一种自适应井下钻具工具面的动态控制系统及方法.pdf

一种自适应井下钻具工具面的动态控制系统及方法，该动态控制系统包括数据采集模块、控制策略输入模块、钻井模型信息输入模块、多体动力学建模模块、自适应模型修正模块、工具面估计模块、控制规律生成模块、执行模块和危险状态判断模块。用户输入控制策略和钻井模型，数据采集模块收集系统钻进情况，多体动力学建模模块基于钻井模型进行多体动力学建模，自适应模型修正模块基于钻进情况修正多体动力学模型，工具面估计模块和控制规律生成模块基于控制策略、钻进情况和修正后的多体动力学模型计算控制执行机构的控制规律；危险状态判断模块当系统处于危险状态时发出警报。本发明能够广泛地用于井下定向钻进时动力钻具工具面的实时、动态控制。

1.  一种自适应井下钻具工具面的动态控制系统，其特征在于：它包括数据采集模块、用户输入模块、多体动力学建模模块、自适应模型修正模块、工具面估计模块、控制规律生成模块、控制信息输出模块、执行模块、危险状态判断模块和测量信息输出模块；
其中，所述数据采集模块将采集到的钻井系统工作状态测量信息分别传输至所述多体动力学建模模块、自适应模型修正模块、控制规律生成模块、危险状态判断模块和测量信息输出模块；
所述用户输入模块将用户输入的控制策略和钻井模型信息分别传输至所述多体动力学建模模块、工具面估计模块、控制规律生成模块和危险状态判断模块；
所述多体动力学建模模块根据接收到的钻井系统工作状态测量信息、钻井模型信息和控制策略对钻井系统进行多体动力学建模，并将钻井系统的多体动力学模型输入所述自适应模型修正模块；
所述自适应模型修正模块根据接收的钻井系统工作状态测量信息、钻井系统的多体动力学模型以及所述工具面估计模块反馈的工具面模拟值对钻井系统的多体动力学模型进行修正，并将修正后的钻井系统的多体动力学模型发送给所述工具面估计模块；
所述工具面估计模块对接收到的修正后的钻井系统的多体动力学模型进行多体动力学仿真，以得到工具面模拟值；所述工具面估计模块将工具面模拟值反馈给所述自适应模型修正模块，并将工具面模拟值传输至所述控制规律生成模块；
所述控制规律生成模块根据接收到的控制策略判断接收到的工具面模拟值是否超出设定的阈值控制策略中预先设定的钻具工具面阈值：如果是，则所述控制规律生成模块生成新的执行模块控制规律，并将其发送给所述控制信息输出模块；如果否，则保持上一控制周期的执行模块控制规律不变，将其发送给所述控制信息输出模块；
所述控制信息输出模块将接收到的执行模块控制规律发送给所述执行模块；
所述危险状态判断模块根据接收到的控制策略和钻井系统工作状态测量信息，判断当前钻进是否处于危险状态：如果当前钻进处于危险状态，则将接收到的控制策略中的紧急控制策略发送给所述控制规律生成模块，并向所述测量信息输出模块发送危险警报；如果当前钻进处于安全状态，则将控制策略中的执行模块控制规律发送给所述控制规律生成模块。

2.  如权利要求1所述的一种自适应井下钻具工具面的动态控制系统，其特征 在于：它还包括一系统输出模块，所述测量信息输出模块将接收到的钻井系统工作状态测量信息和危险警报传输至所述系统输出模块；所述系统输出模块记录接收到的危险警报、钻井系统工作状态测量信息和执行模块控制规律，并将其呈现给用户；同时，所述系统输出模块还能够将修正后的钻井系统的多体动力学模型，以及工具面模拟值或当前工具面的测量信息也呈现给用户。

3.  如权利要求1所述的一种自适应井下钻具工具面的动态控制系统，其特征在于：所述数据采集模块包括井上测量模块和井下测量模块；所述井上测量模块测量的信息包括：泥浆泵泵速、游车/大钩位置、顶驱/转盘转动的角度、顶驱/转盘施加给钻杆的扭矩和拉力；所述井下测量模块测量的信息包括：井下钻具的工具面、井斜、方位角和井眼测深。

4.  如权利要求1所述的一种自适应井下钻具工具面的动态控制系统，其特征在于：所述用户输入模块包括控制策略输入模块和钻井模型信息输入模块；所述控制策略输入模块接收的用户输入的控制策略包括：1)执行模块控制规律：设计工具面控制规律、泥浆泵泵速控制规律、游车/大钩控制规律、初始顶驱/转盘控制规律和多体动力学模型精度控制规律；2)控制逻辑判断准则：井下钻具是否处于危险状态的判断准则、是否将多体动力学仿真得到的工具面模拟值视为工具面当前位置的判断准则和当前实际工具面是否偏离设定位置的判断准则；3)紧急控制策略：针对危险状态应采取的控制措施；4)预先设定的钻具工具面阈值；
所述钻井模型信息输入模块接收用户输入的钻井模型信息，包括钻具信息、泥浆信息和地层信息；钻具信息包括新接入的单根或立根钻柱信息和更换钻头信息，泥浆信息包括但不限于更换钻井液的信息。

5.  一种采用如权利要求1～4任一项所述动态控制系统来实现的自适应井下钻具工具面的动态控制方法，其包括以下步骤：
1)启动钻井系统的执行机构；
2)用户通过所述用户输入模块中的控制策略输入模块输入控制策略，控制策略输入模块将控制策略分别发送给所述多体动力学建模模块、工具面估计模块、控制规律生成模块和危险状态判断模块；所述用户通过用户输入模块中的钻井模型信息输入模块输入钻井系统模型信息；所述控制规律生成模块经过所述控制信息输出模块将控制策略中的执行模块控制规律发送给所述执行模块，所述执行模块按照该执行模块控制规律开始驱动执行机构工作，其包括：泥浆泵泵入钻井液，游车/大钩上、下移动，以及顶驱/转盘转动指定的角度；
3)所述数据采集模块将采集到的钻井系统工作状态测量信息分别发送给所述 多体动力学建模模块、自适应模型修正模块、控制规律生成模块、危险状态判断模块和测量信息输出模块；
4)所述危险状态判断模块根据所述用户输入模块中的控制策略输入模块发送的控制逻辑判断准则中的井下钻具是否处于危险状态的判断准则和当前实际工具面是否偏离设定位置的判断准则，以及所述数据采集模块发送的钻井系统工作状态测量信息，判断当前钻进是否处于危险状态：
如果当前钻进处于危险状态，则发出危险警报并执行紧急控制策略；
如果当前钻进未处于危险状态，则执行步骤5)；
5)若系统处于第一个控制周期，则依据所述数据采集模块采集的钻井系统工作状态测量信息和所述用户输入模块输入的钻井模型信息，对钻井系统建立多体动力学模型；若系统不处于第一个控制周期，则直接执行步骤6)；
6)所述自适应模型修正模块比较所述工具面估计模块反馈的工具面模拟值和钻井系统工作状态测量信息，对获得的多体动力学模型的参数进行修正，并将修正后的多体动力学模型输出给所述工具面估计模块，所述工具面估计模块对多体动力学模型进行多体动力学仿真，以获得工具面模拟值；
7)所述控制规律生成模块根据所述用户输入模块中的控制策略输入模块发送的控制逻辑判断准则中的是否将多体动力学仿真得到的工具面模拟值视为工具面当前位置的判断准则，确定生成执行模块控制规律时使用的工具面：
如果是，则将工具面模拟值视为工具面当前位置；
如果否，则将工具面实测值作为工具面当前位置；
8)所述控制规律生成模块根据所述用户输入模块中的控制策略输入模块发送的执行模块控制规律中的设计工具面控制规律和初始顶驱/转盘控制规律，判断工具面当前位置是否超出控制策略中预先设定的钻具工具面阈值：
如果是，则所述控制规律生成模块生成新的执行模块控制规律，包括通过多体动力学仿真计算顶驱/转盘所需的转动角度、游车/大钩的位置和泥浆泵泵速，并将新的执行模块控制规律通过所述控制信息输出模块发送给所述执行模块，然后执行步骤9)；
如果否，则保持当前的执行模块控制规律，并将其通过所述控制信息输出模块发送给所述执行模块，继续钻进并执行步骤10)；
9)所述执行模块按照所述控制规律生成模块输出的执行模块控制规律驱动泥浆泵、游车/大钩、顶驱/转盘的动作，继续钻进以使井下钻具工具面回归到设计位置，以完成对井下钻具工具面的动态调整控制；
10)用户输入模块中的控制策略输入模块和钻井模型信息输入模块分别判断用户输入的控制策略和钻井模型信息是否有变化：
如果是，则返回步骤2)；
如果否，则返回步骤4)。

6.  如权利要求5所述的一种自适应井下钻具工具面的动态控制方法，其特征在于：在进行上述步骤6)时，所述自适应模型修正模块对钻井系统的多体动力学模型进行修正包括以下步骤：
①在第一个控制周期中，根据所述工具面估计模块反馈的工具面模拟值，所述自适应模型修正模块预测井下钻具在之后的某一时刻或一段时间的变化和响应；
②所述自适应模型修正模块将工具面模拟值与钻井系统工作状态测量信息中的井下钻具工具面进行对比，获得增益系数；
③根据增益系数对所述多体动力学建模模块传来的多体动力学模型进行修正，将修正后的多体动力学模型发送给所述工具面估计模块；
④在其后的某一控制周期中，重复步骤①～③，以使所述自适应模型修正模块实时跟踪井下钻具工具面情况，持续对所述多体动力学建模模块传来的多体动力学模型进行修正。

一种自适应井下钻具工具面的动态控制系统及方法
技术领域
本发明涉及一种油气田井下钻具的控制系统及方法，特别是关于一种基于多体动力学模型的自适应井下钻具工具面的动态控制系统及方法。
背景技术
使用弯角式的造斜钻具进行滑动钻进，是石油定向钻井中常用的一种钻进方法。由于地层岩性变化、泥浆泵泵速变化、钻头和动力钻具磨损等原因，井下钻具的工具面容易发生漂移，从而导致井眼轨迹偏离设计轨迹。当地面工程师发现钻具的工具面发生漂移时，常规处理方法是立即停钻并上提钻具，将钻具的工具面调整到所需位置后重新下钻继续钻进。显然，这种方法会影响钻井进度，降低工作效率，并增加钻井成本。此外，在常规滑动导向钻进过程中，由于滑动导向钻井系统的钻柱不旋转，因此容易产生较大的摩阻扭矩。对于地层情况较为明晰的井眼，可以根据井深和钻具的组合特性通过旋转顶驱来克服摩阻扭矩；但对于大长细比柔性钻柱系统，则难以对钻具工具面和井眼轨迹实现有效控制。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种基于多体动力学模型的自适应井下钻具工具面的动态控制系统及方法，以提高定向钻井作业的效率和精度。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种自适应井下钻具工具面的动态控制系统，其特征在于：它包括数据采集模块、用户输入模块、多体动力学建模模块、自适应模型修正模块、工具面估计模块、控制规律生成模块、控制信息输出模块、执行模块、危险状态判断模块和测量信息输出模块；其中，所述数据采集模块将采集到的钻井系统工作状态测量信息分别传输至所述多体动力学建模模块、自适应模型修正模块、控制规律生成模块、危险状态判断模块和测量信息输出模块；所述用户输入模块将用户输入的控制策略和钻井模型信息分别传输至所述多体动力学建模模块、工具面估计模块、控制规律生成模块和危险状态判断模块；所述多体动力学建模模块根据接收到的钻井系统工作状态测量信息、钻井模型信息和控制策略对钻井系统进行多体动力学建模，并将钻井系统的多体动力学模型输入所述自适应模型修正模块；所述自适应模型修正模块根据接收的钻井系统工作状态测量信息、钻井系统的多体动力学模型以及所述工具面估计模块反馈的工具面模拟值对钻井系统的多体动力学模型进行修正，并将修正后的钻井系统的多体动力学模型发送给所述工具面估计模块；所述工具面估计模块对接收 到的修正后的钻井系统的多体动力学模型进行多体动力学仿真，以得到工具面模拟值；所述工具面估计模块将工具面模拟值反馈给所述自适应模型修正模块，并将工具面模拟值传输至所述控制规律生成模块；所述控制规律生成模块根据接收到的控制策略判断接收到的工具面模拟值是否超出设定的阈值控制策略中预先设定的钻具工具面阈值：如果是，则所述控制规律生成模块生成新的执行模块控制规律，并将其发送给所述控制信息输出模块；如果否，则保持上一控制周期的执行模块控制规律不变，将其发送给所述控制信息输出模块；所述控制信息输出模块将接收到的执行模块控制规律发送给所述执行模块；所述危险状态判断模块根据接收到的控制策略和钻井系统工作状态测量信息，判断当前钻进是否处于危险状态：如果当前钻进处于危险状态，则将接收到的控制策略中的紧急控制策略发送给所述控制规律生成模块，并向所述测量信息输出模块发送危险警报；如果当前钻进处于安全状态，则将控制策略中的执行模块控制规律发送给所述控制规律生成模块。
在一个优选的实施例中，它还包括一系统输出模块，所述测量信息输出模块将接收到的钻井系统工作状态测量信息和危险警报传输至所述系统输出模块；所述系统输出模块记录接收到的危险警报、钻井系统工作状态测量信息和执行模块控制规律，并将其呈现给用户；同时，所述系统输出模块还能够将修正后的钻井系统的多体动力学模型，以及工具面模拟值或当前工具面的测量信息也呈现给用户。
在一个优选的实施例中，所述数据采集模块包括井上测量模块和井下测量模块；所述井上测量模块测量的信息包括：泥浆泵泵速、游车/大钩位置、顶驱/转盘转动的角度、顶驱/转盘施加给钻杆的扭矩和拉力；所述井下测量模块测量的信息包括：井下钻具的工具面、井斜、方位角和井眼测深。
在一个优选的实施例中，所述用户输入模块包括控制策略输入模块和钻井模型信息输入模块；所述控制策略输入模块接收的用户输入的控制策略包括：1)执行模块控制规律：设计工具面控制规律、泥浆泵泵速控制规律、游车/大钩控制规律、初始顶驱/转盘控制规律和多体动力学模型精度控制规律；2)控制逻辑判断准则：井下钻具是否处于危险状态的判断准则、是否将多体动力学仿真得到的工具面模拟值视为工具面当前位置的判断准则和当前实际工具面是否偏离设定位置的判断准则；3)紧急控制策略：针对危险状态应采取的控制措施；4)预先设定的钻具工具面阈值；所述钻井模型信息输入模块接收用户输入的钻井模型信息，包括钻具信息、泥浆信息和地层信息；钻具信息包括新接入的单根或立根钻柱信息 和更换钻头信息，泥浆信息包括但不限于更换钻井液的信息。
一种采用上述动态控制系统来实现的自适应井下钻具工具面的动态控制方法，其包括以下步骤：
1)启动钻井系统的执行机构；
2)用户通过所述用户输入模块中的控制策略输入模块输入控制策略，控制策略输入模块将控制策略分别发送给所述多体动力学建模模块、工具面估计模块、控制规律生成模块和危险状态判断模块；所述用户通过用户输入模块中的钻井模型信息输入模块输入钻井系统模型信息；所述控制规律生成模块经过所述控制信息输出模块将控制策略中的执行模块控制规律发送给所述执行模块，所述执行模块按照该执行模块控制规律开始驱动执行机构工作，其包括：泥浆泵泵入钻井液，游车/大钩上、下移动，以及顶驱/转盘转动指定的角度；
3)所述数据采集模块将采集到的钻井系统工作状态测量信息分别发送给所述多体动力学建模模块、自适应模型修正模块、控制规律生成模块、危险状态判断模块和测量信息输出模块；
4)所述危险状态判断模块根据所述用户输入模块中的控制策略输入模块发送的控制逻辑判断准则中的井下钻具是否处于危险状态的判断准则和当前实际工具面是否偏离设定位置的判断准则，以及所述数据采集模块发送的钻井系统工作状态测量信息，判断当前钻进是否处于危险状态：
如果当前钻进处于危险状态，则发出危险警报并执行紧急控制策略；
如果当前钻进未处于危险状态，则执行步骤5)；
5)若系统处于第一个控制周期，则依据所述数据采集模块采集的钻井系统工作状态测量信息和所述用户输入模块输入的钻井模型信息，对钻井系统建立多体动力学模型；若系统不处于第一个控制周期，则直接执行步骤6)；
6)所述自适应模型修正模块比较所述工具面估计模块反馈的工具面模拟值和钻井系统工作状态测量信息，对获得的多体动力学模型的参数进行修正，并将修正后的多体动力学模型输出给所述工具面估计模块，所述工具面估计模块对多体动力学模型进行多体动力学仿真，以获得工具面模拟值；
7)所述控制规律生成模块根据所述用户输入模块中的控制策略输入模块发送的控制逻辑判断准则中的是否将多体动力学仿真得到的工具面模拟值视为工具面当前位置的判断准则，确定生成执行模块控制规律时使用的工具面：
如果是，则将工具面模拟值视为工具面当前位置；
如果否，则将工具面实测值作为工具面当前位置；
8)所述控制规律生成模块根据所述用户输入模块中的控制策略输入模块发送的执行模块控制规律中的设计工具面控制规律和初始顶驱/转盘控制规律，判断工具面当前位置是否超出控制策略中预先设定的钻具工具面阈值：
如果是，则所述控制规律生成模块生成新的执行模块控制规律，包括通过多体动力学仿真计算顶驱/转盘所需的转动角度、游车/大钩的位置和泥浆泵泵速，并将新的执行模块控制规律通过所述控制信息输出模块发送给所述执行模块，然后执行步骤9)；
如果否，则保持当前的执行模块控制规律，并将其通过所述控制信息输出模块发送给所述执行模块，继续钻进并执行步骤10)；
9)所述执行模块按照所述控制规律生成模块输出的执行模块控制规律驱动泥浆泵、游车/大钩、顶驱/转盘的动作，继续钻进以使井下钻具工具面回归到设计位置，以完成对井下钻具工具面的动态调整控制；
10)用户输入模块中的控制策略输入模块和钻井模型信息输入模块分别判断用户输入的控制策略和钻井模型信息是否有变化：
如果是，则返回步骤2)；
如果否，则返回步骤4)。
在进行上述步骤6)时，所述自适应模型修正模块对钻井系统的多体动力学模型进行修正包括以下步骤：
①在第一个控制周期中，根据所述工具面估计模块反馈的工具面模拟值，所述自适应模型修正模块预测井下钻具在之后的某一时刻或一段时间的变化和响应；
②所述自适应模型修正模块将工具面模拟值与钻井系统工作状态测量信息中的井下钻具工具面进行对比，获得增益系数；
③根据增益系数对所述多体动力学建模模块传来的多体动力学模型进行修正，将修正后的多体动力学模型发送给所述工具面估计模块；
④在其后的某一控制周期中，重复步骤①～③，以使所述自适应模型修正模块实时跟踪井下钻具工具面情况，持续对所述多体动力学建模模块传来的多体动力学模型进行修正。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于通过控制策略输入模块输入对井下钻具的控制策略，然后通过多体动力学建模模块对全井钻柱系统进行动力学仿真和预估，并通过自适应模型修正模块根据实时钻井系统的测量信息对模型实时修正多体动力学模型，以及驱动泥浆泵等钻具设备动作的执行模块控制规律，因此本发明能够可靠地监测井下定向钻具工具面偏离预设值的 实时情况，更加准确地计算纠正偏差所需的控制规律，从而实现对井下动力钻具工具面的实时控制并且可靠性高。2、本发明由于设置了自适应模型修正模块，其采用自适应方法对多体动力学模型进行修正，不但可以降低对井下钻具模型的精确度要求，而且允许对钻具模型中的参数进行简单快速的测量或估算，还能够自主修正钻具磨损造成的影响，因此本发明能够节约测定钻具模型参数的时间，提升钻进作业效率。3、本发明由于设置的自适应模型修正模块采用自适应方法对多体动力学模型进行修正，可以降低对地层信息的准确度要求，能够适用于各种地层，尤其是地层情况并不十分明确的探井，因此本发明能够拓宽基于多体动力学方法的定向钻进控制方法的适用范围。基于以上优点，本发明可以广泛应用于对井下定向钻进时动力钻具工具面的实时、动态控制。
附图说明
以下结合附图来对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。
图1是本发明动态控制系统的结构示意图；
图2是本发明动态控制方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
如图1所示，本发明的动态控制系统包括数据采集模块101、用户输入模块102、多体动力学建模模块103、自适应模型修正模块104、工具面估计模块105、控制规律生成模块106、控制信息输出模块107、执行模块108、危险状态判断模块109、测量信息输出模块110和系统输出模块111。
其中，数据采集模块101将采集到的钻井系统工作状态测量信息分别传输至多体动力学建模模块103、自适应模型修正模块104、控制规律生成模块106、危险状态判断模块109和测量信息输出模块110。在本实施例中，数据采集模块101包括井上测量模块a和井下测量模块b(即滑动导向钻井系统的随钻测量系统MWD或随钻录井系统LWD)。其中，井上测量模块a测量的信息包括：泥浆泵泵速、游车/大钩位置、顶驱/转盘转动的角度、顶驱/转盘施加给钻杆的扭矩和拉力；井下测量模块b测量的信息包括：井下钻具工具面、井斜、方位角和井眼测深。
用户输入模块102将用户输入的控制策略和钻井模型信息分别传输至多体动力学建模模块103、工具面估计模块105、控制规律生成模块106和危险状态判断模块109。在本实施例中，用户输入模块102包括控制策略输入模块c和钻井模型信息输入模块d。其中，控制策略输入模块c接收用户输入的控制策略，该控制策 略包括：1)执行模块控制规律：设计工具面控制规律、泥浆泵泵速控制规律、游车/大钩控制规律、初始顶驱/转盘控制规律和多体动力学模型精度控制规律；2)控制逻辑判断准则：井下钻具是否处于危险状态的判断准则、是否将多体动力学仿真得到的工具面模拟值视为工具面当前位置的判断准则和当前实际工具面是否偏离设定位置的判断准则；3)紧急控制策略：针对危险状态应采取的控制措施；4)预先设定的钻具工具面阈值。钻井模型信息输入模块d接收钻具信息、泥浆信息和地层信息等用户输入的钻井模型信息，其中钻具信息包括新接入的单根或立根钻柱信息和更换钻头信息，泥浆信息包括但不限于更换钻井液的信息。多体动力学建模模块103根据接收到的钻井系统工作状态测量信息、钻井模型信息和控制策略对钻井系统进行多体动力学建模，并将钻井系统的多体动力学模型输入自适应模型修正模块104。在本实施例中，对钻井系统进行多体动力学建模可以直接采用本申请人专利号为：ZL201010616202.0，名称为“一种旋转导向钻进系统多体动力学快速分析建模方法”中描述的建模方法，在此不做限制。
自适应模型修正模块104根据接收的钻井系统工作状态测量信息、钻井系统的多体动力学模型以及工具面估计模块105反馈的工具面模拟值对钻井系统的多体动力学模型进行修正，并将修正后的钻井系统的多体动力学模型发送给工具面估计模块105。
工具面估计模块105对接收到的修正后的钻井系统的多体动力学模型进行多体动力学仿真，以得到工具面模拟值；工具面估计模块105将工具面模拟值反馈给自适应模型修正模块104，并将工具面模拟值传输至控制规律生成模块106。在本实施例中，多体动力学仿真为现有技术，故不再赘述。
控制规律生成模块106根据接收到的控制策略判断接收到的工具面模拟值是否超出控制策略中预先设定的钻具工具面阈值：如果是，则控制规律生成模块106生成新的执行模块控制规律，并将其发送给控制信息输出模块107；如果否，则保持上一控制周期的执行模块控制规律不变，将其发送给控制信息输出模块107。
控制信息输出模块107将接收到的执行模块控制规律发送给执行模块108和系统输出模块111。
危险状态判断模块109根据接收到的控制策略和钻井系统工作状态测量信息，判断当前钻进是否处于危险状态：如果当前钻进处于危险状态，则将接收到的控制策略中的紧急控制策略发送给控制规律生成模块106，并向测量信息输出模块110发送危险警报；如果当前钻进处于安全状态，则将控制策略中的执行模块控制规律发送给控制规律生成模块106。其中，危险状态可以是卡钻或井眼轨迹严重偏 移、疑似控制失败、钻井系统工作状态测量信息不全或部分数值异常等。
测量信息输出模块110将接收到的钻井系统工作状态测量信息和危险警报，传输至系统输出模块111。
系统输出模块111记录接收到的危险警报、钻井系统工作状态测量信息和执行模块控制规律，并将其呈现给用户。在本实施例中，还可以将修正后的钻井系统的多体动力学模型，以及工具面模拟值或当前工具面的测量信息也通过系统输出模块111呈现给用户。此外，也可以不设置系统输出模块111，整个井下钻具工具面的动态控制系统的工作不会受到影响。
如图2所示，基于上述实施例中提供的自适应井下钻具工具面的动态控制系统，本发明还提出了一种自适应井下动力钻具工具面的动态控制方法，其包括以下步骤：
1)启动钻井系统的执行机构。
2)用户通过用户输入模块102中的控制策略输入模块c输入控制策略，控制策略输入模块c将控制策略分别发送给多体动力学建模模块103、工具面估计模块105、控制规律生成模块106和危险状态判断模块109；用户通过用户输入模块102中的钻井模型信息输入模块d输入钻井系统模型信息；控制规律生成模块106经过控制信息输出模块107将控制策略中的执行模块控制规律发送给执行模块108，执行模块108按照该执行模块控制规律开始驱动执行机构工作，包括：泥浆泵泵入钻井液、游车/大钩上、下移动和顶驱/转盘转动指定的角度等。
3)数据采集模块101将采集到的钻井系统工作状态测量信息分别发送给多体动力学建模模块103、自适应模型修正模块104、控制规律生成模块106、危险状态判断模块109和测量信息输出模块110。
4)危险状态判断模块109根据用户输入模块102中的控制策略输入模块c发送的控制逻辑判断准则中的井下钻具是否处于危险状态的判断准则和当前实际工具面是否偏离设定位置的判断准则，以及数据采集模块101发送的钻井系统工作状态测量信息，判断当前钻进是否处于危险状态：
如果当前钻进处于危险状态，则发出危险警报并执行紧急控制策略；
如果当前钻进未处于危险状态，则执行步骤5)。
5)若钻井系统处于第一个控制周期，则依据数据采集模块101采集的钻井系统工作状态测量信息和用户输入模块102输入的钻井模型信息，对钻井系统建立多体动力学模型；若钻井系统不处于第一个控制周期，则直接执行步骤6)。
6)自适应模型修正模块104比较工具面估计模块105反馈的工具面模拟值和 钻井系统工作状态测量信息，对获得的多体动力学模型进行修正，并将修正后的多体动力学模型输出给工具面估计模块105，工具面估计模块105对多体动力学模型进行多体动力学仿真，以获得工具面模拟值。在本实施例中，自适应模型修正模块104对钻井系统的多体动力学模型进行修正包括以下步骤：
①在第一个控制周期中，根据工具面估计模块105反馈的工具面模拟值，自适应模型修正模块104预测井下钻具在之后的某一时刻或一段时间的变化和响应。
②自适应模型修正模块104将工具面模拟值与钻井系统工作状态测量信息中的井下钻具工具面进行对比，获得增益系数。
③根据增益系数对多体动力学建模模块103传来的多体动力学模型进行修正，将修正后的多体动力学模型发送给工具面估计模块105。
④在其后的某一控制周期中，重复步骤①～③，以使自适应模型修正模块104实时跟踪井下钻具工具面情况，持续对多体动力学建模模块103传来的多体动力学模型进行修正。
其中，对于已经修正过的多体动力学模型，如果井下钻具添加了新部件，那么可以只针对新部件的一个或几个参数进行修正，从而降低多体动力学模型修正过程的难度。对新部件的修正包括对新接入的单根或立根钻柱的模型修正、对更换的钻头的模型修正和对地层信息的模型修正等。
7)控制规律生成模块106根据用户输入模块102中的控制策略输入模块c发送的控制逻辑判断准则中的是否将多体动力学仿真得到的工具面模拟值视为工具面当前位置的判断准则，确定生成执行模块控制规律时使用的工具面：
如果是，则将工具面模拟值视为工具面当前位置；
如果否，则将工具面实测值作为工具面当前位置。
8)控制规律生成模块106根据用户输入模块102中的控制策略输入模块c发送的执行模块控制规律中的设计工具面控制规律和初始顶驱/转盘控制规律，判断工具面当前位置是否超出控制策略中预先设定的钻具工具面阈值：
如果是，则控制规律生成模块106生成新的执行模块控制规律，包括通过多体动力学仿真计算顶驱/转盘所需的转动角度、游车/大钩的位置和泥浆泵泵速，并将新的执行模块控制规律通过控制信息输出模块107发送给执行模块108，然后执行步骤9)；
如果否，则保持当前的执行模块控制规律，并将其通过控制信息输出模块107发送给执行模块108，继续钻进并执行步骤10)。
9)执行模块108按照控制规律生成模块106输出的执行模块控制规律驱动泥 浆泵、游车/大钩、顶驱/转盘等执行机构动作，继续钻进以使井下钻具工具面回归到设计位置，以完成对井下钻具工具面的动态调整控制。
10)用户输入模块102中的控制策略输入模块c和钻井模型信息输入模块d分别判断用户输入的控制策略和钻井模型信息是否有变化：
如果是，则返回步骤2)；
如果否，则返回步骤4)。
上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。