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)測量信息，判斷當前鉆進是否處于危險狀態(tài):如果當前鉆進處于危險狀態(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，并向所述測量信息輸出模塊發(fā)送危險警報；如果當前鉆進處于安全狀態(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，所述鉆臺的底板中部安裝防噴器，所述鉆臺的頂板中部轉(zhuǎn)動連接轉(zhuǎn)盤，所述轉(zhuǎn)盤通過傳動機構(gòu)連接設(shè)置在所述鉆臺一側(cè)的轉(zhuǎn)盤電機；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所述井下測量模塊連接鉆桿的一端，所述鉆桿的另一端穿過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。2.如權(quán)利要求1所述的基于自適應(yīng)井下鉆具工具面動態(tài)控制的鉆機系統(tǒng)，其特征在于，所述動態(tài)控制系統(tǒng)還包括一系統(tǒng)輸出模塊，所述測量信息輸出模塊將接收到的鉆井系統(tǒng)工作狀態(tài)測量信息和危險警報傳輸至所述系統(tǒng)輸出模塊；所述系統(tǒng)輸出模塊記錄接收到的危險警報、鉆井系統(tǒng)工作狀態(tài)測量信息和執(zhí)行模塊控制規(guī)律，并將其呈現(xiàn)給用戶；同時，所述系統(tǒng)輸出模塊還能夠?qū)⑿拚蟮你@井系統(tǒng)的多體動力學(xué)模型，以及工具面模擬值或當前工具面的測量信息也呈現(xiàn)給用戶。3.如權(quán)利要求1所述的基于自適應(yīng)井下鉆具工具面動態(tài)控制的鉆機系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)據(jù)采集模塊包括井上測量模塊和井下測量模塊；所述井上測量模塊測量的信息包括:泥漿栗栗速、大鉤位置、轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動的角度、轉(zhuǎn)盤施加給鉆桿的扭矩和拉力；所述井下測量模塊測量的信息包括:井下鉆具的工具面、井斜、方位角和井眼測深。4.如權(quán)利要求1所述的基于自適應(yīng)井下鉆具工具面動態(tài)控制的鉆機系統(tǒng)，其特征在于，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)律和多體動力學(xué)模型精度控制規(guī)律；2)控制邏輯判斷準則:井下鉆具是否處于危險狀態(tài)的判斷準則、是否將多體動力學(xué)仿真得到的工具面模擬值視為工具面當前位置的判斷準則和當前實際工具面是否偏離設(shè)定位置的判斷準則；3)緊急控制策略:針對危險狀態(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。5.一種采用如權(quán)利要求1?4任一項所述鉆機系統(tǒng)實現(xiàn)的基于自適應(yīng)井下鉆具工具面動態(tài)控制的鉆井方法，其包括以下步驟: 1)啟動鉆井系統(tǒng)的執(zhí)彳丁機構(gòu)； 2)用戶通過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)送給所述多體動力學(xué)建模模塊、工具面估計模塊、控制規(guī)律生成模塊和危險狀態(tài)判斷模塊；所述用戶通過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)動執(zhí)行機構(gòu)工作，其包括:泥漿栗栗入鉆井液，大鉤上、下移動，以及轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動指定的角度； 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)測量信息分別發(fā)送給所述多體動力學(xué)建模模塊、自適應(yīng)模型修正模塊、控制規(guī)律生成模塊、危險狀態(tài)判斷模塊和測量信息輸出豐吳塊； 4)所述危險狀態(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則中的井下鉆具是否處于危險狀態(tài)的判斷準則和當前實際工具面是否偏離設(shè)定位置的判斷準則，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)測量信息，判斷當前鉆進是否處于危險狀態(tài): 如果當前鉆進處于危險狀態(tài)，則發(fā)出危險警報并執(zhí)行緊急控制策略； 如果當前鉆進未處于危險狀態(tài)，則執(zhí)行步驟5); 5)若系統(tǒng)處于第一個控制周期，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)測量信息和所述用戶輸入模塊輸入的鉆井模型信息，對鉆井系統(tǒng)建立多體動力學(xué)模型；若系統(tǒng)不處于第一個控制周期，則直接執(zhí)行步驟6); 6)所述自適應(yīng)模型修正模塊比較所述工具面估計模塊反饋的工具面模擬值和鉆井系統(tǒng)工作狀態(tài)測量信息，對獲得的多體動力學(xué)模型的參數(shù)進行修正，并將修正后的多體動力學(xué)模型輸出給所述工具面估計模塊，所述工具面估計模塊對多體動力學(xué)模型進行多體動力學(xué)仿真，以獲得工具面模擬值； 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則中的是否將多體動力學(xué)仿真得到的工具面模擬值視為工具面當前位置的判斷準則，確定生成執(zhí)行模塊控制規(guī)律時使用的工具面: 如果是，則將工具面模擬值視為工具面當前位置； 如果否，則將工具面實測值作為工具面當前位置； 8)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)送的執(zhí)行模塊控制規(guī)律中的設(shè)計工具面控制規(guī)律和初始轉(zhuǎn)盤控制規(guī)律，判斷工具面當前位置是否超出控制策略中預(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，包括通過多體動力學(xué)仿真計算轉(zhuǎn)盤所需的轉(zhuǎn)動角度、大鉤的位置和泥漿栗栗速，并將新的執(zhí)行模塊控制規(guī)律通過所述控制信息輸出模塊發(fā)送給所述執(zhí)行模塊，然后執(zhí)行步驟9); 如果否，則保持當前的執(zhí)行模塊控制規(guī)律，并將其通過所述控制信息輸出模塊發(fā)送給所述執(zhí)行模塊，繼續(xù)鉆進并執(zhí)行步驟10); 9)所述執(zhí)行模塊按照所述控制規(guī)律生成模塊輸出的執(zhí)行模塊控制規(guī)律驅(qū)動泥漿栗、大鉤、轉(zhuǎn)盤的動作，繼續(xù)鉆進以使井下鉆具工具面回歸到設(shè)計位置，以完成對井下鉆具工具面的動態(tài)調(diào)整控制； 10)用戶輸入模塊中的控制策略輸入模塊和鉆井模型信息輸入模塊分別判斷用戶輸入的控制策略和鉆井模型信息是否有變化: 如果是，則返回步驟2); 如果否，則返回步驟4)。6.如權(quán)利要求5所述的基于自適應(yīng)井下鉆具工具面動態(tài)控制的鉆井方法，其特征在于，在進行上述步驟6)時，所述自適應(yīng)模型修正模塊對鉆井系統(tǒng)的多體動力學(xué)模型進行修正包括以下步驟: ①在第一個控制周期中，根據(jù)所述工具面估計模塊反饋的工具面模擬值，所述自適應(yīng)模型修正模塊預(yù)測井下鉆具在之后的某一時刻或一段時間的變化和響應(yīng)； ②所述自適應(yīng)模型修正模塊將工具面模擬值與鉆井系統(tǒng)工作狀態(tài)測量信息中的井下鉆具工具面進行對比，獲得增益系數(shù)； ③根據(jù)增益系數(shù)對所述多體動力學(xué)建模模塊傳來的多體動力學(xué)模型進行修正，將修正后的多體動力學(xué)模型發(fā)送給所述工具面估計模塊； ④在其后的某一控制周期中，重復(fù)步驟①?③，以使所述自適應(yīng)模型修正模塊實時跟蹤井下鉆具工具面情況，持續(xù)對所述多體動力學(xué)建模模塊傳來的多體動力學(xué)模型進行修正。
【專利摘要】一種基于自適應(yīng)井下鉆具工具面動態(tài)控制的鉆機系統(tǒng)及鉆井方法，該鉆機系統(tǒng)包括動態(tài)控制系統(tǒng)和鉆井系統(tǒng)，動態(tài)控制系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集模塊、控制策略輸入模塊、鉆井模型信息輸入模塊、多體動力學(xué)建模模塊、自適應(yīng)模型修正模塊、工具面估計模塊、控制規(guī)律生成模塊、執(zhí)行模塊和危險狀態(tài)判斷模塊。用戶輸入控制策略和鉆井模型，數(shù)據(jù)采集模塊收集系統(tǒng)鉆進情況，多體動力學(xué)建模模塊基于鉆井模型進行多體動力學(xué)建模，自適應(yīng)模型修正模塊基于鉆進情況修正多體動力學(xué)模型，工具面估計模塊和控制規(guī)律生成模塊基于控制策略、鉆進情況和修正后的多體動力學(xué)模型計算控制執(zhí)行機構(gòu)的控制規(guī)律；危險狀態(tài)判斷模塊當系統(tǒng)處于危險狀態(tài)時發(fā)出警報。本發(fā)明能夠顯著提高定向鉆井工作效率和精度，可廣泛用于井下定向鉆進作業(yè)。
【IPC分類】E21B3/04, E21B44/00
【公開號】CN105156021
【申請?zhí)枴緾N201510408217
【發(fā)明人】程載斌, 曹硯鋒, 姜偉, 周建良, 劉書杰, 李漢興, 武廣璦, 李峰飛
【申請人】中國海洋石油總公司, 中海油研究總院
【公開日】2015年12月16日
【申請日】2015年7月13日