1.本发明属于石油钻井装备技术领域，具体涉及一种石油钻机智能控制系统。
2.本发明还涉及一种石油钻机智能控制方法。
背景技术：
3.石油钻机是用于石油或天然气勘探开发的关键设备，而石油钻机的控制系统是石油钻机的神经中枢，对石油钻机各执行机构的正确使用及正常钻井具有重要意义。当前，石油钻机的控制方式大多数仍停留在以传统人工操作为主、局部自动操作为辅的一个层面，近年来新发展起来的管柱自动化石油钻机，依据人工经验和钻井工艺流程指导控制钻机管柱(包括钻杆、钻铤等)系统操作，基本具备了钻机管柱系统从地面到钻台面、再到二层台的管柱输送、接立根、建立根等流程的自动化控制，但尚未实现钻机主机(包括动力系统、钻井绞车、钻井泵、顶部驱动装置等)及其它辅助配套系统(泥浆处理系统、井控系统、仪表系统等)的全方位的自动化设备控制，更无涉足钻井过程中由于井深结构、地层条件和钻井参数等变化而对井下设备(如钻头、井下钻具等)所引起的工作适应性、精确性的自动控制。鉴于此，本发明以人工智能等方法为手段，建立了一种集信息收集、数据处理、智能决策、设备控制、远程通讯等为一体，多系统联合协同工作、闭环式控制系统，用以满足石油钻机的智能化操作及钻井智能化控制。
技术实现要素：
4.本发明的目的是提供一种石油钻机智能控制系统，该系统具备数字化、智能化、少人化、远程化的特点。
5.本发明的另一个目的是提供一种石油钻机智能控制方法。
6.本发明所采用的第一个技术方案是，一种石油钻机智能控制系统，包括钻机设备层、钻机智能决策层、井下数据采集层和标准化通讯网络；所述钻机设备层用于接收钻机智能决策层指令；所述钻机智能决策层用于接收井下数据和钻机设备层运行状态数据，根据井下数据和钻井仪表系统数据，通过一体化控制平台将设备运行指令发送至钻机设备层的各个系统，指导钻机各大系统正常运行，所述标准化通讯网络根据通讯方式可分为有线通讯方式和无线通讯方式，用于各个系统之间的数据通讯。
7.本发明的第一个技术方案的特点还在于：
8.其中钻机设备层具体包括提升系统、旋转系统、钻井液循环系统、管柱自动化系统、动力控制系统、钻井仪表系统、井控系统、固井系统、视频系统和远程监测系统，钻机设备层用于接收钻机智能决策层指令，驱动各个系统按照指令和参数进行正常运行，并将各个系统运行状态实时传输至智能决策层；
9.其中钻机智能决策层包括本地司钻控制系统、一体化控制平台和远程操控中心；本地司钻控制系统为钻机操作终端，通过一体化控制平台与钻机设备层进行通信；远程操控中心能够在远程通过云端进行单钻机或多钻机协作控制；
10.其中井下数据采集层能够将井下数据实时传输至钻机决策层，并根据地质参数进行优化钻机控制参数，指导钻机决策层对钻机设备控制参数进行自主优化，实现井下和地面全闭环导向控制；
11.其中标准化通讯网络包括有线通讯方式和无线通讯方式，包括钻机设备层控制网络、司钻控制网络、远程控制网络和井下数据通讯网络，每个层级网络依据通讯速率和数据通讯量分配了相应的通讯协议；
12.其中钻机设备层通过钻机控制层网络与一体化控制平台进行钻机设备状态信息和控制命令双向数据交换；本地司钻控制系统通过司钻控制网络与一体化控制平台进行钻机操作和显示信息的双向数据交换；远程操控中心通过远程操控中心网络与一体化控制平台进行双向数据交换；井下数据通过井下数据网络将井底信息传输至一体化控制平台；
13.所述钻机控制层网络采用多种通讯协议，设备控制及设备运行状态采用tcp/ip、profinet、profibus协议，钻井仪表系统采用can总线或modbus协议通讯；
14.所述司钻控制网络采用opc协议实现司钻系统数据交换；
15.所述远程操控中心网络包含4g、5g或卫星通讯方式；
16.所述井下数据网络采用wits协议实现井下信息的传输。
17.本发明的第二个技术方案是，一种石油钻机智能控制方法，采用一种石油钻机智能控制系统，具体按以下步骤实施：
18.步骤1，将井筒数据输入至钻机智能决策系统中，包含邻井的地质信息、本井井筒参数、本井工程地质信息；
19.步骤2，根据相邻井地质信息及该井地质信息，一体化控制平台中的专家系统根据相应钻井设备参数推理，自动规划各个钻井阶段设备应具有的参数信息；
20.步骤3，选择钻机控制权限，通过本地司钻控制系统或远程操控中心进行钻机控制，根据钻机智能决策系统中钻机参数规划，在相应阶段自动判断钻井工况，提示司钻按照相关提示进行操作；当一体化控制平台故障时，远程操控中心可通过远程操控中心网络直接对现场钻机进行控制；
21.步骤4，钻进工况时，根据井下数据参数，钻机智能决策系统自动计算摩阻扭矩、钻机震动、井筒清洁状态，并结合相邻井位地质信息，一体化控制平台内置优化决策软件系统实时调整钻机各个系统参数，并推送至本地司钻控制系统或远程操控中心供司钻人员参考；待司钻操作人员确认后一体化控制平台将计算参数推送至各个系统，各个系统按照相应指令控制设备运行；
22.步骤5，起下钻工况时，根据钻机设备的运行状态，一体化控制平台依据钻机起下钻流程可自动控制设备对管柱的自动上卸扣、自动排管、自动丝扣油涂抹功能；
23.步骤6，在上述步骤运行中，系统实时检测设备运行状态，当出现异常情况时钻机智能决策系统自动启动急停功能，防止安全事故发生，并实时推送相关故障报警信息。
24.本发明的有益效果是：
25.本发明的石油钻机智能控制系统解决了现有技术依赖于司钻经验，根据经验手动控制钻机设备；本发明实现了将井下数据实时传输至钻机智能控制系统并根据专家系统自主调整钻机设备层控制参数，实现钻机高效智能化钻井；该发明相比现有技术具有显著进步。
附图说明
26.图1是本发明的一种石油钻机智能控制系统框架示意图。
27.图中，s1.钻机设备，s2.一体化控制平台，s3.本地司钻控制系统，s4.远程操控中心，s5.井下数据，t1.钻机控制层网络，t2.司钻控制网络，t3.远程操控中心网络，t4.井下数据网络。
具体实施方式
28.下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
29.本发明提供了一种石油钻机智能决策系统，包括钻机设备层、钻机智能决策层和井下数据采集层；
30.钻机设备层用于接收钻机智能决策层指令，驱动各个系统按照指令和参数进行正常运行，并将各个系统运行状态实时传输至智能决策层；所述钻机智能决策层用于接收井下数据和钻机设备层运行状态数据，根据井下数据和钻井仪表系统数据，通过一体化控制平台将设备运行指令发送至钻机设备层的各个系统，指导钻机各大系统正常运行；
31.钻机设备层包含提升系统、旋转系统、钻井液循环系统、管柱自动化系统、动力控制系统、钻井仪表系统、井控系统、固井系统等，用于接收钻机智能决策层指令实现设备远程化自主运行，各系统并将设备运行状态实时反馈至钻机智能决策层；
32.钻机智能决策层包含本地司钻控制系统、一体化控制平台和远程操控中心；一体化控制平台具有多源标准化数据接口、钻机控制功能模块、专家决策功能、数据处理等功能；本地司钻控制系统是钻机操作终端，此系统的所有指令和信息状态均通过一体化控制平台与钻机设备进行通信；远程操控中心具有远程通信接口、大数据分析、多目标智能优化、专家决策、多钻机远程协助控制等功能，能够实现在远程通过云端进行单钻机或多钻机协作控制；
33.井下数据采集层能够实时测量井下钻压、转速、扭矩、震动等参数，并将井下数据实时传输至钻机决策层，并根据地质参数进行优化钻机控制参数，指导钻机决策层对钻机设备控制参数进行自主优化，实现井下和地面全闭环导向控制，有助于钻机进行高效、精准智能化钻井；
34.标准化通讯网络根据通讯方式可分为有线通讯方式和无线通讯方式，包含钻机设备层控制网络、司钻控制网络、远程控制网络、井下数据通讯网络，每个层级网络依据通讯速率和数据通讯量分配了相应的通讯协议。
35.本发明的工作原理如下：
36.通讯方式及通讯协议：
37.(1)一体化控制平台s2与钻机设备s1通过钻机控制层网络t1通讯，实现钻机各系统设备的控制及运行状态信息传输。钻机控制层网络t1采用多种通讯协议，设备控制及设备运行状态采用tcp/ip或s7通讯方式，提供可靠的网络连接，保证数据的及时、有效。钻井仪表系统采用can总线或modbus协议与一体化控制平台s2进行数据交互；
38.(2)本地司钻控制系统s3与一体化控制平台s2通过司钻控制网络t2通讯，司钻控制网络t2采用opc协议实现与一体化控制平台数据接收和发送；
39.(3)远程操控中心网络t3包含4g、5g或卫星通讯等方式，在运营商网络正常情况下
采用4g或5g方式通讯，运营商网络异常时采用卫星通讯实现钻机的远程控制；
40.(4)井下数据s5与一体化控制平台s2通过井下数据网络t4通讯，井下数据网络t4采用wits协议实现井下数据参数的传输；
41.钻机操作方式：
42.(1)石油钻机智能决策系统核心为一体化控制平台s2和远程操控中心s4，钻机的所有指令及设备运行状态都通过一体化控制平台s2和远程操控中心s4进行控制和显示，两个控制平台可独立工作、互为冗余，当一体化控制平台s2故障时，可以实时切至远程操控中心s4直接控制钻机设备s1；
43.(2)本地司钻控制系统s3具有控制优先权，通过一体化控制平台s2对钻机设备进行控制，通过位于一体化控制平台s2的权限开关可释放控制权限至远程操控中心s4，当远程操控中心s4未授权时，只能在远程进行钻机设备数据监测，当具有授权时可以远程实现钻机设备控制和数据监测；
44.(3)远程操控中心s4具有多钻机协同工作功能，可同时监测多个钻机运行数据，当远程操控中心s4具有多个钻机远程授权时，远程操控中心s4的专家系统可根据相应区块的地质数据及相邻井位的钻机运行数据实时调整相应钻机的运行参数；
45.本发明还提供了一种石油钻机智能控制方法，具体按以下步骤实施：
46.步骤1，井筒数据输入至钻机智能决策系统中，包含邻井的地质信息、本井井筒参数、本井工程地质信息等；
47.步骤2，根据相邻井地质信息及该井地质信息，一体化控制平台s2中的专家系统根据相应钻井设备参数推理，自动规划各个钻井阶段设备应具有的参数信息。
48.步骤3，选择钻机控制权限，通过本地司钻控制系统s3或远程操控中心s4进行钻机控制，根据钻机智能决策系统中钻机参数规划，在相应阶段自动判断钻井工况，提示司钻按照相关提示进行操作。当一体化控制平台s2故障时，远程操控中心s4可通过远程操控中心网络t3直接对现场钻机进行控制；
49.步骤4，钻进工况时，根据井下数据s5的钻压、转速、扭矩、震动等参数，钻机智能决策系统自动计算摩阻扭矩、钻机震动、井筒清洁状态，并结合相邻井位地质信息，一体化控制平台s2内置优化决策软件系统实时调整钻机各个系统参数，并推送至本地司钻控制系统s3或远程操控中心s4供司钻人员参考；待司钻操作人员确认后一体化控制平台s2将计算参数推送至各个系统，各个系统按照相应指令控制设备运行；
50.步骤5，起下钻工况时，根据钻机设备s1的运行状态，一体化控制平台s2依据钻机起下钻流程可自动控制设备对管柱的自动上卸扣、自动排管、自动丝扣油涂抹等功能；
51.步骤6，在上述步骤运行中，系统实时检测设备运行状态，当出现异常情况时钻机智能决策系统自动启动急停功能，防止安全事故发生，并实时推送相关故障报警信息。技术特征：
1.一种石油钻机智能控制系统，其特征在于，包括钻机设备层、钻机智能决策层、井下数据采集层和标准化通讯网络；所述钻机设备层用于接收钻机智能决策层指令；所述钻机智能决策层用于接收井下数据和钻机设备层运行状态数据，根据井下数据和钻井仪表系统数据，通过一体化控制平台将设备运行指令发送至钻机设备层的各个系统，指导钻机各大系统正常运行，所述标准化通讯网络根据通讯方式可分为有线通讯方式和无线通讯方式，用于各个系统之间的数据通讯。2.根据权利要求1所述的一种石油钻机智能控制系统，其特征在于，所述钻机设备层具体包括提升系统、旋转系统、钻井液循环系统、管柱自动化系统、动力控制系统、钻井仪表系统、井控系统、固井系统、视频系统和远程监测系统，钻机设备层用于接收钻机智能决策层指令，驱动各个系统按照指令和参数进行正常运行，并将各个系统运行状态实时传输至智能决策层。3.根据权利要求1所述的一种石油钻机智能控制系统，其特征在于，所述钻机智能决策层包括本地司钻控制系统、一体化控制平台和远程操控中心；本地司钻控制系统为钻机操作终端，通过一体化控制平台与钻机设备层进行通信；远程操控中心能够在远程通过云端进行单钻机或多钻机协作控制。4.根据权利要求1所述的一种石油钻机智能控制系统，其特征在于，所述井下数据采集层能够将井下数据实时传输至钻机决策层，并根据地质参数进行优化钻机控制参数，指导钻机决策层对钻机设备控制参数进行自主优化，实现井下和地面全闭环导向控制。5.根据权利要求1所述的一种石油钻机智能控制系统，其特征在于，所述标准化通讯网络包括有线通讯方式和无线通讯方式，包括钻机设备层控制网络、司钻控制网络、远程控制网络和井下数据通讯网络，每个层级网络依据通讯速率和数据通讯量分配了相应的通讯协议。6.根据权利要求1～5任一所述的一种石油钻机智能控制系统，其特征在于，所述钻机设备层通过钻机控制层网络与一体化控制平台进行钻机设备状态信息和控制命令双向数据交换；本地司钻控制系统通过司钻控制网络与一体化控制平台进行钻机操作和显示信息的双向数据交换；远程操控中心通过远程操控中心网络与一体化控制平台进行双向数据交换；井下数据通过井下数据网络将井底信息传输至一体化控制平台；所述钻机控制层网络采用多种通讯协议，设备控制及设备运行状态采用tcp/ip、profinet、profibus协议，钻井仪表系统采用can总线或modbus协议通讯；所述司钻控制网络采用opc协议实现司钻系统数据交换；所述远程操控中心网络包含4g、5g或卫星通讯方式；所述井下数据网络采用wits协议实现井下信息的传输。7.一种石油钻机智能控制方法，其特征在于，采用权利要求1～6所述的一种石油钻机智能控制系统，具体按以下步骤实施：步骤1，将井筒数据输入至钻机智能决策系统中，包含邻井的地质信息、本井井筒参数、本井工程地质信息；步骤2，根据相邻井地质信息及该井地质信息，一体化控制平台中的专家系统根据相应钻井设备参数推理，自动规划各个钻井阶段设备应具有的参数信息；步骤3，选择钻机控制权限，通过本地司钻控制系统或远程操控中心进行钻机控制，根
据钻机智能决策系统中钻机参数规划，在相应阶段自动判断钻井工况，提示司钻按照相关提示进行操作；当一体化控制平台故障时，远程操控中心可通过远程操控中心网络直接对现场钻机进行控制；步骤4，钻进工况时，根据井下数据参数，钻机智能决策系统自动计算摩阻扭矩、钻机震动、井筒清洁状态，并结合相邻井位地质信息，一体化控制平台内置优化决策软件系统实时调整钻机各个系统参数，并推送至本地司钻控制系统或远程操控中心供司钻人员参考；待司钻操作人员确认后一体化控制平台将计算参数推送至各个系统，各个系统按照相应指令控制设备运行；步骤5，起下钻工况时，根据钻机设备的运行状态，一体化控制平台依据钻机起下钻流程可自动控制设备对管柱的自动上卸扣、自动排管、自动丝扣油涂抹功能；步骤6，在上述步骤运行中，系统实时检测设备运行状态，当出现异常情况时钻机智能决策系统自动启动急停功能，防止安全事故发生，并实时推送相关故障报警信息。
技术总结
本发明公开了一种石油钻机智能控制系统，包括钻机设备层、钻机智能决策层、井下数据采集层以及标准化通讯网络；本发明还公开了一种采用如上述的一种石油钻机智能控制方法，钻机智能控制系统可根据井下工况信息、钻机主体设备运行信息、钻机智能决策系统及时的修正钻机的运行参数和动作，自主决策给出指令，控制设备联动运行，实现闭环控制达到钻机无人或少人钻井。钻井。钻井。
技术研发人员：罗磊 杨双业 李亚辉 王定亚 夏辉 王永鹏 寻明
受保护的技术使用者：宝鸡石油机械有限责任公司 中国石油天然气集团有限公司
技术研发日：2021.11.12
技术公布日：2023/5/16
声明：
“石油钻机智能控制系统及方法与流程” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：中冶有色技术网
来源：宝鸡石油机械有限责任公司 中国石油天然气集团有限公司
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2024年06月21日 ~ 23日 
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