CN102619498A - 基于顶部驱动与地面控制的导向钻井系统及钻井作业方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于顶部驱动与地面控制的导向钻井系统及钻井作业方法，包括顶部驱动装置，地面信号处理系统包括信号采集模块，信号采集模块与信号滤波放大模块相连，信号滤波放大模块与信号解码模块相连，信号滤波放大模块可滤出电信号中的杂波并将有效信号放大增强后输送至信号解码模块，信号解码模块与模数转换模块相连，模数转换模块与信息输出模块相连，信息输出模块分别与信息计算模块和显示设备相连，信息计算模块与信息传输模块相连，信息传输模块通过接口电路与顶部驱动电气控制装置相连。其目的在于提供一种作业效率高，精度控制准确，工作性能稳定，能在多种地质条件下施工作业的基于顶部驱动与地面控制的导向钻井系统及钻井作业方法。

Description

基于顶部驱动与地面控制的导向钻井系统及钻井作业方法

技术领域

本发明涉及一种基于顶部驱动与地面控制的导向钻井系统及钻井作业方法。

背景技术

石油天然气行业出于提高油层钻遇率和采收率、提高井眼质量等要求，需要钻定向井、水平井、大位移水平井等，使井眼按设计的轨迹在地层内穿行。为此，需要使用带一定弯角度(弯壳体)，具有一定造斜能力的井下动力钻具，并且使用井下随钻测量仪器和随钻导向控制工具，实施井下闭环控制的定向钻井或连续控制钻井。其基本方法是：当需要改变钻进方向(即造斜或扭方位)时，随钻测量仪器会提供井下井斜、方位等参数的测量值，随钻导向控制工具在得到井斜、方位等参数的测量值后，根据地面指令或储存的井眼轨迹参数自动调整井下导向控制工具的导向控制执行机构(即可变伸出方向和大小的稳定器)，使井眼按稳定器伸出的相反方向钻进。当需要保持钻井方向不变(即稳斜或保持方位)时，井下导向控制机构恢复为初始状态，使井眼沿钻柱轴线方向直线钻进。该技术的优点在于：钻进特别是定向过程不需要人工干预，提高了作业效率和控制精度，在一定程度上提高了机械钻速。但是，该技术也有一个大的缺点，即在井下放入了精密、复杂、昂贵的随钻电子仪器和导向控制机构，钻井作业受钻井井下的温度、震动等影响和限制很大，随钻仪器的可靠性也对钻井作业有很大影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种作业效率高，精度控制准确，工作性能稳定，能在多种地质条件下施工作业的基于顶部驱动与地面控制的导向钻井系统及钻井作业方法。

本发明基于顶部驱动与地面控制的导向钻井系统，包括顶部驱动装置，顶部驱动装置的动力输出端与钻柱的后端相连，钻柱的前部设有井下数据采集系统，钻柱上位于井下数据采集系统的前方设有带弯壳的井下动力钻具，井下动力钻具的前端设有钻头，所述顶部驱动装置与顶部驱动装置控制系统电连接，顶部驱动装置控制系统包括地面信号处理系统和顶部驱动电气控制装置，所述地面信号处理系统包括信号采集模块，信号采集模块与信号滤波放大模块相连，信号滤波放大模块与信号解码模块相连，信号滤波放大模块可滤出电信号中的杂波并将有效信号放大增强后输送至信号解码模块，信号解码模块与模数转换模块相连，模数转换模块与信息输出模块相连，信息输出模块分别与信息计算模块和显示设备相连，信息计算模块与信息传输模块相连，信息传输模块通过接口电路与所述顶部驱动电气控制装置相连；

所述井下数据采集系统包括安装在井下动力钻具上的用于测量底层电阻率的电阻率传感器、用于测量底层伽玛值的伽玛传感器和加速度传感器，电阻率传感器与电阻率测量模块E.R相连，所述伽玛传感器与伽玛测量模块M相连，所述加速度传感器与井斜、方位、工具面测量模块RM相连，井斜、方位、工具面测量模块RM、伽玛测量模块M和电阻率测量模块E.R分别与测传主控模块相连，测传主控模块与编码控制系统相连，编码控制系统与所述信号采集模块相连。

本发明的基于顶部驱动与地面控制的导向钻井系统的钻井作业方法，包括如下步骤：

1)准备基于顶部驱动与地面控制的导向钻井系统，包括顶部驱动装置，顶部驱动装置的动力输出端与钻柱的后端相连，钻柱的前部设有井下数据采集系统，钻柱上位于井下数据采集系统的前方设有带弯壳的井下动力钻具，井下动力钻具的前端设有钻头，所述顶部驱动装置与顶部驱动装置控制系统电连接，顶部驱动装置控制系统包括地面信号处理系统和顶部驱动电气控制装置，所述地面信号处理系统包括信号采集模块，信号采集模块与信号滤波放大模块相连，信号滤波放大模块与信号解码模块相连，信号滤波放大模块可滤出电信号中的杂波并将有效信号放大增强后输送至信号解码模块，信号解码模块与模数转换模块相连，模数转换模块与信息输出模块相连，信息输出模块分别与信息计算模块和显示设备相连，信息计算模块与信息传输模块相连，信息传输模块通过接口电路与所述顶部驱动电气控制装置相连；

所述信号采集模块可将泥浆压力信号转换为电信号，所述信号采集模块可将由泥浆压力信号转换的电信号输送至所述信号滤波放大模块，所述信号解码模块可对信号进行分析解码，所述模数转换模块可将模拟量转换成数字量，所述信息输出模块可按需要将相应的数字量或模拟量输出到显示设备或信息计算模块，所述信息计算模块可计算分析传送来的信息，并通过接口电路将计算结果输送至所述顶部驱动电气控制装置；

所述井下数据采集系统包括安装在井下动力钻具上的用于测量底层电阻率的电阻率传感器、用于测量底层伽玛值的伽玛传感器和加速度传感器，电阻率传感器与电阻率测量模块E.R相连，所述伽玛传感器与伽玛测量模块M相连，所述加速度传感器与井斜、方位、工具面测量模块RM相连，井斜、方位、工具面测量模块RM、伽玛测量模块M和电阻率测量模块E.R分别与测传主控模块相连，测传主控模块与编码控制系统相连，编码控制系统与所述信号采集模块相连；

所述测传主控模块可控制电阻率测量模块E.R、伽玛测量模块M和井斜、方位、工具面测量模块RM的工作时间和工作频率，同时可将电阻率测量模块E.R、伽玛测量模块M和井斜、方位、工具面测量模块RM传送的测量参数按规律进行排序分配，给编码控制系统编码，为后续传输作准备。

2)采用基于顶部驱动与地面控制的导向钻井系统进行钻进作业，在钻进作业过程中，以钻头为破岩工具，由顶部驱动装置通过井下动力钻具带动钻头钻进，通过带弯壳的井下动力钻具实现井沿轨迹的倾斜控制，在钻进过程中，井下数据采集系统的电阻率传感器、伽玛传感器和加速度传感器随时测量相关参数，并将到测量的相关参数传递给地面信号处理系统的信号采集模块；

3)地面信号处理系统根据井下参数采集系统测量的参数与设定方位进行比较，并将比较结果传输给顶部驱动装置控制系统，当钻进方位出现偏差时，地面信号处理系统会发出命令给顶部驱动电气控制装置，顶部驱动电气控制装置让顶部驱动装置转动井下动力钻具的弯壳方向，以实现方位纠正的目的，当井斜出现偏差时，如果井斜小于设定值，地面信号处理系统会发出命令给顶部驱动电气控制装置，顶部驱动电气控制装置让顶部驱动装置将带弯壳体的井下动力钻具锁定在增斜位置，相反，如果井斜大于设定值，地面信号处理系统会发出命令给顶部驱动电气控制装置，顶部驱动电气控制装置让顶部驱动装置将带弯壳体的井下动力钻具锁定在降斜位置，当井斜满足要求时，井下动力钻具进行稳斜作业，直至形成钻井。

本发明基于顶部驱动与地面控制的导向钻井系统及钻井作业方法，采用了本发明特有的技术方案，其井下数据采集系统包括安装在井下动力钻具上的用于测量底层电阻率的电阻率传感器、用于测量底层伽玛值的伽玛传感器和加速度传感器，电阻率传感器与电阻率测量模块E.R相连，所述伽玛传感器与伽玛测量模块M相连，所述加速度传感器与井斜、方位、工具面测量模块RM相连，井斜、方位、工具面测量模块RM、伽玛测量模块M和电阻率测量模块E.R分别与测传主控模块相连，测传主控模块与编码控制系统相连，编码控制系统与所述信号采集模块相连。因此，本发明基于顶部驱动与地面控制的导向钻井系统及钻井作业方法具有作业效率高，精度控制准确，工作性能稳定，能在多种地质条件下施工作业等特点。

下面结合附图及实施例详述本发明。

附图说明

图1为本发明基于顶部驱动与地面控制的导向钻井系统的地面信号处理系统的原理图；

图2为本发明基于顶部驱动与地面控制的导向钻井系统的井下数据采集系统的原理图。

具体实施方式

本发明基于顶部驱动与地面控制的导向钻井系统，包括顶部驱动装置，顶部驱动装置的动力输出端与钻柱的后端相连，钻柱的前部设有井下数据采集系统，钻柱上位于井下数据采集系统的前方设有带弯壳的井下动力钻具，井下动力钻具的前端设有钻头，顶部驱动装置与顶部驱动装置控制系统电连接，顶部驱动装置控制系统包括地面信号处理系统和顶部驱动电气控制装置。

如图1所示，地面信号处理系统包括信号采集模块，信号采集模块与信号滤波放大模块相连，信号滤波放大模块与信号解码模块相连，信号滤波放大模块可滤出电信号中的杂波并将有效信号放大增强后输送至信号解码模块，信号解码模块与模数转换模块相连，模数转换模块与信息输出模块相连，信息输出模块分别与信息计算模块和显示设备相连，信息计算模块与信息传输模块相连，信息传输模块通过接口电路与顶部驱动电气控制装置相连；

如图2所示，井下数据采集系统包括安装在井下动力钻具上的用于测量底层电阻率的电阻率传感器、用于测量底层伽玛值的伽玛传感器和加速度传感器，电阻率传感器与电阻率测量模块E.R相连，伽玛传感器与伽玛测量模块M相连，加速度传感器与井斜、方位、工具面测量模块RM相连，井斜、方位、工具面测量模块RM、伽玛测量模块M和电阻率测量模块E.R分别与测传主控模块相连，测传主控模块与编码控制系统相连，编码控制系统与信号采集模块相连。

实施例1

本发明的钻井作业方法，包括如下步骤：

1)准备基于顶部驱动与地面控制的导向钻井系统，包括顶部驱动装置，顶部驱动装置的动力输出端与钻柱的后端相连，钻柱的前部设有井下数据采集系统，钻柱上位于井下数据采集系统的前方设有带弯壳的井下动力钻具，井下动力钻具的前端设有钻头，顶部驱动装置与顶部驱动装置控制系统电连接，顶部驱动装置控制系统包括地面信号处理系统和顶部驱动电气控制装置。

如图1所示，地面信号处理系统包括信号采集模块，信号采集模块与信号滤波放大模块相连，信号滤波放大模块与信号解码模块相连，信号滤波放大模块可滤出电信号中的杂波并将有效信号放大增强后输送至信号解码模块，信号解码模块与模数转换模块相连，模数转换模块与信息输出模块相连，信息输出模块分别与信息计算模块和显示设备相连，信息计算模块与信息传输模块相连，信息传输模块通过接口电路与顶部驱动电气控制装置相连；

上述信号采集模块可将泥浆压力信号转换为电信号，信号采集模块可将由泥浆压力信号转换的电信号输送至信号滤波放大模块，信号解码模块可对信号进行分析解码，模数转换模块可将模拟量转换成数字量，信息输出模块可按需要将相应的数字量或模拟量输出到显示设备或信息计算模块，信息计算模块可计算分析传送来的信息，并通过接口电路将计算结果输送至顶部驱动电气控制装置；

如图2所示，井下数据采集系统包括安装在井下动力钻具上的用于测量底层电阻率的电阻率传感器、用于测量底层伽玛值的伽玛传感器和加速度传感器，电阻率传感器与电阻率测量模块E.R相连，伽玛传感器与伽玛测量模块M相连，加速度传感器与井斜、方位、工具面测量模块RM相连，井斜、方位、工具面测量模块RM、伽玛测量模块M和电阻率测量模块E.R分别与测传主控模块相连，测传主控模块与编码控制系统相连，编码控制系统与信号采集模块相连；

上述测传主控模块可控制电阻率测量模块E.R、伽玛测量模块M和井斜、方位、工具面测量模块RM的工作时间和工作频率，同时可将电阻率测量模块E.R、伽玛测量模块M和井斜、方位、工具面测量模块RM传送的测量参数按规律进行排序分配，给编码控制系统编码，为后续传输作准备。

2)采用基于顶部驱动与地面控制的导向钻井系统进行钻进作业，在钻进作业过程中，以钻头为破岩工具，由顶部驱动装置通过井下动力钻具带动钻头钻进，通过带弯壳的井下动力钻具实现井沿轨迹的倾斜控制，在钻进过程中，井下数据采集系统的电阻率传感器、伽玛传感器和加速度传感器随时测量相关参数，并将到测量的相关参数传递给地面信号处理系统的信号采集模块；

3)地面信号处理系统根据井下参数采集系统测量的参数与设定方位进行比较，并将比较结果传输给顶部驱动装置控制系统，当钻进方位出现偏差时，地面信号处理系统会发出命令给顶部驱动电气控制装置，顶部驱动电气控制装置让顶部驱动装置转动井下动力钻具的弯壳方向，以实现方位纠正的目的，当井斜出现偏差时，如果井斜小于设定值，地面信号处理系统会发出命令给顶部驱动电气控制装置，顶部驱动电气控制装置让顶部驱动装置将带弯壳体的井下动力钻具锁定在增斜位置，相反，如果井斜大于设定值，地面信号处理系统会发出命令给顶部驱动电气控制装置，顶部驱动电气控制装置让顶部驱动装置将带弯壳体的井下动力钻具锁定在降斜位置，当井斜满足要求时，井下动力钻具进行稳斜作业，直至形成钻井。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.基于顶部驱动与地面控制的导向钻井系统，包括顶部驱动装置，顶部驱动装置的动力输出端与钻柱的后端相连，钻柱的前部设有井下数据采集系统，钻柱上位于井下数据采集系统的前方设有带弯壳的井下动力钻具，井下动力钻具的前端设有钻头，所述顶部驱动装置与顶部驱动装置控制系统电连接，顶部驱动装置控制系统包括地面信号处理系统和顶部驱动电气控制装置，其特征是：所述地面信号处理系统包括信号采集模块，信号采集模块与信号滤波放大模块相连，信号滤波放大模块与信号解码模块相连，信号滤波放大模块可滤出电信号中的杂波并将有效信号放大增强后输送至信号解码模块，信号解码模块与模数转换模块相连，模数转换模块与信息输出模块相连，信息输出模块分别与信息计算模块和显示设备相连，信息计算模块与信息传输模块相连，信息传输模块通过接口电路与所述顶部驱动电气控制装置相连；

所述井下数据采集系统包括安装在井下动力钻具上的用于测量底层电阻率的电阻率传感器、用于测量底层伽玛值的伽玛传感器和加速度传感器，电阻率传感器与电阻率测量模块E.R相连，所述伽玛传感器与伽玛测量模块M相连，所述加速度传感器与井斜、方位、工具面测量模块RM相连，井斜、方位、工具面测量模块RM、伽玛测量模块M和电阻率测量模块E.R分别与测传主控模块相连，测传主控模块与编码控制系统相连，编码控制系统与所述信号采集模块相连。

2.基于顶部驱动与地面控制的导向钻井系统的钻井作业方法，其特征是包括如下步骤：

1)准备基于顶部驱动与地面控制的导向钻井系统，包括顶部驱动装置，顶部驱动装置的动力输出端与钻柱的后端相连，钻柱的前部设有井下数据采集系统，钻柱上位于井下数据采集系统的前方设有带弯壳的井下动力钻具，井下动力钻具的前端设有钻头，所述顶部驱动装置与顶部驱动装置控制系统电连接，顶部驱动装置控制系统包括地面信号处理系统和顶部驱动电气控制装置，所述地面信号处理系统包括信号采集模块，信号采集模块与信号滤波放大模块相连，信号滤波放大模块与信号解码模块相连，信号滤波放大模块可滤出电信号中的杂波并将有效信号放大增强后输送至信号解码模块，信号解码模块与模数转换模块相连，模数转换模块与信息输出模块相连，信息输出模块分别与信息计算模块和显示设备相连，信息计算模块与信息传输模块相连，信息传输模块通过接口电路与所述顶部驱动电气控制装置相连；

所述信号采集模块可将泥浆压力信号转换为电信号，所述信号采集模块可将由泥浆压力信号转换的电信号输送至所述信号滤波放大模块，所述信号解码模块可对信号进行分析解码，所述模数转换模块可将模拟量转换成数字量，所述信息输出模块可按需要将相应的数字量或模拟量输出到显示设备或信息计算模块，所述信息计算模块可计算分析传送来的信息，并通过接口电路将计算结果输送至所述顶部驱动电气控制装置；

所述井下数据采集系统包括安装在井下动力钻具上的用于测量底层电阻率的电阻率传感器、用于测量底层伽玛值的伽玛传感器和加速度传感器，电阻率传感器与电阻率测量模块E.R相连，所述伽玛传感器与伽玛测量模块M相连，所述加速度传感器与井斜、方位、工具面测量模块RM相连，井斜、方位、工具面测量模块RM、伽玛测量模块M和电阻率测量模块E.R分别与测传主控模块相连，测传主控模块与编码控制系统相连，编码控制系统与所述信号采集模块相连；

所述测传主控模块可控制电阻率测量模块E.R、伽玛测量模块M和井斜、方位、工具面测量模块RM的工作时间和工作频率，同时可将电阻率测量模块E.R、伽玛测量模块M和井斜、方位、工具面测量模块RM传送的测量参数按规律进行排序分配，给编码控制系统编码，为后续传输作准备。

2)采用基于顶部驱动与地面控制的导向钻井系统进行钻进作业，在钻进作业过程中，以钻头为破岩工具，由顶部驱动装置通过井下动力钻具带动钻头钻进，通过带弯壳的井下动力钻具实现井沿轨迹的倾斜控制，在钻进过程中，井下数据采集系统的电阻率传感器、伽玛传感器和加速度传感器随时测量相关参数，并将到测量的相关参数传递给地面信号处理系统的信号采集模块；

3)地面信号处理系统根据井下参数采集系统测量的参数与设定方位进行比较，并将比较结果传输给顶部驱动装置控制系统，当钻进方位出现偏差时，地面信号处理系统会发出命令给顶部驱动电气控制装置，顶部驱动电气控制装置让顶部驱动装置转动井下动力钻具的弯壳方向，以实现方位纠正的目的，当井斜出现偏差时，如果井斜小于设定值，地面信号处理系统会发出命令给顶部驱动电气控制装置，顶部驱动电气控制装置让顶部驱动装置将带弯壳体的井下动力钻具锁定在增斜位置，相反，如果井斜大于设定值，地面信号处理系统会发出命令给顶部驱动电气控制装置，顶部驱动电气控制装置让顶部驱动装置将带弯壳体的井下动力钻具锁定在降斜位置，当井斜满足要求时，井下动力钻具进行稳斜作业，直至形成钻井。