[發明專利]用于旋轉導向鉆井工具的單軸穩定平臺裝置及其穩定方法

有效

• 申請號: 201310162761.2
• 申請日: 2013-05-06
• 公開（公告）號: CN103277047A
• 公開（公告）日: 2013-09-04
• 發明（設計）人: 劉克勤;何平;林恩懷;杜建生
• 申請（專利權）人: 北京市普利門電子科技有限公司
• 主分類號: E21B7/04
• 分類號: E21B7/04
• 代理公司: 北京聯創佳為專利事務所(普通合伙) 11362
• 代理人: 郭防

技術領域

本發明涉及一種用于旋轉導向鉆井工具的單軸穩定平臺裝置及其穩定方法,屬于鉆井技術領域。

背景技術

隨著大位移井、空間S井等高難度井鉆井的日益增多，現有被廣泛使用的螺桿馬達定向鉆井技術，由于是滑動鉆井，整個鉆柱在井眼中不旋轉以及大位移井長的水平段井眼軌跡鉆井要求，使得鉆具軸身摩阻大，井底工具面控制難度大，無法實現井眼軌跡精確定向和鉆井施工。同時，由于大的鉆具軸身摩阻，使得鉆壓及扭矩不易施加于鉆頭，鉆井效率低。此外，鉆柱不旋轉，在長水平段，巖屑受重力作用，不易上返，易在井眼低邊沉積，極易發生粘卡鉆事故。由于螺桿馬達定向鉆井技術的自身缺點，已不能滿足高難度井鉆井的需求。因此，出現了旋轉導向鉆井技術。由于整個鉆柱在井眼中都旋轉，使得鉆壓和扭矩易于施加于鉆頭。同時，依靠安裝于旋轉導向工具本體上的高精度慣性傳感器、導向力伺服控制系統以及導向力施力執行機構，從而實現了井眼軌跡的高精度控制和安全高效鉆井。

在美國發明專利US6092610公開了一種旋轉導向工具空間姿態測量與導向控制方法。該方法揭示了這種旋轉導向工具是將空間姿態測量系統中的三軸加速傳感器、三軸磁通門傳感器、單軸速率陀螺傳感器等固聯安裝于鉆鋌上，實現導向工具空間姿態測量，為捷聯式結構設計。同樣的，在中國專利200510044509.7公開了一種旋轉導向鉆井用捷聯式穩定平臺裝置，該穩定平臺將旋轉導向工具空間姿態測量短節連同發電機電源短節、伺服控制短節都固聯于旋轉鉆鋌上，即：捷聯式穩定平臺裝置相對于鉆鋌無相對轉動。這類捷聯式旋轉導向工具空間姿態測量裝置的缺點在于：

旋轉導向工具在井眼中的空間姿態測量，通常都通過三軸磁通門傳感器測量地球磁場分量、三軸加速度傳感器測量地球重力場分量，從而獲得導向工具在井眼中的井斜角、方位角以及工具面角。由于采用捷聯式結構設計，捷聯平臺軸線即井眼軸線，三軸加速度傳感器輸出信號在鉆井過程中受隨機震動干擾大，且鉆鋌旋轉不均勻造成捷聯平臺周向也有較大振動，從而造成信號濾波提取困難，通常都采用不受震動干擾的磁通門傳感器測量鉆鋌相對于地球磁場分量的位置。當所鉆井眼軸線與地球磁場分量夾角≤5°時，即：地球磁場分量在捷聯平臺橫截面內的投影分量數值微小，超出了磁通門傳感器的敏感范圍。該捷聯平臺無法測得工具面角，使得基于該捷聯式平臺的旋轉導向系統存在井眼“盲區”。該缺陷在持有美國發明專利US6092610的公司對應的產品PD?Xceed性能說明中也有指出。因此，該類旋轉導向系統無法做到全方位井眼軌跡導向鉆井，現場使用也受限。

發明內容

本發明的目的在于，提供一種用于旋轉導向鉆井工具的單軸穩定平臺裝置及其穩定方法，它能夠使單軸穩定平臺本體相對于大地保持靜止穩定，隔離鉆鋌的旋轉，從而為旋轉導向工具提供空間姿態指示。

本發明的技術方案：一種用于旋轉導向鉆井工具的單軸穩定平臺裝置，鉆鋌內固聯有承壓殼體，承壓殼體內設有單軸穩定平臺本體、力矩電機、總電源、旋轉導向控制系統、電力傳輸裝置、上支撐軸承組件和下支撐軸承組件，單軸穩定平臺本體的兩端分別與上支撐軸承組件和下支撐軸承組件軸接，且與鉆鋌和承壓殼體共軸線；力矩電機、電力傳輸裝置均與單軸穩定平臺本體連接，電力傳輸裝置位于力矩電機與單軸穩定平臺本體之間，總電源和旋轉導向控制系統均與電力傳輸裝置電連接。

前述的用于旋轉導向鉆井工具的單軸穩定平臺裝置中，單軸穩定平臺本體包括單軸穩定平臺軸體、電源轉換模塊、電機控制電路、空間姿態測量及解算硬件電路、三軸磁通門傳感器、三軸加速度傳感器、速率陀螺和旋轉變壓器測角裝置，電源轉換模塊、電機控制電路、空間姿態測量及解算硬件電路、三軸磁通門傳感器、三軸加速度傳感器和速率陀螺均固連于單軸穩定平臺軸體上，且電機控制電路、空間姿態測量及解算硬件電路、三軸磁通門傳感器、三軸加速度傳感器、速率陀螺和力矩電機均與電源轉換模塊通過電線連接；單軸穩定平臺軸體的上軸伸和下軸伸的中心均設有走線孔，旋轉變壓器測角裝置設于單軸穩定平臺軸體的下軸伸的下端。