[發明專利]一種旋轉導向工具偏心位移矢量控制方法

有效

• 申請號: 201010180905.3
• 申請日: 2010-05-18
• 公開（公告）號: CN101864897A
• 公開（公告）日: 2010-10-20
• 發明（設計）人: 程載斌;姜偉;蔣世全
• 申請（專利權）人: 中國海洋石油總公司;中海石油研究中心
• 主分類號: E21B7/04
• 分類號: E21B7/04;E21B17/10
• 代理公司: 北京紀凱知識產權代理有限公司 11245
• 代理人: 徐寧;關暢

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

定向鉆井中，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，該系統可以在鉆柱旋轉的狀態下自動、連續、靈活地調整井斜和方位，大大提高了鉆進速度和鉆井安全性，且井眼軌跡控制精度高，是滿足閉環自動化鉆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)以鉆井作業中自然存在的鉆井液壓差為動力，其結構簡單緊湊，比微型電機方案研制周期短；

(2)不旋轉外套使翼肋固定支撐于井壁，產生的靜態合矢量對鉆柱沒有動態沖擊，導向穩定性較好，能適應各種復雜的井下環境。

靜態偏置位移式RST的核心技術是利用鉆井液壓差作為動力，通過近鉆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鉆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，將鉆柱軸心在旋轉過程中穩定于井眼截面所需位置，從而使旋轉導向工具按照定向井需要的井斜和方位鉆進。

定向鉆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，并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于提供一種用于旋轉導向工具研制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，本發明采取以下技術方案：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鉆具組合的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，然后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，重復步驟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于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井壁堅硬并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：

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