[发明专利]基于井下钻具工具面动态控制的转盘式钻机系统及钻井方法

权利要求书

1.一种基于井下钻具工具面动态控制的转盘式钻机系统，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、大钩位置测量单元、转盘提力测量单元、转盘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、大钩信息采集单元、转盘信息采集单元、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、大钩位置控制单元和转盘角度控制单元；所述泥浆泵泵速测量单元、大钩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、大钩信息采集单元和工具面采集单元的输入端；所述转盘提力测量单元和转盘角度扭矩测量单元的输出端分别电连接所述转盘信息采集单元的输入端；所述泥浆泵泵速采集单元、大钩信息采集单元、转盘信息采集单元、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、大钩位置控制单元和转盘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、大钩单元和转盘单元；所述泥浆泵单元、大钩单元和转盘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、大钩位置控制单元和转盘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防喷器，所述钻台的顶板中部转动连接所述转盘单元，所述转盘单元通过传动机构连接设置在所述钻台一侧的转盘电机；所述钻头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通过所述井下随钻测量单元连接钻杆的一端，所述钻杆的另一端穿过所述防喷器后连接方钻杆的一端，所述方钻杆的另一端穿过所述转盘单元后连接水龙头的下端，所述水龙头的上端则与立管连接。

2.一种采用如权利要求1所述钻机系统实现的基于井下钻具工具面动态控制的钻井方法，其包括以下步骤：

1)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至反馈控制子系统的主控程序单元；其中，控制策略中包含预先设定的井下钻具工具面阈值；

2)主控程序单元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；

3)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的主控程序单元；

4)主控程序单元根据接收到的钻井系统的各项信息和用户输入的控制策略判断井下钻具工具面是否超出控制策略中设定的井下钻具工具面阈值：如果是，则通过多体动力学仿真计算转盘所需的转动角度、大钩的位置和泥浆泵泵速后传输至执行子系统，并执行步骤5)；如果否，则继续钻进并执行步骤6)；

5)执行子系统根据计算得到的转盘所需的转动角度、大钩的位置和泥浆泵泵速，驱动转盘、大钩和泥浆泵动作，继续钻进以使井下钻具工具面回归到设计位置；

6)用户交互子系统显示当前钻进信息和控制指令；

7)根据步骤6)中显示的当前钻进信息和控制指令，判断用户是否通过用户交互子系统修改了输入信息：如果是，则返回步骤2)；如果否，则返回步骤3)。

3.如权利要求2所述的基于井下钻具工具面动态控制的钻井方法，其特征在于，在上述步骤3)中，动态测量子系统测量的钻井系统的各项信息包括泥浆泵泵速信息、大钩位置信息、转盘的转动角度和施加给钻杆的扭矩信息、钻杆受到的上提力信息和井下钻具工具面信息。