基于多目标约束三维水平井轨道优化设计研究

三维水平井轨道设计由于轨道剖面复杂,利用常规设计方法难以在满足工程约束下实现轨道精确入靶,增加了设计难度。针对这一难题,提出了满足一定入靶精度的“直-增-稳-增扭-稳-水平段”五段制井眼轨道优化设计方法,以入靶精度和最短井深作为双优化目标,以造斜段造斜率和扭方位段全角变化率作为约束条件,建立了多目标约束的三维水平井轨道优化设计模型,并采用宽容分层法对模型进行求解。通过实例验证,结果表明提出的模型不仅满足设计井深最短,而且保证了入靶前扭方位段狗腿度较小,实现了三维水平井井眼轨道优化设计,降低了作业难度。

川东北河坝区块大斜度井轨道优化设计技术

中国石油化工股份有限公司川东北河坝区块大斜度定向井,在不同工况作业(如正常、滑动钻进、起下钻等)过程中都存在着造斜段轨迹控制难度大、施工摩擦阻力大等难题。为此,从井眼轨道设计入手,在系统分析常用轨道设计方法的基础上,得出除了查图法和作图法外,一般应采用解析法进行设计的认识,设计思路:首先根据给定设计条件求出不同轨迹关键参数,然后求出轨道节点数据,最后求出轨道分点数据。结合该区块大斜度定向井的特点,对轨道设计中的关键参数、轨道剖面类型等进行优化,优化设计原则:①轨迹设计必须满足地质靶点、中靶方位以及现场施工条件(如钻机型号、定向仪器等)的要求;②井眼轨迹几何形状最优化设计首先须满足常规导向钻具组合造斜率的要求、特定套管柱和井眼轨迹的相互适应性,其次要求轨迹最短、管柱的摩擦阻力相对最小,最后要求轨迹光滑过渡和井眼曲率均匀。优化设计的步骤:先根据地质参数(如靶点垂深、水平位移等)和工艺水平(如定向工具型号、性能等),对造斜点以下井段进行钻井方式和钻具组合设计,然后才能对大斜度井井眼轨道进行优化设计。将所形成的大斜度定向井轨道优化设计技术成果应用于HB1-1D等多口大斜度井钻井设计和施工作业中,均顺利实现了地质中靶和完井作业,为该区块后续部署井的轨道设计提供了依据。

太阳系多目标探测轨道优化设计

将太阳系多目标探测的轨道优化设计问题转换成非线性规划问题,建立了轨道优化模型。针对非线性规划问题解的多峰性,设计了一种融合改进的网格搜索算法和差分进化算法的组合优化算法。利用改进的网格搜索算法以适当的步长寻找理想的发射窗口和各阶段转移时间,产生差分进化的初始群体,进而使用差分进化算法搜索初始群体附近的子空间,通过全局范围内的比较得到较理想的结果。最后以2018～2020年太阳系多目标探测为例,面向土星环绕探测任务完成了飞行中途探测太阳系多颗大行星的轨道优化设计。数值仿真结果表明上述算法对太阳系多目标探测轨道优化设计具有较好的通用性和应用参考价值。

载人小行星探测最优两脉冲转移轨道优化设计

为实现对目标小行星的载人探测,提出一种时间严格约束条件下的最优两脉冲往返转移轨道设计与优化方法.针对载人小行星探测任务的特点,建立了两脉冲转移轨道设计方案,初步设计了两脉冲往返转移轨道,并且利用序列二次规划算法进行了轨道优化,得到了各转移阶段的发射、到达窗口和最优往返转移轨道.仿真结果表明,给出的最优两脉冲往返转移轨道单次施加脉冲能够控制在5 km/s以内,可以满足未来300 d内的能量较小的载人小行星探测任务.

页岩气田压裂区加密调整井绕障轨道优化设计方法

在页岩气丛式水平井设计中,针对压裂区的加密调整井井眼轨道设计需要考虑绕开已钻井压裂段影响域及压裂段影响域之间互相干扰等问题。为了快速评估加密调整井压裂段井眼轨道设计方案的合理性,运用矢量代数方法对页岩气压裂区障碍物进行了几何建模,该几何模型考虑了压裂裂缝影响域;然后根据所建立的障碍物几何模型,建立了以设计轨道总长度最短、轨道势能最小为优化目标,以轨道间防碰为约束条件的页岩气压裂区绕障轨道优化设计模型,并给出了判断页岩气压裂段影响域之间是否存在干扰的几何校核方法;最后依据四川盆地涪陵页岩气田现场实钻数据,对所建立的设计模型进行了验证。研究结果表明:①在压裂区,忽略压裂影响域的障碍物尺寸会被严重低估;②忽略压裂影响域,所设计出的绕障轨道可以避开老井的井眼轨迹,但是有可能会与已钻井的压裂影响域相交,进而引发钻井事故。结论认为,所建立的页岩气压裂区绕障轨道优化设计模型能够满足防碰绕障约束的要求,相应的设计计算避免了繁琐的试算和校核,并且能够实现井眼轨道设计总长度和轨道势能达到最小值的优化目标。

火星探测器轨道设计与优化技术

介绍火星探测器轨道设计以及优化技术,并对大推力轨道设计方法、小推力轨道设计方法以及借力飞行轨道设计方法等进行综合分析,为未来的火星探测器轨道设计提供参考。

三维多目标定向井井眼轨道优化设计

优化井眼轨道设计是保证井身质量,减少井下事故,降低钻井成本的关键环节之一。三维多目标定向井井眼轨道的设计方法众多,但在设计中人为主观因素较多,通常,设计出来的井眼轨道较难成为最优化的轨道。COM-PASS(兰德马克轨道设计软件)定向井软件是将非线性数学理论引入到全井井眼轨道的最优化设计中,综合了各种设计方法的优点,简化了设计程序,对于三维多目标井的设计,只需设计者提供必要的约束条件即可设计出操作性强、经济、安全的最优井眼轨道。

黄道面内多目标小行星飞越探测任务轨道优化设计

近距离飞越小行星可获取小行星的表面图像、测量小行星的光谱、反演小行星物理化学性质。对潜在威胁小行星实施多目标飞越探测任务进行轨道优化设计,分析了潜在威胁小行星穿越黄道面时刻与位置分布,以小行星穿越黄道面时刻作为探测器飞越小行星的时刻,通过波束选择树搜索算法优化求解序贯飞越序列,建立了一种快速有效求解小行星序贯飞越任务轨道的优化方法模型。仿真结果表明,2024—2028年发射的小行星探测器可在黄道面内飞越探测至少18颗潜在威胁小行星,2027年9月发射窗口在10 a任务周期内可飞越21颗潜在威胁小行星。

适用于天基测控小范围视线角约束的运载火箭轨道优化设计

测控系统对运载火箭的约束是轨道优化设计的重要条件。随着卫星平台高度和宽度的增加,导致天基测控视线角约束越来越严苛。为保证发射大型卫星任务仍适用于天基测控,对运载火箭轨道进行优化设计,以运载能力最优为目标,迭代飞行程序角,满足天基测控小范围视线角约束条件,进而延长测控弧段。分析了运载火箭轨道优化设计对天基测控特性的改善作用。

分级地震下跨断层高铁简支梁桥行车安全与抗震设计优化研究

以跨越走滑断层的某高速铁路八跨简支梁桥为研究对象,基于OpenSEES平台建立其考虑梁-轨相互作用的线桥体系非线性数值模型,合成平行断层方向的水平地震动,分析了不同地震动强度下桥梁结构及CRTSII型板式无砟轨道结构的损伤特性,量化评定了结构构件的地震安全性。基于规范给出的轨道水平变形控制标准,评价了不同车速下线路的行车安全性,探讨了轨道结构的优化设计。研究结果表明:断层跨及其邻跨的地震响应最大,强震下面临严峻的破坏风险;地震下轨道水平变形明显,存在行车安全隐患的位置主要集中在断层跨及其两侧邻跨梁端;增加轨道侧向挡块数量可有效降低轨道水平变形,将侧向挡块增加至每跨每线6对时,罕遇地震下,除断层跨梁端处轨道的平行转角外,其余位置的轨道水平变形指标仍能满足车速为100 km/h时的行车安全限值。

深空轨道优化竞赛与我校研究生培养

简介全国轨道优化设计竞赛和第五届国际轨道优化竞赛(GTOC)及参赛一般过程,总结我校参赛队的差距与收获,思考该赛事对于我校研究生培养的意义,并对今后的参赛提出展望。

火星探测直接转移轨道设计研究

研究了直接转移火星探测轨道的设计方法,其中包括初步设计和精确设计。初步设计基于圆锥曲线拼接理论,采用Pork-Chop图进行发射和到达时机的选择;精确设计采用两层优化算法,第一层通过设置"虚拟拦截点"使轨道瞄准点靠近火星,第二层采用微分修正法调节探测器在火星影响球处的入口点坐标,从而使终端状态满足设计要求。通过算例表明以上方法是十分有效的。

基于J_2项摄动的MMS任务编队优化设计

Magnetospheric MultiScale(MMS)任务利用椭圆轨道远地点附近的正四面体航天器编队,协同完成对地球磁层结构和动力学特性的测量和分析。采用基于轨道根数的相对运动模型,分析了主航天器轨道根数对J2项影响下四面体平均性能指标——质量因子均值和平均边长均值的影响规律,并由此提出一种编队轨道优化设计方案,将其应用于第1阶段MMS任务的四面体构形设计中。该方案的设计变量包括主航天器的6个轨道根数和3个从航天器的15个相对轨道根数(除相对半长轴外),目标函数既考虑到四面体编队的平均性能,又兼顾了3个从航天器相对运动的受摄影响。仿真算例显示,在不施加主动控制的条件下,利用该方案设计远地点附近平均性能保持最优的四面体编队是可行的。

十年一剑刃锋利，苦寒方得梅花香——全国空间轨道设计竞赛发展历程回顾

全国空间轨道设计竞赛(China Trajectory Optimization Competition,简称CTOC)依托中国力学学会,自2009年创办以来,至今已经成功举办了十届。经过十年来的不懈努力,CTOC为国内各高校及研究机构提供了空间轨道设计与优化研究的交流平台,既为我国的空间探索与应用领域选拔和储备了后备人才,又为该领域的工程实践提供了知识储备。本文以时间为主线,回顾了全国空间轨道设计竞赛十年来的发展历程以及所取得的成效,归纳总结了该竞赛的主要特色与创新。

动态无线能量传输系统参数化设计与优化

无线能量传输技术以其操作方便快捷、适应快速更换及维修、减少机动作业无缆影响、可快速扩展、大幅减小设备电池质量、无触电危险、极限环境适应性强等特点被广泛应用于各领域。针对给定输入和约束,要求对动态无线能量传输系统的耦合机构尺寸和电路参数进行充分优化设计以满足一定输出功率效率的需求。经过前期对电路和耦合机构磁路的理论及仿真研究,得到了系统各参数变化时将导致系统输出特性随之如何变化的理论依据。基于此,建立了动态无线能量传输系统的参数化设计模型,并进行优化设计流程及步骤,以最简化的计算流程和最少的工作量,实现了动态无线能量传输系统的发射轨道和电路的参数化设计。该研究将对动态无线能量传输系统的多目标多参数化自动最优化设计具有重要的指导意义。

四川盆地威荣深层页岩气安全与提速钻井技术

四川盆地威荣页岩气埋深3600~3850 m,属于典型的深层页岩气藏,钻井工程面临压力体系复杂、茅口组部分区域断溶体发育、地层可钻性差、龙马溪组地层温度高等难题。针对复杂的地质条件,以安全与提速钻井为核心,通过成熟引进与先导试验技术结合的方式,持续攻关钻井工程工艺技术;并不断深化过路层段地质认识,采用一段一策的方案,提高工程技术的针对性。威荣页岩气田经历勘探评价、开发一期、开发二期3个阶段,形成了以井身结构优化、断溶体避让的轨道设计、井筒压力控制和钻压同步预防压窜干扰为重点的安全钻井技术,以“二维+小三维”的三维轨道剖面、四位一体地质导向技术、破岩工具优选和钻井参数强化为关键的提速钻井技术。该技术应用于威荣页岩气田150余口开发井,机械钻速由开发初期的6.32 m/h提升至9.12 m/h,钻井周期由106.68 d缩短至68.75 d,缩短率为35.56%,实现了威荣深层页岩气钻井工程提速降本的目标,其形成的安全与提速钻井系列技术对同类型气藏开发具有较强的参考意义。

基于高精度回归共振的掩星观测轨道设计

基于遥感卫星的掩星观测技术被广泛用于地球大气中的温室气体浓度监测。与传统光学观测不同,掩星观测需由“信源星”和“观测星”协作、在满足严格观测几何约束下才能完成,这使得掩星观测的轨道设计问题更加困难。为提升掩星观测能力,提出一种基于高精度回归共振的掩星观测轨道设计方法。首先,将掩星观测几何约束从切点高度约束等价转化为地心夹角约束,实现对任意轨道构型下连续掩星观测弧段和覆盖能力的快速评估。然后,利用回归和共振轨道特性,建立了大样本的“信源-观测”轨道构型库,为掩星观测轨道设计提供基础解集。最后,以对主要碳排放区域的覆盖能力作为主要性能指标进行寻优,并利用微分修正构造J2摄动下的高精度回归共振观测构型,完成掩星观测信源星和观测星的轨道设计。结果表明:所给高精度回归共振掩星观测轨道构型,不仅保证了周期性长弧段的掩星观测,还实现了观测几何的长期稳定保持。所提方法成功用于第8届中国研究生未来飞行器创新大赛“碳卫星大气观测轨道设计与优化”挑战赛,并摘得了该赛事的冠军。

大宁-吉县区块深层煤岩气水平井钻井技术

为了解决鄂尔多斯盆地东缘大宁-吉县区块深层煤岩气先导性试验区大平台钻井轨道设计困难、长裸眼段反复漏失、泥灰互层可钻性差、泥岩和煤岩易坍塌、水平段固井质量差等技术难题,从先导性试验区煤岩储层特征和岩石力学特性入手,开展了井眼轨道优化设计、防漏堵漏工艺技术、高性能PDC钻头设计、长裸眼段钻井液技术和固井工艺技术等关键技术的研究,形成大宁-吉县区块深层煤岩气水平井钻井技术。在先导性试验区25口水平井中应用结果表明:高性能PDC钻头平均进尺、平均机械钻速明显提升,复杂时效有效降低,钻井周期明显缩短,防漏堵漏提升明显,固井质量合格率100%,提质提效效果明显。研究成果可为鄂尔多斯盆地东缘深层煤岩气的有效动用提供技术支持,对我国其他深层煤岩气区块勘探开发具有一定的借鉴意义。

载人小行星探测任务总体方案研究

设计了在近地轨道组装具有分组单元结构的载人深空飞船,包括核热推进单元、燃料储箱与供给单元、主动防辐射单元、人工重力单元、深空居住舱与多任务乘员舱等,给出了各个单元的尺寸与质量参数,并对主要单元的具体组成、功能和技术特点进行了分析。在此基础上,本文以编号4660的Nereus小行星为探测目标,设计了两脉冲转移初始轨道,并进行了轨道优化,得到了发射窗口和最优转移轨道。仿真结果表明,给出的最优两脉冲转移轨道单次施加脉冲在5km/s以内,单程转移时间在160d以内,能够满足未来能量较小的载人小行星探测任务。

用DE求解最小能量借力飞行问题

提出了一种差分演化算法(DE)以求解最小能量借力飞行问题。分析借力飞行的物理过程,用演化算法给出最小能量借力飞行的优化模型。优化算例表明:该算法结果较文献更优。