一种基于井底钻压的自动送钻系统及控制方法技术方案

一种基于井底钻压的自动送钻系统及控制方法，包括天车和位于天车下部的大钩，天车和大钩之间通过钢丝绳连接，大钩下方设置有水龙头，水龙头和钻杆通过方钻杆相连，钢丝绳一端与绞车相连，另一端固定在地面上，绞车和带电机的差速器相连，绞车上设置有位移传感器；大钩上设置大钩载荷传感器，钢丝绳上安装有死绳传感器，大钩载荷传感器、死绳传感器和位移传感器将检测到的信息传递给信号放大器，信号放大器与信号采集器相连，司钻偏房计算机接收信息并进行信号处理，根据给定井底钻压计算地面的待输入的目标钻压；司钻偏房计算机通过控制带电机的差速器来控制调节绞车转速，从而实现精确控制井底钻压并进行自动送钻的基于井底钻压的自动送钻系统。

An Automatic Drilling System and Control Method Based on Bottom-hole Drilling Pressure

An automatic drilling system and control method based on bottom hole drilling pressure include crane and hook located at the lower part of crane, crane and hook are connected by wire rope, water tap and drill pipe are connected by square drill pipe, one end of wire rope is connected with winch, the other end is fixed on the ground, winch and differential with motor are connected, winch is equipped with water tap. Displacement transducer; hook load transducer is installed on hook, dead rope transducer is installed on wire rope, hook load transducer, dead rope transducer and displacement transducer transmit the detected information to signal amplifier, signal amplifier is connected with signal collector, driller's computer receives information and carries out signal processing, and calculates the ground input according to the given bottom hole drilling pressure. The computer of driller's offset room controls the speed of winch by controlling the differential with motor, so as to realize the automatic drilling system based on bottom hole drilling pressure, which precisely controls bottom hole drilling pressure and automatically delivers drilling.

【技术实现步骤摘要】
一种基于井底钻压的自动送钻系统及控制方法
本专利技术涉及石油钻机的送钻系统领域，特别涉及一种基于井底钻压的自动送钻系统及控制方法。
技术介绍
在石油天然气钻井领域中，钻头的性能主要通过机械钻速评判，井底钻压是影响机械钻速的主要参数。因此，为了优化钻头的机械钻速、减少钻头磨损、提高钻井效率和降低钻井成本，必须获得准确的井底钻压。现有恒钻压自动送钻系统的主要缺点：1)目前给定自动送钻系统的钻压值是根据司钻经验或者繁琐的试钻得到的，准确性较差。2)在钻井过程中，特别是在水平井的钻井过程中，其水平井段摩阻大、不易施加钻头载荷，导致地面钻压和井底钻压相差较大，因此无法获得准确的井底钻压、更无法给定一个精确的井底钻压。3)由于无法施加准确的井底钻压，导致实际井底钻压与理想值有偏差。较小的钻压会制约钻头性能的发挥，甚至出现较低的破岩效率；过大的井底钻压则会导致钻头磨损加大、寿命变短。因此过大、过小的钻压对钻井作业都是很不利的。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种基于井底钻压的自动送钻系统及控制方法，以实现精确控制井底钻压、基于井底钻压的自动送钻系统。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种基于井底钻压的自动送钻系统，包括天车1和位于天车1下部的大钩2，天车1和大钩2之间通过钢丝绳3连接，大钩2下方设置有水龙头13，水龙头13和钻杆7通过方钻杆相连，钻杆7端部设置有钻头9，钢丝绳3一端与位于水平面上的绞车4相连，另一端固定在地面上，绞车4和带电机的差速器19相连，绞车4上设置有位移传感器18；所述的大钩2上设置有用于监测大钩2压力的大钩载荷传感器14，所述的固定在地面上的钢丝绳3上安装有死绳传感器11；大钩载荷传感器14、死绳传感器11和位移传感器18将检测到的信息传递给信号放大器15，信号放大器15与信号采集器17相连，司钻偏房计算机6接受信号并进行信号处理；司钻偏房计算机6用带电机的差速器19控制调节绞车4转速。所述的绞车4上安装有刹车5。所述的钻杆7通过接头8相连且在钻杆7上设置有扶正器10。所述的信号采集器17通过设备电子钻井记录仪EDR16采集钻井参数及井眼轨迹参数。一种基于井底钻压的自动送钻系统的控制方法，包括以下步骤：(1)数据采集：通过信号采集器17和电子钻井记录仪EDR16采集钻井参数及井眼轨迹参数，如钻压、转速、井深、钻头位置、泥浆密度、井斜角、井偏角、方位角等，为精确恒井底钻压自动送钻采集相关数据，为后面计算摩擦因数和地面钻压提供相关参数，为高效、安全钻井提供参照；(2)给定井底钻压目标：将钻头9的生产厂家推荐钻压值确定为可以发挥钻头性能的井底钻压值；(3)计算摩擦因数：司钻偏房计算机6通过电子钻井记录仪EDR16获得实时参数，并计算得到井下钻具组合的摩擦因数；(4)计算地面钻压：该系统基于摩擦因数和摩阻扭矩模型，经过计算得到可以维持恒井底钻压送钻的精确的地面钻压值；(5)精确控制井底钻压：该司钻偏房计算机6控制绞车4转速以精确地输入地面钻压，从而达到精确控制井底钻压的目的；(6)实时调整地面钻压值：随着钻进情况的变化，摩擦因数也会发生改变，故每下完一根钻杆7或者立根，就重复步骤(3)至步骤(5)；所述步骤(3)计算摩擦因数：假定一个初始摩擦因数μ，利用摩阻扭矩模型计算大钩载荷HLc；比较计算值HLc与已知大钩载荷HLa，已知的大钩载荷HLa是对直接测出的大钩载荷去除钻井绳与滑轮的摩擦修正得到的，若计算值与修正的测量值很接近，即小于给定的容差ε(绝对误差小于0.001)，则认为假定的摩擦因数为所求；否则重新假设摩擦因数，再次计算大钩载荷HLc、直到满足精度要求；所述步骤(4)计算地面钻压：结合步骤(2)给定的井底钻压值和步骤(3)计算得到的摩擦因数，再利用摩阻扭矩模型将井下钻具组合分为一段一段的钻具单元，从钻头开始向上计算钻压，从下向上不断叠加计算直至得到应该实时输入的地面钻压值，其中摩阻扭矩模型表达式如下：斜直井段：Ft＝βwΔL(cosα±μsinα)+Fb(1)弯曲井段钻柱受拉时：弯曲井段钻柱受压时：其中：式中，Ft为钻柱单元上端受力，N；β为浮力系数；w为单位长度钻柱的重量，N/m；ΔL为钻柱单元长度，m；αt,αb为井斜角，rad；μ为摩擦因数；Fb为钻柱单元下端受压力，N；θ为狗腿角，rad；φt,φb为方位角，rad；Fn为钻柱法向力，N。所述的步骤(5)精确控制井底钻压：集成在司钻偏房计算机6的自动送钻系统的软件部分在计算得到应该实时输入的精确的地面钻压之后(给定精度为相对误差小于0.01)，司钻偏房计算机6可以通过计算机控制单元控制带电机的差速器19来控制刹车5以调节绞车4的转速，从而可以通过调整大钩载荷来控制地面钻压，之后钢丝绳3上的死绳传感器11将信息通过信号采集器17将大钩载荷信息反馈到计算机控制单元，用以判断实时的地面钻压是否等于计算得到的输入钻压。如果不相等，就继续调整大钩载荷直至相等；如果两者相等，就维持大钩载荷恒定，井下钻具组合持续稳定钻进；所述的步骤(6)实时调整地面钻压：每下完一根钻杆7或者立根，就重复步骤(3)到步骤(5)，计算得到摩擦因数，调整大钩载荷，直到计算得到的输入钻压与实测的地面钻压相同，进而维持井下钻具组合稳定钻进，最终达到实时和精确控制井底钻压的目的。所述的井下钻具组合包括钻杆7，接头8，钻头9和扶正器10。本专利技术具有下列的有益效果：1、实现了恒井底钻压自动送钻功能；2、计算摩擦因数和地面目标钻压的软件系统可直接集成于常规自动送钻系统，不需要改变常规自动送钻系统的结构，节约了成本；3、精确且实时地进行恒井底钻压自动送钻，可以有效地提高钻井效率；4、可以实时显示井底钻压、钻头扭矩，也可以显示其他重要钻井参数，如：钻柱所受的最大压力、钻头深度、井底深度。附图说明图1是集成了基于井底钻压的自动送钻系统的钻井平台图。图2是基于井底钻压的自动送钻系统流程图。图3为系统的软件输出平台。图4为计算摩擦因数流程图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步详细说明。如图1所示：一种基于井底钻压的自动送钻系统，包括天车1和位于天车1下部的大钩2，天车1和大钩2之间通过钢丝绳3连接，大钩2下方设置有水龙头13，水龙头13和钻杆7通过方钻杆相连，钻杆7端部设置有钻头9，钢丝绳3一端与位于水平面上的绞车4相连，另一端固定在地面上，绞车4和带电机的差速器19相连，绞车4上设置有位移传感器18；所述的大钩2上设置有用于监测大钩2压力的大钩载荷传感器14，所述的固定在地面上的钢丝绳3上安装有死绳传感器11；大钩载荷传感器14、死绳传感器11和位移传感器18将检测到的信息传递给信号放大器15，信号放大器15与信号采集器17相连，司钻偏房计算机6接收信息并进行信号处理；司钻偏房计算机6用带电机的差速器19来控制调节绞车4转速。所述的绞车4上安装有刹车5。所述的钻杆7通过接头8相连且在钻杆7上设置有扶正器10。所述的信号采集器17通过设备电子钻井记录仪EDR16采集钻井参数及井眼轨迹参数。一种基于井底钻压的自动送钻系统的控制方法，包括以下步骤：(1)数据采集：通过信号采集器17和电子钻井记录仪EDR16采集钻井参数及井眼轨迹参数,如钻压、本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于井底钻压的自动送钻系统，其特征在于，包括天车(1)和位于天车(1)下部的大钩(2)，天车(1)和大钩(2)之间通过钢丝绳(3)连接，大钩(2)下方设置有水龙头(13)，水龙头(13)和钻杆(7)通过方钻杆相连，钻杆(7)端部设置有钻头(9)，钢丝绳(3)一端与位于水平面上的绞车(4)相连，另一端固定在地面上，绞车(4)和带电机的差速器(19)相连，绞车(4)上设置有位移传感器(18)；所述的大钩(2)上设置有用于监测大钩(2)压力的大钩载荷传感器(14)，所述的固定在地面上的钢丝绳(3)上安装有死绳传感器(11)；大钩载荷传感器(14)、死绳传感器(11)和位移传感器(18)将检测到的信息传递给信号放大器(15)，信号放大器(15)与信号采集器(17)相连，司钻偏房计算机(6)接收信息并进行信号处理；司钻偏房计算机(6)用带电机的差速器(19)控制调节绞车(4)转速。

【技术特征摘要】
1.一种基于井底钻压的自动送钻系统，其特征在于，包括天车(1)和位于天车(1)下部的大钩(2)，天车(1)和大钩(2)之间通过钢丝绳(3)连接，大钩(2)下方设置有水龙头(13)，水龙头(13)和钻杆(7)通过方钻杆相连，钻杆(7)端部设置有钻头(9)，钢丝绳(3)一端与位于水平面上的绞车(4)相连，另一端固定在地面上，绞车(4)和带电机的差速器(19)相连，绞车(4)上设置有位移传感器(18)；所述的大钩(2)上设置有用于监测大钩(2)压力的大钩载荷传感器(14)，所述的固定在地面上的钢丝绳(3)上安装有死绳传感器(11)；大钩载荷传感器(14)、死绳传感器(11)和位移传感器(18)将检测到的信息传递给信号放大器(15)，信号放大器(15)与信号采集器(17)相连，司钻偏房计算机(6)接收信息并进行信号处理；司钻偏房计算机(6)用带电机的差速器(19)控制调节绞车(4)转速。2.根据权利要求1所述的一种基于井底钻压的自动送钻系统，其特征在于，所述的绞车(4)上安装有刹车(5)。3.根据权利要求1所述的一种基于井底钻压的自动送钻系统，其特征在于，所述的钻杆(7)通过接头(8)相连且在钻杆(7)上设置有扶正器(10)。4.根据权利要求1所述的一种基于井底钻压的自动送钻系统，其特征在于，所述的信号采集器(17)通过设备电子钻井记录仪EDR(16)采集钻井参数及井眼轨迹参数。5.一种基于井底钻压的自动送钻系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤；(1)数据采集：通过信号采集器(17)和电子钻井记录仪EDR(16)采集钻井参数及井眼轨迹参数；(2)给定井底钻压目标：将钻头(9)的生产厂家推荐钻压值确定为可以发挥钻头性能的井底钻压值；(3)计算摩擦因数：司钻偏房计算机(6)通过电子钻井记录仪EDR(16)获得实时参数，并计算得到井下钻具组合的摩擦因数；(4)计算地面钻压：该系统基于摩擦因数和摩阻扭矩模型，经过计算得到可以维持恒井底钻压送钻的精确的地面钻压值；(5)精确控制井底钻压：该司钻偏房计算机6通过控制绞车4转速以精确地输入地面钻压；(6)实时调整地面钻压值：随着钻进情况的变化，摩擦因数也会发生改变，故每下完一根钻杆(7)或者立根，就重复步骤(3)至步骤(5)。6.根据权利要求5所述的一种基于井底钻压的自动送钻系统的控制方法，其特征在于，所述的步骤(3)计算摩擦因数的具体步...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴泽兵，潘玉杰，郭龙龙，张帅，王勇勇，王文娟，吕澜涛，张文超，黄海，莫克塔里·德南，赵海超，周珂飞，郑维新，
申请(专利权)人：西安石油大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61