CN107201877A - 一种旋转导向钻井的闭环控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种旋转导向钻井的闭环控制方法及系统。本发明的控制系统由近钻头测量仪、随钻测量/随钻测井、井下监控系统、地面监控系统、钻机伺服系统、旋转导向工具等构成，采用井下闭环控制和地面闭环控制相结合的方式，由井下监控系统和地面监控系统进行分析决策，生成随钻控制方案和控制指令，以调控旋转导向工具的工作参数。本发明提供了自适应纠偏、双闭环控制的旋转导向钻井系统及方法，能显著提高旋转导向钻井系统的控制精度和作业效率。

Description

一种旋转导向钻井的闭环控制方法及系统

技术领域

本发明涉及地质勘探开发领域，具体说涉及一种旋转导向钻井的闭环控制方法及系统。

背景技术

旋转导向钻井系统是在钻柱旋转状态下实现井眼轨迹的导向钻进，有利于降低钻柱摩阻和清除井眼岩屑，可提高井身质量、钻井效率和钻井安全性，是应用于大位移井、水平井等复杂结构井导向钻进作业的先进钻井装备。旋转导向钻井系统可分为推靠式和指向式两种导向方式，目前大多数旋转导向钻井系统都采用推靠式导向方式。

在现有技术中，旋转导向钻井系统基本都属于开环控制和半闭环控制，还没有实现真正的闭环控制。这制约了旋转导向钻井系统的控制精度和作业效率，影响了旋转导向钻井系统的功能发挥和应用效果。

因此，为了提高旋转导向钻井系统的控制精度和作业效率，需要一种旋转导向钻井的闭环控制方法。

发明内容

为了提高旋转导向钻井系统的控制精度和作业效率，本发明提供了一种旋转导向钻井的闭环控制方法，采用井下闭环控制和地面闭环控制相结合的方式通过调控旋转导向工具的控制参数实施旋转导向钻井，其中：

在所述井下闭环控制过程中，由井下监控系统自动处理分析来自近钻头测量仪和随钻测量/随钻测井的测量数据以形成井下控制方案，根据所述井下控制方案对所述旋转导向工具的控制参数进行调控；

在所述地面闭环控制过程中，由地面监控系统分析来自近钻头测量仪和随钻测量/随钻测井的测量数据以自动判断是否进行地面干预，当需要地面干预时生成地面控制方案，根据所述地面控制方案对所述旋转导向工具的控制参数进行调控。

在一实施例中，在所述地面闭环控制过程中，当需要对所述旋转导向工具的控制参数进行调控时，向所述井下监控系统发送控制指令，由所述井下监控系统指挥所述旋转导向工具实施控制参数调整和导向钻进。

在一实施例中，在所述地面闭环控制过程中，当需要对所述旋转导向工具的控制参数进行调控时，通过钻机伺服系统来调控工具面角，只将工具造斜率的控制指令和参数发送给所述井下闭环控制系统，并由所述井下闭环控制系统调控工具造斜率。

在一实施例中，建立井眼轨迹的控制参数与旋转导向工具的控制参数之间的关系，根据所述井眼轨迹的控制要求调控所述旋转导向工具的控制参数以实施导向控制，其中：

所述井眼轨迹的控制参数为井斜变化率和方位变化率；

所述旋转导向工具的控制参数为造斜率和工具面角。

在一实施例中：

将井段划分为多个控制单元；

针对所述井段设计钻前控制方案，所述井段的第一个所述控制单元按照所述钻前控制方案开始钻进；

针对当前的所述控制单元获取所述钻前控制方案设计的井眼轨迹；

针对当前的所述控制单元监测实钻井眼轨迹；

根据所述实钻井眼轨迹以及所述钻前控制方案设计的井眼轨迹对所述钻前控制方案进行修正以生成随钻控制方案；

基于所述随钻控制方案生成并输出调控命令；

基于所述调控命令调控所述旋转导向工具的控制参数以实施下一所述控制单元的钻进。

在一实施例中，综合考虑旋转导向钻井系统的性能、地层特性及其变化情况、钻井的机械钻速选取控制步长，根据所述控制步长划分所述控制单元。

在一实施例中，设置控制参数门限值，在生成所述调控命令的过程中，对比所述随钻控制方案的旋转导向工具的控制参数与所述钻前控制方案的旋转导向工具的控制参数之间的参数误差，当所述参数误差大于所述控制参数门限值时基于所述参数误差生成所述调控命令。

本发明还提出了一种旋转导向钻井闭环控制系统，所述系统包括近钻头测量仪、旋转导向工具、井下监控系统、随钻测量/随钻测井装置、地面监控系统以及钻机伺服系统，其中：

所述井下监控系统配置为自动处理分析来自所述近钻头测量仪和所述随钻测量/随钻测井的测量数据以生成井下控制方案；

所述地面监控系统配置为分析来自所述近钻头测量仪和所述随钻测量/随钻测井的测量数据以自动判断是否进行地面干预，当需要地面干预时生成地面控制方案；

所述旋转导向工具以及所述钻机伺服系统配置为基于所述井下控制方案或所述地面控制方案进行旋转导向钻井。

在一实施例中，当需要地面干预时，所述地面监控系统向所述井下监控系统发送控制指令，由所述井下监控系统指挥所述旋转导向工具实施控制参数调整和导向钻进。

在一实施例中，当需要地面干预时，所述地面监控系统通过钻机伺服系统来调控所述旋转导向工具的工具面角，只将工具造斜率的控制指令和参数发送给所述井下监控系统，并由所述井下监控系统调控所述旋转导向工具的工具造斜率。

与现有技术相比，根据本发明的方法及系统能够按照井眼轨迹的控制要求实现闭环控制导向钻井，提高旋转导向钻井系统的控制精度和作业效率。

本发明的其它特征或优点将在随后的说明书中阐述。并且，本发明的部分特征或优点将通过说明书而变得显而易见，或者通过实施本发明而被了解。本发明的目的和部分优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的步骤来实现或获得。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是根据本发明一实施例的系统结构示意图；

图2是根据本发明一实施例的控制原理示意图；

图3是根据本发明一实施例的控制方案设计原理图；

图4是根据本发明一实施例的方法流程图；

图5和图6是根据本发明一实施例的实施效果图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此本发明的实施人员可以充分理解本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程并依据上述实现过程具体实施本发明。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

为了提高旋转导向钻井系统的控制精度和作业效率，本发明提出了一种旋转导向钻井的闭环控制方法。本发明的方法主要采用井下闭环控制和地面闭环控制相结合的方式通过调控旋转导向工具的控制参数实施旋转导向钻井，其中：

在井下闭环控制过程中，由井下监控系统自动处理分析来自近钻头测量仪和随钻测量/随钻测井的测量数据以形成井下控制方案，根据井下控制方案对旋转导向工具的控制参数进行调控；

在地面闭环控制过程中，由地面监控系统分析来自近钻头测量仪和随钻测量/随钻测井的测量数据以自动判断是否进行地面干预，当需要地面干预时生成地面控制方案，根据地面控制方案对所述旋转导向工具的控制参数进行调控。

基于上述方法，本发明提出了一种旋转导向钻井的闭环控制系统。根据本发明一实施例的旋转导向钻井闭环控制系统的系统构成如图1所示。系统包括：10钻头、15钻柱、16钻机、11近钻头测量仪、12旋转导向工具、13井下监控系统、14随钻测量/随钻测井(Measurement While Drilling/Logging While Drilling，MWD/LWD)装置、17地面监控系统、18钻机伺服系统。

图1所示系统的控制原理如图2所示，构造了具有井下闭环控制和地面闭环控制双功能的闭环控制系统。

11近钻头测量仪用于测量靠近钻头处的井斜角、自然伽马等参数，由于井眼空间和仪器长度受限，所以仅用于测量少数的关键参数；

14MWD/LWD用于测量各种工程和地质参数，其最低配置可测量井斜角、方位角、工具面角等参数，根据需要可增配自然伽马、地层电阻率、钻头扭矩等各种参数；

13井下监控系统用于分析实钻轨迹和预设控制方案的符合情况，并形成后续的控制方案。当需要调控旋转导向工具的造斜性能时，井下监控系统向旋转导向工具下达调控指令。其中，控制方案由所选定的控制方法获得，在导向钻井过程中将实时修正或调整控制参数的数值；

12旋转导向工具是导向钻井系统的井下执行机构，驱动钻头进行导向钻进，并具有自调节造斜性能等功能。例如，在推靠式旋转导向钻井系统中，旋转导向工具一般有3个翼肋，通过控制每个翼肋的伸缩时间和推靠力的大小能调控工具面角和工具造斜率；

17地面监控系统是旋转导向钻井系统的监测和控制中心，通过接收来自井下的上传信息来监测实钻轨迹的行进情况，分析对比实钻轨迹与设计轨道的符合情况，决策并制定控制方案，形成控制指令并发送给钻机伺服系统或井下监控系统；

18钻机伺服系统主要是通过驱动转盘或顶驱来旋转和制动钻柱，此外还可以通过控制钻井液排量、钻柱转停等形成控制信号，向井下发送控制指令。从地面向井下的信息下传，也可以通过钻井液脉冲、电磁波、声波等方式由地面监控系统直接发送给井下监控系统；

在本实施例中，井下闭环控制过程是将近钻头测量仪所获取的数据，用电磁波等无线传输方式或在工具内埋设导线等有线传输方式，发送给MWD/LWD；井下监控系统接收到来自MWD/LWD和近钻头测量仪的数据后，经处理和分析形成井下控制方案，并指挥旋转导向工具调整控制参数和实施导向钻进。由于井下控制方案具有分析决策和误差补偿功能、旋转导向工具具有自调节造斜性能等功能，所以在井下构成了一个自适应的自动控制系统，即井下闭环控制。

地面闭环控制过程是将近钻头测量仪所获取的数据发送给MWD/LWD，再上传到地面监控系统，经数据处理和分析形成地面控制方案。如果实钻轨迹与设计轨道符合较好，则无需地面干预；如果实钻轨迹与设计轨道相差较大而需要调整(需要地面干预)，则有两种控制方法：一是通过钻机伺服系统或井下监控系统向井下监控系统发送控制指令，由井下监控系统指挥旋转导向工具实施控制参数调整和导向钻进；二是利用钻机伺服系统能灵活旋转和制动钻柱的特点，通过钻机伺服系统来调控工具面角，只将工具造斜率的控制指令和参数发送给井下闭环控制系统，并由井下闭环控制系统来调控工具造斜率。这两种控制方法相比，前者具有较强的逻辑性和系统性，而后者采用分步控制方式降低了技术难度。

进一步的，在本发明一实施例中，旋转导向钻井系统以井斜角和方位角为控制目标，通过调控旋转导向工具的造斜率和工具面角来实施导向钻进，形成井眼轨迹。对于井眼轨迹而言，在旋转导向钻井条件下，井斜角和方位角的变化规律用井斜变化率和方位变化率来表征。因此，井眼轨迹的控制参数是井斜变化率和方位变化率，旋转导向工具的控制参数是造斜率和工具面角，所以需要建立井眼轨迹的控制参数与旋转导向工具的控制参数之间的关系，才能根据井眼轨迹的控制要求实施导向控制。

总结上述流程即为建立井眼轨迹的控制参数与旋转导向工具的控制参数之间的关系，根据所述井眼轨迹的控制要求调控所述旋转导向工具的控制参数以实施导向控制。

接下来详细阐述根据本发明一实施例的方法的基本原理。

对于从当前井深L_A继续钻进至井深L_B的井段[L_A，L_B]，其井段长度ΔL_AB＝L_B-L_A可能达到数十米甚至上百米。为保证控制精度，在本实施例中将井段[L_A，L_B]划分为n个控制单元(n为自然数)。如图3所示。对于任一控制单元i(i＝0,1,2,…,n)，有3种井眼轨迹：

钻前控制方案所设计的井眼轨迹Γ^P(点状虚线，A和B分别代表井段[L_A，L_B]的钻进起始点和钻进终止点)；

实钻井眼轨迹Γ^M(两条粗实线线段，分别代表单元i和单元i+1的实钻井眼轨迹)；

随钻控制方案所设计的井眼轨迹Γ^Q(两条线段状虚线，分别代表单元i和单元i+1的实钻井眼轨迹)。

为叙述方便，用上标变量j标识不同的井眼轨迹，当j等于P、M或Q时分别表示上述3种井眼轨迹。

根据旋转导向钻井的特点，在每个控制单元内，井眼轨迹的控制参数分别保持不变，即井眼轨迹Γ^P、Γ^M和Γ^Q的井斜变化率和方位变化率分别保持为常数，其井斜角和方位角(坐标系纵轴)均随井深(坐标系横轴)呈线性变化，如图3所示；但旋转导向工具的控制参数，即造斜率和工具面角，却随井深变化，并且可根据相应井眼轨迹的井斜变化率和方位变化率等参数求得。因此，对于任一控制单元i，可用如下方法来计算所述井眼轨迹的控制参数与所述旋转导向工具的控制参数：

(1)井眼轨迹的控制参数

若当前井深为L_A、井斜角为α_A、方位角为φ_A，继续钻进至井深L_B时，要求达到的井斜角为α_B、方位角为φ_B，则对于实施导向钻井之前的钻前控制方案，用以下方法确定任一控制单元i内井眼轨迹的井斜变化率κ^P _α,i和方位变化率κ^P _φ，i：

式(1)中，L为井深，单位m；α为井斜角，单位(°)；φ为方位角，单位(°)；κ^P _α,i为井斜变化率，单位(°)/m；κ^P _φ，i为方位变化率，单位(°)/m。

在钻进过程中，用MWD/LWD可实时获取井眼轨迹的测斜数据，据此能计算出控制单元i内实际井眼轨迹的井斜变化率κ^M _α,i和方位变化率κ^M _φ，i：

式(2)中，s为控制步长即控制单元的长度，单位m。

如果在控制单元节点处无测点，可先用差值方法求得控制单元节点处的井斜角和方位角，然后再进行上述计算。

由于实际井眼轨迹与钻前控制方案所设计的井眼轨迹之间存在误差，所以在导向钻进过程中应根据实钻轨迹数据对钻前控制方案进行修正，形成随钻控制方案。当钻完控制单元i-1后、继续钻进控制单元i时，控制单元i上节点的井斜角和方位角已有实测数据α^M _i-1和φ^M _i-1，而由钻前控制方案所设计的下节点井斜角和方位角分别为α^P _i和φ^P _i。考虑到实际井眼轨迹与钻前控制方案所设计井眼轨迹之间的误差，并用于补偿控制单元i的井斜变化率和方位变化率，所以用以下方法设计随钻控制方案的井斜变化率κ^Q _α,i和方位变化率κ^Q _φ，i：

式(3)中，δ_κα为井斜变化率的误差，单位(°)/m；δ_κφ为方位变化率的误差，单位(°)/m。

(2)旋转导向工具的控制参数

在控制单元i内，各种井眼轨迹的井斜变化率和方位变化率分别保持为常数，但旋转导向工具的造斜率和工具面角却沿井深变化，可用控制单元i内的平均造斜率和平均工具面角作为旋转导向工具的控制参数。对于钻前控制方案所设计的井眼轨迹Γ^P、实钻井眼轨迹Γ^M和随钻控制方案所设计的井眼轨迹Γ^Q，可用如下的通用方法来确定旋转导向工具的控制参数：

其中

式(4)和式(5)中，κ为造斜率，单位(°)/m；ω为工具面角，单位(°)；α_v为控制单元的平均井斜角，单位(°)。

用式(4)求取工具面角时，涉及反正切函数。反正切函数的值域为(-90°，90°)，而工具面角的取值范围为[0°，360°)。为解决二者的值域相容性问题，采用如下方法来确定工具面角的取值：

式(6)中：x和y分别代表工具面角计算公式中的分母和分子；sgn为符号函数。

综合上述基本原理，在本发明提出了一种具有误差补偿功能的自适应闭环控制方法。接下来基于附图说明本发明一实施例的方法执行流程。附图的流程图中示出的步骤可以在包含诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。虽然在流程图中示出了各步骤的逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

如图4所示，方法包括如下步骤：

步骤S10：选取控制步长

为保证控制精度，对于实施旋转导向钻井的井段，往往需要多次调控旋转导向工具的控制参数，为此需要选取控制步长s。控制步长过小，将导致旋转导向工具要频繁地实施调控动作，从而降低工作效率；而控制步长过大，则会降低控制精度。因此，在本实施例中，综合考虑旋转导向钻井系统的性能、地层特性及其变化情况、钻井的机械钻速等因素，合理地选取控制步长。

步骤S20：确定控制参数的门限值

井下监控系统/地面监控系统具有分析和决策功能，依据控制参数的门限值来确定是否下达控制参数的调控指令。只有当期望控制参数与当前控制参数之差超过门限值时，才下达调控指令，否则不需要改变控制参数。造斜率和工具面角有各自的门限值C_κ和C_ω，可分别实施调控。与控制步长类似，在本实施例中综合考虑控制精度、工作效率等因素合理确定门限值，门限值过小会降低工作效率，而门限值过大则会降低控制精度。

步骤S30：划分控制单元

对于从当前井深L_A继续钻进至井深L_B的井段[L_A，L_B]，按控制步长将其划分为n个控制单元，每个控制单元的长度为控制步长s。为叙述方便，各控制单元及单元节点用i(i＝0,1,2,…,n)依次编号。于是，单元编号为i的控制单元[L_i-1，L_i]，其两端的节点编号分别为i-1和i；其中，井深L_A的节点编号为0，井深L_B的节点编号为n。这样，各控制单元及单元节点的井眼轨迹参数就可以用下标“i”来标识。

步骤S40：设计钻前控制方案

钻前控制方案是针对于井段[L_A，L_B]的控制方案。但是，为保证控制精度，需要按控制单元来监测和控制井眼轨迹。因此，对于任一控制单元i，应先由式(1)求得钻前控制方案所设计井眼轨迹的井斜变化率κ^P _α，i和方位变化率κ^P _φ，i，然后再由式(4)确定所述旋转导向工具的造斜率κ^P _i和工具面角ω^P _i。

步骤S50：监测实钻轨迹

在钻进过程中，用MWD/LWD可实时获取井眼轨迹的测斜数据，其中测斜数据包括井深L、井斜角α、方位角φ等。因此，对于任一控制单元i，根据实际井眼轨迹的测斜数据，由式(2)能计算出实际井眼轨迹的井斜变化率κ^M _α，i和方位变化率κ^M _φ，i，然后再由式(4)求得旋转导向工具的实际造斜率κ^M _i和工具面角ω^M _i。

步骤S60：设计随钻控制方案

由于实钻轨迹与钻前控制方案所设计的井眼轨迹之间存在误差，所以在导向钻进过程中应根据实钻轨迹数据对钻前控制方案进行修正，形成随钻控制方案。对比实际井眼轨迹与钻前控制方案所设计的井眼轨迹，控制单元i内的井斜变化率和方位变化率误差分别为：

当钻完控制单元i-1后、继续钻进控制单元i时，考虑到实际井眼轨迹与钻前控制方案所设计井眼轨迹之间的误差，应先用式(3)求得随钻控制方案的井斜变化率κ^Q _α，i和方位变化率κ^Q _φ，i，然后再由式(4)来设计随钻控制方案的造斜率κ^Q _i和工具面角ω^Q _i。

需要说明的是：在设计井斜变化率和方位变化率时，已经考虑了误差补偿，只需用经误差补偿后的井斜变化率和方位变化率来设计造斜率和工具面角，而无需再对造斜率和工具面角进行误差补偿。

步骤S70：生成调控指令

对于即将实施导向钻进的控制单元i，所述旋转导向工具仍处于控制单元i-1的工作状态，即当前的实际控制参数为κ^M _i-1和ω^M _i-1，而随钻控制方案所设计的控制参数为κ^Q _i和ω^Q _i。所以，先用以下方法计算出设计参数与实际参数的差值：

式(8)中，Δ_κ为设计造斜率与实际造斜率的差值，单位(°)/m；Δ_ω为设计工具面角与实际工具面角的差值，单位(°)。

由于工具面角的值域为[0°,360°)，所以还需要对式(8)的计算结果作进一步的处理。即当Δ_ω>180°时，Δ_ω应取为Δ_ω-180°。

这样，当差值Δ_κ或Δ_ω大于相应的门限值时，即满足：

则需要调整相应的控制参数，并向旋转导向工具下达调控指令。根据式(9)的判别结果，可分别调控造斜率和工具面角。

式(9)中，C_κ为造斜率的门限值，单位(°)/m；C_ω为工具面角的门限值，单位(°)。

步骤S80：实施完成旋转导向钻井井段

由于钻前控制方案适用于旋转导向钻井的全井段[L_A，L_B]，而旋转导向钻井系统按控制单元依次实施井眼轨迹的监测与控制，所以重复上述步骤(S50)～(S70)直至实施完成所有的控制单元(S81，判断当前控制单元是否为最后的控制单元，如果不是，则当前控制单元编号+1，继续执行步骤S50)(判断i是否等于n，当i＝n时即实施完成所有的控制单元)，便钻达到了井深L_B，从而实现了旋转导向钻井的目的。

综上，本发明提出了具有井下闭环控制和地面闭环控制双功能的旋转导向钻井闭环控制系统，能够按照井眼轨迹的控制要求实现闭环控制导向钻井；揭示了旋转导向钻井闭环控制的特征参数是井斜变化率和方位变化率，其工艺技术参数体现为工具造斜率和工具面角；根据旋转导向钻井的控制特点，构造了具有误差补偿功能的控制方法。本发明解决了现有技术中存在的关键技术难题，能提高旋转导向钻井系统的控制精度和作业效率。

接下来基于一具体应用实例详细描述本发明的一实施例的执行过程和执行效果。

在某水平井施工过程中，当前井深L_A＝3250m、井斜角α_A＝45°、方位角φ_A＝70°，要求钻至井深L_B＝3300m时，井斜角α_B＝60°、方位角φ_B＝85°。根据本发明的技术方案，若取控制步长s＝5m，得到钻前控制方案见表1。

表1

如果实钻井眼轨迹数据如表2所示，造斜率的门限值C_κ＝0.1°/m，工具面角的门限值C_ω＝10°，则最后可得到表3的随钻控制方案。

表2

表3

本实施例最终的实施效果如图5以及图6所示。图5为钻井过程中井斜角随井深的变化坐标图，图6为钻井过程中方位角随井深的变化坐标图。图5以及图6中分别用点状虚线、实线以及线段状虚线代表钻前控制方案、实钻井眼轨迹以及随钻控制方案。由图5以及图6可以看出，当实钻井眼轨迹与钻前控制方案存在误差时，通过随钻控制方案能自适应纠偏，最终很好地完成了预期的控制目标。

下面以控制单元i＝6为例(由于随钻控制方案涉及钻前控制方案和实钻井眼轨迹的前一个控制单元，所以钻前控制方案和实钻井眼轨迹给出了控制单元5和6的结果)说明本实施例的具体实施步骤。

基于图4所示的步骤流程：

步骤S40，设计钻前控制方案。

由式(1)求得井斜变化率和方位变化率分别为：

由式(5)计算控制单元的平均井斜角：

由式(4)确定所述旋转导向工具的造斜率和工具面角分别为：

基于图4所示的步骤流程，执行步骤S50以及S60。

步骤S50，监测实钻轨迹

由式(2)计算实际井眼轨迹的井斜变化率和方位变化率分别为：

由式(5)计算控制单元的平均井斜角：

由式(4)确定所述旋转导向工具的实际造斜率和工具面角分别为：

步骤S60，设计随钻控制方案

由式(7)算得：当前实际井眼轨迹与钻前控制方案所设计井眼轨迹的井斜变化率和方位变化率误差分别为

由式(3)求得随钻控制方案的井斜变化率和方位变化率分别为：

由式(5)计算控制单元的平均井斜角：

由式(4)设计随钻控制方案的造斜率和工具面角分别为：

步骤S70，生成调控指令

由式(8)计算随钻控制方案所设计的控制参数与当前的实际控制参数之间的的差值：

由式(9)知：差值Δ_κ<C_κ＝0.1°/m，或Δ_ω>C_ω＝10°。所以，不需调整造斜率κ，但需要调整工具面角ω。

综上，本发明提供了一种旋转导向钻井中闭环控制方法的解决方案，能够按照井眼轨迹的控制要求实现闭环控制导向钻井，可提高旋转导向钻井系统的控制精度和作业效率。

虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。本发明所述的方法还可有其他多种实施例。在不背离本发明实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变或变形，但这些相应的改变或变形都应属于本发明的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种旋转导向钻井的闭环控制方法，其特征在于，采用井下闭环控制和地面闭环控制相结合的方式通过调控旋转导向工具的控制参数实施旋转导向钻井，其中：

在所述井下闭环控制过程中，由井下监控系统自动处理分析来自近钻头测量仪和随钻测量/随钻测井的测量数据以形成井下控制方案，根据所述井下控制方案对所述旋转导向工具的控制参数进行调控；

在所述地面闭环控制过程中，由地面监控系统分析来自近钻头测量仪和随钻测量/随钻测井的测量数据以自动判断是否进行地面干预，当需要地面干预时生成地面控制方案，根据所述地面控制方案对所述旋转导向工具的控制参数进行调控。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述地面闭环控制过程中，当需要对所述旋转导向工具的控制参数进行调控时，向所述井下监控系统发送控制指令，由所述井下监控系统指挥所述旋转导向工具实施控制参数调整和导向钻进。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述地面闭环控制过程中，当需要对所述旋转导向工具的控制参数进行调控时，通过钻机伺服系统来调控工具面角，只将工具造斜率的控制指令和参数发送给所述井下闭环控制系统，并由所述井下闭环控制系统调控工具造斜率。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，建立井眼轨迹的控制参数与旋转导向工具的控制参数之间的关系，根据所述井眼轨迹的控制要求调控所述旋转导向工具的控制参数以实施导向控制，其中：

所述井眼轨迹的控制参数为井斜变化率和方位变化率；

所述旋转导向工具的控制参数为造斜率和工具面角。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：

将井段划分为多个控制单元；

针对所述井段设计钻前控制方案，所述井段的第一个所述控制单元按照所述钻前控制方案开始钻进；

针对当前的所述控制单元获取所述钻前控制方案设计的井眼轨迹；

针对当前的所述控制单元监测实钻井眼轨迹；

根据所述实钻井眼轨迹以及所述钻前控制方案设计的井眼轨迹对所述钻前控制方案进行修正以生成随钻控制方案；

基于所述随钻控制方案生成并输出调控命令；

基于所述调控命令调控所述旋转导向工具的控制参数以实施下一所述控制单元的钻进。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，综合考虑旋转导向钻井系统的性能、地层特性及其变化情况、钻井的机械钻速选取控制步长，根据所述控制步长划分所述控制单元。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，设置控制参数门限值，在生成所述调控命令的过程中，对比所述随钻控制方案的旋转导向工具的控制参数与所述钻前控制方案的旋转导向工具的控制参数之间的参数误差，当所述参数误差大于所述控制参数门限值时基于所述参数误差生成所述调控命令。

8.一种采用如权利要求1-7中任一项所述的方法的旋转导向钻井闭环控制系统，其特征在于，所述系统包括近钻头测量仪、旋转导向工具、井下监控系统、随钻测量/随钻测井装置、地面监控系统以及钻机伺服系统，其中：

所述井下监控系统配置为自动处理分析来自所述近钻头测量仪和所述随钻测量/随钻测井的测量数据以生成井下控制方案；

所述地面监控系统配置为分析来自所述近钻头测量仪和所述随钻测量/随钻测井的测量数据以自动判断是否进行地面干预，当需要地面干预时生成地面控制方案；

所述旋转导向工具以及所述钻机伺服系统配置为基于所述井下控制方案或所述地面控制方案进行旋转导向钻井。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，当需要地面干预时，所述地面监控系统向所述井下监控系统发送控制指令，由所述井下监控系统指挥所述旋转导向工具实施控制参数调整和导向钻进。

10.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，当需要地面干预时，所述地面监控系统通过钻机伺服系统来调控所述旋转导向工具的工具面角，只将工具造斜率的控制指令和参数发送给所述井下监控系统，并由所述井下监控系统调控所述旋转导向工具的工具造斜率。