基于不平衡力测量进行控制的旋转导向钻井系统和方法技术方案

一种导向钻井系统包括可旋转钻柱和主动型稳定器。可旋转钻柱用于连接用来沿一定轨迹钻孔的钻头。主动型稳定器包括主体和连接主体和钻柱的驱动器，其中，主体具有用于接触孔的内壁的外表面，驱动器可驱动钻柱偏离孔的中心一定的位移，以改变钻孔方向。该导向钻井系统还包括分别用来测量方向参数和不平衡参数的方向参数测量模块和不平衡参数测量模块、以及用来基于测得的方向参数和不平衡参数来控制钻孔轨迹的控制器。其中，方向参数包括孔的倾斜角和方位角中的至少一个，不平衡参数包括钻头附近的一测量位置的侧向力、弯矩和转矩中的至少一个，控制器包括估算器，用来基于测得的方向参数和不平衡参数和这些参数的期望值来计算所述位移所需的调整。

Rotary steering drilling system and method based on unbalanced force measurement control

A guided drilling system includes a rotary drill string and an active stabilizer. A rotary drill string is used to connect drill bits to drill holes along a certain track. The active stabilizer consists of the main body and the driver of the connecting body and the drill string, in which the main body has the outer surface of the inner wall for the contact hole, and the driver can drive the drill string to deviate from the center of the hole to change the direction of the drill hole. The steering drilling system also includes the direction parameter measurement module and the unbalanced parameter measurement module, which are used to measure the direction parameters and the unbalanced parameters respectively, and the controller used to control the drilling trajectory based on the measured direction parameters and the unbalanced parameters. The direction parameters include at least one of the inclination angles and azimuth angles of the holes, and the unbalanced parameters include at least one of the lateral forces, bending moments, and torque in a measuring position near a bit. The controller includes an estimator, which is used to calculate the measured direction parameters and the unbalance parameters and the expected values of these parameters. The adjustment required for displacement.

【技术实现步骤摘要】
基于不平衡力测量进行控制的旋转导向钻井系统和方法专利
本专利技术一般地涉及一种导向钻井系统和方法，更具体地涉及一种基于不平衡力测量进行控制的旋转导向钻井系统和方法。
技术介绍
油井或气井通常具有需要导向钻探的地下部分。旋转导向钻井系统(Rotarysteerablesystem，简称为“RSS”)被设计来通过从表面连续旋转而导向钻取，可用来旋转并控制钻柱而沿预定方向和轨迹钻出井眼。因此，旋转导向钻井系统广泛地用于诸如常规导向井、水平井、分支井等。在钻井过程中，由于各种原因，实际轨迹可能会偏离设定的预期轨迹，因而可能需要不断调整实际轨迹以使其符合预期轨迹，这可能会导致钻井过程减慢，钻井效率降低。通常，存在两种类型的旋转导向钻井系统：“推靠式”(Push-the-Bit)系统和“指向式”(Point-the-Bit)系统，其中推靠式系统具有高的造斜率，但会形成不平滑的钻井轨迹和粗糙的井壁，而指向式系统可形成相对平滑的钻井轨迹和井壁，但具有相对较低的造斜率。推靠式系统使用向钻具施加横向力使钻头偏离井孔中心从而改变钻进方向的原理。现有的推靠式系统的钻井质量受井壁条件的影响很大。地层不均和钻孔过程中的钻头振动可能导致粗糙的井壁和不平滑的钻井轨迹。因此，其难以实现很高的控制精度。粗糙的井壁可能导致在固井(钻孔下套管)、下钻和起钻作业时发生困难。如何在完全旋转钻具的同时沿着预期的轨迹钻出高质量的钻孔，始终是一个挑战。因此需要提供一种新型旋转导向钻井系统和方法，以解决上述技术问题中的至少一个。
技术实现思路
一种导向钻井系统包括可旋转钻柱和主动型稳定器。所述可旋转钻柱用于连接用来沿一定轨迹钻孔的钻头。所述主动型稳定器包括主体和连接所述主体和所述钻柱的复数个驱动器。其中，所述主体具有用于接触所述孔的内壁的外表面，所述复数个驱动器能够驱动所述钻柱偏离所述孔的中心一定的位移，以改变钻孔方向。所述导向钻井系统还包括在钻孔过程中分别用来测量方向参数和不平衡参数的方向参数测量模块和不平衡参数测量模块、以及用来基于所述测得的方向参数和不平衡参数控制钻孔轨迹的控制器。其中，所述方向参数包括所述孔的倾斜角和方位角中的至少一个，所述不平衡参数包括位于所述钻头附近的测量位置的侧向力、弯矩和转矩中的至少一个。所述控制器包括估算器，用来基于所述测得的方向参数和不平衡参数和这些参数的期望值来计算所述位移所需的调整。一种导向钻井方法包括用连接于可旋转钻柱上的钻头来沿着一定轨迹钻井孔，其中所述可旋转钻柱连接有主动型稳定器，其用来驱动所述钻柱偏离所述井孔的中心一定的位移，以改变钻孔方向。所述导向钻井方法还包括在钻孔过程中测量方向参数和不平衡参数，其中，所述方向参数包括所述孔的倾斜角和方位角中的至少一个，所述不平衡参数包括位于所述钻头附近的测量位置的侧向力、弯矩和转矩中的至少一个。所述导向钻井方法还包括基于所述测得的方向参数和不平衡参数控制钻孔轨迹，包括基于所述测得的方向参数和不平衡参数和这些参数的期望值来计算所述位移所需的调整，及驱动所述复数个驱动器运动以实现所述调整。附图说明当参照附图阅读以下详细描述时，本专利技术的这些和其它特征、方面及优点将变得更好理解，其中：图1为一种包括钻柱、固定型稳定器和主动型稳定器的旋转导向钻井系统的侧面示意图。图2显示了图1所示的钻柱和主动型稳定器的第一位置状态。图3显示了图1所示的钻柱和主动型稳定器的第二位置状态。图4为根据本专利技术一个实施例的一种可用于类似于图1中所示的旋转导向钻井系统的主动型稳定器的横截面示意图。图5为图4的局部纵向截面示意图，显示了如图4所示的主动型稳定器如何连接到钻柱上。图6为根据本专利技术另一个实施例的一种可用于类似于图1中所示的旋转导向钻井系统的主动型稳定器的横截面示意图。图7为根据本专利技术一个实施例的一种控制系统的方框示意图，该控制系统可为一种包括主动型稳定器的旋转导向钻井系统实现轨迹控制。图8显示了在沿水平或倾斜的轨迹钻井时可能出现的由于重力导致的钻井轨迹下降。图9为根据本专利技术一个实施例的一种可用于旋转导向钻井系统的不平衡参数测量模块的装配示意图。图10为如图9所示的不平衡参数测量模块的结构示意图。图11为图10所示的不平衡参数测量模块的截面示意图。图12为一示意图，显示了图10所示的不平衡参数测量模块中一组应变片的排布。图13为根据本专利技术另一个实施例的一种可用于旋转导向钻井系统的不平衡参数测量模块的截面示意图。图14A-14C显示了安装于一段靠近钻头的钻柱上的位置P附近的复数个应变片，这些应变片用来测量钻头上的位置O处的不平衡参数。图15A和15B显示了实际钻井轨迹和预期轨迹之间的偏差，其中，图15A中的示意图显示了预期轨迹和由钻井系统的主动型稳定器和钻头确定的实际轨迹，图15B中的示意图显示了钻头的位置。图16为一主动型稳定器的截面示意图，用来说明由该主动型稳定器所驱动的钻柱位移和该主动型稳定器中的驱动器的动作之间的关系。具体实施方式一个或多个本公开的实施例将在下文中进行描述。除非另作定义，本权利要求书和说明书中所使用的技术术语或者科学术语应当为本专利技术所属
内具有一般技能的人士所理解的通常意义。“一个”和“一”等类似词语并不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“或”等词语表示包括性的，并且是指所列出的项目中的一个或全部。“具有”、“包括”或“含有”等类似的词语意指出现在“包括”或者“具有”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“具有”后面列举的元件或者物件及其等同元件，并不排除其他元件或者物件。“连接”、“联结”或类似词语并不局限于物理或机械连接，也可指直接或间接的电连接。本专利技术的实施例涉及一种用于导向钻孔或井的旋转导向钻井系统和方法。所述旋转导向钻井系统和方法涉及测量方向参数和不平衡参数，并基于所测得的方向参数和不平衡参数来控制钻井轨迹。所述系统和方法可优化钻井过程，提高钻井轨迹的精确性和平滑度。参照图1，一种旋转导向钻井系统100用于向地下导向钻孔200。该旋转导向钻井系统100包括钻柱110，该钻柱110可由旋转台121(或由顶部驱动代替)从地面驱动旋转，并且钻柱110在其末端处与钻头140连接。钻头140具有切割能力，并且一旦旋转，其可切割并进入到地层中。钻柱110通常是管状的。底部钻具组合(BottomHoleAssembly，BHA)130形成了钻柱110的井下近末端部分，其通常容纳用于控制旋转导向钻井系统所需的测量控制模块和/或其它装置。随着钻柱进一步深入地层中，可通过在钻柱110上连接更多钻柱段而增加钻柱110的长度。除了用于提供动力以旋转钻柱110的旋转台121之外，旋转导向钻井系统100还可包括用于支持钻柱110的塔架123、以及用于将泥浆从泥浆池202通过泥浆泵(未示出)输送到钻柱110的泥浆管125。泥浆可以用作润滑流体，其在压力下可从泥浆池202，通过泥浆管125、钻柱110和钻头140到钻孔200反复循环，以将在钻井过程中产生的钻屑(岩石碎块)带回到地面，过滤后的泥浆流到泥浆池202中，将被循环利用。为了在钻井时实现方向控制，旋转导向钻井系统100可包括主动型稳定器150，当钻孔是沿着直线方向进行时，该主动型稳定器150能够在钻孔过程中稳定住钻柱110以避本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种导向钻井系统，其包括：可旋转钻柱，其用于连接用来沿一定轨迹钻孔的钻头；主动型稳定器，其包括：主体，其具有用于接触所述孔的内壁的外表面；及连接所述主体和所述钻柱的复数个驱动器，所述复数个驱动器能够驱动所述钻柱偏离所述孔的中心一定的位移，以改变钻孔方向；方向参数测量模块，在钻孔过程中用来测量方向参数，所述方向参数包括所述孔的倾斜角和方位角中的至少一个；不平衡参数测量模块，在钻孔过程中用来测量不平衡参数，所述不平衡参数包括位于所述钻头附近的测量位置的侧向力、弯矩和转矩中的至少一个；及控制器，用来基于所述测得的方向参数和不平衡参数控制钻孔轨迹，所述控制器包括估算器，用来基于所述测得的方向参数和不平衡参数和这些参数的期望值来计算所述位移所需的调整。

【技术特征摘要】
1.一种导向钻井系统，其包括：可旋转钻柱，其用于连接用来沿一定轨迹钻孔的钻头；主动型稳定器，其包括：主体，其具有用于接触所述孔的内壁的外表面；及连接所述主体和所述钻柱的复数个驱动器，所述复数个驱动器能够驱动所述钻柱偏离所述孔的中心一定的位移，以改变钻孔方向；方向参数测量模块，在钻孔过程中用来测量方向参数，所述方向参数包括所述孔的倾斜角和方位角中的至少一个；不平衡参数测量模块，在钻孔过程中用来测量不平衡参数，所述不平衡参数包括位于所述钻头附近的测量位置的侧向力、弯矩和转矩中的至少一个；及控制器，用来基于所述测得的方向参数和不平衡参数控制钻孔轨迹，所述控制器包括估算器，用来基于所述测得的方向参数和不平衡参数和这些参数的期望值来计算所述位移所需的调整。2.如权利要求1所述的系统，其中，所述控制器包括解耦器，用来将所述调整分解成所述复数个驱动器的期望动作。3.如权利要求1所述的系统，其中，所述不平衡参数测量模块包括基体和位于该基体内的至少一个传感器。4.如权利要求3所述的系统，其中，所述基体位于所述钻头和所述主动型稳定器之间，且其包括环状结构，该环状结构具有相对的第一轴向端面和第二轴向端面、以及位于所述第一和第二轴向端面之间的周向侧表面，该环状结构形成有至少一个传感室，用来容纳所述至少一个传感器，所述传感室在所述轴向端面的至少一个上有开口。5.如权利要求3所述的系统，其中，所述至少一个传感器包括至少一个应变片组，每组包括第一应变片、以及与该第一应变片大致成相同的倾斜角度的第二和第三应变片，其中所述不平衡参数包括通过所述至少一个应变片组测得的三维力、三维弯矩和转矩。6.如权利要求3所述的系统，其中，所述至少一个传感器包括三维加速计，其中所述不平衡参数包括由所述三维加速计测得的所述钻头的振动幅度、振动频率和振动方向。7.如权利要求1所述的系统，其中，所述方向参数和不平衡参数的期望值被估计来补偿由于重力或由于地层不均匀导致的钻头偏离。8.如权利要求1所述的系统，其中，所述主动型稳定器的主体包括面向所述钻柱的内表面、及从所述内表面突伸出的至少一个导引部，每个导引部形成有至少一个凹槽，所述钻柱包括至少一个滑动部，每个滑动部可在所述至少一个凹槽中的一个凹槽内滑动，以限制在所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：任治国，付旭，斯图尔特·布莱克·布拉泽尔，王成宝，
申请(专利权)人：通用电气公司，
类型：发明
国别省市：美国,US