一種旋轉導向工具偏心位移矢量控制方法
2023-06-26 13:10:51
專利名稱：一種旋轉導向工具偏心位移矢量控制方法
技術領域：
本發明涉及旋轉導向工具的控制方法，特別是指一種旋轉導向工具偏心位移矢量 控制方法。
背景技術：
定向鑽井中，旋轉導向系統(RSS :Rotary Steerable System)比其它定向控制技 術具有顯著優勢，該系統可以在鑽柱旋轉的狀態下自動、連續、靈活地調整井斜和方位，大 大提高了鑽進速度和鑽井安全性，且井眼軌跡控制精度高，是滿足閉環自動化鑽井發展需 要的一種導向方式，而旋轉導向工具(RST =Rotary Steering Tool)為旋轉導向系統中的核
心裝置。目前，商業化應用和正在研發的RST中，其導向方式、偏心機構和控制方法各不相 同。相比較而言，位移工作方式的靜態偏置式RST具有以下優勢(1)以鑽井作業中自然存在的鑽井液壓差為動力，其結構簡單緊湊，比微型電機方 案研製周期短；(2)不旋轉外套使翼肋固定支撐於井壁，產生的靜態合矢量對鑽柱沒有動態衝擊， 導向穩定性較好，能適應各種複雜的井下環境。靜態偏置位移式RST的核心技術是利用鑽井液壓差作為動力，通過近鑽頭可控偏 心器導向機構傳遞和對液壓活塞行程的精確控制，使3個120°均布在相對芯軸不旋轉的 外套上的翼肋在鑽井液壓差作用下伸向井壁。通過調整和雙向控制每個翼肋橫向位移，在 RST控制平面內形成1個偏心位移合矢量，將鑽柱軸心在旋轉過程中穩定於井眼截面所需 位置，從而使旋轉導向工具按照定向井需要的井斜和方位鑽進。定向鑽井井眼軌跡的三維空間分布性要求RST的偏心合位移矢量必須在控制平 面內360°可調，並在設定工具面角方向保持。因此，如何精確控制RST偏心位移矢量是關 鍵，控制的目標為偏心位移矢量的幅值和方向。
發明內容
本發明的主要目的在於提供一種用於旋轉導向工具研製和現場應用的旋轉導向 工具偏心位移矢量控制方法。為實現上述目的，本發明採取以下技術方案一種旋轉導向工具偏心位移矢量的 控制方法，它包括以下步驟1)設置閉環控制系統將井下微處理器與地面監控系統構成 信息大閉環控制系統，所述地面監控系統中預設有設計好的井眼軌跡數據；所述井下微處 理器由測斜板、通道板和主控板構成，所述測斜板、通道板和主控板之間相互電連接，以接 收所述地面監控系統下傳的控制指令及向所述地面監控系統上傳井下實時數據；所述測斜 板經旋轉導向系統下部鑽具組合的MWD短節與所述地面監控系統連接，所述地面監控系統 將指令發送至所述井下微處理器的通道板；2)所述地面監控系統根據所收到的各項數據， 比較與設計好的井眼軌跡的差值，然後向所述井下微處理器發出目標偏心合位移矢量值，所述井下微處理器根據接收到的目標偏心合位移矢量值和當前不旋轉外套的工具面角計 算旋轉導向工具翼肋組中各個翼肋的分位移矢量；3)所述井下微處理器將計算出的各個 翼肋的相應目標位移發送至對應的翼肋驅動機構，雙向控制各個翼肋按目標值做出相應的 伸、縮動作；4)所述地面監控系統根據井下上傳的數據，重複步驟2)和步驟3)，實時修正偏 心位移控制指令，以監測、控制井眼軌跡。 在步驟2)中，所述井下微處理器由嵌於所述主控板內的偏心位移矢量控制單元 計算各個翼肋相應的目標位移。所述偏心位移矢量控制單元的計算步驟為(1)以初始位置為基準，確定單個翼 肋的最大伸、縮位移幅值首先做如下假定①井壁堅硬並能提供足夠大的支反力；②井眼 與RST截面為圓形；③初始位置時，控制平面內所述驅動芯軸中心與所述井眼中心重合， 各個所述翼肋全部與所述井壁接觸；④所述各翼肋驅動機構正常工作，且有足夠驅動力和 返回力使各個翼肋位移伸、縮到位；這樣，單個翼肋的最大伸、縮位移幅值只與控制平面內 RST的直徑、井眼的直徑相關；以初始位置為基準，單個翼肋最大伸、縮位移幅值均為Dmax=^(AD0-Ds)其中=Dtl為井眼的直徑，DS為RST的直徑，A為井眼擴大率；(2)偏心位移矢量合成 與分解建立數學模型以所述翼肋組中1#翼肋工具面方向和水平方向的夾角θ ^為初始 裝置角建立χ軸，垂直χ軸建立y軸，三個分位移矢量交於ο點，在RST不旋轉外套沒有旋 轉運動的情況下，三個翼肋的位移伸、縮方向在所建坐標系中固定；以初始位置為原點，則 在控制平面內存在六個方向的位移矢量，且方向固定；以初始位置為基準，通過改變三個翼 肋分位移矢量的幅值，能得到控制平面內任意方向的偏心合位移矢量D，所述偏心合位移矢 量D的幅值及其方向為
>值D(Dx,Dy) = ^JD2x+D2y 方向t肌β = DyIDx(3)確定偏心合位移矢量控制區域以初始位置為基準，最大可使用的偏心合位 移幅值即單個翼肋的最大可伸、縮位移幅值為(Dtl-Ds)/2，控制區域為整個控制平面；(4)定 量計算分位移矢量基於就近和最小能量的計算原則，以所述翼肋組中1#翼肋縮回方向和 目標工具面角方向之間的夾角Y為區域劃分標準，同時考慮實際鑽進時旋轉導向工具不 旋轉外套的旋轉角速度和翼肋收到指令並動作到位的時間，在控制平面內分六個區域定量 計算單個翼肋的分位移矢量。在定量計算分位移矢量的步驟中，當Y < π/3時，即處於第一控制區域，偏 心合位移方向位於1#翼肋縮回方向和3#翼肋伸出方向之間，此時三個翼肋的伸、縮位移幅 值為
當π/3彡γ <2π/3時，即處於第二控制區域，偏心合位移方向位於2#翼肋縮 回方向和3#翼肋伸出方向之間，此時三個翼肋的伸、縮位移幅值為 當γ < π時，即處於第三控制區域，偏心合位移方向位於2#翼肋縮回
方向和1#翼肋伸出方向之間，此時三個翼肋的伸縮位移幅值為 當π彡Y < /3時，即處於第四控制區域，偏心合位移方向位於1#翼肋伸出 方向和3#翼肋縮回方向之間，此時三個翼肋的伸縮位移幅值為
當4 π /3 < γ < 5 π /3時，即處於第五控制區域，偏心合位移方向位於2#翼肋伸 出方向和3#翼肋縮回方向之間，此時三個翼肋的伸縮位移幅值為 當γ <2π時，即處於第六控制區域，偏心合位移方向位於2#翼肋伸出
方向和1#翼肋縮回方向之間，此時三個翼肋的伸縮位移幅值為 所述偏心位移矢量控制單元的計算步驟(2)中，將旋轉導向工具偏心位移矢量控 制簡化為控制平面內六個方向固定的位移矢量的合成與分解，三個翼肋分位移矢量存在數 學多解性。所述偏心合位移矢量在控制平面內360°可調。所述測斜板、通道板和主控板分別通過對應控制各個翼肋動作的翼肋驅動機構控 制所述翼肋組中的各個翼肋。各個所述翼肋伸縮到位後，關閉所述定位總成中的單向閥，便能鎖定翼肋位置，使 旋轉導向鑽具組合按照所需的井斜和方位導向鑽進。各個所述翼肋伸縮到位後，關閉所述定位總成中的單向閥，便能鎖定翼肋位置，使旋轉導向鑽具組合按照所需的井斜和方位導向鑽進。本發明由於採取以上技術方案，其具有以下優點1、本發明將旋轉導向工具偏心 位移矢量控制程序嵌入井下微處理器中，與MWD、地面監控系統構成信息大閉環，使井眼軌 跡能被實時監測、控制，並能及時修正鑽進方位；2、本發明將偏心位移矢量控制簡化為控制 平面內六個方向位移矢量的合成和分解，以初始位置為基準，定量地計算偏心位移矢量，該 控制方法比力工作方式具有更大的控制區域，不存在控制「盲區」;3、本發明提出的控制方 法綜合考慮實際鑽進時旋轉導向工具外套的旋轉角速度、井眼擴大率和翼肋收到指令並動 作到位的時間，因此實用性強且實際導向效果好。本發明提出的偏心位移矢量控制方法，為旋轉導向工具研製和現場應用提供了重 要的指導。
圖1A為旋轉導向系統下部鑽具組合(BHA)
圖1B為旋轉導向工具結構組成示意圖
圖2A為沿圖1B中I-I剖線所顯示的控制平面組成示意圖
圖2B為偏置位移式旋轉導向工具偏心執行機構工作原理圖
圖3表示的是本發明控制平面I-I內的角度定義
圖4為本發明旋轉導向工具偏心合位移矢量閉環控制系統示意圖
圖5為本發明翼肋最大伸、縮位移幅值幾何解析
圖6為本發明位移矢量合成原理
圖7為本發明平面匯交位移矢量合位移計算
圖8為本發明偏心合位移矢量取值範圍
圖9為本發明三個翼肋分位移矢量確定方法的幾何解析
具體實施例方式現舉以下實施例並結合附圖對本發明進行詳細說明。帶偏置位移式旋轉導向工具(RST)的旋轉導向系統下部鑽具組合(BHA)如圖1A 所示，包括依序連接的鑽杆10、鑽鋌11、鑽柱穩定器12、MWD短節13、柔性短節14、滾輪穩定 器15、旋轉導向工具16及鑽頭17。其中旋轉導向工具16的結構組成如圖1B所示，其包括 不旋轉外套161、驅動芯軸162、定位總成163和一翼肋組164。在BHA中串接柔性短節14 的目的是為了減小上部鑽柱對BHA導向及力學性能的影響，在旋轉導向工具16的不旋轉外 套161上設置滾輪穩定器15是為了防止或減慢不旋轉外套161實際鑽進時的旋轉運動。旋 轉導向工具16中的定位總成163和翼肋組164組成一偏心執行機構。旋轉導向系統下部 鑽具組合(BHA)為現有的裝置，其結構在此不再詳述。旋轉導向工具16通過該偏心執行機構實現導向鑽進和井眼軌跡控制。如圖2A、圖 2B所示，該偏心執行機構中翼肋組164包括1#翼肋1641、2#翼肋1642和3#翼肋1643，分 別由獨立的驅動液缸和傳遞機構雙向控制。在鑽進過程中，鑽井液通過驅動芯軸162上的 小孔進入定位總成163的驅動液缸，在鑽柱內、外鑽井液壓差作用下，三個翼肋1641、1642、 1643被驅動伸出，並與井壁18相接觸。需要縮回時，由定位總成163反向控制。翼肋的伸、縮位移幅值受定位總成163控制。翼肋的驅動原理為本領域的公知技術，在此不再詳述。本發明中，控制平面I-I內的角度定義如圖3所示(1)工具面角a 在控制平面I-I內，定義有井眼18的中心原點0和旋轉導向工 具(RST)偏心後驅動芯軸162的中心0'，以井眼18的中心原點0鉛垂向上劃出的線0P為 零點，順時針旋轉到偏心合位移工具面方向00'之間的夾角即為工具面角a。偏置合位移 工具面方向00'從井眼18的中心原點0開始，指向旋轉導向工具(RST)偏心後驅動芯軸 162中心0'。工具面角a是井眼軌跡控制中的重要參考量。(2)裝置角e :裝置角e的起點是以從井眼18的中心原點o向右延伸的水平線 為零點，逆時針旋轉到1#翼肋1641 (定位基準翼肋)的工具面方向之間的夾角。定位總成163通過雙向控制三個翼肋的伸、縮位移幅值可在控制平面內I-I形成 偏心合位移矢量，使RST軸線偏離井眼18的中心線。在鑽井過程中要根據所需的造斜率來 確定偏心合位移矢量，並將其分解為三個翼肋各自的位移矢量單獨控制。下面詳細說明本發明所提供的旋轉導向工具(RST)偏心位移矢量的控制方法，其 包括以下步驟一、設置閉環控制系統將井下微處理器與地面監控系統(包括井下/地面數據採 集、處理、解釋、判斷與決策系統和信息發送、接收設備)構成信息大閉環控制系統。在地面 監控系統中預設有設計好的井眼軌跡數據(地面監控系統為現有設備)。如圖4所示，井下微處理器由測斜板、通道板和主控板構成。測斜板、通道板和主 控板之間相互電連接，以接收地面監控系統下傳的控制指令及向地面監控系統上傳井下實 時數據。測斜板、通道板和主控板分別通過相應的翼肋驅動機構連接1#翼肋1641、2#翼肋 1642和3#翼肋1643，以控制相應的翼肋動作。其中，測斜板負責測量當前井斜和1#翼肋 1641的工具面角，每隔5s向主控板發送一次1#翼肋的工具面角的狀態，並通過MWD短節 13向地面監控系統上傳井斜、方位、翼肋分位移及1#翼肋1641的工具面角數據。通道板負 責接收並解碼地面監控系統下傳的偏心位移控制指令，同時每隔5s向主控板發送一次下 行通道的狀態。主控板每隔5s接收一次測斜板和通道板傳送的信息。本發明中的翼肋驅 動機構採用的是電磁閥液壓子系統。二、地面監控系統根據所收到的各項數據，比較與設計好的井眼軌跡的差值，然後 向井下微處理器發出目標偏心合位移矢量值，井下微處理器根據接收到的目標偏心合位移 矢量值和當前不旋轉外套的工具面角計算三個翼肋的分位移矢量。地面監控系統在比較出差值後，向通道板發出修正的偏心位移控制指令，再由通 道板傳輸給主控板，主控板根據通道板傳來的目標偏心合位移矢量值(包括目標工具面角 和目標偏心合位移數據)以及測斜板傳來的當前1#翼肋1641的工具面角，由嵌於主控板 內的偏心位移矢量控制單元(圖中未示)計算得出三個翼肋相應的目標位移。偏心位移矢量控制單元的計算步驟如下1、以初始位置為基準，確定單個翼肋的最大伸、縮位移幅值RST在井下工作時，其偏心效果受所在地層的井壁條件、井眼擴大等井下複雜工況 的影響。為簡化，在設計分析中作如下假定(1)井壁堅硬並能提供足夠大的支反力；(2)井眼18與RST截面為圓形；
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(3)初始位置時，控制平面內驅動芯軸162中心與井眼18中心重合，三個翼肋 1641、1642及1643全部與井壁18接觸；(4)翼肋驅動機構正常工作，且有足夠驅動力和返回力使翼肋位移伸、縮到位。這樣，單個翼肋的最大伸、縮位移幅值只與控制平面內RST的直徑、井眼18的直徑 相關。以初始位置為基準，單個翼肋最大伸、縮位移幅值均為
⑴如圖5所示隊為井眼18的直徑，Ds為RST的直徑，A為井眼18擴大率；偏心位 移的取值區域為虛線圍成的圓形。同時，D_也是控制平面內驅動芯軸162中心的最大偏心 位移。2、偏心位移矢量合成與分解建立如圖6所示的數學模型三個分位移矢量交於o點，以1#翼肋1641工具面方 向和水平方向的夾角00(初始裝置角)建立X軸，垂直X軸建立y軸。在RST不旋轉外套 161沒有旋轉運動的情況下，三個翼肋的位移伸、縮方向在所建坐標系中固定。以初始位置 為原點，則在控制平面內存在六個方向的位移矢量，且方向固定。改變三個翼肋伸、縮位移矢量的幅值，其偏心合位移矢量D的幅值和方向將隨之 改變。保持偏心合位移矢量D的幅值和方向均不變，在滿足矢量合成條件和三個翼肋伸、 縮位移可以無級調節的情況下，要達到相同的偏心合位移矢量D，三個翼肋分位移矢量D/、 D2\D31的幅值組合不是唯一確定的，即三個翼肋分位移矢量存在數學多解性。如圖7所示偏心合位移矢量D的幅值及其方向為 進一步可解得
(2) 將式(3)代入式⑵，簡化得 式中，D_為每個翼肋所能獲得的最大伸、縮位移幅值；0為合位移矢量D與x軸正向的夾角；叭為初始裝置角。若合位移矢量D的幅值和方向已知，且初始裝置角e ^不變，即 對翼肋伸、縮分位移D」 D2、D3求解，在不考慮工程實際要求時，(5)式的數學解有 無窮多種{Dx,D2,Dz)^{(D\,DlD\),(DlDl,Dl),---,{D；, D；, D； )|(D;』)2 + (伐)2 + (伐)2 — ￡>；￡>2" --Dn2Dl >0 ( = 1,2,3,..)由式(4)可知，偏心合位移矢量D的幅值僅與3個分位移矢量幅值有關。當分位 移矢量幅值確定，D的方向也只與初始裝置角e^有關。因此，要保持D方向不變，e^必須 保持恆定，即不旋轉外套161必須保持靜止。通過改變三個分位移矢量的幅值，可得到控制 平面內任意方向的合位移矢量D。理想狀態下，不旋轉外套161相對旋轉的驅動芯軸162是靜止的，但由於兩者連接 的軸承之間不可避免地存在摩擦、扭矩作用，驅動芯軸162在旋轉的同時，也會帶動不旋轉 外套161做緩慢的旋轉運動。目前不旋轉外套161的轉速可控制在2轉/小時左右。不旋 轉外套161的旋轉要求三個翼肋的伸、縮位移必須隨著做相應的調整，以維持實際鑽進所 要求的偏心合位移矢量D的幅值和方向。3、確定偏心合位移矢量控制區域在地層堅硬並能提供足夠大支撐反力、定位總成163能提供足夠驅動力和返 回力、翼肋驅動機構行程一定的情況下，每個翼肋所能獲得的最大伸、縮位移為D_，即
( D_，D2 ( D_，D3 ( D_。分析圖8可知，D的幅值達到D_時，仍可分解到三個翼肋位 移伸、縮方向上，且分位移矢量組合不唯一。因此，D的幅值落在圖8所示的整個控制平面 區域內，其取值範圍為 D的方向可在幅值保持不變的情況下360°任意可調，這樣偏心執行機構就能通 過不斷調整三個分位移矢量的幅值達到造斜和控制井眼軌跡的目的。以初始位置為基準， 偏心位移矢量控制方案不存在控制「盲區」，其最大可使用的偏心合位移幅值為(DfD^/2， 即單個翼肋的最大可伸、縮位移幅值。4、定量計算分位移矢量如圖9所示已知偏心合位移矢量D的幅值和方向，確定三個分位移矢量。假設先 確定1#翼肋1641分位移A"。由矢量合成原理可知由於存在六個確定方向的矢量，分位移 矢量輝；可落在控制平面六個區間中任意一個內，只要滿足由矢量合成原理、平行四邊形法 則和最大可使用偏心合位移幅值所構成的約束條件。先確定2#翼肋1642分位移巧時，會 出現分位移矢量A"超出翼肋最大可使用伸、縮位移的情況，這是錯誤的分位移矢量組合。理論上講，已知偏心合位移矢量D的幅值和方向，先確定任何一個分位移矢量都 是可行的，只要其幅值滿足上述約束條件。在實際工程中，往往要求以最小的能量達到控制偏心合位移矢量的目的。通過力學及數學分析可得當偏心合位移矢量靠近某一翼肋分矢 量方向時，先確定該翼肋的分位移矢量，並使另外兩個分位移矢量中一個分位移矢量幅值 為零，將使所需能量最小。因此，應按照就近原則和最小能量原則計算分位移矢量。如圖8所示，翼肋按逆時針方向編號，以1#翼肋1641當前工具面角a :和目標工 具面角a的夾角Y (逆時針為正)為區域劃分標準，以就近和最小能量為原則，並計入測 得的不旋轉外套161的旋轉角速度為《和翼肋收到指令並動作到位的時間為T，則有 不旋轉外套的轉動角速度co由測得的1#翼肋1641工具面角變化計算得出。翼 肋收到指令並伸、縮到位的時間T由試驗測定。在控制平面I-I內分六個區域定量計算單個翼肋的分位移矢量，則分位移矢量的 控制算法如下(1)當Y < n/3時，即處於第一控制區域，要求偏心合位移方向位於1#翼肋 1641縮回方向和3#翼肋1643伸出方向之間，此時三個翼肋的伸、縮位移幅值為 (2)當Y < 2 Ji/3時，即處於第二控制區域，要求偏心合位移方向位於2# 翼肋1642縮回方向和3#翼肋1643伸出方向之間，此時三個翼肋的伸、縮位移幅值為
Z), =0
y-
nT.
sin-
Ijt
T
D 二
-COSX +
sin^
I
D
(10)
.(In 、
sin T"
sin-
2n
TD.
COS/ +
sin^
I
D (3)當Y < Ji時，即處於第三控制區域，要求偏心合位移方向位於2#翼 肋1642縮回方向和1#翼肋1641伸出方向之間，此時三個翼肋的伸縮位移幅值為
14
(4)當Ji彡Y < 4 Ji/3時，即處於第四控制區域，要求偏心合位移方向位於1#翼 肋1641伸出方向和3#翼肋1643縮回方向之間，此時三個翼肋的伸縮位移幅值為 該工況的結果相當於工況(1)中的、轉過角度^！。(5)當4ji/3彡Y < 5 Ji/3時，即處於第五控制區域，要求偏心合位移方向位於 2#翼肋1642伸出方向和3#翼肋1643縮回方向之間，此時三個翼肋的伸縮位移幅值為 該工況的結果相當於工況(2)中的Y轉過角度n。(6)當y < 2ji時，即處於第六控制區域，要求偏心合位移方向位於2# 翼肋1642伸出方向和1#翼肋1641縮回方向之間，此時三個翼肋的伸縮位移幅值為 該工況的結果相當於工況(3)中的、轉過角度Ji。三、井下微處理器將計算出的三個翼肋的相應目標位移發送至對應的翼肋驅動機 構，雙向控制各個翼肋按目標值做出相應的伸、縮動作。主控板將計算出的1#翼肋1641的目標位移數據發送到測斜板，將2#翼肋1642 的目標位移發送到通道板，進而由測斜板、通道板和主控板分別將數據發送至三個對應控 制各個翼肋動作的翼肋驅動機構，各自獨立按要求控制各個翼肋的位移幅值。翼肋伸縮到 位後，關閉定位總成中的單向閥，鎖定翼肋位置，使旋轉導向鑽具組合按照所需的井斜和方 位導向鑽進。四、地面監控系統根據井下上傳的數據，重複步驟二和步驟三，實時修正偏心位移 控制指令，以監測、控制井眼軌跡。本發明在進行帶偏置位移式RST的BHA現場應用過程中，翼肋工作模式有三種全 縮模式、全伸模式(初始位置)、導向模式，應用時以初始位置為基準。地面監控系統接收 到井下上傳數據，根據測得的井眼軌跡情況確定是否需要調整旋轉導向工具以控制井眼軌 跡。井眼軌跡需要優化時，地面工程師根據BHA的導向能力和井眼軌跡控制需要，選擇控制 指令向井下發送，井下微處理器接收並解碼指令，確定旋轉導向工具的偏心合位移矢量。實施例1 由初始位置調整到導向模式。設RST處於初始位置，1#翼肋1641當前 工具面角為60度，目標工具面角為30度，不旋轉外套161的轉速為2轉/小時，翼肋收到 指令並伸、縮到位的時間為1分15秒，目標偏心合位移矢量幅值為10毫米，則由控制程序 計算得到的三個翼肋偏心位移矢量幅值分別為1#翼肋縮8. 2毫米，2#翼肋處於初始位置， 為0毫米；3#翼肋伸3.0毫米；實施例2 導向模式1調整到導向模式2。設RST導向模式1的初始工具面角為30 度，初始偏心合位移矢量幅值為10毫米，1#翼肋1641當前工具面角為45度，不旋轉外套 161轉速為1轉/小時，翼肋收到指令並伸縮到位的時間為2分鐘，導向模式2的目標工具 面角為72度，目標偏心合位移矢量幅值為20毫米，則由控制程序計算得到的三個翼肋偏心 位移矢量幅值分別為1#翼肋縮3. 4毫米;2#翼肋處於初始位置，為0毫米；3#翼肋伸8. 6 毫米。本發明針對偏置位移式RST，提出翼肋偏心位移矢量控制方法和RSS大閉環控制 方案，方法簡單、實用，易於實現編程控制，為偏置位移式RST的設計研究和現場應用提供 了重要的理論依據和指導。在現場應用中，實際的導向效果受多種因素影響，如翼肋位移 的控制精度、井眼質量、井下信息測量精度、導向基準穩定性等，但均可根據實際工況實時計算、調整，不影響本發明的應用.
權利要求
一種旋轉導向工具偏心位移矢量控制方法，其特徵在於它包括以下步驟1)設置閉環控制系統將井下微處理器與地面監控系統構成信息大閉環控制系統，所述地面監控系統中預設有設計好的井眼軌跡數據；所述井下微處理器由測斜板、通道板和主控板構成，所述測斜板、通道板和主控板之間相互電連接，以接收所述地面監控系統下傳的控制指令及向所述地面監控系統上傳井下實時數據；所述測斜板經旋轉導向系統下部鑽具組合的MWD短節與所述地面監控系統連接，所述地面監控系統將指令發送至所述井下微處理器的通道板；2)所述地面監控系統根據所收到的各項數據，比較與設計好的井眼軌跡的差值，然後向所述井下微處理器發出目標偏心合位移矢量值，所述井下微處理器根據接收到的目標偏心合位移矢量值和當前不旋轉外套的工具面角計算旋轉導向工具翼肋組中各個翼肋的分位移矢量；3)所述井下微處理器將計算出的各個翼肋的相應目標位移發送至對應的翼肋驅動機構，雙向控制各個翼肋按目標值做出相應的伸、縮動作；4)所述地面監控系統根據井下上傳的數據，重複步驟2)和步驟3)，實時修正偏心位移控制指令，以監測、控制井眼軌跡。
2.如權利要求1所述的一種旋轉導向工具偏心位移矢量控制方法，其特徵在於在步 驟2)中，所述井下微處理器由嵌於所述主控板內的偏心位移矢量控制單元計算各個翼肋 相應的目標位移。
3.如權利要求2所述的一種旋轉導向工具偏心位移矢量控制方法，其特徵在於所述 偏心位移矢量控制單元的計算步驟為(1)以初始位置為基準，確定單個翼肋的最大伸、縮位移幅值首先做如下假定①井壁堅硬並能提供足夠大的支反力；②井眼與RST截面為圓形；③初始位置時，控制平面內所述驅動芯軸中心與所述井眼中心重合，各個所述翼肋全 部與所述井壁接觸；④所述各翼肋驅動機構正常工作，且有足夠驅動力和返回力使各個翼肋位移伸、縮到位；這樣，單個翼肋的最大伸、縮位移幅值只與控制平面內RST的直徑、井眼的直徑相關； 以初始位置為基準，單個翼肋最大伸、縮位移幅值均為其中諷為井眼的直徑，Ds為RST的直徑，A為井眼擴大率；(2)偏心位移矢量合成與分解建立數學模型以所述翼肋組中1#翼肋工具面方向和水平方向的夾角叭為初始裝置 角建立x軸，垂直x軸建立y軸，三個分位移矢量交於o點，在RST不旋轉外套沒有旋轉運 動的情況下，三個翼肋的位移伸、縮方向在所建坐標系中固定；以初始位置為原點，則在控 制平面內存在六個方向的位移矢量，且方向固定；以初始位置為基準，通過改變三個翼肋分位移矢量的幅值，能得到控制平面內任意方向的偏心合位移矢量D，所述偏心合位移矢量D的幅值及其方向為幅值D{Dx,Dy) = p2x+D2y 方向t肌β = Dy!Dx(3)確定偏心合位移矢量控制區域以初始位置為基準，最大可使用的偏心合位移幅值即單個翼肋的最大可伸、縮位移幅 值為(Dtl-Ds)/2，控制區域為整個控制平面；(4)定量計算分位移矢量 基於就近和最小能量的計算原則，以所述翼肋組中1#翼肋縮回方向和目標工具面角 方向之間的夾角Y為區域劃分標準，同時考慮實際鑽進時旋轉導向工具不旋轉外套的旋 轉角速度和翼肋收到指令並動作到位的時間，在控制平面內分六個區域定量計算單個翼肋 的分位移矢量。
4.如權利要求3所述的一種旋轉導向工具偏心位移矢量控制方法，其特徵在於在定 量計算分位移矢量的步驟中，當Y < π/3時，即處於第一控制區域，偏心合位移方向位於1#翼肋縮回方向和 3#翼肋伸出方向之間，此時三個翼肋的伸、縮位移幅值為 當γ <2π/3時，即處於第二控制區域，偏心合位移方向位於2#翼肋縮回方 向和3#翼肋伸出方向之間，此時三個翼肋的伸、縮位移幅值為 當γ < π時，即處於第三控制區域，偏心合位移方向位於2#翼肋縮回方 向和1#翼肋伸出方向之間，此時三個翼肋的伸縮位移幅值為 當π < γ <4π/3時，即處於第四控制區域，偏心合位移方向位於1#翼肋伸出方向和3#翼肋縮回方向之間，此時三個翼肋的伸縮位移幅值為 當γ <5π/3時，即處於第五控制區域，偏心合位移方向位於2#翼肋伸出方 向和3#翼肋縮回方向之間，此時三個翼肋的伸縮位移幅值為 當γ <2π時，即處於第六控制區域，偏心合位移方向位於2#翼肋伸出方向 和1#翼肋縮回方向之間，此時三個翼肋的伸縮位移幅值為
5.如權利要求3所述的一種旋轉導向工具偏心位移矢量控制方法，其特徵在於所述 偏心位移矢量控制單元的計算步驟(2)中，將旋轉導向工具偏心位移矢量控制簡化為控制 平面內六個方向固定的位移矢量的合成與分解，三個翼肋分位移矢量存在數學多解性。
6.如權利要求1或2或3或4或5所述的一種旋轉導向工具偏心位移矢量控制方法， 其特徵在於所述偏心合位移矢量在控制平面內360°可調。
7.如權利要求1或2或3或4或5所述的一種旋轉導向工具偏心位移矢量控制方法， 其特徵在於所述測斜板、通道板和主控板分別通過對應控制各個翼肋動作的翼肋驅動機 構控制所述翼肋組中的各個翼肋。
8.如權利要求6所述的一種旋轉導向工具偏心位移矢量控制方法，其特徵在於所述 測斜板、通道板和主控板分別通過對應控制各個翼肋動作的翼肋驅動機構控制所述翼肋組 中的各個翼肋。
9.如權利要求1或2或3或4或5或8所述的一種旋轉導向工具偏心位移矢量控制方 法，其特徵在於各個所述翼肋伸縮到位後，關閉所述定位總成中的單向閥，便能鎖定翼肋 位置，使旋轉導向鑽具組合按照所需的井斜和方位導向鑽進。
10.如權利要求6或7所述的一種旋轉導向工具偏心位移矢量控制方法，其特徵在於 各個所述翼肋伸縮到位後，關閉所述定位總成中的單向閥，便能鎖定翼肋位置，使旋轉導向 鑽具組合按照所需的井斜和方位導向鑽進。
全文摘要
本發明涉及一種旋轉導向工具偏心位移矢量控制方法，它包括以下步驟1)設置閉環控制系統將井下微處理器與地面監控系統構成信息大閉環控制系統，地面監控系統中預設有設計好的井眼軌跡數據；2)地面監控系統根據所收到的各項數據，比較與設計好的井眼軌跡的差值，然後向井下微處理器發出目標偏心合位移矢量值，再由井下微處理器計算旋轉導向工具翼肋組中各個翼肋的分位移矢量；3)井下微處理器將計算出的各個翼肋的相應目標位移發送至對應的翼肋驅動機構，雙向控制各個翼肋按目標值做出相應的伸、縮動作；4)地面監控系統根據井下上傳的數據，重複步驟2)和步驟3)，實時修正偏心位移控制指令，以監測、控制井眼軌跡。本發明具有方法簡單、實用，實際導向效果好的功效。
文檔編號E21B17/10GK101864897SQ20101018090
公開日2010年10月20日 申請日期2010年5月18日 優先權日2010年5月18日
發明者姜偉, 程載斌, 蔣世全 申請人:中國海洋石油總公司;中海石油研究中心