一種控制石油天然氣鉆井減小鉆柱粘滯阻力的方法
【專利摘要】一種控制石油天然氣鉆井減小鉆柱粘滯阻力的方法，屬于石油天然氣鉆井【技術(shù)領(lǐng)域】。采用頂驅(qū)裝置（或轉(zhuǎn)盤）驅(qū)動(dòng)鉆柱按照設(shè)定的旋轉(zhuǎn)方式正向和反向旋轉(zhuǎn)；通過泥漿脈沖信號(hào)將動(dòng)力馬達(dá)的工具面角、MWD中定向傳感器監(jiān)測(cè)的方位角和井斜以及立管泵壓以數(shù)字量信號(hào)形式饋送到地面控制器，配合頂驅(qū)（或轉(zhuǎn)盤）監(jiān)控的上部鉆柱扭矩，通過控制頂驅(qū)主軸（或轉(zhuǎn)盤放鉆桿）正向或反向旋轉(zhuǎn)的方法正向或反向旋轉(zhuǎn)鉆柱，從而改變鉆井馬達(dá)的工具面角，調(diào)整或修正方位角和井斜，減小鉆柱粘滯阻力；控制頂驅(qū)主軸正向旋轉(zhuǎn)設(shè)定的角度和圈數(shù)，到位后再反向旋轉(zhuǎn)回到初始位置，稱為一個(gè)正向循環(huán)。本發(fā)明減少了人為因素對(duì)鉆井作業(yè)的影響，提高了鉆進(jìn)的效率和生產(chǎn)的安全性。
【專利說明】一種控制石油天然氣鉆井減小鉆柱粘滯阻力的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種控制石油天然氣鉆井減小鉆柱粘滯阻力的方法，屬于石油天然氣鉆井【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]目前，石油天然氣鉆井越來越多的采用鉆定向井、水平井、大位移水平井的方法，以提高井眼在油層的穿越長(zhǎng)度，從而提高采油率。
[0003]基于現(xiàn)有技術(shù)的定向井、水平井鉆井方法是:使用帶有一定彎角度的井下動(dòng)力鉆具(通常是螺桿鉆具)進(jìn)行導(dǎo)向鉆進(jìn)。在造斜(增斜、降斜或扭方位)井段，鉆柱只加鉆壓而不旋轉(zhuǎn)，井下動(dòng)力鉆具沿著彎殼體的彎角度方向鉆進(jìn)，鉆柱隨鉆進(jìn)沿井壁向下滑動(dòng)，即:滑動(dòng)鉆進(jìn)。在穩(wěn)斜(沿當(dāng)前方向直線鉆進(jìn))井段，井下動(dòng)力鉆具鉆進(jìn)的同時(shí)，鉆柱低速旋轉(zhuǎn)以消除彎殼體角度的影響，使鉆柱保持當(dāng)前井眼方向不變，即:復(fù)合鉆進(jìn)。通過滑動(dòng)鉆進(jìn)的造斜和復(fù)合鉆進(jìn)的穩(wěn)斜交替進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向鉆進(jìn)，使井眼按預(yù)定軌跡前進(jìn)。
[0004]在如上述的定向井、水平井特別是大位移水平井的鉆井過程中，由于井壁傾斜甚至呈水平狀態(tài)，鉆柱倚靠在粘性較強(qiáng)的井壁上，因而在滑動(dòng)鉆進(jìn)過程中，亦即鉆柱沿井壁滑移過程中，會(huì)產(chǎn)生與井壁的粘滯，形成阻礙鉆柱隨鉆進(jìn)向下滑動(dòng)的阻力。
[0005]在此之前，解決此問題的方法是以機(jī)械的方式周期性地提放鉆柱，或者以更換鉆井液的方法，改善鉆柱與井壁的潤(rùn)滑，但均不能很好的解決問題，導(dǎo)致施加在鉆頭上的鉆壓(WOB)下降，進(jìn)而導(dǎo)致鉆井效率(ROP)下降。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種控制石油天然氣鉆井減小鉆柱粘滯阻力的方法。
[0007]—種控制石油天然氣鉆井減小鉆柱粘滯阻力的方法，采用頂驅(qū)裝置(或轉(zhuǎn)盤)驅(qū)動(dòng)鉆柱按照設(shè)定的旋轉(zhuǎn)方式正向和反向旋轉(zhuǎn)；
[0008]通過泥漿脈沖信號(hào)將動(dòng)力馬達(dá)的工具面角、MWD中定向傳感器監(jiān)測(cè)的方位角和井斜以及立管泵壓以數(shù)字量信號(hào)形式饋送到地面控制器，配合頂驅(qū)(或轉(zhuǎn)盤)監(jiān)控的上部鉆柱扭矩，通過控制頂驅(qū)主軸(或轉(zhuǎn)盤放鉆桿)正向或反向旋轉(zhuǎn)的方法正向或反向旋轉(zhuǎn)鉆柱，從而改變鉆井馬達(dá)的工具面角，調(diào)整或修正方位角和(或)井斜，減小鉆柱粘滯阻力；
[0009]控制頂驅(qū)主軸正向旋轉(zhuǎn)設(shè)定的角度和(或)圈數(shù)，到位后再反向旋轉(zhuǎn)回到初始位置，稱為一個(gè)正向循環(huán)；多個(gè)連續(xù)的正向循環(huán)組成一個(gè)正向周期，所包含的正向循環(huán)個(gè)數(shù)由稱為正向次數(shù)；以上即為本系統(tǒng)中正向循環(huán)、正向周期及正向次數(shù)的定義；反向循環(huán)、反向周期及反向次數(shù)具有類似定義；每個(gè)循環(huán)開始時(shí)，頂驅(qū)主軸都會(huì)在初始位置延遲一段時(shí)間再開始旋轉(zhuǎn)，延遲轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)間稱為停止時(shí)間(tc/);頂驅(qū)主軸旋轉(zhuǎn)到達(dá)設(shè)定的角度和(或)圈數(shù)時(shí)，頂驅(qū)主軸會(huì)保持一段時(shí)間的靜止，這段達(dá)到扭矩限幅并保持靜止的時(shí)間稱為保持時(shí)間(t0);
[0010]頂驅(qū)(或轉(zhuǎn)盤):為鉆柱提供旋轉(zhuǎn)動(dòng)力，測(cè)量并反饋上部鉆柱的實(shí)時(shí)扭矩；對(duì)于交流變頻頂驅(qū)和電動(dòng)轉(zhuǎn)盤實(shí)施方案，上部鉆柱的扭矩可通過測(cè)量電流得到；對(duì)于液壓頂驅(qū)實(shí)施方案，則通過壓力傳感器測(cè)得；
[0011]導(dǎo)向工具(或MWD上的定向傳感器):產(chǎn)生導(dǎo)向馬達(dá)的工具面角信號(hào)；定向傳感器一般采用泥漿脈沖信號(hào)將數(shù)據(jù)回傳到地面，輸出工具面角的數(shù)字量信號(hào)；
[0012]司鉆控制臺(tái):在必要時(shí)可切出Sliding控制系統(tǒng)，恢復(fù)正常鉆井；
[0013]Sliding控制系統(tǒng):預(yù)裝基于本發(fā)明方法的軟件控制程序的工業(yè)PC ;啟動(dòng)控制前向司鉆臺(tái)發(fā)出請(qǐng)求使能信號(hào)，獲得授權(quán)后，控制頂驅(qū)正向或反向旋轉(zhuǎn)，從而達(dá)到本發(fā)明所提出的減小鉆柱粘滯阻力的目的；
[0014]工具面角、方位角、井斜和立管泵壓等4個(gè)變量信號(hào)傳輸?shù)降孛婵刂破鬟M(jìn)行運(yùn)算處理；將頂驅(qū)變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的PLC控制器作為地面控制器，與頂驅(qū)原有控制功能無縫結(jié)合；
[0015]除了接收上述4個(gè)變量的監(jiān)測(cè)信號(hào)以外，PLC控制器還同時(shí)接收來自Sliding控制系統(tǒng)的用戶輸入信息；Sliding控制系統(tǒng)通過司鉆臺(tái)的預(yù)留接口與頂驅(qū)PLC進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊；提供了導(dǎo)向信息監(jiān)測(cè)、滑動(dòng)鉆進(jìn)參數(shù)設(shè)置、滑動(dòng)控制功能，以及公英制單位轉(zhuǎn)換、多語言界面切換等輔助功能；通過這些功能，允許用戶配置滑動(dòng)控制參數(shù)，控制頂驅(qū)按照設(shè)定的轉(zhuǎn)速和扭矩限定值正向、反向轉(zhuǎn)動(dòng)主軸(及下接鉆柱)，同時(shí)監(jiān)測(cè)扭矩輸出值、工具面角、方位角、井斜、立管泵壓等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)在保持工具面不變的前提下，有效減小鉆柱與井壁間的摩擦阻力，平穩(wěn)鉆壓。
[0016]手動(dòng)模式:以手動(dòng)模式下的正轉(zhuǎn)控制為例，點(diǎn)選【手動(dòng)啟動(dòng)】一【正轉(zhuǎn)】，按鈕變?yōu)榫G色，頂驅(qū)主軸按照設(shè)定的“正向扭矩”和“正向轉(zhuǎn)速”旋轉(zhuǎn)主軸，到達(dá)設(shè)定“圈數(shù)”和(或)“角度”后，剎車自動(dòng)抱死，頂驅(qū)停止運(yùn)轉(zhuǎn)；點(diǎn)擊【手動(dòng)停止】，按鈕變?yōu)榧t色，切出手動(dòng)滑動(dòng)控制模式；手動(dòng)模式下的反轉(zhuǎn)控制過程與正轉(zhuǎn)控制過程類似；
[0017]自動(dòng)模式:在自動(dòng)模式下，本發(fā)明系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的參數(shù)按照程序流程控制頂驅(qū)主軸正向和反向轉(zhuǎn)動(dòng)，具體控制過程如下:
[0018]第一步，點(diǎn)擊【自動(dòng)啟動(dòng)】按鈕，按鈕背景變?yōu)榫G色；此時(shí)，系統(tǒng)總是先檢查“正向次數(shù)”，當(dāng)其設(shè)定值大于零時(shí)，進(jìn)入正向周期的第一個(gè)正向循環(huán)，系統(tǒng)按照以下步驟自動(dòng)控制頂驅(qū)主軸旋轉(zhuǎn)；
[0019]第二步，延遲“停止時(shí)間”后，頂驅(qū)主軸根據(jù)“設(shè)定圈數(shù)”和(或)“設(shè)定角度”正向旋轉(zhuǎn)，到達(dá)設(shè)定位置或扭矩限幅后，根據(jù)設(shè)定的“保持時(shí)間”保持靜止；
[0020]第三步，反向旋轉(zhuǎn)相同圈數(shù)和(或)角度回到初始位置；
[0021]第四步，進(jìn)入下一個(gè)正向循環(huán)，重復(fù)第二步和第三步的過程，直到達(dá)到設(shè)定的“正向次數(shù)”，正向周期結(jié)束；系統(tǒng)檢查“反向次數(shù)”的設(shè)定值，當(dāng)其值為零時(shí)，進(jìn)入下一個(gè)正向周期(重復(fù)第二步和第三步)，直到點(diǎn)擊【自動(dòng)停止】(按鈕變?yōu)榧t色)，切出自動(dòng)控制模式；當(dāng)其值大于零時(shí)，進(jìn)入反向周期(第五步);
[0022]第五步，頂驅(qū)主軸根據(jù)“設(shè)定圈數(shù)”和(或)“設(shè)定角度”反向旋轉(zhuǎn)，到達(dá)設(shè)定位置或扭矩限幅后，根據(jù)設(shè)定的“保持時(shí)間”保持靜止；
[0023]第六步，正向旋轉(zhuǎn)相同圈數(shù)和(或)角度回到初始位置，根據(jù)設(shè)定的“停止時(shí)間”保持靜止；
[0024]第七步，進(jìn)入下一個(gè)反向循環(huán)，重復(fù)第五步和第六步的過程，直到達(dá)到設(shè)定的“反向次數(shù)”，反向周期結(jié)束；
[0025]第八步，重復(fù)第二步到第七步的過程，直到點(diǎn)擊【自動(dòng)停止】(按鈕變?yōu)榧t色)，切出自動(dòng)控制模式。
[0026]本發(fā)明的顯著特點(diǎn)是:根據(jù)鉆井深度的變化，設(shè)置鉆柱正向旋轉(zhuǎn)和反向旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)和速度等參數(shù)，既保證井下工具面不變化，又使鉆柱在最大范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)，整個(gè)過程為自動(dòng)控制，減少了人為因素對(duì)鉆井作業(yè)的影響，提高了鉆進(jìn)的效率和生產(chǎn)的安全性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]當(dāng)結(jié)合附圖考慮時(shí)，通過參照下面的詳細(xì)描述，能夠更完整更好地理解本發(fā)明以及容易得知其中許多伴隨的優(yōu)點(diǎn)，但此處所說明的附圖用來提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本發(fā)明的一部分，本發(fā)明的示意性實(shí)施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的不當(dāng)限定，如圖其中:
[0028]圖1為本發(fā)明的本發(fā)明方法曲線示意圖；
[0029]圖2為本發(fā)明的基于本發(fā)明方法的控制方塊示意圖；
[0030]圖3為本發(fā)明的基于本發(fā)明方法的控制流程框圖；
[0031]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明。

【具體實(shí)施方式】
[0032]顯然，本領(lǐng)域技術(shù)人員基于本發(fā)明的宗旨所做的許多修改和變化屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0033]實(shí)施例1:如圖1、圖2、圖3所示，一種控制石油天然氣鉆井減小鉆柱粘滯阻力的方法，
[0034]本發(fā)明提出的方法和系統(tǒng)同樣適用于依靠轉(zhuǎn)盤和方鉆桿提供旋轉(zhuǎn)動(dòng)力的鉆機(jī)、海洋鉆機(jī)等其它類型的鉆機(jī)。
[0035]頂驅(qū)本體通過與游車相連的大鉤懸掛在井架上，并且能夠沿著與之平行的垂直導(dǎo)軌上下移動(dòng)。在旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方式下，頂驅(qū)主電機(jī)帶動(dòng)頂驅(qū)主軸旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)與之相連接的鉆柱旋轉(zhuǎn)，井筒內(nèi)的中間鉆柱也隨之旋轉(zhuǎn)。在滑動(dòng)鉆進(jìn)方式下，中間鉆柱在頂驅(qū)的驅(qū)動(dòng)下已經(jīng)旋轉(zhuǎn)到位(即不在轉(zhuǎn)動(dòng))，而鉆頭則在井下動(dòng)力馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)下旋轉(zhuǎn)。井下動(dòng)力馬達(dá)位于井下動(dòng)力鉆具的最底部，由泥漿泵循環(huán)鉆井液提供動(dòng)力。在滑動(dòng)鉆進(jìn)時(shí)通過改變導(dǎo)向鉆井馬達(dá)的工具面角來調(diào)整或修正方位角和(或)井斜。而通過操控頂驅(qū)可根據(jù)需要正向或反向旋轉(zhuǎn)全部鉆柱來改變鉆井馬達(dá)的工具面角，調(diào)整或修正方位角和(或)井斜，這就是本發(fā)明所提出的減小鉆柱粘滯阻力方法的基本操作原理。
[0036]在本發(fā)明中，通過頂驅(qū)主電機(jī)的編碼器實(shí)現(xiàn)主軸定位，通過其傳感器測(cè)量和反饋地面的實(shí)時(shí)扭矩；含有定向傳感器的MWD隨鉆測(cè)量?jī)x器則屬于井下動(dòng)力鉆具(BHA)的組成部分。MWD儀器測(cè)量實(shí)際的工具面角、方位角和井斜，將這些測(cè)量信號(hào)和立管泵壓一起通過泥漿泵信號(hào)饋送到地面控制系統(tǒng)中，最終實(shí)現(xiàn)鉆井信息閉環(huán)。
[0037]系統(tǒng)主要由以下幾部分組成:
[0038]頂驅(qū)(或轉(zhuǎn)盤):為鉆柱提供旋轉(zhuǎn)動(dòng)力，測(cè)量并反饋上部鉆柱的實(shí)時(shí)扭矩。對(duì)于交流變頻頂驅(qū)和電動(dòng)轉(zhuǎn)盤實(shí)施方案，上部鉆柱的扭矩可通過測(cè)量電流得到；對(duì)于液壓頂驅(qū)實(shí)施方案，則通過壓力傳感器測(cè)得。
[0039]導(dǎo)向工具(或MWD上的定向傳感器):產(chǎn)生導(dǎo)向馬達(dá)的工具面角信號(hào)。定向傳感器一般采用泥漿脈沖信號(hào)將數(shù)據(jù)回傳到地面，輸出工具面角的數(shù)字量信號(hào)。
[0040]司鉆控制臺(tái):在必要時(shí)可切出Sliding控制系統(tǒng)，恢復(fù)正常鉆井。
[0041]Sliding控制系統(tǒng):預(yù)裝基于本發(fā)明方法的軟件控制程序的工業(yè)PC。啟動(dòng)控制前向司鉆臺(tái)發(fā)出請(qǐng)求使能信號(hào)，獲得授權(quán)后，控制頂驅(qū)正向或反向旋轉(zhuǎn)，從而達(dá)到本發(fā)明所提出的減小鉆柱粘滯阻力的目的。
[0042]工具面角、方位角、井斜和立管泵壓等4個(gè)變量信號(hào)傳輸?shù)降孛婵刂破鬟M(jìn)行運(yùn)算處理。在本發(fā)明的這一具體實(shí)施方案中，將頂驅(qū)變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的PLC控制器作為地面控制器，與頂驅(qū)原有控制功能無縫結(jié)合，運(yùn)算處理速度更快，實(shí)時(shí)性能更好。
[0043]除了接收上述4個(gè)變量的監(jiān)測(cè)信號(hào)以外，PLC控制器還同時(shí)接收來自Sliding控制系統(tǒng)的用戶輸入信息。Sliding控制系統(tǒng)通過司鉆臺(tái)的預(yù)留接口與頂驅(qū)PLC進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊。本發(fā)明的具體實(shí)施方案中Sliding控制系統(tǒng)的人機(jī)交互界面，四個(gè)畫面提供了導(dǎo)向信息監(jiān)測(cè)、滑動(dòng)鉆進(jìn)參數(shù)設(shè)置、滑動(dòng)控制功能，以及公英制單位轉(zhuǎn)換、多語言界面切換等輔助功能。通過這些功能，本發(fā)明提出的Sliding控制系統(tǒng)允許用戶配置滑動(dòng)控制參數(shù)，控制頂驅(qū)按照設(shè)定的轉(zhuǎn)速和扭矩限定值正向、反向轉(zhuǎn)動(dòng)主軸(及下接鉆柱)，同時(shí)監(jiān)測(cè)扭矩輸出值、工具面角、方位角、井斜、立管泵壓等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)在保持工具面不變的前提下，有效減小鉆柱與井壁間的摩擦阻力，平穩(wěn)鉆壓，從而提高整體機(jī)械鉆速，整個(gè)操作過程靈活簡(jiǎn)便，易于掌握。
[0044]“主畫面”可進(jìn)行以下操作:
[0045]點(diǎn)選【進(jìn)入系統(tǒng)】按鈕可直接跳轉(zhuǎn)到“滑動(dòng)控制”畫面；
[0046]點(diǎn)選【系統(tǒng)說明】按鈕可查閱滑動(dòng)控制用戶使用手冊(cè)；。
[0047]點(diǎn)選【退出系統(tǒng)】按鈕可退出滑動(dòng)控制系統(tǒng)；
[0048]點(diǎn)選【中文】或【English】按鈕可實(shí)現(xiàn)中英語言切換，以滿足國(guó)際化應(yīng)用需求。
[0049]“滑動(dòng)控制”畫面可進(jìn)行以下操作:
[0050]手動(dòng)啟?；瑒?dòng)控制功能；
[0051]自動(dòng)啟?；瑒?dòng)控制功能；
[0052]設(shè)置頂驅(qū)主軸定位旋轉(zhuǎn)的“設(shè)定圈數(shù)”、“設(shè)定角度”和“角度修正”值，數(shù)據(jù)與“定位控制”畫面同步更新；
[0053]設(shè)置頂驅(qū)主軸旋轉(zhuǎn)的“保持時(shí)間”、“停止時(shí)間”、“正向次數(shù)”、“反向次數(shù)”;
[0054]實(shí)時(shí)顯示頂驅(qū)主軸旋轉(zhuǎn)的實(shí)際“圈數(shù)”和“角度”、正向和反向“扭矩”限定值、正向和反向“轉(zhuǎn)速”、“工具面”、“方位角”、“立管壓力”；
[0055]實(shí)時(shí)觀測(cè)主軸轉(zhuǎn)速、扭矩和立管壓力動(dòng)態(tài)曲線。
[0056]“滑動(dòng)控制參數(shù)設(shè)定”畫面可進(jìn)行以下操作:
[0057]設(shè)置頂驅(qū)運(yùn)轉(zhuǎn)的方向、轉(zhuǎn)速和扭矩；
[0058]扭矩值的公制/英制同步更新功能，便于不同單位體制國(guó)家的操作者、工程師快速查詢和修改。
[0059]“定位控制”畫面作為配合滑動(dòng)控制的輔助功能，可進(jìn)行以下操作:
[0060]畫面左側(cè):輸入“設(shè)定角度”、“設(shè)定圈數(shù)”，顯示已轉(zhuǎn)過的實(shí)際角度、實(shí)際圈數(shù)；
[0061]畫面右側(cè):顯示方位角、工具面、井斜、井深等MWD隨鉆測(cè)量系統(tǒng)饋送的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；
[0062]雷達(dá)圖顯示主軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度和井底實(shí)際工具面位置。白色光標(biāo)標(biāo)示井底方位角，最外圍的綠色光標(biāo)標(biāo)示頂驅(qū)主軸預(yù)期停止的位置。隨著頂驅(qū)旋轉(zhuǎn)，紅色指針將掃過主軸所轉(zhuǎn)過的角度，形象地標(biāo)識(shí)出頂驅(qū)主軸旋轉(zhuǎn)的整個(gè)過程。
[0063]開啟基于本發(fā)明方法的Sliding控制系統(tǒng)時(shí)，需要向司鉆臺(tái)發(fā)送請(qǐng)求信號(hào)，使能條件具備后，本系統(tǒng)獲得對(duì)頂驅(qū)主軸的控制權(quán)，此后則不需要司鉆(司鉆臺(tái))參與系統(tǒng)的設(shè)置和控制，而由定向工程師通過Sliding控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置和操作，從而達(dá)到減小鉆柱粘滯阻力的目的。
[0064]這一實(shí)施方案的具體操作步驟如下:
[0065]點(diǎn)選“滑動(dòng)控制參數(shù)設(shè)定”畫面，設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)。
[0066]“正向扭矩”和“反向扭矩”:設(shè)置頂驅(qū)主軸旋轉(zhuǎn)的最大扭矩限定值，允許的輸入范圍為 O ?20kN.m (14klb.ft)。
[0067]“正向轉(zhuǎn)速”和“反向轉(zhuǎn)速”:設(shè)置頂驅(qū)旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速，允許的輸入范圍為15rpm?40rpmo
[0068]“扭矩偏差”:設(shè)置扭矩限定值的可波動(dòng)范圍，允許的輸入范圍為O?1kN.m。在所設(shè)定的“扭矩偏差”范圍內(nèi)，系統(tǒng)認(rèn)為已經(jīng)達(dá)到扭矩限幅。
[0069]“加減速時(shí)間”:設(shè)置頂驅(qū)從“零轉(zhuǎn)速”變化到“轉(zhuǎn)速設(shè)定值”的響應(yīng)時(shí)間，允許的輸入范圍為O?10秒。
[0070]當(dāng)輸入的扭矩、轉(zhuǎn)速、扭矩偏差、加減速時(shí)間超出允許范圍時(shí)，系統(tǒng)將忽略越界值，并彈出警告提示框。
[0071]點(diǎn)選進(jìn)入“滑動(dòng)控制”畫面，設(shè)置操作參數(shù)。
[0072]“設(shè)定圈數(shù)”:設(shè)置頂驅(qū)主軸單次旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)。
[0073]“設(shè)定角度”:設(shè)置頂驅(qū)主軸單次旋轉(zhuǎn)的角度。
[0074]“角度修正”:設(shè)置頂驅(qū)主軸旋轉(zhuǎn)的修正角度，輸入數(shù)值后，當(dāng)次循環(huán)不生效，從下一次循環(huán)開始有效。不需要角度修正時(shí)，將其設(shè)定值重新置零即可。
[0075]“保持時(shí)間”:設(shè)置頂驅(qū)主軸旋轉(zhuǎn)達(dá)到扭矩限定值后，保持相對(duì)靜止的時(shí)間，允許的輸入范圍為O?10秒。
[0076]“停止時(shí)間”:設(shè)置頂驅(qū)主軸回到初始位置后，保持相對(duì)靜止的時(shí)間，允許的輸入范圍為O?10秒。
[0077]“正向次數(shù)”:設(shè)置頂驅(qū)主軸正轉(zhuǎn)次數(shù)，稱為一個(gè)正向周期，每次稱為一個(gè)正向循環(huán)。
[0078]“反向次數(shù)”:設(shè)置頂驅(qū)主軸反轉(zhuǎn)次數(shù)，稱為一個(gè)反向周期，每次稱為一個(gè)反向循環(huán)。
[0079]返回“滑動(dòng)控制”畫面，運(yùn)行滑動(dòng)控制系統(tǒng)，按照配置的參數(shù)控制頂驅(qū)主軸旋轉(zhuǎn)，有手動(dòng)和自動(dòng)兩種操作模式。
[0080]手動(dòng)模式:以手動(dòng)模式下的正轉(zhuǎn)控制為例，點(diǎn)選【手動(dòng)啟動(dòng)】一【正轉(zhuǎn)】，按鈕變?yōu)榫G色，頂驅(qū)主軸按照設(shè)定的“正向扭矩”和“正向轉(zhuǎn)速”旋轉(zhuǎn)主軸，到達(dá)設(shè)定“圈數(shù)”和(或)“角度”后，剎車自動(dòng)抱死，頂驅(qū)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。點(diǎn)擊【手動(dòng)停止】，按鈕變?yōu)榧t色，切出手動(dòng)滑動(dòng)控制模式。手動(dòng)模式下的反轉(zhuǎn)控制過程與正轉(zhuǎn)控制過程類似。
[0081]自動(dòng)模式:在自動(dòng)模式下，本發(fā)明系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的參數(shù)按照程序流程控制頂驅(qū)主軸正向和反向轉(zhuǎn)動(dòng)，具體控制過程如下:
[0082]第一步，點(diǎn)擊【自動(dòng)啟動(dòng)】按鈕，按鈕背景變?yōu)榫G色。此時(shí)，系統(tǒng)總是先檢查“正向次數(shù)”，當(dāng)其設(shè)定值大于零時(shí)，進(jìn)入正向周期的第一個(gè)正向循環(huán)，系統(tǒng)按照以下步驟自動(dòng)控制頂驅(qū)主軸旋轉(zhuǎn)。
[0083]第二步，延遲“停止時(shí)間”后，頂驅(qū)主軸根據(jù)“設(shè)定圈數(shù)”和(或)“設(shè)定角度”正向旋轉(zhuǎn)，到達(dá)設(shè)定位置或扭矩限幅后，根據(jù)設(shè)定的“保持時(shí)間”保持靜止。
[0084]第三步，反向旋轉(zhuǎn)相同圈數(shù)和(或)角度回到初始位置。
[0085]第四步，進(jìn)入下一個(gè)正向循環(huán)，重復(fù)第二步和第三步的過程，直到達(dá)到設(shè)定的“正向次數(shù)”，正向周期結(jié)束。系統(tǒng)檢查“反向次數(shù)”的設(shè)定值，當(dāng)其值為零時(shí)，進(jìn)入下一個(gè)正向周期(重復(fù)第二步和第三步)，直到點(diǎn)擊【自動(dòng)停止】(按鈕變?yōu)榧t色)，切出自動(dòng)控制模式。當(dāng)其值大于零時(shí)，進(jìn)入反向周期(第五步)。
[0086]第五步，頂驅(qū)主軸根據(jù)“設(shè)定圈數(shù)”和(或)“設(shè)定角度”反向旋轉(zhuǎn)，到達(dá)設(shè)定位置或扭矩限幅后，根據(jù)設(shè)定的“保持時(shí)間”保持靜止。
[0087]第六步，正向旋轉(zhuǎn)相同圈數(shù)和(或)角度回到初始位置，根據(jù)設(shè)定的“停止時(shí)間”保持靜止。
[0088]第七步，進(jìn)入下一個(gè)反向循環(huán)，重復(fù)第五步和第六步的過程，直到達(dá)到設(shè)定的“反向次數(shù)”，反向周期結(jié)束。
[0089]第八步，重復(fù)第二步到第七步的過程，直到點(diǎn)擊【自動(dòng)停止】(按鈕變?yōu)榧t色)，切出自動(dòng)控制模式。
[0090]實(shí)施例2:如圖1、圖2、圖3所示，一種控制石油天然氣鉆井減小鉆柱粘滯阻力的方法，針對(duì)傳統(tǒng)定向鉆井技術(shù)中鉆柱與井壁間摩阻大、鉆壓不平穩(wěn)、機(jī)械鉆速低等問題，研究鉆具組合所連接頂驅(qū)、轉(zhuǎn)盤等動(dòng)力裝置產(chǎn)生的上部扭矩、井下動(dòng)力鉆具產(chǎn)生的反扭矩以及鉆柱與井壁間的摩擦阻力扭矩，使摩阻扭矩平衡上部旋轉(zhuǎn)扭矩和井底反扭矩，達(dá)到理想平衡狀態(tài)(三者矢量和為零)，從而減小鉆柱粘滯，平穩(wěn)鉆壓，提高機(jī)械鉆速。
[0091]本發(fā)明的基本原理是:通過增加對(duì)地面驅(qū)動(dòng)鉆柱旋轉(zhuǎn)的設(shè)備(頂部驅(qū)動(dòng)鉆井裝置或轉(zhuǎn)盤)控制方法的改進(jìn)，使地面系統(tǒng)(頂驅(qū)或轉(zhuǎn)盤)驅(qū)動(dòng)鉆柱正向和反向周而復(fù)始地旋轉(zhuǎn)，前提是井下動(dòng)力鉆具工具面(即彎殼體的彎角度)不變，從而將鉆柱由徑向靜態(tài)而僅僅是軸向的滑動(dòng)鉆進(jìn)改變?yōu)閺较?、軸向均動(dòng)態(tài)的旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，從而可以極大地減小鉆柱沿井壁的粘滯，降低了井壁對(duì)鉆柱的粘滯摩擦阻力。
[0092]本發(fā)明的工作過程是:在上述基本原理的基礎(chǔ)上，本發(fā)明研制了一套導(dǎo)向鉆井滑動(dòng)控制系統(tǒng)，控制地面系統(tǒng)(頂驅(qū)或轉(zhuǎn)盤)驅(qū)動(dòng)鉆柱按照設(shè)定的轉(zhuǎn)速和扭矩限定值正向、反向轉(zhuǎn)動(dòng)鉆柱，同時(shí)監(jiān)測(cè)扭矩輸出值、立管壓力、工具面和方位角等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)在保持井下動(dòng)力鉆具工具面不變的前提下，有效減小鉆柱與井壁間的摩擦阻力，平穩(wěn)鉆壓，從而提高整體機(jī)械鉆速。
[0093]系統(tǒng)控制頂驅(qū)主軸正向旋轉(zhuǎn)設(shè)定的角度和(或)圈數(shù)，到位后再反向旋轉(zhuǎn)回到初始位置，稱為一個(gè)正向循環(huán)。多個(gè)連續(xù)的正向循環(huán)組成一個(gè)正向周期，所包含的正向循環(huán)個(gè)數(shù)由稱為正向次數(shù)。以上即為本系統(tǒng)中正向循環(huán)、正向周期及正向次數(shù)的定義。反向循環(huán)、反向周期及反向次數(shù)具有類似定義。每個(gè)循環(huán)開始時(shí)，頂驅(qū)主軸都會(huì)在初始位置延遲一段時(shí)間再開始旋轉(zhuǎn)，延遲轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)間稱為停止時(shí)間(tc/);頂驅(qū)主軸旋轉(zhuǎn)到達(dá)設(shè)定的角度和(或)圈數(shù)時(shí)，頂驅(qū)主軸會(huì)保持一段時(shí)間的靜止，這段達(dá)到扭矩限幅并保持靜止的時(shí)間稱為保持時(shí)間(tQ)。
[0094]本發(fā)明的控制方法如下:
[0095]本發(fā)明通過泥漿脈沖信號(hào)將動(dòng)力馬達(dá)的工具面角、MWD中定向傳感器監(jiān)測(cè)的方位角和井斜以及立管泵壓以數(shù)字量信號(hào)形式饋送到地面控制器，配合頂驅(qū)(或轉(zhuǎn)盤)監(jiān)控的上部鉆柱扭矩，通過控制頂驅(qū)主軸(或轉(zhuǎn)盤放鉆桿)正向或反向旋轉(zhuǎn)的方法正向或反向旋轉(zhuǎn)鉆柱，從而改變鉆井馬達(dá)的工具面角，調(diào)整或修正方位角和(或)井斜，達(dá)到減小鉆柱粘滯阻力的目的。
[0096]如上所述，對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行了詳細(xì)地說明，但是只要實(shí)質(zhì)上沒有脫離本發(fā)明的發(fā)明點(diǎn)及效果可以有很多的變形，這對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說是顯而易見的。因此，這樣的變形例也全部包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種控制石油天然氣鉆井減小鉆柱粘滯阻力的方法，其特征在于:采用頂驅(qū)裝置(或轉(zhuǎn)盤)驅(qū)動(dòng)鉆柱按照設(shè)定的旋轉(zhuǎn)方式正向和反向旋轉(zhuǎn)； 通過泥漿脈沖信號(hào)將動(dòng)力馬達(dá)的工具面角、MWD中定向傳感器監(jiān)測(cè)的方位角和井斜以及立管泵壓以數(shù)字量信號(hào)形式饋送到地面控制器，配合頂驅(qū)(或轉(zhuǎn)盤)監(jiān)控的上部鉆柱扭矩，通過控制頂驅(qū)主軸(或轉(zhuǎn)盤放鉆桿)正向或反向旋轉(zhuǎn)的方法正向或反向旋轉(zhuǎn)鉆柱，從而改變鉆井馬達(dá)的工具面角，調(diào)整或修正方位角和(或)井斜，減小鉆柱粘滯阻力； 控制頂驅(qū)主軸正向旋轉(zhuǎn)設(shè)定的角度和(或)圈數(shù)，到位后再反向旋轉(zhuǎn)回到初始位置，稱為一個(gè)正向循環(huán)；多個(gè)連續(xù)的正向循環(huán)組成一個(gè)正向周期，所包含的正向循環(huán)個(gè)數(shù)由稱為正向次數(shù)；以上即為本系統(tǒng)中正向循環(huán)、正向周期及正向次數(shù)的定義；反向循環(huán)、反向周期及反向次數(shù)具有類似定義；每個(gè)循環(huán)開始時(shí)，頂驅(qū)主軸都會(huì)在初始位置延遲一段時(shí)間再開始旋轉(zhuǎn)，延遲轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)間稱為停止時(shí)間(％’)；頂驅(qū)主軸旋轉(zhuǎn)到達(dá)設(shè)定的角度和(或)圈數(shù)時(shí)，頂驅(qū)主軸會(huì)保持一段時(shí)間的靜止，這段達(dá)到扭矩限幅并保持靜止的時(shí)間稱為保持時(shí)間(t0)； 頂驅(qū)(或轉(zhuǎn)盤):為鉆柱提供旋轉(zhuǎn)動(dòng)力，測(cè)量并反饋上部鉆柱的實(shí)時(shí)扭矩；對(duì)于交流變頻頂驅(qū)和電動(dòng)轉(zhuǎn)盤實(shí)施方案，上部鉆柱的扭矩可通過測(cè)量電流得到；對(duì)于液壓頂驅(qū)實(shí)施方案，則通過壓力傳感器測(cè)得； 導(dǎo)向工具(或MWD上的定向傳感器):產(chǎn)生導(dǎo)向馬達(dá)的工具面角信號(hào)；定向傳感器一般采用泥漿脈沖信號(hào)將數(shù)據(jù)回傳到地面，輸出工具面角的數(shù)字量信號(hào)； 司鉆控制臺(tái):在必要時(shí)可切出Sliding控制系統(tǒng)，恢復(fù)正常鉆井； Sliding控制系統(tǒng):預(yù)裝基于本發(fā)明方法的軟件控制程序的工業(yè)PC ;啟動(dòng)控制前向司鉆臺(tái)發(fā)出請(qǐng)求使能信號(hào)，獲得授權(quán)后，控制頂驅(qū)正向或反向旋轉(zhuǎn)，從而達(dá)到本發(fā)明所提出的減小鉆柱粘滯阻力的目的； 工具面角、方位角、井斜和立管泵壓等4個(gè)變量信號(hào)傳輸?shù)降孛婵刂破鬟M(jìn)行運(yùn)算處理；將頂驅(qū)變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的PLC控制器作為地面控制器，與頂驅(qū)原有控制功能無縫結(jié)合。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種控制石油天然氣鉆井減小鉆柱粘滯阻力的方法，其特征在于除了接收上述4個(gè)變量的監(jiān)測(cè)信號(hào)以外，PLC控制器還同時(shí)接收來自Sliding控制系統(tǒng)的用戶輸入信息；Sliding控制系統(tǒng)通過司鉆臺(tái)的預(yù)留接口與頂驅(qū)PLC進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊；提供了導(dǎo)向信息監(jiān)測(cè)、滑動(dòng)鉆進(jìn)參數(shù)設(shè)置、滑動(dòng)控制功能，以及公英制單位轉(zhuǎn)換、多語言界面切換等輔助功能；通過這些功能，允許用戶配置滑動(dòng)控制參數(shù)，控制頂驅(qū)按照設(shè)定的轉(zhuǎn)速和扭矩限定值正向、反向轉(zhuǎn)動(dòng)主軸(及下接鉆柱)，同時(shí)監(jiān)測(cè)扭矩輸出值、工具面角、方位角、井斜、立管泵壓等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)在保持工具面不變的前提下，有效減小鉆柱與井壁間的摩擦阻力，平穩(wěn)鉆壓。
3.根據(jù)權(quán)利要求1和2所述的一種控制石油天然氣鉆井減小鉆柱粘滯阻力的方法，其特征在于手動(dòng)模式:以手動(dòng)模式下的正轉(zhuǎn)控制為例，點(diǎn)選【手動(dòng)啟動(dòng)】一【正轉(zhuǎn)】，按鈕變?yōu)榫G色，頂驅(qū)主軸按照設(shè)定的“正向扭矩”和“正向轉(zhuǎn)速”旋轉(zhuǎn)主軸，到達(dá)設(shè)定“圈數(shù)”和(或)“角度”后，剎車自動(dòng)抱死，頂驅(qū)停止運(yùn)轉(zhuǎn)；點(diǎn)擊【手動(dòng)停止】，按鈕變?yōu)榧t色，切出手動(dòng)滑動(dòng)控制模式；手動(dòng)模式下的反轉(zhuǎn)控制過程與正轉(zhuǎn)控制過程類似； 自動(dòng)模式:在自動(dòng)模式下，本發(fā)明系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的參數(shù)按照程序流程控制頂驅(qū)主軸正向和反向轉(zhuǎn)動(dòng)，具體控制過程如下: 第一步，點(diǎn)擊【自動(dòng)啟動(dòng)】按鈕，按鈕背景變?yōu)榫G色；此時(shí)，系統(tǒng)總是先檢查“正向次數(shù)”，當(dāng)其設(shè)定值大于零時(shí)，進(jìn)入正向周期的第一個(gè)正向循環(huán)，系統(tǒng)按照以下步驟自動(dòng)控制頂驅(qū)主軸旋轉(zhuǎn)； 第二步，延遲“停止時(shí)間”后，頂驅(qū)主軸根據(jù)“設(shè)定圈數(shù)”和(或)“設(shè)定角度”正向旋轉(zhuǎn)，到達(dá)設(shè)定位置或扭矩限幅后，根據(jù)設(shè)定的“保持時(shí)間”保持靜止； 第三步，反向旋轉(zhuǎn)相同圈數(shù)和(或)角度回到初始位置； 第四步，進(jìn)入下一個(gè)正向循環(huán)，重復(fù)第二步和第三步的過程，直到達(dá)到設(shè)定的“正向次數(shù)”，正向周期結(jié)束；系統(tǒng)檢查“反向次數(shù)”的設(shè)定值，當(dāng)其值為零時(shí)，進(jìn)入下一個(gè)正向周期(重復(fù)第二步和第三步)，直到點(diǎn)擊【自動(dòng)停止】(按鈕變?yōu)榧t色)，切出自動(dòng)控制模式；當(dāng)其值大于零時(shí)，進(jìn)入反向周期(第五步); 第五步，頂驅(qū)主軸根據(jù)“設(shè)定圈數(shù)”和(或)“設(shè)定角度”反向旋轉(zhuǎn)，到達(dá)設(shè)定位置或扭矩限幅后，根據(jù)設(shè)定的“保持時(shí)間”保持靜止； 第六步，正向旋轉(zhuǎn)相同圈數(shù)和(或)角度回到初始位置，根據(jù)設(shè)定的“停止時(shí)間”保持靜止; 第七步，進(jìn)入下一個(gè)反向循環(huán)，重復(fù)第五步和第六步的過程，直到達(dá)到設(shè)定的“反向次數(shù)”，反向周期結(jié)束； 第八步，重復(fù)第二步到第七步的過程，直到點(diǎn)擊【自動(dòng)停止】(按鈕變?yōu)榧t色)，切出自動(dòng)控制模式。
【文檔編號(hào)】E21B44/00GK104420861SQ201310371315
【公開日】2015年3月18日 申請(qǐng)日期:2013年8月23日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月23日
【發(fā)明者】鄒連陽, 徐文, 劉新立, 趙靜, 馬瑞, 鄒來方, 汪海閣, 任榮權(quán), 唐純凈, 葛云華, 紀(jì)國(guó)棟 申請(qǐng)人:中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司, 中國(guó)石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院, 北京石油機(jī)械廠