指向式旋转导向系统偏心轴电机转速控制方法技术方案

一种所述指向式旋转导向系统偏心轴电机转速控制方法，包括如下步骤：步骤一：设定工具面角平面的坐标系；步骤二：通过工具面角平面确定初始工具面角和目标工具面角，计算目标工具面角和初始工具面角的差值，并根据差值确定控制调节，所述控制调节包含滞后调节或超前调节；步骤三：进行控制调节，滞后调节的方案包含匀减速段、匀速段和变加速段；超前调节的方案包含匀加速段、匀速段和变减速段；在工具面角达到目标工具面角后，偏心轴电机转速与钻铤转速保持一致；由此，本发明专利技术实现偏心轴转速速度环与工具面角位置环的双闭环控制，保证指向式旋转导向系统实现快速、稳定、精确的导向功能。

Rotating speed control method for eccentric rotating shaft motor of pointing rotary guiding system

One of the rotary steerable system eccentric shaft motor speed control method, which comprises the following steps: step one: set the coordinate system of tool face angle plane; step two: the tool face angle plane to determine the initial target tool face angle and tool face angle, calculate the difference of the target tool face angle and initial tool angle. And according to the difference between the control regulation, the control regulation contains lag adjustment or advance regulation; step three: control regulation, lag adjustment scheme contains a constant deceleration section, constant speed section and variable acceleration section; advance regulation scheme consists of uniform acceleration section, constant speed section and variable deceleration section; at the tool face angle target tool face angle, eccentric shaft speed and the speed of the drill collar is consistent; thus, the invention realizes the double closed-loop speed eccentric shaft speed loop and position loop control tool face angle, ensure that The directional rotary guidance system achieves quick, stable and accurate steering function.

【技术实现步骤摘要】
指向式旋转导向系统偏心轴电机转速控制方法
本专利技术涉及油气钻井电机控制的
，尤其涉及一种指向式旋转导向系统偏心轴电机转速控制方法。
技术介绍
旋转导向钻井技术是迈向自动化、智能化钻井的重要标志，是以井下闭环控制系统为核心的三维井眼轨迹控制钻井技术，代表了当今油气钻井工程的领先水平。近几年，国外在水平井、大位移井、三维多目标井钻井，尤其针对北美页岩气井，广泛推广应用旋转导向钻井技术，既提高了钻井速度，减少了事故，也降低了钻井成本，达到了降本增效的目的。旋转导向系统按导向方式可分为推靠式和指向式。推靠式旋转导向系统主要利用导向块推靠井壁，从而对钻头产生侧向力，推动钻头离开该方向，以达到改变井斜和方位的目的。指向式旋转导向系统通过外套与旋转主轴之间的偏置机构使主轴偏置，从而为钻头提供一个与井眼轴线不一致的倾角，产生导向作用。由于指向式较于推靠式，工作时不推靠井壁，因此指向式旋转导向钻井系统钻出的井眼轨迹更为平滑，井眼质量更好，成为目前旋转导向系统技术的发展方向。偏心轴电机是指向式旋转导向系统的关键导向部件之一。偏心轴电机输出扭矩，通过齿轮减速箱驱动偏心轴转动，偏心轴又通过偏心安装的轴承与钻头驱动轴相连接，带动钻头转动。偏心轴转动方向与钻铤相反，当二者转速一致时，偏心轴相对于大地为不旋转体，此时工具面角不变。因此，为改变工具面，偏心轴电机需提高或降低转速，与钻铤转速产生一定的偏差，当达到预期工具面后，偏心轴电机再次保持与钻铤相同的转速，使新工具面稳定。与常规电机转速单速度闭环控制不同，指向式旋转导向系统要求在只控制偏心轴转速的情况下，控制偏心轴转速在能达到钻铤转速的同时，工具面也能达到希望控制的位置，即同时实现转速速度环与工具面角位置环的双闭环控制。为此，本专利技术的设计者有鉴于上述缺陷，通过潜心研究和设计，综合长期多年从事相关产业的经验和成果，研究设计出一种指向式旋转导向系统偏心轴电机转速控制方法，以克服上述缺陷。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种指向式旋转导向系统偏心轴电机转速控制方法，只控制偏心轴转速的情况下，实现转速速度环与工具面角位置环的双闭环控制，实现快速、稳定、精确的导向功能。为解决上述问题，本专利技术公开了1.一种所述指向式旋转导向系统偏心轴电机转速控制方法，其特征在于包括如下步骤：步骤一：设定工具面角平面的坐标系，所述坐标系按照圆周分为-180°～+180°；步骤二：通过工具面角平面确定初始工具面角α和目标工具面角β，计算目标工具面角β和初始工具面角α的差值，并根据差值确定控制调节，所述控制调节包含滞后调节或超前调节；步骤三：进行控制调节，在工具面角达到目标工具面角后，偏心轴电机转速与钻铤转速保持一致。其中：步骤三中的控制调节中偏心轴电机在某一时刻转速为：n(i)＝n(i-1)+Δn(i)(1)n(i)为当前时刻偏心轴电机转速，n(i-1)为前一时刻偏心轴电机转速，Δn(i)为变化增量。其中：所述滞后调节的方案包含如下步骤：(1)匀减速段：偏心轴电机转速按下式(2)变化n(i)＝n(i-1)-a(2)在此阶段Δn(i)＝-a(a＞0)始终为常数，偏心轴电机作匀减速运动；匀减速段是从开始阶段至|目标工具面角-初始工具面角|*30％的时间段；(2)匀速段：偏心轴电机转速按下式(3)变化n(i)＝n(i-1)(3)在此阶段偏心轴电机转速始终不变，偏心轴电机作匀速运动；匀速区是从匀减速段结束至|目标工具面角-初始工具面角|*80％的时间段；(3)变加速段：偏心轴电机转速按下式(4)变化n(i)＝n(i-1)+KN*(n钻铤-n(i-1))+KT*(TF目标-TF当前)(4)在此阶段偏心轴电机转速的每一时刻的增量随着在对目标参数的逼近，在不断改变，偏心轴电机作变加速运动，开始阶段加速度较大，变化较快，当逼近目标参数时，加速度减小，当偏心轴电机转速达到钻铤转速，并且工具面角达到目标工具面角时，偏心轴电机转速开始与钻铤转速保持一致。其中：超前调节的方案包含：将偏心轴电机转速变化分为三个阶段进行控制：(1)匀加速段：偏心轴电机转速按下式(5)变化n(i)＝n(i-1)+a(5)在此阶段Δn(i)＝a(a＞0)始终为常数，偏心轴电机作匀加速运动；匀加速段是从开始阶段至|目标工具面角-初始工具面角|*30％的时间段；(2)匀速段：偏心轴电机转速按下式(6)变化n(i)＝n(i-1)(6)在此阶段偏心轴电机转速始终不变，偏心轴电机作匀速运动；匀速区是从匀加速段结束至|目标工具面角-初始工具面角|*80％的时间段；(3)变减速段：偏心轴电机转速按下式(7)变化n(i)＝n(i-1)+KN*(n钻铤-n(i-1))+KT*(TF目标-TF当前)(7)在此阶段偏心轴电机转速的每一时刻的增量随着在对目标参数的逼近，在不断改变，偏心轴电机作变加速运动；开始阶段加速度较大，变化较快，当逼近目标参数时，加速度减小，当偏心轴电机转速达到钻铤转速，并且工具面角达到目标工具面角时，偏心轴电机转速开始与钻铤转速保持一致。其中：在步骤二中，若|差值|≤180°，当差值＞0°时，执行滞后调节，即令偏心轴电机进行先减速后加速的调节，工具面角会沿顺时针变化；当差值≤0°时，执行超前调节，即令偏心轴电机进行先加速后减速的调节，工具面角会沿逆时针变化；若|差值|>180°，当差值＞0°时，执行超前调节，即令偏心轴电机进行先加速后减速的调节，工具面角会沿逆时针变化；当差值≤0°时，执行滞后调节，即令偏心轴电机进行先减速后加速的调节，工具面角会沿顺时针变化。通过上述结构可知，本专利技术的指向式旋转导向系统偏心轴电机转速控制方法实现偏心轴转速速度环与工具面角位置环的双闭环控制，保证指向式旋转导向系统实现快速、稳定、精确的导向功能。本专利技术的详细内容可通过后述的说明及所附图而得到。附图说明图1为本专利技术实施例提供的工具面角的平面示意图；图2为本专利技术的偏心轴电机超前或滞后调节流程图；图3为本专利技术的偏心轴电机超前或滞后调速的控制流程图。图4为本专利技术的偏心轴电机滞后调节的工具面角和偏心轴转速变化示意图。具体实施方式参见图1至图3，显示了本专利技术的指向式旋转导向系统偏心轴电机转速控制方法。所述指向式旋转导向系统偏心轴电机转速控制方法包括如下步骤：步骤一：设定工具面角平面的坐标系，所述坐标系按照圆周如图1所示分为-180°～+180°；步骤二：通过工具面角平面确定初始工具面角α和目标工具面角β，计算目标工具面角β和初始工具面角α的差值，并根据差值确定控制调节，所述控制调节包含滞后调节或超前调节；为了实现本专利技术的指向式旋转导向系统偏心轴电机转速控制，需要将上述的初始工具面角α和能在一个圆周内沿最短路径变换到目标工具面角β，由此，本申请的技术方案根据实际情况，设计了不同的超前或滞后调节，能使工具面角顺时针或逆时针变化。即在初始时刻偏心轴转速和钻铤转速相等的情况下，快速有效的改变工具面角。参见图2，确定调节方案进一步包含如下方法：若|差值|≤180°，当差值＞0°时，执行滞后调节，即令偏心轴电机进行先减速后加速的调节，工具面角会沿顺时针变化；当差值≤0°时，执行超前调节，即令偏心轴电机进行先加速后减速的调节，工具面角会沿逆时针变化；若|差值|>180°，当本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种所述指向式旋转导向系统偏心轴电机转速控制方法，其特征在于包括如下步骤：步骤一：设定工具面角平面的坐标系，所述坐标系按照圆周分为‑180°～+180°；步骤二：通过工具面角平面确定初始工具面角α和目标工具面角β，计算目标工具面角β和初始工具面角α的差值，并根据差值确定控制调节，所述控制调节包含滞后调节或超前调节；步骤三：进行控制调节，在工具面角达到目标工具面角后，偏心轴电机转速与钻铤转速保持一致。

【技术特征摘要】
1.一种所述指向式旋转导向系统偏心轴电机转速控制方法，其特征在于包括如下步骤：步骤一：设定工具面角平面的坐标系，所述坐标系按照圆周分为-180°～+180°；步骤二：通过工具面角平面确定初始工具面角α和目标工具面角β，计算目标工具面角β和初始工具面角α的差值，并根据差值确定控制调节，所述控制调节包含滞后调节或超前调节；步骤三：进行控制调节，在工具面角达到目标工具面角后，偏心轴电机转速与钻铤转速保持一致。2.如权利要求1所述的偏心轴电机转速控制方法，其特征在于：步骤三中的控制调节中偏心轴电机在某一时刻转速为：n(i)＝n(i-1)+Δn(i)(1)n(i)为当前时刻偏心轴电机转速，n(i-1)为前一时刻偏心轴电机转速，Δn(i)为变化增量。3.如权利要求2所述的偏心轴电机转速控制方法，其特征在于：所述滞后调节的方案包含如下步骤：(1)匀减速段：偏心轴电机转速按下式(2)变化n(i)＝n(i-1)-a(2)在此阶段Δn(i)＝-a(a＞0)始终为常数，偏心轴电机作匀减速运动；匀减速段是从开始阶段至|目标工具面角-初始工具面角|*30％的时间段；(2)匀速段：偏心轴电机转速按下式(3)变化n(i)＝n(i-1)(3)在此阶段偏心轴电机转速始终不变，偏心轴电机作匀速运动；匀速区是从匀减速段结束至|目标工具面角-初始工具面角|*80％的时间段；(3)变加速段：偏心轴电机转速按下式(4)变化n(i)＝n(i-1)+KN*(n钻铤-n(i-1))+KT*(TF目标-TF当前)(4)在此阶段偏心轴电机转速的每一时刻的增量随着在对目标参数的逼近，在不断改变，偏心轴电机作变加速运动，开始阶段加速度较大，变化较快，当逼近目标参数时，加速度减小，当偏心轴电机转速达到钻铤转速，并且工具面...

【专利技术属性】
技术研发人员：滕鑫淼，盛利民，窦修荣，张连成，弓志谦，禹德洲，彭烈新，陈文艺，曹冲，范锦辉，彭浩，管康，
申请(专利权)人：中国石油天然气集团公司，中国石油集团钻井工程技术研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11