一种页岩油水平井高精度旋转导向钻井工具系统

本发明涉及页岩油开采，具体涉及一种页岩油水平井高精度旋转导向钻井工具系统。

背景技术：

1、在深层页岩油资源开发中，长水平段钻井是提高单井产量的核心手段。旋转导向钻井工具作为水平井轨迹控制的国之重器，其导向精度直接决定了页岩甜点储层的钻遇率。现有的旋转导向系统通常仅以空间轨迹偏差（即实际井斜角/方位角与目标轨迹的差值）作为单一控制输入量，以纯几何纠偏逻辑来调节导向翼肋的推靠力。然而，在页岩油长水平井钻进这种极端的物理工况中，传统的单一几何控制逻辑面临着严重的局限性：

2、首先，在长水平井钻进中，由于重力作用及环空流场的非均质性，井眼下侧极易产生沉积，导致工具周围流体产生强烈的偏心粘滞阻力。现有的控制系统完全无视了这种流场阻力，导致系统下发的预期推靠力被外部流体阻力大幅抵消或扭曲，进而引发工具面漂移和轨迹失真，严重降低了导向精度。

3、其次，长水平段岩性交替频繁，若控制系统盲目追求轨迹重合而无视当前的钻具破岩能效，在面临高阻抗硬地层或高摩擦流场时强制下达满额推靠指令，不仅无法有效造斜，反而会导致钻头破岩的机械比能发生瞬间飙升。这种无效做功最终体现为极高的无效动力消耗与钻具磨损，严重背离了低耗能、绿色钻井的发展要求。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种页岩油水平井高精度旋转导向钻井工具系统，以解决现有旋转导向工具仅依赖几何轨迹纠偏，未综合考量实时破岩能效波动与井底流场粘滞阻力干扰，从而导致推靠力受损、轨迹失真及高耗能盲目推靠的技术问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种页岩油水平井高精度旋转导向钻井工具系统，包括：

3、数据获取模块，获取实际井斜角数据、实际方位角数据、钻进参数数据及环空动压数据；

4、轨迹偏差生成模块，将所述实际井斜角数据与所述实际方位角数据同预设的三维目标轨迹比对，生成空间轨迹偏差数据；

5、能效解算模块，根据所述钻进参数数据解算生成实时机械比能数据；

6、流场特征解算模块，根据所述环空动压数据进行流场解算，生成表征流体粘滞阻力的流场特征阻力数据；

7、导向参数整定模块，将所述空间轨迹偏差数据、所述实时机械比能数据与所述流场特征阻力数据进行融合处理，解算出反向流体力矩补偿量，并生成包含所述反向流体力矩补偿量的导向整定参数；

8、伺服驱动执行模块，依据所述导向整定参数，向旋转导向执行部件输出驱动指令，控制钻具推靠姿态。

9、进一步地，所述钻进参数数据包括钻压数据、转速数据n、高频破岩扭矩时序数据t及机械钻速数据；

10、所述能效解算模块依据公式对所述钻压数据、所述转速数据n、所述高频破岩扭矩时序数据t及所述机械钻速数据进行测算，生成所述实时机械比能数据，其中a为预设的钻头底面积数据。

11、进一步地，所述流场特征解算模块将所述环空动压数据输入预置的通用cae软件流体动力学降阶模型中进行多相流场解算，生成环空流体动压梯度矩阵与岩屑床偏心厚度数据，并将所述环空流体动压梯度矩阵与所述岩屑床偏心厚度数据组合形成为所述流场特征阻力数据；

12、所述导向参数整定模块在解算所述反向流体力矩补偿量时，依据所述环空流体动压梯度矩阵提取切向流速分布特征数据，并结合所述岩屑床偏心厚度数据生成局部多相流等效动力粘度参量；

13、依据公式对所述切向流速分布特征数据v、所述局部多相流等效动力粘度参量以及有效流体接触面积数据进行表面积分运算，生成偏心粘滞摩擦力矩阵，其中s为外筒的有效流体接触面积；

14、对所述偏心粘滞摩擦力矩阵执行矢量分解，提取在预期造斜方向上的径向摩擦阻力矢量分量，并将所述径向摩擦阻力矢量分量转换为所述反向流体力矩补偿量。

15、进一步地，所述导向参数整定模块在生成所述导向整定参数时，调用预设的模糊控制规则库，将所述空间轨迹偏差数据与所述实时机械比能数据输入隶属度函数方程中进行模糊化映射处理，生成多维模糊状态变量矩阵；

16、对所述多维模糊状态变量矩阵进行推理运算，解算生成包含比例增益项、积分增益项与微分增益项的基础控制参数矩阵；

17、提取所述反向流体力矩补偿量，对所述基础控制参数矩阵执行前馈叠加修正运算，输出定型的模糊pid导向整定参数作为所述导向整定参数。

18、进一步地，所述系统还包括与所述轨迹偏差生成模块连接的泥浆脉冲解析模块，所述泥浆脉冲解析模块获取包含背景噪声的混合流体压力时间序列数据，调用预设的变分模态分解算法进行频带剥离处理，生成本征模态函数分量矩阵；

19、计算各所述本征模态函数分量矩阵与预设波形样本库的皮尔逊相关系数，筛除低于判定阈值的低相关性分量矩阵；

20、对保留的高相关性分量矩阵进行序列逆向重构，生成纯净泥浆脉冲指令序列，并从中解码提取出所述预设的三维目标轨迹。

21、进一步地，所述系统还连接外部井下电磁阻尼机构，并包括振动抑制控制模块，所述振动抑制控制模块提取钻柱微观扭转振动频域序列中的共振峰值频率参量，代入机电能量转换模型解算生成反向电磁刚度控制参量；

22、依据公式结合所述反向电磁刚度控制参量、预设基础阻尼系数、动态工具面畸变误差序列及动态误差变化率序列生成反向补偿力矩电指令；

23、将所述反向补偿力矩电指令发送至所述外部井下电磁阻尼机构执行主动负刚度扭矩输出。

24、进一步地，所述系统还包括碳排寻优管控模块，所述碳排寻优管控模块依据公式对所述实时机械比能数据中的极值特征、预设孔隙破岩转化系数、动力传递效率参量及单位油耗碳排放因子进行运算，生成预估碳排当量数据；

25、当所述预估碳排当量数据越过预设管控上限阈值时，生成推靠力限幅截断衰减系数；

26、将所述推靠力限幅截断衰减系数乘入所述导向整定参数中执行在线降碳参数更新。

27、进一步地，所述伺服驱动执行模块包括离散平滑单元，离散平滑单元对所述导向整定参数进行矩阵降维，提取用于驱动底层执行部件的基础位移驱动电流序列与柔性调节滤波系数；

28、调用高阶数字低通平滑滤波器，将所述柔性调节滤波系数作为滤波权重参数，对所述基础位移驱动电流序列执行多步离散卷积平滑处理，将处理后的序列封装形成所述驱动指令输出。

29、进一步地，所述轨迹偏差生成模块在生成所述空间轨迹偏差数据时，将所述实际井斜角数据与所述实际方位角数据进行空间投影转换处理，提取出当前钻头的当前北坐标与当前东坐标；

30、依据公式对所述当前北坐标、目标北坐标、所述当前东坐标及目标东坐标进行计算；

31、将计算结果标定为绝对偏移距离特征量并进行矢量封装，生成所述空间轨迹偏差数据。

32、进一步地，该系统还包括一旋转导向钻井工具实体，所述钻井工具实体包括中心轴以及套设于所述中心轴外部的不旋转的外筒；

33、所述外筒的外侧壁周向均布有多个导向翼肋，且所述外筒的外侧壁阵列嵌设有用于采集所述环空动压数据的微型流体压电传感器；所述外筒内部设有旋转导向执行部件，所述旋转导向执行部件包括微型伺服阀及与之连接的液压缸，所述微型伺服阀接收所述驱动指令以控制液压油进入所述液压缸，进而驱动对应方位的所述导向翼肋向外伸出并抵靠井壁；

34、所述中心轴的上端连接有所述外部井下电磁阻尼机构，所述中心轴的底端靠近钻头处嵌设有用于采集所述钻进参数数据的微型电阻应变计。

35、本发明提供的技术方案至少具有以下有益效果：

36、1、本发明通过流场特征解算模块量化外部复杂流场对工具造成的粘滞阻力，并通过导向参数整定模块解算出专用的反向流体力矩补偿量；系统提前在导向指令中注入对抗流体阻力的补偿信号，彻底克服了水平井流场阻力抵消推靠力导致轨迹失真的顽疾，确保了指令推靠力与实际推靠力的高度一致；

37、2、本发明通过解算模块将反映微观破岩能效的实时机械比能数据与空间轨迹偏差数据进行融合整定，这使得系统在执行导向纠偏的同时，具备了感知当前力学与能量消耗边界的能力，有效规避了在极端受限工况下的无效机械做功，为实现钻井过程的平滑姿态控制与降低综合钻井能耗奠定了坚实的系统基础。