基于滑动导向钻井闭环控制的钻机系统及钻井方法

摘要

本发明涉及一种基于滑动导向钻井闭环控制的钻机系统及钻井方法，该系统包括动态测量子系统、地面监控子系统、执行子系统和导向钻井系统；动态测量单元子系统实时测量井斜、方位和井下动力钻具工具面等参数，并将上述参数发送给地面监控子系统，地面监控子系统通过对比发现实钻井眼轨迹偏离设计井眼轨迹时，根据设计井眼轨迹和靶点重新确定待钻进井眼轨迹，并结合根据多体动力学仿真设计分析得出的顶驱/转盘‑钻压联合控制图版确定顶驱/转盘旋转角度和钻压调整策略，然后通过执行子系统调整顶驱/转盘的旋转角度和游车速度，动态调整井下动力钻具工具面的漂移和钻压，从而维持井下工具面和钻压的稳定，实现了滑动导向钻井井眼轨迹闭环自动控制，有效地提高了定向井井眼轨迹的作业效率和控制精度，改善了井眼质量。

主权项

一种基于滑动导向钻井闭环控制的钻机系统，其特征在于，它包括滑动导向钻井闭环控制系统和导向钻井系统；其中，所述滑动导向钻井闭环控制系统括动态测量子系统、地面监控与决策子系统和执行子系统；所述动态测量子系统包括用于测量顶驱或转盘转角或扭矩的顶驱或转盘测量单元，用于测量近钻头钻压和扭矩的钻压测量单元，以及用于测量实钻井眼轨迹参数和井下动力钻具工具面的井下随钻测量单元，实钻井眼轨迹参数包括井斜和方位；所述地面监控与决策子系统包括钻井参数采集单元、井眼轨迹修正单元、控制决策单元和控制指令发送单元；所述钻井参数采集单元分别电连接所述顶驱或转盘测量单元、钻压测量单元和随钻测量单元，其采集和实时显示顶驱或转盘旋转角度或扭矩、近钻头钻压和扭矩、实钻井眼轨迹参数和井下钻具工具面，并将上述参数发送给所述井眼轨迹修正单元；所述井眼轨迹修正单元依次判断井下钻具工具面和实钻井眼轨迹参数是否超出设定阈值：若仅井下钻具工具面超出设定阈值，则直接将判断结果发送给所述控制决策单元；若二者均超出设定阈值则根据实钻井眼轨迹参数和靶点，修正新的待钻井眼轨迹的井斜和方位，并发送给所述控制决策单元；所述控制决策单元结合内嵌的顶驱或转盘‑钻压联合控制图版确定钻压和顶驱或转盘角度调整策略，并发送给所述控制指令发送单元；所述控制指令发送单元向所述执行子系统发送钻压调整指令和顶驱或转盘角度调整指令；所述执行子系统包括顶驱或转盘控制单元和绞车控制单元，所述顶驱或转盘控制单元和绞车控制单元的输入端均与所述控制指令发送单元相连接，所述顶驱或转盘控制单元和绞车控制单元的输出端分别与顶驱或转盘和绞车相连接；所述绞车控制单元接收到钻压调整指令后控制所述绞车的滚筒驱动电机，进而控制所述绞车的转速，使井下动力钻具钻压维持在设计钻压；所述顶驱或转盘控制单元接收到顶驱或转盘角度调整指令后控制所述顶驱或转盘旋转至目标角度后，锁定所述顶驱或转盘；所述导向钻井系统包括一钻台，所述绞车安装在所述钻台的顶板上，钻头连接导向螺杆马达动力钻具的一端，所述导向螺杆马达动力钻具的另一端通过所述随钻测量单元连接钻杆的一端，所述钻杆的另一端与所述钻台上的顶驱或转盘连接，泥浆泵通过立管与所述钻台上的水龙头连接，所述立管上设置有与所述地面监控与决策子系统连接的压力传感器；所述顶驱或转盘测量单元和钻压测量单元分别安装在所述顶驱或转盘和近钻头测量短节上；所述控制决策单元中内嵌的顶驱或转盘‑钻压联合控制图版是在钻井前将设计井眼轨迹参数、钻井参数和设计容差输入到多体动力学仿真软件中对导向钻井系统进行多体动力学建模与计算分析后，得到在设计井眼轨迹参数下不同测点的钻压值、摩阻、扭矩以及在该钻压值下顶驱旋转角度与工具面旋转角度之间的关系，这些值共同构成顶驱或转盘‑钻压联合控制图版；其中，设计井眼轨迹参数包括设计井斜和方位，钻井参数包括钻具信息、钻井液信息和地层信息。