一种三维定向井轨迹设计及控制参数判别方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种=维定向井轨迹设计及控制参数判别方法，属于地质勘探钻探工 程领域和石油钻采油气井工程领域。
【背景技术】
[0002] 井眼轨迹设计参数主要是指为达到工程目的对井眼各井段对应井深的井斜角、方 位角进行设计，并且，由设计的各井深点的井斜角、方位角计算井眼在地下空间的轨迹坐标 或绘制井眼轴线延伸路径轨迹图；井眼轨迹控制参数一般是指井底动力造斜机具的工具面 角，不同的井底动力造斜机具工具面角对井眼轨迹参数有不同的作用效果。
[0003] 井眼轨迹参数及控制参数设计是定向井工程重要的技术工作，在定向井施工之 前，井眼轨迹参数及控制参数设计对定向井施工具有指导作用，在定向井施工过程中，也需 要针对实际井眼轨迹与设计井眼轨迹的偏差进行跟踪或调整设计，井眼轨迹参数及控制参 数设计是否合理对定向井工程的经济成本、质量有重要影响，甚至，决定定向井工程的成 败。
[0004] 随着地下油气资源探采和固体矿藏勘探技术要求的不断提高，=维定向井在钻探 与钻井工程中的应用也越来越多，如地下绕障钻井、全方位分支钻井、上部井眼方位跑偏等 都需要采用=维定向钻井技术，空间斜平面法是=维定向井轨迹设计特别是对圆弧造斜井 段参数设计常用的一种方法，该方法设计的圆弧井眼轨迹具有弯曲结构简单、实现中祀的 全弯曲角最小等优点，但是，由于斜平面圆弧轨迹是垂直剖面和水平投影非等曲率弧线的 =维空间轨迹，理论设计与施工控制较复杂，相对于二维定向井，立维定向井轨迹参数设计 不仅设及到增或减井斜角问题，同时，还设及到扭方位问题，斜平面法=维定向井轨迹参数 与控制参数设计是在一个圆弧造斜段内增或减井斜角的同时扭方位，并且，相对于已钻井 眼方位角，扭方位设计需要考虑在±180°之内的增方位或减方位问题，轨迹控制井底造斜 机具的工具面角也存在于0°~360°四个象限内，运种多象限井眼轨迹设计方位角和轨 迹控制工具面角的正确判断取值是斜平面法=维定向井轨迹参数及控制参数设计的关键 问题。 阳〇化]目前，已有一些关于=维定向井轨迹设计及控制参数的判别方法，如，采用二次坐 标转换法求解方位角并根据方位角公式中分子和分母的正负值判别方位角所在象限及取 值；采用圆弧轨迹方位角与圆弧造斜段起始点方位角的相对大小或是采用祀点闭合方位角 与圆弧造斜段起始点闭合方位角的相对大小对=维定向井轨迹设计方位角及轨迹控制工 具面角的判别取值方法，也有根据W〇°~360°四等分象限不同工具面角的作用规律、目 标方位角正负旋向等方法判别工具面角的取值与控制等等，其中，有些设计计算及判别方 法比较复杂和繁琐，也有些方法未考虑方位角过零点问题，在斜平面设计圆弧造斜段较长 时，有时，根据最终设计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 用规律对工具面角的判别方法有可能存在不适用的问题。
【发明内容】
[0006] 为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种=维定向井轨迹设计及控制参数判 别方法，能够解决现有=维定向井轨迹设计及控制参数判别方法所存在的判别方法复杂和 繁琐、祀点闭合方位差判断所存在的0°方位角二义性问题和按照0°~360°四等分不同 象限工具面角的作用规律对工具面角判断可能存在偏差等问题，弥补了现有=维定向井轨 迹设计及控制参数判别方法的不足，是现有=维定向井轨迹设计及控制技术方法的发展和 完善。
[0007] 本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：提供了一种=维定向井轨迹设计 及控制参数判别方法，包括W下步骤：
[0008] (P1)给定已知参数：
[0009] 在井口为原点、W地理北为X轴正向、WX轴于地平面正向顺时针旋转90。为Y轴 正向、W铅垂指向的地屯、方向为Z轴正向建立的相对地理坐标系中，目标祀点E的地理坐标 为狂E、Ye、Ze)，圆弧造斜段AB起始点A的井深为La、井斜角为0A、方位角为aA，圆弧造斜 段AB起始点A之上部井段的每一点Ni对应的井深为L1、井斜角为0 1、方位角为a1;
[0010] (P2)轨迹的祀参数计算：
[0011] 自造斜起始点A之下，W圆弧造斜段AB+圆弧造斜段AB终点B切线的斜直线稳斜 段BE作为待设计的井眼轨道；依据步骤（P1)给定已知参数，选定造斜强度i;采用斜面法 轨迹设计公式计算稳斜段BE的长度Lee、圆弧造斜段AB的全弯曲角丫和圆弧造斜段AB的 长度L,e、圆弧造斜段AB终点B的中祀井斜角0e，W及中祀方位角Oe相对于圆弧造斜段AB 起始点A的方位角aA的中祀方位角改变量Aa;
[0012] (P3)轨迹中祀方位角改变量Aa的判断取值：
[0013] 设圆弧造斜段AB起始点A的切线与圆弧造斜段AB终点B的切线的交点C为全曲 弯切中点；W全曲弯切中点C在祀点E所在水平面I的投影C'为原点、WC'指向造斜段 起始点A的方位为X轴正向、WX轴在水平面I正向顺时针旋转90°为Y轴正向、W铅垂 指向的地屯、方向为Z轴正向建立右旋相对坐标系；W目标祀点E在右旋相对坐标系中相对 C'的坐标AXk和AYk对步骤（P2)计算得出的中祀方位角改变量Aa进行判断取值；
[0014] (P4)计算轨迹控制参数：
[0015] 将圆弧造斜段AB起始点A的井斜角0A、步骤（P2)计算得到的中祀井斜角0e和 步骤（P3)判断选取的中祀方位角改变量Aa，代入斜面法轨迹设计工具面角计算公式，计 算在圆弧造斜段AB起始点A的工具面角0 1;
[0016] (P5)工具面角P的判断取值：
[0017] 将圆弧造斜段AB起始点A的井斜角0A和步骤（P2)计算得到的圆弧造斜段AB的 全弯曲角丫、中祀井斜角0e，代入另一个工具面角的函数关系式，计算在圆弧造斜段AB起 始点A的工具面角@2;并与步骤（P4)计算得到的工具面角P1对比，判断选取两个工具面 角公式计算结果重叠的相同数值0 ;
[001引 （P6)轨迹的逆向反演及对比：
[0019] 将圆弧造斜段AB起始点A的井斜角0A、步骤（P2)计算得到的圆弧造斜段AB的 长度Lab、步骤（P5)判断选取的工具面角P，代入圆弧造斜段AB内任意井深L,的井斜角0 , 和相对于圆弧造斜段AB起始点A方位角aA的方位角改变量Aa,的轨迹参数反演公式， 所述圆弧造斜段内任意井深L，包括圆弧造斜段AB终点B的井深Le，计算得出包括圆弧造 斜段终点B在内的各个井深Lj的井斜角0i和方位角改变量Aaj;如果在圆弧造斜段AB 终点B井深Le处反演得出的井斜角和相对于圆弧造斜段AB起始点A方位角aA的方位角 改变量与步骤（P2)计算得到的中祀井斜角0e和步骤（P3)判断选取的中祀方位角改变量 Aa完全一致，则证明步骤（P5)判断方法及判断选取的工具面角P正确，否则，回到步骤 (P2)重新设计计算；
[0020] 将逆向反演证明是正确的圆弧造斜段内任意井深L,的井斜角0 ,和由方位角改 变量Aa,计算得到的a,、步骤（P2)计算得到的稳斜段BE的长度Lee及Lee对应的井斜角 0^和方位角aW，代入石油工程规范规定的井眼轨迹坐标计算公式；如果在目标祀点E对 应井深Le处计算得出的轨迹反演坐标与目标祀点E相对于井口的地理坐标狂e、Ye、Ze)完全 一致或误差极小，证明步骤（P2)轨迹设计参数、步骤（P3)轨迹设计中祀方位角改变量Aa 的判断方法及选取的Aa数值、步骤（P4)计算轨迹设计控制参数和步骤（P5)判断方法及 判断选取的工具面角P正确，否则，回到步骤（P2)重新设计计算；
[0021] (P7)输出轨迹及控制参数：
[0022] 输出圆弧造斜段AB的全弯曲角丫和圆弧造斜段AB的长度Lab、斜直线稳斜段邸 的长度Lee、圆弧造斜段AB终点B的中祀井斜角0e、中祀方位角改变量Aa和由Aa计算 得出的圆弧造斜段AB终点B的中祀方位角a,、在圆弧造斜段AB起始点A的工具面角0、 圆弧造斜段AB内各个井深L,的井斜角0 ,和由相对于圆弧造斜段AB起始点A方位角aA 的方位角改变量Aa,计算得到的a,、圆弧造斜段AB+斜直线稳斜段BE的各个井深的计 算坐标，用于指导定向井轨迹控制的实施。
[002引步骤的）中，采用如下公式计算圆弧造斜段AB终点B设计中祀方位角Qb相对 于圆弧造斜段AB起始点A方位角aA的中祀方位角改变量Aa:
[0024]
[00对上式中，0e、ae分别为设计圆弧造斜段AB终点B的中祀井斜角、中祀地理方位角， 0A、a,为圆弧造斜段AB的起始点A的井斜角、地理方位角，丫为圆弧造斜段AB的全弯曲 角，k为余弦函数的周期系数，取0或1。
[00%] 步骤（P3)中，采用如下准则对轨迹设