非常規油氣叢式井平臺靶點自動匹配及引導式智能繞障方法

引用格式：肖啟福，王銳，范生林，陳寬，肖振華，吳坷. 非常規油氣叢式井平臺靶點自動匹配及引導式智能繞障方法［J］. 石油鉆采工藝，2024，46（3）：280-291.

摘要：為解決叢式井平臺井眼軌道設計效率低、難度大的技術難題，切實提高非常規油氣叢式井平臺設計效率，將叢式井靶點匹配問題抽象為任務分配問題，以KM 算法為基礎，建立了靶點匹配目標函數，根據井口到靶點的水平位移賦權值確定了匹配次序，形成了井口-靶點自動匹配方法；以A*算法為基礎創建引導式啟發函數、構建柵欄搜索環境、優化搜索方向，形成叢式井引導式智能繞障方法；總結了叢式井設計策略，開發了設計軟件。應用該軟件，4 井式叢式井平臺軌道設計平均耗時8.9 s、6 井式平臺軌道設計平均耗時9.5 s、8 井式平臺軌道設計平均耗時36.6 s、大于等于10 口井平臺軌道設計平均耗時52.5 s；與常規設計技術相比，5～8 口井平臺設計由原耗時約3 d 降至1.2 d，9～13 口井由原耗時約6 d 降至2.4 d，節省設計時間60%。該方法解決了目前叢式井平臺鉆井設計耗時長、效率低的難題，為石油行業其他專業智能算法的引用提供參考。

關鍵詞：非常規油氣資源；叢式井平臺；井口-靶點匹配；KM 算法；井眼軌道設計；路徑尋優算法；A*算法

中圖分類號：TE22 文獻標識碼： A

0 引言

中國常規油氣資源勘探開發已進入中后期，勘探層位具有“埋藏深、儲層薄、低孔隙度、低滲透率、低產量”等特點，勘探開發方向逐步由陸相砂巖轉向深層、致密油氣、頁巖油氣等非常規領域。“井工廠”、“一趟鉆”作業、地質工程一體化導向鉆井技術為代表的一批高新技術的不斷發展和廣泛應用，促進了中國非常規油氣資源的經濟高效開發［1］，實現了儲量和產量的快速增長，建成了年產量百億立方米的國家級頁巖氣勘探開發示范區，川渝地區多口頁巖氣井獲高產工業氣流［2］，展現了中國非常規油氣勘探開發的巨大潛力。加快川渝非常規油氣規模效益開發，關鍵在于持續不斷攻關鉆井關鍵技術［3］。

川渝地區非常規油氣一般采用叢式井開發模式，井眼軌道設計面臨以下難題：（1） 井口與靶區不規則對應，靶點匹配依靠人工反復調整，難以實現科學匹配；（2） 叢式井平臺井間距小（一般為5 m），設計過程中需考慮當前井與鄰井的交碰風險及誤差橢球等影響因素，可設計的軌道空間較小，設計難度大；（3） 現有的井眼軌道設計軟件（如Landmark Compass、Sunny Pathing 等） 均是單井逐一設計，自動化程度低，不具備叢式井平臺井眼軌道批量設計功能，且繞障設計過程中為規避當前井與鄰井的交碰風險，需反復調整當前井造斜點深度及軌道設計參數，設計繁瑣且效率低。

科學的軌道設計既是保障鉆井安全施工的前提，也是提高油氣開發效率的關鍵。近年來，在井眼軌道設計與優化方面，中國學者開展了相關研究并取得了豐碩成果。

2014 年，殷晟分析了川南深層頁巖氣工區地應力狀況、儲層解釋評價，提出了川南地區頁巖氣水平井軌道優化設計方法，建立了川南地區雙增式井眼軌道垂直剖面優化方法［4］。

2018 年，王志月等提出了頁巖氣叢式井平臺位置優化方法，將平臺位置優選轉化為數學最優化問題，采用遺傳算法快速求解，實現了叢式井低成本高效開發［5］。李偉等建立了涪陵頁巖氣井眼軌道計算模型，提出了“七段式”三維水平軌道優化設計方法并開展了應用，應用效果證明，該方法適用于涪陵頁巖氣鉆井設計與現場施工［6］。王志月提出了頁巖氣叢式水平井三維井眼軌道最優化設計通用模型，該模型將三維井眼軌道看成由m 段直線段和n 段空間圓弧段按照一定順序連接而成，且相鄰井段間光滑連接，建立了三維井眼軌道設計長度最短的優化目標函數，但存在求解難度大的問題［7］。閆吉曾提出了恒工具面角三維水平井軌道設計方法，通過坐標變換將水平井軌道轉化為常用軌道類型，針對六段制軌道建立了初始方位角模型（一元非線性單調函數），采用二分法、黃金分割法及Fibonacci法等一維搜索法計算，算例驗證了方法的科學性及模型的優越性［8］。

2019 年，李文燕提出了基于粒子群算法的井眼軌道優化方法，實現了井眼軌道多參數目標優化，但存在模型求解困難，現場不易實現的問題［9］。李成媛提出了基于蟻群算法的軌道優化設計方法，改進蟻群算法實現軌道優化，該算法相比于其他智能算法，計算速度更快，但算法存在魯棒性不高，計算結果易陷入局部最優的問題［10］。

2020 年，王六鵬等以入靶精度及最短設計井深作為雙優化目標函數，以造斜段造斜率和扭方位段全角變化率作為約束條件，以“直—增—穩—增扭—穩—水平段”五段制三維水平井軌道作為設計剖面，建立基于多目標約束三維水平井軌道優化設計模型，應用該模型對實鉆井眼軌道進行了優化設計［11］。高德利等結合頁巖氣鉆井作業平臺井口布局方式，建立了頁巖氣叢式井最外側井的井眼軌道多目標優化模型，目標函數綜合考慮了井眼軌道的勢能、總長度及側向位移，優化結果對比分析表明，該模型在較小的井眼軌道勢能和長度條件下，側向位移達到最大，能更好地滿足山區、丘陵等復雜地區頁巖氣田開采的實際需求［12］。顧岳等提出了頁巖氣田壓裂區加密調整井繞障軌跡優化方法，運用矢量代數方法對頁巖氣壓裂區障礙物進行了幾何建模，建立了以設計軌道總長度最短、軌道勢能最小為優化目標的頁巖氣壓裂區繞障軌道優化設計模型，提出了判斷頁巖氣壓裂段影響域之間是否存在干擾的幾何校核方法，通過現場實鉆數據驗證，該模型能夠實現井眼軌道設計總長度和軌道勢能最小的優化目標［13］。

2021 年，李琪等通過改進Brooks 的交碰概率計算模型，提出一種密集叢式井網井眼交碰風險計算方法，實現了密集井網井眼交碰風險等級量化評價，有效指導了密集叢式井防碰施工［14］。于凡等基于彈性桿力學模型提出懸桿線井眼軌道設計方法，對比了懸桿線軌道在降摩減扭等方面的優勢，分析了懸桿線軌道降摩減扭效果的主控因素及規律［15］。韋龍貴等提出了基于熵權法的井眼軌跡設計方案優選方法，建立了大位移井軌道設計方案評價模型，通過計算各評價指標的權重與方案綜合得分，排除了定性評價易受主觀因素影響的成分，更能客觀準確地優選軌跡設計方案［16］。

2023 年，趙延峰等提出了“直—增—穩—扭—穩—增—水平段”七段式三維水平井軌道設計方法，將上述七段式三維軌道拆分至2 個鉛垂面和1 個斜平面，建立等效的3 個二元非線性方程組，降低了求解難度，應用實例證明該方法有助于降低井眼軌跡控制難度，有效提高鉆井速度［17］。魯港等提出了三維七段制圓弧型井眼軌道設計約束方程組求解方法，將方程組采用消元法處理，得到只含一個未知數的特征方程，并采用數學方法證明了此方法的合理性，為三維七段制圓弧型井眼軌道設計參數計算提供了理論基礎［18］。來建強等提出了井眼軌道模型中數值積分計算方法，采用恒工具面法計算東、北坐標，數值積分法經過積分參數變換，將被積函數簡化處理，計算量減少一半，改進后算法的計算結果與Compass 計算結果一致［19］。

通過調研發現，中國學者在叢式井井眼軌道優化設計方面取得了豐碩成果，但大多數成果集中在單井井眼軌道優化設計方面，且多數成果未規模推廣應用。在叢式井平臺井眼軌道批量自動設計方面，如何應用智能算法提高叢式井平臺軌道設計效率、實現自動設計的研究較少，其主要原因在于，一方面中國學者在井眼軌道優化方面應用智能算法（蟻群算法、粒子群算法、遺傳算法等） 取得了一定的研究成果，但存在優化模型求解困難、現場不易實現等問題，導致研究成果未實現工業轉化和落地；另一方面，近年來中國在人工智能算法領域取得了一些重大突破，但在石油專業領域的人工智能研究仍處于起步階段，在基礎科學和關鍵技術方面的研究仍有待加強。

為解決非常規油氣叢式井平臺井眼軌道設計效率低、難度大的技術難題，開展叢式井平臺靶點匹配方法研究，通過優選匹配算法結合叢式井靶點匹配特點進行改進，實現叢式井平臺靶點自動匹配；開展路徑尋優算法優選，結合叢式井平臺繞障環境和需求對優選算法進行適應性改進，切實解決叢式井平臺井眼軌道繞障設計難度大的問題，實現障礙物自動識別，繞障路徑自動搜索。為驗證上述算法的有效性，總結叢式井平臺井眼軌道設計策略，開發相關軟件，開展現場應用，根據應用效果持續推進軟件優化升級，盡快形成生產力，在中國非常規油氣勘探開發過程中發揮積極作用。

1 方法過程

1.1 室內研究

1.1.1 叢式井平臺靶點自動匹配

叢式井平臺井口-靶點匹配是將平臺n 個靶點匹配給n 個井口，匹配后要求總水平位移最小，屬于任務分配問題。

圖論中二分圖任務匹配算法是解決任務匹配問題主要方法之一。二分圖具體匹配方法有匈牙利算法（Hungarian Algorithm） 和KM（Kuhn-Munkres） 算法［20］。匈牙利算法的匹配過程未設置匹配優先級（不帶權重），每個匹配對象均是平級，解決的是最大限度匹配問題，無法實現每個對象均匹配的最優結果；KM 算法匹配過程考慮優先級，評價指標高的對象優先匹配，解決的是每個對象均匹配且效率最高的最優匹配問題［21］。叢式井平臺井口與靶點匹配，需要考慮匹配權重，以實現最優匹配（匹配后的叢式井平臺總水平位移最小），因此以KM 算法為基礎，建立最優匹配目標函數，根據井口到靶點水平位移賦權重確定匹配次序，執行KM 算法流程，實現井口與靶點的自動匹配。