（计算机应用技术专业论文）非直井井迹优化设计与决策分析应用研究.pdf

人连理工大学博士学位论文 摘要 在石油钻井工程中，随着钻探技术的不断发展，除了直井之外，定向井、侧钻井、 水平井、侧钻水平井等大量的非直井也成功地开采出来。井迹控制问题是非直井钻井 技术的核心，它直接影响了井的产量和经济效益。非直井井迹控制主要包括井迹设计、 下部钻具组合造斜性能分析与预测、井迹合理描述与参数计算，其中井迹设计是非直 井井迹控制的主要研究内容。 井迹设计主要包括优化设计和实钻设计。实钻设计所用的主要方法原理与优化设 计是一致的，所以本文以优化设计为研究重点。其过程首先是在设计目标已经确定的 酊提下设计轨迹函数，然后是通过先验经验选择关键参数来调整轨迹函数，最后是确 定井口位置。其技术路线主要是通过设计轨迹函数、选取造斜点范围以及构建和求解 井口定位模式来实现的。在井迹设计过程中产生的诸多决策，使得在钻井工程中进行 决策分析变得更有意义。 以往的非直井井迹研究工作更多地集中在井迹控制的工艺和硬件的性能提高上， 也有的集中在数学角度的轨迹方程的研究。本文以非直井井眼轨迹的优化问题为背 景，以非直井轨迹计算及控制软件为研究基础，以为非直井井迹设计提供决策分析为 目的，从新的角度对井迹设计的主要影响因素进行了分析和研究，包括不同的优化目 标、造斜点的选取范围以及井口定位问题。其中，以往的井口定位问题的研究更多地 考虑了地面和技术条件，而本文将该问题视为优化问题考虑，从约束、目标函数和搜 索域三方面对井口定位问题进行分析，将地面及技术条件都纳入约束范畴进行处理； 将决策树归纳学习方法引入钻井工程实践，对造斜点范围选取的经验因素进行处理， 目前还不多见：推导了轨迹函数，同时对粒子群算法进行改进，应用改进的粒子群算 法进行了对轨迹函数的参数优化。以上工作均是围绕为决策人员提供决策分析进行 的。本文的研究主要集中在以下方面： ( 1 ) 轨迹函数对井眼轨迹有着重要的影响。不同的优化目标是通过不同的轨迹函 数来体现的。本文在对标准的粒子群算法进行改进的基础上对设计的轨迹函数进行了 参数优化。采用空间各维方向上的分段轨迹投影之和，分别等于相应方向上的造斜点 与靶点的坐标差来保证中靶精度，并通过井眼曲率的归一化处理，由已知的目标靶点 位置反推出分段参数的表达形式，设计了轨迹函数。同时本文对标准的粒子群算法所 存在的易陷入局部极小点周围区域的缺陷进行了改进，通过引入罚函数并利用罚函数 的特点对标准粒子群算法加以限制，对算法“早熟”现象进行克制。在对粒子群算法 进行改进的基础上，对设计的轨迹函数进行了参数优化。 ( 2 ) 随着造斜点范围的变化，井迹也随之变化。本文引入决策树方法对决定造斜 点范围的经验因素进行了处理。其他影响因素不变的情况下，改变造斜的出发点位置 而不改变目标靶点的位置，轨迹自然会发生改变，所以造斜点位簧对轨迹的影响是非 常重要的a 造斜点范围是由操作者选择的，这种凭借工作人员经验决定的因素称为先 验经验因素。为了便于处理并合理利用这部分经验因素，本文将神经网络引入决策树 结点构造了混合决策树，即在构造的过程中引入最大熵原理，利用z 测试获得对象i n 的关联强度，设定阈值并构造最大熵模型，从而对混合决策树的生长机制进行改进并 通过了国际标准测试集的测试。利用改进的决策树方法提高了例子集的分类速度和精 度，并在此基础上针对先验经验确定的参量构造了学习模式，从而提供决策分析。 ( 3 ) 在靶点已知的前提下，确定井1 3 位置对井眼轨迹的影响也很重要。改变井口 位置，会导致井迹的迥异。仅对轨迹的优化进行分析和计算是不完全的，本文研究了 地面条件的影响因素，它们是非直井、丛式井设计的重要依据。除了轨迹设计曲线及 造斜点范围等这些出设计和施工人员决定的参数会对轨迹产生影响之外，设计的工艺 要求以及地层地面等约束对轨迹的影响也非常大。在以上影响因素的作用下，直接到 达靶点的轨迹进行施工有可能非常困难，会钻出较长空间距离的井，使井迹呈现不同 的姿态。鉴于此本文从优化问题的角度对井口问题进行分析，将轨迹函数同约束及搜 索域综合起来，主要研究了二维平面下目标函数、约束条件和搜索域范围，也讨论了 三维空间下的情况，并进行了求解，通过实例验证其精度满足工程需要。 综上所述，本文对钻井工程中的井迹优化设计与决策分析进行了理论探讨与应用 研究。井迹优化设计过程中，轨迹函数的设计、造斜点位置的选取以及井1 3 位置的确 定，都对轨迹有着重要的影响。本文设计了一种新的轨迹函数，在对基于群智能的粒 子群优化算法进行改进的基础上进行参数优化；对决策树算法进行改进，掘此对依据 先验知识在施工过程作出决策的经验因素，主要是造斜点范围的选取的决策过程进行 了处理：结合工程实践，对确定丛式井井组井1 3 定位问题进行了研究。以上工作进一 步完善了轨迹优化设计，也为决策者提供了更好的决策分析。 关键词：井迹：混合决策树；最大熵原理；粒子群 订 盔堕型王查兰竖：兰兰丝笙兰 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fd r i l l i n gt e c h n o l o g y , m o r ea n dm o r eh i 曲d i f f i c u l t yw e l lh a d b e e ne x p l o r e di no i lf i e l d m o s t l yt h e s ea r en o n - s t r a i g h tw e l l so f w h i c h i n c l u d i n gd i r e c t i o n w e l l s ，h o r i z o n t a lw e l l s ，s i d e t r a c k i n gw e l l s a n d l o n g r e a c h w e l l so fw h i c hm e a nt h e i n c l i n a t i o na n g l eu n e q u a lt oz e r o t h ed e s i g no fw e l lt r a j e c t o r yi sv e r yi m p o r to fw h i c h e f f e c tt h e o u t p u t a n de c o n o m i c a lb e n e f i t t h e d e s i g n o fw e l l t r a j e c t o r y i n c l u d e s o p t i m i z a t i o nd e s i g n a n dr e a l t i m e d r i l l i n gd e s i g n t h ee x p l o i t a t i o n o fw e l li s v e r y c o m p l i c a t e de n g i n e e r i n gi n c l u d i n gn o to n l yw e l lt r a j e c t o r yc o n t r o l l i n gt e c h n o l o g yb u ta l s o d e c i s i o ne x p e r i e n c ew h i c hc a l l st h ef o r m e r l ye x p e r i e n c e ，f o rt h e r ea r es u b j e c t i v ef a c t o r s a m o n gt h e mw h i c hi s d i f f i c u l tt oc o n c l u d eb ym a t h e m a t i cm o d u l el i k ew e l lt r a j e c t o r y o p t i m i z a t i o nb u tn e e dn e wk n o w l e d g ee x p r e s s i o n t h ed e c i s i o n - m a k i n gd u r i n gt h ed e s i g n m a k e st h em o r es i g n i f i c a t i o no fa i d e d d e c i s i o n - m a k i n g i nd r i l l i n gw e l lf i e l d f o rt h eb e t t e r a i d e dd e c i s i o ns u p p o r to fb e t t e r n o n - s t r a i g h tw e l lc o n t r o l l i n g ，b a s e do nt h es y s t e mo f h o r i z o n t a lw e l la n ds i d e t r a c k i n gw e l lc o m p u t a t i o na n dc o n t r o l l i n gs o f t w a r e ，m a k i n gt h e r e s e a r c ho f n o n - s t r a i g h tw e l lt r a c ki no i le n g i n e e r i n ga sb a c k g r o u n d ，t h i sp a p e ri n d u c t sa n d i m p r o v e so np a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o na l g o r i t h mt om a k ep a r a m e t e r so p t i m i z a t i o no f d e s i g n e df u n c t i o no fw e l lt r a j e c t o r y , a n di n d u c t sa n dm e n d sd e c i s i o nt r e et e c h n o l o g yt o m a k er e s e a r c ho ne x p e r i e n c e sd e c i s i o n ，m a k e sr e s e a r c ho nt h ep o s i t i o nf o rc l u s t e ro f w e l l f r o m o p t i m i z a t i o np r o b l e m f i r s t l y , t h et r a j e c t o r yd e s i g ni sv e r yi m p o r t a n tt ot h eo p t i m i z a t i o nd e s i g n t h i sp a p e r m e n d st h es t a n d a r d p a r t i c l e s w a r t n o p t i m i z a t i o na l g o r i t h m a n dm a k e s p a r a m e t e r s o p t i m i z a t i o n o f d e s i g n e d f u n c t i o no fw e l l t r a j e c t o r y f o r t h es a k eo f p r e d i g e s t i n g o p t i m i z a t i o nf u n c t i o nm o d u l ea n di m p r o v i n go p t i m i z a t i o ne f f i c i e n t ，a n da l s oo v e r c o m i n g t h ed e m e r i to ff o r m e rm o d u l et h a tc o n s i d e r i n g e v e r yk i n d sr e s t r i c t i n gf a c t o r ss ot h a ti tt a k e s o nr o u n d l yb u tc o m p l e x i t y , t h ep a p e rp u t s u pn e wo p t i m i z a t i o nt a r g e tf u n c t i o no fw e l l t r a j e c t o r y b a s e do nt h e o p t i m i z a t i o nt h e o r y b yi m p o r t i n gs t a n d a r d p a r t i c l e s w a r m o p t i m i z a t i o na l g o r i t h m ，a d o p t i n gp u n i s h i n gf u n c t i o nm e t h o d ，t h ep a p e rm a k e sp a r a m e t e r s o p t i m i z a t i o n o ft a r g e tf u n c t i o n a i ma tt h ed i s a d v a n t a g eo fs t a n d a r d p a r t i c l e s w a r m o p t i m i z a t i o na l g o r i t h m st h a tc a l l se a r l i n e s s ，t h r o u g ha d o p t i n gp u n i s h i n gf u n c t i o nm e t h o d ， t h ep a p e rm a k e si m p r o v i n gt ot h ea l g o r i t h m st h a ti t w i l lb ef o r c e dt ol e a v et h ep o s i t i o n w h e ni ti sn e a r l ya p p r o a c h i n gt ot h el o c a lp a r t i c l ep o i n t b yp u n i s hf u n c t i o n ，s ot oc o n q u e r t h el i m i t a t i o no ft h e s t a n d a r d p a r t i c l e s w a r m o p t i m i z a t i o na l g o r i t h m s t h en e w o p t i m i z a t i o nt a r g e tf u n c t i o nh a sb e e np u tu pt h a ti sc o n c i s e n e s so fw h i c hm a k e st h es h o r t e s t l e n g t ho fs p a c ec u r v ea st h eo p t i m i z a t i o nt a r g e t ，a d o p t sm a t h e m a t i cd i s p o s i n go f t u r n i n g o n eo fw e l lt r a j e c t o r yc u r v a t u r e ，a n du t i l i z e st h es u mo fs u b s e c t i o ne q u a l st o t h et a r g e t l e n g t ht om a k es u r et h eh i t t i n gt a r g e tp r e c i s i o ns ot oc o n c l u d ee x p r e s s i o no fs u b s e c t i o n p a r a m e t e r sf r o m t h ep o s i t i o np a r a m e t e r so f t a r g e t t h em e t h o di ss i m p l ea n dc r e d i t a b i l i t y , a n dt h ee x a m p l ei n p r a c t i c eo ft h em e t h o dv a l i d a t e st h a ti tm a t c h e st h e r e q u i r e m e n to f e n g m e e n n g n o to n l yo nt h e c o m p u t i n gp r e c i s i o nb u ta l s oo nt h es p e e d i i i 查堡堡王查堂堂主兰些堡苎 s e c o n d l y , f o rr e a l i z i n g f u r t h e s t o p t i m i z a t i o n o fw e l lt r a j e c t o r yt h r o u g hp r e d i c t i n g u n c e r t a i nf a c t o r s d u r i n g t h e o p t i m i z a t i o nc o n r s e ，b yc o m b i n i n g t h em a x i m a le n t r o p y t h e o r yt h i sp a p e rm a k e si m p r o v i n g t o w a r dc l a s s i c a ld e c i s i o nt r e em e t h o d t op u tu pi k w m e t h o do fw h i c hv a l i d a t e db yt h ee n g i n e e r i n ge x a m p l e sa n dg e t st h eb e t t e re f f e c t a f t e r b u i l d i n gu p t h en e wm e t h o d ，t h ep a p e rf u r t h e ri m p r o v e st h ew e l lt r a j e c t o r yo p t i m i z a t i o nb y m a c h i n el e a m i n go ft h ed e c i s i o nh a b i t so f t h eo p e r a t o r st op r o v i d eb e t t e rd e c i s i o ns u p p o r t f o rt h em a n a g e ra n d o p e r a t o r t h i r d l y ，f o rm e s a k eo f p e r f e c to f w e l lt r a j e c t o r yd e s i g n ，t h ep a p e rm a k e sr e s e a r c ho n t h ec o n d i t i o no f g r o u n dw h i c h i sa l s ot h ei m p o r t a n tf a c t o rt ot h ew e l lt r a j e c t o r yd e s i g no f w h i c ht h es i g n i f yb a s eo f d e s i g n i n go f h o r i z o n t a la n dd i r e c t i o n a lw e l l t h i sp a p e ra n a l y s i s t h e p r o b l e m f r o mn e wp o i n to fv i e wt h a t o p t i m i z a t i o np r o b l e m a s t a r g e tf u n c t i o n ， r e s t r i c t i o na n ds e e k i n gs p a c ea n da d o p t se v o l u t i o n a r ya l g o r i t h m st os t u d yt h ep r o b l e mo f o r i e n t a t i o no f c o l l e c t i n gw e l lg r o u p o n e n g i n e e r i n gf o rw e l l t h ep r o b l e m t h a th o wt os e l e c t t h ec 0 1 t c c tp o i n tt os e tt h ew e l lf i e l dc a nb ea b s t r a c t e dt ot h ep r o b l e mt h es h o r t e s ts 蛐1o f d i s t a n c e st oe a c hp e a ko ft h ep o l y g o ni nt w od i m e n s i o n sp l a n e t h ep a p e rg i v e so u ts e v e r a l a l g o r i t h m si n c l u d i n ge x p e r i e n c em e t h o d ，f o l l o w i n gu pm e t h o da n ds oo n ，f u r t h e r m o r e m a k e ss o m ei m p r o v e m e n to ng at og e tm u c hm o r ee f f o r to f w h i c hs u p e r i o r i t yb e e np r o v e d b yp r a c t i c e i naw o r d ，t h ep a p e rm a k e sr e s e a r c ho nt h ew e l lt r a j e c t o r yo p t i m i z a t i o nd e s i g na n d a i d e dd e c i s i o n d u r i n gt h ed e s i g nc o u r s et h ed e s i g no f t r a j e c t o r y , t h es e l e c t i o no f k i c k - o f f p o i n ta n dt h ec o n f i r m a t i o no fp o s i t i o no fc l u s t e rw e l lh a v eg r e a ti n f l u e n c eo nt h ew e l l t f a j e c t o r y t h ep a p e rp u t su pn e wo p t i m i z a t i o nt a r g e tf u n c t i o no f w e l lt r a j e c t o r y , a n db y i m p o r t i n gs t a n d a r dp a r t i c l e s w a r mo p t i m i z a t i o n a l g o r i t h m ，a d o p t i n gp u n i s h i n gf u n c t i o n m e t h o d ，t h ep a p e rm a k e sp a r a m e t e r so p t i m i z a t i o no ft a r g e tf u n c t i o na n dt h ee x a m p l ei n p r a c t i c eo f t h em e t h o dv a l i d a t e st h a ti tm a t c h e st h er e q u i r e m e n to f e n g i n e e r i n gn o to n l yo n t h ec o m p u t i n gb e t t e rp r e c i s i o nb u ta l s oo nt h es p e e d ，f o rt h ed e c i s i o nc o u r s eo fw h i c h m a i n l ya c c o r d i n gt o t h ek n o w l e d g ea n de x p e r i e n c eo fo p e r a t o r s ，t h e p a p e ri n t r o d u c e s i m p r o v i n gc o n c l u d i n gl e a r n i n gm e t h o dt om a k ea n a l y s i sa n da p p l yt ot h ec o u r s eo fw e l l t r a j e e t o r yd e s i g n a f t e rm a k i n gs u r e t h ed e c i s i o nt r e e m e t h o d t h e p a p e ra d o p t s e v o l u t i o n a r ys t r a t e g yt om a k ef u r t h e rr e s e a r c ho nt h em a i nd a t et h a tt h e p o s i t i o no f k i c k - o f f - p o i n to f w h i c hn e e dd e c i d e d b yt h ee x p e r i e n c ea n ds t a t i s t i c a ld a t u ma n dp r a c t i c a l i n s t a n c e t h er e s e a r c hp r o v i d e so n ee f f e c t i v ea i d e dd e c i s i o nm a k i n g w a y f o ro p e r a t o r si n t h es o f t w a r ee n g i n e e r i n gf i e l d k e y w o r d s ：w e l lt r a j e c t o r y ；c o n s t r u c t i v eh y b r i dd e c i s i o nt r e e ；m a x i m a l e n t r o p yt h e o r y ； p a r t i c l es w a r m i v 非直非”逊优化设计与决策分析戊用研究 1 绪论 在石油钻井工程中，随着钻探技术的不断发展，除了直井之外，定向井、侧钻 井、水平井、侧钻水平井等大量的非直井也成功丌采出来。在非直井的丌采过程中， 井迹控制问题是非直井钻井技术的核心，它直接影响了井的产量和经济效益。井迹 控制具有丰富的内涵，井迹设计、下部钻具组合造斜性能分析与预测、井迹合理描 述与参数计算构成了非直井逊控制的主要内容，其中井迹设计是非直井迹控制的主 要研究内容。 井迹设计主要包括井的优化设计和实钻设计。优化设计是指在施工之前确定技 术路线及施工方案，先确定井口的位置，之后根据在综合考虑约束信息的基础上确 定造斜点范田等主要参数，然后在满足工艺要求的前提下对目标函数进行轨迹设计。 实钻设计也称随钻设计，是指在钻探过程中要施行实时监控，对井迹的钻进情况进 行实时调整。 实钻设计主要包括钻进过程中的工艺措施调整和轨迹调整，是根据实际情况的 变化而进行的。具体地，工艺措施调整主要是下部钻具组合的更换和调整，也包括 一些工程处理；轨迹调整需要重新设计轨迹，在造斜之前需适当地调整造斜点范围， 在造斜过程中则需重新设计轨迹，所用的方法原理和优化设计是一致的。所以轨迹 的优化设计非常重要。 轨迹优化设计是本文的研究重点。其理论过程首先是在设计目标已经确定的前 提下设计轨迹函数，然后是一些关键参数的先验经验调整目标函数，最后是井口位 置的确定。其技术路线主要是通过设计轨迹函数、选取造斜点范围以及构建和求解 井口定位模式来实现的。在井迹设计过程中产生的诸多决策，使得在钻井工程中的 决策分析变得更有意义。 缘此，以非直井井眼轨迹的优化问题为背景，以非直井轨迹计算及控制软件为 研究基础，以为非直井迹优化设计实现定的决策分析为目的，利用函数优化方法， 对粒子群算法和决策树算法等问题的研究，是很有意义的。本章简要介绍工程背景 及本文要解决的问题。 1 1 钻井工程背景 在非直井的范畴里，水平井很有代表意义。以后如不加说明，本文所指的非直 井都是指水平井。水平井钻井始于上个世纪2 0 年代。进入8 0 年代以后，由于重视 了水平井油藏工程研究，开发了一批先进的钻井工具和测量仪器，水平井产量显著 提高，钻井成本大幅降低。水平井已经成为开发各类油气藏，提高可采储量、单井 产量和采收率的重要手段，目前已在世界范围内得到了广泛应用。国内水平井钻井 相对滞后，直到进入2 0 世纪9 0 年代才得到小范围的发展。尽管时间较晚，但起点 也较高，所以技术差距与国外明显缩短。水平井的经济效益比较显著，可以预见到 不远的将来会有较大的发展。 人连理t 人学博i 。学位论史 非直井相对于直井，非直井是指井斜角( 见以下的井迹描述参数) 不为零的井。 定向井、侧钻井、水平井、侧钻水平井、分支井、大位移井都属于非直井的范畴。 井迹井迹或称轨道、轨迹，具有较强的物理、力学及工程含义，指一种具有强 烈的工程含义的空间曲线，或者说是以石油工程中的定向井、侧钻井、水平井、侧 钻水平井、分支井、大位移井中钻头运行的轨道为背景的。 井迹设计是指根据明确的含义及已知的要满足的条件，求一条空间曲线。 井迹描述参数描述井迹的参数大体上可分为基本参数、坐标参数、挠曲参数、 井问关系参数与施工参数。以下是描述井眼轨迹时的主要参数： 井深( 上) ：井迹( 井眼轨道) 上任意一点到井口的曲线长度，也称斜深或测量 深度。 井斜角( “) ：井迹上任意一点的切线方向与铅垂面( 铅垂线) 之间的兴角，单 位为度或弧度。 方位角( 妒) ：井迹上任意一点方向线( 切线方向) 在水平面上投影与正北的夹 角，单位为度或弧度。 空间坐标：井迹上任意一点的空间位置可用北坐标( x 或n ) 、东坐标( y 或e ) 、 真垂深( z 或t v d 或h ) 表示，坐标系符合右手规则。 水平位移( d i s p ) ：井迹上任意一点至井口或井迹上任意一点所在铅垂线的距离， 单位为m 。 视平移或垂直段( v s ) ：水平位移在设计方向线上的投影，单位为m 。视平移是 绘制垂直投影图的重要参数。 造斜点( k o p ) ：在非直井施工中，开始定向造斜或扭方位的位置，单位为m 。 工具面角( t f o 或m ) ：沿非直井迹切线方向所构成的平面顺时针转向造斜工具 弯曲平面而形成的夹角，单位为度或弧度。这是非直井施工中最重要的可控参数。 井斜变化率( k 。) 与方位变化率( k p ) ：井迹上任意一点单位长度上井斜角 与方位角变化量，它分别反映了井斜角和方位角随井深变化的程度。 弯曲角( 占) ：非直井迹前进方向上任意两个切线矢量之间的夹角，单位为度或弧 度。 井眼曲率( k ) ：非直井迹切线矢量对于弧长的旋转程度，反映井迹的弯曲程度。 曲率半径( r ) ：井眼曲率的倒数，单位为m 。 扭转角( 0 ) 。井迹前进方向上任意两个副法线之间的夹角。 井眼挠率( r ) ：单位弧长扭转角的变化，它反映了井迹的扭转程度。 井迹图示法在非直井现场施工中，通常采用三维图、投影图与柱面图来直观描 述井迹的变化规律。 三维视图表示法采用右手系，以非直井井口为坐标原点，以正北( n ) 作为x 轴的正向，以正东( e ) 作为y 轴的正向，z 轴铅垂向下指向地心。三维视图的优 点是在一个坐标系中可以完整描述井迹，但它不能反映井斜角、方位角、视平移等 参数，直观性差。 投影图表示法 需要两张图，垂直投影图与水平投影图。垂直投影图是将井迹 2 非直扑仆迹优化设计与决策分析麻用研究 投影到某个铅垂面( 一般为设计方向线所通过的铅垂面) 上所形成的井迹图，水平 投影图是将井迹投影到水平面上所形成的井迹图a 开采非直井的必要性根据油藏的具体特点，如裂缝性油层、薄油层或低渗透 油层，为增大油气层的裸露面积、增加产量、提高采收率，有必要将其设计成水平 井或大斜度井。另外还有一种求援井的情况，即发生井下事故时为了快速、准确地 钻达目标点，尽可能缩短事故井的失控时间从而保护油气资源而钻的井。可见非直 井的用途非常广泛，非直井的开采是非常必要的。 非直井迹控制技术的发展概况井迹控制是指借助特殊的井下工具与监测仪 器，采取合适的工程参数，强制钻头按照事先设计好的轨道或尽可能地靠近预置轨 道到达靶点或靶区的过程。井迹控制也可叙述为依一定的性能指标( 中靶精度最高、 钻井成本最低、井眼最安全等) ，选择合适的设计变量或控制变量，形成一条满足工 程要求( i 具要求与施工参数要求) 与地质要求( 中靶或钻达油层) 的井迹的过程。 井迹控制既可以看成是静态下的约束优化问题，也可以视为移动边界和或固定端 的最优控制问题，这就为引入数学模型来描述和解决问题提供了可能。 非直井迹控制问题是非直井钻井技术的核心。非直井迹控制具有丰富的内涵， 下部钻具组合造斜性能分析与预测、井迹设计、井迹合理描述与参数计算构成了非 直井迹的主要内容，其中井迹设计是非直井迹的主要研究内容。 井迹控制的研究，可以上湖到2 0 世纪2 0 年代末开始的有关并斜理论的研究i l i 。 在长达7 0 年的过程中，国内外有关专家、学者、工程人员从井迹描述与设计、钻柱 力学、钻头与地层相互作用、井迹预测等方面做了大量的工作，从而使得井迹控制 理论与实践不断得到发展和完善。在5 0 年代和6 0 年代，人们是以井斜控制理论与 技术为研究主题，从而解决“防斜打直”问题为研究目标。进入7 0 年代后期，随着 定向井技术的发展，研究的重心开始向定向井的井迹控制问题转移，要求在控制井 斜的同时，也要控制方位。进入8 0 年代以来，随着水平井与大位移井的出现，井迹 控制的问题交得更为复杂一方面新工具新仪器的出现迫切要求对其机理进行更为 准确的认识；另一方面，对井迹的控制要求更高，不仅要求在位置上满足靶的要求， 而且对中靶时的角度也有了要求，称为“矢量中靶”。9 0 年代以来，随着导向钻井 技术( 地质导向技术与旋转导向技术) 的出现和发展，在继续注重井迹控制的理论 研究的同时，更多的人将研究的重心转向硬件的研制上，铰接马达、可变径稳定器、 近钻头测量工具、仪器化马达、旋转导向系统、随钻地震技术的不断涌现，不断发 展了井迹控制技术。 非直井井迹设计的好坏直接决定了井的产量和经济效益，包括优化设计和是实 钻设计。实钻设计主要包括钻进过程中的工艺措施调整和轨迹调整，其中工艺措施 调整主要是下部钻具组合的更换和调整，也包括些工程处理；轨迹调整是根据实 际情况的变化，需要重新设计轨迹，所用的方法原理和优化设计是一致的。所以井 迹优化设计非常重要，本文研究的重点是井迹的优化设计。 井迹优化设计方法的发展概况目前，二维井迹设计主要以平面圆弧与直线的组 合来实现，常用的轨迹有1 1 种之多1 2 i 。三维井迹设计的方法则主要是将三维问题转 查垄些王叁堂塑主兰垡丝：! ! ! ； 化为二维问题来近似，或考虑高难度非直井施工特点另行处理。在井迹计算方面， 出现了弦步法、弧步法、真实圆弧法、常曲率法、自然参数法、三次样条函数法、 数值积分法、曲线结构法等。在井迹设计与随钻设计方面， 出现了悬链线、抛物线 设计方法，三维设计的斜平面法( 位置斜平面法、方向斜平面法、复合斜平面法) 与柱面螺旋线法、拟螺线法、矢量中靶方法等。 上个世纪7 0 年代到9 0 年代中期，随着定向并、丛式井、水平井、大位移井的 出现，井迹设计方法出现了蓬勃发展的局面i 1 7 1 8 9 2 0 1 。1 9 8 2 年，龚伟安讨论 了定向井狗腿度的问题1 2 “，揭开了国内研究非直井迹形态的序幕。1 9 8 6 年以来，基 于不同的假设，研究者提出了不同的井迹设计方法，如刘福齐教授提出的弦步法与 弧步法1 2 2 i 、杜春常教授提出的自然参数法i 、曲线结构法1 “i 、数值积分法l2 5 1 、真实 圆弧法1 1 8 i 等。这一时期，对测量仪器的系统误差对井迹的影响进行了研究，并取得 了许多成果1 2 。在井迹设计方面，除二维的“圆弧直线”组合剖面外，还出现了 悬链线型及抛物线型剖面设计方法，但其因在工程上难以实现而很少采用。自1 9 9 1 年以来，刘修善教授系统地研究了井逊设计与计算理论，以微分几何为工具，提出 方向斜平面法与复合斜平面法，建立了水平井设计的三维控制体模型1 1 7 巩格。5 。4 粕l 。 1 9 9 2 年，s c h u hf j 等学者在研究了水平井造斜段设计方法后，建立了常工具面偏斜 时的井迹方程p ”。1 9 9 3 年，g u o b o y u n 等学者提出了常曲率设计方法，与水平井施 工规律基本符合1 3 8 l 。 1 9 9 3 年江胜宗博士等以系统论的观点建立了下部钻具组合优选及轨迹设计与控 制的数学模型p ”，将b h a 力学性能、钻头与地层相互作用、待钻设计与井底预 测作为系统的元素，讨论了系统的环境与元素及元素间的关系。1 9 9 4 年w u 等研究 者1 4 l l 应用交分原理，确定了斜井的最短轨迹。1 9 9 7 年h e l m y 等研究者1 4 2 1 建立了定 向井轨迹设计的优化模型，定量地考虑了诸如造斜点、增( 降) 斜率、井斜角等因 素的影响，但其不太适合于水平井与大位移井，采用的算法的适应性也不是很强， 往往得不到可行解。1 9 9 8 年s u r y a n a r a y a n a e v r 等学者1 4 3 j 比较全面地考虑了影响非 直井迹设计的因素，并针对具体问题采用修正拟线性化法( m q a ) 与序列梯度存储 算法( s g r a ) 进行求解。2 0 0 0 年，w i l l i a m s o nh s 在所提出的井迹计算方法时， 首次考虑了地球曲率的影响1 4 4 。2 0 0 0 年桂满仓教授等提出了一种新的水平井优化设 计模型1 4 5 i 。然而上述方法要么模型过于简化或范围过窄，要么算法与模型适用性较 差，要么二者兼而有之，因此研究非直井迹设计与控制的特点，设计一系列全新的 轨道优化设计模型是十分必要的。 井眼轨迹优化设计的理论，首先是在设计目标的前提下进行轨迹设计然后是 一些关键参数的先验经验调整，最后是井口位置的确定。 1 2 要解决的问题 在钻井施工过程中，一般一口井不会单独占用一个井台，而会采用若干口井共 用一个井台的办法，在油藏丰富的地区尤其如此。可见井口位置的选择是一个值得 研究的问题。本文从井口定位问题出发，对设计井眼轨迹的影响因素做一探讨。 4 非直升j ：迹优化设计与决策分析庸用研究 1 2 1 井迹的主要影响因素 l 号井轨迹1 ：盖堂莹苎亡= 3 号井轨迹一 4 号井轨迹 o 5 号井轨迹。 井口 抽象的目标靶区 地层约束 地面约束 挂1 1 - 1 井口定位问题水平示意图 f i g 1 - 1s k e t c ho f h o r i z o n t a l v i e w f o r p o s i t i o no f w e l l h e a d 图l - l 的图例说明： 地层约束：地下的障碍物，包括可钻性较差的岩层，暗河，已钻井的轨道等等。 地面约束：地面的障碍物，包括高山，楼房，湖海( 浅海及海岸石油开发另外 考虑) 等等。 抽象的目标靶区：油藏所处位置，也就是井眼轨道将要中靶的位置。 井口：开始钻井的出发位置。 细实线及其他细线：表示钻进轨迹。 粗实线：各靶点的连线，表示设定的搜索区域边界。 水平投影图说明 从图1 1 可以看出，l 号井在到达靶点之前绕了一个很大的 “弯”，没有直接到达靶点，并且在其前进路线上存在一个地面障碍，但不妨碍它从 地下钻进，可参考垂直投影图。2 号井前进路线上存在着一个地层障碍，为了绕开 障碍而改变了钻进轨迹。3 号井和4 号井基本上是按照造斜工具条件允许的情况下 钻进的，并且3 号井的钻进路线上存在个地面障碍。5 号井也考虑了绕障。 生堡些! 叁兰堕土兰竺丝兰 l 号井轨迹 2 号井轨迹 3 号井轨迹 4 号井轨迹 5 号井轨迹 井口 抽象的目标靶区 地面约束 地层约束 图1 1 2 井口定位问题垂直示意图 f i g 1 - 2 s k e t c ho f v e r t i c a lv i e wf o rp o s i t i o no f w e l l h e a d 图例说明同图1 1 。 垂直投影图说明从垂直投影图上看，l 号井属水平井，在到达靶点之前绕了一 个很大的“弯”，没有直接到达靶点。2 号井属定向井，其前进路线上存在着一个地 层障碍，为了绕开障碍而改变了钻进轨迹。3 号井和4 号基本上是按照造斜工具条 件允许的情况下钻进的，区别是前者属侧钻井而后者属侧钻水平井。5 号井是考虑 了绕障而设计的定向井。 原因分析1 号井垂直距离较深，由于工具本身造斜能力的限制，不能直接到 达靶点，所以以较大的曲线弧度钻进。2 号井和5 号井的钻进过程中存在障碍，为 此进行空间绕障设计。在钻进过程中