[发明专利]一种基于自动导向钻具的垂直钻进过程纠斜控制方法

说明书

本发明提供了一种基于自动导向钻具的垂直钻进过程纠斜控制方法，包括：首先建立钻具运动的二维模型和三维模型；然后将模型线性化与离散化，并设计纠斜控制器；输入井斜角偏差量、方位角偏差量、闭合距偏差量、参考钻具面向角和参考导向率至纠斜控制器；伺服驱动模块驱动钻头垂钻；计算初步井斜角、方位角和闭合距；计算最终井斜角、方位角和闭合距；计算井斜角、方位角和闭合距偏差量；将上述偏差量反馈至纠斜控制器，形成闭环控制；本发明提供的技术方案带来的有益效果是：在现有垂钻纠斜控制概念匮乏的情况下，进行了钻具运动二维和三维建模，并设计纠斜控制器，能够提高垂钻轨迹的垂直精度，与纠斜控制系统的工程适用性。

技术领域

本发明涉及钻井先进控制领域，尤其涉及一种基于自动导向钻具的垂直钻进过程纠斜控制方法。

背景技术

国家的经济发展离不开矿产资源的供应。近年来中国经济的腾飞使矿产能源的开采量飞速增长，随着矿产资源的不断开采，我国浅层及露天矿产资源正日渐枯竭。然而目前已有信息表明，我国大陆深部蕴藏着潜力巨大的矿产资源，埋深在1000米以下的煤炭资源占53％，其中褐煤和低变质程度烟煤占55％。我国深层石油资源约占剩余石油资源的40％，深层天然气资源约占剩余天然气资源的60％。为了近一步实现对矿产资源的利用，深部矿产地质勘探成为了现代研究的一个重要方向，将目标着眼于深部地区，逐渐实现对深部地区矿产资源的开采利用，这对我国经济稳定发展有着重要意义。

然而由于地层倾向、层状结构、各向异性、岩性软硬交替、下部钻具受力与弯曲变形以及人为因素，工程中容易造成钻进轨迹偏斜。当井斜过大时，会使得现场施工和初始设计方案有较大的偏差，从而打乱地质资源勘查方案，甚至会漏掉矿层，降低地质资源采收率。同时过大的井斜角与方位角还容易形成严重的“狗腿度”，使起下钻困难，钻柱工作条件恶化，还会造成粘附卡钻、键槽卡钻等复杂问题，严重影响钻井效率与安全性。

垂直钻进过程纠斜控制的本质是对钻进轨迹的控制，即通过合理控制手段保持钻进轨迹沿着井口铅垂线行进。基于传统工艺的纠斜控制系统往往只注重对井斜角的控制，依靠被动防斜技术和人工经验控制井斜。然而这种纠斜控制系统虽然能够保证向下钻进的大趋势不变，但钻成轨迹却并不能被有效调整到预定的垂直轨迹，使得钻头位置有可能偏离垂线水平距离愈来愈远，或者围绕铅垂线螺旋向下，尤其在钻遇复杂地层，不确定因素急剧增加，使得钻进轨迹的垂直精度难以得到保障，严重影响钻孔质量。新的纠斜控制方法与系统有待进一步开发，一方面需保证井斜角能够满足工程要求，另一方面需提高垂钻轨迹的垂直精度，保证垂钻井眼轨迹的质量。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种基于自动导向钻具的垂直钻进过程纠斜控制方法，一种基于自动导向钻具的垂直钻进过程纠斜控制方法，主要包括以下步骤：

S101建立钻具运动的二维模型和钻具运动的三维模型；

S102：将所述二维模型和所述三维模型分别进行线性化和离散化处理，得到离散化后的二维模型和离散化后的三维模型；

S103：根据所述离散化后的二维模型和所述离散化后的三维模型，设计适用于所述钻具的纠斜控制器；

S104：将井斜角偏差量、方位角偏差量、闭合距偏差量、参考钻具面向角和参考导向率输入至所述纠斜控制器，得到输出钻具面向角增量和输出导向率增量；其中，所述井斜角偏差量、所述方位角偏差量和所述闭合距偏差量的初始值为参考井斜角、参考方位角和参考闭合距；且所述参考井斜角、所述参考方位角、所述参考闭合距、所述参考钻具面向角和所述导向率均为预设值；

S105：伺服控制器根据所述输出钻具面向角增量和输出导向率增量，驱动伺服电机带动钻具垂直钻进；同时，所述伺服电机采集所述钻具的实际钻具面向角和实际导向率；

S106：所述伺服电机将所述实际钻具面向角和所述实际导向率输入至所述二维模型和所述三维模型，得到初步井斜角、初步方位角和初步闭合距参数；