将其发送给所述控制信息输出模块；如果否，则保持上一控制周期的执行模块控制规律不变，将其发送给所述控制信息输出模块； 所述控制信息输出模块将接收到的执行模块控制规律发送给所述执行模块； 所述危险状态判断模块根据接收到的控制策略和钻井系统工作状态测量信息，判断当前钻进是否处于危险状态:如果当前钻进处于危险状态，则将接收到的控制策略中的紧急控制策略发送给所述控制规律生成模块，并向所述测量信息输出模块发送危险警报；如果当前钻进处于安全状态，则将控制策略中的执行模块控制规律发送给所述控制规律生成模块； 所述钻井系统包括一钻台，所述钻台的底板中部安装防喷器，所述钻台的顶板中部转动连接转盘，所述转盘通过传动机构连接设置在所述钻台一侧的转盘电机；所述钻头连接弯曲式造斜井下钻具的一端，所述弯曲式造斜井下钻具的另一端通过所述井下测量模块连接钻杆的一端，所述钻杆的另一端穿过所述防喷器后连接方钻杆的一端，所述方钻杆的另一端穿过所述转盘后连接水龙头的下端，所述水龙头的上端则与立管连接。2.如权利要求1所述的基于自适应井下钻具工具面动态控制的钻机系统，其特征在于，所述动态控制系统还包括一系统输出模块，所述测量信息输出模块将接收到的钻井系统工作状态测量信息和危险警报传输至所述系统输出模块；所述系统输出模块记录接收到的危险警报、钻井系统工作状态测量信息和执行模块控制规律，并将其呈现给用户；同时，所述系统输出模块还能够将修正后的钻井系统的多体动力学模型，以及工具面模拟值或当前工具面的测量信息也呈现给用户。3.如权利要求1所述的基于自适应井下钻具工具面动态控制的钻机系统，其特征在于，所述数据采集模块包括井上测量模块和井下测量模块；所述井上测量模块测量的信息包括:泥浆栗栗速、大钩位置、转盘转动的角度、转盘施加给钻杆的扭矩和拉力；所述井下测量模块测量的信息包括:井下钻具的工具面、井斜、方位角和井眼测深。4.如权利要求1所述的基于自适应井下钻具工具面动态控制的钻机系统，其特征在于，所述用户输入模块包括控制策略输入模块和钻井模型信息输入模块；所述控制策略输入模块接收的用户输入的控制策略包括:1)执行模块控制规律:设计工具面控制规律、泥浆栗栗速控制规律、大钩控制规律、初始转盘控制规律和多体动力学模型精度控制规律；2)控制逻辑判断准则:井下钻具是否处于危险状态的判断准则、是否将多体动力学仿真得到的工具面模拟值视为工具面当前位置的判断准则和当前实际工具面是否偏离设定位置的判断准则；3)紧急控制策略:针对危险状态应采取的控制措施；4)预先设定的钻具工具面阈值； 所述钻井模型信息输入模块接收用户输入的钻井模型信息，包括钻具信息、泥浆信息和地层信息；钻具信息包括新接入的单根或立根钻柱信息和更换钻头信息，泥浆信息包括但不限于更换钻井液的信息。5.一种采用如权利要求1?4任一项所述钻机系统实现的基于自适应井下钻具工具面动态控制的钻井方法，其包括以下步骤: 1)启动钻井系统的执彳丁机构； 2)用户通过所述用户输入模块中的控制策略输入模块输入控制策略，控制策略输入模块将控制策略分别发送给所述多体动力学建模模块、工具面估计模块、控制规律生成模块和危险状态判断模块；所述用户通过用户输入模块中的钻井模型信息输入模块输入钻井系统模型信息；所述控制规律生成模块经过所述控制信息输出模块将控制策略中的执行模块控制规律发送给所述执行模块，所述执行模块按照该执行模块控制规律开始驱动执行机构工作，其包括:泥浆栗栗入钻井液，大钩上、下移动，以及转盘转动指定的角度； 3)所述数据采集模块将采集到的钻井系统工作状态测量信息分别发送给所述多体动力学建模模块、自适应模型修正模块、控制规律生成模块、危险状态判断模块和测量信息输出丰吴块； 4)所述危险状态判断模块根据所述用户输入模块中的控制策略输入模块发送的控制逻辑判断准则中的井下钻具是否处于危险状态的判断准则和当前实际工具面是否偏离设定位置的判断准则，以及所述数据采集模块发送的钻井系统工作状态测量信息，判断当前钻进是否处于危险状态: 如果当前钻进处于危险状态，则发出危险警报并执行紧急控制策略； 如果当前钻进未处于危险状态，则执行步骤5); 5)若系统处于第一个控制周期，则依据所述数据采集模块采集的钻井系统工作状态测量信息和所述用户输入模块输入的钻井模型信息，对钻井系统建立多体动力学模型；若系统不处于第一个控制周期，则直接执行步骤6); 6)所述自适应模型修正模块比较所述工具面估计模块反馈的工具面模拟值和钻井系统工作状态测量信息，对获得的多体动力学模型的参数进行修正，并将修正后的多体动力学模型输出给所述工具面估计模块，所述工具面估计模块对多体动力学模型进行多体动力学仿真，以获得工具面模拟值； 7)所述控制规律生成模块根据所述用户输入模块中的控制策略输入模块发送的控制逻辑判断准则中的是否将多体动力学仿真得到的工具面模拟值视为工具面当前位置的判断准则，确定生成执行模块控制规律时使用的工具面: 如果是，则将工具面模拟值视为工具面当前位置； 如果否，则将工具面实测值作为工具面当前位置； 8)所述控制规律生成模块根据所述用户输入模块中的控制策略输入模块发送的执行模块控制规律中的设计工具面控制规律和初始转盘控制规律，判断工具面当前位置是否超出控制策略中预先设定的钻具工具面阈值: 如果是，则所述控制规律生成模块生成新的执行模块控制规律，包括通过多体动力学仿真计算转盘所需的转动角度、大钩的位置和泥浆栗栗速，并将新的执行模块控制规律通过所述控制信息输出模块发送给所述执行模块，然后执行步骤9); 如果否，则保持当前的执行模块控制规律，并将其通过所述控制信息输出模块发送给所述执行模块，继续钻进并执行步骤10); 9)所述执行模块按照所述控制规律生成模块输出的执行模块控制规律驱动泥浆栗、大钩、转盘的动作，继续钻进以使井下钻具工具面回归到设计位置，以完成对井下钻具工具面的动态调整控制； 10)用户输入模块中的控制策略输入模块和钻井模型信息输入模块分别判断用户输入的控制策略和钻井模型信息是否有变化: 如果是，则返回步骤2); 如果否，则返回步骤4)。6.如权利要求5所述的基于自适应井下钻具工具面动态控制的钻井方法，其特征在于，在进行上述步骤6)时，所述自适应模型修正模块对钻井系统的多体动力学模型进行修正包括以下步骤: ①在第一个控制周期中，根据所述工具面估计模块反馈的工具面模拟值，所述自适应模型修正模块预测井下钻具在之后的某一时刻或一段时间的变化和响应； ②所述自适应模型修正模块将工具面模拟值与钻井系统工作状态测量信息中的井下钻具工具面进行对比，获得增益系数； ③根据增益系数对所述多体动力学建模模块传来的多体动力学模型进行修正，将修正后的多体动力学模型发送给所述工具面估计模块； ④在其后的某一控制周期中，重复步骤①?③，以使所述自适应模型修正模块实时跟踪井下钻具工具面情况，持续对所述多体动力学建模模块传来的多体动力学模型进行修正。
【专利摘要】一种基于自适应井下钻具工具面动态控制的钻机系统及钻井方法，该钻机系统包括动态控制系统和钻井系统，动态控制系统包括数据采集模块、控制策略输入模块、钻井模型信息输入模块、多体动力学建模模块、自适应模型修正模块、工具面估计模块、控制规律生成模块、执行模块和危险状态判断模块。用户输入控制策略和钻井模型，数据采集模块收集系统钻进情况，多体动力学建模模块基于钻井模型进行多体动力学建模，自适应模型修正模块基于钻进情况修正多体动力学模型，工具面估计模块和控制规律生成模块基于控制策略、钻进情况和修正后的多体动力学模型计算控制执行机构的控制规律；危险状态判断模块当系统处于危险状态时发出警报。本发明能够显著提高定向钻井工作效率和精度，可广泛用于井下定向钻进作业。
【IPC分类】E21B3/04, E21B44/00
【公开号】CN105156021
【申请号】CN201510408217
【发明人】程载斌, 曹砚锋, 姜伟, 周建良, 刘书杰, 李汉兴, 武广瑷, 李峰飞
【申请人】中国海洋石油总公司, 中海油研究总院
【公开日】2015年12月16日
【申请日】2015年7月13日