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方案

本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术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，本专利技术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，在本专利技术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，在本专利技术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，在本专利技术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，在本专利技术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Ts和Tt；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Lm，C点和D点到M点的直线距离均为Ln，B点到C点的直线距离为Lh；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，在本专利技术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，αlb、αub分别是求解出的井斜角的最小值和最大值，φlb、φub分别是求解出的井斜角的最小值和最大值。进一步地，在本专利技术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，在本专利技术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，μi、ωj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，在本专利技术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gj(x)分别为：式中，独立变量x1、x2、x3依次为Lm/L、Ln/L、Lh/L，t1、t2依次为Ts/L、Tt/L，k1、k2依次为K1L、K2L，a、b依次为1-cosθ、1+cosθ。本专利技术为实现其技术目的，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。本专利技术基于其技术方案所具有的有益效果在于：(1)本专利技术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)本专利技术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)本专利技术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，有利于本专利技术在实际生产中应用。附图说明下面将结合附图及实施例对本专利技术作进一步说明，附图中：图1是本专利技术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专利技术的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本专利技术的具体实施方式。实施例一本专利技术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，本专利技术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，构建钻本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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，...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈鑫，吴敏，曹卫华，徐佳丰，
申请(专利权)人：中国地质大学武汉，
类型：发明
国别省市：湖北,42