旋转导向工具状态监测方法与流程

本发明涉及石油钻井领域，具体地讲，涉及石油钻井行业旋转导向工具工作状态的实时监测。

背景技术：
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目前，在钻井行业中，旋转导向钻井系统得到了广泛的应用，旋转导向系统可以在旋转钻井过程中根据轨迹控制需要，实时调节井斜和方位，从而提高钻井速度。

旋转导向钻井井下工具的工作机理都是靠偏置机构使钻头或钻柱发生方向偏移，从而产生导向。根据导向方式的不同，旋转导向钻井工具可以分为推靠式和指向式两种。推靠式是在钻头附近直接给钻头提供侧向力，指向式是通过近钻头处钻柱的弯曲使钻头指向井眼轨迹控制方向。尽管旋转导向井下工具的结构和工作方式各自不同, 但不论哪一种工具, 基本上都由测控系统、偏置机构和执行机构等部分组成。

偏置机构的工作方式又可分为静态偏置式和动态偏置式两种。静态偏置式是指偏置导向机构在钻进过程中不与钻柱一起旋转，从而在某一固定方向上提供侧向力；动态偏置式是指偏置导向机构在钻进过程中与钻柱一起旋转，依靠控制系统使其在某一位置定向支出提供导向力。

测控系统是旋转导向井下工具的控制中心，主要包括测量传感器、系统控制器、测量电路及供电系统等，用于系统姿态参数测量、控制方法计算、控制误差修正补偿、控制量输出、数据存储、自身状态监视以及与MWD系统实时通讯等。

执行机构通常包括液压泵、控制阀组、导向翼肋、偏心环机构等，根据测控系统和偏置机构的作用，使钻具产生偏置动力，主要利用独立液压系统或钻井液压差液压系统以及机械系统，为导向翼肋或偏心环机构提供偏置动力。

旋转导向钻井系统是一个集机、电、液于一体的闭环自动控制系统。旋转导向钻井工具根据预定的井眼轨迹和工作参数，测量工具的姿态，在预定的导向方向产生控制信号，执行机构快速响应，使钻具按照预定的轨迹偏移，并由地面控制系统根据实时上传的井眼轨迹参数，通过双向通讯系统，将工具参数的调整命令下传给井下工具，实现导向钻井。

由于旋转导向钻井工具工作环境恶劣，其内部包含较多的部件，如电子系统部件、液压泵、泥浆发电机、控制电机、控制阀，在工作过程中，不可避免地会受到损坏，现有旋转导向钻井工具实时上传的主要是井眼轨迹参数，而由于MWD系统上传速率的限制，工具的工作状态参数没有实时上传到地面系统，地面无法准确判断测控系统、偏置机构和执行机构是否正常工作，只能根据实际井眼轨迹参数与预定参数不符这一条件判断，但这种情况的发生原因并不一定是工具出现故障，也与地层特性变化或钻头等其它井下钻具性能下降有关，缺少了对旋转导向工具工作状态参数及环境参数的监控，无法实现对旋转导向工具自身工作状态的诊断，同时由于缺乏旋转导向工具导向效果与工具工作状态参数及环境参数的模型，无法对工具的导向效果影响因素进行分析，因此当实际井眼轨迹参数与预定参数不符时，不能准确判断原因并进行相应的参数调整，会造成井眼轨迹控制滞后，严重影响钻井效率。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术存在的问题,提供一种高效准确的旋转导向工具状态监测方法。

其技术方案是：

一种旋转导向工具状态监测方法，所依据的监测系统包括：双向通讯系统连接的地面系统和井下系统，其中，井下系统包括井下计算及数据处理单元、井下钻井参数传感器、井眼参数传感器、定向测量传感器和工具状态传感器；其特征是采用上述旋转导向工具状态监测系统的方法包括如下步骤：

（a）地面系统输入工具状态的参数建立初始模型数据；

（b）井下系统上传井下工具工作状态实际参数及环境参数，地面系统接收并显示井下工具工作状态实际参数及环境参数；

（c）地面系统根据接收到的井下工具工作状态实际参数及环境参数对模型数据进行实时更新；

（d）地面系统根据更新后的模型数据下传指令。

上述方案进一步包括：

步骤（a）所述的参数包括地面刻度得到的电机转速、压力/推靠力，并基于地面测试结果及区块导向能力地层适应性建立模型数据；步骤（b）所述的井下工作状态实际参数包括井下工具测量得到的工具面/外套转速、电机转速、电机电压、压力/推靠力，所述的环境参数包括地层特性、定向测量参数、井眼几何参数、井下钻井参数；步骤（c）地面系统将接收到的旋转导向工具自身的状态参数和环境参数与之前建立的初始模型数据进行数据比对处理，比较理论造斜率与实际造斜率，计算钻井参数，然后调整井下钻井参数、地面钻井参数及定向仪器校正的钻井方向，调整后再次比较理论造斜率与实际造斜率，更新模型，重复上面的步骤直到理论造斜率与实际造斜率控制在一个预定义的误差范围内；步骤（d）所述的模型数据包括工具自身状态参数及钻井参数，其中工具自身状态参数包括电机转速、压力/推靠力，钻井参数包括转速、钻压、流量、泥浆密度、泥浆粘度。

所述的定向测量参数包括底部钻具组合姿态、井斜、方位、钻头方向以及钻头x、y、z轴真实姿态；所述的井眼几何参数包括井眼尺寸、温度、压力；所述的井下钻井参数包括钻压、扭矩、内外环空压力、转速。

建立造斜率理论模型如下：

比较理论造斜率与实际造斜率公式：

其中，为理论造斜率，为实际造斜率，m为加权系数，n为修正值。

井下工具工作状态实际参数及环境参数定时上传。对于工具工作状态参数和环境参数中变化缓慢的参数采用相对较长的时间间隔上传一次数据，包括工具面/外套转速；对于直接反应工具工作状态的参数及环境参数采用相对较短的时间间隔上传一次数据，包括电机转速、电机电压、推靠力。

步骤（b）所述的地面系统显示工具的工作状态及环境参数并进行预警，包括对地面及井下工具面/外套转速、电机转速、电机电压、压力/推靠力进行实时数值显示，对钻压、扭矩、转速、流量、压力、机械钻速、井斜、方位、温度、井眼尺寸进行实时状态显示；另外，地面系统对转速、钻压、流量、泥浆密度、泥浆粘度的控制；地面系统根据监测到的参数，利用包括专家系统、人工神经网络的人工智能方法进行智能故障诊断，分析诊断结果可信度，并给出相应的推荐措施进行故障处理。

针对钻压、扭矩、转速、流量、压力、机械钻速、井斜、方位、温度、井眼尺寸的显示采用不同颜色指示灯的方式进行显示。

本发明的方法通过对井下工具测量得到的工具面/外套转速、电机转速、压力/推靠力等工作状态实际参数及定向测量参数、井眼几何参数、井下钻井参数等环境参数的定时上传，地面系统显示工具的工作状态，将井下工作状态实际参数与参数模型数据对比，实现对旋转导向工具监测及智能故障诊断的目的，同时该方法通过井下工作状态参数结合输入的工具状态参数模型数据及实际工具导向效果，可对模型进行实时更新，从而更好地指导井下旋转导向工具工作，实现更好的导向效果。

附图说明

图1是旋转导向工具状态监测系统井下工作示意图。

图2是外套可控静态推靠式旋转导向工具示意图。

图3是旋转导向工具状态监测系统双向通讯系统示意图。

图4是旋转导向工具状态监测方法形成的地面监控界面图。

图5是旋转导向工具状态监测方法中的地质导向模型建立及更新过程示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。

如图所示，地面上的钻机系统1带动方钻杆2、钻杆3、底部钻具组合4等井下钻具，使其深入到井眼5中。其中，底部钻具组合包括钻头6、泥浆马达9、柔性钻杆10。MWD及LWD仪器8用于测量井斜、方位等井眼轨迹状态，以及地层的伽马、电阻率、中子、密度等参数，用来区分地层的岩性，确定油气层位置。这些仪器之间彼此相互连接在一起，所有测量信息由MWD仪器通过泥浆脉冲压力波、电磁波等方式传输地面。

旋转导向工具7安装在泥浆马达和柔性钻杆下部，由泥浆马达进一步提高钻头的转速。旋转导向工具外套上通常安装3个翼肋11，可以在各自预定的方向向外伸出，并对井壁施加预定大小的力，由于井壁的反作用力，产生的合力矢量使工具的轴线偏离井眼轴线，从而实现导向。旋转导向工具与地面之间通过专门装置，或直接由MWD仪器实现双向通讯，使地面可以下传控制指令和导向参数，井下工具也可将其工作状态参数上传至地面。

如图2所示，外套可控静态推靠式旋转导向工具包含一个中心有孔的芯轴12和外套14，芯轴从外套中间穿过。外套与芯轴之间、靠近外套上下端部分别安装有轴承组件17。芯轴上部通过螺纹可与动力钻具等其他钻具连接，下部可通过转换接头与钻头相连，外套由转换接头压紧。动力钻具等其他钻具带动芯轴旋转，泥浆经过芯轴的中心孔通向钻头。在外套表面沿圆周方向均匀安装一组翼肋11，通常采用三个或多个翼肋，翼肋可伸缩。翼肋驱动装置可采用液压系统16或泥浆驱动方式。在外套内部密封安装有测量控制单元15。测量控制单元主要包括三轴加速度传感器、测量处理电路、电机驱动器、控制器等。在旋转轴和外套之间安装电能及信号传输装置13，采用非接触式电能感应传输方式供给旋转导向工具。

如图3所示，旋转导向双向通讯系统主要由井下系统和地面系统两部分构成，其中，井下系统将井下工作状态实际参数及环境参数根据需要进行定时上传，地面系统根据更新后的模型数据调整井下钻井参数、地面钻井参数及定向仪器校正的钻井方向并通过指令下传。输入工具状态的参数模型数据包括地面刻度得到的电机转速、压力/推靠力。井下工具工作状态传感器18提供井下工具测量得到的实际参数，包括工具面/外套转速、电机转速、电机电压、压力/推靠力。定向传感器19提供各种定向测量参数，包括底部钻具组合姿态、井斜、方位、钻头方向以及钻头x、y、z轴真实姿态。井眼参数传感器20提供井眼几何参数，包括井眼尺寸、温度、压力等；井下钻井参数传感器21提供各种井下钻井参数，包括钻压、扭矩、内外环空压力、转速、流速。井下计算及数据处理设备（也称单元）22负责对与钻井系统相关的各种井下参数进行处理。地面控制单元（也称地面系统）23包括一台计算机用于接收来自钻具组合的数据，实现与钻具组合进行数据和信号通讯，通讯设备提供地面和井下钻具组合间的双向通讯。

如图4所示，地面监控显示系统由工具状态参数及环境参数监控、工具智能故障诊断两部分组成。其中，地面监控系统可实现对转速、钻压、流量、泥浆密度、泥浆粘度的控制，对地面及井下工具面/外套转速、电机转速、电机电压、压力/推靠力进行实时数值显示，对钻压、扭矩、转速、流量、压力、机械钻速、井斜、方位、温度、井眼尺寸进行实时状态显示。采用红黄绿灯的形式对钻具组合状态参数进行显示，其中绿灯表示参数处于期望值范围内，黄灯表示功能障碍已存在但不严重为警告信号，红灯表示功能障碍已非常严重，必须采取措施加以修正。地面监控系统通过对井下钻井参数、地层特性、定向测量参数、井眼几何参数的监控，利用专家系统、人工神经网络等人工智能方法进行智能故障诊断，分析诊断结果可信度，并给出相应的推荐措施进行故障处理。

如图5所示，参数模型的建立是基于地面测试结果及区块导向能力地层适应性。经过分析，造斜率与压力/推靠力、地层特性、定向测量参数、井眼几何参数、井下钻井参数有关，建立造斜率理论模型如下：

比较理论造斜率与实际造斜率公式：

其中，为理论造斜率，为实际造斜率，m为加权系数，n为修正值。

地面系统将接收到的旋转导向工具自身的状态参数包括工具面/外套转速、电机转速、电机电压、压力/推靠力与环境参数包括地层特性、定向测量参数、井眼几何参数、井下钻井参数汇集到处理器，由处理器中之前建立的初始模型进行数据处理，比较理论造斜率与实际造斜率，计算钻井参数，然后调整井下钻井参数、地面钻井参数及定向仪器校正的钻井方向，调整后再次比较理论造斜率与实际造斜率，更新模型，重复上面的步骤直到理论造斜率与实际造斜率控制在一个预定义的误差范围内。