基于井下鉆具工具面動態控制的轉盤式鉆機系統及鉆井方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種油氣田鉆機系統及鉆井方法，特別是關于一種基于多體動力學模型的井下鉆具工具面動態控制的轉盤式鉆機系統及鉆井方法。
【背景技術】
[0002]滑動導向鉆進是定向鉆井作業的一種常用方法，它采用井下彎角式動力鉆具進行造斜。然而，在地層巖性變化、泥漿流量變化和鉆頭磨損等情況下動力鉆具工具面易發生偏移，致使實際井眼偏離設計軌跡。目前，處理該問題的通用方法是在停鉆后提鉆并重新調整井下動力鉆具，使井下動力鉆具的工具面指向正確位置，然而這種方法降低了鉆井作業效率。使用隨鉆測量設備可以實時測量井下鉆具工具面，并根據測量結果在井上通過轉動頂驅或轉盤來調控或修正井下動力鉆具工具面的方向，但由于隨鉆測量設備中的鉆柱系統較長且鉆柱系統與井壁有大范圍接觸，難以確定轉動頂驅或轉盤所需的角度。
【發明內容】
[0003]針對上述問題，本發明的目的是提供一種基于多體動力學模型的井下鉆具工具面動態控制的轉盤式鉆機系統及鉆井方法，以提高定向鉆井作業的效率和精度。
[0004]為實現上述目的，本發明采取以下技術方案:一種基于井下鉆具工具面動態控制的轉盤式鉆機系統，其特征在于，該鉆機系統包括動態控制系統和鉆井系統；其中，所述動態控制系統包括動態測量子系統、反饋控制子系統、用戶交互子系統和執行子系統；所述動態測量單元子系統包括泥漿栗栗速測量單元、大鉤位置測量單元、轉盤提力測量單元、轉盤角度扭矩測量單元和井下隨鉆測量單元；所述反饋控制子系統包括泥漿栗栗速采集單元、大鉤信息采集單元、轉盤信息采集單元、工具面采集單元、主控程序單元、鉆具信息單元、鉆井液信息單元、地層信息單元、控制策略單元、測控信息單元、泥漿栗栗入鉆井液的速度控制單元、大鉤位置控制單元和轉盤角度控制單元；所述泥漿栗栗速測量單元、大鉤位置測量單元和井下隨鉆測量單元的輸出端分別電連接所述泥漿栗栗速采集單元、大鉤信息采集單元和工具面采集單元的輸入端；所述轉盤提力測量單元和轉盤角度扭矩測量單元的輸出端分別電連接所述轉盤信息采集單元的輸入端；所述泥漿栗栗速采集單元、大鉤信息采集單元、轉盤信息采集單元、工具面采集單元、鉆具信息單元、鉆井液信息單元、地層信息單元和控制策略單元的輸出端分別電連接所述主控程序單元的輸入端，所述主控程序單元的輸出端分別電連接所述測控信息單元、泥漿栗栗入鉆井液的速度控制單元、大鉤位置控制單元和轉盤角度控制單元的輸入端；所述用戶交互子系統包括用戶界面單元、用戶輸入單元和系統輸出單元；所述用戶界面單元的輸入端電連接所述系統輸出單元的輸出端，所述用戶界面單元的輸出端電連接所述用戶輸入單元的輸入端；所述用戶輸入單元的輸出端同時電連接所述鉆具信息單元、鉆井液信息單元、地層信息單元和控制策略單元的輸入端，所述系統輸出單元的輸入端電連接所述測控信息單元的輸出端；所述執行子系統包括泥漿栗單元、大鉤單元和轉盤單元；所述泥楽栗單元、大鉤單元和轉盤單元的輸入端分別電連接所述泥漿栗栗入鉆井液的速度控制單元、大鉤位置控制單元和轉盤角度控制單元的輸出端；所述鉆井系統包括一鉆臺，所述鉆臺的底板中部安裝防噴器，所述鉆臺的頂板中部轉動連接所述轉盤單元，所述轉盤單元通過傳動機構連接設置在所述鉆臺一側的轉盤電機；所述鉆頭連接彎曲式造斜動力鉆具的一端，所述彎曲式造斜動力鉆具的另一端通過所述井下隨鉆測量單元連接鉆桿的一端，所述鉆桿的另一端穿過所述防噴器后連接方鉆桿的一端，所述方鉆桿的另一端穿過所述轉盤單元后連接水龍頭的下端，所述水龍頭的上端則與立管連接。
[0005]—種采用上述鉆機系統實現的基于井下鉆具工具面動態控制的鉆井方法，其包括以下步驟:
[0006]I)用戶通過用戶交互子系統輸入鉆具信息、鉆井液信息、地層信息和控制策略至反饋控制子系統的主控程序單元；其中，控制策略中包含預先設定的井下鉆具工具面閾值；
[0007]2)主控程序單元根據接收到的鉆具信息、鉆井液信息和地層信息，建立鉆井系統的多體動力學模型；
[0008]3)動態測量子系統測量鉆井過程中鉆井系統的各項信息，并將這些信息傳遞給反饋控制子系統的主控程序單元；
[0009]4)主控程序單元根據接收到的鉆井系統的各項信息和用戶輸入的控制策略判斷井下鉆具工具面是否超出控制策略中設定的井下鉆具工具面閾值:如果是，則通過多體動力學仿真計算轉盤所需的轉動角度、大鉤的位置和泥漿栗栗速后傳輸至執行子系統，并執行步驟5);如果否，則繼續鉆進并執行步驟6);
[0010]5)后傳輸至執行子系統根據計算得到的轉盤所需的轉動角度、大鉤的位置和泥漿栗栗速，驅動轉盤、大鉤和泥漿栗動作，繼續鉆進以使井下鉆具工具面回歸到設計位置；
[0011]6)用戶交互子系統顯示當前鉆進信息和控制指令；
[0012]7)根據步驟6)中顯示的當前鉆進信息和控制指令，判斷用戶是否通過用戶交互子系統修改了輸入信息:如果是，則返回步驟2);如果否，則返回步驟3)。
[0013]在上述步驟3)中，動態測量子系統測量的鉆井系統的各項信息包括泥漿栗栗速信息、大鉤位置信息、轉盤的轉動角度和施加給鉆桿的扭矩信息、鉆桿受到的上提力信息和井下鉆具工具面信息。
[0014]本發明由于采取以上技術方案，其具有以下優點:1、本發明由于提出了一種基于多體動力學模型的井下動力鉆具工具面的動態控制方法，通過對井下動力鉆具工具面的動態估計和井上轉盤調整角度的動態計算調控轉盤轉動角度，從而動態地控制井下工具面方向，使其保持在用戶指定的角度閾值內，因此本發明能夠實現對井下定向動力鉆具滑動導向鉆進期間工具面的動態調整，動態糾正井下動力鉆具工具面的漂移，提高定向井井眼軌跡的控制精度和作業效率，有效改善井眼質量。2、本發明由于根據用戶設置的控制策略，如泥漿栗栗速變化規律、大鉤移動規律或轉盤轉動規律，建立了一種井下動力鉆具工具面的動態控制系統，該控制系統能夠將井下定向動力鉆具的工具面自動調整到用戶規定方向，因此本發明能降低粘鉆和卡鉆概率，實現鉆壓的有效傳遞，降低井下事故率，提高鉆井作業效率。3、本發明由于對鉆井系統進行多體動力學仿真后，能夠實時獲得井下定向動力鉆具的工具面方向，并且能夠降低隨鉆測量系統信號傳輸延遲對鉆具控制規律計算的影響，因此本發明能降低控制與鉆具偏移耦合的可能，預防井下動力鉆具工具面控制發散，降低井下事故率，提高鉆進過程可靠性和安全性，提高鉆井作業效率。基于以上優點，本發明可以廣泛應用于對各種滑動導向鉆井作業中的井下動力鉆具工具面動態控制中。
【附圖說明】
[0015]以下結合附圖來對本發明進行詳細的描繪。然而應當理解，附圖的提供僅為了更好地理解本發明，它們不應該理解成對本發明的限制。
[0016]圖1是本發明動態控制系統的結構示意圖；
[0017]圖2是本發明鉆井系統的結構示意圖；
[0018]圖3是本發明動態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、圖2所示，本發明的鉆機系統包括動態控制系統100和鉆井系統200。
[0021]如圖1所不，動態控制系統100包括動態測量子系統10、反饋控制子系統20、用戶交互子系統30和執行子系統40。
[0022]其中，動態測量單元子系統10包括泥楽栗栗速測量單元101、大鉤位置測量單元102、轉盤提力測量單元103、轉盤角度扭矩測量單元104和井下隨鉆測量單元105。
[0023]反饋控制子系統20包括泥漿栗栗速采集單元201、大鉤信息采集單元202、轉盤信息采集單元203、工具面采集單元204、主控程序單元205、鉆具信息單元206、鉆井液信息單元207、地層信息單元208、控制策略單元209、測控信息單元210、泥漿栗栗入鉆井液的速度控制單元211、大鉤位置控制單元212和轉盤角度控制單元213。其中，泥漿栗栗速測量單元101、大鉤位置測量單元102和井下隨鉆測量單元105的輸出端分別電連接泥漿栗栗速采集單元201、大鉤信息采集單元202和工具面采集單元204的輸入端；轉盤提力測量單元103和轉盤角度扭矩測量單元104的輸出端分別電連接轉盤信息采集單元203的輸入端。泥漿栗栗速采集單元201、大鉤信息采集單元202、轉盤信息采集單元203、工具面采集單元204、鉆具信息單元206、鉆井液信息單元207、地層信息單元208和控制策略單元209的輸出端分別電連接主控程序單元205的輸入端，主控程序單元205的輸出端分別電連接測控信息單元210、泥漿栗栗入鉆井液的速度控制單元211、大鉤位置控制單元212和轉盤角度控制單元213的輸入端。
[0024]用戶交互子系統30包括用戶界面單元301、用戶輸入單元302和系統輸出單元303。其中，用戶界面單元301的輸入端電連接系統輸出單元303的輸出端，用戶界面單元301的輸出端電連接用戶輸入單元302的輸入端。用戶輸入單元302的輸出端同時電連接鉆具信息單元206、鉆井液信息單元207、地層信息單元208和控制策略單元209的輸入端，系統輸出單元303的輸入端電連接測控信息單元210的輸出端。
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