CN104141482A - 定向滑动钻进随钻监测控制装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种定向滑动钻进随钻监测控制装置及控制方法，装置包括数据采集传感器、可编程控制器、钻杆左右旋转控制器和监视器；传感器包括：钻杆扭矩、钻杆旋转角偏移、立管压力、大钩悬重和马达工具面角度传感器；所述可编程控制器通过对传感器采集的数据进行计算和分析，结合定向钻井经验模型和逻辑推理的方法得出控制参数，控制顶驱主轴旋转动作；控制方法包括旋转钻进、滑动钻进、工具面定向、防托压滑动钻进和滑动钻进工具面偏差修正。本发明有益效果是：解决定向滑动钻进过程中快速准确的工具面定向、修正与控制；减少井眼摩阻增大造成的定向滑动钻进钻头加不上钻压或钻进托压现象；滑动钻进机械钻速和钻井效率得到显著提高。

Description

定向滑动钻进随钻监测控制装置及控制方法

技术领域

本发明涉及一种石油钻井领域，特别是涉及一种定向滑动钻进随钻监测控制系统。 

背景技术

定向钻井有多种方法，最初采用斜向器进行井眼造斜，将一个能使钻头改变方向的工具下到预定深度，钻头通过时可以改变钻进方向，达到定向钻井的目的，该方法控制效率低，容易错失目标靶圏。 

第二种方法是采用泥浆马达实现井眼定向钻进，也就是目前主要采用的定向方法。该方法与斜向器造斜的方法相比有了很大提高，定向控制得到一定改善，但该方法主要采用人工操控钻机定向和修正马达的工具面角度，由于采用泥浆马达实施定向钻井马达以上的钻具不能旋转，钻头改变方向钻进是靠马达外壳的弯角(俗称工具面)来实现的，人工控制马达工具面角度效率很低。另外，由于马达以上钻具不能旋转，这时的定向钻进也被称作滑动钻进，在井斜和位移不断增大的过程中，井眼的轴向摩阻也随之增大，滑动钻进经常会出现钻头托压，也就是井底钻具不能持续输送井底钻压，给钻井作业带来很大困难，因此，滑动钻进的机械钻速和钻井效率还是很低。 

第三种方法是目前最为有效的旋转导向系统，旋转导向系统能在整个钻具旋转时让钻头改变方向，使用旋转导向系统既不存在调整工具面角度的问题，也不存在钻进托压的问题。旋转导向系统的优势在于钻具连续旋转、极好的定向控制、井眼质量显著改善，机械钻速和钻井效率大幅度提高。虽然旋转导向系统在定向钻井方面具有很强的优势，国外钻井业界使用该系统已有数年，但使用成本极高，多数是在海上钻井作业中使用，陆上定向钻井很 少使用这种系统。旋转导向系统目前在国内还处于研发阶段，成熟的商业化普及应用尚需等待。 

目前，影响泥浆马达定向钻井速度的主要因素就是滑动钻进，也就是人们熟知的一个井眼的曲线段钻进或水平段钻进。滑动钻进一般占去了整个钻井时间的30％左右，实践证明人工操控钻机调整和控制工具面效率很低，耗费时间很多，极大的影响的钻井速度。另一个影响定向钻井速度的因素就是钻进托压，由于定向滑动钻进时泥浆马达以上的钻具不能旋转，在井眼具有一定井斜和位移时，井底钻具组合和部分钻具在重力的作用下躺在井眼的下侧，加之泥浆泵排量的限制，井眼净化不佳，这些因素导致了井眼与钻具之间的静摩擦力变得越来越大，最终造成钻压加不到钻头上，出现钻进托压，其结果给定向钻进的机械钻速和钻井效率带来很大影响。 

发明内容

本发明所要解决的一个技术问题是提供一种能够提高井身质量和井眼轨迹控制的定向滑动钻进随钻监测控制装置。 

本发明要解决的另一个技术问题是提供一种定向滑动钻进随钻监测控制方法。 

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种定向滑动钻进随钻监测控制装置，该定向滑动钻进设有组合钻具，包括：钻杆、泥浆马达、钻头，该监测控制装置包括数据采集传感器、可编程控制器、钻杆左右旋转控制器和监视器；所述数据采集传感器包括：钻杆扭矩传感器、钻杆旋转角偏移传感器、立管压力传感器、大钩悬重传感器和马达工具面角度传感器；所述可编程控制器通过对传感器采集的数据进行计算和分析，结合定向钻井经验模型和逻辑推理的方法得出控制参数，控制顶驱主轴精确旋转动作；所述钻杆一端连接钻杆左右旋转控制器，另一端深入钻井连接所述泥浆马达， 所述泥浆马达连接钻头；所述泥浆马达设有MWD工具面和马达壳体弯角。 

所述钻杆扭矩传感器、钻杆旋转角偏移传感器、立管压力传感器、大钩悬重传感设置在地面上，所述马达工具面角度传感器设置在所述MWD工具面内。 

一种定向滑动钻进随钻监测控制装置的控制方法，步骤如下： 

S1，由旋转钻进导入，然后与滑动钻进交替进行；S2，滑动钻进同时进行工具面定向：钻具左右摇摆旋转执行滑动钻进，此时若判断钻头触底前出现托压且钻头触底时工具面正确，则转入防托压滑动钻进；S3，防托压滑动钻进：当钻头下到井底后产生托压，此时马达工具面角度不正确，需要进行重试或修正后继续滑动钻进；S4，工具面偏差修正：当判断工具面角度不正确时，先关闭滑动钻进系统，处理滑动钻进过程中工具面角度的偏差修正，修正完成后返回滑动钻进。 

S1所述旋转钻进与滑动钻进交替进行是直线导引钻进时为旋转钻进；拐弯钻进时为滑动钻进。 

所述工具面定向是调整工具面角度。 

所述工具面偏差修正为进行逆时针修正或进行顺时针修正。 

本发明的有益效果是：运用可编程控制器控制顶驱主轴转动，通过精确定位钻杆角偏移的方法，有效解决了定向滑动钻进过程中快速准确的工具面定向、修正与控制；通过精确控制顶驱主轴钻杆左右旋转的方法，有效减少了由于井眼摩阻增大造成的定向滑动钻进钻头加不上钻压或钻进托压的现象；滑动钻进机械钻速和钻井效率得到了显著提高。 

附图说明

图1是本发明定向钻井装置示意图， 

图2是本发明定向钻井控制原理示意图， 

图3是本发明定向钻井控制钻进流程示意图。 

其中： 

1、钻杆                   2、泥浆马达 

3、钻头                  21、MWD工具面 

22、马达壳体弯角          4、钻杆扭矩传感器 

5、钻杆旋转角偏移传感器   6、立管压力传感器 

7、大钩悬重传感           8、地面 

具体实施方式

本发明主要应用于石油钻井行业，适用于顶驱钻机采用泥浆马达加随钻测量MWD系统井底钻具组合的定向钻井作业。采用泥浆马达进行定向钻井，改变井眼方向要靠泥浆马达外壳的一个弯角来实现，这个弯角通常在0.5-3°之间，弯角的朝向也被称作工具面角度，通过改变工具面角度可以使钻头改变方向。钻进监测系统含有一个监视器，用于钻井参数的实时跟踪与监测，通过将5个传感器，即钻杆扭矩传感器、钻杆旋转角偏移传感器、马达工具面角度传感器、立管压力传感器和大钩悬重传感器，采集到的实时数据送入顶驱可编程控制器，通过工控编程，将静态输入数据和动态采集数据实时显示在监视器上；可编程控制器通过对传感器采集的数据进行计算和分析，结合定向钻井经验模型和逻辑推理的方法得出控制参数，控制顶驱主轴精确旋转动作，实现快速工具面定向、修正与控制；减小井眼摩阻、输送井底钻压，提高滑动钻进机械钻速和钻井效率。 

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明： 

如图1所示，本发明的定向滑动钻进随钻监测控制装置包括组合钻具和监控装置，所述组合钻具包括：钻杆1、泥浆马达2、钻头3，所述监控装置包括数据采集传感器、可编程控制器、钻杆左右旋转控制器和显示器； 所述钻杆1一端连接钻杆左右旋转控制器，另一端深入钻井连接所述泥浆马达2，所述泥浆马达2连接钻头3；所述泥浆马达2设有MWD工具面21和马达壳体弯角22；所述数据采集传感器包括：钻杆扭矩传感器4、钻杆旋转角偏移传感器5、立管压力传感器6、大钩悬重传感7和马达工具面角度传感器(图中未示)。 

所述钻杆扭矩传感器4、钻杆旋转角偏移传感器5、立管压力传感器6、大钩悬重传感7设置在地面8上，所述马达工具面角度传感器设置在所述MWD工具面21内。 

图2所示是定向滑动钻进随钻监测控制系统的基本控制原理，5个传感器将采集到的实时数据和通过人工接口手工输入的参考数据一起送入可编程控制器，共同显示在以马达工具面表盘为中心的监视器上；可编程控制器结合传感器采集的数据与人工输入的数据进行计算和分析，通过定向钻井的经验模型和逻辑推理的方法得出控制参数，控制顶驱主轴精确旋转动作，实现快速工具面定向与修正，减小井眼摩阻、输送井底钻压，提高滑动钻进机械钻速。 

滑动钻进控制系统的监视器，内容涵盖了控制系统所需的全部信息和数据，监视器是定向司钻的眼睛，360°表盘中显示了设计工具面角度、工具面角度的允许范围、实测工具面角度和当前钻杆角偏移，通过这些数据，定向司钻可以清晰地知道当前泥浆马达工具面角度的位置和偏差，通过显示器中的几组开关，系统可以自动或手动控制整个滑动钻进的作业进程，完成全部滑动井段定向钻进。 

图3是本发明定向钻井控制钻进流程示意图。一种定向滑动钻进随钻监测控制装置的控制方法，步骤如下：由旋转钻进导入，然后与滑动钻进交替进行；首先是输入参考数据和采集控制变量，然后释放钻具扭矩设定中性扭矩；S2，滑动钻进同时进行工具面定向：钻具左右摇摆旋转执行滑 动钻进，此时若判断钻头触底前出现托压且钻头触底时工具面正确，则转入防托压滑动钻进；S3，防托压滑动钻进：当钻头下到井底后产生托压，此时马达工具面角度不正确，需要进行重试或修正后继续滑动钻进；当需要防托压滑动钻进时，快速调整工具面角度的同时，判断调整工具面后下放钻具时钻头是否能下到井底或出现托压，以及钻头下到井底后马达工具面角度是否正确，进行重试或修正后继续滑动钻进。S4，工具面偏差修正：当判断工具面角度不正确时，先关闭滑动钻进系统，处理滑动钻进过程中工具面角度的偏差修正，修正完成后返回滑动钻进。判断工具面角度不正确时，先关闭滑动钻进系统，处理滑动钻进过程中工具面角度的偏差修正，修正完成后返回滑动钻进。控制流程包含了旋转钻进部分，定向井通常采用旋转钻进与滑动钻进交替进行的方式实现定向钻井，这部分控制流程是引导部分，主要描述了旋转钻进一般方法，定向钻井作业通常先执行旋转钻进，然后进入滑动钻进阶段，交替完成全井钻进作业。 

进入滑动钻进控制流程，滑动钻进S与快速工具面定向之间的控制流程首先是输入参考数据和采集控制变量，如：输入设计工具面、工具面扇区允许范围、滑动至井深、反扭矩附加角、钻具重量、施加钻压等；采集的控制变量包括：大钩悬重、钻头离底扭矩、钻头离底钻杆的角偏移、MWD实测工具面角度等；这部分流程还包括释放钻具扭矩后设定中性扭矩为钻杆角偏移的零坐标，以零坐标为参考，监测后续的钻杆缠绕方向和圈数，以此作为钻头托压时钻具左右摇摆旋转的参考依据，通过钻具的左右旋转来减小井眼摩阻，输送井底钻压。 

快速工具面定向与开始防托压滑动钻进之间的控制流程主要是快速调整工具面角度，同时，判断调整工具面后下放钻具时钻头是否能下到井底或出现托压，以及钻头下到井底后马达工具面角度是否正确。出现任何不正确的结果执行相应的流程进行重试或修正。 

开始防托压滑动钻进与关闭滑动钻进系统执行其它作业之间的控制流程主要是执行防托压滑动钻进，包括：判断是否托压、判断滑动钻进时马达工具面是否在允许的扇区范围、是否需要偏差修正等；判断钻头托压、并向系统输入钻杆摇摆旋转的转速后，系统可以自动或手动开启摇摆旋转按钮为on、主轴刹车为off；执行钻进托压程序：以Wn＝0的左旋圈数，以70％Wn的右旋圈数，以先左后右的顺序执行摇摆旋转，根据测量深度尝试数十秒或更长，司钻控制绞车，观察钻压和压差ΔP；如效果不明显，增加右旋圈数为75％Wn、80％Wn……；重置左右摇摆自动置于on，再次尝试摇摆旋转，直到压差ΔP＞0或出现触底钻压。主轴刹车自动为on，系统自动关闭摇摆旋转按钮为off。钻头接触井底后，判断工具面角度是否正确，不正确重新调整工具面，判断是否结束滑动钻进、是否继续旋转钻进等。 

滑动钻进工具面偏差修正流程主要是处理滑动钻进过程中工具面角度的偏差修正，流程设计可以进行逆时针修正，也可以进行顺时针修正，修正完成后返回滑动钻进B流程。 

实施例：定向滑动钻进随钻监测控制装置的控制方法，首先设定旋转钻进与滑动钻进交替进行，且井眼具有一定井斜和位移，开启滑动钻进控制系统开关为on，系统加电，自检，处于暂停等待状态，其它开关为off。 

步骤一，首先:旋转钻柱，钻头离底循环，稳定至钻进流速，保持旋转钻进转数；缓慢下放钻柱，控制绞车达到最佳钻压和最佳压差；以恒定的地面机械钻速控制绞车，保持最佳钻压和压差旋转钻进；结束旋转钻进转入滑动钻进。 

其次：停止下放和旋转钻具、上提下放活动钻具，释放钻具中缠绕的扭矩，将钻头保持在距井底5至8米的深度，钻具停止在中性零扭矩状态；向系统输入设计工具面、允许扇区、滑动钻进至井深、反扭矩附加角、钻具 重量、施加钻压、工具面调整转速等参数；将顶驱钻杆角偏移编码器设定为零坐标，表盘中黑针为零度；循环泥浆至滑动钻进流速，采集并显示循环泵压P_off；以5至15转/分左右的转速匀速旋转钻具，观察扭矩，扭矩逐渐增大，当扭矩突然变小时采集前一时刻钻具最大离底扭矩T_off，停止钻具旋转，顶驱主轴刹车抱死；采集钻具最大底扭矩T_off时的钻杆累计角偏移Aao，钻杆缠绕圈数Wn＝Aao/360，360°表盘中的钻杆角偏移Ac等于Wr小数部分乘以360°，将表盘中黑针置于Ac角度，存储并显示Aao、Wn、Ao和T_off，等待WMD实测工具面Ft数据，将屏幕表盘中蓝针置于Ft角度。 

步骤二，开始快速工具面定向 

a：观察实测工具面角度Tst(蓝针)，设计工具面角度Tpa(黄针)和顶驱钻杆角偏移Ao(黑针)3个参数在360°表盘中的准确角度，存储并显示；b：顶驱钻杆角偏移Ao、实测工具面角度Ft、设计工具面角度Fo均显示在360°表盘中，手工操作“工具面定向”按钮置于on，系统开始自动执行工具面定向，当实测工具面角度小于设计工具面角度时，即TFt<TFd时，右旋(TFd—TFt)ⁿ+R_ta(0—30°)，当实测工具面大于设计工具面角度时，即：TFt>TFd时，右旋360°—(TFt—TFd)ⁿ+R_ta(0—30°)，工具面旋转定位后，顶驱钻杆刹车抱死；c：司钻控制绞车匀速下放，接近井底前减速下放钻头至井底，观察MWD工具面反馈角度(蓝针)，判定是否出现托压，如果托压则开始防托压滑动钻进，此时还要判断钻头触底时工具面是否正确，如果不正确，进行工具面调整，工具面调整完毕，钻头已到井底，系统自动关闭“工具面定向”按钮为off，顶驱钻杆刹车抱死，持续记录并显示最近6次的MWD工具面数据，表盘中的标记，外圈的为最新工具面。 

步骤三，开始防托压滑动钻进 

a：司钻控制绞车，监视钻压和压差△P，保持最佳钻压和压差滑动钻进，持续采集、储存并显示钻杆累计角偏移Aao，采集并显示钻进泵压Pon，(△ P＝P_on-P_off),此时判断是否结束滑动钻进，如果结束滑动钻进则继续旋转钻进，如果不结束滑动钻进则进行偏差修正，此时关闭滑动钻进系统。b：采集、储存、显示当前钻杆累计角偏移Aao(来自编码器)、钻杆缠绕圈数Wn＝Aao/360。c：向系统输入20-30转/每分摇摆转速度后，手动或自动开启摇摆旋转按钮为on、主轴刹车为off，执行钻进托压程序，以Wn＝0的左旋圈数，以70％Wn的右旋圈数，以先左后右的顺序执行摇摆旋转，根据测量深度尝试数十秒或更长，司钻控制绞车，观察钻压和压差△P，如果效果不明显，增加右旋圈数为75％Wn、80％Wn……，重置左右摇摆自动置于on，再次尝试摇摆旋转，直到压差△P>0或出现触底钻压。顶驱刹车自动为on，系统自动关闭摇摆旋转按钮为off，此时判断是否摇摆旋转后工具面角度是否正确，不正确继续快速工具面定向，正确则判断是否结束滑动钻进，若不结束则进入防托压滑动钻进，结束滑动钻进则进入旋转钻进。 

步骤四，当进行滑动钻进工具面偏差需要修正时，监视实测工具面(蓝针)，设计工具面(黄针)和顶驱钻杆角偏移(黑针)3个参数在屏幕360°表盘中的准确角度，系统自动开启“工具面修正”按钮为on，此时，表盘中实测工具面角度大于设计工具面角度，即：TFt>TFd，左旋钻杆(TFt—TFd) ^n，工具面偏差修正完毕，如果不正确则再次进行滑动钻进工具面偏差修正，如果正确则系统“工具面修正”按钮自动关闭为off，进入滑动钻进程序。 

Claims (6)

1.一种定向滑动钻进随钻监测控制装置，该定向滑动钻进设有组合钻具，包括：钻杆(1)、泥浆马达(2)、钻头(3)，其特征是：该监测控制装置包括数据采集传感器、可编程控制器、钻杆左右旋转控制器和监视器；所述数据采集传感器包括：钻杆扭矩传感器(4)、钻杆旋转角偏移传感器(5)、立管压力传感器(6)、大钩悬重传感器(7)和马达工具面角度传感器；所述可编程控制器通过对传感器采集的数据进行计算和分析，结合定向钻井经验模型和逻辑推理的方法得出控制参数，控制顶驱主轴精确旋转动作；所述钻杆(1)一端连接钻杆左右旋转控制器，另一端深入钻井连接所述泥浆马达(2)，所述泥浆马达(2)连接钻头(3)；所述泥浆马达(2)设有MWD工具面(21)和马达壳体弯角(22)。

2.根据权利要求1所述的定向滑动钻进随钻监测控制装置，其特征是：所述钻杆扭矩传感器(4)、钻杆旋转角偏移传感器(5)、立管压力传感器(6)、大钩悬重传感(7)设置在地面上，所述马达工具面角度传感器设置在所述MWD工具面(21)内。

3.根据权利要求1所述的定向滑动钻进随钻监测控制装置的控制方法，步骤如下：

S1，由旋转钻进导入，然后与滑动钻进交替进行；

S2，滑动钻进同时进行工具面定向：钻具左右摇摆旋转执行滑动钻进，此时若判断钻头触底前出现托压且钻头触底时工具面正确，则转入防托压滑动钻进；

S3，防托压滑动钻进：当钻头下到井底后产生托压，此时马达工具面角度不正确，需要进行重试或修正后继续滑动钻进；

S4，工具面偏差修正：当判断工具面角度不正确时，先关闭滑动钻进系统，处理滑动钻进过程中工具面角度的偏差修正，修正完成后返回滑动钻进。

4.根据权利要求3所述的定向滑动钻进随钻监测控制装置的控制方法，其特征是：S1所述旋转钻进与滑动钻进交替进行是直线导引钻进时为旋转钻进；拐弯钻进时为滑动钻进。

5.根据权利要求3所述的定向滑动钻进随钻监测控制装置的控制方法，其特征是：所述工具面定向是调整工具面角度。

6.根据权利要求3所述的定向滑动钻进随钻监测控制装置的控制方法，其特征是：所述工具面偏差修正为进行逆时针修正或进行顺时针修正。