一种石油钻机的智能钻进控制系统和方法

摘要

本发明公开了一种用于石油钻机钻进控制的智能钻进控制系统和控制方法。智能钻进控制系统包括钻进驱动模块、钻进检测模块、钻进控制模块。智能控制方法为具有参数自调节能力的模糊控制算法，算法由两个控制环路构成，内环为钻速控制，外环为钻压控制。每个控制回路都包括模糊控制器单元、性能评价单元、参数校正单元、决策单元等四个部分，能够通过自适应调整模糊控制器的参数，提高控制器性能，实现对石油钻机的钻压和钻速的智能控制。本发明能够降低钻机钻进过程中工人劳动强度，并能够提高钻井的井眼轨迹精度、降低钻头磨损和提高钻速。

主权项

一种钻机的智能钻进控制系统，所述钻机包括用于钻进的钻头，其特征在于，所述智能钻进控制系统包括钻进控制模块(1)、钻进检测模块(2)、钻进驱动模块(3)；钻进检测模块(2)用于获取钻机钻进过程中的参数，所述参数包括钻头的振动量、钻压钮矩、钻速和钻井液的参数，该钻进检测模块(2)包括钻速检测单元(26)和钻压检测模块(23)，所述钻速检测单元(26)根据下式计算钻速：其中APR表示钻速，PR表示钻头转速，PP表示钻头的钻压，RP表示钻头的扭矩；所述钻压检测模块(23)用于实时测量钻头与井下岩层之间的接触压力；钻进控制模块(1)用于根据钻进检测模块(2)获取的所述参数，计算出钻头期望的钻压和期望的钻速；钻进驱动模块(3)根据所述期望的钻压和期望的钻速，驱动所述钻机钻进，该钻进驱动模块(3)包括钻具起升单元(31)和钻具旋转单元(32)，所述钻具起升单元(31)用于悬持钻头和控制钻压，所述钻具旋转单元(32)用于驱动钻头旋转；该钻进控制模块(1)包括内环和外环，所述内环用于控制所述钻具旋转单元(31)，所述外环用于控制所述钻具起升单元(32)；所述内环包括内环模糊控制器单元(125)、内环性能评价单元(135)、内环参数校正单元(145)和内环决策单元(155)，所述内环模糊控制器单元(125)存储有内环比例因子、内环量化因子和期望的性能指标，用于根据所述钻速检测单元(26)输入的钻速以及该内环比例因子、内环量化因子计算得到钻速模糊输入量，并对该钻速模糊输入量进行模糊推理，获得钻速模糊控制量，并根据该钻速模糊控制量计算用于控制钻具旋转单元(32)的钻速数字控制量，输出到该钻具旋转单元(32)，所述内环比例因子和内环量化因子具有一个相同的可调系数P；所述内环性能评价单元(135)用于根据所述内环模糊控制器单元(125)存储的期望的性能指标和由所述钻进检测模块(2)检测的所述参数计算一个性能评价函数V(x)，该性能评价函数用于评价所检测的参数与期望性能指标的符合程度；所述内环参数校正单元(145)用于根据所述钻速数字控制量计算所述可调系数P的修正量ΔP；所述内环决策单元(155)用于根据所述当前时刻t的可调系数P_t及所述修正量ΔP，比较可调系数P在P_t、P_t+ΔP、P_t‑ΔP时的所述性能评价函数V(x)、V⁺(x)、V^‑(x)，选择最大值所对应的可调系数，作为下一时刻t+1的内环比例因子和内环量化因子的可调系数；所述外环包括外环模糊控制器单元(126)、外环性能评价单元(136)、内环参数校正单元(146)和内环决策单元(156)，所述外环模糊控制器单元(126)存储有外环比例因子、外环量化因子和期望的性能指标，用于根据所述钻压检测模块(23)输入的钻压以及该外环比例因子、外环量化因子计算得到钻压模糊输入量，并对该钻压模糊输入量进行模糊推理，获得钻压模糊控制量，并根据该钻压模糊控制量计算用于控制钻具起升单元(31)的钻压数字控制量，输出到该钻具起升单元(31)，所述外环比例因子和外环量化因子具有一个相同的可调系数P；所述外环性能评价单元(136)用于根据所述外环模糊控制器单元(126)存储的期望的性能指标和由所述钻进检测模块(2)检测的所述参数计算一个性能评价函数V(x)，该性能评价函数用于评价所检测的参数与期望性能指标的符合程度；所述外环参数校正单元(146)用于根据所述钻压数字控制量计算所述可调系数P的修正量ΔP；所述外环决策单元(155)用于根据所述当前时刻t的可调系数P_t及所述修正量ΔP，比较可调系数P在P_t、P_t+ΔP、P_t‑ΔP时的所述性能评价函数V(x)、V⁺(x)、V^‑(x)，选择最大值所对应的可调系数，作为下一时刻t+1的外环比例因子和外环量化因子的可调系数；所述修正量ΔP的计算如下式：$\Delta P={\alpha }_0(1-V_t)\frac{{(V_t-V_{t-1})}^2}{P_t-P_{t-1}},$其中，ΔP是系数P的修正量，α₀是初始学习率，V_t是t时刻的性能评价函数值，P_t为t时刻的模糊控制器的可调系数；所述性能评价函数V(x)的计算公式如下：$V\left(x\right)=\exp (-{\left(\frac{x_r-x_r^d}{{\beta }_1}\right)}^2-{\left(\frac{x_o-x_o^d}{{\beta }_2}\right)}^2-(\frac{x_a-x_a^d}{{\beta }_3}\left)\right),$其中，β₁、β₂、β₃为设置的性能评价函数的宽度；x_o、x_r、x_a分别是阶跃响应实际的上升时间、超调量和振幅，x^d_o、x^d_r、x^d_r分别是期望的上升时间、超调量和振幅，且性能评价函数V(x)∈[0,1]。