CN110714722B - 旋转导向钻井***及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开了一种旋转导向钻井***及其控制方法，属于石油以及岩矿钻井工程领域技术领域，其中旋转导向钻井***的技术方案要点包括工控机、旋转装置、底部定向钻具、井下定向井仪器和钻柱；井下定向井仪器设置于底部定向钻具上，用于进行随钻测量；钻柱上端连接旋转装置，钻柱下端连接底部定向钻具；井下定向井仪器采集的数据通过钻井液传输到地面并输入工控机；工控机设置于地面，用于控制旋转装置。能够降低安装及使用成本，便于进行维修，同时还可减小托压，提高钻井效率。

Description

旋转导向钻井***及其控制方法
技术领域
本发明实施例涉及石油以及岩矿钻井工程领域技术领域，具体涉及一种旋转导向钻井***及其控制方法。
背景技术
旋转导向钻井***是一项尖端自动化钻井新技术。在技术层面而言，其主流的设计方法有静态指向式、动态指向式、静态推靠式三种。这项技术已经成为复杂超深定向井和大位移水平井使用的必备技术。
现有的旋转导向井***的闭环控制***设置在井下，控制***的井下仪器会受到井眼尺寸、环境温度、仪器供电、信号传输、控制手段等条件的限制，并且，当井下仪器出现故障时还需要将井下设备全部提出至地面才能够进行维修，维修过程繁琐，时间成本及人力成本较高。
发明内容
为此，本发明实施例提供一种旋转导向钻井***及其控制方法，以解决现有技术中由于闭环控制***设置在井下而导致的使用、维修不方便的问题。
为了实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：
一种旋转导向钻井***，包括工控机、旋转装置、底部定向钻具、井下定向井仪器和钻柱；
所述工控机设置于地面并与所述旋转装置信号连接，工控机用于控制所述旋转装置运转；
所述钻柱上端连接所述旋转装置，钻柱下端连接所述底部定向钻具；
所述旋转装置驱动所述钻柱及底部定向钻具运转；
所述井下定向井仪器设置于所述底部定向钻具上，井下定向井仪器用于进行随钻测量；
所述井下定向井仪器采集的数据通过泥浆压力脉冲信号或电磁波信号传输到地面并输入工控机；
所述工控机根据所述井下定向井仪器传递的数据向所述旋转装置发送控制指令。
进一步地，所述旋转装置驱动所述底部定向钻具的工具面在一周内做非对称变速转动。
进一步地，所述井下定向井仪器测量的数据包括底部定向钻具的工具面、井深、井斜、方位以及地质参数。
进一步地，所述旋转装置包括驱动程序、电动机和旋转机械；所述驱动程序接收所述工控机的指令，实现对电动机的控制；所述电动机带动旋转机械驱动钻柱转动。
进一步地，所述工控机包括旋转角度传感***、工具面解码***、动态工具面控制***和角度信号处理***；旋转角度传感***与所述角度信号处理***信号连接；所述角度信号处理***与所述动态工具面控制***信号连接；所述井下定向井仪器与所述工具面解码***信号连接，所述工具面解码***与动态工具面控制***信号连接；所述动态工具面控制***与所述驱动程序信号连接。
进一步地，电动机为直流电机、交流电机、变频电机、步进电机或伺服电机中任意一种。
进一步地，所述旋转机械为转盘或顶驱。
进一步地，所述底部定向钻具包括弯壳体动力钻具和钻头，所述井下定向井仪器设置于所述弯壳体动力钻具与钻柱之间，所述钻头设置于所述弯壳体动力钻具背离井下定向井仪器一端。
进一步地，所述钻头为牙轮或PDC；弯壳体动力钻具的弯度0°-3°；所述动力钻具的外径为50mm-500mm；动力钻具的头数与级数为1到10之间的任意自然数。
本发明实施例还公开了一种旋转导向钻井***的控制方法，包括以下步骤：
步骤a、在工控机内输入井斜、方位目标参数；
步骤b、进行井下钻进并通过井下定向井仪器测量井深、井斜、方位和工具面信息的井下参数；
步骤c、井下定向井仪器测量的井下参数通过泥浆压力脉冲信号或电磁波信号传输到地面并输入工控机；
步骤d、工控机对井下定向井仪器采集的井下参数与井斜、方位目标参数进行对比运算，判断是否进行调整；当判定为是时，根据井斜方位需要向旋转装置发出调整指令，跳转至步骤e；当判定为否时则执行步骤b；
步骤e、旋转装置接收到工控机的指令，并通过钻柱驱动底部定向钻具的工具面在一周的转动范围内作非对称变速转动，返回步骤b。
本发明实施例具有如下优点：
井下定向井仪器随钻测量的数据通过钻井液输送至地面并输入工控机，工控机通过旋转装置控制底部定向钻具的运转，工控机设置在地面，调整、维修较为方便，且可避免井眼尺寸、环境温度、仪器供电、信号传输、控制手段等条件的限制，降低安装及使用成本。
旋转装置驱动所述底部定向钻具的工具面在一周内做非对称变速转动，工具面在一周的转动范围内作非对称变速转动，使设计定向方向上切削量大，设计定向的反方向上切削量小，达到导向钻井的目的，井下钻具始终处于旋转状态，使钻具纵向和切向的摩擦力由静摩擦变为动摩擦，使摩擦界面的润滑性得到根本改善，最终减少定向托压，方便定向，提高钻速，钻井***的井下部分没有非旋转套筒或者近钻头导引鞋，不仅避免了大直径钻具带来的卡钻隐患，更重要的是减少了导引鞋对于井壁的破坏。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引申获得其它的实施附图。
本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。
图1为本发明实施例一提供的一种旋转导向钻井***整体结构示意图；
图2为本发明实施例一提供的一种旋转导向钻井***电路连接结结构示意图；
图3为本发明实施例二的控制流程图；
图中：1、工控机；11、旋转角度传感***；12、工具面解码***；13、动态工具面控制***；14、角度信号处理***；2、旋转装置；21、驱动程序；3、底部定向钻具；31、弯壳体动力钻具；32、钻头；4、井下定向井仪器；5、钻柱。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
一种旋转导向钻井***，结合图1和图2，包括工控机1、旋转装置2、底部定向钻具3、井下定向井仪器4和钻柱5。
旋转装置2包括驱动程序21、电动机和旋转机械；驱动程序21接收工控机1的指令，实现对电动机的控制，旋转机械与钻柱5传动连接，电动机带动旋转机械驱动钻柱5转动，电动机为直流电机、交流电机、变频电机、步进电机或伺服电机中任意一种，旋转机械为转盘或顶驱，旋转装置2的具体结构为现有技术，此处不做过多赘述。
钻柱5上端与旋转装置2连接，下端与底部定向钻具3连接，钻柱5是连接地面与井下的枢纽，钻井过程中，旋转装置2通过钻柱5将动力传递至底部定向钻具3，钻井液的输送也通过钻柱5实现。
底部定向钻具3包括弯壳体动力钻具31和钻头32，也可通过直壳体动力钻具和弯钻头32替代。其中，钻头32为牙轮、PDC或其他钻头种类中的任意一种；弯壳体动力钻具31的弯度0°-3°；动力钻具的外径为50mm-500mm；动力钻具的头数与级数为1到10之间的任意自然数。
井下定向井仪器4设置于弯壳体动力钻具31与钻柱5之间，钻头32设置于弯壳体动力钻具31背离井下定向井仪器4一端。井下定向井仪器4为MWD、LWD、FEWD、陀螺测量仪、电磁波测量仪等随钻测量设备中一种或任意组合。。
井下定向井仪器4测量的数据包括底部定向钻具3的工具面、井深、井斜和方位等信息，以便于为导向提供数据支持。
工控机1包括旋转角度传感***11、工具面解码***12、动态工具面控制***13和角度信号处理***14；其中旋转角度传感***11设置在旋转装置2上，用于检测旋转机械的旋转角度，旋转角度传感***11与角度信号处理***14信号连接，角度信号处理***14与动态工具面控制***13信号连接；井下定向井仪器4与工具面解码***12信号连接，工具面解码***12与动态工具面控制***13信号连接；动态工具面控制***13与驱动程序21信号连接。
动态工具面控制***13分析对比旋转角度传感***11和井下定向井仪器4采集的数据信息，并生成控制指令，将控制指令传递给驱动程序21，从而对旋转装置2进行控制。
与现有技术不同的是工控机1设置在地面，井下定向井仪器4采集的数据通过泥浆压力脉冲信号或电磁波信号传输到地面并输入工控机1，此种设置方法可避免井眼尺寸、环境温度、仪器供电、信号传输、控制手段等条件的限制，降低安装及使用成本，同时也便于对工控机1进行维修，而通过钻井液传输脉冲信息又可避免在钻柱5内布线。
在工控机1控制下使旋转装置2驱动底部定向钻具3的工具面在一周内做非对称变速转动，从而实现旋转导向功能，工具面在一周的转动范围内作非对称变速转动，使设计定向方向上切削量大，设计定向的反方向上切削量小，达到导向钻井的目的，井下钻具始终处于旋转状态，使钻具纵向和切向的摩擦力由静摩擦变为动摩擦，使摩擦界面的润滑性得到根本改善最终减少定向托压，方便定向，提高钻速，钻井***的井下部分没有非旋转套筒或者近钻头导引鞋，不仅避免了大直径钻具带来的卡钻隐患，更重要的是减少了导引鞋对于井壁的破坏。
使用过程中，先向工控机1内输入井斜目标参数，工控机1根据井斜目标参数作出是否进行调整的判断，当井斜目标参数为0°时，底部定向钻具3只需要竖直向下钻具，此时可起到垂直钻井功能，当井斜目标参数不为0°时，工控机1将井下定向井仪器4测量的工具面信息、实际井斜参数与井斜目标参数对比，生成驱动指令，驱动旋转装置2运转，旋转装置2的运转通过钻柱5对底部定向钻具3做出实时调整，实现自动控制功能。
在实时调整底部定向钻具3的过程中，也可通过向工控机1内手动输入调整指令进行手动调整，使用更方便，也便于在应对突发等问题时能够及时进行调整。井下定向井仪器4采集的信息通过钻柱5内的钻井液传递至工控机1，工控机1发出的指令通过钻柱5作用在底部定向钻具3上，由此可形成闭环控制***，能够对钻进情况实现实时调整。
实施例二
一种实施例一中旋转导向钻井***的控制方法，如图3所示，包括以下步骤：
步骤a、在工控机1内输入井斜、方位目标参数；
步骤b、进行井下钻进并通过井下定向井仪器4测量井深、井斜、方位和工具面信息等井下参数；
步骤c、井下定向井仪器4测量的井下参数通过泥浆压力脉冲信号或电磁波信号传输到地面并输入工控机1；
步骤d、工控机1对于井下定向井仪器4采集的井下参数与井斜、方位目标参数数据进行对比运算，工控机1的具体运算方式为：
井眼高边为初始相位θ1，使工具面作变角速度转动至相位θ2，转速与相位的关系为：ω＝f(θ)；
定义工具面所在相位θ与θ1的差值(θ1－θ)为瞬时装置角角度。因为工具面瞬时转动速度越慢，这时的装置角定向效果越好。因此把瞬时装置角度数与工具面瞬时转速(数值)的乘积的反方向定义为矢量瞬时装置角；
表示为：矢量瞬时装置角(θ－θ1)f(θ)
求出工具面自θ1转至θ2的装置角矢量和；
可以求得瞬时矢量装置角分别在高边方向的投影，再关于θ在θ1至θ2的积分A，与其在高边垂直方向上的投影积分B；
装置角即为arctg(B/A)；
工控机1进行对比运算以后判断是否进行调整；当判定为是时，根据井斜方位需要向旋转装置2发出调整指令，跳转至步骤e；当判定为否时则执行步骤b；
步骤e、旋转装置2通过钻柱5驱动底部定向钻具3的工具面在一周的转动范围内作非对称变速转动，工控机1根据设定的井斜、方位智能调节钻柱在每个象限内的转速的变化；
需要增斜时，工具面与当下方位一致时钻柱转速最慢，与当下方位相反时钻柱转速最快；
需要降斜时，工具面与当下方位一致时钻柱转速最快，与当下方位相反时钻柱转速最慢；
需要调整方位时，工具面与设定方位一致时钻柱转速最慢，与设定方位相反时钻柱转速最快：
操作完成后返回步骤b。
以上的控制方法通过井下定向井仪器4进行井下数据测量，工控机1根据井斜目标参数及井下定向井仪器4测量的井下数据对旋转装置2进行不断的调整，实现闭环控制。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (6)

1.一种旋转导向钻井***，其特征在于，包括工控机(1)、旋转装置(2)、底部定向钻具(3)、井下定向井仪器(4)和钻柱(5)；
所述工控机(1)设置于地面并与所述旋转装置(2)信号连接，工控机(1)用于控制所述旋转装置(2)运转；
所述钻柱(5)上端连接所述旋转装置(2)，钻柱(5)下端连接所述底部定向钻具(3)；
所述旋转装置(2)驱动所述钻柱(5)及底部定向钻具(3)运转；
所述井下定向井仪器(4)设置于所述底部定向钻具(3)上，井下定向井仪器(4)用于进行随钻测量；
所述井下定向井仪器(4)采集的数据通过泥浆压力脉冲信号或电磁波信号传输到地面并输入工控机(1)；
所述工控机(1)根据所述井下定向井仪器(4)传递的数据向所述旋转装置(2)发送控制指令；所述旋转装置(2)驱动所述底部定向钻具(3)的工具面在一周内做非对称变速转动，所述旋转装置(2)包括驱动程序(21)、电动机和旋转机械；所述驱动程序(21)接收所述工控机(1)的指令，实现对电动机的控制；所述电动机带动旋转机械驱动钻柱(5)转动；所述工控机(1)包括旋转角度传感***(11)、工具面解码***(12)、动态工具面控制***(13)和角度信号处理***(14)；旋转角度传感***(11)与所述角度信号处理***(14)信号连接；所述角度信号处理***(14)与所述动态工具面控制***(13)信号连接；所述井下定向井仪器(4)与所述工具面解码***(12)信号连接，所述工具面解码***(12)与动态工具面控制***(13)信号连接；所述动态工具面控制***(13)与所述驱动程序(21)信号连接；所述电动机为直流电机、交流电机、变频电机、步进电机或伺服电机中任意一种。
2.根据权利要求1所述的旋转导向钻井***，其特征在于，所述井下定向井仪器(4)测量的数据包括底部定向钻具(3)的工具面、井深、井斜、方位以及地质参数。
3.根据权利要求1所述的旋转导向钻井***，其特征在于，所述旋转机械为转盘或顶驱。
4.根据权利要求1所述的旋转导向钻井***，其特征在于，所述底部定向钻具(3)包括弯壳体动力钻具(31)和钻头(32)，所述井下定向井仪器(4)设置于所述弯壳体动力钻具(31)与钻柱(5)之间，所述钻头(32)设置于所述弯壳体动力钻具(31)背离井下定向井仪器(4)一端。
5.根据权利要求4所述的旋转导向钻井***，其特征在于，所述钻头(32)为牙轮或PDC；弯壳体动力钻具(31)的弯度0°-3°；所述动力钻具的外径为50mm-500mm；动力钻具的头数与级数为1到10之间的任意自然数。
6.一种如权利要求1-5任一项所述的旋转导向钻井***的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤a、在工控机(1)内输入井斜、方位目标参数；
步骤b、进行井下钻进并通过井下定向井仪器(4)测量井深、井斜、方位和工具面信息的井下参数；
步骤c、井下定向井仪器(4)测量的井下参数通过泥浆压力脉冲信号或电磁波信号传输到地面并输入工控机(1)；
步骤d、工控机(1)对井下定向井仪器(4)采集的井下参数与井斜、方位目标参数进行对比运算，判断是否进行调整；当判定为是时，根据井斜方位需要向旋转装置(2)发出调整指令，跳转至步骤e；当判定为否时则执行步骤b；
步骤e、旋转装置(2)接收到工控机(1)的指令，并通过钻柱(5)驱动底部定向钻具(3)的工具面在一周的转动范围内作非对称变速转动，返回步骤b。
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