[發明專利]一種高造斜率井眼軌跡控制方法

有效

• 申請號: 201310510905.9
• 申請日: 2013-10-27
• 公開（公告）號: CN103556945A
• 公開（公告）日: 2014-02-05
• 發明（設計）人: 馮定;張紅;劉旭輝;王鵬
• 申請（專利權）人: 長江大學
• 主分類號: E21B7/08
• 分類號: E21B7/08
• 代理公司: 荊州市亞德專利事務所 42216
• 代理人: 陳德斌

1.一種高造斜率井眼軌跡控制方法，它包括一個旋轉導向工具以及對該旋轉導向工具的控制方法，其特征在于：所述旋轉導向工具包括偏心機構（9）以及與偏心機構（9）相連接的減速裝置（8）、電磁離合器（7）、傳感器（11）和控制器（13），所述的偏心機構（9）由偏心環內環（1）和偏心環外環（2）組成，偏心環內環（1）嵌套在偏心環外環（2）內孔里面，主軸（4）嵌套在偏心環內環（1）的內孔里面，通過偏心環內環（1）和偏心環外環（2）的相對旋轉使旋轉導向工具實現在空間范圍內任意方向的造斜；

所述的對旋轉導向工具的控制方法包括以下步驟：

（1）、工具面角與偏心環位置角度控制

零點位置：工具在裝配時外環（2）較厚邊向上，內環（1）較厚邊向下，合成的合位移為零，主軸處于未偏心狀態，偏心環內環（1）和偏心環外環（2）在初始狀態時，偏心環外環（2）為0°，偏心環內環（1）為180°；將偏心環內環（1）和偏心環外環（2）的位置角度關系算法編入軟件，即可對偏心機構（9）位置角度進行實時監測與控制；

（2）、偏心位移的計算

1）偏心運動的導向合成

以偏心環所在截面處的井眼中心作為坐標原點，井眼高邊徑向所指方向為x軸正方向，沿x軸正方向順時針旋轉90°為y軸正方向，建立坐標系；在鉆進過程中，傳感器不斷檢測內外偏心環的旋轉角度，經過偏心環內環（1）和偏心環外環（2）位移矢量合成后與設定值相比較，若出現偏差則需要調整；

當內外環單獨轉動時，可以得出主軸在Y和Z向的偏心位移曲線，當內外環同時轉動時，以內外環相位相差為180°為例，可以得出主軸分別由內外環轉動而形成的Y和Z向的位移曲線，將兩條曲線合成即為主軸偏心位移合矢量；

2）偏心運動合位移的分解

在鉆井過程中，根據所需的造斜率確定偏心位移矢量，然后將其分解為偏心環內環（1）和偏心環外環（2）的位移量，最后分解為偏心環內環（1）和偏心環外環（2）的旋轉角度，當偏心環內環（1）和偏心環外環（2）形成的位移矢量保持不變時，則工具按照一定的造斜率向前鉆進；

3）運動軌跡優化

以外套中心A為原點，建立直角坐標系X-Y，得出外環內孔中心運動軌跡方程為：????????????????????????????????????????????????；設定主軸（4）中心需要轉到C點，連接A、C兩點，做直線AC的垂直平分線，交偏心環外環（2）內孔中心軌跡圓于B和D兩點，則當偏心環外環（2）內孔中心轉至B和D兩點時，再通過轉動偏心環內環（1），都能使主軸（4）中心達到C點；

（3）、高造斜率井眼軌跡控制工具的測控方案

地面監控系統由數據采集傳輸單元、地面計算分析模擬中心、指令下傳單元組成；井下測控單元由傳感器、控制短節、工具面檢測短節、信息傳輸短節、MWD控制器及高溫鋰電池組組成；偏心環轉角測量是指偏心環內環（1）和偏心環外環（2）旋轉角度的測量，根據地面監測系統設定的工具面角和位移模值，分解計算出偏心環內環（1）和偏心環外環（2）的相對旋轉角度；由控制短節將地面監控系統下傳的預期偏心環轉角的值存入控制單元，通過控制電磁離合器（7）的吸合，實現偏心環的相對轉動使主軸（4）彎曲進行造斜，當檢測到的角度與預定值存在偏差時，將偏差作為控制參數，控制電磁離合器（7）實現控制偏心環轉角；工具面檢測短節由三軸加速計模塊組成，由工具面檢測短節檢測工具的空間姿態，通過工具面檢測短節測出實際方向與目標方向的角度，便于補償修正，減小誤差；

由地面監控系統將工具面指令和彎曲角指令經下行通訊裝置傳送到井下控制器中，同時將測得的偏心環內環（1）和偏心環外環（2）位置傳感器信號傳輸到控制器中進行運算，將運算結果通過通訊終端與MWD測量的井斜和方位信息一起傳輸到地面監控器中監測。