一種旋轉導向工具的控制方法
2023-05-04 07:01:06
一種旋轉導向工具的控制方法
【專利摘要】一種能夠確定導向工具控制模式和導向參數、實現井眼軌道自動控制、提高導向工具作業效率、滿足定向鑽井導向控制需求的旋轉導向工具控制方法，包括獲取測斜數據、對軌道進行監控等步驟，提高導向鑽井作業效率和井眼軌道控制精度，能夠滿足大位移井、複雜地質結構水平井及地質導向鑽井軌道控制的要求。
【專利說明】一種旋轉導向工具的控制方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種定向鑽井導向工具的控制方法，尤其涉及一種旋轉導向工具的控 制方法。
【背景技術】
[0002] 現有技術中，旋轉導向工具由於在鑽柱旋轉狀態下實現井眼軌跡的導向控制，克 服了滑動導向作業中摩阻過大、巖屑沉積及極限位移小等缺陷，可大幅度提高井身質量、鑽 井效率和鑽井安全性，所以廣泛應用於大位移井、水平井和三維複雜結構井的導向施工作 業，是當今典型的先進鑽井裝備之一。
[0003] 目前旋轉導向工具按導向方式分為鑽頭推靠式和鑽頭指向式兩種基本類型，按動 力傳遞結構方式又可劃分為"驅動軸一不旋轉套"結構和"全旋轉"結構等，其中全旋轉指向 式導向工具結合了指向式導向和全旋轉鑽井兩者的優點，更能適應各種複雜的地層和作業 工況，鑽得更深，鑽速更高，在海洋油氣資源開發以及在油田開發複雜油氣藏中鑽超深井、 高難定向井、叢式井、水平井、大位移井、分支井及三維複雜結構井等特殊工藝井中更具競 爭力。因此，它是當今鑽井工程和油氣勘探開發迫切需要的一項尖端鑽井裝備，是現代導向 鑽井技術發展的趨勢。
[0004] 在旋轉導向工具設計研發上國內外現存很多種方式，在國外，很多公司研發的旋 轉導向工具在設計上存在諸多差別，特點也各不相同。諸如貝克休斯公司的AutoTrack 是鑽頭推靠式工具的典型代表，研發的"驅動軸一不旋轉套"結構特點在於通過控制不 旋轉外套上推力塊作用於井壁的合力大小及方向進行導向作業（例如參照專利文獻 W02008101020A、US2013256034A等）。而典型的鑽頭指向式旋轉導向工具諸如哈裡伯頓 公司的Geo-Pilot (例如參照專利文獻W02014055068A)、威德福公司的Revolution (例如 參照專利文獻W02008120025A)及斯倫貝謝公司的PowerDrive Xceed (例如參照專利文獻 N020061119A)等，其中所述Geo-Pilot和Revolution是靜態指向式導向工具，特點是工具 造斜能力通過井下調整導向工具偏置位移實現，且可連續調節。所述PowerDrive Xceed是 "全旋轉"結構，即全旋轉指向式導向工具，採用了固定導向偏置結構，其造斜率通過交替變 化的導向和穩斜鑽進模式來實現，依靠地面系統下傳導向參數（工具面及導向比例）來進 行控制。由於受控制指令編碼長度的限制，所傳參數不能滿足井眼軌道精細控制的需要，且 由於地層特性等引起導向工具造斜率變化時，頻繁地下傳導向指令，將影響導向鑽井作業 效率。
[0005] 在國內也有多家公司和科研機構在研發旋轉導向工具，現已成型的工具幾乎全是 鑽頭推靠式導向方式，工作原理與國外產品基本相同，只是在具體技術實現方式上呈現出 一定的差異。而鑽頭指向式旋轉導向工具目前國內尚處於空白狀態。
[0006] 基於此，本 申請人:在深入調研國外鑽頭指向式旋轉導向工具的基礎上，特別是針 對斯倫貝謝公司的PowerDrive Xceed全旋轉指向式導向工具存在的缺點，提出了一種全旋 轉指向式導向工具的自適應控制方法，不但有效解決上述問題，大大提高了井眼軌道控制 精度和導向鑽井作業效率，而且填補國內此項技術的空白。
【發明內容】
[0007] 鑑於此，本發明目的在於提出一種能夠確定導向工具控制模式和導向參數、實現 井眼軌道自動控制、提高導向工具作業效率、滿足定向鑽井導向控制需求的旋轉導向工具 的控制方法。
[0008] 根據本發明，能夠優化旋轉導向工具控制並實現閉環導向控制，提高導向鑽井作 業效率和井眼軌道控制精度，能夠滿足大位移井、複雜地質結構水平井及地質導向鑽井軌 道控制的要求。
[0009] 具體的，本發明提供一種導向工具的控制方法，其特徵在於，包括如下步驟：
[0010] 設置導向數據的步驟，所述導向數據包括軌跡、測點、採樣時間及初始導向參數， 所述初始導向參數包括導向長度、比例及工具面；
[0011] 下鑽及系統測試步驟，其中，地面測試導向工具，測試正常後組合鑽具下鑽，在下 鑽途中，選一兩個系統測試點，測試下傳指令、井下測量、數據上傳等功能，確保下鑽到底 後，導向系統能正常工作；
[0012] 獲取測斜數據步驟，下鑽到井底及鑽達預設井斜測量點時，暫停鑽柱運動，確保測 得較準確的井斜參數，將測斜數據上傳到地面，確認後下發指令，進而井下和地面均獲得完 整的測斜數據；
[0013] 軌道監控步驟，在得到地面確認後，向井下發送指令開始導向鑽井作業，進行井眼 軌跡分析及導向計算，根據暫停鑽柱運動所得測斜數據或導向工具姿態、地磁場參數及導 向工具旋轉時磁力計和旋轉變壓器所測數據，計算導向工具動態工具面角，由磁力計和旋 轉變壓器所測旋轉位置計算鑽柱轉速、導向芯軸轉速，實現對旋轉導向工具的控制。
[0014] 當導向系統需改變工具面時，根據給定工具面和所測鑽柱轉速，通過電機經減速 器驅動導向芯軸反向旋轉（稍快或稍慢於鑽柱轉速），進行位置PID和速度PID雙環控制， 達到所需工具面，並維持穩定（導向芯軸反向旋轉，控制其轉速與鑽柱轉速相等）。
[0015] 另外，本發明還提供一種井下導向工具自適應控制方法，其特徵在於，其包括如下 步驟：
[0016] (1)按給定導向參數鑽達預定測斜深度時，暫停鑽柱運動測斜，井下及地面同時獲 得完整的測斜數據和導向工具姿態；
[0017] ⑵向井下發送確認指令，井下獲得當前測點深度，並初始化速度和位移；
[0018] (3)進行實鑽井眼軌跡偏差分析，計算導向工具綜合造斜能力和待鑽井眼軌道導 向參數；
[0019] (4)上傳井下計算的導向參數，地面進行對比分析；
[0020] (5)井下計算結果與地面一致，且為井下自動導向模式時，井下按照計算導向參數 和跟蹤深度或時間進行自動導向控制，否則地面下傳控制指令進行導向控制；
[0021] (6)井下實時測量導向工具姿態，上傳到地面系統，跟蹤工具井下實際控制情況；
[0022] (7)繼續導向鑽進，直到導向作業結束。
[0023] 根據本發明，為了實現井下深度及軌跡自動跟蹤目的，導向工具下井前，存儲器中 預存設計軌道分段節點數據、已鑽軌跡基本參數和待鑽井眼測量點深度數據，到達測量點 深度時（通常為接單根深度），暫停鑽柱運動測斜，上傳測斜數據到地面系統，然後下傳確 認指令，井下獲得測點軌跡基本參數（測深、井斜和方位），進而分析井眼軌跡偏差，確定待 鑽軌道和導向參數。
[0024] 進一步，計算測斜後鑽進深度增量，按照計算導向參數（導向模式、段長及工具面 角）自動控制井眼軌道，減少下傳指令，提高導向作業效率和井眼軌道控制精度。
[0025] 根據本發明，在所使用的導向工具中均使用了導向偏置機構，而該導向偏置機構 可採用固定偏移和可調偏移兩種方式。對於可調偏移方式而言，通過導向工具控制偏移量 大小來實現井眼曲率控制，機械結構複雜；對於固定偏移方式而言，通過導向工具採用導向 和穩斜模式交替作業來達到所需井眼曲率，機械結構較簡單。從這一點上考慮，為了減少導 向工具控制機構的複雜程度，進一步提高系統的可靠性，通常採用固定偏移方式。針對導向 工具而言，確定導向控制模式、導向參數，以最優的控制方案實現設計井眼軌道是導向鑽井 技術必須解決的一個核心問題，這也是本發明對導向工具控制方法進行改進之處，同時也 是本發明的優勢所在。
[0026] 另外，根據本發明，在井斜角 5 °後，導向工具通常採用重力工具面進行控制。基於暫停鑽柱運動測斜導向工具定 向傳感器所獲得的磁性工具面、重力工具面、井斜角、方位角、地磁傾角及地磁北與方位參 考北間的夾角，可計算出所述磁性工具面和所述重力工具面間的換算關係，進而在用重力 工具面導向時，可利用磁力計和旋轉變壓器測量求得的導向工具動態磁工具面，計算出重 力工具面。
[0027] 通常，導向工具控制模式有兩種，一種是穩斜模式，一種是導向模式進行。在穩斜 模式中存在兩種方案，一種方案是控制導向偏置機構反向旋轉，並與導向工具保持一定轉 速差；另一種方案是控制導向偏置機構反向旋轉，與導向工具間保持相同轉速，形成相對大 地穩定的工具面，並維持工具面一短暫時長，然後間隔一定角度，變化工具面和維持固定短 暫時長，以此達到穩斜鑽井目的。而在導向模式中，通常按井眼軌道控制要求的工具面進行 導向工具控制。
[0028] 通常，在調整井眼曲率時，通過控制導向工具以穩斜和導向模式交替的方式來實 現。在採用井下自動導向模式時，通過軸向加速計獲得鑽進段長，可實現兩種模式自動轉 換。
[0029] 其中，通過自動監測井斜角、方位角和井眼曲率的變化，從而實現導向工具井下閉 環控制。
[0030] 發明效果
[0031] 根據本發明提供的導向工具的控制方法，實現了鑽頭指向式全旋轉導向工具的控 制，根據設計井眼軌道和預計導向工具造斜能力，確定導向工具控制模式、導向比例及進 尺、磁性或重力工具面參數進行導向鑽進作業；井下和地面進行雙向通信，同時監測導向控 制結果，計算導向工具實際造斜能力及井眼軌道偏差；進而確定導向參數或調整待鑽井眼 軌道，適應導向工具造斜能力的變化，滿足井眼軌道控制精度要求；利用井下深度自動跟蹤 裝置及方法，實現導向系統井下智能控制目的，減少導向參數下傳指令及誤碼率，提高導向 鑽井作業效率及井眼軌道控制精度。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0032] 圖1為本發明【具體實施方式】的旋轉導向系統示意圖。
[0033] 圖2為本發明【具體實施方式】的導向控制方法流程圖。
【具體實施方式】
[0034] 下面參照附圖結合【具體實施方式】對本發明做出進一步詳細描述。應該指出的是， 本實施例中所採用的導向工具及導向系統是例示性的，控制方法中所採取的具體技術手段 也是例示性的，本發明應不僅僅限於下述【具體實施方式】之中，總之，所述實施方式僅僅是例 示性的，為的是能更清楚的闡述本發明。
[0035] 圖1為本發明【具體實施方式】中所採用的旋轉導向系統的示意圖。
[0036] 本發明旋轉導向系統，由地面監控子系統、雙向通訊子系統及井下導向子系統構 成，如圖1所示，本發明旋轉導向系統井下基本配置包括：信息傳輸及隨鑽測量單元1、無線 短傳接收/發送單元2、泥漿馬達單元3、無線短傳發送/接收單元4、對接與擴展單元5、供 電單元6、測量與控制單元7、導向執行單元8。
[0037] 在圖1中，①表示定向參數測量，②表示無線短傳井下信息，③表示渦輪發動機及 電池組，④表示磁力計（測轉速及動態磁工具面），⑤表示定向傳感器組件，⑥表示加速度 計（測軸向運動距離），⑦表示壓力傳感器（接收下傳信息），⑧表示電機，⑨表示減速器， ⑩表示旋轉變壓器（測導向芯軸轉速及導向偏置機構位置），?表示導向偏置機構，?表示 軸承，?表不導向芯軸，?表不傳扭部件。
[0038] 在信息傳輸及隨鑽測量單元1上，布置有正脈衝發生器、驅動短節、電池筒短節、 定向參數、井下振動、電阻率及伽馬等測量短節，實現工程、地質參數測量及井下測量數據 上傳功能。當導向工具配泥漿馬達3時，採用馬達上下端配備的無線短傳雙向通信單元2 和4,實現導向工具和傳輸及隨鑽參數測量單元1之間的信息交換，泥漿馬達3為提高導向 工具轉速及鑽頭破巖扭矩而配；否則採用數據連接器進行機械及電氣連接，實現數據通訊。 對接與擴展單元5實現導向工具與傳輸及隨鑽測量單元1機械、電連接。供電單元6包括 渦輪發電機及電池組，分別為電機和測控電路供電。測量與控制單元7包括橫向磁力計、定 向傳感器組件、軸向加速度計、壓力傳感器、旋轉變壓器、電機及減速器、導向偏置機構、測 量控制電路等；採用正交磁力計測量鑽柱轉速及工具面刻線的動態磁工具面；通用定向傳 感器測量井斜角、方位角及工具面；柱內/環空壓力傳感器用於地面下傳信號、測量工具內 外鑽井液流體壓力、監測鑽井液循環狀態；軸向加速度計⑥測量軸向加速度，用於計算軸向 運動距離；旋轉變壓器⑩測量導向偏置機構?旋轉位置及速度；電機⑧及減速器⑨驅動導 向偏置機構?反向旋轉，通過轉速和位置控制實現工具面的調整及形成相對大地穩定的工 具面；測量控制電路負責解調下傳指令、獲取傳感器讀數、測量及控制計算、井下主控、數據 存儲與通迅、驅動導向控制等。導向執行單元8帶動導向芯軸?旋轉，驅動鑽頭9按指定工 具面進行導向作業。
[0039] 進一步，為了實現井下深度及軌跡自動跟蹤目的，導向工具下井前，存儲器中預存 設計軌道分段節點數據、已鑽軌跡基本參數和待鑽井眼測量點深度數據，到達測量點深度 時（通常為接單根深度），暫停鑽柱運動測斜，上傳測斜數據到地面系統，然後下傳確認指 令，井下獲得測點軌跡基本參數（測深、井斜和方位），進而分析井眼軌跡偏差，確定待鑽軌 道和導向參數。
[0040] 利用軸向加速度傳感器計算測斜後鑽進深度增量，按照計算導向參數（導向模 式、段長及工具面角）自動控制井眼軌道，減少下傳指令，提高導向作業效率和井眼軌道控 制精度。
[0041] 其中，作為核心部件的全旋轉指向式導向工具，自上而下由對接與擴展單元5、供 電單元6、測量控制單元7和導向執行單元8組成。對接與擴展單元5實現與傳輸及隨鑽 測量單元1的機械及電連接，若配泥漿馬達3時與無線短傳單元4連接；供電單元6為井下 導向工具提供動力，由渦輪發電機、電池、供電控制電路等組成；測量控制單元7包括井下 主控、定向參數/鑽柱轉速/內外壓力測量部分，實現地面下傳指令接收和導向控制指令輸 出功能；導向執行單元8包括電機⑧、減速器⑨、旋轉變壓器⑩、導向偏置機構?、軸承組?、 導向芯軸?、傳扭部件?和密封結構等。導向芯軸上端置於導向偏置機構內，通過軸承組連 接，可相對導向偏置機構自由轉動；鑽柱旋轉動力由傳扭部件傳遞給導向芯軸，驅動其下端 的鑽頭9旋轉鑽進。
[0042] 其中，通過電機以與鑽柱相同速度驅動所述導向偏置機構反向旋轉，從而在所述 導向工具內部動態形成一個相對大地穩定的工具面進行導向作業。
[0043] 圖2為本發明【具體實施方式】的導向控制方法流程圖。就導向工具控制方法而言， 大致主要包括如下步驟：
[0044](一）設置導向系統數據
[0045] 主要包括以下數據：
[0046] 基礎數據：地磁場和重力加速度計參考值、磁偏角、磁傾角、子午線收斂角、導向工 具和隨鑽測量單元兩井斜測量點距離、井底深度、測斜數據計算程序；
[0047] 設計軌道數據：設計靶區、設計分段數據、分段控制目標及偏差；
[0048] 已鑽軌跡數據：測斜數據表（測深、井斜角、方位角）或最末點的測斜數據及坐標 數據；
[0049] 待鑽井眼測斜點深度序列；
[0050] 待鑽地層預測機械鑽速表；
[0051 ] 井下數據傳輸數據模式及下傳指令解釋；
[0052] 傳感器採樣間隔：對於環空/柱內壓力傳感器、軸向加速度計、橫向磁力計、旋轉 變壓器等，採樣間隔通常分別設置為壓力傳感器1秒/點，加速度計〇. 001?〇. 1秒/點， 磁力計〇· 001秒/點，旋轉變壓器〇· 001秒/點；
[0053] 初始導向參數：導向長度、導向比例及工具面。
[0054] (二）下鑽及系統測試
[0055] 地面測試導向工具，測試正常後組合鑽具下鑽。在下鑽途中，選一兩個系統測試 點，測試下傳指令、井下測量、數據上傳等功能，確保下鑽到底後，導向系統能正常工作。 [0056](三）獲取測斜數據
[0057] 下鑽到井底及鑽達預設井斜測量點時，暫停鑽柱運動，確保測得較準確的井斜參 數。測斜數據上傳到地面，確認後下發指令，進而井下和地面均獲得完整的測斜數據（例如 測深、井斜角和方位角）及導向工具面姿態（磁工具面和重力工具面），作為軌跡跟蹤分析 和導向控制計算的依據。
[0058] (四）進行軌道監控的計算
[0059] 在得到地面確認後，向井下發送指令開始導向鑽井作業，進行井眼軌跡分析（例 如最近偏差距離、法面偏差距離）及導向計算，根據暫停鑽柱運動所得測斜數據或導向工 具姿態、地磁場參數及導向工具旋轉時磁力計和旋轉變壓器所測數據，計算導向工具動態 工具面角，並且根據兩測點測斜數據，計算出導向工具綜合造斜能力和平均井眼曲率，由磁 力計和旋轉變壓器所測旋轉位置計算鑽柱轉速、導向芯軸轉速，實現對旋轉導向工具的控 制。
[0060] 其中，在井下自動跟蹤鑽進深度的場合中，在暫停鑽柱運動測斜時，初始化運動速 度和位移為0 ;井下接收到地面指令後，獲取當前深度數據，開始鑽進；利用測量軸向運動 加速度，求出鑽柱軸向運動位移，進而實現井下自動跟蹤鑽進深度。
[0061] (五）結束導向鑽井作業
[0062] 當鑽達預期目標、起鑽更換鑽頭或及導向工具井下工作異常時，則結束導向鑽進， 循環鑽井液後起鑽。
[0063] 實際上，在本發明的導向工具控制中，還可以進一步實現自適應控制，所述導向工 具自適應控制方法大致包括如下步驟：
[0064] (1)按給定導向參數鑽達預定測斜深度時，暫停鑽柱運動測斜，井下及地面同時獲 得完整的測斜數據和導向工具姿態；
[0065] (2)向井下發送確認指令，井下獲得當前測點深度，並初始化速度和位移；
[0066] (3)進行實鑽井眼軌跡偏差分析，計算導向工具綜合造斜能力和待鑽井眼軌道導 向參數；
[0067] (4)上傳井下計算的導向參數，地面進行對比分析；
[0068] (5)在井下計算結果與地面一致，且為井下自動導向模式時，井下按照計算導向參 數和跟蹤深度或時間進行自動導向控制，否則地面下傳控制指令進行導向控制；
[0069] (6)井下實時測量導向工具姿態，上傳到地面系統，跟蹤工具井下實際控制情況；
[0070] (7)繼續導向鑽進，直到導向作業結束。
[0071] 在本發明中，對固定彎角的導向系統而言，在控制井眼曲率時，須控制導向和穩斜 進尺或時間來達到井眼曲率控制的目的。在本發明中，根據設計井眼曲率和導向工具的造 斜能力來確定合理的導向比例參數，最優地逼近設計井眼軌道，並將其上傳到地面。
[0072] 儘管上面以【具體實施方式】對本發明作出了詳細的描述，但是這種描述是例示性 的，本發明不僅限於該【具體實施方式】之中，對於本領域技術人員而言，他們能夠對本發明作 出各種變更和修飾，只要不脫離本發明宗旨和精神範圍而對本發明作出的各種修改均應落 在所附權利要求的保護範圍之中。
【權利要求】
1. 一種導向工具控制方法，其特徵在於，包括如下步驟： 設置導向數據的步驟，所述導向數據包括軌跡、測點、採樣時間及初始導向參數，所述 初始導向參數包括導向長度、比例及工具面； 下鑽及系統測試步驟，其中，地面測試導向工具，測試正常後組合鑽具下鑽，在下鑽途 中，選一兩個系統測試點，測試下傳指令、井下測量、數據上傳等功能，確保下鑽到底後，導 向系統能正常工作； 獲取測斜數據步驟，下鑽到井底及鑽達預設井斜測量點時，暫停鑽柱運動，確保測得較 準確的井斜參數，將測斜數據上傳到地面，確認後下發指令，進而井下和地面均獲得完整的 測斜數據； 軌道監控步驟，在得到地面確認後，向井下發送指令開始導向鑽井作業，進行井眼軌跡 分析及導向計算，根據暫停鑽柱運動所得測斜數據或導向工具姿態、地磁場參數及導向工 具旋轉時磁力計和旋轉變壓器所測數據，計算導向工具動態工具面角，由磁力計和旋轉變 壓器所測旋轉位置計算鑽柱轉速、導向芯軸轉速，實現對旋轉導向工具的控制。
2. -種井下導向工具自適應控制方法，其特徵在於，其包括如下步驟： (1) 按給定導向參數鑽達預定測斜深度時，暫停鑽柱運動測斜，井下及地面同時獲得完 整的測斜數據和導向工具姿態； (2) 向井下發送確認指令，井下獲得當前測點深度，並初始化速度和位移； (3) 進行實鑽井眼軌跡偏差分析，計算導向工具綜合造斜能力和待鑽井眼軌道導向參 數； (4) 上傳井下計算的導向參數，地面進行對比分析； (5) 井下計算結果與地面一致，且為井下自動導向模式時，井下按照計算導向參數和跟 蹤深度或時間進行自動導向控制，否則地面下傳控制指令進行導向控制； (6) 井下實時測量導向工具姿態，上傳到地面系統，跟蹤工具井下實際控制情況； (7) 繼續導向鑽進，直到導向作業結束。
【文檔編號】E21B7/06GK104453714SQ201410602852
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年11月2日 優先權日:2014年11月2日
【發明者】唐雪平, 竇修榮, 彭烈新, 禹德洲, 陳文藝, 張連成, 曹衝, 魏志剛, 弓志謙, 李林, 石榮, 洪迪峰 申請人:中國石油集團鑽井工程技術研究院