专利名称：一种井下定向动力钻具工具面动态控制系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及在油气田钻井期间对工具面进行控制的控制系统，特别是关于一种井下定向动力钻具工具面动态控制系统。
技术背景 在常规钻井作业过程中，直井段和稳斜段通常采用顶驱或转盘方式旋转钻进，导向钻井段若采用井下弯角式造斜动力钻具，则通常使用滑动钻井方式，在泵排量调整、地层岩性变化、动力钻具磨损等条件下，容易产生钻具工具面漂移，导致井眼轨迹控制失败等问题。面对这一情况，通常的做法是在井下工具面漂移后，采用停钻、上提钻具的方法重新设定工具面，而这将影响作业时效。同时，在常规导向钻具滑动钻进过程中，因钻具不能旋转，导致施加钻压滞后、井眼净化困难，易引起作业效率低、工序复杂等问题。因此，急需一种可以实现井下定向动力钻具工具面的动态控制方法。
发明内容针对上述问题，本实用新型的目的是提供一种能够大幅度提高定向井钻井作业效率，减少井下复杂情况，提高油气田勘探开发经济效益的井下定向动力钻具工具面动态控制系统。为实现上述目的，本实用新型采取以下技术方案一种井下定向动力钻具工具面动态控制系统，其特征在于它包括一套工具面解码系统、一套动态工具面控制系统、一套顶驱/转盘伺服和制动系统、一套顶驱/转盘角度传感系统和一套顶驱/转盘角度信号处理系统；所述工具面解码系统的输入端连接钻井系统中的MWD系统压力信号传感器，输出端连接所述动态工具面控制系统，所述动态工具面控制系统预置在监控计算机中，所述动态工具面控制系统的输出端连接所述顶驱/转盘伺服和制动系统，所述顶驱/转盘伺服和制动系统连接顶驱/转盘和所述顶驱/转盘角度传感系统，所述顶驱/转盘角度传感系统的输出端连接所述顶驱/转盘角度信号处理系统，所述顶驱/转盘角度信号处理系统的输出端连接所述动态工具面控制系统；其中，MWD表示随钻测量。钻井动力系统为顶驱情况下的设置钻头连接弯角式造斜动力钻具，所述弯角式造斜动力钻具连接随钻测量系统，所述随钻测量系统连接钻杆，所述钻杆上端穿过钻台，所述钻杆顶部连接顶驱，所述顶驱上设置顶驱角度传感器，所述顶驱连接立管，所述立管上设置MWD系统压力信号传感器；所述MWD系统压力信号传感器连接工具面解码系统，所述顶驱连接顶驱伺服和制动系统，所述顶驱角度传感器连接顶驱角度信号处理系统，所述工具面解码系统、顶驱伺服和制动系统、顶驱角度信号处理系统均连接所述动态工具面控制系统。钻井动力系统为转盘情况下的设置钻头连接弯角式造斜动力钻具，所述弯角式造斜动力钻具连接随钻测量系统，所述随钻测量系统连接钻杆，所述钻杆上端连接方钻杆，所述方钻杆穿过安装在钻台上的转盘，所述转盘上设置有转盘角度传感器，所述方钻杆上端连接水龙头，所述水龙头上端连接立管，所述立管上安装MWD系统压力信号传感器，所述MWD系统压力信号传感器连接工具面解码系统，所述转盘连接转盘伺服和制动系统，所述转盘角度传感器连接转盘角度信号处理系统，所述工具面解码系统、转盘伺服和制动系统、转盘角度信号处理系统均连接所述动态工具面控制系统。本实用新型由于采取以上技术方案，其具有以下优点1、本实用新型设置有工具面解码系统、顶驱/转盘角度传感系统、顶驱/转盘伺服和制动系统、动态工具面控制系统；工具面解码系统根据接收到的井下MWD(Measure While Drilling，随钻测量系统)信号，求解出井下工具面信息，并将信息传递给动态工具面控制系统，动态工具面控制系统通过解码和逻辑判断，启动顶驱/转盘伺服系统，调整顶驱/转盘的角度至设定值后，由顶驱/转盘制动系统实现刹车，锁定工具面并继续钻进，因此，本实用新型能够实现井下定向动力钻具滑动造斜期间工具面的动态调整，可以解决由于各种原因导致的井下工具面漂移问题，能够提闻定向井井眼轨迹的控制精度和作业效率。2、本实用新型在井下动力钻具滑动钻井期间，由于可以实现工具面的自动调整，所以允许适当旋转上部钻具，井下动力钻具工具面 可在动态工具面控制系统的调整下自动恢复至设定值，因此，本实用新型可降低钻井期间钻具粘卡风险，实现钻压的有效传递，改善井眼净化问题，减少钻井复杂事故，提高定向钻井作业效率。本实用新型可大幅度提高定向井钻井作业效率，减少井下复杂情况，降低油气 田勘探开发钻井作业成本，提高油气田勘探开发的经济效益，因此，可广泛用于井下定向动力钻具工具面动态调整控制过程中。
图I是本实用新型控制系统控制流程示意图图2是本实用新型在钻进动力系统为顶驱时的设置示意图图3是本实用新型在钻进动力系统为转盘时的设置示意图
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本实用新型进行详细的描述。如图I所示，本实用新型控制系统适用于钻井动力系统为顶驱和钻井动力系统为转盘的情况。本实用新型控制系统包括一套工具面解码系统I、一套动态工具面控制系统
2、一套顶驱/转盘伺服和制动系统3、一套顶驱/转盘角度传感系统4和一套顶驱/转盘角度信号处理系统5。工具面解码系统I的输入端连接钻井系统中的MWD(Measure WhileDrilling，随钻测量)系统压力信号传感器，输出端连接动态工具面控制系统2，动态工具面控制系统2预置在监控计算机中，动态工具面控制系统2的输出端连接顶驱/转盘伺服和制动系统3，顶驱/转盘伺服和制动系统3连接顶驱/转盘和顶驱/转盘角度传感系统4，顶驱/转盘角度传感系统4的输出端连接顶驱/转盘角度信号处理系统5，顶驱/转盘角度信号处理系统5的输出端连接动态工具面控制系统2。如图I所示，本实用新型控制系统的控制方法包括以下步骤I)钻井系统中的MWD系统压力信号传感器采集井下MWD信号，并将采集到的井下MWD信号传送给工具面解码系统1，工具面解码系统I根据接收到的井下MWD信号，求解出井下工具面信息，并将井下工具面信息传递给动态工具面控制系统2 ；2)动态工具面控制系统2将接收到的井下工具面信息进行解码，并进行逻辑判断，判断是否超出动态工具面控制系统2中设定的阈值如果不超出设定阈值，则不采取调整措施，继续钻进；如果超出设定阈值，则启动顶驱/转盘伺服和制动系统3中的伺服系统；3)顶驱/转盘伺服和制动系统3中的伺服系统调整顶驱/转盘的角度，此时，顶驱/转盘角度传感系统4将顶驱/转盘的角度值反馈给顶驱/转盘角度信号处理系统5，顶驱/转盘角度信号处理系统5将反馈信号进行信号处理，传给动态工具面控制系统2 ；4)动态工具面控制系统2判断顶驱/转盘当前的角度值是否达到设定的角度值，如果没有达到设定的角度值，则返回步骤3)，顶驱/转盘伺服和制动系统3中的伺服系统继续调整顶驱/转盘的角度；如果达到设定的角度值，则启动顶驱/转盘伺服和制动系统3中的制动系统；5)顶驱/转盘伺服和制动系统3中的制动系统制动顶驱/转盘，实现刹车，锁定工具面并继续钻进； 6)返回步骤I)，工具面解码系统I持续接收井下MWD信号，实时跟踪井下工具面情况；如果工具面漂移到动态工具面控制系统5设定的阈值以上时，将再次启动本实用新型工具面动态调整控制系统，进行新一轮的工具面自动调整作业。如图2所示，本实用新型控制系统在钻井动力系统为顶驱情况下的设置钻头6连接弯角式造斜动力钻具7，弯角式造斜动力钻具7连接随钻测量系统8，随钻测量系统8连接钻杆9，钻杆9上端穿过钻台10，钻杆9顶部连接顶驱11，顶驱11上设置顶驱角度传感器12，顶驱11连接立管13，立管13上设置MWD系统压力信号传感器14。MWD系统压力信号传感器14连接工具面解码系统1，顶驱11连接顶驱伺服和制动系统3，顶驱角度传感器12连接顶驱角度信号处理系统5，工具面解码系统I、顶驱伺服和制动系统3和顶驱角度信号处理系统5均连接动态工具面控制系统2。如图3所示，本实用新型控制系统在钻井动力系统为转盘情况下的设置钻头6连接弯角式造斜动力钻具7，弯角式造斜动力钻具7连接随钻测量系统8，随钻测量系统8连接钻杆9，钻杆9上端连接方钻杆15，方钻杆15穿过安装在钻台10上的转盘16，方钻杆15用于转盘16与钻杆9之间的动力传递。转盘16上设置有转盘角度传感器17,方钻杆15上端连接水龙头18，水龙头18上端连接立管13，立管13上安装MWD系统压力信号传感器14。MWD系统压力信号传感器14连接工具面解码系统I，转盘16连接转盘伺服和制动系统3，转盘角度传感器17连接转盘角度信号处理系统5，工具面解码系统I、转盘伺服和制动系统3和转盘角度信号处理系统5均连接动态工具面控制系统2。上述实施例中，顶驱/转盘角度传感系统4可以为顶驱角度传感器12，也可以为转盘角度传感器17。本实用新型控制系统的控制方法能够适用于以下三种工作状态。I)设定初始工具面常规井下动力钻具在滑动造斜开始前，通过将钻头提离井底，开钻井泵循环，测定井下动力钻具在该排量下的反扭角，根据反扭角，设定并锁定顶驱/转盘，然后开始滑动钻进作业。本实用新型可以利用上述常规方法设定初始工具面，也可以实现不测量反扭角，直接开始钻进作业，开钻后根据井下实时MWD信号，通过顶驱/转盘伺服和制动系统设定顶驱/转盘初始锁定位置(角度)。如图2所示，钻进动力系统为顶驱时，本实用新型控制系统的控制方法为待泵排量稳定后，工具面解码系统I通过MWD系统压力信号传感器14接收随钻测量系统8的井下MWD信号，分析得出实时工具面信息并将其发送至动态工具面控制系统2，动态工具面控制系统2根据井眼轨迹控制要求计算出顶驱11需要旋转的角度后确定锁定位置/角度，顶驱伺服和制动系统3启动响应，解开制动系统并启动顶驱11旋转，顶驱角度传感器12监测旋转的角度并将其通过顶驱角度信号处理系统5反馈至动态工具面控制系统2，在顶驱11到达设定的锁定位置/角度后，由顶驱伺服和制动系统3制动，将顶驱11锁定在预先设定的位置/角度，并指导井下定向动力钻具开始定向钻井作业。如图3所示，钻进动力系统为转盘时，本实用新型控制系统的控制方法为待泵排量稳定后，工具面解码系统I通过MWD系统压力信号传感器14接收来自随钻测量系统8的井下MWD信号，分析得出实时工具面信息并将其发送至动态工具面控制系统2，动态工具面控制系统2根据井眼轨迹控制要求计算出转盘16需要旋转的角度后确定锁定位置/角度，转盘何服和制动系统3启动响应，解开制动系统并启动转盘16旋转，转盘角度传感器17监测旋转的角度并将其通过转盘角度信号处理系统5反馈至动态工具面控制系统2，在转盘 16到达设定的锁定位置/角度后，由转盘伺服和制动系统3制动，将转盘16锁定在预先设定的位置/角度，并指导井下定向动力钻具开始定向钻井作业。2)动态控制工具面常规井下动力钻具在滑动造斜期间，如发生工具面漂移，通常通过将钻头提离井底，开钻井泵循环，重新测定井下动力钻具在该排量下的反扭角，根据反扭角，重新设定并锁定顶驱/转盘，然后恢复滑动钻进作业。本实用新型可以实现在井下工具面漂移时，无需上提钻具测量反扭角，可根据井下实时MWD信号，通过顶驱/转盘伺服和制动系统，重新设定顶驱/转盘锁定位置(角度)，达到动态调整井下动力钻具工具面的目的。如图2所示，钻进动力系统为顶驱时，本实用新型控制系统的控制方法为井下定向动力钻具在定向钻进过程中，工具面解码系统I通过MWD系统压力信号传感器14实时接收来自随钻测量系统8的井下MWD信号，分析得出实时工具面信息并将其发送至动态工具面控制系统2，动态工具面控制系统2根据井眼轨迹控制要求计算出顶驱11的位置/角度；若计算结果未超出动态工具面控制系统2设定的阈值，则不调整顶驱11的位置/角度，若超出动态工具面控制系统2设定的阈值，则启动顶驱伺服和制动系统3，调整顶驱11到达设定的位置/角度后，由顶驱伺服和制动系统3制动，将顶驱11锁定在设定的位置/角度，并指导井下定向动力钻具继续进行钻进作业。工具面调整过程中钻进作业继续进行，不受影响。如图3所示，钻进动力系统为转盘时，本实用新型控制系统的控制方法为井下定向动力钻具在定向钻进过程中，工具面解码系统I通过MWD系统压力信号传感器14实时接收来自随钻测量系统8的井下MWD信号，分析得出实时工具面信息并将其发送至动态工具面控制系统2，动态工具面控制系统2根据井眼轨迹控制要求计算出转盘16的位置/角度；若计算结果未超出动态工具面控制系统2设定的阈值，则不调整转盘16的位置/角度，若超出动态工具面控制系统2设定的阈值，则启动转盘伺服和制动系统3，调整转盘16到达设定的位置/角度后，由转盘伺服和制动系统3制动，将转盘11锁定在设定的位置/角度，并指导井下定向动力钻具继续进行钻进作业。工具面调整过程中钻进作业继续进行，不受影响。[0030]3)消除滑动钻进期间的钻压滞后效应常规井下动力钻具在滑动造斜期间，为了维持工具面稳定，无法实现上部钻具旋转。受井壁摩擦、岩屑床等因素影响，尤其在井眼轨迹复杂的情况下，钻进过程中难以给钻头施加有效钻压，导致钻进效率低，机械钻速慢。如图2所示，钻进动力系统为顶驱时，本实用新型控制系统的控制方法为在判断井下发生钻压滞后情况时，自动启动顶驱伺服和制动系统3，并由动态工具面控制系统2向顶驱伺服和制动系统3发送指令，根据钻压滞后的严重程度给出顶驱11旋转的转速和圈数，通过旋转钻具，在不影响井眼轨迹的情况下释放钻具与井壁之间的摩阻。在达到预定的旋转圈数时，启动工作状态2)动态控制工具面流程，调整工具面至设定值，继续进行滑动钻进。如图3所示，钻进动力系统为转盘时，本实用新型控制系统的控制方法为在判断井下发生钻压滞后情况时，自动启动转盘伺服和制动系统3，并由动态工具面控制系统2向转盘伺服和制动系统3发送指令，根据钻压滞后的严重程度给出转盘16旋转的转速和圈数，通过旋转钻具，在不影响井眼轨迹的情况下释放钻具与井壁之间的摩阻。在达到预定的旋转圈数时，启动工作状态2)动态控制工具面流程，调整工具面至设定值，继续进行滑动钻进。上述各实例仅用于说明本实用新型，其中各系统的组成及配合方式都是可以有所变化的，凡是在本实用新型技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本实用新型的保护范围之外。
权利要求1.一种井下定向动力钻具工具面动态控制系统，其特征在于它包括一套工具面解码系统、一套动态工具面控制系统、一套顶驱/转盘伺服和制动系统、一套顶驱/转盘角度传感系统和一套顶驱/转盘角度信号处理系统；所述工具面解码系统的输入端连接钻井系统中的MWD系统压力信号传感器，输出端连接所述动态工具面控制系统，所述动态工具面控制系统预置在监控计算机中，所述动态工具面控制系统的输出端连接所述顶驱/转盘伺服和制动系统，所述顶驱/转盘伺服和制动系统连接顶驱/转盘和所述顶驱/转盘角度传感系统，所述顶驱/转盘角度传感系统的输出端连接所述顶驱/转盘角度信号处理系统，所述顶驱/转盘角度信号处理系统的输出端连接所述动态工具面控制系统；其中，MWD表示随钻测量。
2.如权利要求I所述的一种井下定向动力钻具工具面动态控制系统，其特征在于钻井动力系统为顶驱情况下的设置钻头连接弯角式造斜动力钻具，所述弯角式造斜动力钻具连接随钻测量系统，所述随钻测量系统连接钻杆，所述钻杆上端穿过钻台，所述钻杆顶部连接顶驱，所述顶驱上设置顶驱角度传感器，所述顶驱连接立管，所述立管上设置MWD系统压力信号传感器；所述MWD系统压力信号传感器连接工具面解码系统，所述顶驱连接顶驱伺服和制动系统，所述顶驱角度传感器连接顶驱角度信号处理系统，所述工具面解码系统、顶驱伺服和制动系统、顶驱角度信号处理系统均连接所述动态工具面控制系统。
3.如权利要求I所述的一种井下定向动力钻具工具面动态控制系统，其特征在于钻井动力系统为转盘情况下的设置钻头连接弯角式造斜动力钻具，所述弯角式造斜动力钻具连接随钻测量系统，所述随钻测量系统连接钻杆，所述钻杆上端连接方钻杆，所述方钻杆穿过安装在钻台上的转盘，所述转盘上设置有转盘角度传感器，所述方钻杆上端连接水龙头，所述水龙头上端连接立管，所述立管上安装MWD系统压力信号传感器，所述MWD系统压力信号传感器连接工具面解码系统，所述转盘连接转盘伺服和制动系统，所述转盘角度传感器连接转盘角度信号处理系统，所述工具面解码系统、转盘伺服和制动系统、转盘角度信号处理系统均连接所述动态工具面控制系统。
专利摘要本实用新型涉及一种井下定向动力钻具工具面动态控制系统，其特征在于它包括一套工具面解码系统、一套动态工具面控制系统、一套顶驱/转盘伺服和制动系统、一套顶驱/转盘角度传感系统和一套顶驱/转盘角度信号处理系统；工具面解码系统的输入端连接钻井系统中的MWD系统压力信号传感器，输出端连接动态工具面控制系统，动态工具面控制系统预置在监控计算机中，动态工具面控制系统的输出端连接顶驱/转盘伺服和制动系统，顶驱/转盘伺服和制动系统连接顶驱/转盘和顶驱/转盘角度传感系统，顶驱/转盘角度传感系统的输出端连接顶驱/转盘角度信号处理系统，顶驱/转盘角度信号处理系统的输出端连接动态工具面控制系统。本实用新型可广泛用于井下定向动力钻具工具面动态调整控制中。
文档编号E21B44/00GK202544834SQ20122009807
公开日2012年11月21日 申请日期2012年3月15日 优先权日2012年3月15日
发明者何保生, 周建良, 张凤久, 张春阳, 曹砚锋, 李汉兴, 杨立平, 武广瑷, 范白涛 申请人:中国海洋石油总公司, 中海油研究总院