CN212837762U - 一种基于井底钻压的自动送钻系统 - Google Patents

Abstract

一种基于井底钻压的自动送钻系统，包括天车和位于天车下部的大钩，天车和大钩之间通过钢丝绳连接，大钩下方设置有水龙头，水龙头和钻杆通过方钻杆相连，绞车和带电机的差速器相连，绞车上设置有位移传感器；大钩上设置大钩载荷传感器，钢丝绳上安装有死绳传感器，大钩载荷传感器、死绳传感器和位移传感器将信号传递给信号放大器，信号放大器传输数据至DTU并由DTU经5G移动网络传输至远端服务器，计算机从服务器接收数据并处理，根据给定的井底钻压计算地面的待输入的目标钻压；计算机通过服务器发送指令给钻井现场的RTU，RTU控制带电机的差速器来调节绞车转速，从而实现远程精确控制井底钻压。

Description

一种基于井底钻压的自动送钻系统

技术领域

本实用新型涉及石油钻机的送钻系统技术领域，特别涉及一种基于井底钻压的自动送钻系统。

背景技术

在石油天然气钻井领域中，钻头的性能主要通过机械钻速评判，井底钻压是影响机械钻速的主要参数。因此，为了优化钻头的机械钻速、减少钻头磨损、提高钻井效率和降低钻井成本，必须获得准确的井底钻压。

现有恒钻压自动送钻系统的主要缺点：

1)目前给定自动送钻系统的钻压值是根据司钻经验或者繁琐的试钻得到的，准确性较差。

2)在钻井过程中，特别是在水平井的钻井过程中，其水平井段摩阻大、不易施加钻头载荷，导致地面钻压和井底钻压相差较大，因此无法获得准确的井底钻压、更无法给定一个精确的井底钻压。

3)由于无法施加准确的井底钻压，导致实际井底钻压与理想值有偏差。较小的钻压会制约钻头性能的发挥，甚至出现较低的破岩效率；过大的井底钻压则会导致钻头磨损加大、寿命变短。因此过大、过小的钻压对钻井作业都是很不利的。

4)钻井数据随着钻采工艺及井况的复杂程度加重而变得繁杂，现下司钻房操作工人只能处理现场简单钻井问题，难以处理日渐增多的海量钻井数据，更难以判断复杂的井下状况，从而不能采取较好措施加快钻井效率，加大了钻井成本。另外，钻井现场的工作环境日趋恶劣，不能长时间有工人留守，亟需稳定的远程控制设备及方法。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种基于井底钻压的自动送钻系统，实现远程精确控制井底钻压。

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：

一种基于井底钻压的自动送钻系统，包括天车1和位于天车1下部的大钩2，天车1两侧设置钢丝绳3，钢丝绳3一端与位于水平面上的绞车4相连，另一端固定在地面上，钢丝绳3穿过天车1和大钩2之间，所述大钩2下方设置有水龙头12，水龙头12和钻杆6通过方钻杆相连，钻杆6端部设置有钻头9，所述绞车4和带电机的差速器18相连，绞车4上安装有位移传感器17；所述的大钩2上装有用于监测大钩2拉力的大钩载荷传感器13，所述的固定在地面上的钢丝绳3上安装有死绳传感器10；

所述大钩载荷传感器13、死绳传感器10和位移传感器17将检测到的信息传递信号放大器14，信号放大器14与DTU16相连，并由DTU16经5G移动网络与远程服务器20通讯传输数据，远程计算机21从服务器20获取数据并在相应软件上处理；远程计算机21通过服务器20发送指令给RTU19以控制带电机的差速器18进而控制调节绞车4转速。

所述的绞车4上安装有刹车5。

所述的钻杆6通过接头7相连且在钻杆6上设置有扶正器8。

所述的DTU16通过信号放大器14获取由设备电子钻井记录仪EDR15采集钻井参数及井眼轨迹参数。

一种基于井底钻压的自动送钻系统的远程控制方法，包括以下步骤；

步骤1：数据采集：

通过传感器和电子钻井记录仪EDR15采集钻井参数及井眼轨迹参数；

步骤2：数据远程传输：

通过DTU16采集由传感器及电子钻井记录仪EDR采集到的钻井参数及井眼轨迹参数并通过DTU16经5G移动网络上传至远程服务器；

步骤3：给定井底钻压目标：

将钻头9的生产厂家推荐钻压值确定为可以发挥钻头性能的井底钻压值；

步骤4：计算摩擦因数：

远程计算机21通过远程服务器获得实时参数并计算得到井下钻具组合的摩擦因数；

步骤5：计算地面钻压：

该系统基于摩擦因数和摩阻扭矩模型，经过计算得到可以维持恒井底钻压送钻的精确的地面钻压值；

步骤6：精确控制井底钻压：

该远程计算机21通过远程服务器经5G移动网络给钻采现场RTU19发送指令控制绞车4转速以精确地输入地面钻压；

步骤7：实时调整地面钻压值：

随着钻进情况的变化，摩擦因数也会发生改变，故每下完一根钻杆6或者立根，就重复步骤1至步骤5。

所述的步骤4计算摩擦因数的具体步骤是：

假定一个初始摩擦因数μ，利用摩阻扭矩模型计算大钩载荷HLc；比较计算值HLc与已知大钩载荷HLa，已知的大钩载荷HLa是对直接测出的大钩载荷去除钻井绳与滑轮的摩擦修正得到的，若计算值与修正的测量值很接近，即小于给定的容差ε，绝对误差小于0.001，则认为假定的摩擦因数为所求；否则重新假设摩擦因数，再次计算大钩载荷HLc、直到满足精度要求。

所述的步骤5计算地面钻压，结合步骤3给定的井底钻压值和步骤4计算得到的摩擦因数值，再利用摩阻扭矩模型将井下钻具组合分为一段一段的钻具单元，从钻头开始向上计算钻压，从下向上不断叠加计算直至得到应该实时输入的地面钻压值，其中摩阻扭矩模型表达式如下：

斜直井段：

F_t＝βwΔL(cosα±μsinα)+F_b

(1)

弯曲井段钻柱受拉时：

弯曲井段钻柱受压时：

其中：

式中，F_t为钻柱单元上端受力，N；β为浮力系数；w为单位长度钻柱的重量，N/m；ΔL为钻柱单元长度，m；α_t，α_b为井斜角，rad，μ为摩擦因数；F_b为钻柱单元下端受压力，N；θ为狗腿角，rad；φ_t,φ_b为方位角，rad；F_n为钻柱法向力，N。

所述的步骤6精确控制井底钻压：集成在远程计算机21的自动送钻系统的软件部分在计算得到应该实时输入的精确的地面钻压之后(给定精度为相对误差小于0.01)，远程计算机21发送指令给RTU19(远程控制单元)控制带电机的差速器18来控制刹车5以调节绞车4转速，从而可以通过调整大钩载荷来控制地面钻压，之后钢丝绳3上的死绳传感器10将信息通过DTU16将大钩载荷信息反馈到远程计算机，用以判断实时的地面钻压是否等于计算输入的目标钻压，如果不相等，就继续调整大钩载荷直至实时地面钻压等于目标钻压；如果两者相等，就维持大钩载荷恒定，井下钻具组合持续稳定钻进。

所述的步骤7实时调整地面钻压：每下完一根钻杆6或者立根，就重复步骤1到步骤5，计算得到摩擦因数，调整大钩载荷，直到计算得到的输入钻压与实测的地面钻压相同，进而维持井下钻具组合稳定钻进，最终达到实时和精确控制井底钻压的目的。

本实用新型的有益效果：

1、实现了恒井底钻压自动送钻功能；

2、计算摩擦因数和地面目标钻压的软件系统可直接集成于常规自动送钻系统，不需要改变常规自动送钻系统的结构，节约了成本；

3、精确且实时地进行恒井底钻压自动送钻，可以有效地提高钻井效率；

4、可以实时显示井底钻压、钻头扭矩，也可以显示其他重要钻井参数，如：钻柱所受的最大压力、钻头深度、井底深度。

5、利用低延时优势的5G通讯技术，可实现远程实时控制基于井底钻压的自动送钻系统。

附图说明

图1是本实用新型整体结构示意图。

图2是系统的软件输出图。

图3是计算摩擦因数流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步详细说明。

如图1所示：一种基于井底钻压的自动送钻系统，包括天车1和位于天车1下部的大钩2，天车1和大钩2之间通过钢丝绳3连接，所述大钩2下方设置有水龙头12，水龙头12和钻杆6通过方钻杆相连，钻杆6端部设置有钻头9，钢丝绳3位于天车1两侧，钢丝绳3一端与位于水平面上的绞车4相连，另一端固定在地面上，所述绞车4和带电机的差速器18相连，绞车4上安装有位移传感器17；所述的大钩2上装有用于监测大钩2拉力的大钩载荷传感器13，所述的固定在地面上的钢丝绳3上安装有死绳传感器10；

所述大钩载荷传感器13、死绳传感器10和位移传感器17将检测到的信息传递信号放大器14，信号放大器14与DTU16相连，并由DTU16经5G移动网络与远程服务器20通讯传输数据，远程计算机21从服务器20获取数据并在相应软件上处理；远程计算机21通过服务器20发送指令给RTU19以控制带电机的差速器18进而控制调节绞车4转速。

所述的绞车4上安装有刹车5。

所述的钻杆6通过接头7相连且在钻杆6上设置有扶正器8。

所述的DTU16通过信号放大器14获取由设备电子钻井记录仪EDR15采集钻井参数及井眼轨迹参数。

如图1图3所示：一种基于井底钻压的自动送钻系统的远程控制方法，包括以下步骤；

步骤1：数据采集：

通过传感器和电子钻井记录仪EDR15采集钻井参数及井眼轨迹参数；

步骤2：数据远程传输：

通过DTU16采集由传感器及电子钻井记录仪EDR采集到的钻井参数及井眼轨迹参数并通过DTU16经5G移动网络上传至远程服务器；

步骤3：给定井底钻压目标：

将钻头9的生产厂家推荐钻压值确定为可以发挥钻头性能的井底钻压值；

步骤4：计算摩擦因数：

远程计算机21通过远程服务器获得实时参数并计算得到井下钻具组合的摩擦因数；

步骤5：计算地面钻压：

该系统基于摩擦因数和摩阻扭矩模型，经过计算得到可以维持恒井底钻压送钻的精确的地面钻压值；

步骤6：精确控制井底钻压：

该远程计算机21通过远程服务器经5G移动网络给钻采现场RTU19发送指令控制绞车4转速以精确地输入地面钻压；

步骤7：实时调整地面钻压值：

随着钻进情况的变化，摩擦因数也会发生改变，故每下完一根钻杆6或者立根，就重复步骤1至步骤5。

所述的步骤4计算摩擦因数的具体步骤是：

假定一个初始摩擦因数μ，利用摩阻扭矩模型计算大钩载荷HLc；比较计算值HLc与已知大钩载荷HLa，已知的大钩载荷HLa是对直接测出的大钩载荷去除钻井绳与滑轮的摩擦修正得到的，若计算值与修正的测量值很接近，即小于给定的容差ε，绝对误差小于0.001，则认为假定的摩擦因数为所求；否则重新假设摩擦因数，再次计算大钩载荷HLc、直到满足精度要求。

所述的步骤5计算地面钻压，结合步骤3给定的井底钻压值和步骤4计算得到的摩擦因数值，再利用摩阻扭矩模型将井下钻具组合分为一段一段的钻具单元，从钻头开始向上计算钻压，从下向上不断叠加计算直至得到应该实时输入的地面钻压值，其中摩阻扭矩模型表达式如下：

斜直井段：

F_t＝βwΔL(cosα±μsinα)+F_b

(1)

弯曲井段钻柱受拉时：

弯曲井段钻柱受压时：

其中：

式中，F_t为钻柱单元上端受力，N；β为浮力系数；w为单位长度钻柱的重量，N/m；ΔL为钻柱单元长度，m；α_t，α_b为井斜角，rad，μ为摩擦因数；F_b为钻柱单元下端受压力，N；θ为狗腿角，rad；φ_t,φ_b为方位角，rad；F_n为钻柱法向力，N。

所述的步骤6精确控制井底钻压：集成在远程计算机21的自动送钻系统的软件部分在计算得到应该实时输入的精确的地面钻压之后(给定精度为相对误差小于0.01)，远程计算机21发送指令给RTU19(远程控制单元)控制带电机的差速器18来控制刹车5以调节绞车4转速，从而可以通过调整大钩载荷来控制地面钻压，之后钢丝绳3上的死绳传感器10将信息通过DTU(16)将大钩载荷信息反馈到远程计算机，用以判断实时的地面钻压是否等于计算输入的目标钻压，如果不相等，就继续调整大钩载荷直至实时地面钻压等于目标钻压；如果两者相等，就维持大钩载荷恒定，井下钻具组合持续稳定钻进。

所述的步骤7实时调整地面钻压：每下完一根钻杆6或者立根，就重复步骤1到步骤5，计算得到摩擦因数，调整大钩载荷，直到计算得到的输入钻压与实测的地面钻压相同，进而维持井下钻具组合稳定钻进，最终达到实时和精确控制井底钻压的目的。

如图2所示：是自主设计的可实时显示钻井过程的基于井底钻压的虚拟自动送钻系统。通过对输入钻井参数的计算分析，实时输出大钩载荷及井底钻压，提供相应钻井技术支持。

Claims (4)

1.一种基于井底钻压的自动送钻系统，其特征在于，包括天车(1)和位于天车(1)下部的大钩(2)，天车(1)两侧设置钢丝绳(3)，钢丝绳(3)一端与位于水平面上的绞车(4)相连，另一端固定在地面上，钢丝绳(3)穿过天车(1)和大钩(2)之间，所述大钩(2)下方设置有水龙头(12)，水龙头(12)和钻杆(6)通过方钻杆相连，钻杆(6)端部设置有钻头(9)，所述绞车(4)和带电机的差速器(18)相连，绞车(4)上安装有位移传感器(17)；所述的大钩(2)上装有用于监测大钩(2)拉力的大钩载荷传感器(13)，所述的固定在地面上的钢丝绳(3)上安装有死绳传感器(10)；

所述大钩载荷传感器(13)、死绳传感器(10)和位移传感器(17)将检测到的信息传递信号放大器(14)，信号放大器(14)与DTU(16)相连，并由DTU(16)经5G移动网络与远程服务器(20)通讯传输数据，远程计算机(21)从服务器(20)获取数据并在相应软件上处理；远程计算机(21)通过服务器(20)发送指令给RTU(19)以控制带电机的差速器(18)进而控制调节绞车(4)转速。

2.根据权利要求1所述的一种基于井底钻压的自动送钻系统，其特征在于，所述的绞车(4)上安装有刹车(5)。

3.根据权利要求1所述的一种基于井底钻压的自动送钻系统，其特征在于，所述的钻杆(6)通过接头(7)相连且在钻杆(6)上设置有扶正器(8)。

4.根据权利要求1所述的一种基于井底钻压的自动送钻系统，其特征在于，所述的DTU(16)通过信号放大器(14)获取由设备电子钻井记录仪EDR(15)采集钻井参数及井眼轨迹参数。

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