CN110765648A - 一种石油钻井钻进轨迹的可视化控制装置及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种石油钻井钻进轨迹的可视化控制装置及控制方法,属石油钻井轨迹控制技术领域。该控制装置包括可视化平台、数据服务器、转盘控制系统和钻杆，该控制方法包括以下步骤：建立井眼轨迹和设计轨迹的模型，对井眼轨迹和设计轨迹评价，对井眼轨迹纠偏。该的控制方法通过对设计钻进轨迹和实际钻进轨迹建模，并在可视化界面显示而使设计钻进轨迹和实际钻进轨迹能可视化，由此能直观地观察设计钻进轨迹、实际钻进轨迹及实际钻进状态，通过对设计钻进轨迹和实际钻进轨迹评价能实时、直观地对钻进轨迹进行调整，有效解决了实际钻进轨迹不能实时监测，且钻进轨迹调整过程存在繁琐、不直观和有效性不足的问题。

Description

一种石油钻井钻进轨迹的可视化控制装置及控制方法
技术领域
本发明涉及一种石油钻井钻进轨迹的可视化控制装置及控制方法,属石油钻井轨迹控制技术领域。
背景技术
在石油工程定向钻井过程中，实际钻进轨迹的计算与描述是钻进轨迹实时监测的重要环节，也是钻进轨迹控制的基础。在钻井过程中，不仅要随时掌握钻头位置及井眼方向，还要与设计轨迹进行对比，分析工作轨迹与设计轨迹的相符程度及工作轨迹变化趋势，以便采取调整措施，确定良好的井身质量。
实际钻井过程中，实际轨迹可能与设计轨迹发生偏差，此时需要停钻调整工具面角度，以及时避免实际钻井轨迹偏离设计轨迹等情况的发生。而传统钻进轨迹的检测需要根据各传感器反馈的数据换算而得知，轨迹计算繁琐且不能实时监测；另一方面，传统的钻进轨迹调整由于井底托压存在、调整效果未知等因数会导致工具面角度调整繁琐低效，且需要多次反复调整，调整过程存在直观性和有效性不足的问题，因此，有必要对其进行改进。
发明内容
本发明的发明目的是：针对现有技术不足，提供一种能直观且有效地实时化监测钻进轨迹和调整钻进轨迹，以解决现有轨迹计算繁琐且不能实时监测问题的石油钻井钻进轨迹的可视化控制装置及控制方法。
本发明的技术方案是：
一种石油钻井钻进轨迹的控制方法，其特征在于：它包括如下步骤：
1)、在控制装置的可视化平台上根据目标井的井身结构设计数据、已钻井的测井数据和钻进工具数据，通过虚拟钻井模型建立设计钻进轨迹的几何模型。
2）、将建立的几何模型通过平面渲染，结合各钻进工具之间以及钻进工具与地层之间的关联映射，建立设计钻进轨迹的形象模型。
3）、通过编程和数学建模，将建立的形象模型数据化，建立设计钻进轨迹的行为模型。
4）、将建立的行为模型在显示屏上的设计轨迹上显示，由此能通过设计轨迹能直观地观察理想状态的钻进轨迹,同时将行为模型的数据存储在数据服务器中，以便控制器的调用。
5）、建立行为模型后通过随钻测量工具实时采集钻头的运行数据，同时通过转盘传感器实时采集转盘的运行数据，并将钻头的运行数据和转盘的运行数据上传至控制器。
6）、控制器对数据处理并依次建立实际钻进轨迹的几何模型、形象模型和行为模型，将控制器建立实际钻进轨迹的行为模型通过数据服务器上传至可视化平台，并在显示屏上的井眼轨迹和钻进状态上动态显示，由此通过井眼轨迹和钻进状态对实际钻进轨迹能直观地观察，并通过井眼轨迹和设计轨迹进行比对，以判断井眼轨迹的偏离状况，由此对井眼轨迹进行评价，同时将实际钻进轨迹的行为模型数据存储在数据服务器中，以便可视化平台调用。
7）、控制器由数据服务器中调取设计钻进轨迹的行为模型，并对实际钻进轨迹和设计钻进轨迹相互结合进行评价，以确定实际钻进轨迹的偏移情况，根据评价结果，实际钻进轨相对于设计钻进轨迹发生偏移时，控制器采用动态模糊神经网络算法通过变频器控制变频电机的转速和转矩而调整工具面角度，进而调整实际钻进轨迹，由此对实际钻进轨迹纠偏，使实际钻进轨迹接近设计钻进轨迹。
8）、控制器调整钻进轨迹过程中实际钻进轨迹相较于设计钻进轨迹偏离程度较大，方位角或井斜角超过设定值时，控制器通过变频器停止钻进过程，并发出警报，由人工通过设定井斜角和方位角并再次钻进而对钻进轨迹纠偏，由此使实际钻进轨迹与设计钻进轨迹接近。
9）、人工调整钻进轨迹使偏离角度低于设定值时，控制器再次对钻进轨迹进行调整。
10）、控制器通过对人工调整井斜角和方位角的过程进行学习，而对控制器的动态模糊神经网络算法进行完善，进而使控制器对钻进轨迹的调整更准确。
所述的控制装置包括可视化平台、数据服务器、转盘控制系统和钻杆，可视化平台通过数据服务器与转盘控制系统连接，转盘控制系统与钻杆连接。
所述的可视化平台包括虚拟钻井模型、数据驱动接口和显示屏，虚拟钻井模型用于建立设计钻进轨迹的几何模型，虚拟钻井模型通过数据驱动接口与显示屏连接，以将设计钻进轨迹的几何模型在显示屏上显示。
所述的显示屏包括可视化界面，以动态显示钻进状态、井眼轨迹和设计轨迹。
所述的转盘控制系统由控制器、变频器、变频电机、随钻测量器和转盘构成，控制器通过变频器和变频电机与转盘连接，以控制转盘转动，随钻测量器分别与转盘和控制器连接，以将钻进数据上传控制器，进而控制转盘的转速和转矩。
本发明的有益内容在于：
该石油钻井钻进轨迹的控制方法通过可视化平台和控制器分别对设计钻进轨迹和实际钻进轨迹建模，并在可视化界面显示而使设计钻进轨迹和实际钻进轨迹能可视化，由此能直观地观察设计钻进轨迹、实际钻进轨迹及实际钻进状态，通过对设计钻进轨迹和实际钻进轨迹评价能实时、直观地对钻进轨迹进行调整，有效解决了实际钻进轨迹不能实时监测，且钻进轨迹调整过程存在繁琐、不直观和有效性不足的问题。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的可视化平台的结构示意图；
图3是本发明建模的示意图；
图4是本发明的随钻测量器的结构示意图；
图5是本发明的可视化界面的结构示意图；
图6是本发明的井身结构示意图；
图7是本发明的井眼轨迹垂直投影图；
图8是本发明的井眼轨迹水平投影图；
图9是本发明的井眼轨迹与设计轨迹的可视化显示图。
具体实施方式
该石油钻井钻进轨迹的可视化控制装置及控制方法包括如下步骤：
首先在控制装置的可视化平台上根据目标井的井身结构设计数据、已钻井的测井数据和钻进工具数据，通过虚拟钻井模型建立设计钻进轨迹的几何模型。
控制装置包括可视化平台、数据服务器、转盘控制系统和钻杆，可视化平台与数据服务器连接，可视化平台包括虚拟钻井模型、数据驱动接口和显示屏，虚拟钻井模型用于建立设计钻进轨迹的几何模型，虚拟钻井模型通过数据驱动接口与显示屏连接，以将设计钻进轨迹的几何模型在显示屏上显示，显示屏包括可视化界面，以动态显示钻进状态、井眼轨迹和设计轨迹；数据服务器用于存储数据，可视化平台能分别从数据服务器中调取数据，以对设计钻进轨迹和实际钻进轨迹在显示屏的可视化界面上进行可视化显示。
数据服务器与转盘控制系统连接，转盘控制系统与钻杆连接，转盘控制系统由控制器、变频器、变频电机、随钻测量器和转盘构成，控制器（西门子S7-300型PLC）通过变频器（6SE7038-6EK60）和变频电机（1LA4 354-2AN）与转盘（ZP275）连接，控制器能从数据服务器中调取设计钻进轨迹的几何模型数据，以通过获取的设计钻进轨迹的数据对实际钻进轨迹进行评价，进而控制转盘转动；随钻测量器分别与转盘和控制器连接，以将实际钻进数据上传控制器，进而控制转盘的转速和转矩，随钻测量器包括随钻测量传感器（MWD）和转盘传感器，通过随钻测量传感器能获得钻头工具面角度、方位角、井斜角和井深等井下实时数据，通过转盘传感器能获得转盘实时的转速和转矩数据。
几何模型的建立过程如下：
根据井身结构设计数据（参见表1）建立井身结构示意图（参见图6）：
Figure 300823DEST_PATH_IMAGE001
表1 井身结构设计数据表。
根据已钻井的测井数据（参见表2）结合井身设计数据（参见表1）建立井眼轨迹数据模型（参见表3）。
；
Figure 884568DEST_PATH_IMAGE003
；
Figure 774027DEST_PATH_IMAGE004
；
Figure 981017DEST_PATH_IMAGE005
；
表2 井直井斜数据表。
；
Figure 222960DEST_PATH_IMAGE007
；
Figure 508837DEST_PATH_IMAGE008
；
表3 井眼轨迹详细点数据表。
将建立的几何模型（参见表3）通过平面渲染，结合各钻进工具之间以及钻进工具与地层之间的关联映射，建立设计钻进轨迹的形象模型（参见图7和图8）：
通过编程和数学建模，将建立的形象模型数据化，建立设计钻进轨迹的行为模型（参见图9）。
将建立的行为模型在显示屏上的设计轨迹上显示，由此能通过设计轨迹能直观地观察理想状态的钻进轨迹,同时将行为模型的数据存储在数据服务器中，以便控制器的调用。
建立行为模型后通过随钻测量工具实时采集钻头的运行数据，同时通过转盘传感器实时采集转盘的运行数据，并将钻头的运行数据和转盘的运行数据上传至控制器。
控制器对数据处理并依次建立实际钻进轨迹的几何模型、形象模型和行为模型，将控制器建立实际钻进轨迹的行为模型通过数据服务器上传至可视化平台，并在显示屏上的井眼轨迹（参见图9）和钻进状态上动态显示，由此通过井眼轨迹和钻进状态对实际钻进轨迹能直观地观察，并通过井眼轨迹和设计轨迹进行比对，以判断井眼轨迹的偏离状况，由此对井眼轨迹进行评价，同时将实际钻进轨迹的行为模型数据存储在数据服务器中，以便可视化平台调用。
同时控制器由数据服务器中调取设计钻进轨迹的行为模型，并对实际钻进轨迹和设计钻进轨迹相互结合进行评价，以确定实际钻进轨迹的偏移情况，根据评价结果，实际钻进轨相对于设计钻进轨迹发生偏移时，控制器采用动态模糊神经网络算法通过变频器控制变频电机的转速和转矩而调整工具面角度，进而调整实际钻进轨迹，由此对实际钻进轨迹纠偏，使实际钻进轨迹接近设计钻进轨迹。
控制器调整钻进轨迹过程中实际钻进轨迹相较于设计钻进轨迹偏离程度较大，方位角或井斜角超过设定值时，控制器通过变频器停止钻进过程，并发出警报，由人工通过设定井斜角和方位角并再次钻进而对钻进轨迹纠偏，由此使实际钻进轨迹与设计钻进轨迹接近。
人工调整钻进轨迹使偏离角度低于设定值时，控制器再次对钻进轨迹进行调整。
控制器通过对人工调整井斜角和方位角的过程进行学习，而对控制器的动态模糊神经网络算法进行完善，进而使控制器对钻进轨迹的调整更准确。
该石油钻井钻进轨迹的控制方法通过可视化平台和控制器分别对设计钻进轨迹和实际钻进轨迹建模，并在可视化界面显示而使设计钻进轨迹和实际钻进轨迹能可视化，由此能直观地观察设计钻进轨迹、实际钻进轨迹及实际钻进状态，通过对设计钻进轨迹和实际钻进轨迹评价能实时、直观地对钻进轨迹进行调整，有效解决了实际钻进轨迹不能实时监测，且钻进轨迹调整过程存在繁琐、不直观和有效性不足的问题。

Claims (5)

1.一种石油钻井钻进轨迹的控制方法，其特征在于：它包括如下步骤：
1)、在控制装置的可视化平台上根据目标井的井身结构设计数据、已钻井的测井数据和钻进工具数据，通过虚拟钻井模型建立设计钻进轨迹的几何模型；
2）、将建立的几何模型通过平面渲染，结合各钻进工具之间以及钻进工具与地层之间的关联映射，建立设计钻进轨迹的形象模型；
3）、通过编程和数学建模，将建立的形象模型数据化，建立设计钻进轨迹的行为模型；
4）、将建立的行为模型在显示屏上的设计轨迹上显示，由此能通过设计轨迹能直观地观察理想状态的钻进轨迹,同时将行为模型的数据存储在数据服务器中，以便控制器的调用；
5）、建立行为模型后通过随钻测量工具实时采集钻头的运行数据，同时通过转盘传感器实时采集转盘的运行数据，并将钻头的运行数据和转盘的运行数据上传至控制器；
6）、控制器对数据处理并依次建立实际钻进轨迹的几何模型、形象模型和行为模型，将控制器建立实际钻进轨迹的行为模型通过数据服务器上传至可视化平台，并在显示屏上的井眼轨迹和钻进状态上动态显示，由此通过井眼轨迹和钻进状态对实际钻进轨迹能直观地观察，并通过井眼轨迹和设计轨迹进行比对，以判断井眼轨迹的偏离状况，由此对井眼轨迹进行评价，同时将实际钻进轨迹的行为模型数据存储在数据服务器中，以便可视化平台调用；
7）、控制器由数据服务器中调取设计钻进轨迹的行为模型，并对实际钻进轨迹和设计钻进轨迹相互结合进行评价，以确定实际钻进轨迹的偏移情况，根据评价结果，实际钻进轨相对于设计钻进轨迹发生偏移时，控制器采用动态模糊神经网络算法通过变频器控制变频电机的转速和转矩而调整工具面角度，进而调整实际钻进轨迹，由此对实际钻进轨迹纠偏，使实际钻进轨迹接近设计钻进轨迹；
8）、控制器调整钻进轨迹过程中实际钻进轨迹相较于设计钻进轨迹偏离程度较大，方位角或井斜角超过设定值时，控制器通过变频器停止钻进过程，并发出警报，由人工通过设定井斜角和方位角并再次钻进而对钻进轨迹纠偏，由此使实际钻进轨迹与设计钻进轨迹接近；
9）、人工调整钻进轨迹使偏离角度低于设定值时，控制器再次对钻进轨迹进行调整；
10）、控制器通过对人工调整井斜角和方位角的过程进行学习，而对控制器的动态模糊神经网络算法进行完善，进而使控制器对钻进轨迹的调整更准确。
2.根据权利要求1所述的一种石油钻井钻进轨迹的控制装置，其特征在于：所述的控制装置包括可视化平台、数据服务器、转盘控制系统和钻杆，可视化平台通过数据服务器与转盘控制系统连接，转盘控制系统与钻杆连接。
3.根据权利要求2所述的一种石油钻井钻进轨迹的控制装置，其特征在于：所述的可视化平台包括虚拟钻井模型、数据驱动接口和显示屏，虚拟钻井模型用于建立设计钻进轨迹的几何模型，虚拟钻井模型通过数据驱动接口与显示屏连接，以将设计钻进轨迹的几何模型在显示屏上显示。
4.根据权利要求3所述的一种石油钻井钻进轨迹的控制装置，其特征在于：所述的显示屏包括可视化界面，以动态显示钻进状态、井眼轨迹和设计轨迹。
5.根据权利要求2所述的一种石油钻井钻进轨迹的控制装置，其特征在于：所述的转盘控制系统由控制器、变频器、变频电机、随钻测量器和转盘构成，控制器通过变频器和变频电机与转盘连接，以控制转盘转动，随钻测量器分别与转盘和控制器连接，以将钻进数据上传控制器，进而控制转盘的转速和转矩。
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