一種三維定向井軌跡設(shè)計及控制參數(shù)判別方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種=維定向井軌跡設(shè)計及控制參數(shù)判別方法，屬于地質(zhì)勘探鉆探工 程領(lǐng)域和石油鉆采油氣井工程領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 井眼軌跡設(shè)計參數(shù)主要是指為達到工程目的對井眼各井段對應(yīng)井深的井斜角、方 位角進行設(shè)計，并且，由設(shè)計的各井深點的井斜角、方位角計算井眼在地下空間的軌跡坐標 或繪制井眼軸線延伸路徑軌跡圖；井眼軌跡控制參數(shù)一般是指井底動力造斜機具的工具面 角，不同的井底動力造斜機具工具面角對井眼軌跡參數(shù)有不同的作用效果。
[0003] 井眼軌跡參數(shù)及控制參數(shù)設(shè)計是定向井工程重要的技術(shù)工作，在定向井施工之 前，井眼軌跡參數(shù)及控制參數(shù)設(shè)計對定向井施工具有指導作用，在定向井施工過程中，也需 要針對實際井眼軌跡與設(shè)計井眼軌跡的偏差進行跟蹤或調(diào)整設(shè)計，井眼軌跡參數(shù)及控制參 數(shù)設(shè)計是否合理對定向井工程的經(jīng)濟成本、質(zhì)量有重要影響，甚至，決定定向井工程的成 敗。
[0004] 隨著地下油氣資源探采和固體礦藏勘探技術(shù)要求的不斷提高，=維定向井在鉆探 與鉆井工程中的應(yīng)用也越來越多，如地下繞障鉆井、全方位分支鉆井、上部井眼方位跑偏等 都需要采用=維定向鉆井技術(shù)，空間斜平面法是=維定向井軌跡設(shè)計特別是對圓弧造斜井 段參數(shù)設(shè)計常用的一種方法，該方法設(shè)計的圓弧井眼軌跡具有彎曲結(jié)構(gòu)簡單、實現(xiàn)中祀的 全彎曲角最小等優(yōu)點，但是，由于斜平面圓弧軌跡是垂直剖面和水平投影非等曲率弧線的 =維空間軌跡，理論設(shè)計與施工控制較復雜，相對于二維定向井，立維定向井軌跡參數(shù)設(shè)計 不僅設(shè)及到增或減井斜角問題，同時，還設(shè)及到扭方位問題，斜平面法=維定向井軌跡參數(shù) 與控制參數(shù)設(shè)計是在一個圓弧造斜段內(nèi)增或減井斜角的同時扭方位，并且，相對于已鉆井 眼方位角，扭方位設(shè)計需要考慮在±180°之內(nèi)的增方位或減方位問題，軌跡控制井底造斜 機具的工具面角也存在于0°~360°四個象限內(nèi)，運種多象限井眼軌跡設(shè)計方位角和軌 跡控制工具面角的正確判斷取值是斜平面法=維定向井軌跡參數(shù)及控制參數(shù)設(shè)計的關(guān)鍵 問題。 陽〇化]目前，已有一些關(guān)于=維定向井軌跡設(shè)計及控制參數(shù)的判別方法，如，采用二次坐 標轉(zhuǎn)換法求解方位角并根據(jù)方位角公式中分子和分母的正負值判別方位角所在象限及取 值；采用圓弧軌跡方位角與圓弧造斜段起始點方位角的相對大小或是采用祀點閉合方位角 與圓弧造斜段起始點閉合方位角的相對大小對=維定向井軌跡設(shè)計方位角及軌跡控制工 具面角的判別取值方法，也有根據(jù)W〇°~360°四等分象限不同工具面角的作用規(guī)律、目 標方位角正負旋向等方法判別工具面角的取值與控制等等，其中，有些設(shè)計計算及判別方 法比較復雜和繁瑣，也有些方法未考慮方位角過零點問題，在斜平面設(shè)計圓弧造斜段較長 時，有時，根據(jù)最終設(shè)計的中祀井斜角和方位角由0°~360°四等分象限不同工具面角作 用規(guī)律對工具面角的判別方法有可能存在不適用的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 為了解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種=維定向井軌跡設(shè)計及控制參數(shù)判 別方法，能夠解決現(xiàn)有=維定向井軌跡設(shè)計及控制參數(shù)判別方法所存在的判別方法復雜和 繁瑣、祀點閉合方位差判斷所存在的0°方位角二義性問題和按照0°~360°四等分不同 象限工具面角的作用規(guī)律對工具面角判斷可能存在偏差等問題，彌補了現(xiàn)有=維定向井軌 跡設(shè)計及控制參數(shù)判別方法的不足，是現(xiàn)有=維定向井軌跡設(shè)計及控制技術(shù)方法的發(fā)展和 完善。
[0007] 本發(fā)明為解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：提供了一種=維定向井軌跡設(shè)計 及控制參數(shù)判別方法，包括W下步驟：
[0008] (P1)給定已知參數(shù)：
[0009] 在井口為原點、W地理北為X軸正向、WX軸于地平面正向順時針旋轉(zhuǎn)90。為Y軸 正向、W鉛垂指向的地屯、方向為Z軸正向建立的相對地理坐標系中，目標祀點E的地理坐標 為狂E、Ye、Ze)，圓弧造斜段AB起始點A的井深為La、井斜角為0A、方位角為aA，圓弧造斜 段AB起始點A之上部井段的每一點Ni對應(yīng)的井深為L1、井斜角為0 1、方位角為a1;
[0010] (P2)軌跡的祀?yún)?shù)計算：
[0011] 自造斜起始點A之下，W圓弧造斜段AB+圓弧造斜段AB終點B切線的斜直線穩(wěn)斜 段BE作為待設(shè)計的井眼軌道；依據(jù)步驟（P1)給定已知參數(shù)，選定造斜強度i;采用斜面法 軌跡設(shè)計公式計算穩(wěn)斜段BE的長度Lee、圓弧造斜段AB的全彎曲角丫和圓弧造斜段AB的 長度L,e、圓弧造斜段AB終點B的中祀井斜角0e，W及中祀方位角Oe相對于圓弧造斜段AB 起始點A的方位角aA的中祀方位角改變量Aa;
[0012] (P3)軌跡中祀方位角改變量Aa的判斷取值：
[0013] 設(shè)圓弧造斜段AB起始點A的切線與圓弧造斜段AB終點B的切線的交點C為全曲 彎切中點；W全曲彎切中點C在祀點E所在水平面I的投影C'為原點、WC'指向造斜段 起始點A的方位為X軸正向、WX軸在水平面I正向順時針旋轉(zhuǎn)90°為Y軸正向、W鉛垂 指向的地屯、方向為Z軸正向建立右旋相對坐標系；W目標祀點E在右旋相對坐標系中相對 C'的坐標AXk和AYk對步驟（P2)計算得出的中祀方位角改變量Aa進行判斷取值；
[0014] (P4)計算軌跡控制參數(shù)：
[0015] 將圓弧造斜段AB起始點A的井斜角0A、步驟（P2)計算得到的中祀井斜角0e和 步驟（P3)判斷選取的中祀方位角改變量Aa，代入斜面法軌跡設(shè)計工具面角計算公式，計 算在圓弧造斜段AB起始點A的工具面角0 1;
[0016] (P5)工具面角P的判斷取值：
[0017] 將圓弧造斜段AB起始點A的井斜角0A和步驟（P2)計算得到的圓弧造斜段AB的 全彎曲角丫、中祀井斜角0e，代入另一個工具面角的函數(shù)關(guān)系式，計算在圓弧造斜段AB起 始點A的工具面角@2;并與步驟（P4)計算得到的工具面角P1對比，判斷選取兩個工具面 角公式計算結(jié)果重疊的相同數(shù)值0 ;
[001引 （P6)軌跡的逆向反演及對比：
[0019] 將圓弧造斜段AB起始點A的井斜角0A、步驟（P2)計算得到的圓弧造斜段AB的 長度Lab、步驟（P5)判斷選取的工具面角P，代入圓弧造斜段AB內(nèi)任意井深L,的井斜角0 , 和相對于圓弧造斜段AB起始點A方位角aA的方位角改變量Aa,的軌跡參數(shù)反演公式， 所述圓弧造斜段內(nèi)任意井深L，包括圓弧造斜段AB終點B的井深Le，計算得出包括圓弧造 斜段終點B在內(nèi)的各個井深Lj的井斜角0i和方位角改變量Aaj;如果在圓弧造斜段AB 終點B井深Le處反演得出的井斜角和相對于圓弧造斜段AB起始點A方位角aA的方位角 改變量與步驟（P2)計算得到的中祀井斜角0e和步驟（P3)判斷選取的中祀方位角改變量 Aa完全一致，則證明步驟（P5)判斷方法及判斷選取的工具面角P正確，否則，回到步驟 (P2)重新設(shè)計計算；
[0020] 將逆向反演證明是正確的圓弧造斜段內(nèi)任意井深L,的井斜角0 ,和由方位角改 變量Aa,計算得到的a,、步驟（P2)計算得到的穩(wěn)斜段BE的長度Lee及Lee對應(yīng)的井斜角 0^和方位角aW，代入石油工程規(guī)范規(guī)定的井眼軌跡坐標計算公式；如果在目標祀點E對 應(yīng)井深Le處計算得出的軌跡反演坐標與目標祀點E相對于井口的地理坐標狂e、Ye、Ze)完全 一致或誤差極小，證明步驟（P2)軌跡設(shè)計參數(shù)、步驟（P3)軌跡設(shè)計中祀方位角改變量Aa 的判斷方法及選取的Aa數(shù)值、步驟（P4)計算軌跡設(shè)計控制參數(shù)和步驟（P5)判斷方法及 判斷選取的工具面角P正確，否則，回到步驟（P2)重新設(shè)計計算；
[0021] (P7)輸出軌跡及控制參數(shù)：
[0022] 輸出圓弧造斜段AB的全彎曲角丫和圓弧造斜段AB的長度Lab、斜直線穩(wěn)斜段邸 的長度Lee、圓弧造斜段AB終點B的中祀井斜角0e、中祀方位角改變量Aa和由Aa計算 得出的圓弧造斜段AB終點B的中祀方位角a,、在圓弧造斜段AB起始點A的工具面角0、 圓弧造斜段AB內(nèi)各個井深L,的井斜角0 ,和由相對于圓弧造斜段AB起始點A方位角aA 的方位角改變量Aa,計算得到的a,、圓弧造斜段AB+斜直線穩(wěn)斜段BE的各個井深的計 算坐標，用于指導定向井軌跡控制的實施。
[002引步驟的）中，采用如下公式計算圓弧造斜段AB終點B設(shè)計中祀方位角Qb相對 于圓弧造斜段AB起始點A方位角aA的中祀方位角改變量Aa:
[0024]
[00對上式中，0e、ae分別為設(shè)計圓弧造斜段AB終點B的中祀井斜角、中祀地理方位角， 0A、a,為圓弧造斜段AB的起始點A的井斜角、地理方位角，丫為圓弧造斜段AB的全彎曲 角，k為余弦函數(shù)的周期系數(shù)，取0或1。
[00%] 步驟（P3)中，采用如下準則對軌跡設(shè)