一種滑動導向鉆井閉環控制系統及其控制方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種油氣田定向鉆井過程中控制井眼軌跡的閉環控制系統及其控制 方法，具體涉及一種在使用導向螺桿馬達進行滑動導向定向鉆井時自動控制井眼軌跡的閉 環控制系統及其控制方法。
【背景技術】
[0002] 在定向井（尤其是高狗腿度）鉆井作業過程中，導向螺桿馬達動力鉆具一直占有 優勢。導向螺桿馬達主要有兩種工作模式：旋轉模式和定向模式（或導向模式）。在旋轉 模式鉆進過程中，轉盤或頂驅采用低轉速從地面旋轉鉆柱將動力傳遞至鉆頭，馬達的彎頭 會均勻地指向不同方向，從而沿著直線方向鉆進。由于地層巖性變化、鉆具系統和鉆井工程 參數變化等原因，井下動力鉆具的工具面容易發生漂移，從而導致實際井眼軌跡偏離設計 軌跡。隨鉆測量工具（MWD)實時測量并上傳的井斜角和方位角可以提醒司鉆實鉆軌跡和設 計軌跡之間的偏移。要糾正這些偏移，司鉆必須從旋轉模式切換到定向模式以調整井眼軌 跡。在滑動模式下，首先要將鉆柱提離井底并停止旋轉，然后定向司鉆才能通過擺工具面使 井下馬達彎頭的朝向指向井眼軌跡設計所需的方向。擺工具面的任務并不容易，需考慮鉆 頭扭矩、鉆柱反扭矩以及鉆柱與井壁之間的摩阻，所以司鉆要在地面上緩慢旋轉鉆柱，然后 參考MWD測量到的工具面的變化。在較深的井眼里，鉆柱會吸收大量的扭矩，地面上可能旋 轉幾圈之后井底的工具才轉動一圈。當合適的工具面被確認后，司鉆會啟動井下馬達開始 沿著目標方向滑動鉆進。由于鉆頭切入地層后產生的反扭矩會使工具面左右擺動，所以有 時需要反復地去調整工具面的方向。顯然，這種依靠司鉆經驗的擺工具面方式會影響鉆井 進度，增加鉆井成本。
【發明內容】
[0003] 針對上述問題，本發明的目的是提供一種能夠大幅度提高滑動導向定向鉆井作業 效率，減少井下復雜情況，提高油氣田勘探開發經濟效益的滑動導向鉆井閉環控制系統及 其控制方法。
[0004] 為實現上述目的，本發明采取以下技術方案：一種滑動導向鉆井閉環控制系統，其 特征在于，它包括動態測量子系統、地面監控子系統和執行子系統；所述動態測量子系統包 括用于測量頂驅/轉盤轉角/扭矩的頂驅/轉盤角度/扭矩測量單元，用于測量近鉆頭鉆 壓/扭矩的鉆壓測量單元，以及用于測量實鉆井眼軌跡參數和井下動力鉆具工具面的井下 隨鉆測量單元，實鉆井眼軌跡參數包括井斜和方位；
[0005] 所述地面監控與決策子系統包括鉆井參數采集單元、井眼軌跡修正單元、控制決 策單元和控制指令發送單元；所述鉆井參數采集單元分別電連接所述頂驅/轉盤角度/扭 矩測量單元、鉆壓測量單元和隨鉆測量單元，其采集和實時顯示頂驅/轉盤旋轉角度/扭 矩、近鉆頭鉆壓/扭矩、實鉆井眼軌跡參數和井下鉆具工具面，并將上述參數發送給所述井 眼軌跡修正單元；所述井眼軌跡修正單元依次判斷井下鉆具工具面和實鉆井眼軌跡參數 是否超出設定閾值：若僅井下鉆具工具面超出設定閾值，則直接將判斷結果發送給所述控 制決策單元；若二者均超出設定閾值則根據實鉆井眼軌跡參數和靶點，修正新的待鉆井眼 軌跡的井斜和方位，并發送給所述控制決策單元；所述控制決策單元結合內嵌的頂驅/轉 盤-鉆壓聯合控制圖版確定鉆壓和頂驅/轉盤角度調整策略，并發送給所述控制指令發送 單元；所述控制指令發送單元向所述執行子系統發送鉆壓調整指令和頂驅/轉盤角度調整 指令；所述執行子系統包括頂驅/轉盤控制單元和絞車控制單元，所述頂驅/轉盤控制單元 和絞車控制單元的輸入端均與所述控制指令發送單元相連接，所述頂驅/轉盤控制單元和 絞車控制單元的輸出端分別與頂驅/轉盤和絞車相連接；所述絞車控制單元接收到鉆壓調 整指令后控制所述絞車的滾筒驅動電機，進而控制所述絞車的轉速，使井下動力鉆具鉆壓 維持在設計鉆壓；所述頂驅/轉盤控制單元接收到頂驅/轉盤角度調整指令后控制所述頂 驅/轉盤旋轉至目標角度后，鎖定所述頂驅/轉盤。
[0006] 在一個優選的實施例中，所述控制決策單元中內嵌的頂驅/轉盤-鉆壓聯合控制 圖版是在鉆井前將設計井眼軌跡參數、鉆井參數和設計容差輸入到多體動力學仿真軟件中 對導向鉆井系統進行多體動力學建模與計算分析后，得到在設計井眼軌跡參數下不同測點 的鉆壓值、摩阻、扭矩以及在該鉆壓值下頂驅旋轉角度與工具面旋轉角度之間的關系，這些 值共同構成頂驅/轉盤-鉆壓聯合控制圖版；其中，設計井眼軌跡參數包括設計井斜和方 位，鉆井參數包括鉆具信息、鉆井液信息和地層信息。
[0007] 一種采用上述系統實現的滑動導向鉆井閉環控制方法，其包括以下步驟：
[0008] 1)在進行滑動導向鉆進階段，鉆壓測量單元實時測量近鉆頭鉆壓/扭矩，隨鉆測 量單元實時測量實鉆井眼軌跡參數以及井下動力鉆具工具面，并將上述參數由泥漿脈沖傳 送至地面監控與決策子系統；
[0009] 2)鉆井參數采集單元接收隨鉆測量的實鉆井眼軌跡參數以及井下動力鉆具工具 面并發送給井眼軌跡修正單元，井眼軌跡修正單元首先判斷井下動力鉆具工具面是否超 出設定閾值：如果該井下動力鉆具工具面超出了設定閾值，則執行步驟3);反之執行步驟 7)；
[0010] 3)井眼軌跡修正單元將實鉆井眼軌跡參數與設計井眼軌跡參數進行比較：如果 實鉆井眼軌跡參數與設計井眼軌跡參數有偏差，則根據設計井眼軌跡參數和靶點重新修正 井斜、方位，并執行步驟4);反之執行步驟5);
[0011] 4)控制決策單元接收到修正后的井斜、方位后，并結合內嵌的頂驅/轉盤-鉆壓聯 合控制圖版，進一步確定鉆壓和頂驅/轉盤角度調整策略后發送給控制指令發送單元，并 執行步驟6);
[0012] 5)控制決策單元比較井下動力鉆具工具面與設定閾值的偏差，并結合內嵌的頂驅 /轉盤-鉆壓聯合控制圖版，進一步確定鉆壓和頂驅/轉盤角度調整策略后發送給控制指令 發送單元，并執行步驟6);
[0013] 6)控制指令發送單元向絞車控制單元發送鉆壓調整指令，絞車控制單元控制絞車 的滾筒驅動電機，進而控制絞車的轉速，使鉆壓維持在設計鉆壓；同時，控制指令發送單元 向頂驅/轉盤控制單元發送頂驅/轉盤角度調整指令，頂驅/轉盤控制單元控制頂驅/轉 盤旋轉至目標角度后鎖定頂驅/轉盤；
[0014] 7)繼續鉆進使實鉆井眼軌跡保持或回歸到設計井眼軌跡；
[0015] 8)隨鉆測量單元繼續實時測量實鉆井眼軌跡參數以及井下動力鉆具工具面并傳 送至地面監控與決策子系統，若發現井下動力鉆具工具面超出設定閾值，則返回步驟2)。
[0016] 本發明由于采取以上技術方案，其具有以下優點：本發明的定向鉆井閉環控制系 統通過動態測量單元子系統實時測量井斜、方位和井下動力鉆具工具面等參數，并將上述 參數發送給地面監控子系統，地面監控子系統通過對比發現實鉆井眼軌跡偏離設計井眼軌 跡時，根據設計井眼軌跡和靶點重新確定待鉆進井眼軌跡，并結合根據多體動力學仿真設 計分析得出的頂驅/轉盤-鉆壓聯合控制圖版確定頂驅/轉盤旋轉角度和鉆壓調整策略， 然后通過執行子系統調整頂驅/轉盤的旋轉角度和游車速度，動態調整井下動力鉆具工具 面的漂移和鉆壓，從而維持井下工具面和鉆壓的穩定，實現了滑動導向鉆井井眼軌跡閉環 自動控制，有效地提高了定向井井眼軌跡的作業效率和控制精度，改善了井眼質量。本發明 可以廣泛應用于使用螺桿馬達進行滑動導向定向鉆進作業中。
【附圖說明】
[0017] 圖1是本發明滑動導向鉆井軌跡閉環控制系統的結構框圖；
[0018] 圖2是本發明滑動導向鉆井閉環控制方法的流程示意圖。
【具體實施方式】
[0019] 下面結合附圖和實施例對本發明進行詳細的描述。
[0020] 如圖1所示，本發明的滑動導向鉆井閉環控制系統包括動態測量子系統10、地面 監控與決策子系統20和執行子系統30。
[0021] 其中，動態測量單元子系統10包括一用于測量頂驅旋轉角度或扭矩的頂驅角度/ 扭矩測量單元101，一用于測量近鉆頭鉆壓/扭矩的鉆壓測量單元102,以及一用于測量井 斜、方位等實鉆井眼軌跡參數和井下動力鉆具工具面的隨鉆測量單元103。
[0022] 地面監控與決策子系統20包括鉆井參數采集單元201、井眼軌跡修正單元202、控 制決策單元203和控制指令發送單元204。鉆井參數采集單元201分別電連接頂驅角度/ 扭矩測量單元101、鉆壓測量單元102和隨鉆測量單元103,其采集和實時顯示頂驅旋轉角 度/扭矩，近鉆頭鉆壓/扭矩以及井斜、方位和井下鉆具工具面等參數，并將上述參數發送 給井眼軌跡修正單元202。井眼軌跡修正單元依次判斷井下鉆具工具面和實鉆井眼軌跡參 數是否超出設定閾值：若僅井下鉆具工具面超出設定閾值，則直接將判斷結果發送給控制 決策單元203 ;若二者均超出設定閾值則根據實鉆井眼軌跡參數和靶點，修正新的待鉆井 眼軌跡的井斜和方位，并發送給控制決策單元203。控制決策單元203結合內嵌的頂驅-鉆 壓聯合控制圖版確定鉆壓和頂驅角度調整策略，并發送給控制指令發送單元204。控制指令 發送單元204向執行子系統30發送鉆壓調整指令和頂驅角度調整指令。
[0023] 執行子系統30包括頂驅控制單元301和絞車控制單元302,頂驅控制單元301和 絞車控制單元302的輸入端均與控制指令發送單元204相連接，頂驅控制單元301和絞車 控制單元302的輸出端分別與頂驅40和絞車50相連接。絞車控制單元302接收到鉆壓調 整指令后控制絞車50的滾筒驅動電機，進而控制絞車50的轉速，使井下動力鉆