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非直井井迹优化设计与决策分析应用研究

丁华  
【摘要】:在石油钻井工程中,随着钻探技术的不断发展,除了直井之外,定向井、侧钻井、水平井、侧钻水平井等大量的非直井也成功地开采出来。井迹控制问题是非直井钻井技术的核心,它直接影响了井的产量和经济效益。非直井井迹控制主要包括井迹设计、下部钻具组合造斜性能分析与预测、井迹合理描述与参数计算,其中井迹设计是非直井井迹控制的主要研究内容。 井迹设计主要包括优化设计和实钻设计。实钻设计所用的主要方法原理与优化设计是一致的,所以本文以优化设计为研究重点。其过程首先是在设计目标已经确定的前提下设计轨迹函数,然后是通过先验经验选择关键参数来调整轨迹函数,最后是确定井口位置。其技术路线主要是通过设计轨迹函数、选取造斜点范围以及构建和求解井口定位模式来实现的。在井迹设计过程中产生的诸多决策,使得在钻井工程中进行决策分析变得更有意义。 以往的非直井井迹研究工作更多地集中在井迹控制的工艺和硬件的性能提高上,也有的集中在数学角度的轨迹方程的研究。本文以非直井井眼轨迹的优化问题为背景,以非直井轨迹计算及控制软件为研究基础,以为非直井井迹设计提供决策分析为目的,从新的角度对井迹设计的主要影响因素进行了分析和研究,包括不同的优化目标、造斜点的选取范围以及井口定位问题。其中,以往的井口定位问题的研究更多地考虑了地面和技术条件,而本文将该问题视为优化问题考虑,从约束、目标函数和搜索域三方面对井口定位问题进行分析,将地面及技术条件都纳入约束范畴进行处理;将决策树归纳学习方法引入钻井工程实践,对造斜点范围选取的经验因素进行处理,目前还不多见;推导了轨迹函数,同时对粒子群算法进行改进,应用改进的粒子群算法进行了对轨迹函数的参数优化。以上工作均是围绕为决策人员提供决策分析进行的。本文的研究主要集中在以下方面: (1)轨迹函数对井眼轨迹有着重要的影响。不同的优化目标是通过不同的轨迹函数来体现的。本文在对标准的粒子群算法进行改进的基础上对设计的轨迹函数进行了参数优化。采用空间各维方向上的分段轨迹投影之和,分别等于相应方向上的造斜点与靶点的坐标差来保证中靶精度,并通过井眼曲率的归一化处理,由已知的目标靶点位置反推出分段参数的表达形式,设计了轨迹函数。同时本文对标准的粒子群算法所存在的易陷入局部极小点周围区域的缺陷进行了改进,通过引入罚函数并利用罚函数的特点对标准粒子群算法加以限制,对算法“早熟”现象进行克制。在对粒子群算法进行改进的基础上,对设计的轨迹函数进行了参数优化。 (2)随着造斜点范围的变化,井迹也随之变化。本文引入决策树方法对决定造斜点范围的经验因素进行了处理。其他影响因素不变的情况下,改变造斜的出发点位置而不改变目标靶点的位置,轨迹自然会发生改变,所以造斜点位置对轨迹的影响是非常重要的。造斜点范围是由操作者选择的,这种凭借工作人员经验决定的因素称为先验经验因素。为了便于处理并合理利用这部分经验因素,本文将神经网络引入决策树结点构造了混合决策树,即在构造的过程中引入最大熵原理,利用Z测试获得对象间的关联强度,设定阈值并构造最大熵模型,从而对混合决策树的生长机制进行改进并 大连理工大学博士学位论文 通过了国际标准测试集的测试。利用改进的决策树方法提高了例子集的分类速度和精 度,并在此基础上针对先验经验确定的参量构造了学习模式,从而提供决策分析。 (3)在靶点己知的前提下,确定井口位置对井眼轨迹的影响也很重要。改变井口 位置,会导致井迹的迥异。仅对轨迹的优化进行分析和计算是不完全的,本文研究了 地面条件的影响因素,它们是非直井、丛式井设计的重要依据。除了轨迹设计曲线及 造斜点范围等这些由设计和施工人员决定的参数会对轨迹产生影响之外,设计的工艺 要求以及地层地面等约束对轨迹的影响也非常大。在以上影响因素的作用下,直接到 达靶点的轨迹进行施工有可能非常困难,会钻出较长空间距离的井,使井迹呈现不同 的姿态。鉴于此本文从优化问题的角度对井口问题进行分析,将轨迹函数同约束及搜 索域综合起来,主要研究了二维平面下目标函数、约束条件和搜索域范围,也讨论了 三维空间下的情况,并进行了求解,通过实例验证其精度满足工程需要。 综上所述,本文对钻井工程中的井迹优化设计与决策分析进行了理论探讨与应用 研究。井迹优化设计过程中,轨迹函数的设计、造斜点位置的选取以及井口位置的确 定,都对轨迹有着重要的影响。本文设计了一种新的轨迹函数,在对基于群智能的粒 子群优化算法进行改进的基础上进行参数优化;对决策树算法进行改进,据此对依据 先验知识在施工过程作出决策的经验因素,主要是造斜点范围的选取的决策过程进行 了处理;结合工程实践,对确定丛式井井组井口定位问题进行了研究。以上工作进一 步完善了轨迹优化设计,也为决策者提供了更好的决策分析。


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