土体力学性质，计算地层应力，通过摩尔-库伦破坏准则，确定在钻孔整体稳定情况下水平定向钻进轨迹的倾斜角和方位角范围，作为不等式约束条件之一；

基于施工要求、设备施工能力限制，结合岩土体力学性质，确定钻进轨迹入或出土直线段的倾角、方位角和面向角的约束范围，曲线段的导向强度即弯曲强度范围，作为不等式约束条件之一；

包含的不等式约束条件为：

1)直线段倾角、方位角的约束范围：

θ_l≤θ₁≤θ_h

α_l≤α₁≤α_h

式中，θ_l、θ_h分别是求解出的直线段允许倾角的最小值和最大值；α_l、α_h分别是求解出的直线段允许方位角的最小值和最大值；用于约束出、入土直线段的倾角和方位角，

倾角的变化范围通常受施工限制在5-18度之间，方位角的变化范围通常由施工条件限制；

2)圆弧段曲率半径的约束范围；

R_i≥R_s

3)导向强度约束，即造斜率/狗腿率约束：

G_sd＝G_s≤min([i_rs]、[i_ps]、[i_cp]···)

G_sd—导向强度设计值；

G_s—由土层岩性和导向钻具特性确定的实际导向强度；

i_rs—钻杆安全工作的钻孔极限弯曲强度；

i_ps—管道安全工作的钻孔极限弯曲强度；

i_cp—检验仪器刚性柱体通过管道的钻孔极限弯曲强度；

4)埋深条件：考虑地表的扰动影响和周围构建筑物基础、管线，钻进轨迹的沿线的最小覆土厚度应满足一定的最小埋深，即H>H_min，式中，H表示轨迹中任意一点的至地表距离的最小覆土厚度；H_min表示依据规范和施工要求所计算出的最小埋深；

5)直线段的长度应满足施工设备性能所对应的最小值，为钻杆长度的整数倍或设置为零即两个曲线段直接相连；

L_Si＝nL_u，n＝0，1，2，···；

步骤三：对钻进轨迹中的基本控制点进行粒子群初始化，在已有等式约束条件和不等式约束条件的基础上，采用改进的径向移动算法对创建的多维目标函数进行搜索优化计算，得到的最优解即钻进轨迹的优化结果，最优解所对应的控制参数解向量即可构建设计优化后的水平定向钻进轨迹。

2.根据权利要求1所述的一种基于改进径向移动算法的水平定向钻进轨迹优化方法，其特征在于，所述步骤一中全局目标函数的创建过程如下：

1)建立三维水平定向钻进轨迹模型，用数学的方法描绘轨迹的空间位置状态，确定曲线段与直线段之间的几何关系，依据空间向量关系和半角公式推导各控制参数的约束条件；

2)依据所述三维水平定向钻进轨迹模型和曲线段与直线段之间的几何关系推导轨迹长度描述公式，依据推导结果创建全局目标函数。

3.根据权利要求1所述的一种基于改进径向移动算法的水平定向钻进轨迹优化方法，其特征在于，所述步骤三般包括以下具体过程：

1)基于三维水平定向钻进轨迹模型，提取各控制点的关键控制参数：空间坐标、倾角、方位角、面向角和导向强度，对各控制点进行粒子群参数的初始化；

2)调整基于改进的径向移动算法的水平定向钻进轨迹计算方法中的相关系数，使计算结果收敛，搜索空间得到设计优化计算的最终结果，将结果输出为定向钻进轨迹的关键设计参数。

4.根据权利要求3所述的一种基于改进径向移动算法的水平定向钻进轨迹优化方法，其特征在于，所述关键设计参数包括造斜段倾角、方位角，控制点坐标，曲线段弯曲强度、弧长。

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