[发明专利]一种钻井工具面角自校正闭环控制方法

说明书

本发明涉及钻采机械领域，公开了一种钻井工具面角自校正闭环控制方法，包括：S1)采集输入数据及输出数据；S2)根据输入数据及输出数据建立CARMA模型；S3)将CARMA模型转换为最小二乘结构：设置增益矩阵L(t)和协方差矩阵P(t)，进行参数估计，获得满足要求的辨识参数；S5)建立控制目标函数，根据控制目标函数以及辨识参数对电机进行控制，得到所需的工具面角。本发明采用CARMA模型，解决了建立钻具系统数学模型变量不确定性及模型形式不确定性的问题；并通过递推最小二乘法在线进行参数动态调整，引入了C/A方程，能够将预测方程简化；实现滑动钻进过程对工具面的实时监控和自动控制。

技术领域

本发明涉及钻采机械领域，尤其涉及一种钻井工具面角自校正闭环控制方法。

背景技术

在定向井钻井作业过程中，要保证实钻的井眼轨迹贴近设计的井眼轨道，现场工程技术人员，需要有丰富经验。在滑动模式下，首先要将钻柱提离井底并停止旋转，然后定向司钻才能通过摆工具面使井下马达弯头的朝向指向井眼轨迹设计所需的方向。摆工具面需要考虑钻头扭矩、钻柱反扭矩以及钻柱和井壁之间的摩阻，所以司钻要在地面上缓缓旋转钻柱，然后参考MWD测量的工具面变化。在较深井眼里，钻柱会吸收大量的扭矩，地面可能旋转几圈后井底的工具才转一圈。当合适的工具面被确认后，司钻会启动井下马达开始沿着目标方向滑动钻进。由于钻头切入地层产生的反扭矩会使工具面左右摆动，所以有时需反复调整工具面的方向。显然，这种靠司钻经验的摆工具面方式会影响钻井进度，增加钻井成本，易发生工具面漂移、托压问题。

比如，国家专利文献CN109098659A，公开了“一种滑动钻井工具面调整方法”，该发明步骤为：a)钻井参数采集；b)根据井眼轨迹要求，确定工具面中值φ及工具面波动范围δφ；c)完成防托压定向工具面调整的参数调试，拟合出扭矩-角速度曲线；d)根据扭矩-角速度曲线，调试井口工具旋转钻柱的能量参数，系统自动选择钻柱旋转的步骤，进行防托压定向钻井；e)持续更新扭矩-角速度曲线，结合钻井参数曲线系列，优化钻井参数。该发明在拟合扭矩-角速度曲线的具体步骤中，需要人工监测定向工具面变化情况，确认工具面顺时针转动或逆时针转动，计算工具面转动角速度。然而通过人为方式进行钻井工具面调整，误差大，易发生工具面漂移、托压情况。

发明内容

本发明的目的在于提供一种钻井工具面角自校正闭环控制方法，从而解决现有技术中存在的前述问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种钻井工具面角自校正闭环控制方法，包括步骤：

S1)采集输入数据及输出数据，输入数据为电机转速，输出数据为实时采集的工具面角；

S2)根据输入数据及所述输出数据建立CARMA模型；

S3)将CARMA模型转换为最小二乘结构：为观测向量，θ为辨识参数向量；

S4)设置增益矩阵L(t)和协方差矩阵P(t)，进行参数估计，获得满足要求的辨识参数；

S5)建立控制目标函数，根据控制目标函数以及辨识参数对电机进行控制，得到所需的工具面角，返回步骤S1)。

由于钻具系统不能够建立精确的数学模型，所以本发明采用自适应辨识模型进行辨识控制，CARMA模型为受控自回归滑动平均模型，根据系统的输入(电机转速)和系统的输出(实时采集的工具面角)实时变化，实时地辨识对象模型。