一种旋转导向钻井控制系统及其控制方法技术领域
本发明属于石油勘探开发领域，具体涉及一种旋转导向钻井控制系统及
其控制方法。
背景技术
旋转导向钻井技术起源于上世纪80年代后期，该技术是随着相关科技水
平的提高，为满足石油工业的实际需要在滑动导向钻井技术和工艺基础之上
而发展起来的。其基本的思路就是在旋转钻井的同时，在钻压钻速及泵量的
配合下，通过特定的井下导向工具，在近钻头附近，对旋转的钻柱在特定方
向上施加一定的连续的可变的侧向力，人为地改变钻头前进的方向，进而达
到旋转中几何导向或地质导向的目的。
与传统钻井技术相比，旋转导向钻井技术可使钻头处于持续地旋转状态，
因此井眼净化效果更好，井身轨迹控制精度更高，钻井速度更快，出现卡钻
等事故的几率更小，位移延伸能力更强。如果配上地质导向短节，就可以让
钻头在井底自动寻找油层钻进，因此对油气资源的勘探和开发，提高油田的
油气采收率具有重要意义。
目前，旋转导向钻井技术主要掌握在国外少数几家石油技术服务公司手
中，基于其自身利益，对其所拥有的导向控制技术、导向工具仪器进行严格
保密，并在价格上垄断、技术上限制、国际投标时制约、服务上拖延，严重
影响了我国石油工业钻井工艺技术的进步，制约了国内钻井队伍开拓海外钻
井市场的竞争能力，成为我国石油钻探行业技术发展进步的瓶颈。
现有技术中，公告号为CN102022082B的专利公开了一种控制旋转导向钻
井工具的地面指令下传方法及装置。但该采用该技术方案用于钻井时，因钻
头钻进的轨迹会与设计的井眼轨迹之间出现偏差，故需通过其地面控制系统
来反复多次下传控制指令至旋转导向钻井工具来对钻进的轨迹进行调整，导
致钻井周期的延长，限制了钻井效率的提升。
正是基于上述背景，申请人展开了针对旋转导向钻井技术的立项研究。
旋转导向钻井技术从导向机构的运动方式可分为静止式和动态式两种，
从导向力产生的方式可分为推靠式和指向式两种，且目前国内用户普遍采用
静态偏置推靠式旋转导向钻井工具。经过多年的研发，申请人已完成静态偏
置推靠式旋转导向钻井工具整体结构设计，并相继提出了主题为“静态偏置
推靠式旋转导向钻井工具”的系列技术方案(公告号分别为CN103939017A、
CN203783462U、CN203783488U和CN203783461U)，且上述“静态偏置推靠式
旋转导向钻井工具”凭借其结构合理、高可靠性等优点，已能够代替国外同
类产品进行使用。
但申请人在实践中发现，仅提出“静态偏置推靠式旋转导向钻井工具(公
告号为CN103939017A)”的技术方案，还难以实现现代石油勘探工业所需的自
动化、智能化、高效率地钻井。
故申请人考虑结合“静态偏置推靠式旋转导向钻井工具”结构来设计出
与之相应旋转导向钻井控制系统及其控制方法，以实现具有自动化、智能化、
高效率功能特点的钻井控制。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：如何结合“静
态偏置推靠式旋转导向钻井工具”结构(公告号分别为CN103939017A)，来提
供一种能够实现自动化、智能化、高效率钻井的旋转导向钻井控制系统及其
控制方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：
一种旋转导向钻井控制系统，包括地面控制系统、地面控制箱、旁通阀、
MWD系统、具有解码单元的井下总控板以及能够控制导向工具中翼肋动作的主
控板；其中，
所述地面控制系统包括安装有控制软件的上位机；
所述地面控制系统与所述地面控制箱电性连接；
所述旁通阀安装在与泥浆管道相连的旁通支管上，且所述旁通阀上的信
号控制端与所述地面控制箱电性连接；所述泥浆管道用于输送钻井液并将导
向工具和设置在地面的泥浆泵相连接；
还包括井下发电机、发电机安装段、耦合器以及用于安装该耦合器的耦
合器安装段、近钻头姿态数据获取组件和电源板；
所述井下发电机固定安装在整体呈柱形且具有中空结构的发电机安装段
的内部，所述发电机安装段的端部与导向工具上的耦合器安装段的端部相贯
通并固定连接；
所述井下总控板安装在所述耦合器安装段，所述井下总控板上具有与所
述井下发电机的输出端相连的接收端，并用于接收所述井下发动机的生成的
电能以及通过解码单元来对泥浆中携带的指令进行解码；所述井下总控板还
具有与所述耦合器的原边线圈相连的连接端、与所述MWD系统信号相连的信
号端；
所述耦合器的副边线圈与所述主控板信号连接；
所述近钻头姿态数据获取组件和电源板固定安装在导向工具上的电路仓
中；其中，所述近钻头姿态数据获取组件包括Z向与所述电路仓同轴向设置
的三轴加速度计，所述三轴加速度计与所述主控板信号连接；所述主控板的
电源输送端通过电源板与电路仓中的蓄电池相连接；所述主控板与用于控制
翼肋动作的液压机构的控制信号端相连接。
作为改进，所述近钻头姿态数据获取组件还包括温度传感器，所述温度
传感器与所述主控板信号连接。
因传感器(本技术方案为三轴加速度计和压力传感器)通常都有一定的
温度系数，其输出信号会随温度变化而漂移，称为“温漂”，为了减小温漂，
采用一些补偿措施在一定程度上抵消或减小其输出的温漂，这就是温度补偿。
故当近钻头姿态数据获取组件中包括安装在电路仓中的温度传感器后，即可
实时检测靠近钻头处的环境温度，从而根据该温度值来对传感器进行温度补
偿，从而确保传感器输出更为精准的数据，进一步提高利于保证本控制系统
的控制精度。此外，温度传感器的设置，还能够对井下温度进行检测与预警，
让导向工具中的电子器件都能处在适宜工作的温度范围内，从而提高本控制
系统的运用可靠性。
作为改进，所述井下总控板通过MWD转接板与所述MWD系统相连接。
实施上述改进后，因MWD系统是个完整的子系统，故井下总控板可通过
MWD转接板来形成与MWD系统相连接的物理链路上的电气接口(即为“QBUS
电气方式连接”)，从而将近钻头姿态数据通过MWD系统来上传。上述选择QBUS
电气方式连接是因为QBUS的信号简单(一根信号线、一根地线)且通讯距离
较长，不易受干扰。
一种旋转导向钻井控制方法，包括以下步骤：
a、井口测试
将井眼轨道设计数据录入地面控制系统，形成轨道设计曲线，该轨道设
计曲线包括设计靶区、设计分段数据、分段控制目标及允许出现的误差范围；
同时将已钻轨迹数据录入地面控制系统；
b、获取近钻头姿态数据，设计井眼轨迹
下钻至造斜点时，暂停下钻，并通过三轴加速度计来获取井斜角α1，通
过MWD系统来获取方位角![]()
通过MWD系统来上传主控板中通过所述三轴加
速度计测得的井斜角α1；设目标井斜角和方位角分别为α2、![]()
导向工具的
造斜率为KC,根据以下公式求解装置角ω和需钻井的井段长度ΔDm：
![]()
cosω＝(cosα1cosγ-cosα2)/sinα1sinγ(2)
![]()
由(1)式，可求得狗腿度γ，将狗腿度γ代入(2)式求得装置角ω；
当![]()
为负值时，ω取负值，设cosω＝c，
![]()
ω＝cos-1c(4)
![]()
ω＝-cos-1c(5)
ΔDm＝30γ/KC(6)
c、下发指令
将上步中计算得出的装置角ω、需钻井的井段长度ΔDm数值放入地面控制
系统的指令中，后将所述指令下发至主控板；
d、智能闭环控制
主控板对指令进行存储；主控板根据近钻头姿态数据，并结合存储的指
令对当前钻井状态进行分析，若近钻头姿态数据与指令之间的偏差在误差范
围内，则按当前的指令继续自动钻进；若近钻头姿态数据与指令之间的偏差
在误差范围外，则主控板通过计算来自行调整三块翼肋的执行动作并消除偏
差，完成钻井的智能闭环控制。
本发明的旋转导向钻井控制系统的控制方法的“智能闭环控制”：是指地
面控制系统只需下发一次指令，主控板不仅存储经过解析后的指令，还能够
实时获取近钻头姿态数据，并比对目标方向，不断调整液压机构来控制翼肋
促使向着设定方向钻进。该智能闭环控制具体步骤如下：
1.主控板接收、解析并存储地面控制系统下发的造斜、扭方位等各种指
令；
2.按接收到的不同指令进入不同的处理程序，提取当前近钻头的重力工
具面角(通过三轴加速度计测得)实时参数，根据合理分解算法将各种指令
分解到各个翼肋的液压机构；
3.各个翼肋的液压机构接收到相应命令后，执行相关动作；
4.主控板实时采集近钻头姿态数据，判断钻头方向的变化情况，如果在
误差范围之外，则重新分解指令并下发给液压机构，调整钻头前进方向，保
证钻具按指定的方向钻进；如果在误差范围内，则不做调整；整个过程只需
要地面下发一次指令就可以实现智能闭环控制。
作为优选，所述主控板中根据其中存储的合力分解算法来自行调整三块
翼肋的执行动作，所述合力分解算法如下：
F
m
=
(
2
3
3
)
*
F
*
s
i
n
(
(
120.0
+
A
n
g
l
e
-
F
_
A
n
g
l
e
)
*
P
I
/
180.0
)
]]>
F
n
=
(
2
3
3
)
*
F
*
s
i
n
(
(
F
_
A
n
g
l
e
-
A
n
g
l
e
)
*
P
I
/
180.0
)
]]>
其中，F目标力大小，F_Angle目标力方向，Angle为当前重力工具面角
角度值，PI为圆周率；三个翼肋分别为：翼肋A、翼肋B、翼肋C，且三个翼
肋为等间距的分布；其中，定义翼肋A的工具面角为0°，则翼肋B和翼肋C
的工具面角分别为120°和240°，据作用力和反作用力原理，F_Angle目标
力方向必定位于相邻的两个翼肋之间，依照上述公式，即可计算得出分解到
上述相邻两个翼肋中的其中一个翼肋的力大小Fm，以及上述相邻两个翼肋中
的另一个翼肋的力大小Fn。
现有的旋转导向动力执行方法多是通过测算执行机构的位移矢量，本发
明控制系统采用采集重力工具面角来将合力分解到不同翼肋的控制方法，这
样不仅算法更为简便，降低了运算量，提高主控板的运算效率，同时也能够
具有高可靠性。
作为改进，在“c、下发指令”步骤中还包括：当主控板接收到下发的指
令后，通过井下总控板来提取主控板所存储的指令，并通过MWD系统将该指
令信息上传至地面。
实施上述改进后，即可判断出主控板是否准确地接收到下发的指令信息，
从而为下一步的操作提供正确指示。
作为改进，该控制方法还包括以下步骤：e、井下总控板提取主控板存储
的近钻头姿态数据获取组件中的数据并通过MWD系统来上传。
实施上述改进后，能够随时通过MWD系统上传的数据来监控钻进情况，
提高钻井的可靠性。当处于正常钻井工作状态，需要发电机给电路仓中主控
板供电，MWD系统内部有电池，不需要外部电源；正常工作时，系统通过MWD
通道每三分钟上传一次数据。当处于停钻状态时，主控板依靠蓄电池供电来
采集和存储近钻头姿态数据。
本发明控制系统在使用时，其中的信号流分为上行和下行：下行是指指
令从地面控制系统到导向工具的过程；上行是指近钻头姿态数据获取近钻头
姿态数据获取组件采集的姿态等数据返回至地面(地面控制系统或MWD系统
中位于地面的部分)的过程。
下行具体表现为：地面控制箱通过地面控制系统下发的指令控制旁通阀
的开关，使泥浆管道内的压力呈现指定的起伏变化；井下发电机通过检测该
起伏变化来接收指令并下发到井下总控板上并通过解码单元进行解码，同时
为井下总控板提供电源；井下总控板将井下发电机传递的指令以及产生的电
能通过(耦合器)无线耦合方式传输到主控板(该主控板对应为公告号
CN103939017A，主题为“静态偏置推靠式旋转导向钻井工具”技术方案中的
“控制电路板25”)上，主控板将接收到的指令进行分解(并下传到各个翼肋
控制板)并控制液压机构来产生对翼肋的推力，使得翼肋向外伸出并推靠在
井壁上来合成导向力。
上行具体表现为井下总控板将主控板回传的近钻头姿态参数和翼肋回传
的压力等参数发送给MWD系统，再通过MWD系统上传至地面(地面控制系统
或MWD系统中位于地面的部分)。
本发明控制系统中，蓄电池(高温可充电电池)设于电路仓内，主要目
的是系统停电时(在接钻杆等需关闭泥浆泵并使得井下发电机停转时断电情
况)能够为主控板提供电源，使得主控板能够实时不停地采集静态的近钻头
姿态数据，为精确控制提供依据。
在正常钻进工作时，井下发电机输出的电压经整流、稳压后对井下总控
板、主控板供电，同时对蓄电池充电。
在停电接钻杆时，切换到蓄电池对外供电，主控板采集三轴加速度计、
温度传感器、压力传感器(为注油管路内设置的压力传感器，对应为公告号
CN103939017A，主题为“静态偏置推靠式旋转导向钻井工具”技术方案中的
“压力传感器18”)等静态数据，不对控制翼肋动作的液压机构下发命令；同
时存储采集的静态数据，待系统重新上电时，将存储的静态数据第一时间上
传给MWD系统，主控板中的程序将存储的静态数据与实时采集到的动态数据
进行比较，快速获取正确的参数，依此指导下一步钻进动作。
同现有技术相比较，本发明的旋转导向钻井控制系统及其控制方法具有
以下有益技术效果：
1、控制更简单、高效、节约成本和时间。
本发明控制系统只需要下发一次指令，并将该指令存储到主控板。因主
控板与电路仓中用于测量近钻头姿态数据的各个传感器相连，故能够实时获
取近钻头姿态数据，并实时将该近钻头姿态数据来与上述指令的数据进行比
对，一旦发现出现偏差即根据合力分解算法及当前近钻头姿态数据分解下发
指令来控制翼肋进行导向，从而消除上述偏差。可见，本发明能够结合结合
“静态偏置推靠式旋转导向钻井工具”结构(公告号分别为CN103939017A)
来实现智能化的闭环控制，自动高效地按设计的轨迹进行钻进，且使得地面
控制系统的监控只起到辅助作用。而现有技术中的旋转导向控制系统中，地
面控制系统的控制起主导作用，需要通过地面控制系统来监控钻头钻进情况，
且需通过地面控制系统多次下发控制指令来对钻头钻进轨迹进行调整。
此外，还因近钻头姿态数据获取组件固定安装在导向工具上的电路仓中，
相邻钻头设置(近钻头姿态数据获取组件与钻头之间的距离在0.5-1.5米左
右)，这样一来，即可使得近钻头姿态数据获取组件中的各个传感器获得姿态
数据更接近于钻头所在处的姿态数据，从而可使得本发明控制系统的控制速
度、准确度和精度更高，即可取得更理想的控制效果。
2、获取更准确丰富的数据，实现更有效的钻井现场监控。
采用本发明的控制系统，能够借助MWD系统的数据传递通道来主控板
中采集、计算得到的数据及可能出现的报警信息及时上传。能够存储下发的
指令信息，定时或实时存储采集到用于测量近钻头姿态数据的各个传感器的
数据。这样即可在地面控制系统或位于地面的MWD系统中存储和显示出大
量丰富的数据，这些数据对于现场监控和完井后分析都大有裨益。
附图说明
图1是公开号CN103939017A的静态偏置推靠式旋转导向钻井工具的半
剖图。
图2是公开号CN103939017A的静态偏置推靠式旋转导向钻井工具中电
路安装段的剖面图。
图3是本发明旋转导向钻井控制系统的结构框图。
图4是本发明旋转导向钻井控制方法的流程图。
图5是导向工具的导向合力模型图。
图中，1—不旋转外套，2—圆锥滚子轴承，3—O型圈，4—翼肋集成块，
5—翼肋，6—柱塞，7—转轴，8—复位弹簧，10—油路集成块，12—电机座，
14—伺服电机，15—联结器，16—柱塞泵，19—泵安装座，21—接头，22—
电路仓，23—抗压筒，24—密封圈，25—控制电路板(即为本发明控制系统
中的“主控板”)，26—蓄电池，27—外压传感器滤网，28—外压传感器，29
—测试盖板，30—耦合器外壳，31—耦合器(即为本发明控制系统中的“耦
合器”)，32—出线盖板，33—上轴承座，34—旋转芯轴，35—下接头(用于
连接钻头)。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。其中，针对描述采用诸如
上、下、左、右等说明性术语，目的在于帮助读者理解，而不旨在进行限制。
如图1至4所示，一种旋转导向钻井控制系统，包括地面控制系统(图
中未示出)、地面控制箱(图中未示出)、旁通阀(图中未示出)、MWD系统(图
中未示出)、具有解码单元的井下总控板(图中未示出)以及能够控制导向工
具(此处的“导向工具”即为公开号CN103939017A的静态偏置推靠式旋转导
向钻井工具)中翼肋5动作的主控板25；其中，
所述地面控制系统包括安装有控制软件的上位机；
所述地面控制系统与所述地面控制箱电性连接；
所述旁通阀安装在与泥浆管道相连的旁通支管上，且所述旁通阀上的信
号控制端与所述地面控制箱电性连接；所述泥浆管道用于输送钻井液并将导
向工具和设置在地面的泥浆泵相连接；
还包括井下发电机、发电机安装段、耦合器以及用于安装该耦合器的耦
合器安装段、近钻头姿态数据获取组件和电源板；
所述井下发电机固定安装在整体呈柱形且具有中空结构的发电机安装段
的内部，所述发电机安装段的端部与导向工具上的耦合器安装段的端部相贯
通并固定连接；
所述井下总控板安装在所述耦合器安装段，所述井下总控板上具有与所
述井下发电机的输出端相连的接收端，并用于接收所述井下发动机的生成的
电能以及通过解码单元来对泥浆中携带的指令进行解码；所述井下总控板还
具有与所述耦合器的原边线圈相连的连接端、与所述MWD系统信号相连的信
号端；
所述耦合器的副边线圈与所述主控板信号连接；
所述近钻头姿态数据获取组件和电源板固定安装在导向工具上的电路仓
22中；其中，所述近钻头姿态数据获取组件包括Z向与所述电路仓22同轴向
设置的三轴加速度计，所述三轴加速度计与所述主控板信号连接；所述主控
板的电源输送端通过电源板与电路仓22中的蓄电池26相连接；所述主控板
与用于控制翼肋5动作的液压机构的控制信号端相连接。
具体实施时，所述主控板包括有处理模块，以及分别与所述处理模块相
连接的存储模块、电源模块和接口模块；该主控板通过电源模块与电源板相
连接；该主控板通过接口模块与近钻头姿态数据获取组件信号连接。
在导向工具中注油管路内设置有压力传感器，所述压力传感器与主控板
25相连接。这样，主控板25即可通过压力传感器来测得注油管路中的压力值
(获取翼肋接触到井眼的内壁所受到反作用力)，因井眼的内壁可能比较松
软，此时通过压力传感器测得的数值，可用于更好的调整翼肋的推力，从而
更好适应当前环境下的钻井作业，从而准确合成导向力，起到更为精确导向，
提高钻井效率的作用。
具体实施时，用于控制翼肋5动作的部分还可以包括连接在主控板与液压
机构之间翼肋控制板(图中未示出)，所述翼肋控制板通过CAN总线与主控板
进行通信，实现接收、执行下发指令、回传翼肋参数及相关报警信息等功能；
同时和压力传感器连接，采集注油管路中的实时压力，还与BLDC(无刷直流电
流)连接，通过PID算法控制电机，起到改变压力的效果。
具体实施时，所述井下发电机可采用现有技术中公告号为CN201078306Y，
名为“井下泥浆涡轮发电机”。
所述耦合器可采用本申请人所提出的申请号为201510371056.2，名称为
“一种井下无线双向信号与电能的传输器”，或者采用现有技术中公告号为
CN103180539B，名为“井下电感耦合器组件”，均能够同时对电能和信号进行
传输。
其中，所述近钻头姿态数据获取组件还包括温度传感器，所述温度传感
器与所述主控板信号连接(图中未示出)。
本控制系统地面监控中除了MWD系统上传的自身传感器所测得的数据外，
还通过近钻头姿态数据获取组件来采集的近钻头姿态数据及报警参数信息，
并借助MWD通道上传至地面，从而便于对钻井过程进行更准确监控，且可以
根据实际工程钻井的不同需要，自定义上传数据，并充分利用MWD系统的上
传效率。
本控制系统可上传近钻头姿态数据的种类如下：
井斜角、重力工具面角、振动值、电池电量、各个翼肋5压力值、各个
翼肋5温度值、母线电压、环境压力、各电机转速、电机电流、FLASH容量、
时间信息(年、月、日、时、分、秒、星期)、故障报警信息(伺服电机故障、
定位总成故障、各种通信故障、各种传感器故障等)。部分参数计算方法如下：
1、倾斜角
倾斜角能反映出井下钻头的倾斜情况，倾斜角的范围为[0°,180°]计算公式
为：因为倾斜角的范围为[0°,180°]，则可以根据z轴的大小来判定倾斜角：
z>0时，倾斜角![]()
z<0时，倾斜角![]()
其中，x为由(通过三轴加速度计测得)重力矢量在X轴的投影分量，y为
由重力矢量在Y轴的投影分量。
2、重力工具面角
重力工具面角![]()
可用测得的重力矢量在X和Y轴的投影分量的比值求反正
切后求得；![]()
其取值范围为[0°,360°]。如果x和y的值为0时，
即当倾斜角为0°时，此式并不适用。反正切算法把对![]()
的求解分解
为8个分段函数，简化了计算过程，可设定如下式：
T
=
a
r
c
t
a
n
m
i
n
(
|
x
|
,
|
y
|
)
m
a
x
(
|
x
|
,
|
y
|
)
]]>(式2)
则T的值必然在[0°,45°]内，这样工具面角![]()
就可以在4个象限中分段表示
为关于T的函数，重力工具面角![]()
的求解就转化成对T的计算。分段函数表
示如下：
![]()
![]()
![]()
![]()
其中，所述井下总控板通过MWD转接板与所述MWD系统相连接。
具体实施时，所述MWD系统包括地面设备和井下测量仪器，其中，所述
井下测量仪器安装在与静态偏置推靠式旋转导向钻井工具固定连接的安装短
节内；
所述井下总控板包括第一处理器，以及分别与所述第一处理器相连接的
存储模块、第一通讯模块、电源模块和接口模块；所述接口模块与所述耦合
器的原边线圈信号连接；
所述MWD转接板包括第二处理器，以及分别与所述第二处理器相连的第
二通讯模块和电平转换器；所述电平转换器还与所述井下测量仪器信号连接；
所述第一通讯模块与所述第二通讯模块之间通讯连接。
这样一来，井下总控板即可利用MWD系统的数据上行通道来上传近钻头
姿态数据，且MWD系统每三分钟上传一次数据，故能够及时地将近钻头姿态
数据进行上传。且使得上述控制系统具有结构简单和成本较低的优点，也便
于地面及时地对钻井状态进行监视，以及获取更利于实现精确导向的数据。
上述旋转导向钻井控制系统的控制方法，包括以下步骤：
a、井口测试
将井眼轨道设计数据录入地面控制系统，形成轨道设计曲线，该轨道设
计曲线包括设计靶区、设计分段数据、分段控制目标及允许出现的误差范围；
同时将已钻轨迹数据录入地面控制系统；
b、获取近钻头姿态数据，设计井眼轨迹
下钻至造斜点时，暂停下钻，并通过三轴加速度计来获取井斜角α1，通
过MWD系统来获取方位角![]()
通过MWD系统来上传主控板中通过所述三轴加
速度计测得的井斜角α1；设目标井斜角和方位角分别为α2、![]()
导向工具的
造斜率为KC,根据以下公式求解装置角ω和需钻井的井段长度ΔDm：
![]()
cosω＝(cosα1cosγ-cosα2)/sinα1sinγ(2)
![]()
由(1)式，可求得狗腿度γ，将狗腿度γ代入(2)式求得装置角ω；
当![]()
为负值时，ω取负值，设cosω＝c，
![]()
ω＝cos-1c(4)
![]()
ω＝-cos-1c(5)
ΔDm＝30γ/KC(6)
c、下发指令
将上步中计算得出的装置角ω、需钻井的井段长度ΔDm数值放入地面控制
系统的指令中，后将所述指令下发至主控板；
d、智能闭环控制
主控板对指令进行存储；主控板根据近钻头姿态数据，并结合存储的指
令对当前钻井状态进行分析，若近钻头姿态数据与指令之间的偏差在误差范
围内，则按当前的指令继续自动钻进；若近钻头姿态数据与指令之间的偏差
在误差范围外，则依据主控板中存储的合力分解算法来自行调整三块翼肋5
的执行动作，完成钻井的智能闭环控制。
具体实施时，在钻进工作过程中，通过三轴加速度计所获取的数据，还
能够对钻头振动情况进行监测，具体有：
振动分为三种情况：水平振动，垂直振动和振动总和(其中，x、y、z是
重力矢量在三个轴上的分量)：
——![]()
——垂直振动＝y；
——![]()
在主控板中完成上述计算后即获得上述振动数据，这样即可将振动数据
与主控板的程序中的相应数据进行对比，来检测振动情况。因为井下的情况
很复杂，随着深度增加地质情况会变复杂，对钻头的影响也会越大。通过检
测振动情况，可减少对钻头及其主控板的影响，避免卡钻情况的出现，从而
提高钻井的安全性和可靠性。
上述控制方法中，所述主控板中根据其中存储的合力分解算法来自行调
整三块翼肋的执行动作，所述合力分解算法如下：
F
m
=
(
2
3
3
)
*
F
*
s
i
n
(
(
120.0
+
A
n
g
l
e
-
F
_
A
n
g
l
e
)
*
P
I
/
180.0
)
]]>
F
n
=
(
2
3
3
)
*
F
*
s
i
n
(
(
F
_
A
n
g
l
e
-
A
n
g
l
e
)
*
P
I
/
180.0
)
]]>
其中，F目标力大小，F_Angle目标力方向，Angle为当前重力工具面角
角度值，PI为圆周率；三个翼肋分别为：翼肋A、翼肋B、翼肋C，且三个翼
肋为等间距的分布；其中，定义翼肋A的工具面角为0°(实施时，翼肋A与
三轴加速度计同轴向设置，即三轴加速度计为靠近翼肋A设置并位于电路仓
的周向上翼肋A所在的那一侧)，则翼肋B和翼肋C的工具面角分别为120°
和240°，据作用力和反作用力原理，F_Angle目标力方向必定位于相邻的两
个翼肋之间，依照上述公式，即可计算得出分解到上述相邻两个翼肋中的其
中一个翼肋的力大小Fm，以及上述相邻两个翼肋中的另一个翼肋的力大小Fn。
上述控制方法中，在“c、下发指令”步骤中还包括：当主控板接收到下
发的指令后，通过井下总控板来提取主控板所存储的指令，并通过MWD系统
将该指令信息上传至地面。
上述控制方法中，还包括以下步骤：e、井下总控板提取主控板存储的近
钻头姿态数据获取组件中的数据并通过MWD系统来上传。
具体实施时，本发明的控制方法还包括三轴加速度计静态标定方法：
在考虑失调和灵敏度的影响时，三轴加速度计输出如下：
AOUT＝AOFF+(Gain*AACTUAL)(7)
AOFF为失调误差，单位g；Gain为三轴加速度计增益，理想值为1，AACTUAL
为实际加速度值；
校准方法是在三维空间坐标中且分别在X轴、Y轴、Z轴上测试两点，将
轴置于+1g和-1g场时，测得的输出值为A+1g和A-1g；
A+1g＝AOFF+(1g*Gain)(8)
A-1g＝AOFF-(1g*Gain)(9)
通过公式(7)和(8)推导出
AOFF＝0.5*(A+1g+A-1g)(10)
G
a
i
n
=
0.5
*
(
A
+
1
g
-
A
-
1
g
1
g
)
-
-
-
(
11
)
]]>
结合公式(7)，先从三轴加速度计测量值减去失调值，然后除以增益，
得到校准后的值如下：
A
A
C
T
U
A
L
=
A
O
U
T
-
A
O
F
F
G
a
i
n
=
2
*
A
O
U
T
-
A
-
1
g
A
+
1
g
-
A
-
1
g
-
1
-
-
-
(
12
)
]]>
尽管三轴加速度计在出厂时已经过调整，但在控制系统组装后，三轴加
速度计上的任何静态应力都可能影响失调和灵敏度，当二者引起的误差相加
时，结果的误差可能非常大，可能远远超过测斜应用中可接受限值。采用上
述三轴加速度计静态标定方法就能够减少这种误差，应对失调和灵敏度进行
校准，并通过经校准的输出加速度来进行倾斜角的测定，从而获得更精准的
测量数据，从而也能够使得控制精度更为精准(采用上述完整的标定方法后，
经过多次测量，控制精度能够达到千分之一)。
具体实施时，还可在“a、井口测试”步骤中还包括在井口通过外接电源
对电路仓22中主控板供电，检测下电路仓22供电、通讯、传感器的工作状
态；检测MWD系统的压力开关信号及其地面解码装置是否正常。
如图5所示，定向钻井井眼轨迹通常由直线段和圆弧段组成，两段之间
切线相交以减小对钻杆的阻力。常见的井身结构有2段式、3段式、5段式
等几种。本发明的控制方法中采用的合力分解算法，在钻井过程中，侧向导
向合力矢量位于钻柱横截面之内，重力高边与横截面交于圆周上最高点，导
向合力矢量在圆周上的各种投影分量对定向钻井来说具有不同的作用。比如：
向上指向重力高边的分量，对造斜(增加井斜)起决定作用，因此就叫增斜
力(正的BuildForce)；在90°工具面向右方向的分量，对增加方位起决定
作用，因此就叫增方位力；增斜降斜合称变斜，增降方位合称扭方位等等。
合力控制首先依据地面控制系统下发的合力方向和大小指令计算出分解
到各个翼肋5的压力值，在实际钻进过程中，由于钻杆旋转带来的不旋转外
套转动，根据三轴加速度计获取到的当前重力工具面角度以及液压机构的注
油管路内设置的压力传感器返回的翼肋5压力值来不断实时调整合力的方向，
使之朝着设定的目的前进。
以上仅是本发明优选的实施方式，需指出是，对于本领域技术人员在不
脱离本技术方案的前提下，还可以作出若干变形和改进，上述变形和改进的
技术方案应同样视为落入本申请要求保护的范围。