一种对动态指向式旋转导向钻井工具的井眼轨迹随动和稳定控制方法.pdf

本发明涉及石油天然气钻井技术领域，特别涉及一种对动态指向式旋转导向钻井工具的井眼轨迹随动和稳定控制方法。它根据预置井眼轨迹参数或地面监控系统遥控指令由计算单元解算出所要控制的井斜角和方位角信息，并结合动态指向式旋转导向钻井工具的工作原理，进一步得出三个液压驱动活塞的直线运行位移和稳定平台主体相对于旋转外筒的相对旋转角位移。它可在不影响钻井作业的前提下，结合井斜角与方位测量数据，在保持稳定平台的对地静止状态时、通过调整各个液压驱动活塞的直线运行位移和稳定平台主体相对于旋转外筒的相对旋转角位移，可实现动态指向式的精确控制，有效提高钻井效率。

1.  一种对动态指向式旋转导向钻井工具的井眼轨迹随动和稳定 控制方法，其特征在于：根据预置井眼轨迹参数或地面监控系统遥控 指令由计算单元解算出所要控制的井斜角和方位角信息，并结合动态 指向式旋转导向钻井工具的工作原理，进一步得出三个液压驱动活塞 的直线运行位移和稳定平台主体相对于旋转外筒的相对旋转角位移； 为实现该井斜角和方位角的准确控制，采用闭环Ⅰ、闭环Ⅱ双闭环控 制器；所述闭环Ⅰ中利用模糊控制器a实现稳定平台主体跟随旋转外 筒的反向等速控制，实现其地理静止，闭环Ⅱ中利用模糊控制器b实 现各组液压驱动活塞的直线运行位移和稳定平台主体相对于旋转外 筒的相对旋转角位移的精确控制。

2.  如权利要求1所述的井眼轨迹随动和稳定控制方法，其特征 在于：采用磁通门，利用大地磁场的南北极性特点，将其测得的圆周 变化磁场转变为圆周变化次数，得到旋转外筒钻速，选用电容、光电、 霍尔不同原理的传感器，感知旋转外筒和稳定平台主体的正反钻速差 异。

3.  如权利要求1或2所述的井眼轨迹随动和稳定控制方法，其特 征在于：采用三轴加速度计、磁力计计算出实际井斜角和方位角，钻 速变化对所要控制的井斜角和方位角的影响可通过位于闭环Ⅰ下方 后的微调增量单元予以补偿。

一种对动态指向式旋转导向钻井工具的井眼轨迹随动和稳定控制方法
技术领域
本发明涉及石油天然气钻井技术领域，特别涉及一种对动态指向 式旋转导向钻井工具的井眼轨迹随动和稳定控制方法。
背景技术
随着国内外多数油气田相继进入开发中后期，油气藏开发难度逐 渐加大，钻遇地层特性日益复杂，加之海上石油，近海油气田、煤层 气田的陆续钻探，对常规的大位移井、水平井和多分支井等钻井工艺 技术提出了更高的要求。旋转导向钻井技术是近年来发展起来的一项 尖端的闭环自动钻井新技术，它的出现是世界钻井技术的一次质的飞 跃。
井下旋转导向钻井工具系统根据其导向方式划分为推靠式和指 向式，按照偏置机构的工作方式又可分为静态偏置式和动态偏置式， 从应用情况看，指向式旋转导向钻井系统的造斜能力不依赖于和井壁 的接触，更加适用于大井径或大肚子井眼、软地层、极软底层和夹层 等的裸眼悬空侧钻，使得钻进狗腿度和侧向钻井造斜能力大为提高， 有助于将井眼控制在油藏的最佳位置，提高井身质量，保证井下安全。 而其中动态指向式旋转导向钻井系统更是由于其钻具组合完全旋转， 钻出井眼光滑、规整，并可有效提高机械钻速，增大扭矩、调节钻压， 充分发挥钻头性能，受到世界范围内诸多油气田钻井公司的欢迎。
世界著名的石油技术服务公司Baker Hughes，Schlumberger， Halliburton等都已经开发出各自的旋转导向钻井工具系统。国内西安 石油大学、胜利油田钻井院、中海石油研究中心、中国地质大学、西 南石油大学、辽河油田天意石油装备公司等单位也开展了旋转导向钻 井技术研究，陆续取得了一定的研究成果。总体上，旋转导向闭环钻 井技术仍处于快速发展的阶段，国际竞争十分激烈。其中动态指向式 旋转导向钻井工具系统是当今世界钻井技术发展的最高阶段，代表着 高精度定向钻井技术的发展方向。
中国专利公告号CN 101586440A，公开日2009年11月25日， 发明创造的名称为一种指向式旋转导向钻井工具(该发明申请亦为实 用新型专利授权，授权公告号：CN 201450731 U，授权公告日2010 年5月12日)，该申请案公开了一种不依赖地层的表面力学特性，结 构简单，并且能够准确有效控制井眼轨迹的指向式旋转导向钻井工具 系统，该系统本质上是静态偏置指向式旋转导向钻井工具系统，其不 足之处在于①所述钻井工具工作时外筒不旋转，其作用扭矩较小；② 所述钻井工具的导向由芯轴弯曲实现，该导向芯轴需承受高强度的交 变应力，容易发生疲劳损坏。
从技术层面看，动态指向式旋转导向钻井系统是一个集机、电、 液于一体的闭环自动控制系统，其造斜能力不依赖于和井壁的接触， 并以井下所有部件完全旋转为主要技术特征。
美国专利号6,109,372，申请日1999年3月15日，授权日2000 年8月29日，发明创造的名称为采用液压伺服回路控制的旋转导向 钻井工具系统(Rotary Steerable Well Drilling System Utilizing Hydraulic  Servo-loop)，该案公开了一种基于动态指向式旋转导向工具，其外筒 直接带动偏置机构进而带动钻头旋转，通过X-Y方向两组液压驱动活 塞不间断运动来控制工作时偏置机构与外筒的相对位置，以达到指向 的目的，其特点在于需要随时已知准确的外筒旋转速度，并随动控制 X-Y方向两组液压驱动活塞的运行位置，液压驱动活塞位移与外筒转 速的联立控制加之其本身的高负荷工作，无疑会增大精确指向控制的 难度。
美国专利号6,092,610，申请日1998年2月5日，授权日2000 年7月25日，发明创造的名称为主动控制的旋转导向钻井工具系统 与方法(Actively Controlled Rotary Steerable System and Method for  Drilling Wells)，该案公开了一种动态指向式旋转导向钻井工具系统， 其外筒带动钻轴进而带动钻头旋转，产生较大旋转扭矩，同时该案提 出了一种基于偏心环的指向式导向机构，其指向角可在零度到设计最 大角度之间变化，通过保证偏心轴地理静止，可恒定指向角大小。其 特点在于，当不需调整指向角大小而需调整指向方位角时，要首先破 坏偏心轴地理静止状态，待偏心轴转动到所需方位时，再使其等速反 向跟踪外筒转速，但该案未能清楚详细地阐明偏心环驱动方式，无法 得知偏心机构细节。
发明内容
本发明的目的之一是通过以下技术方案来实现的：
一种动态指向式旋转导向钻井工具，包括旋转外筒、稳定平台、 导向偏置机构、钻压传递机构、扭矩传递机构、上下支撑板、钻轴、 钻头、导电滑环、密封波纹管以及多个连接轴承。
旋转外筒为一壁厚较厚的中空环形体，由钻杆和泥浆马达二者或 其一驱动，用于向钻具施加较大的钻压和扭矩。
稳定平台置于旋转外筒内部，包括中空圆柱形主体、连接轴承、 伺服电机及配套联轴器，稳定平台主体结构从直径上小下大的圆台体 演化而来，上端伸出较长，由安装在旋转外筒的下支撑板和嵌入其中 的轴承连接固定，下端为壁厚较薄的中空型圆柱体，连接轴承外侧与 旋转外筒内壁紧密配合，内侧连接稳定平台主体，伺服电机安装在旋 转外筒的上支撑板上，联轴器用于连接伺服电机与稳定平台主体，依 据旋转外筒转动情况，伺服电机驱动稳定平台主体等速相反旋转，使 其在工作状态下保持对地静止。
导向偏置机构位于稳定平台主体内部，由互成120°安装的三个 液压驱动活塞组成，液压驱动活塞所围成的中心区域有一钻轴连接轴 承。该钻轴连接轴承为角接触轴承，其内侧与钻轴上部连接头紧密配 合，外部与各个液压驱动活塞直接相连。改变液压驱动活塞的直线运 动位移，就会改变钻轴的井斜角。
钻压传递机构包括钻压承压环、弹性垫圈、球面止推环和球面旋 转环，钻压承压环为一中间有孔的“凹”形圆柱结构，其上端置于旋 转外筒内壁凹台之上，下端同扭矩传递机构的上万向节球笼套相接 触，直接承载来自旋转外筒上的钻压，弹性垫圈、球面止推环和球面 旋转环均置于钻压承压环内部，依次连接，钻压传递机构内穿有钻轴， 其上端通过轴承与内偏心环偏心中空体紧固连接，中部伸出有圆柱形 “凸”台与球面旋转环中间内凹面相接触，以至于可将来自旋转外筒 上的钻压进一步传递至钻轴上，进而可传递至安装于钻轴前端的钻头 上。
扭矩传递机构位于旋转外筒最下端，包括上万向节球笼、下万向 节球笼、钢球、键以及用于保护扭矩传递机构的两个套环，上、下万 向节球笼主体结构类似，为一中空圆柱体，内壁处均布有8个1/4“凹 球面”，其正好与钻轴上的另1/2“凹球面”组成全球面，内置有优质 钢球。动力扭矩由均布在外筒周围的八个“键”传递至上下万向节球 笼，而后利用8个大直径“钢球”以球面接触的方式将扭矩施加于钻 轴，进而作用于钻头上。
动态指向式旋转导向钻井工具中的导电滑环可不受稳定平台工 作时旋转状态的影响将电源及控制信号引至稳定平台伺服电机上；而 作为非常重要的钻轴上下端密封可用波纹管来实现。
动态指向式旋转导向钻井工具还可包括：位于旋转外筒上方的钻 铤，以改善旋转外筒的作用钻压；位于旋转外筒上方的泥浆马达，以 改变旋转外筒的旋转扭矩；位于旋转外筒上方的涡轮发电机，用于为 该旋转导向工具提供电力支持。
为实现动态指向式旋转导向钻井工具的灵活导向和平稳工作，本 发明还提供一种对该工具的井眼轨迹随动和稳定控制方法，依据井眼 轨迹随动控制的特点，采用含有模糊PID控制器的闭环控制方案，以 更大限度地消除钻井参数在较大范围内变化以及负载扰动对井眼轨 迹的影响；跟踪预置井眼轨迹参数或地面监控系统遥控指令，计算出 不同井深处的机械钻速、井斜角和方位角等信息作为控制系统输入变 量；综合考虑测量井斜角偏差、方位角偏差、钻速偏差以及各偏差变 化率，确定模糊变量的隶属度函数及控制规则，设计出稳定平台随动 模糊控制器和井斜角、方位角导向模糊控制器，完善多输入单输出的 模糊控制系统，实现对稳定平台、导向偏置机构和钻轴的控制要求。
本发明结构紧凑、设计合理，调整方便，通过其动态指向的旋转 钻进方式，可对水平井、大位移井、大斜度井和分支井等的钻进过程 进行有效导向，并可增大扭矩、调节钻压，改善机械钻速，充分发挥 钻头性能，进而提高钻进效率，可在不影响钻井作业的前提下，结合 井斜角与方位测量数据，在保持稳定平台的对地静止状态时、通过调 整各个液压驱动活塞的直线运行位移和稳定平台主体相对于旋转外 筒的相对旋转角位移，可实现动态指向式的精确控制，有效提高钻井 效率。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施例作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例剖面示意图；
图2为本发明实施例液压驱动导向偏置机构示意图；
图3为本发明实施例控制回路框图；
图4为本发明实施例井眼轨迹随动和稳定控制方法结构框图；
附图标号：1—钻头，2—内套环，3—外套环，4—球面止推环， 5—弹性垫圈，6—旋转外筒，7—钻轴连接轴承，8—液压驱动活塞直 线滑块，9—下支撑板，10—稳定平台伺服电机，11—稳定平台导电 滑环，12—上支撑板，13—控制电路安装盒，14—稳定平台伺服电机 联轴器，15—下支撑板内嵌轴承，16—稳定平台主体，17—稳定平台 连接轴承，18—钻轴，19—钻压承压环，20—球面旋转环，21—上 万向节球笼，22—钢球，23—下万向节球笼，24—密封波纹管。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方 案进一步清楚、完整地描述。显然，本发明不受下述实施例的限制， 可根据本发明的技术方案与实际情况来确定具体的实施方式。基于本 发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下 所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供了一种用于但不限于石油天然气开发的井下 动态指向式旋转导向钻井工具，特别是提供了一种基于稳定平台和液 压驱动活塞的偏置导向机构。该工具的导向方式为指向式，导向偏置 机构的工作方式为动态偏置式。本发明实施例中旋转外筒与钻柱或钻 杆系统相连，钻头与钻轴相连；稳定平台由电机驱动使其与外筒旋转 速率大小相等，方向相反，保持地理静止状态；其内部有液压驱动活 塞偏置导向机构，在钻进过程中，外筒始终旋转，并将扭矩与钻压高 效地传递给钻头；通过调整导向偏置机构中两组液压驱动活塞的伸缩 直线位移，可实现钻轴中心线与外筒中心线所形成井斜角从0°到设 计最大井斜角值间变化；通过调整稳定平台相对旋转外筒的角位移， 可使钻轴中心线指向东西南北0～360°范围内任意控制方位。
本发明实施例还提供一种对该动态指向式旋转导向钻井工具的 井眼轨迹随动和稳定控制方法，具体包括：依据控制井斜角和方位角 值，结合液压驱动活塞导向偏置机构工作原理，解算出各个液压驱动 活塞需运行直线角位移，同时采用随动旋转控制算法，在调整好井斜 角和方位角后，保持稳定平台与偏置导向机构的对地静止状态，从而 达到动态指向的目的。本发明的技术方案，为动态指向式旋转导向钻 井工具的研发提供了理论依据。
在本发明实施例中，为了便于描述，各部件的相对位置关系均根 据说明书附图的布局来进行描述，如上、下位置关系是依据说明书附 图各零部件布局来确定。
为了保证在外筒旋转的情况下达到某一方向的恒定导向以及钻 压扭矩的有效传递，在机械结构设计时特别要求：①动力钻具钻速受 控于外筒钻速，将作用在外筒上扭矩传递给钻具；②导向偏置机构随 稳定平台一起旋转，且可实现该钻速与外筒钻速大小相等、方向相反； ③导向偏置机构应具有灵活的井斜角和方位角产生结构；④在不影响 动力钻具钻速的情况下，保证高钻压、大扭矩作用于钻头。
图1为本发明实施例剖面示意图。该动态指向式旋转导向钻井工 具实施例包括旋转外筒6，稳定平台、导向偏置机构、钻压传递机构、 扭矩传递机构、上支撑板12、下支撑板9、钻头1、钻轴18、稳定平 台导电滑环11、密封波纹管24以及用于各旋转零部件位置连接的多 个轴承。
具体来说，稳定平台置于旋转外筒6内部，包括中空圆柱形稳定 平台主体16、稳定平台连接轴承17、稳定平台伺服电机10及配套的 稳定平台伺服电机联轴器14，稳定平台主体16上端由安装在旋转外 筒6的下支撑板9和下支撑板内嵌轴承15连接固定，下端通过稳定 平台连接轴承17与旋转外筒6内壁紧密配合，稳定平台伺服电机10 安装在旋转外筒6的上支撑板12上，上支撑板12与下支撑板9通过 内六角螺纹紧固在旋转外筒6上，并随之一起运动；稳定平台伺服电 机联轴器14用于连接稳定平台伺服电机10与稳定平台主体16，稳 定平台伺服电机10驱动稳定平台主体16相对于旋转外筒6等速相反 旋转，使其在工作状态下保持对地静止。
图1下半部描述了本发明实施例的钻压和扭矩传递机构。钻压传 递机构自上而下包括钻压承压环19、弹性垫圈5、球面止推环4和球 面旋转环20，钻压承压环19为一中间有孔的“凹”形圆柱结构，其 上端置于旋转外筒6内壁凹台之上，下端同扭矩传递机构的上万向节 球笼套21相接触，直接承载来自旋转外筒6上的钻压；弹性垫圈5、 球面止推环4和球面旋转环20均依次置于钻压承压环19内部，钻压 传递机构内穿有钻轴18，其上端通过钻轴连接轴承7与液压驱动活 塞机构紧固连接，中部伸出有圆柱形“凸”台与球面旋转环20中间 内凹面相接触，以至于可将来自旋转外筒6上的钻压进一步传递至钻 轴18上，进而可传递至安装于钻轴前端的钻头1上。
扭矩传递机构位于旋转外筒6最下端，包括上万向节球笼21、 下万向节球笼23、钢球22、连接键25以及用于保护扭矩传递机构的 内套环2和外套环3，上万向节球笼21与下万向节球笼23主体结构 类似，均为中空圆柱体，内壁处均布有8个1/4“凹球面”，其正好与 钻轴6相应位置上的另1/2“凹球面”组成全球面，球面内置有优质 钢球22。动力扭矩由均布在外筒周围的八个连接键25传递至上万向 节球笼21与下万向节球笼23，而后利用8个大直径钢球22以球面 接触的方式将扭矩施加于钻轴18，进而作用于钻头1上。
钻进时，上部钻柱，包括钻铤、泥浆马达等产生的钻压和动力转 矩都将施加于旋转外筒6上，其中的绝大部分钻压由钻压承压环19 依次传递给弹性垫圈5,、球面止推环4和球面旋转环20，然后作用 于钻轴18上，而小部分钻压经扭矩传递机构也最终作用于钻轴18上； 钻进时岩石对钻头的绝大部分纵向阻力则通过钻轴经球面旋转环20、 球面止推环4、弹性垫圈5和钻压承压环19传递给旋转外筒6。动力 扭矩由均布在旋转外筒6周围的八个连接键25传递给上万向节球笼 21与下万向节球笼23，而后采用大直径钢球22以球面接触的方式可 将扭矩施加于钻轴6。得益于球面止推环4与球面旋转环20的球面 接触，以及上万向节球笼21与下万向节球笼23同钻轴18的球面22 连接方式，可在钻压扭矩高效传递的同时，实现无障碍的旋转导向。
图2进一步描述了本发明实施例的液压驱动偏置机构导向原理。 导向偏置机构位于稳定平台主体16内部，由互成120°安装的三个 液压驱动活塞8组成，所述液压驱动活塞8所围成的中心区域有一钻 轴连接轴承7，可通过调整各个液压驱动活塞的直线位移，形成井斜 角，该直线位移存在最大设计直线位移，该井斜角从0°到最大设计 角度变化，井斜角最大设计角度与液压驱动活塞8最大设计直线位移 决定了钻轴18从钻轴连接轴承7下端面到扭矩传递机构中导向旋转 中心点O的设计距离。
本发明实施例中稳定平台伺服电机采用中空轴式伺服电机，该实 施例中心轴线的一定范围内留有中空间隙，内部有泥浆运行通道，使 泥浆运行至钻头1内部后从钻头1中喷射出来，而后通过旋转外筒6 与井壁间的环空返回到地面。特别的，作为非常重要的钻轴18与下 万向节球笼23的泥浆密封可用密封波纹管24来实现，同样地，密封 波纹管也可以实现钻轴18与液压驱动活塞的良好泥浆密封效果。
本发明实施例还可包括：位于旋转外筒上方的钻铤，以改善旋转 外筒的作用钻压；位于旋转外筒上方的泥浆马达，以改变旋转外筒的 旋转扭矩；位于旋转外筒上方的涡轮发电机，用于为该旋转导向工具 提供电力支持。
本发明实施例还包括用于连接稳定平台伺服电机及控制电路板 电源及控制信号线的导向滑环，该导向滑环安装在上支撑板12下表 面。
本发明实施例还提供一种针对该动态指向式旋转导向钻井工具 的控制方法。如图3所示为本发明实施例控制回路结构框图，主要包 括地面监控系统、上/下行通讯系统、随钻(MWD)测量系统和井下 旋转导向钻井工具系统四大部分。整个系统由内外两大控制回路组 成，外层是通过随钻(MWD)测量系统实现地面监控与人工决策的 导向回路，内层为井下旋转导向控制回路，其导向轨迹设定值可以是 下井前预设的几何导向轨迹参数，也可以是通过MWD实测地层参数 后确定的地质导向轨迹参数。图中线框内则是旋转导向钻井系统的核 心——井下动态指向式旋转导向钻井工具系统。
本发明实施例井眼轨迹随动和稳定控制方法结构框图如图4所 示。根据预置井眼轨迹参数由计算单元解算出所要控制的井斜角和方 位角信息，并结合动态指向式旋转导向钻井工具的工作原理，进一步 得出各个液压驱动活塞的直线运行位移和稳定平台主体16相对于旋 转外筒6的相对旋转角位移。为实现该井斜角和方位角的准确控制， 采用双闭环控制器，其中闭环Ⅰ主要实现稳定平台主体11跟随旋转 外筒6的反向等速控制，实现其地理静止，这对精确指向控制具有极 其重要的意义；其可采用磁通门，利用大地磁场的南北极性特点，将 其测得的圆周变化磁场转变为圆周变化次数，得到旋转外筒6转速， 或采用激光陀螺系统，以消除磁性钻铤的影响，实现旋转动态测量， 将旋转外筒6实际转速测量结果不断地调整为随动跟踪变量，可选用 电容、光电、霍尔等不同原理的传感器，感知旋转外筒6和稳定平台 主体15的正反转速差异，利用模糊控制器a实现其精确动态随动反 向等速跟踪；在闭环Ⅱ中采用三轴加速度计、磁力计等可方便计算出 实际井斜角和方位角；利用模糊控制器b实现各组液压驱动活塞的直 线运行位移和稳定平台主体16相对于旋转外筒6的相对旋转角位移 的精确控制，转速变化对所要控制的井斜角和方位角的影响可通过位 于闭环Ⅰ下方后的微调增量单元予以补偿。
本发明实施例的技术方法与机械设计方案，可在不影响钻井作业 的前提下，结合井斜角与方位测量数据，在保持稳定平台的对地静止 状态时、通过调整各个液压驱动活塞的直线运行位移和稳定平台主体 相对于旋转外筒的相对旋转角位移，可实现动态指向式的精确控制， 有效提高钻井效率，该实施例可以广泛应用于各种力学特性的地层， 特别是软地层、极软底层中。
以上实施例仅用以说明本发明实施例的技术方案，而非对其限 制；尽管参照前述实施例对本发明实施例进行了详细的说明，本领域 的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术 方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改 或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例各实施例技 术方案的精神和范围。