CN112302617A - 一种智能化钻机操作控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种智能化钻机操作控制系统，属于钻机控制系统技术领域，包括主服务器、原地质柱状图数据库客户机、录井资料数据库客户机、井眼模型CLIENT客户机、区域地质构造图CLIENT客户机、随钻设备参数数据库客户机和电器控制参数数据库CLIENT客户机，所述主服务器上安装工业以太网的互联网平台和多个数据库的游览器，并将游览器转换为自动数据交互系统。将静态的井位地质柱状数据库、录井资料和动态实时变化的随钻参数、电气控制参数整合管理，形成一个静态和动态互补的双闭环控制，提高了钻井效率，减少钻井成本，降低钻井事故。
Description
技术领域
本发明涉及钻机设备控制系统技术领域，特别涉及一种智能化钻机操作控制系统。
背景技术
一般钻井作业设备运行参数的来源为：钻井设计院根据已有的物理勘探资料：地震勘探、电法勘探、磁力勘探、重力勘探等地质勘探资料，综合分析后形成区域地质资料图，结合石油生成理论和存储岩性分析，研究确定整体开发方案。根据每口井的钻井位置和目的层(含油层)，及井位处地下岩性及岩性厚度等参数形成综合勘探资料确定的地质柱状剖面图，据此设计井径尺寸、钻头类型(类型和尺寸)及对应的地层压力、转盘转速、泥浆比重、泥浆泵泵压和排量等参数，转交钻井作业队。
由钻井工程师根据生产过程中地层岩性变化实时调整钻井参数，节省钻井时间可达到25％-40％以上。但准确、实时完成调整参数组目前世界范围内既无此设计理念，又无相应的配套设备，难以现场实施。目前在起/下钻作业中，司钻提/下钻绞车速度基于自己对井况的了解、处于个人经验、感觉、属于大概念的范畴，无钻头、钻杆与井况的相对位置动态图和参数实时显示，盲目性较大，不但作业低效，而且易造成钻杆、钻头掉落井底等钻井事故。目前石油电动钻机的操作界面也在不断更新，但根本的控制原理未曾发生根本的变化。
钻进、提钻/下钻作业完全由人工根据钻井设计工艺，按设计参数进行，当地下地层岩性性质发生变化时，参数不能实时跟随变化，造成作业低效和钻井事故。
发明内容
本发明的目的在于提供一种智能化钻机操作控制系统，将静态的井位地质柱状数据库、录井资料和动态实时变化的随钻参数、电气控制参数整合管理，形成一个静态和动态互补的双闭环控制，提高了钻井效率，减少钻井成本，降低钻井事故，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种智能化钻机操作控制系统，包括主服务器、原地质柱状图数据库客户机、录井资料数据库客户机、井眼模型CLIENT客户机、区域地质构造图CLIENT客户机、随钻设备参数数据库客户机和电器控制参数数据库CLIENT客户机，所述主服务器上安装工业以太网的互联网平台和多个数据库的游览器，并将游览器转换为自动数据交互系统，根据界面指令分别读取各设备数据库相关数据，统一数据格式，根据钻井工艺要求和参数间的经验值综合计算；所述原地质柱状图数据库客户机的用户服务器中存有原地质柱状图数据库，原地质柱状图数据库与主服务器形成数据交互，为主服务器提供原地质柱状图数据；所述录井资料数据库客户机的用户服务器中存有录井资料数据库，录井资料数据库与主服务器形成数据交互，为主服务器提供录井资料数据，所述井眼模型CLIENT客户机的用户服务器中存储有不同井深段的岩性、井壁光滑度、井径对应的最高速度限制值，对工况指令进行限制；区域地质构造图CLIENT客户机的用户服务器中存储有地质剖面图数据信息；所述随钻设备参数数据库客户机的用户服务器中存储有实时获取的钻机设备状况、钻头深度、岩性、井压的数据信息，对工况指令进行限制，并与主服务器之间形成数据交互；所述电器控制参数数据库CLIENT客户机与主服务器之间形成数据交互，读取钻机设备运行状态和转换钻井参数为电气参数。
进一步地，所述主服务器与操作界面完成数据交互，主服务器接收操控界面的指令，实时数据在操作界面上实时显示。
进一步地，所述原地质柱状图数据库的系统软件是GEOMAP或MAPGES软件运行形成，提供GEOMAPGXF明码交换格式；原地质柱状图数据库中安装openspirit插件，直接读取openwork、geoframe的数据库资料，其文件输出格式EMF、MAPGIS、PDF、AI、PS。
进一步地，所述录井资料数据库的录井软件为CZ-LOGGING综合录井系统或CZ-LOGREPORT录井数据汇报系统，使用UOBAC控制模型访问信息系统，其文件输出格式EMF、MAPGIS、PDF、AI、PS。
进一步地，所述随钻设备参数数据库属于随采随存、不断完善型数据库，输出格式为模拟或数据曲线，转换与地质柱状图一致的格式，并完成输出接口与互联网转换。
进一步地，所述电器控制参数数据库的电气控制系统使用西门子S7-300/400或1500控制系统，WINCC操作显示界面，电气控制系统存储钻机设备各时刻设备运行的实际参数，即不同井深时刻的设备运行参数。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提出的一种智能化钻机操作控制系统，将静态的井位地质柱状数据库、录井资料和动态实时变化的随钻参数、电气控制参数整合管理，形成一个静态和动态互补的双闭环控制，对钻井作业中各设备运行参数进行实时调整，并且汲取了目前电动钻机成熟的技术优点，结合井眼模型，加入了前人在长期钻井过程中总结的岩性、井深、地层压力等参数下钻井参数经验，形成了一套完全全新的控制操作系统；提高了钻井效率，减少钻井成本，降低钻井事故。
附图说明
图1为本发明的智能化钻机操作控制系统的整体控制原理图；
图2为本发明的钻进工况控制原理图；
图3为本发明的起/下钻工况控制原理图；
图4为本发明的钻进控制中电气控制参数框图；
图5为本发明的起/下钻控制中电气控制参数框图；
图6为本发明的操作界面数据流程框图。
图中：1、主服务器；2、原地质柱状图数据库客户机；3、录井资料数据库客户机；4、井眼模型CLIENT客户机；5、区域地质构造图CLIENT客户机；6、随钻设备参数数据库客户机；7、电器控制参数数据库CLIENT客户机；8、操作界面。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参阅图1至图6，一种智能化钻机操作控制系统，包括主服务器1、原地质柱状图数据库客户机2、录井资料数据库客户机3、井眼模型CLIENT客户机4、区域地质构造图CLIENT客户机5、随钻设备参数数据库客户机6和电器控制参数数据库CLIENT客户机7，主服务器1上安装工业以太网的互联网平台和多个数据库的游览器，并将游览器转换为自动数据交互系统，根据界面指令分别读取各设备数据库相关数据，统一数据格式，根据钻井工艺要求和参数间的经验值综合计算；原地质柱状图数据库客户机2的用户服务器中存有原地质柱状图数据库，原地质柱状图数据库与主服务器1形成数据交互，为主服务器1提供原地质柱状图数据；录井资料数据库客户机3的用户服务器中存有录井资料数据库，录井资料数据库与主服务器1形成数据交互，为主服务器1提供录井资料数据，井眼模型CLIENT客户机4的用户服务器中存储有不同井深段的岩性、井壁光滑度、井径对应的最高速度限制值，对工况指令进行限制；区域地质构造图CLIENT客户机5的用户服务器中存储有地质剖面图数据信息；随钻设备参数数据库客户机6的用户服务器中存储有实时获取的钻机设备状况、钻头深度、岩性、井压的数据信息，对工况指令进行限制，并与主服务器1之间形成数据交互；电器控制参数数据库CLIENT客户机7与主服务器1之间形成数据交互，读取钻机设备运行状态和转换钻井参数为电气参数。
主服务器1与操作界面8完成数据交互，主服务器1接收操控界面的指令，实时数据在操作界面8上实时显示。
原地质柱状图数据库的系统软件是GEOMAP或MAPGES软件运行形成，提供GEOMAPGXF明码交换格式；原地质柱状图数据库中安装openspirit插件，直接读取openwork、geoframe的数据库资料，其文件输出格式EMF、MAPGIS、PDF、AI、PS。
录井资料数据库的录井软件为CZ-LOGGING综合录井系统或CZ-LOGREPORT录井数据汇报系统，使用UOBAC控制模型访问信息系统，其文件输出格式EMF、MAPGIS、PDF、AI、PS。
随钻设备参数数据库属于随采随存、不断完善型数据库，输出格式为模拟或数据曲线，转换与地质柱状图一致的格式，并完成输出接口与互联网转换。
电器控制参数数据库的电气控制系统使用西门子S7-300/400或1500控制系统，WINCC操作显示界面，电气控制系统存储钻机设备各时刻设备运行的实际参数，即不同井深时刻的设备运行参数。
钻进作业过程中，设备运行控制参数算法：
智能化控制参数组是建立在以井位地质柱状剖面图为基础、钻进过程中实时采集的井况数据(地层岩性、和准确的钻头、钻杆与井况的相对位置等)为修正量、以存储数据建立的模型为辅助，对钻井作业中各设备运行参数进行实时调整，以提高钻井生产效率为目的的设计思路，在实际使用的钻井设备控制参数值的一般设计流程中增加虚框部分内容为现场实时测量所得，代表着最为准确的实时地层岩性；在∑点处进行综合计算，转换成为钻机设备运行参数的最终数值；岩性、井深、钻压转换为设备运行参数由设计人员根据经验换算完成。
井位地质柱状剖面换为钻机钻进作业时设备运行参数：
研究不同岩性下钻机设备运行的最佳钻井参数，形成对应的数据曲线；根据地质柱状图的地层岩性、井径(钻头尺寸)确定钻机钻进作业时的钻压、排量、转盘转速和绞车下放速度；将其转换成泥浆泵、转盘、绞车的速度给定信号，形成类似于现在钻井过程中，钻进设计时的钻井参数，由人员操作和监控设备达到的数值；根据实时录井获取的岩性资料，对岩性进行校正；钻头实时深度和实时钻压，校正钻机设备钻井运行参数；根据实时随钻获取的岩性资料，对岩性进行校正；钻头实时深度和实时钻压，校正钻机设备钻井运行参数；通过以上转换、两个闭环反馈修正处理，实现了不同性质岩层、在不同深度下、不同钻压下使用不同的钻井设备参数组，达到最佳钻井效率。
转化环节的参数研究，井位地质柱状图转换为钻井作业的钻压、钻速、排量等钻井参数，需要将现有的经验值进行标准化转化，形成一套完整的对应体系；拟定对应关系，通过计算机或手动转化函数为：
钻压＝K1*标准岩性(中国地质年代表和工程岩体分级标准GB50218-94)，K1由岩层性质、井深、地层压力等因素决定的多维度参数决定的曲线簇组。
钻速＝K2*标准岩性(中国地质年代表和工程岩体分级标准GB50218-94)，K2由岩层性质、钻头性质、地层压力等因素决定的多维度参数决定的曲线簇组。
泥浆排量＝K3*标准岩性(中国地质年代表和工程岩体分级标准GB50218-94)，K3由岩层性质、井深、井径、等因素决定的多维度参数决定的曲线簇组。
绞车下放速度＝K4*标准岩性(中国地质年代表和工程岩体分级标准GB50218-94)，K4由岩层性质、钻压、地层压力等因素决定的多维度参数决定的曲线簇组。
钻机钻井参数转化为电气设备控制参数：
泥浆泵手轮速度给定＝K5*泥浆排量
泥浆泵速度给定＝K6*泵压
转盘转速给定＝K7*转盘转速
K5、K6、K7由钻机系统配置的型号、回路修正参数确定；
随钻资料实时校正柱状图参数设置和限制：
在开钻前地质柱状图是我们唯一的钻机作业参数设计的依据，从根本上说，应该是基本准确的。但随着钻井深度的增加，实时作业参数与实时岩性参数、层厚等存在一定的误差，导致钻机不能以最佳的参数进行作业，所以，钻机设备控制参数需根据实时钻进随钻的岩性情况进行实时修正，但又不能彻底推翻地质柱状图，所以，需要确定录井资料调整系数和最大值，以既可以最大限度的满足钻井实况，又不至于偏离柱状图太远，以避免造成跳钻、钻头磨损快、钻进速度缓慢、和钻压不准确等问题。
录井资料实时校正柱状图的参数设置和限制：
与随钻资料一样，需要确定录井资料的调整系数和最大值。
起/下钻作业过程中，设备运行控制参数算法：
在实际使用的钻井设备控制参数值的一般设计流程，其中工况指令由司钻操作完成；井眼模型在司钻心里存储；增加虚框部分内容为现场随钻设备实时测量所得，代表着最为准确的实时工况。在∑点处进行综合计算，转换成为钻机设备绞车运行参数的最终数值，也是最高值，提高了钻井效率，减少了钻井事故。
起下钻作业设备参数组计算和闭环控制流程：
在井深处提/下钻工况时，首先发出工况指令，该指令以最高速度值指令发出；井眼模型存储有不同井深段的岩性、井壁光滑度、井径对应的最高速度限制值，对工况指令进行限制；随钻设备采集的实时悬重、钻头深度，再次对工况指令进行限制；构成多重绞车速度保护限制系统，既保证了系统高效运行，又避免了钻井事故的发生。
转化环节的参数研究
工况指令：包含钻机绞车起动、停止和最高速度值；
井眼模型：井眼模型限制速度＝K8*绞车最高速度；K8：岩层性质、井壁光滑度等因素决定曲线簇组。
随钻实时参数：随钻实时速度＝K9*井眼模型限制速度；K9：井深、悬重等因素决定曲线簇组。
随钻实时速度转换为钻机电控设备的给定值；绞车速度是由电控设备的给定参数决定、实现的，需要进行数据转换。
工作流程：钻进控制流程，主服务器得到钻进指令后，首先完成与随钻设备和电控系统之间的数据交换，解调出钻头深度、岩性、井压等与钻井设备运行数据相关的各种数据；其次，完成与地质柱状图数据库、录井数据库系统的数据交互；再次，读取钻机设备状况；综合评估后形成钻井参数实时值，一路发送到钻井模型客户机建模，一路发送至电控系统，完成设备运行参数的控制；起/下钻控制流程，主服务器得到起/下钻指令后，首先完成井眼模型之间的数据交换，解调出钻头深度处对应的井壁光滑度、岩性、井压等各种数据及钻井设备状况，计算出提钻速度；再次，读取钻机设备状况；综合计算后，发送到电控系统。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种智能化钻机操作控制系统，其特征在于，包括主服务器(1)、原地质柱状图数据库客户机(2)、录井资料数据库客户机(3)、井眼模型CLIENT客户机(4)、区域地质构造图CLIENT客户机(5)、随钻设备参数数据库客户机(6)和电器控制参数数据库CLIENT客户机(7)，所述主服务器(1)上安装工业以太网的互联网平台和多个数据库的游览器，并将游览器转换为自动数据交互系统，根据界面指令分别读取各设备数据库相关数据，统一数据格式，根据钻井工艺要求和参数间的经验值综合计算；所述原地质柱状图数据库客户机(2)的用户服务器中存有原地质柱状图数据库，原地质柱状图数据库与主服务器(1)形成数据交互，为主服务器(1)提供原地质柱状图数据；所述录井资料数据库客户机(3)的用户服务器中存有录井资料数据库，录井资料数据库与主服务器(1)形成数据交互，为主服务器(1)提供录井资料数据，所述井眼模型CLIENT客户机(4)的用户服务器中存储有不同井深段的岩性、井壁光滑度、井径对应的最高速度限制值，对工况指令进行限制；区域地质构造图CLIENT客户机(5)的用户服务器中存储有地质剖面图数据信息；所述随钻设备参数数据库客户机(6)的用户服务器中存储有实时获取的钻机设备状况、钻头深度、岩性、井压的数据信息，对工况指令进行限制，并与主服务器(1)之间形成数据交互；所述电器控制参数数据库CLIENT客户机(7)与主服务器(1)之间形成数据交互，读取钻机设备运行状态和转换钻井参数为电气参数。
2.如权利要求1所述的一种智能化钻机操作控制系统，其特征在于，所述主服务器(1)与操作界面(8)完成数据交互，主服务器(1)接收操控界面的指令，实时数据在操作界面(8)上实时显示。
3.如权利要求1所述的一种智能化钻机操作控制系统，其特征在于，所述原地质柱状图数据库的系统软件是GEOMAP或MAPGES软件运行形成，提供GEOMAPGXF明码交换格式；原地质柱状图数据库中安装openspirit插件，直接读取openwork、geoframe的数据库资料，其文件输出格式EMF、MAPGIS、PDF、AI、PS。
4.如权利要求1所述的一种智能化钻机操作控制系统，其特征在于，所述录井资料数据库的录井软件为CZ-LOGGING综合录井系统或CZ-LOGREPORT录井数据汇报系统，使用UOBAC控制模型访问信息系统，其文件输出格式EMF、MAPGIS、PDF、AI、PS。
5.如权利要求1所述的一种智能化钻机操作控制系统，其特征在于，所述随钻设备参数数据库属于随采随存、不断完善型数据库，输出格式为模拟或数据曲线，转换与地质柱状图一致的格式，并完成输出接口与互联网转换。
6.如权利要求1所述的一种智能化钻机操作控制系统，其特征在于，所述电器控制参数数据库的电气控制系统使用西门子S7-300/400或1500控制系统，WINCC操作显示界面，电气控制系统存储钻机设备各时刻设备运行的实际参数，即不同井深时刻的设备运行参数。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20210202 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |