本發(fā)明涉及石油鉆井領(lǐng)域，具體地講，涉及石油鉆井行業(yè)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

背景技術(shù)：
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目前，在鉆井行業(yè)中，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)可以在旋轉(zhuǎn)鉆井過程中根據(jù)軌跡控制需要，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)井斜和方位，從而提高鉆井速度。

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井井下工具的工作機(jī)理都是靠偏置機(jī)構(gòu)使鉆頭或鉆柱發(fā)生方向偏移，從而產(chǎn)生導(dǎo)向。根據(jù)導(dǎo)向方式的不同，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具可以分為推靠式和指向式兩種。推靠式是在鉆頭附近直接給鉆頭提供側(cè)向力，指向式是通過近鉆頭處鉆柱的彎曲使鉆頭指向井眼軌跡控制方向。盡管旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向井下工具的結(jié)構(gòu)和工作方式各自不同, 但不論哪一種工具, 基本上都由測(cè)控系統(tǒng)、偏置機(jī)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等部分組成。

偏置機(jī)構(gòu)的工作方式又可分為靜態(tài)偏置式和動(dòng)態(tài)偏置式兩種。靜態(tài)偏置式是指偏置導(dǎo)向機(jī)構(gòu)在鉆進(jìn)過程中不與鉆柱一起旋轉(zhuǎn)，從而在某一固定方向上提供側(cè)向力；動(dòng)態(tài)偏置式是指偏置導(dǎo)向機(jī)構(gòu)在鉆進(jìn)過程中與鉆柱一起旋轉(zhuǎn)，依靠控制系統(tǒng)使其在某一位置定向支出提供導(dǎo)向力。

測(cè)控系統(tǒng)是旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向井下工具的控制中心，主要包括測(cè)量傳感器、系統(tǒng)控制器、測(cè)量電路及供電系統(tǒng)等，用于系統(tǒng)姿態(tài)參數(shù)測(cè)量、控制方法計(jì)算、控制誤差修正補(bǔ)償、控制量輸出、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、自身狀態(tài)監(jiān)視以及與MWD系統(tǒng)實(shí)時(shí)通訊等。

執(zhí)行機(jī)構(gòu)通常包括液壓泵、控制閥組、導(dǎo)向翼肋、偏心環(huán)機(jī)構(gòu)等，根據(jù)測(cè)控系統(tǒng)和偏置機(jī)構(gòu)的作用，使鉆具產(chǎn)生偏置動(dòng)力，主要利用獨(dú)立液壓系統(tǒng)或鉆井液壓差液壓系統(tǒng)以及機(jī)械系統(tǒng)，為導(dǎo)向翼肋或偏心環(huán)機(jī)構(gòu)提供偏置動(dòng)力。

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)是一個(gè)集機(jī)、電、液于一體的閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具根據(jù)預(yù)定的井眼軌跡和工作參數(shù)，測(cè)量工具的姿態(tài)，在預(yù)定的導(dǎo)向方向產(chǎn)生控制信號(hào)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)快速響應(yīng)，使鉆具按照預(yù)定的軌跡偏移，并由地面控制系統(tǒng)根據(jù)實(shí)時(shí)上傳的井眼軌跡參數(shù)，通過雙向通訊系統(tǒng)，將工具參數(shù)的調(diào)整命令下傳給井下工具，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向鉆井。

由于旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具工作環(huán)境惡劣，其內(nèi)部包含較多的部件，如電子系統(tǒng)部件、液壓泵、泥漿發(fā)電機(jī)、控制電機(jī)、控制閥，在工作過程中，不可避免地會(huì)受到損壞，現(xiàn)有旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具實(shí)時(shí)上傳的主要是井眼軌跡參數(shù)，而由于MWD系統(tǒng)上傳速率的限制，工具的工作狀態(tài)參數(shù)沒有實(shí)時(shí)上傳到地面系統(tǒng)，地面無(wú)法準(zhǔn)確判斷測(cè)控系統(tǒng)、偏置機(jī)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)是否正常工作，只能根據(jù)實(shí)際井眼軌跡參數(shù)與預(yù)定參數(shù)不符這一條件判斷，但這種情況的發(fā)生原因并不一定是工具出現(xiàn)故障，也與地層特性變化或鉆頭等其它井下鉆具性能下降有關(guān)，缺少了對(duì)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具工作狀態(tài)參數(shù)及環(huán)境參數(shù)的監(jiān)控，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具自身工作狀態(tài)的診斷，同時(shí)由于缺乏旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具導(dǎo)向效果與工具工作狀態(tài)參數(shù)及環(huán)境參數(shù)的模型，無(wú)法對(duì)工具的導(dǎo)向效果影響因素進(jìn)行分析，因此當(dāng)實(shí)際井眼軌跡參數(shù)與預(yù)定參數(shù)不符時(shí)，不能準(zhǔn)確判斷原因并進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)調(diào)整，會(huì)造成井眼軌跡控制滯后，嚴(yán)重影響鉆井效率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問題,提供一種高效準(zhǔn)確的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法。

其技術(shù)方案是：

一種旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法，所依據(jù)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括：雙向通訊系統(tǒng)連接的地面系統(tǒng)和井下系統(tǒng)，其中，井下系統(tǒng)包括井下計(jì)算及數(shù)據(jù)處理單元、井下鉆井參數(shù)傳感器、井眼參數(shù)傳感器、定向測(cè)量傳感器和工具狀態(tài)傳感器；其特征是采用上述旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的方法包括如下步驟：

（a）地面系統(tǒng)輸入工具狀態(tài)的參數(shù)建立初始模型數(shù)據(jù)；

（b）井下系統(tǒng)上傳井下工具工作狀態(tài)實(shí)際參數(shù)及環(huán)境參數(shù)，地面系統(tǒng)接收并顯示井下工具工作狀態(tài)實(shí)際參數(shù)及環(huán)境參數(shù)；

（c）地面系統(tǒng)根據(jù)接收到的井下工具工作狀態(tài)實(shí)際參數(shù)及環(huán)境參數(shù)對(duì)模型數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)更新；

（d）地面系統(tǒng)根據(jù)更新后的模型數(shù)據(jù)下傳指令。

上述方案進(jìn)一步包括：

步驟（a）所述的參數(shù)包括地面刻度得到的電機(jī)轉(zhuǎn)速、壓力/推靠力，并基于地面測(cè)試結(jié)果及區(qū)塊導(dǎo)向能力地層適應(yīng)性建立模型數(shù)據(jù)；步驟（b）所述的井下工作狀態(tài)實(shí)際參數(shù)包括井下工具測(cè)量得到的工具面/外套轉(zhuǎn)速、電機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)電壓、壓力/推靠力，所述的環(huán)境參數(shù)包括地層特性、定向測(cè)量參數(shù)、井眼幾何參數(shù)、井下鉆井參數(shù)；步驟（c）地面系統(tǒng)將接收到的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具自身的狀態(tài)參數(shù)和環(huán)境參數(shù)與之前建立的初始模型數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)比對(duì)處理，比較理論造斜率與實(shí)際造斜率，計(jì)算鉆井參數(shù)，然后調(diào)整井下鉆井參數(shù)、地面鉆井參數(shù)及定向儀器校正的鉆井方向，調(diào)整后再次比較理論造斜率與實(shí)際造斜率，更新模型，重復(fù)上面的步驟直到理論造斜率與實(shí)際造斜率控制在一個(gè)預(yù)定義的誤差范圍內(nèi)；步驟（d）所述的模型數(shù)據(jù)包括工具自身狀態(tài)參數(shù)及鉆井參數(shù)，其中工具自身狀態(tài)參數(shù)包括電機(jī)轉(zhuǎn)速、壓力/推靠力，鉆井參數(shù)包括轉(zhuǎn)速、鉆壓、流量、泥漿密度、泥漿粘度。

所述的定向測(cè)量參數(shù)包括底部鉆具組合姿態(tài)、井斜、方位、鉆頭方向以及鉆頭x、y、z軸真實(shí)姿態(tài)；所述的井眼幾何參數(shù)包括井眼尺寸、溫度、壓力；所述的井下鉆井參數(shù)包括鉆壓、扭矩、內(nèi)外環(huán)空壓力、轉(zhuǎn)速。

建立造斜率理論模型如下：

比較理論造斜率與實(shí)際造斜率公式：

其中，為理論造斜率，為實(shí)際造斜率，m為加權(quán)系數(shù)，n為修正值。

井下工具工作狀態(tài)實(shí)際參數(shù)及環(huán)境參數(shù)定時(shí)上傳。對(duì)于工具工作狀態(tài)參數(shù)和環(huán)境參數(shù)中變化緩慢的參數(shù)采用相對(duì)較長(zhǎng)的時(shí)間間隔上傳一次數(shù)據(jù)，包括工具面/外套轉(zhuǎn)速；對(duì)于直接反應(yīng)工具工作狀態(tài)的參數(shù)及環(huán)境參數(shù)采用相對(duì)較短的時(shí)間間隔上傳一次數(shù)據(jù)，包括電機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)電壓、推靠力。

步驟（b）所述的地面系統(tǒng)顯示工具的工作狀態(tài)及環(huán)境參數(shù)并進(jìn)行預(yù)警，包括對(duì)地面及井下工具面/外套轉(zhuǎn)速、電機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)電壓、壓力/推靠力進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)值顯示，對(duì)鉆壓、扭矩、轉(zhuǎn)速、流量、壓力、機(jī)械鉆速、井斜、方位、溫度、井眼尺寸進(jìn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)顯示；另外，地面系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)速、鉆壓、流量、泥漿密度、泥漿粘度的控制；地面系統(tǒng)根據(jù)監(jiān)測(cè)到的參數(shù)，利用包括專家系統(tǒng)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的人工智能方法進(jìn)行智能故障診斷，分析診斷結(jié)果可信度，并給出相應(yīng)的推薦措施進(jìn)行故障處理。

針對(duì)鉆壓、扭矩、轉(zhuǎn)速、流量、壓力、機(jī)械鉆速、井斜、方位、溫度、井眼尺寸的顯示采用不同顏色指示燈的方式進(jìn)行顯示。

本發(fā)明的方法通過對(duì)井下工具測(cè)量得到的工具面/外套轉(zhuǎn)速、電機(jī)轉(zhuǎn)速、壓力/推靠力等工作狀態(tài)實(shí)際參數(shù)及定向測(cè)量參數(shù)、井眼幾何參數(shù)、井下鉆井參數(shù)等環(huán)境參數(shù)的定時(shí)上傳，地面系統(tǒng)顯示工具的工作狀態(tài)，將井下工作狀態(tài)實(shí)際參數(shù)與參數(shù)模型數(shù)據(jù)對(duì)比，實(shí)現(xiàn)對(duì)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具監(jiān)測(cè)及智能故障診斷的目的，同時(shí)該方法通過井下工作狀態(tài)參數(shù)結(jié)合輸入的工具狀態(tài)參數(shù)模型數(shù)據(jù)及實(shí)際工具導(dǎo)向效果，可對(duì)模型進(jìn)行實(shí)時(shí)更新，從而更好地指導(dǎo)井下旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具工作，實(shí)現(xiàn)更好的導(dǎo)向效果。

附圖說明

圖1是旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)井下工作示意圖。

圖2是外套可控靜態(tài)推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具示意圖。

圖3是旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)雙向通訊系統(tǒng)示意圖。

圖4是旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法形成的地面監(jiān)控界面圖。

圖5是旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法中的地質(zhì)導(dǎo)向模型建立及更新過程示意圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整的描述。

如圖所示，地面上的鉆機(jī)系統(tǒng)1帶動(dòng)方鉆桿2、鉆桿3、底部鉆具組合4等井下鉆具，使其深入到井眼5中。其中，底部鉆具組合包括鉆頭6、泥漿馬達(dá)9、柔性鉆桿10。MWD及LWD儀器8用于測(cè)量井斜、方位等井眼軌跡狀態(tài)，以及地層的伽馬、電阻率、中子、密度等參數(shù)，用來(lái)區(qū)分地層的巖性，確定油氣層位置。這些儀器之間彼此相互連接在一起，所有測(cè)量信息由MWD儀器通過泥漿脈沖壓力波、電磁波等方式傳輸?shù)孛妗?/p>

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具7安裝在泥漿馬達(dá)和柔性鉆桿下部，由泥漿馬達(dá)進(jìn)一步提高鉆頭的轉(zhuǎn)速。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具外套上通常安裝3個(gè)翼肋11，可以在各自預(yù)定的方向向外伸出，并對(duì)井壁施加預(yù)定大小的力，由于井壁的反作用力，產(chǎn)生的合力矢量使工具的軸線偏離井眼軸線，從而實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具與地面之間通過專門裝置，或直接由MWD儀器實(shí)現(xiàn)雙向通訊，使地面可以下傳控制指令和導(dǎo)向參數(shù)，井下工具也可將其工作狀態(tài)參數(shù)上傳至地面。

如圖2所示，外套可控靜態(tài)推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具包含一個(gè)中心有孔的芯軸12和外套14，芯軸從外套中間穿過。外套與芯軸之間、靠近外套上下端部分別安裝有軸承組件17。芯軸上部通過螺紋可與動(dòng)力鉆具等其他鉆具連接，下部可通過轉(zhuǎn)換接頭與鉆頭相連，外套由轉(zhuǎn)換接頭壓緊。動(dòng)力鉆具等其他鉆具帶動(dòng)芯軸旋轉(zhuǎn)，泥漿經(jīng)過芯軸的中心孔通向鉆頭。在外套表面沿圓周方向均勻安裝一組翼肋11，通常采用三個(gè)或多個(gè)翼肋，翼肋可伸縮。翼肋驅(qū)動(dòng)裝置可采用液壓系統(tǒng)16或泥漿驅(qū)動(dòng)方式。在外套內(nèi)部密封安裝有測(cè)量控制單元15。測(cè)量控制單元主要包括三軸加速度傳感器、測(cè)量處理電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、控制器等。在旋轉(zhuǎn)軸和外套之間安裝電能及信號(hào)傳輸裝置13，采用非接觸式電能感應(yīng)傳輸方式供給旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具。

如圖3所示，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向雙向通訊系統(tǒng)主要由井下系統(tǒng)和地面系統(tǒng)兩部分構(gòu)成，其中，井下系統(tǒng)將井下工作狀態(tài)實(shí)際參數(shù)及環(huán)境參數(shù)根據(jù)需要進(jìn)行定時(shí)上傳，地面系統(tǒng)根據(jù)更新后的模型數(shù)據(jù)調(diào)整井下鉆井參數(shù)、地面鉆井參數(shù)及定向儀器校正的鉆井方向并通過指令下傳。輸入工具狀態(tài)的參數(shù)模型數(shù)據(jù)包括地面刻度得到的電機(jī)轉(zhuǎn)速、壓力/推靠力。井下工具工作狀態(tài)傳感器18提供井下工具測(cè)量得到的實(shí)際參數(shù)，包括工具面/外套轉(zhuǎn)速、電機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)電壓、壓力/推靠力。定向傳感器19提供各種定向測(cè)量參數(shù)，包括底部鉆具組合姿態(tài)、井斜、方位、鉆頭方向以及鉆頭x、y、z軸真實(shí)姿態(tài)。井眼參數(shù)傳感器20提供井眼幾何參數(shù)，包括井眼尺寸、溫度、壓力等；井下鉆井參數(shù)傳感器21提供各種井下鉆井參數(shù)，包括鉆壓、扭矩、內(nèi)外環(huán)空壓力、轉(zhuǎn)速、流速。井下計(jì)算及數(shù)據(jù)處理設(shè)備（也稱單元）22負(fù)責(zé)對(duì)與鉆井系統(tǒng)相關(guān)的各種井下參數(shù)進(jìn)行處理。地面控制單元（也稱地面系統(tǒng)）23包括一臺(tái)計(jì)算機(jī)用于接收來(lái)自鉆具組合的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)與鉆具組合進(jìn)行數(shù)據(jù)和信號(hào)通訊，通訊設(shè)備提供地面和井下鉆具組合間的雙向通訊。

如圖4所示，地面監(jiān)控顯示系統(tǒng)由工具狀態(tài)參數(shù)及環(huán)境參數(shù)監(jiān)控、工具智能故障診斷兩部分組成。其中，地面監(jiān)控系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速、鉆壓、流量、泥漿密度、泥漿粘度的控制，對(duì)地面及井下工具面/外套轉(zhuǎn)速、電機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)電壓、壓力/推靠力進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)值顯示，對(duì)鉆壓、扭矩、轉(zhuǎn)速、流量、壓力、機(jī)械鉆速、井斜、方位、溫度、井眼尺寸進(jìn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)顯示。采用紅黃綠燈的形式對(duì)鉆具組合狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行顯示，其中綠燈表示參數(shù)處于期望值范圍內(nèi)，黃燈表示功能障礙已存在但不嚴(yán)重為警告信號(hào)，紅燈表示功能障礙已非常嚴(yán)重，必須采取措施加以修正。地面監(jiān)控系統(tǒng)通過對(duì)井下鉆井參數(shù)、地層特性、定向測(cè)量參數(shù)、井眼幾何參數(shù)的監(jiān)控，利用專家系統(tǒng)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等人工智能方法進(jìn)行智能故障診斷，分析診斷結(jié)果可信度，并給出相應(yīng)的推薦措施進(jìn)行故障處理。

如圖5所示，參數(shù)模型的建立是基于地面測(cè)試結(jié)果及區(qū)塊導(dǎo)向能力地層適應(yīng)性。經(jīng)過分析，造斜率與壓力/推靠力、地層特性、定向測(cè)量參數(shù)、井眼幾何參數(shù)、井下鉆井參數(shù)有關(guān)，建立造斜率理論模型如下：

比較理論造斜率與實(shí)際造斜率公式：

其中，為理論造斜率，為實(shí)際造斜率，m為加權(quán)系數(shù)，n為修正值。

地面系統(tǒng)將接收到的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具自身的狀態(tài)參數(shù)包括工具面/外套轉(zhuǎn)速、電機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)電壓、壓力/推靠力與環(huán)境參數(shù)包括地層特性、定向測(cè)量參數(shù)、井眼幾何參數(shù)、井下鉆井參數(shù)匯集到處理器，由處理器中之前建立的初始模型進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，比較理論造斜率與實(shí)際造斜率，計(jì)算鉆井參數(shù)，然后調(diào)整井下鉆井參數(shù)、地面鉆井參數(shù)及定向儀器校正的鉆井方向，調(diào)整后再次比較理論造斜率與實(shí)際造斜率，更新模型，重復(fù)上面的步驟直到理論造斜率與實(shí)際造斜率控制在一個(gè)預(yù)定義的誤差范圍內(nèi)。