一种基于双通道模糊推理的定向钻井工具面角与导向率联合控制方法

本发明涉及石油钻井自动控制，特别是涉及一种基于双通道模糊推理的定向钻井工具面角与导向率联合控制方法。

背景技术：

1、现代油气勘探开发中，旋转导向系统是实现大位移井，水平井及复杂三维定向井轨迹控制的重要技术手段。其核心任务在于：根据实钻井眼轨迹与设计轨迹之间的偏差，实时调整钻具的导向行为，使井眼轨迹沿设计轨迹延伸。对于旋转导向钻井而言，通常需要将轨迹偏差进一步转化为工具面角（tf）和导向率（sr）的控制指令。因此，如何在复杂井下工况下稳定、合理地生成tf和sr的控制指令是轨迹控制中的关键问题。

2、目前，现有的定向井轨迹控制方法中，仍较多依赖传统人工经验进行开环或半开环控制，工程师通过随钻测量系统获取实时的井斜角和方位角数据，再与我们的目标井斜方位数据做比较，再根据经验，判断出当前需要设置的工具面和导向率，并通过泥浆脉冲等信道向下发送控制指令。这种基于人工手动控制的开环模式不可避免地引入了较长的延迟，且严重依赖操作人员的经验。

3、为提高轨迹控制的自动化程度，现有技术中又发展出基于闭环控制的定向钻井控制方法，其中较常见的包括比例积分微分（pid）控制、模型预测控制（mpc）以及部分基于经验模型或解析模型的控制方法。该类方法通常通过对当前井斜角、方位角等实际姿态参数与目标值进行比较，计算相应的工具面角和导向率控制量，从而形成闭环修正机制。与人工控制相比，该类方法在一定程度上提高了控制的实时性和自动化水平。然而，实际钻井过程处于高温、高压、强扰动的井下环境中，具有明显的非线性、时变性、复杂性和不确定性，导致相关控制模型往往难以准确描述真实工况。尤其是传统pid控制方法，在复杂工况下容易出现超调较大、收敛较慢以及稳态误差较大的情况；而mpc等方法通常涉及较复杂的模型构建和在线求解过程，对计算资源和实时性也提出了较高要求。

4、此外，针对钻井系统中存在的强非线性、滞后性以及不确定性，已有研究进一步引入了模糊控制、强化学习、鲁棒控制及滑模控制等智能控制方法。例如，部分研究采用模糊逻辑控制、区间二型模糊控制或结合强化学习的方法，对井斜和方位轨迹进行跟踪控制，以提高系统对不确定性和扰动的适应能力。该类方法在一定程度上提升了控制系统的鲁棒性，但仍存在一些不足，算法结构较复杂，涉及较多参数整定、神经网络训练或在线迭代计算，不利于在井下计算资源受限的环境中实时实现。

5、因此，针对现有定向钻井轨迹控制方法在复杂井下工况下存在的经验依赖较强、模型适应性有限、算法实现复杂以及井斜与方位协同调节不够便捷等问题，亟需一种能够结合实际工程控制需求、在计算复杂度可控条件下实现轨迹姿态闭环修正的控制方法，从而提高工具面角tf和导向率sr控制指令生成的合理性、实时性与稳定性。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于双通道模糊推理的定向钻井工具面角与导向率联合控制方法，旨在解决或改善上述技术问题中的至少之一。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、一种基于双通道模糊推理的定向钻井工具面角与导向率联合控制方法，包括：

4、获取当前测点轨迹姿态参数与目标测点轨迹姿态参数，根据所述当前测点轨迹姿态参数与所述目标测点轨迹姿态参数计算井斜偏差和方位偏差，并根据上一测点轨迹姿态参数、所述当前测点轨迹姿态参数及所述目标测点轨迹姿态参数计算井斜偏差变化趋势和方位偏差变化趋势；

5、建立井斜控制通道和方位控制通道，将所述井斜偏差和所述井斜偏差变化趋势作为所述井斜控制通道的输入变量，将所述方位偏差和所述方位偏差变化趋势作为所述方位控制通道的输入变量；

6、分别对所述井斜控制通道和所述方位控制通道的输入变量进行模糊化处理，并基于预设的模糊规则库进行模糊推理，分别得到表征造斜调节需求的中间控制量和表征扭方位调节需求的中间控制量；

7、对所述中间控制量进行解模糊处理，得到造斜率控制分量和扭方位率控制分量；

8、根据所述造斜率控制分量和所述扭方位率控制分量联合计算工具面角和导向率，并将所述工具面角和所述导向率作为当前控制周期的控制指令输出，完成联合控制。

9、可选地，所述井斜偏差为目标井斜角与实际井斜角的差值，所述方位偏差为目标方位角与实际方位角经角度归一化后的差值；

10、所述井斜偏差变化趋势根据上一测点井斜角、当前测点井斜角和目标井斜角计算得到，所述方位偏差变化趋势根据上一测点方位角、当前测点方位角和目标方位角经角度归一化处理后计算得到；

11、所述当前测点轨迹姿态参数至少包括当前测点井深、当前测点井斜角和当前测点方位角，所述目标测点轨迹姿态参数至少包括目标测点井深、目标测点井斜角和目标测点方位角，所述上一测点轨迹姿态参数至少包括上一测点井深、上一测点井斜角和上一测点方位角。

12、可选地，所述模糊化处理包括：对所述井斜偏差、所述井斜偏差变化趋势、所述方位偏差和所述方位偏差变化趋势分别乘以对应的输入压缩因子进行尺度变换，将尺度变换后的各输入变量映射为对应的模糊语言变量，并通过预先设定的隶属度函数确定各输入变量在不同模糊集合中的隶属程度。

13、可选地，所述井斜控制通道的模糊规则库以所述井斜偏差和所述井斜偏差变化趋势为前件，以所述表征造斜调节需求的中间控制量为后件；所述方位控制通道的模糊规则库以所述方位偏差和所述方位偏差变化趋势为前件，以所述表征扭方位调节需求的中间控制量为后件；在所述模糊推理过程中，所述井斜控制通道与所述方位控制通道相互独立并行执行模糊推理运算。

14、可选地，所述解模糊处理采用重心法，根据输出隶属度函数的综合分布确定重心位置，并将重心位置对应的数值作为解模糊后的确定性输出值；所述确定性输出值乘以对应的输出压缩因子后，得到所述造斜率控制分量和所述扭方位率控制分量。

15、可选地，所述工具面角的计算方式为：以所述造斜率控制分量和所述扭方位率控制分量作为二维向量的两个正交分量，通过反正切函数计算所述二维向量的方位角，得到工具面角原始值，并对所述工具面角原始值进行角度归一化处理。

16、可选地，所述导向率的计算方式为：根据所述造斜率控制分量、所述扭方位率控制分量、当前测点井斜角以及预设最大造斜能力计算当前造斜率，将所述当前造斜率与所述预设最大造斜能力的比值作为所述导向率。

17、可选地，所述当前造斜率的计算方式为：将所述造斜率控制分量与所述扭方位率控制分量乘以当前测点井斜角的正弦值后的平方和开平方，得到所述当前造斜率。

18、可选地，还包括：轨迹姿态闭环迭代更新；

19、所述轨迹姿态闭环迭代更新，具体过程为：

20、将所述工具面角和所述导向率输入轨迹响应模型，根据所述轨迹响应模型更新当前控制周期结束时的井斜角和方位角，将更新后的井斜角和方位角作为下一控制周期的当前测点轨迹姿态参数进行迭代运算，直至完成整段设计轨迹的姿态跟踪控制。

21、可选地，所述轨迹响应模型基于井斜角变化率公式和方位角变化率公式对井斜角和方位角进行更新；所述井斜角变化率根据机械钻速、所述工具面角、所述导向率、预设最大造斜能力及自然掉斜项确定；所述方位角变化率根据机械钻速、所述工具面角、所述导向率、预设最大造斜能力、自然转向偏置及当前井斜角确定。

22、根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

23、本发明公开了一种基于双通道模糊推理的定向钻井工具面角与导向率联合控制方法，所述方法包括：获取当前测点轨迹姿态参数与目标测点轨迹姿态参数，根据所述当前测点轨迹姿态参数与所述目标测点轨迹姿态参数计算井斜偏差和方位偏差，并根据上一测点轨迹姿态参数、所述当前测点轨迹姿态参数及所述目标测点轨迹姿态参数计算井斜偏差变化趋势和方位偏差变化趋势；建立井斜控制通道和方位控制通道，将所述井斜偏差和所述井斜偏差变化趋势作为所述井斜控制通道的输入变量，将所述方位偏差和所述方位偏差变化趋势作为所述方位控制通道的输入变量；分别对所述井斜控制通道和所述方位控制通道的输入变量进行模糊化处理，并基于预设的模糊规则库进行模糊推理，分别得到表征造斜调节需求的中间控制量和表征扭方位调节需求的中间控制量；对所述中间控制量进行解模糊处理，得到造斜率控制分量和扭方位率控制分量；根据所述造斜率控制分量和所述扭方位率控制分量联合计算工具面角和导向率，并将所述工具面角和所述导向率作为当前控制周期的控制指令输出，完成联合控制。

24、本发明可根据井斜偏差、方位偏差及其变化趋势生成工具面角tf和导向率sr控制指令，对定向钻井轨迹姿态进行自动闭环修正。本发明通过采用双通道模糊控制结构，可将原本依赖人工经验判断的井斜调节需求和方位调节需求转化为可执行的模糊控制过程，实现对定向钻井轨迹姿态的连续修正以及对目标井斜角和目标方位角的跟踪控制，适用于非线性、时变性及不确定性较强的井下轨迹控制场景。