基于自適應(yīng)井下鉆具工具面動(dòng)態(tài)控制的鉆機(jī)系統(tǒng)及鉆井方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種油氣田鉆機(jī)系統(tǒng)及鉆井方法，特別是關(guān)于一種基于多體動(dòng)力學(xué)模型的自適應(yīng)井下鉆具工具面動(dòng)態(tài)控制的轉(zhuǎn)盤式鉆機(jī)系統(tǒng)及鉆井方法。
【背景技術(shù)】
[0002]使用彎角式的造斜鉆具進(jìn)行滑動(dòng)鉆進(jìn)，是石油定向鉆井中常用的一種鉆進(jìn)方法。由于地層巖性變化、泥漿栗栗速變化、鉆頭和動(dòng)力鉆具磨損等原因，井下鉆具的工具面容易發(fā)生漂移，從而導(dǎo)致井眼軌跡偏離設(shè)計(jì)軌跡。當(dāng)?shù)孛婀こ處煱l(fā)現(xiàn)鉆具的工具面發(fā)生漂移時(shí)，常規(guī)處理方法是立即停鉆并上提鉆具，將鉆具的工具面調(diào)整到所需位置后重新下鉆繼續(xù)鉆進(jìn)。顯然，這種方法會(huì)影響鉆井進(jìn)度，降低工作效率，并增加鉆井成本。此外，在常規(guī)滑動(dòng)導(dǎo)向鉆進(jìn)過(guò)程中，由于滑動(dòng)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的鉆柱不旋轉(zhuǎn)，因此容易產(chǎn)生較大的摩阻扭矩。對(duì)于地層情況較為明晰的井眼，可以根據(jù)井深和鉆具的組合特性通過(guò)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤來(lái)克服摩阻扭矩；但對(duì)于大長(zhǎng)細(xì)比柔性鉆柱系統(tǒng)，則難以對(duì)鉆具工具面和井眼軌跡實(shí)現(xiàn)有效控制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]針對(duì)上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種基于多體動(dòng)力學(xué)模型的自適應(yīng)井下鉆具工具面動(dòng)態(tài)控制的轉(zhuǎn)盤式鉆機(jī)系統(tǒng)及鉆井方法，以提高定向鉆井作業(yè)的效率和精度。
[0004]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案:一種基于自適應(yīng)井下鉆具工具面動(dòng)態(tài)控制的鉆機(jī)系統(tǒng)，其特征在于，該鉆機(jī)系統(tǒng)包括動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)和鉆井系統(tǒng)；所述動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集模塊、用戶輸入模塊、多體動(dòng)力學(xué)建模模塊、自適應(yīng)模型修正模塊、工具面估計(jì)模塊、控制規(guī)律生成模塊、控制信息輸出模塊、執(zhí)行模塊、危險(xiǎn)狀態(tài)判斷模塊和測(cè)量信息輸出模塊；其中，所述數(shù)據(jù)采集模塊將采集到的鉆井系統(tǒng)工作狀態(tài)測(cè)量信息分別傳輸至所述多體動(dòng)力學(xué)建模模塊、自適應(yīng)模型修正模塊、控制規(guī)律生成模塊、危險(xiǎn)狀態(tài)判斷模塊和測(cè)量信息輸出模塊；所述用戶輸入模塊將用戶輸入的控制策略和鉆井模型信息分別傳輸至所述多體動(dòng)力學(xué)建模模塊、工具面估計(jì)模塊、控制規(guī)律生成模塊和危險(xiǎn)狀態(tài)判斷模塊；所述多體動(dòng)力學(xué)建模模塊根據(jù)接收到的鉆井系統(tǒng)工作狀態(tài)測(cè)量信息、鉆井模型信息和控制策略對(duì)鉆井系統(tǒng)進(jìn)行多體動(dòng)力學(xué)建模，并將鉆井系統(tǒng)的多體動(dòng)力學(xué)模型輸入所述自適應(yīng)模型修正模塊；所述自適應(yīng)模型修正模塊根據(jù)接收的鉆井系統(tǒng)工作狀態(tài)測(cè)量信息、鉆井系統(tǒng)的多體動(dòng)力學(xué)模型以及所述工具面估計(jì)模塊反饋的工具面模擬值對(duì)鉆井系統(tǒng)的多體動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行修正，并將修正后的鉆井系統(tǒng)的多體動(dòng)力學(xué)模型發(fā)送給所述工具面估計(jì)模塊；所述工具面估計(jì)模塊對(duì)接收到的修正后的鉆井系統(tǒng)的多體動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行多體動(dòng)力學(xué)仿真，以得到工具面模擬值；所述工具面估計(jì)模塊將工具面模擬值反饋給所述自適應(yīng)模型修正模塊，并將工具面模擬值傳輸至所述控制規(guī)律生成模塊；所述控制規(guī)律生成模塊根據(jù)接收到的控制策略判斷接收到的工具面模擬值是否超出設(shè)定的閾值控制策略中預(yù)先設(shè)定的鉆具工具面閾值:如果是，則所述控制規(guī)律生成模塊生成新的執(zhí)行模塊控制規(guī)律，并將其發(fā)送給所述控制信息輸出模塊；如果否，則保持上一控制周期的執(zhí)行模塊控制規(guī)律不變，將其發(fā)送給所述控制信息輸出模塊；所述控制信息輸出模塊將接收到的執(zhí)行模塊控制規(guī)律發(fā)送給所述執(zhí)行模塊；所述危險(xiǎn)狀態(tài)判斷模塊根據(jù)接收到的控制策略和鉆井系統(tǒng)工作狀態(tài)測(cè)量信息，判斷當(dāng)前鉆進(jìn)是否處于危險(xiǎn)狀態(tài):如果當(dāng)前鉆進(jìn)處于危險(xiǎn)狀態(tài)，則將接收到的控制策略中的緊急控制策略發(fā)送給所述控制規(guī)律生成模塊，并向所述測(cè)量信息輸出模塊發(fā)送危險(xiǎn)警報(bào)；如果當(dāng)前鉆進(jìn)處于安全狀態(tài)，則將控制策略中的執(zhí)行模塊控制規(guī)律發(fā)送給所述控制規(guī)律生成模塊；所述鉆井系統(tǒng)包括一鉆臺(tái)，所述鉆臺(tái)的底板中部安裝防噴器，所述鉆臺(tái)的頂板中部轉(zhuǎn)動(dòng)連接轉(zhuǎn)盤，所述轉(zhuǎn)盤通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)連接設(shè)置在所述鉆臺(tái)一側(cè)的轉(zhuǎn)盤電機(jī)；所述鉆頭連接彎曲式造斜井下鉆具的一端，所述彎曲式造斜井下鉆具的另一端通過(guò)所述井下測(cè)量模塊連接鉆桿的一端，所述鉆桿的另一端穿過(guò)所述防噴器后連接方鉆桿的一端，所述方鉆桿的另一端穿過(guò)所述轉(zhuǎn)盤后連接水龍頭的下端，所述水龍頭的上端則與立管連接。
[0005]在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，所述動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)還包括一系統(tǒng)輸出模塊，所述測(cè)量信息輸出模塊將接收到的鉆井系統(tǒng)工作狀態(tài)測(cè)量信息和危險(xiǎn)警報(bào)傳輸至所述系統(tǒng)輸出模塊；所述系統(tǒng)輸出模塊記錄接收到的危險(xiǎn)警報(bào)、鉆井系統(tǒng)工作狀態(tài)測(cè)量信息和執(zhí)行模塊控制規(guī)律，并將其呈現(xiàn)給用戶；同時(shí)，所述系統(tǒng)輸出模塊還能夠?qū)⑿拚蟮你@井系統(tǒng)的多體動(dòng)力學(xué)模型，以及工具面模擬值或當(dāng)前工具面的測(cè)量信息也呈現(xiàn)給用戶。
[0006]在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，所述數(shù)據(jù)采集模塊包括井上測(cè)量模塊和井下測(cè)量模塊；所述井上測(cè)量模塊測(cè)量的信息包括:泥漿栗栗速、大鉤位置、轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)的角度、轉(zhuǎn)盤施加給鉆桿的扭矩和拉力；所述井下測(cè)量模塊測(cè)量的信息包括:井下鉆具的工具面、井斜、方位角和井眼測(cè)深。
[0007]在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，所述用戶輸入模塊包括控制策略輸入模塊和鉆井模型信息輸入模塊；所述控制策略輸入模塊接收的用戶輸入的控制策略包括:1)執(zhí)行模塊控制規(guī)律:設(shè)計(jì)工具面控制規(guī)律、泥漿栗栗速控制規(guī)律、大鉤控制規(guī)律、初始轉(zhuǎn)盤控制規(guī)律和多體動(dòng)力學(xué)模型精度控制規(guī)律；2)控制邏輯判斷準(zhǔn)則:井下鉆具是否處于危險(xiǎn)狀態(tài)的判斷準(zhǔn)貝1J、是否將多體動(dòng)力學(xué)仿真得到的工具面模擬值視為工具面當(dāng)前位置的判斷準(zhǔn)則和當(dāng)前實(shí)際工具面是否偏離設(shè)定位置的判斷準(zhǔn)則；3)緊急控制策略:針對(duì)危險(xiǎn)狀態(tài)應(yīng)采取的控制措施；4)預(yù)先設(shè)定的鉆具工具面閾值；所述鉆井模型信息輸入模塊接收用戶輸入的鉆井模型信息，包括鉆具信息、泥漿信息和地層信息；鉆具信息包括新接入的單根或立根鉆柱信息和更換鉆頭信息，泥漿信息包括但不限于更換鉆井液的信息。
[0008]—種采用上述鉆機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的基于自適應(yīng)井下鉆具工具面動(dòng)態(tài)控制的鉆井方法，其包括以下步驟:
[0009]I)啟動(dòng)鉆井系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)；
[0010]2)用戶通過(guò)所述用戶輸入模塊中的控制策略輸入模塊輸入控制策略，控制策略輸入模塊將控制策略分別發(fā)送給所述多體動(dòng)力學(xué)建模模塊、工具面估計(jì)模塊、控制規(guī)律生成模塊和危險(xiǎn)狀態(tài)判斷模塊；所述用戶通過(guò)用戶輸入模塊中的鉆井模型信息輸入模塊輸入鉆井系統(tǒng)模型信息；所述控制規(guī)律生成模塊經(jīng)過(guò)所述控制信息輸出模塊將控制策略中的執(zhí)行模塊控制規(guī)律發(fā)送給所述執(zhí)行模塊，所述執(zhí)行模塊按照該執(zhí)行模塊控制規(guī)律開始驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作，其包括:泥漿栗栗入鉆井液，大鉤上、下移動(dòng)，以及轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)指定的角度；
[0011]3)所述數(shù)據(jù)采集模塊將采集到的鉆井系統(tǒng)工作狀態(tài)測(cè)量信息分別發(fā)送給所述多體動(dòng)力學(xué)建模模塊、自適應(yīng)模型修正模塊、控制規(guī)律生成模塊、危險(xiǎn)狀態(tài)判斷模塊和測(cè)量信息輸出申吳塊；
[0012]4)所述危險(xiǎn)狀態(tài)判斷模塊根據(jù)所述用戶輸入模塊中的控制策略輸入模塊發(fā)送的控制邏輯判斷準(zhǔn)則中的井下鉆具是否處于危險(xiǎn)狀態(tài)的判斷準(zhǔn)則和當(dāng)前實(shí)際工具面是否偏離設(shè)定位置的判斷準(zhǔn)則，以及所述數(shù)據(jù)采集模塊發(fā)送的鉆井系統(tǒng)工作狀態(tài)測(cè)量信息，判斷當(dāng)前鉆進(jìn)是否處于危險(xiǎn)狀態(tài):
[0013]如果當(dāng)前鉆進(jìn)處于危險(xiǎn)狀態(tài)，則發(fā)出危險(xiǎn)警報(bào)并執(zhí)行緊急控制策略；
[0014]如果當(dāng)前鉆進(jìn)未處于危險(xiǎn)狀態(tài)，則執(zhí)行步驟5);
[0015]5)若系統(tǒng)處于第一個(gè)控制周期，則依據(jù)所述數(shù)據(jù)采集模塊采集的鉆井系統(tǒng)工作狀態(tài)測(cè)量信息和所述用戶輸入模塊輸入的鉆井模型信息，對(duì)鉆井系統(tǒng)建立多體動(dòng)力學(xué)模型；若系統(tǒng)不處于第一個(gè)控制周期，則直接執(zhí)行步驟6);
[0016]6)所述自適應(yīng)模型修正模塊比較所述工具面估計(jì)模塊反饋的工具面模擬值和鉆井系統(tǒng)工作狀態(tài)測(cè)量信息，對(duì)獲得的多體動(dòng)力學(xué)模型的參數(shù)進(jìn)行修正，并將修正后的多體動(dòng)力學(xué)模型輸出給所述工具面估計(jì)模塊，所述工具面估計(jì)模塊對(duì)多體動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行多體動(dòng)力學(xué)仿真，以獲得工具面模擬值；
[0017]7)所述控制規(guī)律生成模塊根據(jù)所述用戶輸入模塊中的控制策略輸入模塊發(fā)送的控制邏輯判斷準(zhǔn)則中的是否將多體動(dòng)力學(xué)仿真得到的工具面模擬值視為工具面當(dāng)前位置的判斷準(zhǔn)則，確定生成執(zhí)行模塊控制規(guī)律時(shí)使用的工具面:
[0018]如果是，則將工具面模擬值視為工具面當(dāng)前位置；
[0019]如果否，則將工具面實(shí)測(cè)值作為工具面當(dāng)前位置；
[0020]8)所述控制規(guī)律生成模塊根據(jù)