基于钻杆驱动的指向式井眼轨迹控制方法技术

本发明专利技术涉及一种控制方法，具体涉及一种基于钻杆驱动的指向式井眼轨迹控制方法。该方法包括如下步骤：参数下传、确定偏置矢量、偏心环闭环控制、井身参数闭环控制。该方法在钻井作业时，不需要频繁起下钻就可以实现三维井眼轨迹控制,且具有机械钻速高、井眼清洁效果好、井眼轨迹控制精度和灵活性高、起下钻次数少、井眼质量高、安全性高等优点,适合于我国复杂油气藏中深井、超深井、超薄油层水平井及非常规油气井等特殊工艺井开发形势的需要，能精确控制井眼轨迹，克服了现有控制方法不能闭环控制、不能去除干扰信号的缺陷。

【技术实现步骤摘要】
基于钻杆驱动的指向式井眼轨迹控制方法
本专利技术涉及一种控制方法，具体涉及一种基于钻杆驱动的指向式井眼轨迹控制方法。
技术介绍
由于不断地开采，石油开采难度也在一步步地增加，大位移井、超薄油层水平井、定向井等复杂结构井在油气勘探开采中所占比例越来越大，另一方面，开采难度的增加也使得成本大大增加，传统的钻井工具已不能满足要求，所以急需新的钻井工具既能满足这些复杂井开发的需要又能降低开采成本。基于钻杆驱动的指向式井眼轨迹控制工具，是以钻杆旋转作为偏置机构动作的驱动动力，在偏置机构的作用下工具主轴被迫产生偏置，导致钻头与井眼轴线产生倾角从而进行导向钻井。井眼轨迹控制工具包括偏心机构以及与偏心机构相连的减速装置、电磁离合器、传感器和控制器，所述井眼轨迹控制工具偏置动力由钻杆提供，所述偏心机构由内环和外环组成，内环嵌套于外环内孔中，主轴嵌套于内环内孔中。其配套的井眼轨迹控制方法是通过钻井液脉冲的方式向控制器下传控制信号，而使控制器控制电磁离合器动作而控制偏心机构的内环和外环动作，进而实现偏转，其可以在钻井作业时，不需要频繁起下钻就可以实现三维井眼轨迹控制。但现有控制方法在控制过程由于其存在缺陷，如不能闭环控制、不能去除干扰信号等缺陷，往往不能精确控制井眼轨迹，井眼轨迹存在一定偏差，因此有必要对其改进，使其能精确控制井眼轨迹。
技术实现思路
本专利技术的目的是：提供一种通过对解码方法、偏置矢量计算方法、传感器布置位置的合理设置，而能精确控制井眼轨迹，通过对偏转角度和测算偏转角度的闭环控制，而能进一步精确控制井眼轨迹，以解决现有控制方法不能对井眼轨迹精确控制问题的基于钻杆驱动的指向式井眼轨迹控制方法。本专利技术的技术方案是：基于钻杆驱动的指向式井眼轨迹控制工具，包括如下步骤：1）、参数下传a、通过导向参数动态增量编码的方法对井身参数进行编码，编码完成后通过钻井液脉冲将井身参数下传至工具控制器；b、工具控制器接收钻井液脉冲信号后，通过初始阈值确定、峰值检测、阈值更新对脉冲信号进行解码；2）、确定偏置矢量a、根据姿态传感器的检测数值和解码后的井身参数，计算工具面角以及偏置量；b、根据偏置量计算偏心环旋转角度；3）、偏心环转动角度闭环控制a、通过角度传感器测得偏心环角度的输出量，并根据预设角度和角度输出量之间的差值控制电磁离合器开合，使偏心环转动至步骤2）中的偏心环旋转角度而对偏心环旋转角度闭环控制；4）、井身参数闭环控制a、通过传感器测得实际的井斜、方位、工具面角度与预设井身参数进行对比；b、根据对比结果重复步骤2）和3）对井眼轨迹进行补偿修正而对井身参数进行闭环控制。本专利技术的有益效果在于：该基于钻杆驱动的指向式井眼轨迹控制方法在钻井作业时，不需要频繁起下钻就可以实现三维井眼轨迹控制,且具有机械钻速高、井眼清洁效果好、井眼轨迹控制精度和灵活性高、起下钻次数少、井眼质量高、安全性高等优点,适合于我国复杂油气藏中深井、超深井、超薄油层水平井及非常规油气井等特殊工艺井开发形势的需要，能精确控制井眼轨迹，克服了现有控制方法不能闭环控制、不能去除干扰信号的缺陷。附图说明图1为本专利技术的导向状态示意图；图2为基于钻杆驱动的指向式井眼轨迹控制工具的结构示意图；图3为本专利技术总体控制方案示意图；图4为本专利技术井身参数增量编码时序示意图；图5为本专利技术下传参数解码流程示意图；图6为本专利技术预设点与当前点位置关系示意图；图7为本专利技术主轴偏心位移示意图；图8为本专利技术井眼轨迹导向控制算法示意图；图9本专利技术偏心环旋转角度闭环控制原理示意图；图10为本专利技术角度传传感器安装示意图；图11为本专利技术基于钻杆驱动的指向式井眼轨迹控制工具测控方案示意图。图中：1、井架，2、立管，3、传感器，4、控制器，5、钻杆，6、扶正器，7、MWD系统，8、井眼轨迹控制工具，9、钻头，10、芯轴，11、上端动密封装置，12、上端悬臂轴承，13、测控短节，14、外壳，15、上端联轴器，16、外环电磁离合器，17、外环谐波传动装置，18、内环，19，外环，20、内环谐波传动装置，21、内环电磁离合器，22、下端联轴器，23、下端球轴承，24、下端动密封装置。具体实施方式该基于钻杆驱动的指向式井眼轨迹控制方法包括如下步骤：该基于钻杆驱动的指向式井眼轨迹的总体控制方案为：地面终端包括数据采集传输单元、地面计算分析模拟中心、指令下传单元；根据预设点以及当前点的数据，地面终端进行计算后，将导向控制指令下传到MWD，其中井身参数的下传主要包括编码与解码，主要采用导向参数动态增量编码方法；再通过通讯短节将指令传递到工具控制器，工具控制器根据指令以及姿态传感器的测量结果控制井眼轨迹控制工具9的偏心机构动作，使偏心环到达指定位置；偏心环位置传感器将偏心环的当前位置角度反馈给控制器，控制器比较其与预定位置的差值，使偏心环再次转动，按此不断循环，直到偏差在要求的范围内；井筒中钻杆驱动钻头进行钻井，同时为井眼轨迹控制工具9偏置机构提供动力；井眼轨迹控制工具9的控制器根据地面下传的控制指令和井下传感器的测量数据控制井眼轨迹控制工具动作，实现导向（参考图1）。该井眼轨迹控制工具包括芯轴10、上端动密封装置11、上端悬臂轴承12、测斜短节13、上端联轴器15、外环电磁离合器16、外环谐波传动装置17、内环18、外环19、内环谐波传动装置20、内环电磁离合器21、下端联轴器22、下端球轴承23、下端动密封装置24和钻头9；钻柱的上端与钻杆5相连接，下端与芯轴10相连接；芯轴10为空心旋转轴，是整个工具的动力来源，芯轴10的动力是上端钻杆5提供的；上端动密封装置11安装在工具的最上端；在上端联轴器15的下端依次安装有外环电磁离合器16、外环谐波传动装置17和偏心机构；内环谐波传动装置20、内环电磁离合器21和下端联轴器22的安装位置与外环谐波传动装置17、外环电磁离合器16和上端联轴器15的安装位置是关于偏置机构对称，彼此之间的连接形式一致；下端球轴承23和下端动密封装置24安装在工具最下方。钻井导向参数指令的下传是通过钻井液脉冲沿着钻柱传输到井底钻头处的通讯短节处；钻井液是通过编码调制成脉冲波在钻柱中流动，井底接收端需要采用对应的解码算法进行解码，才能将钻井液脉冲信息转换成导向指令来执行。下传参数增量编码方法由于组合编码的方式传送数据值有限，且传输数据的效率低，同时在数据的接收端也没有校验码。在钻井导向控制中，无法更好地满足精准导向钻井的要求。因此本专利技术中提出了钻井导向参数动态增量值编码方法，来完成钻井导向参数的编码传输过程。根据设定的增量正负标志s和相对于前一次整体数据的差值为Δd，在传输前一次数据的基础之上，其后的数据只需传输Δds，就可以通过公（2-1）来计算获得。接收到参数后，通过上一次的计算值d1、增量数据值Δds，通过公式（1-2）可本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于钻杆驱动的指向式井眼轨迹控制工具，包括如下步骤：/n1）、参数下传/na、通过导向参数动态增量编码的方法对井身参数进行编码，编码完成后通过钻井液脉冲将井身参数下传至工具控制器；/nb、工具控制器接收钻井液脉冲信号后，通过初始阈值确定、峰值检测、阈值更新对脉冲信号进行解码；/n2）、确定偏置矢量/na、根据姿态传感器的检测数值和解码后的井身参数，计算工具面角以及偏置量；/nb、根据偏置量计算偏心环旋转角度；/n3）、偏心环转动角度闭环控制/na、通过角度传感器测得偏心环角度的输出量，并根据预设角度和角度输出量之间的差值控制电磁离合器开合，使偏心环转动至步骤2）中的偏心环旋转角度而对偏心环旋转角度闭环控制；/n4）、井身参数闭环控制/na、通过传感器测得实际的井斜、方位、工具面角度与预设井身参数进行对比；/nb、根据对比结果重复步骤2）和3）对井眼轨迹进行补偿修正而对井身参数进行闭环控制。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于钻杆驱动的指向式井眼轨迹控制工具，包括如下步骤：
1）、参数下传
a、通过导向参数动态增量编码的方法对井身参数进行编码，编码完成后通过钻井液脉冲将井身参数下传至工具控制器；
b、工具控制器接收钻井液脉冲信号后，通过初始阈值确定、峰值检测、阈值更新对脉冲信号进行解码；
2）、确定偏置矢量
a、根据姿态传感器的检测数值和解码后的井身参数，计算工具面角以及偏置量；
b、根据偏置量计...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯定，张红，王鹏，施雷，林德树，
申请(专利权)人：长江大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42