发明内容
本发明的主要目的在于提供一种用于旋转导向工具研制和现场应用的旋转导向工具偏心位移矢量控制方法。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种旋转导向工具偏心位移矢量的控制方法，它包括以下步骤：1)设置闭环控制系统：将井下微处理器与地面监控系统构成信息大闭环控制系统，所述地面监控系统中预设有设计好的井眼轨迹数据；所述井下微处理器由测斜板、通道板和主控板构成，所述测斜板、通道板和主控板之间相互电连接，以接收所述地面监控系统下传的控制指令及向所述地面监控系统上传井下实时数据；所述测斜板经旋转导向系统下部钻具组合的MWD短节与所述地面监控系统连接，所述地面监控系统将指令发送至所述井下微处理器的通道板；2)所述地面监控系统根据所收到的各项数据，比较与设计好的井眼轨迹的差值，然后向所述井下微处理器发出目标偏心合位移矢量值，所述井下微处理器根据接收到的目标偏心合位移矢量值和当前不旋转外套的工具面角计算旋转导向工具翼肋组中各个翼肋的分位移矢量；3)所述井下微处理器将计算出的各个翼肋的相应目标位移发送至对应的翼肋驱动机构，双向控制各个翼肋按目标值做出相应的伸、缩动作；4)所述地面监控系统根据井下上传的数据，重复步骤2)和步骤3)，实时修正偏心位移控制指令，以监测、控制井眼轨迹。
在步骤2)中，所述井下微处理器由嵌于所述主控板内的偏心位移矢量控制单元计算各个翼肋相应的目标位移。
所述偏心位移矢量控制单元的计算步骤为：(1)以初始位置为基准，确定单个翼肋的最大伸、缩位移幅值：首先做如下假定：①井壁坚硬并能提供足够大的支反力；②井眼与RST截面为圆形；③初始位置时，控制平面内所述驱动芯轴中心与所述井眼中心重合，各个所述翼肋全部与所述井壁接触；④所述各翼肋驱动机构正常工作，且有足够驱动力和返回力使各个翼肋位移伸、缩到位；这样，单个翼肋的最大伸、缩位移幅值只与控制平面内RST的直径、井眼的直径相关；以初始位置为基准，单个翼肋最大伸、缩位移幅值均为：
Dmax=12(AD0-Ds)]]>
其中：D0为井眼的直径，Ds为RST的直径，A为井眼扩大率；(2)偏心位移矢量合成与分解：建立数学模型：以所述翼肋组中1#翼肋工具面方向和水平方向的夹角θ0为初始装置角建立x轴，垂直x轴建立y轴，三个分位移矢量交于o点，在RST不旋转外套没有旋转运动的情况下，三个翼肋的位移伸、缩方向在所建坐标系中固定；以初始位置为原点，则在控制平面内存在六个方向的位移矢量，且方向固定；以初始位置为基准，通过改变三个翼肋分位移矢量的幅值，能得到控制平面内任意方向的偏心合位移矢量D，所述偏心合位移矢量D的幅值及其方向为：
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(3)确定偏心合位移矢量控制区域：以初始位置为基准，最大可使用的偏心合位移幅值即单个翼肋的最大可伸、缩位移幅值为(D0-Ds)/2，控制区域为整个控制平面；(4)定量计算分位移矢量：基于就近和最小能量的计算原则，以所述翼肋组中1#翼肋缩回方向和目标工具面角方向之间的夹角γ为区域划分标准，同时考虑实际钻进时旋转导向工具不旋转外套的旋转角速度和翼肋收到指令并动作到位的时间，在控制平面内分六个区域定量计算单个翼肋的分位移矢量。
在定量计算分位移矢量的步骤中，当0≤γ＜π/3时，即处于第一控制区域，偏心合位移方向位于1#翼肋缩回方向和3#翼肋伸出方向之间，此时三个翼肋的伸、缩位移幅值为：
D1=sinγsin2π3D=23sinγDD2=0D3=sin(π3-γ)sin2π3D=(cosγ-sinγ3)D]]>
当π/3≤γ＜2π/3时，即处于第二控制区域，偏心合位移方向位于2#翼肋缩回方向和3#翼肋伸出方向之间，此时三个翼肋的伸、缩位移幅值为：
D1=0D2=sin(γ-π3)sin2π3D=(-cosγ+sinγ3)DD3=sin(2π3-γ)sin2π3D=(cosγ+sinγ3)D]]>
当2π/3≤γ＜π时，即处于第三控制区域，偏心合位移方向位于2#翼肋缩回方向和1#翼肋伸出方向之间，此时三个翼肋的伸缩位移幅值为：
D1=sin(γ-2π3)sin2π3D=(cosγ-sinγ3)DD2=sin(π-γ)sin2π3D=-2sinγ3DD3=0]]>
当π≤γ＜4π/3时，即处于第四控制区域，偏心合位移方向位于1#翼肋伸出方向和3#翼肋缩回方向之间，此时三个翼肋的伸缩位移幅值为：
D1=sin(4π3-γ)sin2π3D=(-cosγ+sinγ3)DD2=0D3=sin(γ-π)sin2π3D=-23sinγD]]>
当4π/3≤γ＜5π/3时，即处于第五控制区域，偏心合位移方向位于2#翼肋伸出方向和3#翼肋缩回方向之间，此时三个翼肋的伸缩位移幅值为：
D1=0D2=sin(γ-4π3)sin2π3D=(cosγ-sinγ3)DD3=sin(5π3-γ)sin2π3D=(-cosγ-sinγ3)D]]>
当5π/3≤γ＜2π时，即处于第六控制区域，偏心合位移方向位于2#翼肋伸出方向和1#翼肋缩回方向之间，此时三个翼肋的伸缩位移幅值为：
D1=sin(γ-5π3)sin2π3D=(-cosγ+sinγ3)DD2=sin(2π-γ)sin2π3D=2sinγ3DD3=0]]>
所述偏心位移矢量控制单元的计算步骤(2)中，将旋转导向工具偏心位移矢量控制简化为控制平面内六个方向固定的位移矢量的合成与分解，三个翼肋分位移矢量存在数学多解性。
所述偏心合位移矢量在控制平面内360°可调。
所述测斜板、通道板和主控板分别通过对应控制各个翼肋动作的翼肋驱动机构控制所述翼肋组中的各个翼肋。
各个所述翼肋伸缩到位后，关闭所述定位总成中的单向阀，便能锁定翼肋位置，使旋转导向钻具组合按照所需的井斜和方位导向钻进。
各个所述翼肋伸缩到位后，关闭所述定位总成中的单向阀，便能锁定翼肋位置，使旋转导向钻具组合按照所需的井斜和方位导向钻进。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明将旋转导向工具偏心位移矢量控制程序嵌入井下微处理器中，与MWD、地面监控系统构成信息大闭环，使井眼轨迹能被实时监测、控制，并能及时修正钻进方位；2、本发明将偏心位移矢量控制简化为控制平面内六个方向位移矢量的合成和分解，以初始位置为基准，定量地计算偏心位移矢量，该控制方法比力工作方式具有更大的控制区域，不存在控制“盲区”；3、本发明提出的控制方法综合考虑实际钻进时旋转导向工具外套的旋转角速度、井眼扩大率和翼肋收到指令并动作到位的时间，因此实用性强且实际导向效果好。
本发明提出的偏心位移矢量控制方法，为旋转导向工具研制和现场应用提供了重要的指导。
具体实施方式
现举以下实施例并结合附图对本发明进行详细说明。
带偏置位移式旋转导向工具(RST)的旋转导向系统下部钻具组合(BHA)如图1A所示，包括依序连接的钻杆10、钻铤11、钻柱稳定器12、MWD短节13、柔性短节14、滚轮稳定器15、旋转导向工具16及钻头17。其中旋转导向工具16的结构组成如图1B所示，其包括不旋转外套161、驱动芯轴162、定位总成163和一翼肋组164。在BHA中串接柔性短节14的目的是为了减小上部钻柱对BHA导向及力学性能的影响，在旋转导向工具16的不旋转外套161上设置滚轮稳定器15是为了防止或减慢不旋转外套161实际钻进时的旋转运动。旋转导向工具16中的定位总成163和翼肋组164组成一偏心执行机构。旋转导向系统下部钻具组合(BHA)为现有的装置，其结构在此不再详述。
旋转导向工具16通过该偏心执行机构实现导向钻进和井眼轨迹控制。如图2A、图2B所示，该偏心执行机构中翼肋组164包括1#翼肋1641、2#翼肋1642和3#翼肋1643，分别由独立的驱动液缸和传递机构双向控制。在钻进过程中，钻井液通过驱动芯轴162上的小孔进入定位总成163的驱动液缸，在钻柱内、外钻井液压差作用下，三个翼肋1641、1642、1643被驱动伸出，并与井壁18相接触。需要缩回时，由定位总成163反向控制。翼肋的伸、缩位移幅值受定位总成163控制。翼肋的驱动原理为本领域的公知技术，在此不再详述。
本发明中，控制平面I-I内的角度定义如图3所示：
(1)工具面角α：在控制平面I-I内，定义有井眼18的中心原点O和旋转导向工具(RST)偏心后驱动芯轴162的中心O′，以井眼18的中心原点O铅垂向上划出的线OP为零点，顺时针旋转到偏心合位移工具面方向OO′之间的夹角即为工具面角α。偏置合位移工具面方向OO′从井眼18的中心原点O开始，指向旋转导向工具(RST)偏心后驱动芯轴162中心O′。工具面角α是井眼轨迹控制中的重要参考量。
(2)装置角θ：装置角θ的起点是以从井眼18的中心原点O向右延伸的水平线为零点，逆时针旋转到1#翼肋1641(定位基准翼肋)的工具面方向之间的夹角。
定位总成163通过双向控制三个翼肋的伸、缩位移幅值可在控制平面内I-I形成偏心合位移矢量，使RST轴线偏离井眼18的中心线。在钻井过程中要根据所需的造斜率来确定偏心合位移矢量，并将其分解为三个翼肋各自的位移矢量单独控制。
下面详细说明本发明所提供的旋转导向工具(RST)偏心位移矢量的控制方法，其包括以下步骤：
一、设置闭环控制系统：将井下微处理器与地面监控系统(包括井下/地面数据采集、处理、解释、判断与决策系统和信息发送、接收设备)构成信息大闭环控制系统。在地面监控系统中预设有设计好的井眼轨迹数据(地面监控系统为现有设备)。
如图4所示，井下微处理器由测斜板、通道板和主控板构成。测斜板、通道板和主控板之间相互电连接，以接收地面监控系统下传的控制指令及向地面监控系统上传井下实时数据。测斜板、通道板和主控板分别通过相应的翼肋驱动机构连接1#翼肋1641、2#翼肋1642和3#翼肋1643，以控制相应的翼肋动作。其中，测斜板负责测量当前井斜和1#翼肋1641的工具面角，每隔5s向主控板发送一次1#翼肋的工具面角的状态，并通过MWD短节13向地面监控系统上传井斜、方位、翼肋分位移及1#翼肋1641的工具面角数据。通道板负责接收并解码地面监控系统下传的偏心位移控制指令，同时每隔5s向主控板发送一次下行通道的状态。主控板每隔5s接收一次测斜板和通道板传送的信息。本发明中的翼肋驱动机构采用的是电磁阀液压子系统。
二、地面监控系统根据所收到的各项数据，比较与设计好的井眼轨迹的差值，然后向井下微处理器发出目标偏心合位移矢量值，井下微处理器根据接收到的目标偏心合位移矢量值和当前不旋转外套的工具面角计算三个翼肋的分位移矢量。
地面监控系统在比较出差值后，向通道板发出修正的偏心位移控制指令，再由通道板传输给主控板，主控板根据通道板传来的目标偏心合位移矢量值(包括目标工具面角和目标偏心合位移数据)以及测斜板传来的当前1#翼肋1641的工具面角，由嵌于主控板内的偏心位移矢量控制单元(图中未示)计算得出三个翼肋相应的目标位移。
偏心位移矢量控制单元的计算步骤如下：
1、以初始位置为基准，确定单个翼肋的最大伸、缩位移幅值
RST在井下工作时，其偏心效果受所在地层的井壁条件、井眼扩大等井下复杂工况的影响。为简化，在设计分析中作如下假定：
(1)井壁坚硬并能提供足够大的支反力；
(2)井眼18与RST截面为圆形；
(3)初始位置时，控制平面内驱动芯轴162中心与井眼18中心重合，三个翼肋1641、1642及1643全部与井壁18接触；
(4)翼肋驱动机构正常工作，且有足够驱动力和返回力使翼肋位移伸、缩到位。
这样，单个翼肋的最大伸、缩位移幅值只与控制平面内RST的直径、井眼18的直径相关。以初始位置为基准，单个翼肋最大伸、缩位移幅值均为：
Dmax=12(AD0-Ds)---(1)]]>
如图5所示：D0为井眼18的直径，Ds为RST的直径，A为井眼18扩大率；偏心位移的取值区域为虚线围成的圆形。同时，Dmax也是控制平面内驱动芯轴162中心的最大偏心位移。
2、偏心位移矢量合成与分解
建立如图6所示的数学模型：三个分位移矢量交于o点，以1#翼肋1641工具面方向和水平方向的夹角θ0(初始装置角)建立x轴，垂直x轴建立y轴。在RST不旋转外套161没有旋转运动的情况下，三个翼肋的位移伸、缩方向在所建坐标系中固定。以初始位置为原点，则在控制平面内存在六个方向的位移矢量，且方向固定。
改变三个翼肋伸、缩位移矢量的幅值，其偏心合位移矢量D的幅值和方向将随之改变。保持偏心合位移矢量D的幅值和方向均不变，在满足矢量合成条件和三个翼肋伸、缩位移可以无级调节的情况下，要达到相同的偏心合位移矢量D，三个翼肋分位移矢量D11、D21、D31的幅值组合不是唯一确定的，即三个翼肋分位移矢量存在数学多解性。
如图7所示：偏心合位移矢量D的幅值及其方向为：
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进一步可解得：
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将式(3)代入式(2)，简化得：
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D12+D22+D32-D1D2-D1D3-D2D3≥0,D1≤Dmax,D2≤Dmax,D3≤Dmax]]>
式中，Dmax为每个翼肋所能获得的最大伸、缩位移幅值；β为合位移矢量D与x轴正向的夹角；θ0为初始装置角。
若合位移矢量D的幅值和方向已知，且初始装置角θ0不变，即：
|D|＝B1，β＝β1
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对翼肋伸、缩分位移D1、D2、D3求解，在不考虑工程实际要求时，(5)式的数学解有无穷多种：
(D1,D2,D3)∈{(D11,D21,D31),(D12,D22,D32),···,(D1n,D2n,D3n)}]]>
(D1n)2+(D1n)2+(D1n)2-D1nD2n-D1nD3n-D2nD3n≥0(n=1,2,3,···)---(6)]]>
由式(4)可知，偏心合位移矢量D的幅值仅与3个分位移矢量幅值有关。当分位移矢量幅值确定，D的方向也只与初始装置角θ0有关。因此，要保持D方向不变，θ0必须保持恒定，即不旋转外套161必须保持静止。通过改变三个分位移矢量的幅值，可得到控制平面内任意方向的合位移矢量D。
理想状态下，不旋转外套161相对旋转的驱动芯轴162是静止的，但由于两者连接的轴承之间不可避免地存在摩擦、扭矩作用，驱动芯轴162在旋转的同时，也会带动不旋转外套161做缓慢的旋转运动。目前不旋转外套161的转速可控制在2转/小时左右。不旋转外套161的旋转要求三个翼肋的伸、缩位移必须随着做相应的调整，以维持实际钻进所要求的偏心合位移矢量D的幅值和方向。
3、确定偏心合位移矢量控制区域
在地层坚硬并能提供足够大支撑反力、定位总成163能提供足够驱动力和返回力、翼肋驱动机构行程一定的情况下，每个翼肋所能获得的最大伸、缩位移为Dmax，即D1≤Dmax，D2≤Dmax，D3≤Dmax。分析图8可知，D的幅值达到Dmax时，仍可分解到三个翼肋位移伸、缩方向上，且分位移矢量组合不唯一。因此，D的幅值落在图8所示的整个控制平面区域内，其取值范围为：
0≤(D，D1，D2，D3)≤Dmax (7)
D的方向可在幅值保持不变的情况下360°任意可调，这样偏心执行机构就能通过不断调整三个分位移矢量的幅值达到造斜和控制井眼轨迹的目的。以初始位置为基准，偏心位移矢量控制方案不存在控制“盲区”，其最大可使用的偏心合位移幅值为(D0-Ds)/2，即单个翼肋的最大可伸、缩位移幅值。
4、定量计算分位移矢量
如图9所示：已知偏心合位移矢量D的幅值和方向，确定三个分位移矢量。假设先确定1#翼肋1641分位移![]()
由矢量合成原理可知：由于存在六个确定方向的矢量，分位移矢量![]()
可落在控制平面六个区间中任意一个内，只要满足由矢量合成原理、平行四边形法则和最大可使用偏心合位移幅值所构成的约束条件。先确定2#翼肋1642分位移![]()
时，会出现分位移矢量![]()
超出翼肋最大可使用伸、缩位移的情况，这是错误的分位移矢量组合。
理论上讲，已知偏心合位移矢量D的幅值和方向，先确定任何一个分位移矢量都是可行的，只要其幅值满足上述约束条件。在实际工程中，往往要求以最小的能量达到控制偏心合位移矢量的目的。通过力学及数学分析可得：当偏心合位移矢量靠近某一翼肋分矢量方向时，先确定该翼肋的分位移矢量，并使另外两个分位移矢量中一个分位移矢量幅值为零，将使所需能量最小。因此，应按照就近原则和最小能量原则计算分位移矢量。
如图8所示，翼肋按逆时针方向编号，以1#翼肋1641当前工具面角α1和目标工具面角α的夹角γ(逆时针为正)为区域划分标准，以就近和最小能量为原则，并计入测得的不旋转外套161的旋转角速度为ω和翼肋收到指令并动作到位的时间为T，则有
γ＝α1-α-ωt α1·α＞0
γ＝α1+α-ωt α1·α＜0 (8)
不旋转外套的转动角速度ω由测得的1#翼肋1641工具面角变化计算得出。翼肋收到指令并伸、缩到位的时间T由试验测定。
在控制平面I-I内分六个区域定量计算单个翼肋的分位移矢量，则分位移矢量的控制算法如下：
(1)当0≤γ＜π/3时，即处于第一控制区域，要求偏心合位移方向位于1#翼肋1641缩回方向和3#翼肋1643伸出方向之间，此时三个翼肋的伸、缩位移幅值为：
D1=sinγsin2π3D=23sinγDD2=0D3=sin(π3-γ)sin2π3D=(cosγ-sinγ3)D---(9)]]>
(2)当π/3≤γ＜2π/3时，即处于第二控制区域，要求偏心合位移方向位于2#翼肋1642缩回方向和3#翼肋1643伸出方向之间，此时三个翼肋的伸、缩位移幅值为：
D1=0D2=sin(γ-π3)sin2π3D=(-cosγ+sinγ3)DD3=sin(2π3-γ)sin2π3D=(cosγ+sinγ3)D---(10)]]>
(3)当2π/3≤γ＜π时，即处于第三控制区域，要求偏心合位移方向位于2#翼肋1642缩回方向和1#翼肋1641伸出方向之间，此时三个翼肋的伸缩位移幅值为：
D1=sin(γ-2π3)sin2π3D=(cosγ-sinγ3)DD2=sin(π-γ)sin2π3D=-2sinγ3DD3=0---(11)]]>
(4)当π≤γ＜4π/3时，即处于第四控制区域，要求偏心合位移方向位于1#翼肋1641伸出方向和3#翼肋1643缩回方向之间，此时三个翼肋的伸缩位移幅值为：
D1=sin(4π3-γ)sin2π3D=(-cosγ+sinγ3)DD2=0D3=sin(γ-π)sin2π3D=-23sinγD---(12)]]>
该工况的结果相当于工况(1)中的γ转过角度π。
(5)当4π/3≤γ＜5π/3时，即处于第五控制区域，要求偏心合位移方向位于2#翼肋1642伸出方向和3#翼肋1643缩回方向之间，此时三个翼肋的伸缩位移幅值为：
D1=0D2=sin(γ-4π3)sin2π3D=(cosγ-sinγ3)DD3=sin(5π3-γ)sin2π3D=(-cosγ-sinγ3)D---(13)]]>
该工况的结果相当于工况(2)中的γ转过角度π。
(6)当5π/3≤γ＜2π时，即处于第六控制区域，要求偏心合位移方向位于2#翼肋1642伸出方向和1#翼肋1641缩回方向之间，此时三个翼肋的伸缩位移幅值为：
D1=sin(γ-5π3)sin2π3D=(-cosγ+sinγ3)DD2=sin(2π-γ)sin2π3D=2sinγ3DD3=0---(14)]]>
该工况的结果相当于工况(3)中的γ转过角度π。
三、井下微处理器将计算出的三个翼肋的相应目标位移发送至对应的翼肋驱动机构，双向控制各个翼肋按目标值做出相应的伸、缩动作。
主控板将计算出的1#翼肋1641的目标位移数据发送到测斜板，将2#翼肋1642的目标位移发送到通道板，进而由测斜板、通道板和主控板分别将数据发送至三个对应控制各个翼肋动作的翼肋驱动机构，各自独立按要求控制各个翼肋的位移幅值。翼肋伸缩到位后，关闭定位总成中的单向阀，锁定翼肋位置，使旋转导向钻具组合按照所需的井斜和方位导向钻进。
四、地面监控系统根据井下上传的数据，重复步骤二和步骤三，实时修正偏心位移控制指令，以监测、控制井眼轨迹。
本发明在进行带偏置位移式RST的BHA现场应用过程中，翼肋工作模式有三种：全缩模式、全伸模式(初始位置)、导向模式，应用时以初始位置为基准。地面监控系统接收到井下上传数据，根据测得的井眼轨迹情况确定是否需要调整旋转导向工具以控制井眼轨迹。井眼轨迹需要优化时，地面工程师根据BHA的导向能力和井眼轨迹控制需要，选择控制指令向井下发送，井下微处理器接收并解码指令，确定旋转导向工具的偏心合位移矢量。
实施例1：由初始位置调整到导向模式。设RST处于初始位置，1#翼肋1641当前工具面角为60度，目标工具面角为30度，不旋转外套161的转速为2转/小时，翼肋收到指令并伸、缩到位的时间为1分15秒，目标偏心合位移矢量幅值为10毫米，则由控制程序计算得到的三个翼肋偏心位移矢量幅值分别为：1#翼肋缩8.2毫米，2#翼肋处于初始位置，为0毫米；3#翼肋伸3.0毫米；
实施例2：导向模式1调整到导向模式2。设RST导向模式1的初始工具面角为30度，初始偏心合位移矢量幅值为10毫米，1#翼肋1641当前工具面角为45度，不旋转外套161转速为1转/小时，翼肋收到指令并伸缩到位的时间为2分钟，导向模式2的目标工具面角为72度，目标偏心合位移矢量幅值为20毫米，则由控制程序计算得到的三个翼肋偏心位移矢量幅值分别为：1#翼肋缩3.4毫米；2#翼肋处于初始位置，为0毫米；3#翼肋伸8.6毫米。
本发明针对偏置位移式RST，提出翼肋偏心位移矢量控制方法和RSS大闭环控制方案，方法简单、实用，易于实现编程控制，为偏置位移式RST的设计研究和现场应用提供了重要的理论依据和指导。在现场应用中，实际的导向效果受多种因素影响，如：翼肋位移的控制精度、井眼质量、井下信息测量精度、导向基准稳定性等，但均可根据实际工况实时计算、调整，不影响本发明的应用。