一种钻井参数自动优化的VFD控制系统及方法与流程

本发明涉及石油钻井领域，具体是一种钻井参数自动优化的VFD控制系统及方法。

背景技术：

目前的钻机只是一个执行机构，需要司钻根据钻井工程师的钻前优化结果设定钻井参数，如泵冲（排量）、顶驱转速、钻压等，钻机自身还无法实时优化这些钻井参数，而未来的钻井技术必然走向自动化、智能化。根据钻井工况的变化，钻井参数的实时（闭环）优化功能将是对钻井设备的必然要求。钻井参数的优化属于钻井工程范畴，符合“互联网+设备制造”的理念，即设备制造向服务拓展延伸。当前的钻机系统是以最低成本为目标的钻前优化为主，钻井参数的优化主要是钻井工程师以最低成本模式为目标的钻前优化，还没有实现根据钻井工况的变化实时优化，钻井参数的实时优化还处于研究探索阶段。

公开号为CN103046918A的中国专利公开了一种钻井参数优化的方法和装置，属于石油钻探领域。本发明实施例包括：获取实时的钻井参数；根据获取的所述钻井参数，实时的计算虚拟强度指数；根据所述虚拟强度指数，调整所述钻井参数降低虚拟强度指数；其中，所述钻井参数具体为：转盘转速、扭矩、钻压、机械钻速、泥浆泵排量、钻头压力降等钻井参数。本发明实施例通过实时的地质环境变化反馈的钻井参数，并实时计算得到虚拟强度指数VSI，根据与真实强度指数相关的虚拟强度指数VSI，实时调整钻井参数使得虚拟强度指数VSI，从而使得钻头切削效率一直处于尽可能的最佳状态，提高了钻井效率。该专利所述的计算虚拟强度指数与本发明基于机械比能计算的技术方案不同。

公开号为CN103790568A的中国专利公开了一种钻井参数与效率实时优化方法，首先进行钻井取芯，利用步骤A中的方法建立岩石强度模型，根据钻井液密度、性质及地层孔隙压力，判断为哪一种钻井方式，如果为气体钻井则可以直接使用单轴抗压强度，否则计算井底围压条件下岩石强度，利用录井资料计算钻头机械比能，将计算得到的钻头机械比能与井底围压下岩石强度作对比。本发明建立的模型能够找出钻压、转速等钻井参数的临界失效点，能够起到实时优化钻井参数的目的，使得钻井能力在钻井现有的基础上得到有效的提升。该专利建立的岩石强度模型与本发明不同，本发明综合钻井水力学参数、机械参数、钻井比能理论、最优化钻井参数、钻头实时评价参数等对钻井过程中的低效状态进行识别，分析并提出实时的优化方案提高了钻井效率。

公开号为CN101899969A的中国专利公开了一种实时实地全参数优化钻井方法，其主要包括水力优化、钻压优化及转速优化三部分。该法通过实地测量出的泵排量和泵压的关系来确定最优的水力参数，以及选定钻头喷嘴的尺寸，在此前提条件下，再通过实时观测在调整钻压和转速时钻头所作的单位破岩功的变化以确定关于当前钻进地层的最佳钻压和转速。钻井现场施工人员据此可以对钻井水力、钻压和转速进行实时和实地优化，从而最大化钻井效率，最大化钻井机械钻速，并提高钻头的使用寿命或单只钻头进尺。该专利不能引导司钻进行自动和手动选择优化，并且与本发明基于机械比能的计算进行优化的技术方案不同。

目前钻井参数的优化，还没有实现根据钻井工况的变化进行实时优化，现有的优化过程效率低，钻头磨损严重。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，基于机械比能概念的优化方法以提高钻机的智能化水平，提供一种钻井参数自动优化的VFD控制系统及方法，以至少达到提高钻井效率、减少钻头磨损量、预测井下工况、预防钻井事故和降低钻井成本的效果。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种钻井参数自动优化的VFD控制系统，它包括可编程控制器PLC子系统、控制显示屏、变频器VFD和电机，所述的可编程控制器PLC子系统实时采集钻井数据，并计算和分析各种数据，作为优化操作的依据，所述的控制显示屏能够访问所述可编程控制器PLC子系统的网络页面，显示各种参数，能够自动进行优化操作，所述的变频器VFD接收所述可编程控制器子系统的控制命令，控制电机转速。

所述的控制显示屏能够显示地层岩性、岩石强度、机械比能、钻速、扭矩、钻压的数据以及相应的趋势图；显示钻井参数、操作提示和优化状态；显示手动或自动优化钻井参数。

所述可编程控制器PLC子系统包括网络页面，网络页面显示各种参数，还能够根据显示提示司钻操作。

一种VFD控制系统钻井参数的自动优化方法，它包括以下步骤：

初始化，输入基础参数；

根据是否有邻井数据，来装载临井数据，并进行钻前预测；

启动优化过程；

根据当前钻压、转速和泵冲给定，计算机械比能参数；

当有邻井数据时，根据当前数据与邻井数据进行比较，若邻井数据更优，将使用邻井的钻压、转速和泵冲给定作为下一个给定，若当前数据更优，将保持当前给定；

当无邻井数据时，进行钻井状态检测，根据状态检测结果进行相应的处理，完成优化。

进一步的，钻井参数优化过程中，需要实时预测下一步钻压、转速和泵冲的给定值，可通过钻压、转速和泵冲的各种组合给定，并实时采集钻井数据，计算机械比能、钻头磨损、液压比能、成本、钻压与钻速的斜率参数，进行比较，得出最优给定值。

进一步的，在钻井参数优化中，能够选择手动优化或自动优化。

所述的状态检测结果包括状态0、状态1、状态2、状态3、状态4，状态0代表正检测，状态1代表已最优，状态2代表换底层，状态3代表穿夹层，状态4代表钻头坏或已磨损，其中状态2和状态3需要进一步优化来更准确地判断相应的状态，状态4需要起钻来更换钻头。

本发明的有益效果是：本发明综合钻井水力学参数、机械参数、钻井比能理论、最优化钻井参数、钻头实时评价参数等对钻井过程中的低效状态进行识别，分析并提出实时优化方案，提高钻井效率，辅助判断井下出现的复杂状况，预测井下工况，包括钻头泥包、钻具震动、井底泥包、钻头钝化等工况，可以减少井下事故发生，提高钻井效率，减少钻头磨损量，降低钻井成本。

附图说明

图1为本发明的钻井参数优化流程图；

图2为本发明的可编程控制器PLC子系统的网络页面。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

一种钻井参数自动优化的VFD控制系统，它包括可编程控制器PLC子系统、控制显示屏、变频器VFD和电机，所述的可编程控制器PLC子系统实时采集钻井数据，并计算和分析各种数据，作为优化操作的依据，所述的控制显示屏能够访问所述可编程控制器PLC子系统的网络页面，显示各种参数，能够自动进行优化操作，所述的变频器VFD接收所述可编程控制器子系统的控制命令，控制电机转速。

所述的控制显示屏能够显示地层岩性、岩石强度、机械比能、钻速、扭矩、钻压的数据以及相应的趋势图；显示钻井参数、操作提示和优化状态；显示手动或自动优化钻井参数。

所述可编程控制器PLC子系统包括网络页面，网络页面显示各种参数，还能够根据显示提示司钻操作。

一种VFD控制系统钻井参数的自动优化方法，它包括以下步骤：

初始化，输入基础参数；

根据是否有邻井数据，来装载临井数据，并进行钻前预测；

启动优化过程；

根据当前钻压、转速和泵冲给定，计算机械比能参数；

当有邻井数据时，根据当前数据与邻井数据进行比较，若邻井数据更优，将使用邻井的钻压、转速和泵冲给定作为下一个给定，若当前数据更优，将保持当前给定；

当无邻井数据时，进行钻井状态检测，根据状态检测结果进行相应的处理，完成优化。

进一步的，钻井参数优化过程中，需要实时预测下一步钻压、转速和泵冲的给定值，可通过钻压、转速和泵冲的各种组合给定，并实时采集钻井数据，计算机械比能、钻头磨损、液压比能、成本、钻压与钻速的斜率参数，进行比较，得出最优给定值。

进一步的，在钻井参数优化中，能够选择手动优化或自动优化。

所述的状态检测结果包括状态0、状态1、状态2、状态3、状态4，状态0代表正检测，状态1代表已最优，状态2代表换底层，状态3代表穿夹层，状态4代表钻头坏或已磨损，其中状态2和状态3需要进一步优化来更准确地判断相应的状态，状态4需要起钻来更换钻头。

可编程控制器PLC子系统实时采集钻井数据，并计算和分析各种数据，作为优化操作的依据；

控制显示屏，通过访问PLC中网页界面，如图2所示，显示各种参数，并根据显示提示司钻操作或自动进行优化操作；

变频器VFD接收PLC的控制命令，控制电机转速。

如图2所示，一种钻井参数自动优化的VFD控制系统的主界面，显示了地层岩性、岩石强度、机械比能(MSE)、钻速(ROP)、扭矩、钻压(WOB)的数据及相应趋势图；显示钻井参数；显示操作提示和优化状态；手动或自动优化钻井参数。

如图1所示，钻井参数优化流程：首先进行初始化和基础参数的输入；根据是否有邻井数据，来装载邻井数据，并进行钻前预测；启动优化过程；根据当前钻压、转速和泵冲给定，计算机械比能和其他参数；当有邻井数据时，根据当前数据与邻井数据进行比较，若邻井数据更优，将使用邻井的钻压、转速和泵冲给定作为下一个给定，若当前数据更优，将保持当前给定；当无邻井数据时，进行钻井状态检测，状态0（正检测），状态1（已最优），状态2（换地层），状态3（穿夹层），状态4（钻头坏或已磨损），其中状态2和3需要进一步优化来更准确地判断相应的状态，状态4需要起钻来更换钻头；钻井参数优化过程中，需要实时预测下一步钻压、转速和泵冲的给定值，可通过钻压、转速和泵冲的各种组合给定，并实时采集钻井数据，计算机械比能(MSE)、钻头磨损、液压比能、成本和钻压与钻速的斜率等参数，进行比较，得出最优给定值；在钻井参数优化中，可选择手动优化或自动优化。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。