本發(fā)明涉及石油鉆井領(lǐng)域，具體是一種鉆井參數(shù)自動優(yōu)化的VFD控制系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

目前的鉆機(jī)只是一個執(zhí)行機(jī)構(gòu)，需要司鉆根據(jù)鉆井工程師的鉆前優(yōu)化結(jié)果設(shè)定鉆井參數(shù)，如泵沖（排量）、頂驅(qū)轉(zhuǎn)速、鉆壓等，鉆機(jī)自身還無法實(shí)時優(yōu)化這些鉆井參數(shù)，而未來的鉆井技術(shù)必然走向自動化、智能化。根據(jù)鉆井工況的變化，鉆井參數(shù)的實(shí)時（閉環(huán)）優(yōu)化功能將是對鉆井設(shè)備的必然要求。鉆井參數(shù)的優(yōu)化屬于鉆井工程范疇，符合“互聯(lián)網(wǎng)+設(shè)備制造”的理念，即設(shè)備制造向服務(wù)拓展延伸。當(dāng)前的鉆機(jī)系統(tǒng)是以最低成本為目標(biāo)的鉆前優(yōu)化為主，鉆井參數(shù)的優(yōu)化主要是鉆井工程師以最低成本模式為目標(biāo)的鉆前優(yōu)化，還沒有實(shí)現(xiàn)根據(jù)鉆井工況的變化實(shí)時優(yōu)化，鉆井參數(shù)的實(shí)時優(yōu)化還處于研究探索階段。

公開號為CN103046918A的中國專利公開了一種鉆井參數(shù)優(yōu)化的方法和裝置，屬于石油鉆探領(lǐng)域。本發(fā)明實(shí)施例包括：獲取實(shí)時的鉆井參數(shù)；根據(jù)獲取的所述鉆井參數(shù)，實(shí)時的計(jì)算虛擬強(qiáng)度指數(shù)；根據(jù)所述虛擬強(qiáng)度指數(shù)，調(diào)整所述鉆井參數(shù)降低虛擬強(qiáng)度指數(shù)；其中，所述鉆井參數(shù)具體為：轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速、扭矩、鉆壓、機(jī)械鉆速、泥漿泵排量、鉆頭壓力降等鉆井參數(shù)。本發(fā)明實(shí)施例通過實(shí)時的地質(zhì)環(huán)境變化反饋的鉆井參數(shù)，并實(shí)時計(jì)算得到虛擬強(qiáng)度指數(shù)VSI，根據(jù)與真實(shí)強(qiáng)度指數(shù)相關(guān)的虛擬強(qiáng)度指數(shù)VSI，實(shí)時調(diào)整鉆井參數(shù)使得虛擬強(qiáng)度指數(shù)VSI，從而使得鉆頭切削效率一直處于盡可能的最佳狀態(tài)，提高了鉆井效率。該專利所述的計(jì)算虛擬強(qiáng)度指數(shù)與本發(fā)明基于機(jī)械比能計(jì)算的技術(shù)方案不同。

公開號為CN103790568A的中國專利公開了一種鉆井參數(shù)與效率實(shí)時優(yōu)化方法，首先進(jìn)行鉆井取芯，利用步驟A中的方法建立巖石強(qiáng)度模型，根據(jù)鉆井液密度、性質(zhì)及地層孔隙壓力，判斷為哪一種鉆井方式，如果為氣體鉆井則可以直接使用單軸抗壓強(qiáng)度，否則計(jì)算井底圍壓條件下巖石強(qiáng)度，利用錄井資料計(jì)算鉆頭機(jī)械比能，將計(jì)算得到的鉆頭機(jī)械比能與井底圍壓下巖石強(qiáng)度作對比。本發(fā)明建立的模型能夠找出鉆壓、轉(zhuǎn)速等鉆井參數(shù)的臨界失效點(diǎn)，能夠起到實(shí)時優(yōu)化鉆井參數(shù)的目的，使得鉆井能力在鉆井現(xiàn)有的基礎(chǔ)上得到有效的提升。該專利建立的巖石強(qiáng)度模型與本發(fā)明不同，本發(fā)明綜合鉆井水力學(xué)參數(shù)、機(jī)械參數(shù)、鉆井比能理論、最優(yōu)化鉆井參數(shù)、鉆頭實(shí)時評價參數(shù)等對鉆井過程中的低效狀態(tài)進(jìn)行識別，分析并提出實(shí)時的優(yōu)化方案提高了鉆井效率。

公開號為CN101899969A的中國專利公開了一種實(shí)時實(shí)地全參數(shù)優(yōu)化鉆井方法，其主要包括水力優(yōu)化、鉆壓優(yōu)化及轉(zhuǎn)速優(yōu)化三部分。該法通過實(shí)地測量出的泵排量和泵壓的關(guān)系來確定最優(yōu)的水力參數(shù)，以及選定鉆頭噴嘴的尺寸，在此前提條件下，再通過實(shí)時觀測在調(diào)整鉆壓和轉(zhuǎn)速時鉆頭所作的單位破巖功的變化以確定關(guān)于當(dāng)前鉆進(jìn)地層的最佳鉆壓和轉(zhuǎn)速。鉆井現(xiàn)場施工人員據(jù)此可以對鉆井水力、鉆壓和轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時和實(shí)地優(yōu)化，從而最大化鉆井效率，最大化鉆井機(jī)械鉆速，并提高鉆頭的使用壽命或單只鉆頭進(jìn)尺。該專利不能引導(dǎo)司鉆進(jìn)行自動和手動選擇優(yōu)化，并且與本發(fā)明基于機(jī)械比能的計(jì)算進(jìn)行優(yōu)化的技術(shù)方案不同。

目前鉆井參數(shù)的優(yōu)化，還沒有實(shí)現(xiàn)根據(jù)鉆井工況的變化進(jìn)行實(shí)時優(yōu)化，現(xiàn)有的優(yōu)化過程效率低，鉆頭磨損嚴(yán)重。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，基于機(jī)械比能概念的優(yōu)化方法以提高鉆機(jī)的智能化水平，提供一種鉆井參數(shù)自動優(yōu)化的VFD控制系統(tǒng)及方法，以至少達(dá)到提高鉆井效率、減少鉆頭磨損量、預(yù)測井下工況、預(yù)防鉆井事故和降低鉆井成本的效果。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的：一種鉆井參數(shù)自動優(yōu)化的VFD控制系統(tǒng)，它包括可編程控制器PLC子系統(tǒng)、控制顯示屏、變頻器VFD和電機(jī)，所述的可編程控制器PLC子系統(tǒng)實(shí)時采集鉆井?dāng)?shù)據(jù)，并計(jì)算和分析各種數(shù)據(jù)，作為優(yōu)化操作的依據(jù)，所述的控制顯示屏能夠訪問所述可編程控制器PLC子系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)頁面，顯示各種參數(shù)，能夠自動進(jìn)行優(yōu)化操作，所述的變頻器VFD接收所述可編程控制器子系統(tǒng)的控制命令，控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。

所述的控制顯示屏能夠顯示地層巖性、巖石強(qiáng)度、機(jī)械比能、鉆速、扭矩、鉆壓的數(shù)據(jù)以及相應(yīng)的趨勢圖；顯示鉆井參數(shù)、操作提示和優(yōu)化狀態(tài)；顯示手動或自動優(yōu)化鉆井參數(shù)。

所述可編程控制器PLC子系統(tǒng)包括網(wǎng)絡(luò)頁面，網(wǎng)絡(luò)頁面顯示各種參數(shù)，還能夠根據(jù)顯示提示司鉆操作。

一種VFD控制系統(tǒng)鉆井參數(shù)的自動優(yōu)化方法，它包括以下步驟：

初始化，輸入基礎(chǔ)參數(shù)；

根據(jù)是否有鄰井?dāng)?shù)據(jù)，來裝載臨井?dāng)?shù)據(jù)，并進(jìn)行鉆前預(yù)測；

啟動優(yōu)化過程；

根據(jù)當(dāng)前鉆壓、轉(zhuǎn)速和泵沖給定，計(jì)算機(jī)械比能參數(shù)；

當(dāng)有鄰井?dāng)?shù)據(jù)時，根據(jù)當(dāng)前數(shù)據(jù)與鄰井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行比較，若鄰井?dāng)?shù)據(jù)更優(yōu)，將使用鄰井的鉆壓、轉(zhuǎn)速和泵沖給定作為下一個給定，若當(dāng)前數(shù)據(jù)更優(yōu)，將保持當(dāng)前給定；

當(dāng)無鄰井?dāng)?shù)據(jù)時，進(jìn)行鉆井狀態(tài)檢測，根據(jù)狀態(tài)檢測結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的處理，完成優(yōu)化。

進(jìn)一步的，鉆井參數(shù)優(yōu)化過程中，需要實(shí)時預(yù)測下一步鉆壓、轉(zhuǎn)速和泵沖的給定值，可通過鉆壓、轉(zhuǎn)速和泵沖的各種組合給定，并實(shí)時采集鉆井?dāng)?shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)械比能、鉆頭磨損、液壓比能、成本、鉆壓與鉆速的斜率參數(shù)，進(jìn)行比較，得出最優(yōu)給定值。

進(jìn)一步的，在鉆井參數(shù)優(yōu)化中，能夠選擇手動優(yōu)化或自動優(yōu)化。

所述的狀態(tài)檢測結(jié)果包括狀態(tài)0、狀態(tài)1、狀態(tài)2、狀態(tài)3、狀態(tài)4，狀態(tài)0代表正檢測，狀態(tài)1代表已最優(yōu)，狀態(tài)2代表換底層，狀態(tài)3代表穿夾層，狀態(tài)4代表鉆頭壞或已磨損，其中狀態(tài)2和狀態(tài)3需要進(jìn)一步優(yōu)化來更準(zhǔn)確地判斷相應(yīng)的狀態(tài)，狀態(tài)4需要起鉆來更換鉆頭。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明綜合鉆井水力學(xué)參數(shù)、機(jī)械參數(shù)、鉆井比能理論、最優(yōu)化鉆井參數(shù)、鉆頭實(shí)時評價參數(shù)等對鉆井過程中的低效狀態(tài)進(jìn)行識別，分析并提出實(shí)時優(yōu)化方案，提高鉆井效率，輔助判斷井下出現(xiàn)的復(fù)雜狀況，預(yù)測井下工況，包括鉆頭泥包、鉆具震動、井底泥包、鉆頭鈍化等工況，可以減少井下事故發(fā)生，提高鉆井效率，減少鉆頭磨損量，降低鉆井成本。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的鉆井參數(shù)優(yōu)化流程圖；

圖2為本發(fā)明的可編程控制器PLC子系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)頁面。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖進(jìn)一步詳細(xì)描述本發(fā)明的技術(shù)方案，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不局限于以下所述。

一種鉆井參數(shù)自動優(yōu)化的VFD控制系統(tǒng)，它包括可編程控制器PLC子系統(tǒng)、控制顯示屏、變頻器VFD和電機(jī)，所述的可編程控制器PLC子系統(tǒng)實(shí)時采集鉆井?dāng)?shù)據(jù)，并計(jì)算和分析各種數(shù)據(jù)，作為優(yōu)化操作的依據(jù)，所述的控制顯示屏能夠訪問所述可編程控制器PLC子系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)頁面，顯示各種參數(shù)，能夠自動進(jìn)行優(yōu)化操作，所述的變頻器VFD接收所述可編程控制器子系統(tǒng)的控制命令，控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。

所述的控制顯示屏能夠顯示地層巖性、巖石強(qiáng)度、機(jī)械比能、鉆速、扭矩、鉆壓的數(shù)據(jù)以及相應(yīng)的趨勢圖；顯示鉆井參數(shù)、操作提示和優(yōu)化狀態(tài)；顯示手動或自動優(yōu)化鉆井參數(shù)。

所述可編程控制器PLC子系統(tǒng)包括網(wǎng)絡(luò)頁面，網(wǎng)絡(luò)頁面顯示各種參數(shù)，還能夠根據(jù)顯示提示司鉆操作。

一種VFD控制系統(tǒng)鉆井參數(shù)的自動優(yōu)化方法，它包括以下步驟：

初始化，輸入基礎(chǔ)參數(shù)；

根據(jù)是否有鄰井?dāng)?shù)據(jù)，來裝載臨井?dāng)?shù)據(jù)，并進(jìn)行鉆前預(yù)測；

啟動優(yōu)化過程；

根據(jù)當(dāng)前鉆壓、轉(zhuǎn)速和泵沖給定，計(jì)算機(jī)械比能參數(shù)；

當(dāng)有鄰井?dāng)?shù)據(jù)時，根據(jù)當(dāng)前數(shù)據(jù)與鄰井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行比較，若鄰井?dāng)?shù)據(jù)更優(yōu)，將使用鄰井的鉆壓、轉(zhuǎn)速和泵沖給定作為下一個給定，若當(dāng)前數(shù)據(jù)更優(yōu)，將保持當(dāng)前給定；

當(dāng)無鄰井?dāng)?shù)據(jù)時，進(jìn)行鉆井狀態(tài)檢測，根據(jù)狀態(tài)檢測結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的處理，完成優(yōu)化。

進(jìn)一步的，鉆井參數(shù)優(yōu)化過程中，需要實(shí)時預(yù)測下一步鉆壓、轉(zhuǎn)速和泵沖的給定值，可通過鉆壓、轉(zhuǎn)速和泵沖的各種組合給定，并實(shí)時采集鉆井?dāng)?shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)械比能、鉆頭磨損、液壓比能、成本、鉆壓與鉆速的斜率參數(shù)，進(jìn)行比較，得出最優(yōu)給定值。

進(jìn)一步的，在鉆井參數(shù)優(yōu)化中，能夠選擇手動優(yōu)化或自動優(yōu)化。

所述的狀態(tài)檢測結(jié)果包括狀態(tài)0、狀態(tài)1、狀態(tài)2、狀態(tài)3、狀態(tài)4，狀態(tài)0代表正檢測，狀態(tài)1代表已最優(yōu)，狀態(tài)2代表換底層，狀態(tài)3代表穿夾層，狀態(tài)4代表鉆頭壞或已磨損，其中狀態(tài)2和狀態(tài)3需要進(jìn)一步優(yōu)化來更準(zhǔn)確地判斷相應(yīng)的狀態(tài)，狀態(tài)4需要起鉆來更換鉆頭。

可編程控制器PLC子系統(tǒng)實(shí)時采集鉆井?dāng)?shù)據(jù)，并計(jì)算和分析各種數(shù)據(jù)，作為優(yōu)化操作的依據(jù)；

控制顯示屏，通過訪問PLC中網(wǎng)頁界面，如圖2所示，顯示各種參數(shù)，并根據(jù)顯示提示司鉆操作或自動進(jìn)行優(yōu)化操作；

變頻器VFD接收PLC的控制命令，控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。

如圖2所示，一種鉆井參數(shù)自動優(yōu)化的VFD控制系統(tǒng)的主界面，顯示了地層巖性、巖石強(qiáng)度、機(jī)械比能(MSE)、鉆速(ROP)、扭矩、鉆壓(WOB)的數(shù)據(jù)及相應(yīng)趨勢圖；顯示鉆井參數(shù)；顯示操作提示和優(yōu)化狀態(tài)；手動或自動優(yōu)化鉆井參數(shù)。

如圖1所示，鉆井參數(shù)優(yōu)化流程：首先進(jìn)行初始化和基礎(chǔ)參數(shù)的輸入；根據(jù)是否有鄰井?dāng)?shù)據(jù)，來裝載鄰井?dāng)?shù)據(jù)，并進(jìn)行鉆前預(yù)測；啟動優(yōu)化過程；根據(jù)當(dāng)前鉆壓、轉(zhuǎn)速和泵沖給定，計(jì)算機(jī)械比能和其他參數(shù)；當(dāng)有鄰井?dāng)?shù)據(jù)時，根據(jù)當(dāng)前數(shù)據(jù)與鄰井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行比較，若鄰井?dāng)?shù)據(jù)更優(yōu)，將使用鄰井的鉆壓、轉(zhuǎn)速和泵沖給定作為下一個給定，若當(dāng)前數(shù)據(jù)更優(yōu)，將保持當(dāng)前給定；當(dāng)無鄰井?dāng)?shù)據(jù)時，進(jìn)行鉆井狀態(tài)檢測，狀態(tài)0（正檢測），狀態(tài)1（已最優(yōu)），狀態(tài)2（換地層），狀態(tài)3（穿夾層），狀態(tài)4（鉆頭壞或已磨損），其中狀態(tài)2和3需要進(jìn)一步優(yōu)化來更準(zhǔn)確地判斷相應(yīng)的狀態(tài)，狀態(tài)4需要起鉆來更換鉆頭；鉆井參數(shù)優(yōu)化過程中，需要實(shí)時預(yù)測下一步鉆壓、轉(zhuǎn)速和泵沖的給定值，可通過鉆壓、轉(zhuǎn)速和泵沖的各種組合給定，并實(shí)時采集鉆井?dāng)?shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)械比能(MSE)、鉆頭磨損、液壓比能、成本和鉆壓與鉆速的斜率等參數(shù)，進(jìn)行比較，得出最優(yōu)給定值；在鉆井參數(shù)優(yōu)化中，可選擇手動優(yōu)化或自動優(yōu)化。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)理解本發(fā)明并非局限于本文所披露的形式，不應(yīng)看作是對其他實(shí)施例的排除，而可用于各種其他組合、修改和環(huán)境，并能夠在本文所述構(gòu)想范圍內(nèi)，通過上述教導(dǎo)或相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)或知識進(jìn)行改動。而本領(lǐng)域人員所進(jìn)行的改動和變化不脫離本發(fā)明的精神和范圍，則都應(yīng)在本發(fā)明所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。