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。
1.一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。
2.一种采用如权利要求1所述钻机系统实现的基于滑动导向钻井闭环控制的钻井方法，其包括以下步骤：
1)在进行滑动导向钻进阶段，钻压测量单元实时测量近钻头钻压和扭矩，随钻测量单元实时测量实钻井眼轨迹参数以及井下动力钻具工具面，并将上述参数由泥浆脉冲传送至地面监控与决策子系统；
2)钻井参数采集单元接收随钻测量的实钻井眼轨迹参数以及井下动力钻具工具面并发送给井眼轨迹修正单元，井眼轨迹修正单元首先判断井下动力钻具工具面是否超出设定阈值：如果该井下动力钻具工具面超出了设定阈值，则执行步骤3)；反之执行步骤7)；
3)井眼轨迹修正单元将实钻井眼轨迹参数与设计井眼轨迹参数进行比较：如果实钻井眼轨迹参数与设计井眼轨迹参数有偏差，则根据设计井眼轨迹参数和靶点重新修正井斜、方位，并执行步骤4)；反之执行步骤5)；
4)控制决策单元接收到修正后的井斜、方位后，并结合内嵌的顶驱或转盘-钻压联合控制图版，进一步确定钻压和顶驱或转盘角度调整策略后发送给控制指令发送单元，并执行步骤6)；
5)控制决策单元比较井下动力钻具工具面与设定阈值的偏差，并结合内嵌的顶驱或转盘-钻压联合控制图版，进一步确定钻压和顶驱或转盘角度调整策略后发送给控制指令发送单元，并执行步骤6)；
6)控制指令发送单元向绞车控制单元发送钻压调整指令，绞车控制单元控制绞车的滚筒驱动电机，进而控制绞车的转速，使钻压维持在设计钻压；同时，控制指令发送单元向顶驱或转盘控制单元发送顶驱或转盘角度调整指令，顶驱或转盘控制单元控制顶驱或转盘旋转至目标角度后锁定顶驱或转盘；
7)继续钻进使实钻井眼轨迹保持或回归到设计井眼轨迹；
8)随钻测量单元继续实时测量实钻井眼轨迹参数以及井下动力钻具工具面并传送至地面监控与决策子系统，若发现井下动力钻具工具面超出设定阈值，则返回步骤2)。
基于滑动导向钻井闭环控制的钻机系统及钻井方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种钻机系统及钻井方法，具体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。
背景技术
[0002] 在定向井(尤其是高狗腿度)钻井作业过程中，导向螺杆马达动力钻具一直占有优势。导向螺杆马达主要有两种工作模式：旋转模式和定向模式(或导向模式)。在旋转模式钻进过程中，转盘或顶驱采用低转速从地面旋转钻柱将动力传递至钻头，马达的弯头会均匀地指向不同方向，从而沿着直线方向钻进。由于地层岩性变化、钻具系统和钻井工程参数变化等原因，井下动力钻具的工具面容易发生漂移，从而导致实际井眼轨迹偏离设计轨迹。随钻测量工具(MWD)实时测量并上传的井斜角和方位角可以提醒司钻实钻轨迹和设计轨迹之间的偏移。要纠正这些偏移，司钻必须从旋转模式切换到定向模式以调整井眼轨迹。在滑动模式下，首先要将钻柱提离井底并停止旋转，然后定向司钻才能通过摆工具面使井下马达弯头的朝向指向井眼轨迹设计所需的方向。摆工具面的任务并不容易，需考虑钻头扭矩、钻柱反扭矩以及钻柱与井壁之间的摩阻，所以司钻要在地面上缓慢旋转钻柱，然后参考MWD测量到的工具面的变化。在较深的井眼里，钻柱会吸收大量的扭矩，地面上可能旋转几圈之后井底的工具才转动一圈。当合适的工具面被确认后，司钻会启动井下马达开始沿着目标方向滑动钻进。由于钻头切入地层后产生的反扭矩会使工具面左右摆动，所以有时需要反复地去调整工具面的方向。显然，这种依靠司钻经验的摆工具面方式会影响钻井进度，增加钻井成本。
发明内容
[0003] 针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够大幅度提高滑动导向定向钻井作业效率，减少井下复杂情况，提高油气田勘探开发经济效益的基于滑动导向钻井闭环控制的钻机系统及钻井方法。
[0004] 为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：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/转盘转角/扭矩的顶驱/转盘角度/扭矩测量单元，用于测量近钻头钻压/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/转盘角度/扭矩测量单元、钻压测量单元和随钻测量单元，其采集和实时显示顶驱/转盘旋转角度/扭矩、近钻头钻压/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/转盘-钻压联合控制图版确定钻压和顶驱/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/转盘角度调整指令；所述执行子系统包括顶驱/转盘控制单元和绞车控制单元，所述顶驱/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/转盘控制单元和绞车控制单元的输出端分别与顶驱/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/转盘控制单元接收到顶驱/转盘角度调整指令后控制所述顶驱/转盘旋转至目标角度后，锁定所述顶驱/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/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/转盘角度/扭矩测量单元和钻压测量单元分别安装在所述顶驱/转盘和近钻头测量短节上。
[0005] 在一个优选的实施例中，所述控制决策单元中内嵌的顶驱/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/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。
[0006] 一种采用上述钻机系统实现的基于滑动导向钻井闭环控制的钻井方法，其包括以下步骤：
[0007] 1)在进行滑动导向钻进阶段，钻压测量单元实时测量近钻头钻压/扭矩，随钻测量单元实时测量实钻井眼轨迹参数以及井下动力钻具工具面，并将上述参数由泥浆脉冲传送至地面监控与决策子系统；
[0008] 2)钻井参数采集单元接收随钻测量的实钻井眼轨迹参数以及井下动力钻具工具面并发送给井眼轨迹修正单元，井眼轨迹修正单元首先判断井下动力钻具工具面是否超出设定阈值：如果该井下动力钻具工具面超出了设定阈值，则执行步骤3)；反之执行步骤7)；
[0009] 3)井眼轨迹修正单元将实钻井眼轨迹参数与设计井眼轨迹参数进行比较：如果实钻井眼轨迹参数与设计井眼轨迹参数有偏差，则根据设计井眼轨迹参数和靶点重新修正井斜、方位，并执行步骤4)；反之执行步骤5)；
[0010] 4)控制决策单元接收到修正后的井斜、方位后，并结合内嵌的顶驱/转盘-钻压联合控制图版，进一步确定钻压和顶驱/转盘角度调整策略后发送给控制指令发送单元，并执行步骤6)；
[0011] 5)控制决策单元比较井下动力钻具工具面与设定阈值的偏差，并结合内嵌的顶驱/转盘-钻压联合控制图版，进一步确定钻压和顶驱/转盘角度调整策略后发送给控制指令发送单元，并执行步骤6)；
[0012] 6)控制指令发送单元向绞车控制单元发送钻压调整指令，绞车控制单元控制绞车的滚筒驱动电机，进而控制绞车的转速，使钻压维持在设计钻压；同时，控制指令发送单元向顶驱/转盘控制单元发送顶驱/转盘角度调整指令，顶驱/转盘控制单元控制顶驱/转盘旋转至目标角度后锁定顶驱/转盘；
[0013] 7)继续钻进使实钻井眼轨迹保持或回归到设计井眼轨迹；
[0014] 8)随钻测量单元继续实时测量实钻井眼轨迹参数以及井下动力钻具工具面并传送至地面监控与决策子系统，若发现井下动力钻具工具面超出设定阈值，则返回步骤2)。
[0015] 本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：本发明的定向钻井闭环控制系统通过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。本发明可以广泛应用于使用螺杆马达进行滑动导向定向钻进作业中。
附图说明
[0016] 图1是本发明钻机系统的结构示意图；
[0017] 图2是本发明滑动导向钻井闭环控制系统的结构框图；
[0018] 图3是本发明滑动导向钻井闭环控制方法的流程示意图。
具体实施方式
[0019] 下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
[0020] 如图1、图2所示，本发明的钻机系统包括滑动导向钻井闭环控制系统100和导向钻井系统200。
[0021] 如图2所示，本发明的滑动导向钻井闭环控制系统100包括动态测量子系统10、地面监控与决策子系统20和执行子系统30。
[0022] 其中，动态测量单元子系统10包括一用于测量顶驱旋转角度或扭矩的顶驱角度/扭矩测量单元101，一用于测量近钻头钻压/扭矩的钻压测量单元102，以及一用于测量井斜、方位等实钻井眼轨迹参数和井下动力钻具工具面的随钻测量单元103。
[0023] 地面监控与决策子系统20包括钻井参数采集单元201、井眼轨迹修正单元202、控制决策单元203和控制指令发送单元204。钻井参数采集单元201分别电连接顶驱角度/扭矩测量单元101、钻压测量单元102和随钻测量单元103，其采集和实时显示顶驱旋转角度/扭矩，近钻头钻压/扭矩以及井斜、方位和井下钻具工具面等参数，并将上述参数发送给井眼轨迹修正单元202。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计阈值：若仅井下钻具工具面超出设计阈值，则直接将判断结果发送给控制决策单元203；若二者均超出阈值则根据实钻井眼轨迹参数和靶点，则修正新的待钻井眼轨迹的井斜和方位，并发送给控制决策单元203。控制决策单元203结合内嵌的顶驱-钻压联合控制图版确定钻压和顶驱角度调整策略，并发送给控制指令发送单元204。控制指令发送单元204向执行子系统30发送钻压调整指令和顶驱角度调整指令。
[0024] 执行子系统30包括顶驱控制单元301和绞车控制单元302，顶驱控制单元301和绞车控制单元302的输入端均与控制指令发送单元204相连接，顶驱控制单元301和绞车控制单元302的输出端分别与顶驱40和绞车50相连接。绞车控制单元302接收到钻压调整指令后控制绞车50的滚筒驱动电机，进而控制绞车50的转速，使井下钻具组合钻压维持在设计钻压。顶驱控制单元301接收到顶驱角度调整指令后控制顶驱40旋转至目标角度后，锁定顶驱40。
[0025] 如图1所示，导向钻井系统200包括一钻台21，绞车50安装在钻台21的顶板上，钻头22连接导向螺杆马达动力钻具23的一端，导向螺杆马达动力钻具23的另一端通过随钻测量单元103连接钻杆24的一端，钻杆24的另一端穿过钻台21的底板和顶板后连接顶驱40的下端，泥浆泵27通过立管25与顶驱40上端的水龙头26连接，立管26上设置有与地面监控与决策子系统20连接的压力传感器28，压力传感器28用于测量立管26的压力波动，以从地面通过泥浆脉冲下发指令并接收钻压测量单元102和随钻测量单元103的上传信号。顶驱角度/扭矩测量单元101和钻压测量单元102分别安装在顶驱40和近钻头测量短节上(图中未示出)。
[0026] 在上述实施例中，导向钻井系统200也可以采用转盘60驱动钻进，采用转盘60驱动钻进时的其它结构及工作原理与采用顶驱驱动钻进时相似，在此不再赘述。
[0027] 在上述实施例中，控制决策单元203中内嵌的顶驱-钻压联合控制图版是在钻井前将设计井眼轨迹参数(包括井斜和方位)、钻井参数(包括钻具信息、钻井液信息和地层信息)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200进行多体动力学建模与计算分析后，可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，这些值共同构成了如下表所示的顶驱-钻压联合控制图版：
[0028] 顶驱-钻压联合控制图版示例
[0029]
[0030] 当需要调整工具面时，目标工具面减去目前工具面即为工具面调整角度，其对应的顶驱旋转角度和钻压值即为顶驱和钻压调整的目标值。当工具面调整角度值不在图版中时，则采用就近原则进行调整，直到将工具面调整到目标工具面阈值范围内。
[0031] 其中，对导向钻井系统200进行多体动力学建模与计算分析可以直接采用本申请人专利号为：ZL201010616202.0，名称为“一种旋转导向钻井系统多体动力学快速分析建模方法”中描述的方法，在此不做限制。
[0032] 如图3所示，基于上述实施例中提供的钻机系统，本发明还提出了一种基于滑动导向钻井闭环控制的钻井方法，其包括以下步骤：
[0033] 1)在进行滑动导向钻进阶段，钻压测量单元102实时测量近钻头钻压/扭矩，随钻测量单元103实时测量井斜、方位等实钻井眼轨迹参数以及井下动力钻具工具面，并将上述参数由泥浆脉冲传送至地面监控与决策子系统20。
[0034] 2)钻井参数采集单元201接收随钻测量的井斜、方位等实钻井眼轨迹参数以及井下动力钻具工具面并发送给井眼轨迹修正单元202，井眼轨迹修正单元202首先判断井下动力钻具工具面是否超出设定阈值：如果该井下动力钻具工具面超出了设定阈值，则执行步骤3)；反之执行步骤7)。
[0035] 3)井眼轨迹修正单元202将井斜、方位等实钻井眼轨迹参数与设计井眼轨迹参数进行比较：如果实钻井眼轨迹参数与设计井眼轨迹参数有偏差，则根据设计井眼轨迹参数和靶点重新修正井斜、方位，并执行步骤4)；反之执行步骤5)。
[0036] 4)控制决策单元203接收到修正后的井斜、方位后，并结合内嵌的顶驱-钻压联合控制图版，进一步确定钻压和顶驱角度调整策略后发送给控制指令发送单元204，并执行步骤6)。
[0037] 5)控制决策单元203比较井下动力钻具工具面与设定阈值的偏差，并结合内嵌的顶驱-钻压联合控制图版，进一步确定钻压和顶驱角度调整策略后发送给控制指令发送单元204，并执行步骤6)。
[0038] 6)控制指令发送单元204向绞车控制单元302发送钻压调整指令，绞车控制单元302控制绞车50的滚筒驱动电机，进而控制绞车50的转速，使钻压维持在设计钻压；同时，控制指令发送单元204向顶驱控制单元301发送顶驱角度调整指令，顶驱控制单元301控制顶驱40旋转至目标角度后锁定顶驱40。
[0039] 7)继续钻进使实钻井眼轨迹保持或回归到设计井眼轨迹。
[0040] 8)随钻测量单元103继续实时测量井斜、方位实钻井眼轨迹参数以及井下动力钻具工具面并传送至地面监控与决策子系统20，若发现井下动力钻具工具面超出设定阈值，则返回步骤2)。
[0041] 上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。
