一种滑动导向钻井闭环控制系统及其控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种油气田定向钻井过程中控制井眼轨迹的闭环控制系统及其控制 方法，具体涉及一种在使用导向螺杆马达进行滑动导向定向钻井时自动控制井眼轨迹的闭 环控制系统及其控制方法。
【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滑动导向钻井闭环控制系统及 其控制方法。
[0004] 为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种滑动导向钻井闭环控制系统，其 特征在于，它包括动态测量子系统、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；
[0005] 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。
[0006] 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。
[0007] 一种采用上述系统实现的滑动导向钻井闭环控制方法，其包括以下步骤：
[0008] 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；
[0009] 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)；
[0010] 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);
[0011] 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);
[0012] 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);
[0013] 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；
[0014] 7)继续钻进使实钻井眼轨迹保持或回归到设计井眼轨迹；
[0015] 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)。
[0016] 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】
[0017] 图1是本发明滑动导向钻井轨迹闭环控制系统的结构框图；
[0018] 图2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所示，本发明的滑动导向钻井闭环控制系统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。
[0021] 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。
[0022] 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控制 决策单元203 ;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。
[0023] 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，使井下动力钻