一种基于顶驱和转盘的地面自动控制导向钻井方法及装置

本发明涉及石油钻井技术领域，尤其是涉及一种基于顶驱和转盘的地面自动控制导向钻井方法及装置。

背景技术：

目前实现定向井、水平井按预期在地层中钻进主要有以下两种技术：一是旋转导向钻井技术，二是滑动钻井技术，前者使用成本极高，应用范围有限，后者是当前国内主流定向井、水平井井眼轨迹控制手段。滑动钻井技术的优点是成本较低，较常规钻井只增加井下动力钻具和随钻测量仪器；滑动钻井技术的缺点包括如下两点：

1)在滑动钻井过程中，钻头以上的钻柱不旋转，只能沿井眼轴向滑动，易出现“托压”现象，钻压不能有效传递至钻头，导致机械钻速慢，钻井效率低，或者钻压突然释放导致井下动力钻具制动，同时出现井下复杂的风险也大幅度增加。

2)目前滑动钻井主要采用人工操控钻机来修正钻井马达的工具面角度，效率很低。

技术实现要素：

有鉴于此，有必要提供一种基于顶驱和转盘的地面自动控制导向钻井方法及系统，用以解决现有的滑动钻井过程易出现托压现象以及需要人工操控钻机来修正钻井马达的工具面角度导致钻井效率低、风险大的技术问题。

为了实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种基于顶驱和转盘的地面自动控制导向钻井方法，包括如下步骤：

判断钻柱与井壁之间是否存在托压，若钻柱与井壁之间存在托压，则控制钻柱向左和向右交替转动，直到钻柱与井壁之间不存在托压；

判断实时工具面角度与预设工具面角度之间是否存在偏差，若实时工具面角度与预设工具面角度之间存在偏差，则调整实时工具面角度以使其与预设工具面角度相符。

进一步地，判断钻柱与井壁之间是否存在托压，若钻柱与井壁之间存在托压，则控制钻柱向左和向右交替转动，直到钻柱与井壁之间不存在托压，具体为：获取立管压力、钻压及底部扭矩；根据获取得到的立管压力及钻压，判断钻柱与井壁之间是否存在托压；若钻柱与井壁之间存在托压，则由顶驱驱动钻柱向左和向右交替转动以降低钻柱的摩阻，直到钻柱与井壁之间不存在托压。

进一步地，根据获取得到的立管压力及钻压，判断钻柱与井壁之间是否存在托压的方法是：若立管压力与钻压的差值等于0，则钻柱与井壁之间存在托压，若立管压力与钻压的差值大于0，则钻柱与井壁之间不存在托压。

进一步地，若钻柱与井壁之间存在托压，则由顶驱驱动钻柱向左和向右交替转动以降低钻柱的摩阻，直到钻柱与井壁之间不存在托压的步骤中，钻柱转动过程中的右旋扭矩不大于底部扭矩的70％，左旋扭矩不大于底部扭矩的50％。

进一步地，判断实时工具面角度与预设工具面角度之间是否存在偏差，若实时工具面角度与预设工具面角度之间存在偏差，则调整工具面角度以使其与预设工具面角度相符，具体为：获取实时工具面角度及预设工具面角度；根据获取得到的实时工具面角度及预设工具面角度，得到实时工具面角度及预设工具面角度的偏差角度，以获取得到的偏差角度对钻井马达施加一扭矩，以使实时工具面角度与预设工具面角度相符。

进一步地，获取实时工具面角度的具体方法为：获取钻井液循环泵压及大钩静重载荷；将地表钻柱扭矩为零设为坐标零点；对表面钻柱施加一向右转动的扭矩，当扭矩达到最大时记录最大钻柱扭矩；根据钻井液循环泵压、大钩静重载荷及最大钻柱扭矩得到实时工具面角度。

进一步地，根据获取得到的实时工具面角度及预设工具面角度，得到实时工具面角度及预设工具面角度的偏差角度，以获取得到的偏差角度对钻井马达施加一扭矩，以使实时工具面角度与预设工具面角度相符，具体为：当tft<tfd时，钻井马达的右旋角度为：tfd-tft+rta；当tft>tfd时，钻井马达的右旋角度为：360°-(tfd-tft)+rta；其中，tfd为预设工具面角度；tft为实时工具面角度；rta为反扭矩角。

第二方面，本发明还提供了一种用于降低滑动钻井钻柱摩阻的装置，包括传感器组件、定向钻井机构及控制器；所述定向钻井机构包括泥浆泵、顶驱、钻柱及可导向的钻井马达，所述泥浆泵的出口与所述顶驱的上端连接，所述顶驱的下端与所述钻柱的上端连接，所述钻井马达与所述钻柱的下端连接。所述控制器基于所述的基于顶驱和转盘的地面自动控制导向钻井方法，根据传感器组件获取到的参数，控制钻柱的转动方向及速度以及钻井马达的工具面角度，以使钻柱与井壁之间不存在托压且实时工具面角度与预设工具面角度相符。

进一步地，所述传感器组件包括工具面角度传感器、顶驱钻杆扭矩传感器、钻杆角偏移传感器、立管压力传感器及大钩载荷传感器；所述工具面角度传感器用于获取实时工具面角度；所述顶驱钻杆扭矩传感器用于获取底部扭矩；所述钻杆角偏移传感器用于获取钻杆角偏移值；所述立管压力传感器用于获取立管压力；所述大钩载荷传感器用于获取大钩静重载荷。

进一步地，所述用于降低滑动钻井钻柱摩阻的装置还包括显示器，所述显示器与所述控制器连接且用于显示钻井参数。

与现有技术相比，本发明提出的技术方案的有益效果是：本发明通过在滑动钻井过程中，实时判断钻柱与井壁之间是否存在托压，若存在，则控制钻柱向左和向右交替转动，从而将钻柱与井壁之间由静摩擦调整为动摩擦，由于钻柱与井壁之间的动摩擦系数小于静摩擦系数，因此，可大大降低钻柱与井壁之间的摩擦阻力，从而释放钻柱与井壁之间的托压；同时，在滑动钻井过程中，调整实时工具面角度以使其与预设工具面角度相符，从而不需要人工操控钻机来修正钻井马达的工具面角度，提高了滑动钻井效率。

附图说明

图1是本发明提供的基于顶驱和转盘的地面自动控制导向钻井方法的一实施例的流程示意图；

图2是图1中步骤s1的流程示意图；

图3是图1中步骤s2的流程示意图；

图4是本发明提供的用于降低滑动钻井钻柱摩阻的装置的一实施例的结构示意图；

图5是图4中的定向钻井机构的结构示意图；

图中：1-泥浆泵、2-顶驱、3-钻柱、4-钻井马达。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

实施例1：

请参照图1，本发明提供了一种基于顶驱和转盘的地面自动控制导向钻井方法，包括如下步骤：

s1、判断钻柱与井壁之间是否存在托压，若钻柱与井壁之间存在托压，则控制钻柱向左和向右交替转动，直到钻柱与井壁之间不存在托压；

s2、判断实时工具面角度与预设工具面角度之间是否存在偏差，若实时工具面角度与预设工具面角度之间存在偏差，则调整实时工具面角度以使其与预设工具面角度相符。

本发明通过在滑动钻井过程中，实时判断钻柱与井壁之间是否存在托压，若存在，则控制钻柱向左和向右交替转动，从而将钻柱与井壁之间由静摩擦调整为动摩擦，由于钻柱与井壁之间的动摩擦系数小于静摩擦系数，因此，可大大降低钻柱与井壁之间的摩擦阻力，从而释放钻柱与井壁之间的托压；同时，在滑动钻井过程中，调整实时工具面角度以使其与预设工具面角度相符，从而不需要人工操控钻机来修正钻井马达的工具面角度，提高了滑动钻井效率。

具体地，请参照图2，所述步骤s1具体包括如下步骤：

s11、获取立管压力、钻压及底部扭矩；

s12、根据获取得到的立管压力及钻压，判断钻柱与井壁之间是否存在托压，其中，判断钻柱与井壁之间是否存在托压的方法是：若立管压力与钻压的差值等于0，则钻柱与井壁之间存在托压，若立管压力与钻压的差值大于0，则钻柱与井壁之间不存在托压。

s13、若钻柱与井壁之间存在托压，则由顶驱驱动钻柱向左和向右交替转动以降低钻柱的摩阻，直到钻柱与井壁之间不存在托压，钻柱转动过程中的右旋扭矩不大于底部扭矩的70％，左旋扭矩不大于底部扭矩的50％，若效果不佳，使左右扭矩限值增加底部扭矩的2％～5％，再次尝试将表面钻柱左右旋转，直至消除托压。

具体地，请参照图3，所述步骤s2具体包括如下步骤：

s21、获取实时工具面角度及预设工具面角度；

其中，获取实时工具面角度的具体方法为：

获取钻井液循环泵压及大钩静重载荷；

将地表钻柱扭矩为零设为坐标零点；

对表面钻柱施加一向右转动的扭矩，当扭矩达到最大时记录最大钻柱扭矩；

根据钻井液循环泵压、大钩静重载荷及最大钻柱扭矩得到实时工具面角度。

s22、根据获取得到的实时工具面角度及预设工具面角度，得到实时工具面角度及预设工具面角度的偏差角度，以获取得到的偏差角度对钻井马达施加一扭矩，以使实时工具面角度与预设工具面角度相符，其中：

当tft<tfd时，钻井马达的右旋角度为：tfd-tft+rta；

当tft>tfd时，钻井马达的右旋角度为：360°-(tfd-tft)+rta；

其中，tfd为预设工具面角度；tft为实时工具面角度；rta为反扭矩角。

实施例2：

请参照图4和图5，本发明还提供了一种用于降低滑动钻井钻柱摩阻的装置，包括传感器组件、定向钻井机构及控制器。

请参照图3，所述定向钻井机构包括泥浆泵1、顶驱2、钻柱3及可导向的钻井马达4，所述泥浆泵1的出口与所述顶驱2的上端连接，所述顶驱2的下端与所述钻柱3的上端连接，所述钻井马达4与所述钻柱3的下端连接。

请参照图3，所述控制器基于本发明提供的基于顶驱和转盘的地面自动控制导向钻井方法，根据传感器组件获取到的参数，控制钻柱3的转动方向及速度以及钻井马达4的工具面角度，以使钻柱3与井壁之间不存在托压且实时工具面角度与预设工具面角度相符。

具体地，请参照图3，所述传感器组件包括工具面角度传感器、顶驱钻杆扭矩传感器、钻杆角偏移传感器、立管压力传感器及大钩载荷传感器；所述工具面角度传感器安装在顶部工具接头中且用于获取实时工具面角度；所述顶驱钻杆扭矩传感器安装在顶部工具接头中且用于获取底部扭矩；所述钻杆角偏移传感器用于获取钻杆角偏移值；所述立管压力传感器安装在泥浆泵注入钻井液的一端且用于获取立管压力；所述大钩载荷传感器用于获取大钩静重载荷。

优选地，请参照图3，所述用于降低滑动钻井钻柱摩阻的装置还包括显示器，所述显示器与所述控制器连接且用于显示钻井参数，本实施例中，钻井参数包括钻进方向、实时工具面角度、预设工具面角度、底部扭矩、钻杆角偏移值、立管压力、大钩静重载荷等。

优选地，请参照图3，所述用于降低滑动钻井钻柱摩阻的装置还包括输入器，从而方便司钻输入钻井控制参数。

综上所述，本发明通过在滑动钻井过程中，实时判断钻柱与井壁之间是否存在托压，若存在，则控制钻柱向左和向右交替转动，从而将钻柱与井壁之间由静摩擦调整为动摩擦，由于钻柱与井壁之间的动摩擦系数小于静摩擦系数，因此，可大大降低钻柱与井壁之间的摩擦阻力，从而释放钻柱与井壁之间的托压；同时，在滑动钻井过程中，调整实时工具面角度以使其与预设工具面角度相符，从而不需要人工操控钻机来修正钻井马达的工具面角度，提高了滑动钻井效率。

以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。