CN105003203B - 基于井下钻具工具面动态控制的顶驱式钻机系统及钻井方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于井下钻具工具面动态控制的顶驱式钻机系统及钻井方法，该钻机系统包括动态控制系统和钻井系统；动态控制系统包括动态测量子系统、反馈控制子系统、用户交互子系统和执行子系统；用户通过用户交互子系统输入钻具信息、钻井液信息、地层信息和控制策略，反馈控制子系统根据接收到的钻具信息、钻井液信息和地层信息，建立钻井系统的多体动力学模型，动态测量子系统测量钻井过程中钻井系统的各项信息，并将这些信息传递给反馈控制子系统；反馈控制子系统判断井下钻具工具面是否超出设定的阈值，并通过多体动力学仿真计算顶驱所需的转动角度、游车的位置和泥浆泵泵速，驱动顶驱、游车和泥浆泵动作，继续钻进以使井下钻具工具面回归到设计位置，以完成对井下钻具工具面的动态调整控制。

Description

基于井下钻具工具面动态控制的顶驱式钻机系统及钻井方法

技术领域

本发明涉及一种油气田钻机系统及钻井方法，特别是关于一种基于多体动力学模型的井下钻具工具面动态控制的顶驱式钻机系统及钻井方法。

背景技术

滑动导向钻进是定向钻井作业的一种常用方法，它采用井下弯角式动力钻具进行造斜。然而，在地层岩性变化、泥浆流量变化和钻头磨损等情况下动力钻具工具面易发生偏移，致使实际井眼偏离设计轨迹。目前，处理该问题的通用方法是在停钻后提钻并重新调整井下动力钻具，使井下动力钻具的工具面指向正确位置，然而这种方法降低了钻井作业效率。使用随钻测量设备可以实时测量井下钻具工具面，并根据测量结果在井上通过转动顶驱或转盘来调控或修正井下动力钻具工具面的方向，但由于随钻测量设备中的钻柱系统较长且钻柱系统与井壁有大范围接触，难以确定转动顶驱或转盘所需的角度。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种基于多体动力学模型的井下钻具工具面动态控制的顶驱式钻机系统及钻井方法，以提高定向钻井作业的效率和精度。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种基于井下钻具工具面动态控制的顶驱式钻机系统，其特征在于，该钻机系统包括动态控制系统和钻井系统；其中，所述动态控制系统包括动态测量子系统、反馈控制子系统、用户交互子系统和执行子系统；所述动态测量单元子系统包括泥浆泵泵速测量单元、游车位置测量单元、顶驱提力测量单元、顶驱角度扭矩测量单元和井下随钻测量单元；所述反馈控制子系统包括泥浆泵泵速采集单元、游车信息采集单元、顶驱信息采集单元、工具面采集单元、主控程序单元、钻具信息单元、钻井液信息单元、地层信息单元、控制策略单元、测控信息单元、泥浆泵泵入钻井液的速度控制单元、游车位置控制单元和顶驱角度控制单元；所述泥浆泵泵速测量单元、游车位置测量单元和井下随钻测量单元的输出端分别电连接所述泥浆泵泵速采集单元、游车信息采集单元和工具面采集单元的输入端；所述顶驱提力测量单元和顶驱角度扭矩测量单元的输出端分别电连接所述顶驱信息采集单元的输入端；所述泥浆泵泵速采集单元、游车信息采集单元、顶驱信息采集单元、工具面采集单元、钻具信息单元、钻井液信息单元、地层信息单元和控制策略单元的输出端分别电连接所述主控程序单元的输入端，所述主控程序单元的输出端分别电连接所述测控信息单元、泥浆泵泵入钻井液的速度控制单元、游车位置控制单元和顶驱角度控制单元的输入端；所述用户交互子系统包括用户界面单元、用户输入单元和系统输出单元；所述用户界面单元的输入端电连接所述系统输出单元的输出端，所述用户界面单元的输出端电连接所述用户输入单元的输入端；所述用户输入单元的输出端同时电连接所述钻具信息单元、钻井液信息单元、地层信息单元和控制策略单元的输入端，所述系统输出单元的输入端电连接所述测控信息单元的输出端；所述执行子系统包括泥浆泵单元、游车单元和顶驱单元；所述泥浆泵单元、游车单元和顶驱单元的输入端分别电连接所述泥浆泵泵入钻井液的速度控制单元、游车位置控制单元和顶驱角度控制单元的输出端；所述钻井系统包括一钻台，所述钻台的底板中部安装有一防喷器；钻杆的下端通过所述井下随钻测量单元连接弯曲式造斜动力钻具的一端，所述弯曲式造斜动力钻具的另一端连接一钻头；所述钻杆的上端穿过所述防喷器和所述钻台的顶板后连接所述顶驱单元的下端，所述顶驱单元的上端则与立管连接。

一种采用上述钻机系统实现的基于井下钻具工具面动态控制的钻井方法，其包括以下步骤：

1)用户通过用户交互子系统输入钻具信息、钻井液信息、地层信息和控制策略至反馈控制子系统的主控程序单元；其中，控制策略中包含预先设定的井下钻具工具面阈值；

2)主控程序单元根据接收到的钻具信息、钻井液信息和地层信息，建立钻井系统的多体动力学模型；

3)动态测量子系统测量钻井过程中钻井系统的各项信息，并将这些信息传递给反馈控制子系统的主控程序单元；

4)主控程序单元根据接收到的钻井系统的各项信息和用户输入的控制策略判断井下钻具工具面是否超出控制策略中设定的井下钻具工具面阈值：如果是，则通过多体动力学仿真计算顶驱所需的转动角度、游车的位置和泥浆泵泵速后传输至执行子系统，并执行步骤5)；如果否，则继续钻进并执行步骤6)；

5)执行子系统根据计算得到的顶驱所需的转动角度、游车的位置和泥浆泵泵速，驱动顶驱、游车和泥浆泵动作，继续钻进以使井下钻具工具面回归到设计位置；

6)用户交互子系统显示当前钻进信息和控制指令；

7)根据步骤6)中显示的当前钻进信息和控制指令，判断用户是否通过用户交互子系统修改了输入信息：如果是，则返回步骤2)；如果否，则返回步骤3)。

在上述步骤3)中，动态测量子系统测量的钻井系统的各项信息包括泥浆泵泵速信息、游车位置信息、顶驱的转动角度和施加给钻杆的扭矩信息、钻杆受到的上提力信息和井下钻具工具面信息。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于提出了一种基于多体动力学模型的井下动力钻具工具面的动态控制方法，通过对井下动力钻具工具面的动态估计和井上顶驱调整角度的动态计算调控顶驱转动角度，从而动态地控制井下工具面方向，使其保持在用户指定的角度阈值内，因此本发明能够实现对井下定向动力钻具滑动导向钻进期间工具面的动态调整，动态纠正井下动力钻具工具面的漂移，提高定向井井眼轨迹的控制精度和作业效率，有效改善井眼质量。2、本发明由于根据用户设置的控制策略，如泥浆泵泵速变化规律、游车移动规律或顶驱转动规律，建立了一种井下动力钻具工具面的动态控制系统，该控制系统能够将井下定向动力钻具的工具面自动调整到用户规定方向，因此本发明能降低粘钻和卡钻概率，实现钻压的有效传递，降低井下事故率，提高钻井作业效率。3、本发明由于对钻机系统进行多体动力学仿真后，能够实时获得井下定向动力钻具的工具面方向，并且能够降低随钻测量系统信号传输延迟对钻具控制规律计算的影响，因此本发明能降低控制与钻具偏移耦合的可能，预防井下动力钻具工具面控制发散，降低井下事故率，提高钻进过程可靠性和安全性，提高钻井作业效率。基于以上优点，本发明可以广泛应用于对各种滑动导向钻井作业中的井下动力钻具工具面动态控制中。

附图说明

以下结合附图来对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。

图1是本发明动态控制系统的结构示意图；

图2是本发明钻机系统的结构示意图；

图3是本发明动态控制方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1、图2所示，本发明的钻机系统包括动态控制系统100和钻井系统200。

如图1所示，动态控制系统100包括动态测量子系统10、反馈控制子系统20、用户交互子系统30和执行子系统40。

其中，动态测量单元子系统10包括泥浆泵泵速测量单元101、游车位置测量单元102、顶驱提力测量单元103、顶驱角度扭矩测量单元104和井下随钻测量单元105。

反馈控制子系统20包括泥浆泵泵速采集单元201、游车信息采集单元202、顶驱信息采集单元203、工具面采集单元204、主控程序单元205、钻具信息单元206、钻井液信息单元207、地层信息单元208、控制策略单元209、测控信息单元210、泥浆泵泵入钻井液的速度控制单元211、游车位置控制单元212和顶驱角度控制单元213。其中，泥浆泵泵速测量单元101、游车位置测量单元102和井下随钻测量单元105的输出端分别电连接泥浆泵泵速采集单元201、游车信息采集单元202和工具面采集单元204的输入端；顶驱提力测量单元103和顶驱角度扭矩测量单元104的输出端分别电连接顶驱信息采集单元203的输入端。泥浆泵泵速采集单元201、游车信息采集单元202、顶驱信息采集单元203、工具面采集单元204、钻具信息单元206、钻井液信息单元207、地层信息单元208和控制策略单元209的输出端分别电连接主控程序单元205的输入端，主控程序单元205的输出端分别电连接测控信息单元210、泥浆泵泵入钻井液的速度控制单元211、游车位置控制单元212和顶驱角度控制单元213的输入端。

用户交互子系统30包括用户界面单元301、用户输入单元302和系统输出单元303。其中，用户界面单元301的输入端电连接系统输出单元303的输出端，用户界面单元301的输出端电连接用户输入单元302的输入端。用户输入单元302的输出端同时电连接钻具信息单元206、钻井液信息单元207、地层信息单元208和控制策略单元209的输入端，系统输出单元303的输入端电连接测控信息单元210的输出端。

执行子系统40包括泥浆泵单元401、游车单元402和顶驱单元403。其中，泥浆泵单元401、游车单元402和顶驱单元403的输入端分别电连接泥浆泵泵入钻井液的速度控制单元211、游车位置控制单元212和顶驱角度控制单元213的输出端。

如图2所示，钻井系统20包括一钻台21，钻台21的底板中部安装防喷器22。钻头23连接弯曲式造斜动力钻具24的一端，弯曲式造斜动力钻具24的另一端通过井下随钻测量单元105连接钻杆25的一端，钻杆25的另一端穿过防喷器22和钻台21的顶板后连接顶驱单元403的下端，顶驱单元403的上端则与立管26连接。需要说明的是，泥浆泵单元401和游车单元402也均在钻台21上，且其与钻台21的位置及连接关系均与现有技术相同，故不再赘述。

本发明的钻井平台在工作时，首先动态测量子系统10将测量得到的泥浆泵泵速信息、游车位置信息、顶驱的转动角度和施加给钻杆的扭矩信息、钻杆上提力信息以及井下钻具工具面信息等钻井系统200的各项信息传输至反馈控制子系统20；同时，用户交互子系统30将钻具信息、钻井液信息、地层信息和控制策略等用户输入信息传输至反馈控制子系统20；然后反馈控制子系统20根据接收到的钻井系统200的各项信息以及用户输入信息生成测控信息和执行控制指令，并将测控信息传输至用户交互子系统30，将执行控制指令传输至执行子系统40，执行子系统40根据接收到的执行控制指令动作。

如图3所示，根据上述实施例中提供的钻机系统，本发明还提出了一种基于井下钻具工具面动态控制的钻井方法，其包括以下步骤：

1)用户通过用户交互子系统30输入钻具信息、钻井液信息、地层信息和控制策略至反馈控制子系统20的主控程序单元205。其中，控制策略中包含预先设定的井下钻具工具面阈值。

2)主控程序单元205根据接收到的钻具信息、钻井液信息和地层信息，建立钻井系统200的多体动力学模型。其中，对钻井系统200进行多体动力学建模可以直接采用本申请人专利号为：ZL201010616202.0，名称为“一种旋转导向钻进系统多体动力学快速分析建模方法”中描述的建模方法，在此不做限制。

3)动态测量子系统10测量钻井过程中钻井系统200的各项信息，并将这些信息传递给反馈控制子系统20的主控程序单元205。

动态测量子系统10测量的钻井系统200的各项信息包括泥浆泵泵速信息、游车位置信息、顶驱的转动角度和施加给钻杆的扭矩信息、钻杆受到的上提力信息和井下钻具工具面信息。

4)主控程序单元205根据接收到的钻井系统200的各项信息和用户输入的控制策略判断井下钻具工具面是否超出控制策略中设定的井下钻具工具面阈值：如果是，则通过多体动力学仿真计算顶驱所需的转动角度、游车的位置和泥浆泵泵速后传输至执行子系统40，并执行步骤5)；如果否，则保持当前钻进并执行步骤6)。其中，多体动力学仿真为现有技术，故不再赘述。

5)执行子系统40根据计算得到的顶驱所需的转动角度、游车的位置和泥浆泵泵速，驱动顶驱单元403、游车单元402和泥浆泵单元401动作，继续钻进以使井下钻具工具面回归到设计位置，以完成对井下钻具工具面的动态调整控制。

6)用户交互子系统30显示当前钻进信息和控制指令。

7)根据步骤6)中显示的当前钻进信息和控制指令，判断用户是否通过用户交互子系统30修改了输入信息：如果是，则返回步骤2)；如果否，则返回步骤3)。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (3)

1.一种基于井下钻具工具面动态控制的顶驱式钻机系统，其特征在于，该钻机系统包括动态控制系统和钻井系统；

其中，所述动态控制系统包括动态测量子系统、反馈控制子系统、用户交互子系统和执行子系统；

所述动态测量子系统包括泥浆泵泵速测量单元、游车位置测量单元、顶驱提力测量单元、顶驱角度扭矩测量单元和井下随钻测量单元；

所述反馈控制子系统包括泥浆泵泵速采集单元、游车信息采集单元、顶驱信息采集单元、工具面采集单元、主控程序单元、钻具信息单元、钻井液信息单元、地层信息单元、控制策略单元、测控信息单元、泥浆泵泵入钻井液的速度控制单元、游车位置控制单元和顶驱角度控制单元；所述泥浆泵泵速测量单元、游车位置测量单元和井下随钻测量单元的输出端分别电连接所述泥浆泵泵速采集单元、游车信息采集单元和工具面采集单元的输入端；所述顶驱提力测量单元和顶驱角度扭矩测量单元的输出端分别电连接所述顶驱信息采集单元的输入端；所述泥浆泵泵速采集单元、游车信息采集单元、顶驱信息采集单元、工具面采集单元、钻具信息单元、钻井液信息单元、地层信息单元和控制策略单元的输出端分别电连接所述主控程序单元的输入端，所述主控程序单元的输出端分别电连接所述测控信息单元、泥浆泵泵入钻井液的速度控制单元、游车位置控制单元和顶驱角度控制单元的输入端；

所述用户交互子系统包括用户界面单元、用户输入单元和系统输出单元；所述用户界面单元的输入端电连接所述系统输出单元的输出端，所述用户界面单元的输出端电连接所述用户输入单元的输入端；所述用户输入单元的输出端同时电连接所述钻具信息单元、钻井液信息单元、地层信息单元和控制策略单元的输入端，所述系统输出单元的输入端电连接所述测控信息单元的输出端；

所述执行子系统包括泥浆泵单元、游车单元和顶驱单元；所述泥浆泵单元、游车单元和顶驱单元的输入端分别电连接所述泥浆泵泵入钻井液的速度控制单元、游车位置控制单元和顶驱角度控制单元的输出端；

所述钻井系统包括一钻台，所述钻台的底板中部安装有一防喷器；钻杆的下端通过所述井下随钻测量单元连接弯曲式造斜动力钻具的一端，所述弯曲式造斜动力钻具的另一端连接一钻头；所述钻杆的上端穿过所述防喷器和所述钻台的顶板后连接所述顶驱单元的下端，所述顶驱单元的上端则与立管连接。

2.一种采用如权利要求1所述钻机系统实现的基于井下钻具工具面动态控制的钻井方法，其包括以下步骤：

1)用户通过用户交互子系统输入钻具信息、钻井液信息、地层信息和控制策略至反馈控制子系统的主控程序单元；其中，控制策略中包含预先设定的井下钻具工具面阈值；

2)主控程序单元根据接收到的钻具信息、钻井液信息和地层信息，建立钻井系统的多体动力学模型；

3)动态测量子系统测量钻井过程中钻井系统的各项信息，并将这些信息传递给反馈控制子系统的主控程序单元；

4)主控程序单元根据接收到的钻井系统的各项信息和用户输入的控制策略判断井下钻具工具面是否超出控制策略中设定的井下钻具工具面阈值：如果是，则通过多体动力学仿真计算顶驱所需的转动角度、游车的位置和泥浆泵泵速后传输至执行子系统，并执行步骤5)；如果否，则继续钻进并执行步骤6)；

5)执行子系统根据计算得到的顶驱所需的转动角度、游车的位置和泥浆泵泵速，驱动顶驱、游车和泥浆泵动作，继续钻进以使井下钻具工具面回归到设计位置；

6)用户交互子系统显示当前钻进信息和控制指令；

7)根据步骤6)中显示的当前钻进信息和控制指令，判断用户是否通过用户交互子系统修改了输入信息：如果是，则返回步骤2)；如果否，则返回步骤3)。

3.如权利要求2所述的基于井下钻具工具面动态控制的钻井方法，其特征在于，在上述步骤3)中，动态测量子系统测量的钻井系统的各项信息包括泥浆泵泵速信息、游车位置信息、顶驱的转动角度和施加给钻杆的扭矩信息、钻杆受到的上提力信息和井下钻具工具面信息。