一种随钻测量工具的旋转阀转速控制方法技术

本发明专利技术涉及一种随钻测量工具的旋转阀转速控制方法，属于钻井设备控制技术领域，用于随钻测量的钻井液连续压力波信号发生器在旋转阀负载力矩的影响下保持旋转阀转速的稳定及转速的快速调节；基于前馈补偿进行旋转阀转速控制系统的线性化校正，实现旋转阀转速开环控制系统的线性化校正，再基于PID参数优选实现旋转阀转速的快速随动控制，使旋转阀转速对调相控制脉冲实现快速跟随并具有较高的抗干扰能力和转速快速跟随调相控制脉冲的变化，实现旋转阀转速的快速随动控制；使旋转阀产生较高品质的钻井液连续压力波信号，满足随钻测量/随钻测井数据传输的需求；其控制原理科学，控制工艺简单，控制路线可靠，控制设备易得，应用环境友好。

A rotational speed control method for rotary valve with drilled measuring tool

The invention relates to a rotary valve with speed control method of measuring tool, which belongs to the technical field of drilling equipment for control, maintain stability and speed of the rotary valve with the effect of rotation of drilling fluid pressure measurement of continuous wave signal generator load torque in rotary valve under the fast adjustment; correction linear speed control system for rotary valve feedforward compensation based on linear correction to achieve the open-loop control system of rotary valve with fast speed, and PID parameter optimization to achieve speed control based on rotary valve, rotary valve has a fast speed to follow the change of phase control pulse high anti-interference ability and speed of phase control pulse to achieve fast and fast implementation as follow. Rotary valve speed control; drilling fluid to the rotary valve produce a continuous pressure wave signal, meet MWD / LWD The demand for data transmission; the control principle is scientific, the control process is simple, the control route is reliable, the control equipment is easy to be obtained, and the application environment is friendly.

【技术实现步骤摘要】
一种随钻测量工具的旋转阀转速控制方法
：本专利技术属于钻井设备控制
，涉及一种油气钻井过程中随钻测量工具的旋转阀转速控制方法，特别涉及一种用于随钻测量工具中的钻井液连续压力波信号发生器的旋转阀转速控制方法。
技术介绍
：井下随钻测量/随钻测井(MWD/LWD)是一种在钻井过程中实时测量及传输井下信息的现代钻井辅助技术。钻井过程中，钻井液由地表通过钻柱被泵入井下，从钻头水眼喷出用于钻头的润滑和冷却并通过井壁与钻柱的环型空间向上返出井口，MWD/LWD工具安装在钻头上部的钻铤内，见附图1。在MWD/LWD工具中，安装在近钻头钻柱中的传感器获得测量数据并通过钻井液压力信息遥测系统传输到地面，信息遥测通过对钻柱内的钻井液压力进行调制及压力波在钻柱中的传播来传输井下随钻测量/随钻测井数据。钻井液压力信息遥测通常采用连续压力波来传输井下信息，钻井液连续压力波信号由旋转阀式井下连续压力波信号发生器产生，旋转阀式连续压力波信号发生器由定子和相对于定子运动的转子组成。旋转阀位于安装有井下测量工具的钻铤上部，钻铤是钻柱的一部分，钻铤下部连接钻头；旋转阀的定子与转子平面均为圆形，二者同心安装，定子固定在钻铤内壁，转子安装在定子下部，钻井液从定子上部流入，从转子下部流出；为便于转子相对于定子转动，转子直径稍小于定子直径，且定子下表面与转子上表面之间留有一定间隙；转子由电机通过减速器进行驱动，定子和转子上有相同数量的多个孔口和叶片，定子和转子孔口的重合部分形成流通的阀孔，在转子相对于定子转动过程中，转子上的孔口相对于定子孔口产生移动，造成阀孔流通面积的改变，使定子上部的钻井液压力发生变化，该压力以波动方式向井口传输，利用该压力波可以进行井下测量数据的上传。钻井液连续压力波信号通常为钻井液压力相移键控(PSK)信号，实现方法为首先让旋转阀转子在某一固定转速下产生呈正弦变化的钻井液压力波作为通信载波，然后通过随钻测量/随钻测井数据形成的基带电压脉冲控制旋转阀转速，使旋转阀转速在一个载波周期的时间内降低，造成钻井液压力载波的相位延迟来表示编码信息，这一过程称之为钻井液压力相移键控(PSK)调制，是一种机械调制方式，调制产生的钻井液压力相移键控信号即携带有井下测量信息，通过钻井液信道传输到井口后，经过井口压力传感器的检测、处理、解码等可以恢复信号携带的随钻测量/随钻测井数据，实现井下测量数据的上传。研究表明，旋转阀旋转过程中钻井液作用在旋转阀转子上的力矩随旋转角呈非单调的复杂非线性变化，见附图2，如果把该力矩看做旋转阀的负载力矩，旋转阀的负载力矩通过减速器传递到电机端，会对电机的转速控制造成极大影响，并直接影响旋转阀的转速。如果旋转阀的转速不能遵循随钻测量/随钻测井数据形成的基带脉冲变化，会造成旋转阀无法产生钻井液连续压力波信号，或产生的钻井液连续压力波信号品质严重变劣，无法满足随钻测量/随钻测井数据传输的要求。关于旋转阀的转速控制，美国专利U.S.Pat.No.5237540介绍了一种采用磁力辅助来加快电机转速响应速度进行相移键控调制的方法，电机的转速控制采用自适应PD(比例——微分)调节算法，通过自动调节PD参数来克服钻井液流量和密度变化对转速的影响，但没有考虑旋转阀负载力矩随转角的复杂非线性变化对转速的影响；且在调相控制脉冲作用下，一个载波周期(60ms)内旋转阀转速的上升或下降时间(达到稳定转速90％所用时间)为20ms，达到载波周期的1/3，说明转速跟随调相控制脉冲的能力很差，会造成调制后的钻井液连续压力波信号品质的严重下降。国内的相关研究也没有考虑旋转阀负载力矩随转角的变化特性对转速的影响，且主要的研究集中在旋转阀转速控制系统的硬件设计上，在旋转阀转速控制的实质性研究方面仍很匮乏。由于旋转阀的转速控制涉及钻井液连续压力波信号的产生，但旋转阀负载力矩随转角的复杂非线性变化规律会对转速产生严重影响；如何在旋转阀负载力矩的影响下保持转速的稳定，使旋转阀的转速遵循基带电压脉冲的快速变化进行随动控制，使旋转阀产生的钻井液连续压力波信号满足随钻测量/随钻测井数据传输需求的品质要求，是随钻测量/随钻测井领域需要解决的关键技术问题，但有关这方面的有效解决方法和解决途径目前尚未见报道。
技术实现思路
：本专利技术的目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计提供一种随钻测量工具的旋转阀转速控制方法，以实现旋转阀转速的有效控制，使旋转阀产生的钻井液连续压力波信号满足随钻测量和随钻测井数据传输的需求。为了实现上述目的，本专利技术涉及的一种随钻测量工具的旋转阀转速控制方法按以下技术方案实现：(1)基于前馈补偿进行旋转阀转速控制系统的线性化校正，根据机电动力学分析发现，恒电压下电机的转速受负载力矩的影响发生变化，使电机电压跟随负载力矩的规律变化，则电机转速稳定；先根据旋转阀转速控制的数学模型，将旋转阀转速控制数学模型转换为线性微分方程；再将负载力矩的数学模型表示为多项式形式，使电机控制电压随旋转阀负载力矩数学模型的规律和角加速度给定值变化，补偿负载力矩随旋转角的非线性变化特性对转速的影响，实现旋转阀转速开环控制系统的线性化校正；(2)再基于PID(比例—积分—微分)参数优选实现旋转阀转速的快速随动控制，使旋转阀转速对调相控制脉冲实现快速跟随并具有较高的抗干扰能力；将PID环节串入线性校正后的转速开环控制系统前向通道，加入转速负反馈形成闭环控制；根据阶跃信号作用下旋转阀转速响应的数学分析，建立基于转速响应暂态分量衰减控制的PID参数取值规则，通过PID参数取值规则确定PID值，使旋转阀转速快速跟随调相控制脉冲的变化，实现旋转阀转速的快速随动控制；其中，所述的PID参数为比例—积分—微分环节的比例常数、积分常数、微分常数。本专利技术涉及的旋转阀转速控制方法用于钻井装置中随钻测量工具内钻井液连续压力波信号发生器中旋转阀转子的转速控制，在经过安装有旋转阀的钻井装置中实现控制过程，其钻井装置的主体结构包括钻井液、地面、钻柱、钻井液泵、钻头、环形空间、地层、钻井参数及地层参数测量装置、钻井液连续压力波信号发生器、压力传感器、信号处理装置、钻铤和钻井液罐；其中钻井液连续压力波信号发生器包含的旋转阀定子、旋转阀转子、转子轴、减速器、电机、电机控制电路和旋转阀；先将存储在钻井液罐中的钻井液通过地面的钻井液泵注入已钻进地层的钻柱中，并使钻井液到达钻柱底端的钻头，再从钻头的水眼流出后通过钻柱与地层之间的环形空间返回至地面，构成钻井液的流动路径；钻柱中靠近钻头的钻铤中固定放置有测量单元，钻铤上部的连接钻杆对钻头施加钻压用于钻进地层，钻铤中的测量单元包括钻井参数及地层参数测量装置用于监控钻井操作及评估地层的物理特性；在钻井液中产生压力波动并通过钻井液传输井下数据；嵌入式置有旋转阀的钻井液连续压力波信号发生安装在钻铤的上部，钻井液压力信号通过钻柱上传至地面，经过压力传感器检测并送入信号处理装置进行信号处理；钻井液连续压力波信号发生器为旋转阀式钻井液压力信号发生器结构，由旋转阀、电机、减速器和电机控制电路机电连通组成，电机通过减速器带动旋转阀的转子旋转，由钻井参数及地层参数测量装置的测量数据形成的编码控制脉冲改变电机的转速，进而改变旋转阀的转子的转速来调制钻井液压力载波的频率或相位本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种随钻测量工具的旋转阀转速控制方法，其特征在于按以下工艺步骤实现：(1)基于前馈补偿进行旋转阀转速控制系统的线性化校正，根据机电动力学分析发现，恒电压下电机的转速受负载力矩的影响发生变化，使电机电压跟随负载力矩的规律变化，则电机转速稳定；先根据旋转阀转速控制的数学模型，将旋转阀转速控制数学模型转换为线性微分方程；再将负载力矩的数学模型表示为多项式形式，使电机控制电压随旋转阀负载力矩数学模型的规律和角加速度给定值变化，补偿负载力矩随旋转角的非线性变化特性对转速的影响，实现旋转阀转速开环控制系统的线性化校正；(2)再基于PID(比例—积分—微分)参数优选实现旋转阀转速的快速随动控制，使旋转阀转速对调相控制脉冲实现快速跟随并具有较高的抗干扰能力；将PID环节串入线性校正后的转速开环控制系统前向通道，加入转速负反馈形成闭环控制；根据阶跃信号作用下旋转阀转速响应的数学分析，建立基于转速响应暂态分量衰减控制的PID参数取值规则，通过PID参数取值规则确定PID值，使旋转阀转速快速跟随调相控制脉冲的变化，实现旋转阀转速的快速随动控制；其中，所述的PID参数为比例—积分—微分环节的比例常数、积分常数、微分常数。...

【技术特征摘要】
1.一种随钻测量工具的旋转阀转速控制方法，其特征在于按以下工艺步骤实现：(1)基于前馈补偿进行旋转阀转速控制系统的线性化校正，根据机电动力学分析发现，恒电压下电机的转速受负载力矩的影响发生变化，使电机电压跟随负载力矩的规律变化，则电机转速稳定；先根据旋转阀转速控制的数学模型，将旋转阀转速控制数学模型转换为线性微分方程；再将负载力矩的数学模型表示为多项式形式，使电机控制电压随旋转阀负载力矩数学模型的规律和角加速度给定值变化，补偿负载力矩随旋转角的非线性变化特性对转速的影响，实现旋转阀转速开环控制系统的线性化校正；(2)再基于PID(比例—积分—微分)参数优选实现旋转阀转速的快速随动控制，使旋转阀转速对调相控制脉冲实现快速跟随并具有较高的抗干扰能力；将PID环节串入线性校正后的转速开环控制系统前向通道，加入转速负反馈形成闭环控制；根据阶跃信号作用下旋转阀转速响应的数学分析，建立基于转速响应暂态分量衰减控制的PID参数取值规则，通过PID参数取值规则确定PID值，使旋转阀转速快速跟随调相控制脉冲的变化，实现旋转阀转速的快速随动控制；其中，所述的PID参数为比例—积分—微分环节的比例常数、积分常数、微分常数。2.根据权利要求1所述的随钻测量工具的旋转阀转速控制方法，其特征在于在经过安装有旋转阀的钻井装置中实现旋转阀转速的控制过程，其钻井装置的主体结构包括钻井液、地面、钻柱、钻井液泵、钻头、环形空间、地层、钻井参数及地层参数测量装置、钻井液连续压力波信号发生器、压力传感器、信号处理装置、钻铤和钻井液罐；其中钻井液连续压力波信号发生器包含旋转阀定子、旋转阀转子、转子轴、减速器、电机、电机控制电路和旋转阀；先将存储在钻井液罐中的钻井液通过地面的钻井液泵注入已钻进地层的钻柱中，并使钻井液到达钻柱底端的钻头，再从钻头的水眼流出后通过钻柱与地层之间的环形空间返回至地面，构成钻井液的流动路径；钻柱中靠近钻头的钻铤中固定放置有测量单元，钻铤上部的连接钻杆对钻头施加钻压用于钻进地层，钻铤中的测量单元包括钻井参数及地层参数测量装置用于监控钻井操作及评估地层的物理特性；在钻井液中产生压力波动并通过钻井液传输井下数据；嵌入式置有旋转阀的钻井液连续压力波信号发生安装在钻铤的...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈跃，尹笛，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：山东,37