一种基于智能化分析的井下导向钻进系统的制作方法

本发明涉及井下导向钻进，尤其涉及一种基于智能化分析的井下导向钻进系统。

背景技术：

1、在煤矿井下地质勘探的钻孔施工中，导向钻进技术是实现钻孔轨迹准确命中目标层位或靶点的重要手段。现有技术通过随钻测量系统实时获取钻头位置和空间姿态，操作人员或自动控制系统依据实测轨迹与设计目标轨迹之间的偏差，对井下导向钻具的造斜机构进行调整，从而控制钻进方向。然而，复杂的煤矿井下地质条件导致大部分轨迹偏差属于暂时性扰动，由于缺乏智能化分析致使增加无效的导向动作。

2、中国专利申请公开号：cn121138824a，公开了一种待钻井眼轨迹智能实时调整方法、系统及电子设备，基于当前钻头位置与实钻数据，利用导向工具造斜率预测模型预测钻头朝向原始设计轨迹方向的最大狗腿度并计算预测轨迹；确定预测轨迹与原始设计轨迹的相交点，以相交点为基准自动生成多种预设形状的待钻轨迹候选方案；通过狗腿度预测模型对候选方案进行可行性筛选，筛除超出工具造斜能力的不可行方案；构建评价函数对可行方案进行综合评价，自动优选全局最优的待钻调整轨迹，从而完成待钻井眼轨迹的实时、自动、最优化调整设计。

3、但是上述技术方案中依赖于人工判断或简单的偏差阈值触发机制触发调整决策，未能对钻进过程中大量存在的暂时性扰动进行智能化甄别与分类处置，无法区分地层随机扰动导致的暂时性波动与源于真实趋势性漂移，进而使得导向执行机构可能对无需干预的暂时性扰动做出不必要的响应，从而增加无效导向动作和执行器磨损，降低钻具寿命。

技术实现思路

1、为此，本发明提供一种基于智能化分析的井下导向钻进系统，用以克服现有技术中由于无法区分地层随机扰动导致的暂时性波动与源于真实趋势性漂移，进而导致导向执行机构可能对无需干预的暂时性扰动做出不必要的响应，从而增加无效导向动作和执行器磨损的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供一种基于智能化分析的井下导向钻进系统，包括：

3、钻头；

4、导向钻具，其连接于所述钻头以及包括造斜机构和随钻测量机构；

5、其中，所述造斜机构响应于导向控制指令以改变钻进方向；

6、所述随钻测量机构用以实时采集钻进过程中所述钻头的当前导向参数，并生成实时测量数据集，其中，导向参数包括钻压、转速、井斜角以及方位角；

7、钻进控制系统，其包括轨迹偏差预测单元、扰动判断单元、修正决策单元以及导向控制单元；

8、其中，所述轨迹偏差预测单元用以基于所述钻头当前位置的导向参数与设计轨道确定当前轨迹偏差特征集，以及基于当前轨迹偏差特征集通过轨迹延伸模拟以确定是否存在轨迹偏差；

9、所述扰动判断单元用以确定存在轨迹偏差的情况下，基于所述钻头的当前导向参数和地层自然造斜特性确定地层自然造斜力，并基于地层自然造斜力与所述当前轨迹偏差特征集初步确定扰动类型，以及基于连续若干采样周期的判定结果对初步判定结果进行覆写确认以确定最终的扰动类型，其中，扰动类型包括暂时性扰动和持续性扰动；

10、所述修正决策单元用以基于所述持续性扰动生成对应的修正模式，其中，修正模式包括修正工具面角和修正造斜率；

11、所述导向控制单元用以基于对应的所述修正模式生成所述导向控制指令，并用以控制所述造斜机构，其中，导向控制包括单一控制所述造斜机构的非旋转套筒内的调心滑块或推靠活塞，和联动控制所述造斜机构中的非旋转套筒内的调心滑块和推靠活塞。

12、进一步地，所述轨迹偏差预测单元包括：

13、空间偏差计算子单元，其用以基于所述实时测量数据集提取实测空间坐标、实测井斜角以及实测方位角，并基于所述设计轨道对应井深的设计值进行计算以得到包含闭合距和闭合方位的空间位置偏差矢量、井斜偏差角以及方位偏差角；

14、偏差变化率计算子单元，其用以基于连续多个测量点的所述空间位置偏差矢量、所述井斜偏差角以及所述方位偏差角，通过拟合求取空间位置偏差变化率、井斜偏差变化率以及方位偏差变化率；

15、特征集生成子单元，其用以基于所述空间位置偏差矢量、所述井斜偏差角、所述方位偏差角、所述空间位置偏差变化率、所述井斜偏差变化率以及所述方位偏差变化率组合为所述当前轨迹偏差特征集。

16、进一步地，所述轨迹偏差预测单元还包括：

17、模拟策略设定子单元，其用以基于当前测量点为模拟起始点，基于所述空间位置偏差变化率、所述井斜偏差变化率、所述方位偏差变化率、所述钻压和所述转速，设定模拟段内的工具面角保持策略和造斜率保持策略；

18、轨迹外推子单元，其用以根据对应策略，采用轨迹外推模型以预设的预测延伸段长为步长逐步外推，以确定预测轨迹曲线；

19、预测偏差确定子单元，其用以基于所述预测轨迹曲线的终点坐标与所述设计轨道的同井深坐标进行计算，以确定预测位置偏差矢量。

20、进一步地，所述轨迹偏差预测单元还包括：

21、轨迹偏差确定子单元，其用以基于所述预测位置偏差矢量的模与以所述设计轨道为轴线的空间包络半径进行对比以确定是否存在轨迹偏差；

22、其中，基于所述预测位置偏差矢量的模大于或等于所述空间包络半径，确定存在轨迹偏差。

23、进一步地，所述扰动判断单元包括：

24、地层参数获取子单元，其用以获取随钻地层评价数据并确定地层岩性及各向异性指数；

25、实际造斜反演子单元，其用以根据实钻井眼轨迹的井斜变化率和方位变化率反演当前所述导向钻具的实际造斜矢量；

26、残余造斜计算子单元，其用以基于总造斜矢量与所述实际造斜矢量的差值确定残余造斜矢量，其中，总造斜矢量基于所述造斜机构当前的设定工具面角和设计造斜率确定；

27、自然造斜力解算子单元，其用以基于所述残余造斜矢量与所述地层岩性及各向异性指数、所述钻压进行联合解算，获得当前地层自然造斜力的大小和方位；

28、波动特征提取子单元，其用以基于所述当前地层自然造斜力的大小和方位在若干采样周期内的变化状态并分别进行时域统计方法与频域变换方法计算以得到波动幅值特征和变化频率特征。

29、进一步地，所述扰动判断单元还包括：

30、初步扰动判定子单元，其用以在首次确认周期内，基于所述波动幅值特征大于允许波动幅值上限、所述变化频率特征大于bha理论造斜率设计值以及角偏差变化率小于所述设计轨道的全角变化率，初步判定扰动类型为暂时性扰动，反之初步判定扰动类型为持续性扰动；

31、扰动稳定性判定子单元，其用以在初步确定为暂时性扰动的情况下，基于后续判定为持续性扰动对应的采样周期数量超过第一覆写预设比例，确定覆写所述扰动类型为持续性扰动；

32、扰动稳定性判定子单元还用以在初步确定为持续性扰动的情况下，基于后续判定为暂时性扰动对应的采样周期数量超过第二覆写预设比例，确定覆写所述扰动类型为暂时性扰动，反之维持所述扰动类型为持续性扰动；

33、其中，基于所述井斜偏差变化率和所述方位偏差变化率通过球面几何合成为所述角偏差变化率。

34、进一步地，所述修正决策单元包括：

35、维持动作子单元，其用以确定为暂时性扰动的情况下，维持所述造斜机构的当前动作；

36、修正确定子单元，其用以确定为持续性扰动的情况下，基于所述空间位置偏差矢量和所述角偏差变化率通过最小化回归轨迹长度计算工具面角修正幅度和造斜率修正幅度，并基于工具面角修正幅度和造斜率修正幅度与各自预设阈值的比较结果，从预设的修正模式集合中确定对应的修正模式；

37、其中，所述预设的修正模式集合至少包括：仅调整工具面角的模式、仅调整造斜率的模式、以及同时调整工具面角和造斜率的模式。

38、进一步地，所述导向控制单元包括：

39、工具面角调节子单元，其用以根据所述仅调整工具面角的模式，基于所述工具面角修正幅度控制所述非旋转套筒内的调心滑块轴向移动，以使所述钻头的连接轴偏转至目标工具面角；

40、造斜率调节子单元，其用以根据所述仅调整造斜率的模式，基于所述造斜率修正幅度控制所述推靠活塞的推靠力，使推靠力的力值匹配于所述造斜率修正幅度所对应的目标侧向力值；

41、状态保持子单元，其用以在所述非旋转套筒转动过程中，控制所述推靠活塞处于回缩或低压保持状态。

42、进一步地，所述导向控制单元还包括：

43、联动控制子单元，其用以根据所述同时调整工具面角和造斜率的模式，控制所述非旋转套筒内的调心滑块轴向移动以转动所述钻头的连接轴偏转至所述目标工具面角，并控制所述推靠活塞的推靠力在所述目标工具面角方向上达到与所述造斜率修正幅度对应的侧向力最大值，以使推靠力的大小与所述造斜率修正幅度相匹配。

44、进一步地，所述随钻测量机构包括：

45、数据采集单元，其用以通过加速度计、磁通门传感器、钻压传感器和井径测量仪以固定采样频率实时采集所述导向参数；

46、数据匹配单元，其用以将所述导向参数与实时井深按深度标签进行同步匹配，以形成带深度索引的所述实时测量数据集。

47、与现有技术相比，本发明的有益效果在于，通过随钻测量机构实时采集钻压、转速、井斜角及方位角并生成带深度索引的实时测量数据集，通过轨迹偏差预测单元基于偏差特征集进行轨迹延伸模拟以预判是否存在轨迹偏差，通过扰动判断单元反演地层自然造斜力并融合时频域波动特征以区分暂时性扰动与持续性扰动，通过修正决策单元对持续性扰动计算最优修正幅度并选定修正模式，通过导向控制单元执行调心滑块与推靠活塞的单一或联动调节以实现轨迹回归。本发明通过构建基于地层自然造斜特性反演与扰动类型动态覆写的智能化分析体系，提高对暂时性扰动的辨识与抑制能力，进而避免不必要的导向动作与执行器磨损，从而延长井下导向钻具的使用寿命。

48、进一步地，通过空间偏差计算子单元提取实测空间坐标、实测井斜角及实测方位角并与设计值对比得到空间位置偏差矢量、井斜偏差角及方位偏差角，通过偏差变化率计算子单元对连续多测点的偏差序列进行拟合以获取空间位置偏差变化率、井斜偏差变化率及方位偏差变化率，通过特征集生成子单元组合偏差量与变化率形成当前轨迹偏差特征集，通过模拟策略设定子单元依据合成角偏差变化率与设计轨道全角变化率的比较结果设定外推策略，通过轨迹外推子单元采用最小曲率法以预设步长逐步外推得到预测轨迹曲线，通过预测偏差确定子单元计算预测终点与设计坐标的偏差矢量，通过轨迹偏差确定子单元将预测偏差矢量模与空间包络半径对比以超前判定是否存在轨迹偏差，将偏差判断从当前状态前移至未来预测，扩大纠偏调整的响应时间，从而避免实际偏差超限后的延迟应对问题。

49、进一步地，通过地层参数获取子单元利用随钻地层评价数据确定岩性及各向异性指数，通过实际造斜反演子单元根据井斜变化率和方位变化率反演实际造斜矢量，通过残余造斜计算子单元将总造斜矢量与实际造斜矢量求差以分离出残余造斜矢量，通过自然造斜力解算子单元联合残余造斜矢量、岩性、各向异性指数及钻压解算出地层自然造斜力的大小和方位，通过波动特征提取子单元对地层自然造斜力序列进行时域统计与频域变换以提取波动幅值特征和变化频率特征，通过初步扰动判定子单元将波动幅值特征、变化频率特征及合成角偏差变化率与各自阈值进行三重条件比对以初步判定扰动类型，通过扰动稳定性判定子单元基于后续连续采样周期的判定结果对初步判定进行覆写确认以输出最终扰动类型，通过对偏差的地质力学成因层面分析，本发明还能够精确区分暂时性扰动与持续性扰动，并对不同的扰动类型做出差异化处置。

50、进一步地，通过维持动作子单元在确定为暂时性扰动时保持造斜机构当前动作以避免无效调节，通过修正确定子单元在确定为持续性扰动时基于空间位置偏差矢量和合成角偏差变化率以最小化回归轨迹长度为优化目标计算工具面角修正幅度和造斜率修正幅度，并将修正幅度与预设阈值比较以从仅调整工具面角、仅调整造斜率及同时调整工具面角和造斜率的模式集合中选定对应的修正模式，通过工具面角调节子单元和造斜率调节子单元分别执行单一参数调整，通过联动控制子单元同时控制调心滑块轴向移动和推靠活塞加压以实现方向与大小的协同修正，通过状态保持子单元在非调节期间使推靠活塞回缩或低压保持以降低无效功耗和磨损，由扰动分类、修正优化及多模式执行组成的闭环纠偏决策与执行机制，完成对不同偏差成因的精细化控制，同时显著提高井下导向钻具的可靠性与使用寿命。