一種自適應井下鉆具工具面的動態(tài)控制系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種油氣田井下鉆具的控制系統(tǒng)及方法，特別是關(guān)于一種基于多體動力學模型的自適應井下鉆具工具面的動態(tài)控制系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]使用彎角式的造斜鉆具進行滑動鉆進，是石油定向鉆井中常用的一種鉆進方法。由于地層巖性變化、泥漿栗栗速變化、鉆頭和動力鉆具磨損等原因，井下鉆具的工具面容易發(fā)生漂移，從而導致井眼軌跡偏離設計軌跡。當?shù)孛婀こ處煱l(fā)現(xiàn)鉆具的工具面發(fā)生漂移時，常規(guī)處理方法是立即停鉆并上提鉆具，將鉆具的工具面調(diào)整到所需位置后重新下鉆繼續(xù)鉆進。顯然，這種方法會影響鉆井進度，降低工作效率，并增加鉆井成本。此外，在常規(guī)滑動導向鉆進過程中，由于滑動導向鉆井系統(tǒng)的鉆柱不旋轉(zhuǎn)，因此容易產(chǎn)生較大的摩阻扭矩。對于地層情況較為明晰的井眼，可以根據(jù)井深和鉆具的組合特性通過旋轉(zhuǎn)頂驅(qū)來克服摩阻扭矩；但對于大長細比柔性鉆柱系統(tǒng)，則難以對鉆具工具面和井眼軌跡實現(xiàn)有效控制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種基于多體動力學模型的自適應井下鉆具工具面的動態(tài)控制系統(tǒng)及方法，以提高定向鉆井作業(yè)的效率和精度。
[0004]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案:一種自適應井下鉆具工具面的動態(tài)控制系統(tǒng)，其特征在于:它包括數(shù)據(jù)采集模塊、用戶輸入模塊、多體動力學建模模塊、自適應模型修正模塊、工具面估計模塊、控制規(guī)律生成模塊、控制信息輸出模塊、執(zhí)行模塊、危險狀態(tài)判斷模塊和測量信息輸出模塊；其中，所述數(shù)據(jù)采集模塊將采集到的鉆井系統(tǒng)工作狀態(tài)測量信息分別傳輸至所述多體動力學建模模塊、自適應模型修正模塊、控制規(guī)律生成模塊、危險狀態(tài)判斷模塊和測量信息輸出模塊；所述用戶輸入模塊將用戶輸入的控制策略和鉆井模型信息分別傳輸至所述多體動力學建模模塊、工具面估計模塊、控制規(guī)律生成模塊和危險狀態(tài)判斷模塊；所述多體動力學建模模塊根據(jù)接收到的鉆井系統(tǒng)工作狀態(tài)測量信息、鉆井模型信息和控制策略對鉆井系統(tǒng)進行多體動力學建模，并將鉆井系統(tǒng)的多體動力學模型輸入所述自適應模型修正模塊；所述自適應模型修正模塊根據(jù)接收的鉆井系統(tǒng)工作狀態(tài)測量信息、鉆井系統(tǒng)的多體動力學模型以及所述工具面估計模塊反饋的工具面模擬值對鉆井系統(tǒng)的多體動力學模型進行修正，并將修正后的鉆井系統(tǒng)的多體動力學模型發(fā)送給所述工具面估計模塊；所述工具面估計模塊對接收到的修正后的鉆井系統(tǒng)的多體動力學模型進行多體動力學仿真，以得到工具面模擬值；所述工具面估計模塊將工具面模擬值反饋給所述自適應模型修正模塊，并將工具面模擬值傳輸至所述控制規(guī)律生成模塊；所述控制規(guī)律生成模塊根據(jù)接收到的控制策略判斷接收到的工具面模擬值是否超出設定的閾值控制策略中預先設定的鉆具工具面閾值:如果是，則所述控制規(guī)律生成模塊生成新的執(zhí)行模塊控制規(guī)律，并將其發(fā)送給所述控制信息輸出模塊；如果否，則保持上一控制周期的執(zhí)行模塊控制規(guī)律不變，將其發(fā)送給所述控制信息輸出模塊；所述控制信息輸出模塊將接收到的執(zhí)行模塊控制規(guī)律發(fā)送給所述執(zhí)行模塊；所述危險狀態(tài)判斷模塊根據(jù)接收到的控制策略和鉆井系統(tǒng)工作狀態(tài)測量信息，判斷當前鉆進是否處于危險狀態(tài):如果當前鉆進處于危險狀態(tài)，則將接收到的控制策略中的緊急控制策略發(fā)送給所述控制規(guī)律生成模塊，并向所述測量信息輸出模塊發(fā)送危險警報；如果當前鉆進處于安全狀態(tài)，則將控制策略中的執(zhí)行模塊控制規(guī)律發(fā)送給所述控制規(guī)律生成模塊。
[0005]在一個優(yōu)選的實施例中，它還包括一系統(tǒng)輸出模塊，所述測量信息輸出模塊將接收到的鉆井系統(tǒng)工作狀態(tài)測量信息和危險警報傳輸至所述系統(tǒng)輸出模塊；所述系統(tǒng)輸出模塊記錄接收到的危險警報、鉆井系統(tǒng)工作狀態(tài)測量信息和執(zhí)行模塊控制規(guī)律，并將其呈現(xiàn)給用戶；同時，所述系統(tǒng)輸出模塊還能夠?qū)⑿拚蟮你@井系統(tǒng)的多體動力學模型，以及工具面模擬值或當前工具面的測量信息也呈現(xiàn)給用戶。
[0006]在一個優(yōu)選的實施例中，所述數(shù)據(jù)采集模塊包括井上測量模塊和井下測量模塊；所述井上測量模塊測量的信息包括:泥漿栗栗速、游車/大鉤位置、頂驅(qū)/轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動的角度、頂驅(qū)/轉(zhuǎn)盤施加給鉆桿的扭矩和拉力；所述井下測量模塊測量的信息包括:井下鉆具的工具面、井斜、方位角和井眼測深。
[0007]在一個優(yōu)選的實施例中，所述用戶輸入模塊包括控制策略輸入模塊和鉆井模型信息輸入模塊；所述控制策略輸入模塊接收的用戶輸入的控制策略包括:1)執(zhí)行模塊控制規(guī)律:設計工具面控制規(guī)律、泥漿栗栗速控制規(guī)律、游車/大鉤控制規(guī)律、初始頂驅(qū)/轉(zhuǎn)盤控制規(guī)律和多體動力學模型精度控制規(guī)律；2)控制邏輯判斷準則:井下鉆具是否處于危險狀態(tài)的判斷準則、是否將多體動力學仿真得到的工具面模擬值視為工具面當前位置的判斷準則和當前實際工具面是否偏離設定位置的判斷準則；3)緊急控制策略:針對危險狀態(tài)應采取的控制措施；4)預先設定的鉆具工具面閾值；所述鉆井模型信息輸入模塊接收用戶輸入的鉆井模型信息，包括鉆具信息、泥漿信息和地層信息；鉆具信息包括新接入的單根或立根鉆柱信息和更換鉆頭信息，泥漿信息包括但不限于更換鉆井液的信息。
[0008]—種采用上述動態(tài)控制系統(tǒng)來實現(xiàn)的自適應井下鉆具工具面的動態(tài)控制方法，其包括以下步驟:
[0009]I)啟動鉆井系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)；
[0010]2)用戶通過所述用戶輸入模塊中的控制策略輸入模塊輸入控制策略，控制策略輸入模塊將控制策略分別發(fā)送給所述多體動力學建模模塊、工具面估計模塊、控制規(guī)律生成模塊和危險狀態(tài)判斷模塊；所述用戶通過用戶輸入模塊中的鉆井模型信息輸入模塊輸入鉆井系統(tǒng)模型信息；所述控制規(guī)律生成模塊經(jīng)過所述控制信息輸出模塊將控制策略中的執(zhí)行模塊控制規(guī)律發(fā)送給所述執(zhí)行模塊，所述執(zhí)行模塊按照該執(zhí)行模塊控制規(guī)律開始驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)工作，其包括:泥漿栗栗入鉆井液，游車/大鉤上、下移動，以及頂驅(qū)/轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動指定的角度；
[0011]3)所述數(shù)據(jù)采集模塊將采集到的鉆井系統(tǒng)工作狀態(tài)測量信息分別發(fā)送給所述多體動力學建模模塊、自適應模型修正模塊、控制規(guī)律生成模塊、危險狀態(tài)判斷模塊和測量信息輸出申吳塊；
[0012]4)所述危險狀態(tài)判斷模塊根據(jù)所述用戶輸入模塊中的控制策略輸入模塊發(fā)送的控制邏輯判斷準則中的井下鉆具是否處于危險狀態(tài)的判斷準則和當前實際工具面是否偏離設定位置的判斷準則，以及所述數(shù)據(jù)采集模塊發(fā)送的鉆井系統(tǒng)工作狀態(tài)測量信息，判斷當前鉆進是否處于危險狀態(tài):
[0013]如果當前鉆進處于危險狀態(tài)，則發(fā)出危險警報并執(zhí)行緊急控制策略；
[0014]如果當前鉆進未處于危險狀態(tài)，則執(zhí)行步驟5);
[0015]5)若系統(tǒng)處于第一個控制周期，則依據(jù)所述數(shù)據(jù)采集模塊采集的鉆井系統(tǒng)工作狀態(tài)測量信息和所述用戶輸入模塊輸入的鉆井模型信息，對鉆井系統(tǒng)建立多體動力學模型；若系統(tǒng)不處于第一個控制周期，則直接執(zhí)行步驟6);
[0016]6)所述自適應模型修正模塊比較所述工具面估計模塊反饋的工具面模擬值和鉆井系統(tǒng)工作狀態(tài)測量信息，對獲得的多體動力學模型的參數(shù)進行修正，并將修正后的多體動力學模型輸出給所述工具面估計模塊，所述工具面估計模塊對多體動力學模型進行多體動力學仿真，以獲得工具面模擬值；
[0017]7)所述控制規(guī)律生成模塊根據(jù)所述用戶輸入模塊中的控制策略輸入模塊發(fā)送的控制邏輯判斷準則中的是否將多體動力學仿真得到的工具面模擬值視為工具面當前位置的判斷準則，確定生成執(zhí)行模塊控制規(guī)律時使用的工具面:
[0018]如果是，則將工具面模擬值視為工具面當前位置；
[0019]如果否，則將工具面實測值作為工具面當前位置；
[0020]8)所述控制規(guī)律生成模塊根據(jù)所述用戶輸入模塊中的控制策略輸入