[发明专利]恒工具面角曲线井眼轨道设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种轨道设计方法，属于井下钻探技术领域，具体涉 及一种恒工具面角曲线井眼轨道设计方法。

背景技术

随着定向钻井技术的发展，对井眼轨道设计和控制提出了更高的 要求。在定向钻井作业中，涉及的井眼轨道多为三维井眼轨道，如侧 钻井水平井、地质导向钻井和待钻井眼轨道，要求井眼轨道控制尽量 符合设计要求，且易于定向控制，确保有效、快速地钻达目的层位。

恒工具面角曲线井眼轨道的突出特点为井眼曲率、井斜角变化率 和工具面角均为常数，便于定向操作，可降低钻井作业费用，作为一 种典型的井眼轨道模型用于定向钻井中。由于恒工具面角曲线的北、 东坐标涉及到含三角函数的数值积分计算，至使井眼轨道模型求解困 难，需要研究可行、有效的数值计算方法来实现。

空间斜平面圆弧模型广泛应用于定向钻井中，三维圆弧轨道需不 断变化工具面角才能实现，实际施工难以做到，不能精确控制钻进轨 迹，且作业效率低。现有恒工具面角模型通常针对某一特定问题提出， 缺乏普遍适用性，且参数求解方式单一。为了满足实际工程应用的需 要，井眼轨道模型要有通用性，求解参数方式应有多样性，然而目前 这方面的研究还不完善和系统，难以满足定向钻井轨道设计及控制的 需要。

在三维井眼轨道设计和控制时，起始点的位置、井眼方向和目标 点的位置已确定，而目标点的井眼方向可分为不限定和限定两种类 型，分别对应定向井和水平井要求。为此建立两种典型的恒工具面角 井眼轨道模型，能演化出多种剖面形式，可灵活、快速求解，以满足 多种井眼轨道设计和控制的需要。

发明内容

本发明的目的在于建立限定目标点位置，以及同时限定目标点位 置和入靶方向两种典型三维恒工具面角井眼轨道设计模型，能根据不 同的设计要求灵活、快速求解设计约束方程，使设计具普遍性和灵活 性，为井眼轨道设计和控制提供理论依据。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种恒工具面角曲线井眼轨道设计方法，包括：

步骤1，轨道模型选择步骤，用于根据井眼轨道设计和控制需要， 选择轨道设计模型；

步骤2，基础数据确定步骤，用于给定井眼轨道设计的起始点和 目标点的已知数据，所述已知数据包括：起始点坐标(X_S，Y_S，Z_S)及 方向(α₁，φ₁)，目标点坐标(X_T，Y_T，Z_T)；

步骤3，数据计算分析步骤，根据确定的已知数据，计算出起始 点和目标点间的空间距离L和起始点到标点的最小井眼曲率K_min；若 三段制轨道目标点在起始点切线上或五段制轨道起始点和目标点切 线共线时，则稳斜钻到目标点，然后执行步骤8，否则继续顺序执行 步骤4；

步骤4，求解方式确定步骤，选择确定设计参数，确定求解组合 方式，求解未知参数；

步骤5，已知参数给定步骤，根据轨道设计和控制需求，给定步 骤4参数L₁、L₂、L₃、K₁、K₂中选择的已知变量；

步骤6，变量初值计算步骤，按对应空间斜平面轨道设计模型进 行求解，将其结果作为恒工具面角轨道设计模型求解变量的初值；

步骤7，轨道模型确定步骤，应用拟牛顿法求解恒工具面角轨道 设计模型，若无解，转步骤5调整已知参数，或转步骤4重新选择参 数求解方式；

步骤8，轨道参数确定步骤，求出未知参数后，按恒工具面角轨 道模型计算节点的井眼轨道参数，包括井深，井斜角、方位角和坐标 数据。

优化的，上述的一种恒工具面角曲线井眼轨道设计方法，所述步 骤2中，当所述轨道设计模型为双恒工具面角轨道设计模型时，所述 确定的参数包括目标点方向(α₃，φ₃)；其中，α₃、φ₃分别为目标点井 斜角和方位角。

当所述轨道设计模型为单恒工具面角轨道设计模型时，限定目标 点井斜角或方位角，并且确定的参数包括目标点的井斜角α₂或方位角 φ₂。

优化的，上述的一种恒工具面角曲线井眼轨道设计方法，所述步 骤2中，对于侧钻井或井眼轨道调整设计，通过测斜数据处理方法得 到设计起始点的数据。