[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

说明书

技术领域

本发明涉及一种油气田钻机系统及钻井方法，特别是关于一种基于多体动力学模型的井下钻具工具面动态控制的转盘式钻机系统及钻井方法。

背景技术

滑动导向钻进是定向钻井作业的一种常用方法，它采用井下弯角式动力钻具进行造斜。然而，在地层岩性变化、泥浆流量变化和钻头磨损等情况下动力钻具工具面易发生偏移，致使实际井眼偏离设计轨迹。目前，处理该问题的通用方法是在停钻后提钻并重新调整井下动力钻具，使井下动力钻具的工具面指向正确位置，然而这种方法降低了钻井作业效率。使用随钻测量设备可以实时测量井下钻具工具面，并根据测量结果在井上通过转动顶驱或转盘来调控或修正井下动力钻具工具面的方向，但由于随钻测量设备中的钻柱系统较长且钻柱系统与井壁有大范围接触，难以确定转动顶驱或转盘所需的角度。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种基于多体动力学模型的井下钻具工具面动态控制的转盘式钻机系统及钻井方法，以提高定向钻井作业的效率和精度。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：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；所述动态测量单元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。

一种采用上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)后传输至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；