[发明专利]一种井下定向动力钻具工具面动态控制系统及其控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及在油气田钻井期间对工具面进行控制的控制系统及其控制方法，特别是关于一种井下定向动力钻具工具面动态控制系统及其控制方法。

背景技术

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，本发明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及其控制方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：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。

上述一种井下定向动力钻具工具面动态控制系统的控制方法，其包括以下步骤：1)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，工具面解码系统根据接收到的井下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)动态工具面控制系统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中的伺服系统；3)顶驱/转盘伺服和制动系统中的伺服系统调整顶驱/转盘的角度，此时，顶驱/转盘角度传感系统将顶驱/转盘的角度值反馈给顶驱/转盘角度信号处理系统，顶驱/转盘角度信号处理系统将反馈信号进行信号处理，传给动态工具面控制系统；4)动态工具面控制系统判断顶驱/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中的制动系统；5)顶驱/转盘伺服和制动系统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1)，工具面解码系统持续接收井下MWD信号，实时跟踪井下工具面情况，对井下工具面进行动态调整控制。