[發明專利]基于不平衡力測量進行控制的旋轉導向鉆井系統和方法

有效

• 申請號: 201710007096.8
• 申請日: 2017-01-05
• 公開（公告）號: CN108278081B
• 公開（公告）日: 2020-05-22
• 發明（設計）人: 任治國;付旭;斯圖爾特·布萊克·布拉澤爾;王成寶
• 申請（專利權）人: 通用電氣公司
• 主分類號: E21B7/04
• 分類號: E21B7/04;E21B17/10;E21B47/022;E21B47/12;E21B47/00;E21B44/00;E21B44/04
• 代理公司: 上海專利商標事務所有限公司 31100
• 代理人: 侯穎媖

1.一種導向鉆井系統，其包括：

可旋轉鉆柱，其用于連接用來沿一定軌跡鉆孔的鉆頭；

主動型穩定器，其包括：

主體，其具有用于接觸所述孔的內壁的外表面；及

連接所述主體和所述鉆柱的復數個驅動器，所述復數個驅動器能夠驅動所述鉆柱偏離所述孔的中心一定的位移，以改變鉆孔方向；

方向參數測量模塊，在鉆孔過程中用來測量方向參數并產生測得的方向參數，所述測得的方向參數包括所述孔的傾斜角和方位角中的至少一個；

不平衡參數測量模塊，在鉆孔過程中用來測量不平衡參數并產生測得的不平衡參數，所述測得的不平衡參數包括位于所述鉆頭附近的測量位置的側向力、彎矩和轉矩中的至少一個；及

控制器，用來基于所述測得的方向參數和不平衡參數控制鉆孔軌跡，所述控制器包括估算器，用來基于所述測得的方向參數和不平衡參數和這些參數的期望值來計算所述位移所需的調整，并且所述控制器基于計算得到的所述位移所需的調整，控制所述復數個驅動器的運動以實現所述調整。

2.如權利要求1所述的系統，其中，所述控制器包括解耦器，用來將所述調整分解成所述復數個驅動器的期望動作。

3.如權利要求1所述的系統，其中，所述不平衡參數測量模塊包括基體和位于該基體內的至少一個傳感器。

4.如權利要求3所述的系統，其中，所述基體位于所述鉆頭和所述主動型穩定器之間，且其包括環狀結構，該環狀結構具有相對的第一軸向端面和第二軸向端面、以及位于所述第一和第二軸向端面之間的周向側表面，該環狀結構形成有至少一個傳感室，用來容納所述至少一個傳感器，所述傳感室在所述軸向端面的至少一個上有開口。

5.如權利要求3所述的系統，其中，所述至少一個傳感器包括至少一個應變片組，每組包括第一應變片、以及與該第一應變片大致成相同的傾斜角度的第二和第三應變片，其中所述不平衡參數包括通過所述至少一個應變片組測得的三維力、三維彎矩和轉矩。

6.如權利要求3所述的系統，其中，所述至少一個傳感器包括三維加速計，其中所述不平衡參數包括由所述三維加速計測得的所述鉆頭的振動幅度、振動頻率和振動方向。

7.如權利要求1所述的系統，其中，所述方向參數和不平衡參數的期望值被估計來補償由于重力或由于地層不均勻導致的鉆頭偏離。

8.如權利要求1所述的系統，其中，所述主動型穩定器的主體包括面向所述鉆柱的內表面、及從所述內表面突伸出的至少一個導引部，每個導引部形成有至少一個凹槽，所述鉆柱包括至少一個滑動部，每個滑動部可在所述至少一個凹槽中的一個凹槽內滑動，以限制在所述鉆柱的軸向方向上的所述鉆柱和所述主動型穩定器之間的相對運動，并引導在大致垂直于所述鉆柱的軸向的徑向上的所述鉆柱和所述主動型穩定器之間的相對運動。

9.如權利要求1所述的系統，其中，每個所述驅動器包括缸體和活塞，其中所述缸體可旋轉地連接到所述鉆柱和所述主動型穩定器的主體中的一個，所述活塞可旋轉地連接到所述鉆柱和所述主動型穩定器的主體中的另一個，所述活塞可在所述缸體內移動。

10.如權利要求1所述的系統，其中，每個所述驅動器中包括第一、第二和第三連接件，其中所述第一連接件通過第一接頭可旋轉地連接到所述主動型穩定器的主體，所述第二連接件和第三連接件分別通過第二接頭和第三接頭可旋轉地連接到所述鉆柱，所述第一、第二和第三連接件通過第四接頭相連接，且所述第三和第四接頭可相對移動以相互靠近或相互遠離。