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1.本文涉及滑动导向钻井领域，尤其涉及一种滑动导向钻井前馈控制方法、前馈工控机及系统。
背景技术：
2.定向钻井是钻井工程中的一项重要技术，滑动导向则是最常用的定向方法之一。传统的滑动导向钻井控制方法为反馈控制，需由定向井工程师根据钻进过程中随钻测量工具的传感器数据估算控制量，并指挥司钻控制钻机完成目标轨迹的钻进。上述过程严重依赖人工经验，尤其在深井作业时，钻杆的大长细比加之井底复杂的环境，使得滑动导向钻井系统具有大时滞的特性，并且随钻测量传输效率较低，导致工具面角控制目标难以在短时间内实现，一口井深上千米的定向井的工具面定位，常需要花费几十分钟甚至数小时才能完成。
3.此外，一旦发现钻进轨迹与目标轨迹偏差过大则需要消耗较长时间进行纠偏，这不仅会造成轨迹光滑程度下降，还加大了钻柱的弯曲应力和所受的摩阻扭矩，降低了钻井效率，增加了作业成本及钻井作业的风险。
技术实现要素：
4.本文用于解决现有技术的滑动导向钻井，由人工根据随钻测量工具测得的数据确定钻井控制量存在滞后性、容易出现轨迹偏差的问题，以及当出现轨迹偏差再去校正，存在钻井效率低、作业成本高及钻井作业风险高的问题。
5.为了解决上述技术问题，本文的一方面提供一种滑动导向钻井前馈控制方法，包括：
6.根据用户输入的井眼轨迹设计参数，建立滑动导向钻井系统多体动力学分段模型，所述滑动导向钻井系统多体动力学分段模型在bha(bottom hole assembly，井底钻具组合)及钻杆之间设置分段点，包括bha多体动力学模型及钻杆多体动力学模型；
7.根据历史实钻数据，更新所述滑动导向钻井系统多体动力学分段模型中的地层参数；
8.根据已钻轨迹参数与井眼轨迹设计参数，计算得到第i段目标轨迹的挠曲参数，i为正整数，已钻轨迹包括根据前i-1段目标轨迹钻进的轨迹；
9.根据所述bha多体动力学模型及目标轨迹的挠曲参数模拟钻进过程，并打靶得到分段点目标控制量；根据钻杆多体动力学模型及分段点目标控制量模拟平衡过程，并打靶得到钻机前馈控制量；
10.发送钻机前馈控制量至钻机控制器，以使所述钻机控制器控制钻机完成第i段目标轨迹的钻进；
11.判断已钻距离是否达到预期长度，若达到，则结束钻进，若未达到，则返回继续执行更新所述滑动导向钻井系统多体动力学分段模型中的地层参数及其之后的步骤。
12.本文另一方面，还提供一种滑动导向钻井前馈控制装置，设置于滑动导向前馈工控机中，包括：
13.建模单元，用于根据用户输入的井眼轨迹设计参数，建立滑动导向钻井系统多体动力学分段模型，所述滑动导向钻井系统多体动力学分段模型在bha及钻杆之间设置分段点，包括bha多体动力学模型及钻杆多体动力学模型；
14.地层参数校验单元，用于根据历史实钻数据，更新所述滑动导向钻井系统多体动力学分段模型中的地层参数；
15.目标轨迹规划单元，用于根据已钻轨迹参数与井眼轨迹设计参数，计算得到第i段目标轨迹的挠曲参数，i为正整数，已钻轨迹包括根据前i-1段目标轨迹钻进的轨迹；
16.钻机前馈控制量计算单元，用于根据所述bha多体动力学模型及目标轨迹的挠曲参数模拟钻进过程，并打靶得到分段点目标控制量；根据钻杆多体动力学模型及分段点目标控制量模拟平衡过程，并打靶得到钻机前馈控制量；
17.通信单元，用于发送钻机前馈控制量至钻机控制器，以使所述钻机控制器控制钻机完成第i段目标轨迹的钻进；
18.分析单元，用于判断已钻距离是否达到预期长度，若达到，则结束钻进，若未达到，则控制所述地层参数校验单元执行更新所述滑动导向钻井系统多体动力学分段模型中的地层参数的步骤。
19.本文又一方面，还提供一种滑动导向钻井前馈控制系统，包括：钻井控制器、随钻测量系统、交互设备及滑动导向前馈工控机；
20.所述钻井控制器连接滑动导向前馈工控机、绞车及顶驱设备，用于根据所述滑动导向前馈工控机发送的钻机前馈控制量控制绞车及顶驱设备工作；
21.所述随钻测量系统连接所述滑动导向前馈工控机，用于发送实钻数据；
22.所述交互设备连接所述滑动导向前馈工控机，用于供用户输入井眼轨迹设计参数；
23.所述滑动导向前馈工控机用于接收实钻数据及井眼轨迹设计参数，执行根据前述任意一个实施例所述方法的指令。
24.本文又一方面，还提供一种滑动导向前馈工控机，包括存储器、处理器、以及存储在所述存储器上的计算机程序，所述计算机程序被所述处理器运行时，执行根据前述任意一个实施例所述方法的指令。
25.本文又一方面，还提供一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被计算机设备的处理器运行时，执行根据前述任意一个实施例所述方法的指令。
26.本文提供的滑动导向钻井前馈控制方法、装置、系统、前馈工控机及计算机存储介质，仅需用户输入设计井眼轨迹参数，能够避免大时滞系统造成的控制耗时长的问题以及因纠偏过程需要增加额外工时的问题，实现精准、实时且高效的滑动导向自动钻进，且能保证钻井眼轨迹的光滑程度，从而降低定向钻井的成本及作业风险。
27.具体的，通过根据用户输入的井眼轨迹设计参数，建立滑动导向钻井系统多体动力学分段模型，根据历史实钻数据，更新滑动导向钻井系统多体动力学分段模型中的地层参数，其中，滑动导向钻井系统多体动力学分段模型在bha及钻杆之间设置分段点，包括bha多体动力学模型及钻杆多体动力学模型，能够为分段控制提供可能，保证滑动导向钻井系
统多体动力学分段模型与实际地况相同，提高自动控制精度。
28.通过根据已钻轨迹参数与井眼轨迹设计参数，计算得到第i段目标轨迹的挠曲参数，i为正整数，已钻轨迹包括根据前i-1段目标轨迹钻进的轨迹；根据bha多体动力学模型及目标轨迹的挠曲参数模拟钻进过程，并打靶得到分段点目标控制量；根据钻杆多体动力学模型及分段点目标控制量模拟平衡过程，并打靶得到钻机前馈控制量，能够实现分钟量级的计算钻机前馈控制量，避免全井段模型进行钻进仿真耗时太久，进而导致计算钻机控制量效率低下，无法满足现场控制需求的问题，具体的，由bha负责钻进过程仿真，大幅降低系统自由度，提高解算分段点处的状态量的效率，由钻杆负责平衡过程的仿真，避免对整个钻进过程进行长时间的仿真，提高解算相应钻机控制量的效率。通过钻机前馈控制量还可以将偏差抑制在可接受的范围之内，在偏差出现之前就消除偏差，因此本文的控制方法能够实现精准且高效的轨迹控制目标。
29.通过发送钻机前馈控制量至钻机控制器，以使钻机控制器控制钻机完成目标轨迹的钻进；判断已钻距离是否达到预期长度，若达到，则结束钻进，若未达到，则返回继续执行更新所述滑动导向钻井系统多体动力学分段模型中的地层参数及其之后的步骤，能够实现在无人参与情况下的全自动控制，提高控制效率及降低定向钻井成本。
30.为让本文的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。
附图说明
31.为了更清楚地说明本文实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本文的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
32.图1示出了本文实施例滑动导向钻井前馈控制系统的结构图；
33.图2示出了本文实施例滑动导向钻井前馈控制装置的结构图；
34.图3示出了本文实施例滑动导向前馈控制方法的流程图；
35.图4示出了本文实施例滑动导向钻井系统多体动力学分段模型更新地层参数过程的流程图；
36.图5示出了本文实施例分段点目标控制量计算过程的流程图；
37.图6示出了本文实施例最速轨迹打靶计算函数计算过程的流程图；
38.图7示出了本文实施例钻机前馈目标控制量计算过程的流程图；
39.图8示出了本文实施例钻机控制量匹配计算函数计算过程的流程图；
40.图9示出了本文实施例滑动导向前馈工控机的结构图；
41.图10示出了本文实施例bha多体动力学模型及钻杆多体动力学模型的示意图；
42.图11示出了本文实施例轨迹配点规划示意图。
43.附图符号说明：
44.10、钻井控制器；
45.11、顶驱控制器；
46.12、绞车控制器；
47.20、随钻测量系统；
48.30、交互设备；
49.40、滑动导向前馈工控机；
50.41、建模单元；
51.42、地层参数校验单元；
52.43、目标轨迹规划单元；
53.44、钻机前馈控制量计算单元；
54.45、mwd系统通信模块；
55.46、顶驱与绞车通信模块；
56.47、分析单元；
57.902、滑动导向前馈工控机；
58.904、处理器；
59.906、存储器；
60.908、驱动机构；
61.910、输入/输出模块；
62.912、输入设备；
63.914、输出设备；
64.916、呈现设备；
65.918、图形用户接口；
66.920、网络接口；
67.922、通信链路；
68.924、通信总线。
具体实施方式
69.下面将结合本文实施例中的附图，对本文实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本文一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本文中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本文保护的范围。
70.需要说明的是，本文的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本文的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、装置、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
71.本说明书提供了如实施例或流程图所述的方法操作步骤，但基于常规或者无创造性的劳动可以包括更多或者更少的操作步骤。实施例中列举的步骤顺序仅仅为众多步骤执行顺序中的一种方式，不代表唯一的执行顺序。在实际中的系统或装置产品执行时，可以按照实施例或者附图所示的方法顺序执行或者并行执行。
72.本文一实施例中，提供一种滑动导向钻井前馈控制系统，如图1所示，包括：钻井控制器10、随钻测量系统20、交互设备30及滑动导向前馈工控机40。
73.其中，钻井控制器10包括顶驱控制器11及绞车控制器12。顶驱控制器11设置于井口，用于控制顶驱按滑动导向前馈工控机40传来的指令进行旋转，并将顶驱扭矩、顶驱转角反馈给滑动导向前馈工控机40。绞车控制器12设置于井口，用于控制绞车按滑动导向前馈工控机40传来的指令进行上提下放，并将大钩载荷、大钩速度、大钩高度反馈给滑动导向前馈工控机40。
74.随钻测量系统20(mwd，measure while drilling)设置于井下，连接滑动导向前馈工控机40，用于发送钻井数据至滑动导向前馈工控机40。具体的，随钻测量系统20为现有系统，本文对此不再详述。钻井数据包括但不限于井下工具面角、测深、井斜角、方位角等。
75.交互设备30连接滑动导向前馈工控机40，用于供用户输入井眼轨迹设计参数，发送井眼轨迹设计参数值滑动导向前馈工控机40。具体实施时，交互设备30还可集成于滑动导向前馈工控机40中，交互设备30例如为触控显示器、键盘输入设备等。井眼轨迹设计参数包括测深、井斜角及方位角。
76.一些实施方式中，为了在滑动导向前馈工控机确定出的钻机前馈控制量过于激进或过于保守时，便于对相关参数(大钩载荷、顶驱扭矩、大钩速度、顶驱转角和钻进距离、前馈计算过程中的误差阈值)进行调整。交互设备30还用于显示顶驱控制器11及绞车控制器12发的数据，以便由人工修改滑动导向前馈工控机40确定出的钻机前馈控制参数。
77.滑动导向前馈工控机40用于接收历史实钻数据及井眼轨迹设计参数，根据历史实钻数据及井眼轨迹设计参数确定钻机前馈控制量。
78.具体的，滑动导向前馈工控机40中设置有滑动导向钻井前馈控制装置，如图2所示，滑动导向钻井前馈控制装置包括：建模单元41、地层参数校验单元42、目标轨迹规划单元43、钻机前馈控制量计算单元44、通信单元(mwd系统通信模块45、顶驱与绞车通信模块46)及分析单元47。
79.建模单元41用于根据用户通过交互设备30输入的井眼轨迹设计参数，建立滑动导向钻井系统多体动力学分段模型。
80.具体的，滑动导向钻井系统多体动力学分段模型在bha(bottom hole assembly，底部钻具组合)及钻杆之间设置分段点，包括bha多体动力学模型及钻杆多体动力学模型(如图10所示，左侧点画线图为钻杆多体动力学模型，右侧点画线图为bha多体动力学模型，中间两图为实体图)。具体实施时，可在现有动力学仿真环境中建立滑动导向钻井系统多体动力学分段模型，本文对模型建立工具不做限定。
81.bha多体动力学模型及钻杆多体动力学模型的动力学方程为：
[0082][0083]
其中，q表示钻井系统的广义坐标，分别表示广义坐标q对时间的一阶导数和二阶导数，t表示时间，q表示由刚体和柔性梁单元的广义惯性力和广义弹性力组成的广义力，q
ext
表示广义外力，c
joint
表示单元节点之间的约束，λ表示拉格朗日乘子。
[0084]
地层参数校验单元42用于根据历史实钻数据，更新滑动导向钻井系统多体动力学分段模型中的地层参数。
[0085]
其中，历史实钻数据包括：在钻井的实钻数据和/或邻井在相同地层的实钻数据。在钻井的实钻数据可通过顶驱与绞车通信模块46接收顶驱与绞车控制器发送的数据及mwd系统通信模块45接收mwd系统发送的数据获取。邻井在相同地层的实钻数据可通过通信单元从邻井的钻井数据库中获取。实钻数据包括：实钻钻压、实钻机械转速、实钻轨迹井眼曲率、实钻上提大钩载荷、实钻下放大钩载荷、钻柱平均线密度、井眼轨迹水平投影长度、顶驱转速、马达转速及顶驱扭矩。
[0086]
本单元中，更新滑动导向钻井系统多体动力学分段模型中的地层参数即根据历史实钻数据反算地层参数，并利用反算得到的地层参数替换滑动导向钻井系统多体动力学分段模型中的参数。本单元能保证滑动导向钻井系统多体动力学分段模型的精确度。
[0087]
目标轨迹规划单元43用于根据已钻轨迹参数与井眼轨迹设计参数，计算得到第i段目标轨迹的挠曲参数。
[0088]
其中，i为正整数，已钻轨迹包括根据前i-1段目标轨迹钻进的轨迹。已钻轨迹参数包括前i-1段的测深、井斜角及方位角，可通过mwd系统通信模块45采集得到。目标轨迹挠曲参数包括主法线角、井眼曲率及钻进距离，或目标轨迹挠曲参数包括主法线角及方向线夹角，其中，方向线夹角为井眼曲率及钻进距离的乘积。
[0089]
钻机前馈控制量计算单元44，用于根据bha多体动力学模型及目标轨迹的挠曲参数模拟钻进过程，并打靶得到分段点目标控制量；根据钻杆多体动力学模型及分段点目标控制量模拟平衡过程，并打靶得到钻机前馈控制量。具体实施时，钻头钻进模拟过程中，钻头以最大允许钻压进行钻进，通过钻头以最大允许钻压进行钻进，能够达到最速前馈控制的效果。
[0090]
其中，分段点目标控制量包括：分段点速度、分段点轴力、分段点扭矩、钻进角度及钻进距离。钻机前馈控制量包括：大钩速度、大钩载荷、顶驱扭矩、顶驱转角及钻进距离。其中，大钩速度和大钩载荷为轴向控制量，顶驱扭矩和顶驱转角为扭转方向控制量，钻进距离为轨迹弧长相关的控制量。
[0091]
顶驱与绞车通信模块46连接钻机控制器(即顶驱控制器及绞车控制器)，用于发送钻机前馈控制量至钻机控制器，以使钻机控制器控制钻机完成目标轨迹的钻进，还用于接收钻机控制器发送的实钻状态数据(大钩载荷、大钩速度、大钩高度、顶驱扭矩、顶驱转角)。
[0092]
mwd系统通信模块45连接随钻测量系统20，用于接收随钻测量系统20发送的实钻测量数据(井下工具面角、测深、井斜角、方位角)。
[0093]
具体实施时，mwd系统通信模块45及顶驱与绞车通信模块46可以为相同的通信单元，还可以为不同通信单元，本文对此不作限定。在钻进过程中，根据顶驱与绞车通信模块46接收到的载荷状态信号(顶驱扭矩和大钩载荷)更新动力学模型中的钻柱与井壁之间的摩擦系数，使仿真中的顶驱扭矩和大钩载荷与真实钻机的载荷状态相统一。在完成本段轨迹钻进后，根据顶驱与绞车通信模块46接收到的位置状态信号(顶驱转角和大钩高度)以及mwd系统通信模块45对工具面角的测量信号，更新动力学模型中相应的参数，根据mwd系统通信模块45对井底位置的测量信号(测深、井斜角、方位角)，更新动力学模型中的井眼轨迹参数，使之与真实钻机的位置状态相统一。
[0094]
分析单元47用于判断已钻距离是否达到预期长度，若达到，则结束钻进，若未达到，则控制地层参数校验单元执行更新滑动导向钻井系统多体动力学分段模型中的地层参数的步骤。其中，预期长度根据井眼轨迹设计参数确定，已钻距离为前i段钻进距离的加和值。
[0095]
本实施例通过建模单元41根据用户输入的井眼轨迹设计参数，建立滑动导向钻井系统多体动力学分段模型，地层参数校验单元42根据历史实钻数据，更新滑动导向钻井系统多体动力学分段模型中的地层参数，能够保证滑动导向钻井系统多体动力学分段模型与实际地况相同，保证自动控制精度。
[0096]
本实施例通过目标轨迹规划单元43根据已钻轨迹参数与井眼轨迹设计参数，计算得到第i段目标轨迹的挠曲参数；钻机前馈控制量计算单元44根据bha多体动力学模型及目标轨迹的挠曲参数，在钻头最大允许钻压情况下模拟钻进过程，并打靶得到分段点目标控制量；根据钻杆多体动力学模型及分段点目标控制量模拟平衡过程，并打靶得到钻机前馈控制量，能够达到最速前馈控制的效果，避免全井段模型进行钻进仿真耗时太久，进而导致计算钻机控制量效率低下，无法满足现场控制需求的问题，由bha负责钻进过程仿真，大幅降低系统自由度，提高解算能钻得目标轨迹的分段点处目标控制量的效率，由钻杆负责平衡过程的仿真，避免对整个钻进过程进行长时间的仿真，提高解算相应钻机前馈控制量的效率。
[0097]
本实施例通过顶驱与绞车通信模块46发送钻机前馈控制量至钻机控制器，以使钻机控制器控制钻机完成目标轨迹的钻进；通过分析单元47判断已钻距离是否达到预期长度，若达到，则结束钻进，若未达到，则由地层参数校验单元42继续执行更新滑动导向钻井系统多体动力学分段模型中的地层参数，能够实现在无人参与情况下的全自动控制，提高控制效率。
[0098]
本文一实施例中，还提供一种应用于随钻测量系统的滑动导向前馈控制方法，如图3所示，包括：
[0099]
步骤301，接收用户输入的井眼轨迹设计参数，根据井眼轨迹设计参数，建立滑动导向钻井系统多体动力学分段模型。
[0100]
步骤302，接收历史实钻数据，根据历史实钻数据，更新滑动导向钻井系统多体动力学分段模型中的地层参数。具体的，历史实钻数据包括实钻钻压、实钻机械转速、实钻轨迹井眼曲率、实钻上提大钩载荷、实钻下放大钩载荷、钻柱平均线密度、井眼轨迹水平投影长度、顶驱转速、马达转速及顶驱扭矩，这些历史实钻数据来源于邻井发相同地层条件下的历史实钻数据，或钻机控制器及随机测量系统已钻段产生的历史实钻数据。
[0101]
步骤303，根据已钻轨迹参数与井眼轨迹设计参数，计算得到第i段目标轨迹的挠曲参数，i为正整数，已钻轨迹包括根据前i-1段目标轨迹钻进的轨迹。
[0102]
步骤304，根据bha多体动力学模型及目标轨迹的挠曲参数模拟钻进过程，并打靶得到分段点目标控制量；根据钻杆多体动力学模型及分段点目标控制量模拟平衡过程，并打靶得到钻机前馈控制量。
[0103]
步骤305，发送钻机前馈控制量至钻机控制器，以使钻机控制器控制钻机完成目标轨迹的钻进。
[0104]
步骤306，判断已钻距离是否达到预期长度，若达到，则结束钻进，若未达到，则令i
＝i+1，返回步骤302继续执行更新所述滑动导向钻井系统多体动力学分段模型中的地层参数及其之后的步骤。
[0105]
本文一实施例中，如图4所示，上述步骤302根据历史实钻数据，更新滑动导向钻井系统多体动力学分段模型中的地层参数包括：
[0106]
步骤401，根据历史实钻数据，反算地层参数；
[0107]
地层参数与实钻数据的函数关系可用如下公式表示：
[0108][0109]
上式中f
formation
表示函数符号，其它字符表示的含义如表1所示：
[0110]
表1
[0111][0112]
各符号的下标1、2、3表示数据的组数。
[0113]
步骤402，根据反算的地层参数，更新滑动导向钻井系统多体动力学分段模型中的地层参数，即bha多体动力学模型中地层参数。
[0114]
详细的说，历史实钻数据包括：实钻钻压、实钻机械转速、实钻轨迹井眼曲率、实钻上提大钩载荷、实钻下放大钩载荷、钻柱平均线密度、井眼轨迹水平投影长度、顶驱转速、马达转速、及顶驱扭矩。
[0115]
地层参数包括：地层轴向临界力、轴向钻进系数、钻头各项异性系数、地层摩擦系数、第一地层反扭矩参数及第二地层反扭矩参数。
[0116]
上述步骤401具体实施过程包括：
[0117]
(1)根据两组实钻钻压及实钻机械转速，计算地层轴向临界力及轴向钻进系数。
[0118]
具体的，经过推理得出实钻机械转速、实钻钻压、轴向钻进系数及地层轴向临界力满足如下方程：
[0119][0120]
其中，rop为实钻机械转速，k为轴向钻进系数，wob为实钻钻压，f
c,ξ
为地层轴向临界力。
[0121]
基于此，利用两组实钻钻压及实钻机械转速，通过求解如下方程组，即可计算得到地层轴向临界力f
c,ξ
及轴向钻进系数k：
[0122][0123]
(2)根据实钻上提大钩载荷、实钻下放大钩载荷、钻柱平均线密度及井眼轨迹水平投影长度，计算摩擦系数。
[0124]
具体的，摩擦系数μ可根据实钻上提大钩载荷woh
up
与实钻下放大钩载荷woh
down
的差值、钻柱平均线密度λ和井眼轨迹水平投影长度l利用如下公式计算得到：
[0125][0126]
(3)根据三组顶驱转速、马达转速、实钻钻压及顶驱扭矩、滑动导向钻井系统多体动力学分段模型中的反扭矩计算公式，计算第一地层反扭矩参数及第二地层反扭矩参数。
[0127]
具体的，可将三组顶驱转速、马达转速、实钻钻压及顶驱扭矩，带入滑动导向钻井系统多体动力学分段模型中的反扭矩计算公式，求解得到第一地层反扭矩参数及第二地层反扭矩参数，一具体实施方式中，代入反扭矩计算公式后的二元一次方程如下：
[0128][0129][0130]
其中，单位为rad/s；ηv为马达容积效率；n为每分钟泵冲数，spm；q为泥浆泵每冲排量，l/stroke；v为螺杆马达每转排量，l/r。
[0131]
(4)根据实钻钻压、实钻机械转速及实钻轨迹井眼曲率，利用打靶法计算得到钻头各向异性系数。打靶法的具体实施过程可参考现有技术，本文此处不再详述。
[0132]
本文一实施例中，步骤303可应用定向钻井工程中常用的随钻轨迹控制方法，并结合配点法的思路对目标轨迹进行规划具体的，目标轨迹规划过程包括：
[0133]
运用配点法的思路，对设计井眼轨迹(即井眼轨迹设计参数)进行空间上的离散，如图11所示，随后根据当前钻头所处位置(由已钻轨迹参数中的测深确定)和设计井眼轨迹，规划本柱钻进中第i段钻进目标轨迹，以此控制钻进轨迹在配置点上满足设计要求。设计轨迹上的配置点，即目标点，可以用测深si唯一确定，记第i段设计轨迹长度为δsi。由于实钻轨迹与设计轨迹存在一定偏差，为便于区分，记到达第i个目标点的目标轨迹长度为δli，实际钻进将按照该长度进行。
[0134]
其中，δsi可由定向井工程师根据当前的地层软硬程度和mwd的传输周期选取。轴向钻进系数越大，表示当前地层越难以钻进，在维持一定钻压的前提下钻进速度越慢，在mwd传输周期固定的情况下，测量数据的测深间隔就越小，此时δsi则可以取地越小，反之则取地越大。
[0135]
确定δsi后即可根据设计井眼轨迹得到目标点的基本参数(测深、井斜角、方位角)和坐标参数(垂深坐标、北坐标、东坐标)，随后根据目标点的基本参数及已钻轨迹参数，选择随钻轨迹修正方法中的井眼方向控制或位置控制的方法可求得轨迹的挠曲参数，并以此作为钻机控制量前馈计算的目标轨迹参数实现井眼轨迹控制。
[0136]
(1)井眼方向控制
[0137]
井眼方向是井眼轨迹控制的基本目标，其对应的参数是井斜角与方位角。在已知钻进距离、当前井斜与方位以及目标点井斜与方位的情况下，计算目标轨迹的挠曲参数，即主法线角和井眼曲率。函数关系可用下式表示，符号定义如表2所示。
[0138][0139]
表2
[0140][0141]
用空间圆弧模型描述一段目标轨迹，该轨迹的井眼曲率κ可以表示为：
[0142][0143][0144]
与转角对应的该段轨迹相应的主法线角ω可以表示为：
[0145][0146]
(2)井眼位置控制
[0147]
井眼位置是另一种常见的控制目标，井眼位置控制根据当前井底位置和下一段钻进的目标点空间坐标参数，计算目标井眼轨迹挠曲参数和钻进距离。函数关系可用下式表示，符号定义如表3所示。
[0148][0149]
表3
[0150][0151][0152]
同样使用空间圆弧模型描述当前井底位置到达目标点位置的轨迹，该圆弧即为目标井眼轨迹，该轨迹的井眼曲率κ可以表示为：
[0153][0154][0155]
其中，δn＝n
b-na,δe＝e
b-ea,δh＝h
b-ha，分别表示北坐标、东坐标、垂深坐标的增量。
[0156]
与转角对应的该段轨迹相应的主法线角ω可以表示为：
[0157][0158]
钻进距离可表示为：
[0159][0160]
本文一实施例中，如图5所示，上述步骤304根据所述bha多体动力学模型及目标轨迹的挠曲参数模拟钻进过程，并打靶得到分段点目标控制量包括：
[0161]
步骤501，采用第一分段点控制量的初始值控制bha多体动力学模型仿真钻进预定轨迹。详细的说，第一分段点控制量包括钻进距离及分段点转角。
[0162]
步骤502，判断预定轨迹的参数是否符合目标轨迹挠曲参数，若不符合，则执行步骤504，若符合，则执行步骤503。
[0163]
步骤503，将最后调整得到的第一分段点控制量及仿真得到的分段点状态量作为分段点目标控制量。
[0164]
步骤504，调整第一分段点控制量的值，采用调整后第一分段点控制量的值控制bha多体动力学模型仿真钻进预定轨迹，返回步骤502继续执行。
[0165]
具体实施时，上述步骤504调整第一分段点控制量的值包括利用如下公式调整第一分段点控制量的值：
[0166][0167]
其中，
[0168]
其中，c＝[l
c θc]
t
，c为第一分段点控制量，lc为钻进距离，θc为分段点转角，ci为第i次调整的第一分段点控制量，c
i+1
为第i+1次调整的第一分段点控制量，为δb(mb,b
tar
,c)的雅可比矩阵(jacobian矩阵)在ci的值，为δb(mb,b
tar
,c)的雅可比矩阵在c
i+1
的值，δb(mb,b
tar
,c)为mb,b
tar
,c的误差函数，δb(mb,b
tar
,c
i+1
)为c
i+1
时的误差函数值，δb(mb,b
tar
,ci)为ci时的误差函数值，mb为bha多体动力学模型参数，β
tar
＝[ε
tar ω
tar f
tar
]
t
，b
tar
为目标向量，ε
tar
为目标轨迹方向线夹角，ω
tar
为目标轨迹主法线角，ε
tar
及ω
tar
由目标轨迹的挠曲参数确定，f
tar
为目标钻压，由钻柱系统承受最大钻压确定，为第i+1次调整与第i次调整误差函数值之差，为第i+1次调整与第i次调整第一分段点控制量之差。
[0169]
具体的，公式(8)的推理过程包括：
[0170]
根据上述步骤501至步骤504的调节过程(例如称之为最速轨迹打靶计算函数)可知，上述调节过程是在已知bha多体动力学模型mb＝[m
bot m
for m
mot
]
t
、目标向量β
tar
＝[ε
tar ω
tar f
tar
]
t
的前提下，得到分段点目标控制量c＝[l
c θc]
t
(可简称为控制向量c)，使之满足以下非线性代数方程组：
[0171][0172]
其中，为井眼轨迹向量，式中，na、ea、ha、αa、分别
为当前井底北坐标、东坐标、垂深坐标、井斜角、方位角。m
for
＝[f
c k m μ b
1 b2]
t
为地层向量，式中，fc为地层临界力，k为轴向钻进系数，m为钻头各项异性系数，μ为地层摩擦系数，b1、b2为地层反扭矩参数1、2。m
mot
＝[ωφ]为钻具组合向量，式中，ω为螺杆马达转速，φ为螺杆马达弯角角度。ε
tar
为目标轨迹方向线夹角，ω
tar
为目标轨迹主法线角，f
tar
为目标钻压，lc为钻进距离，θc为分段点转角。
[0173]
ε和ω均是bha多体动力学模型mb在控制向量c的控制下，根据目标向量b
tar
指定的目标钻压f
tar
仿真钻进所得的轨迹参数。
[0174]
公式(9)可采用拟牛顿迭代法求解，通过迭代得到符合一段目标轨迹的bha多体动力学模型控制向量c，并将该控制向量与bha多体动力学模型分段点状态量(分段点状态量包括分段点速度、分段点轴力、分段点扭矩，可通过对bha多体动力学模型的动力学仿真计算得到)结合作为分段点目标控制量ob＝[v
c θ
c f
c t
c lc](可简称为分段点结果向量ob)进行输出，其中vc为分段点速度，fc为分段点轴力，tc为分段点扭矩。求解公式(9)的牛顿迭代公式为：
[0175][0176]
其中，为δb(mb,b
tar
,c)的雅可比矩阵在ci的值。
[0177]
因为δb(mb,b
tar
,c)是根据动力学方程进行一段时间的钻进过程仿真计算得到，故雅可比矩阵的计算需要使用差分近似代替微分，雅可比矩阵的各元素可表示为：
[0178][0179]
其中，为分段点钻进距离增量，为分段点转角增量。
[0180]
使用上述方法计算得雅可比矩阵初值后，采用broyden秩1拟牛顿迭代法，对每一个迭代步计算数值雅可比矩阵进而得到公式(8)。
[0181]
本实施例基于bha多体动力学模型，采用打靶法，并结合拟牛顿迭代法，能够快速地确定第一分段点控制量每次调整值，进而高效且精准地确定出能够控制bha用最快机械
钻速沿目标轨迹钻进的分段点目标控制量。
[0182]
一实施例中，由于螺杆马达的导向能力与钻压的相关性不大，而滑动钻进耗时又与钻压大小负相关，因此，要使井眼轨迹的方向线达到目标范围，更大的钻压耗时更短。按照钻柱系统的最大允许钻压进行钻进，即可达到最速钻进效率。如图6所示，最速轨迹打靶计算函数的计算流程如下：
[0183]
步骤601，采用bha多体动力学模型进行静平衡仿真，计算目标钻压f
tar
下的分段点轴力fc。
[0184]
步骤602，输入目标向量β
tar
，并进行控制向量的初始化，取式中钻进距离初值一般可根据工程经验估算bha导向能力后得出。
[0185]
步骤603，将控制向量c0输入bha多体动力学模型中进行钻进过程动力学仿真，得到结果向量
[0186]
步骤604，根据结果向量及目标向量β
tar
计算误差向量后，判断是否满足误差阈值ε的要求，即判断是否满足若满足，则执行步骤605，若不满足，则执行步骤606。
[0187]
步骤605，确定分段点结果向量ob作为程序计算结果输出。
[0188]
步骤606，令计数变量i＝i+1,并用式(8)对控制向量ci进行更新，退回到步骤603，步骤603中用新的控制向量ci替换原控制向量，将控制向量ci输入bha多体动力学模型中进行钻进过程动力学仿真。如此循环直至误差向量满足
[0189]
特别地，根据工程要求，约定控制量转角只能正转，相应的，约定井眼轨迹工具面角范围0-360
°
。
[0190]
本文一实施例中，如图7所示，上述步骤304根据钻杆多体动力学模型及分段点目标控制量模拟平衡过程，并打靶得到钻机前馈目标控制量，包括：
[0191]
步骤701，采用钻机待调控制量的初始值控制所述钻杆多体动力学模型平衡过程仿真，得到第二分段点控制量，其中，钻机待调控制量包括大钩载荷及顶驱转角；
[0192]
步骤702，判断第二分段点控制量是否符合所述分段点目标控制量，若不符合，则执行步骤704，若符合，则执行步骤703。
[0193]
步骤703，将最后调整得到的钻机待调控制量、仿真得到的钻进距离和钻机状态量作为钻机前馈控制量。
[0194]
步骤704，调整钻机待调控制量的值，利用调整后的钻机待调控制量控制所述钻杆多体动力学模型平衡过程仿真，返回步骤702继续判断。
[0195]
具体实施时，上述步骤704调整钻机待调控制量过程包括利用如下公式调整钻机待调控制量：
[0196]
[0197]
其中
[0198]
其中，d＝[f
top θ
top
]
t
，d为钻机待调控制量，f
top
为大钩载荷，θ
top
为顶驱转角，di为第i次调整的钻机待调控制量，d
i+1
为第i+1次调整的钻机待调控制量，为δ
p
(m
p
,c
tar
,d)的雅可比矩阵在di的值，为δ
p
(m
p
,c
tar
,d)的雅可比矩阵在d
i+1
的值，δ
p
(m
p
,c
tar
,d)为m
p
,c
tar
,d的误差函数，δ
p
(m
p
,c
tar
,d
i+1
)为d
i+1
时的误差函数值，δ
p
(m
p
,c
tar
,di)为di时的误差函数值，m
p
为钻杆多体动力学模型参数，c
tar
为分段点目标控制量，为第i+1次调整与第i次调整误差函数值之差，为第i+1次调整与第i次调整钻机待调控制量之差。
[0199]
具体的，公式(12)的推理过程包括：
[0200]
根据步骤701至步骤704的调节过程(例如称之为钻机控制量匹配计算函数)可知，上述调节过程是在已知钻杆多体动力学模型m
p
＝[μ l l
′
w]
t
、分段点目标控制参数c
tar
＝[v
tar θ
tar f
tar t
tar
]
t
(简称为目标向量c
tar
)的前提下，得到钻机待调控制量d＝[f
top θ
top
]
t
(可简称为控制向量d)使之满足以下非线性代数方程组：
[0201][0202]
其中，μ为井壁摩擦系数，l为钻杆长度，l
′
为钻杆水平投影长度，w为钻杆线重，v
tar
为分段点目标速度、θ
tar
为分段点目标转角、f
tar
为分段点目标轴力、t
tar
为分段点目标扭矩，f
top
为大钩载荷，θ
top
为顶驱转角。
[0203]
fc和tc均是钻杆多体动力学模型m
p
在受钻机控制向量d控制下，根据分段点目标控制参数c
tar
进行仿真计算所得的结果参数。钻杆的运动同样可用动力学方程进行描述。
[0204]
采用拟牛顿迭代法求解公式(13)，通过迭代得到符合一段目标轨迹的钻机控制向量d，并将该控制向量与钻进距离、钻机状态量(钻机状态量包括大钩速度及顶驱扭矩，可通过对钻杆多体动力学模型的动力学仿真计算得到)结合作为最终的钻机前馈控制量o
p
＝[v
top θ
top f
top t
top l
top
]
t
(简称为钻机输出结果向量o
p
)进行输出，其中v
top
为大钩速度，t
top
为顶驱扭矩，l
top
为钻进距离，与lc相等。求解上公式(13)的牛顿迭代公式为：
[0205][0206]
其中，为δ
p
(m
p
,c
tar
,d)的雅可比矩阵在di之值。
[0207]
因为δ
p
(m
p
,c
tar
,di)是根据动力学方程进行一段时间的钻进过程仿真计算得到，故雅可比矩阵的计算需要使用差分近似代替微分，雅可比矩阵的各元素可表示为：
[0208][0209]
其中，为大钩载荷增量，为顶驱转角增量。
[0210]
使用上述方法计算得雅可比矩阵初值后，采用broyden秩1拟牛顿迭代法，对每一个迭代步计算数值雅可比矩阵进而得到公式(12)。
[0211]
本实施例基于钻杆多体动力学模型，采用打靶法，并结合拟牛顿迭代法，能够精地确定钻机待调控制量的每次调整值，进而高效精准地确定出满足bha多体动力学模型分段点目标控制量条件的钻机前馈控制量。
[0212]
一具体实施方式中，如图8所示，钻机控制量匹配计算函数的计算流程如下：
[0213]
步骤801，输入目标向量c
tar
。
[0214]
步骤802，初始化控制向量d0，其中，控制向量初值取式中，轴力初值可根据模型参数计算得：
[0215][0216]
步骤803，将目标向量c
tar
中的分段断点速度v
tar
与转角θ
tar
作为约束c
joint
，将控制向量d0输入钻杆多体动力学模型，进行一段时间的平衡过程仿真计算，待分段点轴力与扭矩稳定，即钻杆平衡过程结束后得到分段点结果向量
[0217]
步骤804，根据分段点结果向量与目标向量c
tar
计算误差向量后，判断是否满足误差阈值ε的要求，即判断若满足，则执行步骤805，若不满足，则执行步骤806。
[0218]
步骤805，确定钻机输出结果向量o
p
作为程序计算结果输出。
[0219]
步骤806，用式(12)对控制向量进行更新，并令计数变量i＝i+1，退回到步骤803，用控制向量di替换步骤803中原控制向量，将控制向量di输入钻杆模型中进行平衡过程动力学仿真，如此循环直至误差向量满足则钻机输出结果向量o
p
作为程序计算结果输出。
[0220]
特别地，为了防止钻柱脱扣，根据工程要求，约定钻机控制量中的顶驱转角只能沿
着顺时针方向正转。
[0221]
本文一实施例中，如图9所示，还提供一种滑动导向前馈工控机，如图9所示，滑动导向前馈工控机902可以包括一个或多个处理器904，诸如一个或多个中央处理单元(cpu)，每个处理单元可以实现一个或多个硬件线程。滑动导向前馈工控机902还可以包括任何存储器906，其用于存储诸如代码、设置、数据等之类的任何种类的信息。非限制性的，比如，存储器906可以包括以下任一项或多种组合：任何类型的ram，任何类型的rom，闪存设备，硬盘，光盘等。更一般地，任何存储器都可以使用任何技术来存储信息。进一步地，任何存储器可以提供信息的易失性或非易失性保留。进一步地，任何存储器可以表示滑动导向前馈工控机902的固定或可移除部件。在一种情况下，当处理器904执行被存储在任何存储器或存储器的组合中的相关联的指令时，滑动导向前馈工控机902可以执行相关联指令的任一操作。滑动导向前馈工控机902还包括用于与任何存储器交互的一个或多个驱动机构908，诸如硬盘驱动机构、光盘驱动机构等。
[0222]
滑动导向前馈工控机902还可以包括输入/输出模块910(i/o)，其用于接收各种输入(经由输入设备912)和用于提供各种输出(经由输出设备914))。一个具体输出机构可以包括呈现设备916和相关联的图形用户接口918(gui)。在其他实施例中，还可以不包括输入/输出模块910(i/o)、输入设备912以及输出设备914，仅作为网络中的一台滑动导向前馈工控机。滑动导向前馈工控机902还可以包括一个或多个网络接口920，其用于经由一个或多个通信链路922与其他设备交换数据。一个或多个通信总线924将上文所描述的部件耦合在一起。
[0223]
通信链路922可以以任何方式实现，例如，通过局域网、广域网(例如，因特网)、点对点连接等、或其任何组合。通信链路922可以包括由任何协议或协议组合支配的硬连线链路、无线链路、路由器、网关功能、名称服务器等的任何组合。
[0224]
对应于图3-图8中的方法，本文实施例还提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器运行时执行上述方法的步骤。
[0225]
本文实施例还提供一种计算机可读指令，其中当处理器执行所述指令时，其中的程序使得处理器执行如图3-图8所示的方法。
[0226]
应理解，在本文的各种实施例中，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本文实施例的实施过程构成任何限定。
[0227]
还应理解，在本文实施例中，术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系。例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
[0228]
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本文的范围。
[0229]
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
[0230]
在本文所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口、装置或单元的间接耦合或通信连接，也可以是电的，机械的或其它的形式连接。
[0231]
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本文实施例方案的目的。
[0232]
另外，在本文各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以是两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
[0233]
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本文的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分，或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台滑动导向前馈工控机(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本文各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0234]
本文中应用了具体实施例对本文的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本文的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本文的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本文的限制。
(整理：仙居县工控自动化培训学校)
湖南阳光电子学校教学特色
