[发明专利]智能司钻钻机控制系统

说明书

技术领域

本发明属于石油钻井技术领域，具体涉及一种智能司钻钻机控制系统。

背景技术

近年来，由于超深井、大位移井和水平井的普遍作业，使得钻井勘探开发难度不断加大，世界各地石油钻井勘探和开发事故频发；另外，由于国际原油价格断崖式下跌等因素，使得油气勘探和开发承受着巨大压力，已经严重影响到产业健康发展和国家能源安全。依靠创新技术，如何有效降低油气勘探成本、提高钻井效率已成业界共识和当务之急。

钻具在切割岩层时受到摩擦、压强、岩石质地等因素影响，往往出现钻柱振动、钻压波动等现象。钻柱的振动是造成钻柱和钻具组合疲劳的主要原因。钻柱过度疲劳时，易发生钻柱断裂，然后，需要用特殊的工具将断裂的钻柱和钻具从井中取出。钻柱的振动还会导致钻头偏离期望的钻井方向，损坏井壁，发生井壁坍塌等恶性钻井事故。

在钻柱粘滑振动、以及钻遇不同质地岩石等过程中，钻柱扭矩、钻压波动很大，这不仅影响钻井效率，也威胁到钻井安全，实际扭矩过大超过设备所能承受的极限扭矩，致使钻井无法进行。粘滑振动的发生，同时会使钻头最大转速为转盘转速的2倍。因此，如何有效减少甚至杜绝钻井事故以及复杂情况的发生，提高钻井效率，是目前迫切需要解决的事情。

为了消除钻井过程中粘滑振动对整个钻井系统钻井性能的影响，许多专家学者做了大量研究，主要解决钻井系统中粘滑振动的建模和钻具组合对钻井性能的影响和改善等问题。国外学者，在粘滑振动模型方面，提出了两自由度、六自由度等动力学数学模型；在控制方面，采用线性控制器、矫正控制方法、离散控制策略等。多年来，我国石油钻井设备和控制技术处于跟随和赶超过程。对石油钻柱及扭矩的认识和研究力度远远不足，在优化控制方面的研究和投入更是稀缺。

此外，转速和钻压是钻井过程中的关键参数，直接影响钻井的安全性和效率，如何有效对其进行优化控制，具有重要意义。现有的各类优化控制方法，具有过程复杂、优化效果有限等不足。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种智能司钻钻机控制系统，可有效解决上述问题。

本发明采用的技术方案如下：

本发明提供一种智能司钻钻机控制系统，包括：

钻井参数获取模块，用于在钻井过程中，实时获得当前钻压值、当前钻柱顶部转速w₁、钻具属性信息以及地层参数；

钻井转速最优化控制系统，所述钻井转速最优化控制系统用于预建立钻柱运动模型；然后，运行所述钻柱运动模型，向所述钻柱运动模型中输入所述钻井参数获取模块所获取到的当前钻柱顶部转速w₁、钻具属性信息以及地层参数为输入量，所述钻柱运动模型根据钻井工艺要求和地层变化自动对钻头转速进行最优化调整，得到最优钻头转速值；

钻井钻压最优化控制系统，所述钻井钻压最优化控制系统用于预建立钻压优化动态模型，所述钻压优化动态模型以成本为目标，涵盖钻头磨损和机械钻速的目标函数，以所述钻井参数获取模块所获取到当前钻压值、当前钻柱顶部转速w₁、钻具属性信息以及地层参数为输入，使用优化算法进行优化，使实际钻井中钻压根据钻井工艺要求和地层变化自动作出最优化调整，得到最优钻井钻压值；

钻井顶驱/转盘电驱动控制系统，所述钻井顶驱/转盘电驱动控制系统以所述钻井转速最优化控制系统得到的所述最优钻头转速值作为负反馈补偿给定，比较实际钻头转速值与最优钻头转速值的偏移度，当实际钻头转速值与最优钻头转速值的偏移度达到设定阈值时，根据偏移度产生顶驱/转盘转速的调节量控制指令，并将所述调节量控制指令作用于顶驱变频器，顶驱变频器调节顶驱转盘电机的转速，使其输出优化顶驱/转盘转速值；

自动送钻交流变频控制系统，所述自动送钻交流变频控制系统以所述钻井钻压最优化控制系统得到的所述最优钻井钻压值作为负反馈补偿给定，比较实际钻井钻压值与最优钻井钻压值的偏移度，当实际钻井钻压值与最优钻井钻压值的偏移度达到设定阈值时，根据偏移度产生送钻变频器状态调节量控制指令，并将所述状态调节量控制指令作用于送钻变频器，送钻变频器调节交流变频送钻电机的工作状态，使其输出优化钻井钻压值。

优选的，所述钻柱运动模型包括：

地面驱动系统运动方程：

J_mw₁+w₁D_m+K_s∫(w₂-w₁)dt＝T_m