CN113006772A - 一种基于随钻陀螺仪的井眼轨迹跟踪调控方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于随钻陀螺仪的井眼轨迹跟踪调控方法，包括以下步骤：1)设计井眼轨迹，得到井深、井斜角、方位角的目标值和允许偏差值；2)数据采集：在钻进过程中连续采集钻柱在三个方向上的实时姿态测量值；3)轨迹推算：采用卡尔曼滤波融合算法，计算当前钻柱的实时姿态估计值；4)钻向调控：通过算法计算并根据计算结果调节无极可调井眼轨迹控制工具的钻柱的运动方向，使其回归目标井眼轨迹。本设计在无极可调井眼轨迹控制工具的钻柱内设置无线陀螺仪，通过与地面PLC控制器通讯连接，对钻柱的实时姿态进行监测，计算其与设计井眼轨迹的偏差，并根据偏差值调节钻具的钻进方向，缩小实际井眼轨迹与设计井眼轨迹的偏差。
Description
技术领域
本发明涉及取样装置技术领域，具体涉及一种基于随钻陀螺仪的井眼轨迹跟踪调控方法。
背景技术
随着我国经济的快速发展，我国对原油和成品油的需求量大幅度增长，石油资源日趋枯竭，油井井眼轨迹的精准测绘变得越发重要。在钻井过程中，需要知道已钻油井井身的实际轨迹来控制钻井的趋势，以保证实际油井井眼轨迹落在预设范围内。
可以通过测量油井的井身结构来测绘出油井的井眼轨迹，井身测点的位置可以由井深、井斜角和方位角三个参数唯一确定。传统的采用磁性定向仪器的方法，由于受到套管磁场的影响而无法实现对其测量，导致测量结果受干扰。
同时，由于国内外大部分油田已经处于开发后期，新探区块大部分处于特殊环境，如海洋、滩海、沙漠等地区，这就使得勘探开发难度和成本大大增加。另一方面，老油田为实现稳产，面临着大量的边缘油气藏、独立小油气藏、复杂断块油气藏、超薄油气藏等难动用储量的开发问题。勘探开发形势的需要推动着井型的演变与发展，大位移井、超薄油层水平井、定向井、多分枝井等复杂结构井在油气田勘探开发中所占的比例越来越大。因此迫切需要研究开发适用于这些复杂结构井的高新钻井技术。
申请号为CN201010283593.9的中国发明专利公开了一种无级可调井眼轨迹控制工具，实现偏转角度的可调控制，可以实现在360°圆周范围内任意方向的无级偏转，具有轨迹控制精度高、井身质量好、井眼净化好、位移延伸能力强的特点，可作为实现对井眼轨迹跟踪调控的工具。
发明内容
针对上述存在的技术不足，本发明的目的是提供一种基于随钻陀螺仪的井眼轨迹跟踪调控方法，其在无极可调井眼轨迹控制工具内设置无线陀螺仪，通过与地面PLC控制器通讯连接，对钻柱的实时姿态进行监测，计算其与设计井眼轨迹的偏差，并根据偏差值调节钻柱的钻进方向，缩小实际井眼轨迹与设计井眼轨迹的偏差。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
本发明提供一种基于随钻陀螺仪的井眼轨迹跟踪调控方法，所述陀螺仪设在无极可调井眼轨迹控制工具的钻柱内，其特征在于，包括以下步骤：
1)设计井眼轨迹：根据地质条件和储层位置，设计目标井眼轨迹，得到井深、井斜角、方位角的目标值和允许变化率范围值；
2)数据采集：将陀螺仪安装在钻柱内，同时建立陀螺仪与地面PLC控制器之间的信号通讯，在钻进过程中连续采集钻柱在三个方向上的实时姿态测量值，所述实时姿态测量值为井深、井斜角、方位角的测量值；
3)轨迹推算：采用卡尔曼滤波融合算法，采用递归算法，通过钻柱上一时刻的估计值和当前时间的测量值计算当前钻柱实时姿态估计值：
Xk＝AkXk-1+BkUk-1+Wk-1
Zk＝HkXx+Vk
其中，Xk表示k时刻的状态变量，Zk是k时刻的观测序列，Wk-1、Vk分别是过程噪声和观测噪声，Ak是k时刻n*n阶的增益矩阵用于转换k-1时刻的状态变量，Uk-1是k-1时刻的可控向量，Bk是k时刻n*1阶的增益矩阵用于调节可控向量Uk-1，Hk是k时刻m*n阶的增益矩阵表示k时刻的状态对测量值的增益；
5)钻向调控：利用实时姿态估计值与实际测量值的差值计算实时变化率，对比实时变化率与目标井眼轨迹在同一时刻的允许变化率范围值，根据计算结果调节无极可调井眼轨迹控制工具的钻柱的运动方向，使其回归目标井眼轨迹；所述算法为：
其中，其中，α为井斜角，单位为度；kα为井斜变化率，单位为度/30米；kφ为方位变化率，单位为度/30米；k为工具造斜率，单位为度/30米；ω为工具面角，单位为度。
优选地，若实时变化率落在允许变化率范围值内则继续钻进，若实时变化率超出允许变化率范围值，则由地面控制器控制无极可调井眼轨迹控制工具的电磁离合器来控制偏心机构来改变钻柱的运动方向，使其实时变化率减小直至再次落入允许变化率范围值。
优选地，所述陀螺仪采用无线三轴组合式陀螺仪，其Z轴与钻柱的轴线重合。
优选地，还包括设置在所述无极可调井眼轨迹控制工具内且与所述陀螺仪电连接的电源模块、无线通信模块，所述陀螺仪通过所述无线通信模块与所述地面PLC控制器通信连接。
本发明的有益效果在于：本设计在无极可调井眼轨迹控制工具内设置无线陀螺仪，通过与地面PLC控制器通讯连接，对钻柱的实时姿态进行监测，计算其与设计井眼轨迹的偏差，并根据偏差值调节钻柱的钻进方向，缩小实际井眼轨迹与设计井眼轨迹的偏差。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种基于随钻陀螺仪的井眼轨迹跟踪调控方法的流程图。
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。
如图1所示，一种基于随钻陀螺仪的井眼轨迹跟踪调控方法，陀螺仪设在无极可调井眼轨迹控制工具的钻柱内，无极可调井眼轨迹控制工具内设有与陀螺仪电连接的电源模块、无线通信模块，陀螺仪通过无线通信模块与地面PLC控制器通信连接，陀螺仪采用无线三轴组合式陀螺仪，包括以下步骤：
1)设计井眼轨迹：根据地质条件和储层位置，设计目标井眼轨迹，得到井深、井斜角、方位角的目标值和允许变化率范围值；
2)数据采集：将陀螺仪安装在钻柱内，同时建立陀螺仪与地面PLC控制器之间的信号通讯，在钻进过程中连续采集钻柱在三个方向上的实时姿态测量值，所述实时姿态测量值为井深、井斜角、方位角的测量值；
3)轨迹推算：采用卡尔曼滤波融合算法，采用递归算法，通过钻柱上一时刻的估计值和当前时间的测量值计算当前钻柱实时姿态估计值：
Xk＝AkXk-1+BkUk-1+Wk-1
Zk＝HkXx+Vk
其中，Xk表示k时刻的状态变量，Zk是k时刻的观测序列，Wk-1、Vk分别是过程噪声和观测噪声，Ak是k时刻n*n阶的增益矩阵用于转换k-1时刻的状态变量，Uk-1是k-1时刻的可控向量，Bk是k时刻n*1阶的增益矩阵用于调节可控向量Uk-1，Hk是k时刻m*n阶的增益矩阵表示k时刻的状态对测量值的增益；
6)钻向调控：利用实时姿态估计值与实际测量值的差值计算实时变化率，对比实时变化率与目标井眼轨迹在同一时刻的允许变化率范围值，若实时变化率落在允许变化率范围值内则继续钻进，若实时变化率超出允许变化率范围值，则由地面控制器控制无极可调井眼轨迹控制工具的电磁离合器来控制偏心机构来改变钻柱的运动方向，使其实时变化率减小直至再次落入允许变化率范围值；所述算法为：
其中，其中，α为井斜角，单位为度；kα为井斜变化率，单位为度/30米；kφ为方位变化率，单位为度/30米；k为工具造斜率，单位为度/30米；ω为工具面角，单位为度。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (4)
1.一种基于随钻陀螺仪的井眼轨迹跟踪调控方法，所述陀螺仪设在无极可调井眼轨迹控制工具的钻柱内，其特征在于，包括以下步骤：
1)设计井眼轨迹：根据地质条件和储层位置，设计目标井眼轨迹，得到井深、井斜角、方位角的目标值和允许变化率范围值；
2)数据采集：将陀螺仪安装在钻柱内，同时建立陀螺仪与地面PLC控制器之间的信号通讯，在钻进过程中连续采集钻柱在三个方向上的实时姿态测量值，所述实时姿态测量值为井深、井斜角、方位角的测量值；
3)轨迹推算：采用卡尔曼滤波融合算法，采用递归算法，通过钻柱上一时刻的估计值和当前时间的测量值计算当前钻柱实时姿态估计值：
Xk＝AkXk-1+BkUk-1+Wk-1
Zk＝HkXx+Vk
其中，Xk表示k时刻的状态变量，Zk是k时刻的观测序列，Wk-1、Vk分别是过程噪声和观测噪声，Ak是k时刻n*n阶的增益矩阵用于转换k-1时刻的状态变量，Uk-1是k-1时刻的可控向量，Bk是k时刻n*1阶的增益矩阵用于调节可控向量Uk-1，Hk是k时刻m*n阶的增益矩阵表示k时刻的状态对测量值的增益；
4)钻向调控：利用实时姿态估计值与实际测量值的差值计算实时变化率，对比实时变化率与目标井眼轨迹在同一时刻的允许变化率范围值，根据计算结果调节无极可调井眼轨迹控制工具的钻柱的运动方向，使其回归目标井眼轨迹；所述算法为：
其中，其中，α为井斜角，单位为度；kα为井斜变化率，单位为度/30米；kφ为方位变化率，单位为度/30米；k为工具造斜率，单位为度/30米；ω为工具面角，单位为度。
2.如权利要求1所述的一种基于随钻陀螺仪的井眼轨迹跟踪调控方法，其特征在于，若实时变化率落在允许变化率范围值内则继续钻进，若实时变化率超出允许变化率范围值，则由地面控制器控制无极可调井眼轨迹控制工具的电磁离合器来控制偏心机构来改变钻柱的运动方向，使其实时变化率减小直至再次落入允许变化率范围值。
3.如权利要求1所述的一种基于随钻陀螺仪的井眼轨迹跟踪调控方法，其特征在于，所述陀螺仪采用无线三轴组合式陀螺仪，其Z轴与钻柱的轴线重合。
4.如权利要求1所述的一种基于随钻陀螺仪的井眼轨迹跟踪调控方法，其特征在于，还包括设置在所述无极可调井眼轨迹控制工具内且与所述陀螺仪电连接的电源模块、无线通信模块，所述陀螺仪通过所述无线通信模块与所述地面PLC控制器通信连接。
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