基于井下钻具工具面动态控制的顶驱式钻机系统及钻井方法

摘要

本发明涉及一种基于井下钻具工具面动态控制的顶驱式钻机系统及钻井方法，该钻机系统包括动态控制系统和钻井系统；动态控制系统包括动态测量子系统、反馈控制子系统、用户交互子系统和执行子系统；用户通过用户交互子系统输入钻具信息、钻井液信息、地层信息和控制策略，反馈控制子系统根据接收到的钻具信息、钻井液信息和地层信息，建立钻井系统的多体动力学模型，动态测量子系统测量钻井过程中钻井系统的各项信息，并将这些信息传递给反馈控制子系统；反馈控制子系统判断井下钻具工具面是否超出设定的阈值，并通过多体动力学仿真计算顶驱所需的转动角度、游车的位置和泥浆泵泵速，驱动顶驱、游车和泥浆泵动作，继续钻进以使井下钻具工具面回归到设计位置，以完成对井下钻具工具面的动态调整控制。

主权项

一种基于井下钻具工具面动态控制的顶驱式钻机系统，其特征在于，该钻机系统包括动态控制系统和钻井系统；其中，所述动态控制系统包括动态测量子系统、反馈控制子系统、用户交互子系统和执行子系统；所述动态测量子系统包括泥浆泵泵速测量单元、游车位置测量单元、顶驱提力测量单元、顶驱角度扭矩测量单元和井下随钻测量单元；所述反馈控制子系统包括泥浆泵泵速采集单元、游车信息采集单元、顶驱信息采集单元、工具面采集单元、主控程序单元、钻具信息单元、钻井液信息单元、地层信息单元、控制策略单元、测控信息单元、泥浆泵泵入钻井液的速度控制单元、游车位置控制单元和顶驱角度控制单元；所述泥浆泵泵速测量单元、游车位置测量单元和井下随钻测量单元的输出端分别电连接所述泥浆泵泵速采集单元、游车信息采集单元和工具面采集单元的输入端；所述顶驱提力测量单元和顶驱角度扭矩测量单元的输出端分别电连接所述顶驱信息采集单元的输入端；所述泥浆泵泵速采集单元、游车信息采集单元、顶驱信息采集单元、工具面采集单元、钻具信息单元、钻井液信息单元、地层信息单元和控制策略单元的输出端分别电连接所述主控程序单元的输入端，所述主控程序单元的输出端分别电连接所述测控信息单元、泥浆泵泵入钻井液的速度控制单元、游车位置控制单元和顶驱角度控制单元的输入端；所述用户交互子系统包括用户界面单元、用户输入单元和系统输出单元；所述用户界面单元的输入端电连接所述系统输出单元的输出端，所述用户界面单元的输出端电连接所述用户输入单元的输入端；所述用户输入单元的输出端同时电连接所述钻具信息单元、钻井液信息单元、地层信息单元和控制策略单元的输入端，所述系统输出单元的输入端电连接所述测控信息单元的输出端；所述执行子系统包括泥浆泵单元、游车单元和顶驱单元；所述泥浆泵单元、游车单元和顶驱单元的输入端分别电连接所述泥浆泵泵入钻井液的速度控制单元、游车位置控制单元和顶驱角度控制单元的输出端；所述钻井系统包括一钻台，所述钻台的底板中部安装有一防喷器；钻杆的下端通过所述井下随钻测量单元连接弯曲式造斜动力钻具的一端，所述弯曲式造斜动力钻具的另一端连接一钻头；所述钻杆的上端穿过所述防喷器和所述钻台的顶板后连接所述顶驱单元的下端，所述顶驱单元的上端则与立管连接。