CN112539052A - 一种钻具下落速度优化的控制装置、方法、介质及设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种钻具下落速度优化的控制装置、方法、介质及设备，该控制装置包括：用于输出钻具参考下落速度控制指令的控制器和与所述控制器连接的、用于检测钻具实际下落速度的测速传感器、用于检测井斜的钻井参数传感器、用于检测钻具下落深度的深度传感器以及人机交互装置。本发明的控制器根据各个检测元件检测到的钻具实际下落速度参数、井斜参数和钻具下落深度参数以及人机交互装置输入的参数，即可输出钻具参考下落速度控制指令，使钻具按照一定的参考下落速度下落，杜绝自由落体的下钻方式对钻具寿命的影响。

Description

一种钻具下落速度优化的控制装置、方法、介质及设备

技术领域

本发明涉及钻进设备技术领域，具体涉及一种钻具下落速度优化的控制装置、方法、介质及设备。

背景技术

绞车作为钻机的提升系统，通过大钩带动钻具提升，实现钻探过程中的提下钻。实际操作过程中，司钻常采用自由落体下放大钩和钻具，以减少辅助时间，实现最快速度进行下钻，这种方式容易对钻具各个构件造成磨损，导致钻具的使用寿命大大降低，提升了钻探生产运行成本。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种钻具下落速度优化的控制装置、方法、介质及设备。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种钻具下落速度优化的控制装置，包括：用于输出钻具参考下落速度控制指令的控制器和与所述控制器连接的、用于检测钻具实际下落速度的测速传感器、用于检测井斜的钻井参数传感器、用于检测钻具下落深度的深度传感器以及人机交互装置。

本发明的有益效果是：控制器根据各个检测元件检测到的钻具实际下落速度参数、井斜参数和钻具下落深度参数以及人机交互装置输入的参数，即可输出钻具参考下落速度控制指令，使钻具按照一定的参考下落速度下落，杜绝自由落体的下钻方式对钻具寿命的影响。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述测速传感器采用编码器或测速仪。

进一步，所述钻井参数传感器采用测斜仪或随钻测量系统MWD。

进一步，所述深度传感器采用编码器。

进一步，所述人机交互装置采用触摸屏。

为实现上述发明目的，本发明还提供一种基于上述控制装置的控制方法，包括：

获取钻具实际下落速度、井斜、钻具下落深度、钻具参数和钻井液密度；

根据所述钻具实际下落速度、井斜、钻具下落深度、钻具参数和钻井液密度，确定钻具参考下落速度；

根据所述钻具参考下落速度输出控制指令，使钻具按照所述钻具参考下落速度下落。

进一步，所述根据所述钻具实际下落速度、井斜、钻具下落深度、钻具参数和钻井液密度，确定钻具参考下落速度，具体包括：

将所述钻具实际下落速度、井斜、钻具下落深度、钻具参数和钻井液密度输入预先构建的数学模型，得到钻具参考下落速度。

进一步，所述根据所述钻具参考下落速度输出控制指令，使钻具按照所述钻具参考下落速度下落，具体包括：

根据所述钻具参考下落速度计算出绞车驱动电机所需的转矩、转速、位置及电参数；

按照所述转矩、转速、位置及电参数驱动所述绞车驱动电机运转。

本发明还提供一种计算机可读存储介质，包括指令，当所述指令在计算机上运行时，使所述计算机执行上述方法。

本发明还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上的并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述方法。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种钻具下落速度优化的控制装置的结构框图；

图2为钻机提升系统的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种钻具下落速度优化的控制方法的流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

图1为本发明实施例提供的一种钻具下落速度优化的控制装置的结构框图，如图1所示，该控制装置包括：用于输出钻具参考下落速度控制指令的控制器和与所述控制器连接的、用于检测钻具实际下落速度的测速传感器、用于检测井斜的钻井参数传感器、用于检测钻具下落深度的深度传感器以及人机交互装置。

具体的，如图2所示为钻机提升系统的结构示意图，控制系统驱动绞车电机，绞车电机带动绞车滚筒21，绞车滚筒21通过钢丝绳带动大钩22，大钩22带动钻具。上述的钻具实际下落速度可以通过钻机提升系统的测速传感器得到实时值，测速传感器可以通过绞车的驱动电机或绞车滚筒21上增加编码器或者非接触式测速仪来实现，另外，钻具实际速度也可以通过钻机提升系统的控制系统直接得到，需要注意的是，该方法对于同步电机直驱结构，由于异步电机有转差率，非直驱结构采用齿轮链条等变速机构也有速度损失，因此需要对测得的实际速度进行速度转换。

孔斜可以通过钻井参数传感器测得的测井数据得到，例如，钻探现场有测斜仪，测斜仪多为多点测斜(例如每100米一个井斜数据)，所以测斜一次后均会得到井深不同深度的斜度，使用测斜仪测斜可以得到点状非连续井斜数据。但若钻探过程中配备了MWD随钻测量系统，则可以在钻探过程中得到井深斜度的连续数据，获得较为容易。

钻具下落深度，可以通过钻探现场的大钩高度实时数据得到，得到的方式有多种，可以通过在钻机提升系统的绞车滚筒21或驱动电机上增加编码器，通过输入的钢丝绳绳数、钢丝绳直径、钢丝绳直径计算得到，也可以通过钻机天车上的慢速轮安装编码器计算得到，方式多种多样。

人机交互装置用于输入钻具参数和钻井液参数等数据。其中钻具参数，包括钻头类型和钻头直径等，均为已知数据，根据实际使用的钻具输入即可，钻头直径通常是根据钻探方案中的终孔直径或取芯要求，选用相应直径的钻头，不同地层，根据地层的软硬程度或岩石耐磨程度，选用不同材质的钻头，并根据钻铤、钻杆组合方式及重量设定不同范围的钻压。实际井下的钻井液密度较难获得，可以考虑声波之类的方法，在现场通过钻井工程出口、入口的钻井液性能测量，得到钻井液密度的计算值，也可以在实验室内根据不同钻井液配方进行模拟，不同的配方，不同钻井液液面高度，不同的静止时间，得到模拟的钻井液密度表，为实际提供参考和修正。

人机交互装置可以根据不同钻塔有效行程，不同井身结构和钻探工艺，形成系列化界面，便于钻探工程人员输入相关参数，实现自动运行控制。

该控制装置可以单独放置于钻探现场的电控房中，也可以在控制体积的情况下，将控制装置与绞车驱动电机做为一体结构。

本发明实施例提供的一种钻具下落速度优化的控制装置，控制器根据各个检测元件检测到的钻具实际下落速度参数、井斜参数和钻具下落深度参数以及人机交互装置输入的参数，即可输出钻具参考下落速度控制指令，使钻具按照参考下落速度下落。

图3为本发明实施例提供的一种基于上述控制装置的控制方法的流程示意图，如图3所示，该方法包括：

31、获取钻具实际下落速度、井斜、钻具下落深度、钻头类型、钻头直径和钻井液密度；

32、根据所述钻具实际下落速度、井斜、钻具下落深度、钻头类型、钻头直径和钻井液密度，确定钻具参考下落速度；

33、根据所述钻具参考下落速度输出控制指令，使钻具按照所述钻具参考下落速度下落。

具体的，如图2所示，井内钻具的结构如下：从下部到上部分别为钻头25、钻铤24，钻杆23等，由于井内钻井液27的浮力、下钻时钻井液27对钻头25的阻力、钻头25和井壁的摩擦力等(以下统称为“上阻力”)因素，使得下钻过程中上部钻具的重力作用在下部钻具上，加大了孔内钻具的弯曲现象。如果采取自由落体的下钻方式，钻具在井内的快速下行，因其中心线偏离井眼轴线，与井壁之间发生偏磨，增大了套管26磨穿概率；同时，钻具弯曲加剧了钻柱本身的受力状况及井壁对钻具的磨损，导致钻具的使用寿命大大降低，也降低了钻井质量，提升了钻探生产运行成本。

本发明实施例创造性地考虑了钻具下落速度与各个外部输入参数之间的数学关系，建立钻具实际下落速度、井斜、钻具下落深度、钻头类型、钻头直径和钻井液密度与钻具参考下落速度的数学模型，将以上各个外部输入参数输入绞车的控制器(为可编程控制器配合变频器，也可以是其他伺服系统)得到钻具参考下落速度，进而计算出绞车驱动电机所需的转矩、转速、位置及电参数，控制器执行该计算信息，有效控制绞车驱动电机运行的实时输出位置、功率、转矩及电参数，进而控制钻具在下落过程中接近井底或孔径较小、井斜段等关键位置的控速运行，采用闭环控制，实现全井可控变速拖曳式下钻，钻具下落全过程变速运行，可以有效降低下钻过程中因钻具重力造成的自身弯曲，减少对钻杆、套管、井壁偏磨。

建立数学模型时，需要考虑钻具下落速度与重力和上阻力之差引起的钻具弯曲之间的数学关系，包含钻进过程中存在的弯曲和井斜对钻具造成的摩擦，优化得出不同钻具组合最佳下落速度，由钻机绞车控制系统输出最佳下落速度，实现钻头、钻铤、钻杆间只存在拉力，不存在相互间压力，最大限度保证下钻过程中钻具不发生因重力和上阻力之间的差值而产生的弯曲，杜绝自由落体的下钻方式钻具对井壁的影响，进而解决钻具下落过程中钻具自身弯曲及井壁质量问题。

钻具下落速度的优化，可以有助于解决深井钻井过程中下钻时钻具弯曲对井壁和套管的影响问题，降低井壁偏磨的概率，提高钻井质量，降低钻井生产运行成本，减少事故。

本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，包括指令，当所述指令在计算机上运行时，使所述计算机执行上述方法实施例中的方法步骤；或者存储上述系统实施例的各个软件模块对应的指令。

本发明实施例还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上的并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述方法实施例中的方法步骤。

读者应理解，在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，上述描述系统实施例中的模块和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。

作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本发明实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以是两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分，或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上，仅为本发明的具体实施方式，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揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种钻具下落速度优化的控制装置，其特征在于，包括：用于输出钻具参考下落速度控制指令的控制器和与所述控制器连接的、用于检测钻具实际下落速度的测速传感器、用于检测井斜的钻井参数传感器、用于检测钻具下落深度的深度传感器以及人机交互装置。

2.根据权利要求1所述的一种钻具下落速度优化的控制装置，其特征在于，所述测速传感器采用编码器或测速仪。

3.根据权利要求1所述的一种钻具下落速度优化的控制装置，其特征在于，所述钻井参数传感器采用测斜仪或随钻测量系统MWD。

4.根据权利要求1所述的一种钻具下落速度优化的控制装置，其特征在于，所述深度传感器采用编码器。

5.根据权利要求1所述的一种钻具下落速度优化的控制装置，其特征在于，所述人机交互装置采用触摸屏。

6.一种基于权利要求1至5任一项所述的控制装置的控制方法，其特征在于，包括：

获取钻具实际下落速度、井斜、钻具下落深度、钻头类型、钻头直径和钻井液密度；

根据所述钻具实际下落速度、井斜、钻具下落深度、钻具参数和钻井液密度，确定钻具参考下落速度；

根据所述钻具参考下落速度输出控制指令，使钻具按照所述钻具参考下落速度下落。

7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述根据所述钻具实际下落速度、井斜、钻具下落深度、钻具参数和钻井液密度，确定钻具参考下落速度，具体包括：

将所述钻具实际下落速度、井斜、钻具下落深度、钻具参数和钻井液密度输入预先构建的数学模型，得到钻具参考下落速度。

8.根据权利要求6或7所述的控制方法，其特征在于，所述根据所述钻具参考下落速度输出控制指令，使钻具按照所述钻具参考下落速度下落，具体包括：

根据所述钻具参考下落速度计算出绞车驱动电机所需的转矩、转速、位置及电参数；

按照所述转矩、转速、位置及电参数驱动所述绞车驱动电机运转。

9.一种计算机可读存储介质，包括指令，其特征在于，当所述指令在计算机上运行时，使所述计算机执行根据权利要求6至8任一项所述的方法。

10.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上的并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求6至8任一项所述的方法。

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