一种具有自适应性的滑动导向钻井控制系统及控制方法与流程

本发明是关于一种具有自适应性的滑动导向钻井控制系统及控制方法，属于滑动导向钻井领域。

背景技术：

滑动导向是石油定向钻井中常用的一种钻进方法，在常规滑动导向钻进过程中，由于钻柱不旋转，容易产生较大的摩阻，导致钻压难以传递下去，进而影响钻进速度，且通过旋转顶驱调整工具面的响应速度也比较慢，甚至可能发生漂移使井眼轨迹偏离设计轨迹。另外，由于工具面角的响应受到地层岩性、钻压大小和钻进速度等多方面因素影响，给工具面角的动态控制带来很大干扰和不确定性，难以事先选定一组合适的控制参数以满足各种复杂的井下工况。尤其对于水平井和深井而言，以上问题更加凸显，难以保证稳定的钻压和钻进速度，对工具面角的精确控制也有较大困难。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够满足各种复杂的井下工况且精确控制工具面角的具有自适应性的滑动导向钻井控制系统及控制方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种具有自适应性的滑动导向钻井控制系统，其特征在于，该滑动导向钻井控制系统包括MWD系统、顶驱控制器和地面工控机；所述MWD系统用于实时测量所述滑动导向钻井中钻具系统的工具面角并发送至所述地面工控机；所述顶驱控制器用于控制所述滑动导向钻井中顶驱的旋转，并将相应顶驱转角实时反馈至所述地面工控机；所述地面工控机用于根据井眼轨迹规划的工具面角、实时测量的工具面角和实时反馈的顶驱转角实时计算期望的工具面角和期望的顶驱转角并发送至所述顶驱控制器，所述顶驱控制器根据期望的工具面角或期望的顶驱转角控制所述滑动导向钻井中顶驱的旋转，进而实现所述滑动导向钻井中钻具系统的工具面角自适应控制。

进一步地，所述地面工控机内设置有工具面角解算模块、模型参数辨识模块、控制参数计算模块、振荡控制模块、微分正反馈控制模块、指令通信模块和人机交互界面；所述工具面角解算模块用于根据井眼轨迹规划的工具面角和所述MWD系统实时测量的工具面角解算出期望的工具面角并发送至所述顶驱控制器和控制参数计算模块；所述模型参数辨识模块用于根据所述MWD系统实时测量的工具面角和所述顶驱控制器实时反馈的顶驱转角，实时计算所述滑动导向钻井简化模型的模型参数并对模型参数进行辨识更新后发送至所述控制参数计算模块；所述控制参数计算模块用于根据期望的工具面角和辨识更新后的模型参数实时计算所述控制参数并发送至所述振荡控制模块、微分正反馈控制模块和人机交互界面；所述振荡控制模块用于根据接收的控制参数实时计算顶驱转角并发送至所述指令通信模块；所述微分正反馈控制模块用于根据实时测量的工具面角和接收的控制参数实时计算顶驱转角并发送至所述指令通信模块；所述指令通信模块用于将接收的两顶驱转角进行叠加得到期望的顶驱转角并发送至所述顶驱控制器；所述人机交互界面用于显示当前的钻井状态以及人工修改所述控制参数。

一种具有自适应性的滑动导向钻井控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1)：根据井眼轨迹规划的工具面角和实时测量的工具面角解算出期望的工具面角，通过顶驱控制器控制滑动导向钻井中的顶驱根据期望的工具面角旋转，并实时反馈相应顶驱转角；步骤2)：根据实时测量的工具面角和实时反馈的顶驱转角，实时计算滑动导向钻井简化模型的模型参数并对模型参数进行辨识更新；步骤3)：根据期望的工具面角和辨识更新后的模型参数实时计算控制参数；步骤4)：根据控制参数计算期望的顶驱转角，并通过顶驱控制器控制滑动导向钻井中的顶驱根据期望的顶驱转角旋转；步骤5)：重复进行步骤1)～4)直至实时测量的工具面角逐渐趋于稳定并达到期望的工具面角，完成对滑动导向钻井中钻具系统工具面角的自适应控制。

进一步地，所述步骤2)中实时计算滑动导向钻井简化模型的模型参数并对模型参数进行辨识更新采用限定记忆递推最小二乘法，具体过程为：基于滑动导向钻井中顶驱、钻柱和钻具系统的单自由度“弹簧-阻尼”简化模型对模型参数进行辨识，需要辨识的模型参数的传递函数G(s)：

转化为采样间隔为ΔT的离散系统差分方程：

y(k)＝c1u(k)+c2y(k-1)+c3y(k-2)

其中，y(k)表示实时测量的工具面角；k为差分的步数，且k＝3，4，5…；u(k)表示实时反馈的顶驱转角；a表示归一化的转动惯量，且a＝m/k；b表示归一化的摩阻扭矩，且b＝c/k，a和b均为模型参数；s表示拉氏算子；c1、c2、c3表示待辨识的摩擦阻尼系数，且：

将上述离散系统差分方程转换为矩阵形式：

上述矩阵的最佳估计值

采样间隔ΔT为已知量，c1、c2和c3为的辨识结果，因此求出模型参数a和b：

采用如下的递推方式对工具面角数据进行辨识更新：

其中，K和P表示递推过程的中间矩阵；表示观测向量即反馈的当前顶驱转角和前两次测量的工具面角；N表示工具面角数据的固定长度，且N≥3。

进一步地，所述步骤3)中根据期望的工具面角和辨识更新后的模型参数实时计算控制参数，具体过程为：根据期望的工具面角和辨识更新后的模型参数，计算顶驱振荡的幅值和频率，顶驱振荡的幅值和频率只需满足以下关系式：

其中，A表示幅值；ω表示频率；δ表示滑动导向钻井中钻具系统的工具面角允许的角度波动范围；根据辨识更新后的模型参数计算工具面角的微分增益系数kd：

进一步地，所述步骤4)中根据控制参数计算期望的顶驱转角，并通过顶驱控制器控制滑动导向钻井中的顶驱根据期望的顶驱转角旋转，具体过程为：①根据求解出的满足上述关系式的幅值和频率计算出顶驱转角，并将该顶驱转角记为第一顶驱转角；②根据实时测量的工具面角和得到的微分增益系数计算出顶驱转角，并将该顶驱转角记为第二顶驱转角：采用微分正反馈控制律实现工具面角的动态控制，微分正反馈控制回路的闭环传递函数K(s)：

其中，kd为微分增益系数；理想情况下微分正反馈控制回路应处于临界阻尼状态，此时的控制方程H(s)：

将拉氏算子s用差分进行替换：

s＝[y(k)-y(k-1)]/ΔT

因此，第二顶驱转角H(k)：

③将第一顶驱转角和第二顶驱转角进行叠加得到期望的顶驱转角；④通过顶驱控制器控制滑动导向钻井中的顶驱根据期望的顶驱转角旋转。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明采用顶驱振荡控制和微分正反馈控制两种控制对滑动导向钻井中钻具系统的工具面角进行控制，能够保证稳定的钻压和钻进速度，提升工作效率和工具面角的控制精度。2、本发明采用自适应方法对滑动导向钻井简化模型的模型参数进行在线辨识，并根据模型参数实时计算控制参数，使滑动导向钻井中钻具系统保持在临界阻尼状态，既不产生超调又能尽量提高响应速度，能够满足各种复杂的井下工况，实现理想的工具面角精确控制效果。3、在控制系统中，快速性与稳定性是一对互相矛盾的性能指标，本发明采用的微分正反馈控制律根据滑动导向钻井稳定性有余、快速性不足的特点，充分利用正反馈比负反馈控制响应速度快的优点，以冗余的稳定性换取快速性，能在滑动导向钻井保持稳定的前提下提高工具面的动态响应速度，从而提升工作效率。4、本发明相比传统的滑动导向钻井控制系统，只需要增加一地面工控机，用能够实现自动控制的地面工控机替代传统钻井工程师的操作经验，对原有滑动导向钻井控制系统的改动小，方便各设备的连接集成，工作效率更高，可以广泛应用于滑动导向钻井领域中。

附图说明

图1是本发明滑动导向钻井控制系统的结构示意图；

图2是本发明地面工控机的结构示意图；

图3是本发明滑动导向钻井的简化模型示意图。

具体实施方式

以下结合附图来对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。

如图1所示，本发明提供的具有自适应性的滑动导向钻井控制系统，包括MWD(随钻测量)系统1、顶驱控制器2和地面工控机3。

MWD系统1用于实时测量滑动导向钻井中钻具系统的工具面角并发送至地面工控机3。顶驱控制器2用于控制滑动导向钻井中顶驱的旋转，并将相应顶驱转角反馈至地面工控机3。地面工控机3用于根据井眼轨迹规划的工具面角、实时测量的工具面角和实时反馈的顶驱转角实时计算期望的工具面角和期望的顶驱转角并发送至顶驱控制器2，顶驱控制器2根据期望的工具面角或期望的顶驱转角控制滑动导向钻井中顶驱的旋转，进而实现滑动导向钻井中钻具系统的工具面角自适应控制。

如图2所示，地面工控机3内设置有工具面角解算模块31、模型参数辨识模块32、控制参数计算模块33、振荡控制模块34、微分正反馈控制模块35、指令通信模块36和人机交互界面。

工具面角解算模块31用于根据井眼轨迹规划的工具面角和MWD系统1实时测量的工具面角解算出期望的工具面角并发送至顶驱控制器2和控制参数计算模块33，顶驱控制器2根据期望的工具面角控制顶驱旋转。

模型参数辨识模块32用于根据MWD系统1实时测量的工具面角和顶驱控制器2实时反馈的顶驱转角，实时计算滑动导向钻井简化模型的模型参数并对模型参数进行辨识更新后发送至控制参数计算模块33。

控制参数计算模块33用于根据期望的工具面角和辨识更新后的模型参数实时计算控制参数并发送至振荡控制模块34、微分正反馈控制模块35和人机交互界面，其中，控制参数包括幅值、频率和微分增益系数等。

振荡控制模块34用于根据接收的控制参数实时计算顶驱转角并发送至指令通信模块36。

微分正反馈控制模块34用于根据实时测量的工具面角和接收的控制参数实时计算顶驱转角并发送至指令通信模块36。

指令通信模块36用于将接收的两顶驱转角进行叠加得到期望的顶驱转角并发送至顶驱控制器2，顶驱控制器2根据期望的顶驱转角控制顶驱旋转。

人机交互界面用于显示当前的钻井状态以及人工修改控制参数，其中，钻井状态包括顶驱转角、MWD系统1的测量数据、大钩高度、大钩载荷和控制参数。

如图3所示，基于滑动导向钻井中顶驱、钻柱和钻具系统的单自由度“弹簧-阻尼”简化模型的传递函数G(s)为：

其中，x1表示顶驱的顶驱转角；x2表示钻具系统的工具面角；m表示钻柱的转动惯量；c表示钻柱与井壁的摩擦阻尼系数；k表示钻柱的扭转刚度；a表示归一化的转动惯量，且a＝m/k；b表示归一化的摩阻扭矩，且b＝c/k，a和b均为模型参数；s表示拉氏算子。实际的滑动导向钻井通常为过阻尼系统，影响工具面角响应速度的最主要因素是摩阻扭矩b的大小。

基于上述单自由度“弹簧-阻尼”简化模型，本发明具有自适应性的滑动导向钻井控制方法，具体包括以下步骤：

1)根据井眼轨迹规划的工具面角和实时测量的工具面角解算出期望的工具面角，通过顶驱控制器2控制滑动导向钻井中的顶驱根据期望的工具面角旋转，并实时反馈相应顶驱转角。

2)根据实时测量的工具面角和实时反馈的顶驱转角，实时计算滑动导向钻井简化模型的模型参数并对模型参数进行辨识更新，具体过程如下：

采用限定记忆递推最小二乘法对模型参数进行辨识，需要辨识的模型参数的传递函数G(s)：

将公式(2)转化为采样间隔为ΔT的离散系统差分方程：

y(k)＝c1u(k)+c2y(k-1)+c3y(k-2) (3)

其中，y(k)表示实时测量的工具面角，k为差分的步数，且k＝3，4，5…；u(k)表示实时反馈的顶驱转角；c1、c2、c3表示待辨识的摩擦阻尼系数，且：

将公式(3)转换为矩阵形式：

根据限定记忆递推最小二乘法，上述矩阵(7)的最佳估计值

由于采样间隔ΔT为已知量，c1、c2和c3为的辨识结果，根据公式(4)～(6)可以求出模型参数a和b：

由此可得到模型参数a和b的初始估计值，之后随着测量的工具面角数据逐渐增多，为避免数据饱和，应在辨识过程中不断去掉历史数据，保持需要辨识的工具面角数据为固定长度N(N≥3)，同时为避免对上述模型参数矩阵求逆出现奇异问题，采用如下的递推方式对工具面角数据进行辨识更新：

其中，K和P表示递推过程的中间矩阵；表示观测向量即反馈的当前顶驱转角和前两次测量的工具面角。

3)根据期望的工具面角和辨识更新后的模型参数实时计算控制参数，其中，控制参数包括幅值、频率和微分增益系数，具体过程如下：

①根据期望的工具面角和辨识更新后的模型参数，计算顶驱振荡的幅值和频率：

通过顶驱控制器2控制顶驱以一定幅值和频率旋转，即通过钻具系统的环向运动来减小轴向摩擦，产生类似旋转导向钻井的效果，使钻压更容易传递下去，从而解决滑动导向钻井易托压的问题。然而，顶驱的振荡扭矩会在向下传递的过程中被摩阻扭矩渐渐吸收，因此只要将顶驱振荡的幅值和频率控制在一定范围内，钻具系统的工具面角就可以避免受到影响。由于实际滑动导向钻井中钻具系统的工具面角允许在一定角度范围内波动，假设该角度波动范围为±δ，且该角度波动范围根据期望的工具面角进行设定，则顶驱振荡的幅值和频率只需满足以下关系式：

其中，A表示幅值；ω表示频率。

因此实际钻井过程中可以先确定幅值和频率的其中一个控制参数，然后再调整另一个控制参数使幅值和频率满足公式(13)的条件。

②根据辨识更新后的模型参数，计算工具面角的微分增益系数kd：

4)根据控制参数计算期望的顶驱转角，并通过顶驱控制器2控制顶驱根据期望的顶驱转角旋转，具体过程如下：

①顶驱转角为正弦函数，因此根据求解出满足公式(13)的幅值和频率即能够计算出顶驱转角，并将该顶驱转角记为第一顶驱转角。

②根据实时测量的工具面角和得到的微分增益系数计算出顶驱转角，并将该顶驱转角记为第二顶驱转角：

本发明采用微分正反馈控制律实现工具面角的动态控制，微分正反馈控制回路的闭环传递函数K(s)：

通过提高微分增益系数kd的大小能够降低微分正反馈控制回路的阻尼系数。由于顶驱存在反转限制，微分增益系数kd的值不能过大以避免出现超调，理想情况下微分正反馈控制回路应处于临界阻尼状态，即在不产生超调的前提下响应速度达到最快。此时的控制方程H(s)：

拉氏算子s可用差分进行替换，即：

s＝[y(k)-y(k-1)]/ΔT (17)

因此，第二顶驱转角H(k)：

③将第一顶驱转角和第二顶驱转角进行叠加得到期望的顶驱转角。

④通过顶驱控制器2控制滑动导向钻井中的顶驱根据期望的顶驱转角旋转。

5)重复进行步骤1)～4)直至实时测量的工具面角逐渐趋于稳定并达到期望的工具面角，完成对滑动导向钻井中钻具系统工具面角的自适应控制。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。