旋转导向钻井系统及其控制方法技术方案

本公开提供了一种旋转导向钻井系统，包括钻头轴、套设在钻头轴外侧的外筒和多组转向单元，转向单元用于驱动钻头轴相对于外筒发生偏转，从而改变钻头的钻井方向，外筒上设置有斜孔；旋转导向钻井系统还包括止转构件、滑动构件和驱动装置，滑动构件设置在外筒与钻头轴之间，并且滑动构件沿外筒的轴向与外筒可滑动地连接到一起；止转构件可滑动地设置在斜孔中，并且止转构件伸入外筒内的一端与滑动构件枢转连接；驱动装置设置在外筒的内侧。本公开具有上述结构的旋转导向钻井系统，能够通过驱动装置将止转构件顶出斜孔并抵接到井壁上，并使止转构件缩回斜孔与井壁分离，从而降低了旋转导向钻井系统在行进方向上的阻力。导向钻井系统在行进方向上的阻力。导向钻井系统在行进方向上的阻力。

【技术实现步骤摘要】
旋转导向钻井系统及其控制方法


[0001]本公开属于钻井设备
，具体提供了一种旋转导向钻井系统及其控制方法。

技术介绍

[0002]旋转导向钻井系统是一项尖端自动化钻井新技术。在技术层面而言，其主流的设计方法有静态指向式、动态指向式和静态推靠式三种。
[0003]其中，静态推靠式的旋转导向钻井系统包括钻头轴、套设在钻头轴外侧的不旋转外筒和多组转向单元，转向单元用于驱动钻头轴相对于不旋转外筒发生偏转，从而改变钻头的钻井方向。为了避免不旋转外筒旋转，不旋转外筒的外侧壁上通常设置有多个肋板，以便通过肋板与井壁之间的摩擦力来限制不旋转外筒的转动。
[0004]但是，在旋转导向钻井系统钻井行进的过程中，肋板会始终与井壁产生摩擦力，给钻头的前进带来了阻力，不利于钻井作业。

技术实现思路

[0005]为了解决现有技术中的上述问题，即为了解决现有静态推靠式旋转导向钻井系统的不旋转外筒阻碍钻头前进的问题，本公开提供了一种旋转导向钻井系统及其控制方法。
[0006]在第一方面，本公开提供了一种旋转导向钻井系统，包括钻头轴、套设在前述钻头轴外侧的外筒和多组转向单元，前述转向单元用于驱动前述钻头轴相对于前述外筒发生偏转，从而改变前述钻头的钻井方向，前述外筒上设置有斜孔；前述旋转导向钻井系统还包括止转构件、滑动构件和驱动装置，前述滑动构件设置在前述外筒与前述钻头轴之间，并且前述滑动构件沿前述外筒的轴向与前述外筒可滑动地连接到一起；前述止转构件可滑动地设置在前述斜孔中，并且前述止转构件伸入前述外筒内的一端与前述滑动构件枢转连接；前述驱动装置设置在前述外筒的内侧；前述驱动装置配置成，能够驱动前述滑动构件朝靠近前述斜孔的方向移动，以使前述止转构件远离前述滑动构件的一端伸出前述斜孔并抵接到井壁上；前述驱动装置还配置成，能够驱动前述滑动构件朝远离前述斜孔的方向移动，以使前述止转构件远离前述滑动构件的一端与前述井壁分离。
[0007]可选地，前述滑动构件包括：
[0008]滑动座，其沿轴向与前述外筒滑动地连接到一起；
[0009]固定臂，其与前述滑动座固定连接或一体制成，前述固定臂与前述止转构件枢转连接。
[0010]可选地，前述外筒上设置有多个前述斜孔，并且多个前述斜孔沿前述外筒的周向等间距分布；每一个前述斜孔中都安装有一个前述止转构件。
[0011]可选地，前述止转构件与前述井壁相抵的一端设置为片状结构，前述片状结构的长度方向与前述外筒的轴向相同。
[0012]可选地，前述驱动装置是电动推杆。
[0013]在第二方面，本公开提供了一种旋转导向钻井系统的控制方法，该旋转导向系统是第一方面中任一项前述的旋转导向系统，每一组前述转向单元都包括设置在前述钻头轴和/或前述外筒上的翼肋和用于驱动前述翼肋的驱动单元，前述驱动单元包括电机和液压系统；前述控制方法适用于每一个前述转向单元，前述控制方法包括：
[0014]响应于接收到了改变钻井方向的指令，获取前述电机的目标转速和实际转速；
[0015]将前述目标转速和前述实际转速输入转速环控制器，以输出前述电机的目标电流；
[0016]获取前述电机的工作电流；
[0017]将前述目标电流和前述工作电流输入电流环控制器，以输出前述电机的目标电压；
[0018]将前述电机的工作电压调整为前述目标电压。
[0019]可选地，前述将前述目标电流和前述工作电流输入电流环控制器，以输出前述电机的目标电压，包括：
[0020]响应于前述目标电流和前述工作电流输入电流环控制器，输出弱电电压；
[0021]将前述弱电电压代入mos管的近似传递函数，以输出作为前述目标电压的强电电压。
[0022]可选地，前述mos管的近似传递函数如下：
[0023][0024]其中，Ks表示mos管触发和整流装置的放大系数，T
s
表示mos管的失控时间，s是通过拉式变换引入的值。
[0025]可选地，前述将前述目标转速和前述实际转速输入转速环控制器，包括：
[0026]求取前述实际转速与转速反馈系数的乘积；
[0027]将前述乘积与前述目标转速输入转速环控制器。
[0028]可选地，将前述目标电流和前述工作电流输入电流环控制器，包括：
[0029]求取前述工作电流与电流反馈系数的乘积；
[0030]将前述乘积与前述目标电流输入电流环控制器。
[0031]基于前文的描述，本领域技术人员能够理解的是，在本公开前述的技术方案中，通过在外筒上设置斜孔，将止转构件安装到斜孔内，将与止转构件枢转连接的滑动构件安装到外筒的内侧，使驱动装置与滑动构件驱动连接，使得驱动装置能够驱动滑动构件朝靠近斜孔的方向移动，以使止转构件远离滑动构件的一端伸出斜孔并抵接到井壁上，从而将外筒与井壁沿周向固定到一起，避免外筒转动；以及使得驱动装置能够驱动滑动构件朝远离斜孔的方向移动，以使止转构件远离滑动构件的一端与井壁分离，从而使外筒能够相对于井壁自由转动。因此，本公开的旋转导向钻井系统在正常钻井的过程中，通过使止转构件缩回到外筒内，减小了外筒与井壁之间的摩擦力，降低了旋转导向钻井系统在行进方向上的阻力，更有利于钻井；在钻头需要拐弯的时候，通过使止转构件缩伸出外筒与井壁抵接到一起，来将外筒与井壁固定到一起，防止外筒相对井壁转动，为钻头的拐弯提供了可靠的支撑。
[0032]进一步，本公开针对每一个转向单元，在接收到了改变钻井方向的指令之后，先根
据电机的目标转速和实际转速来确定电机的目标电流，然后根据电机的目标电流和工作电流来确定电机的目标电压，再将电机的工作电压调整为目标电压，使得每一个转向单元的电机都能够通过转速闭环和电流闭环来进行实时调整，不仅提升了电机的响应速度，还避免了电机全压启动时电流过大被损坏的情形，延长了电机的使用寿命。
附图说明
[0033]下面参照附图来描述本公开的优选实施例，附图中：
[0034]图1是旋转导向钻井系统的结构示意图(止转构件处于缩回状态)；
[0035]图2是旋转导向钻井系统的结构示意图(止转构件处于伸出状态)；
[0036]图3是旋转导向钻井系统的驱动单元的构成示意图；
[0037]图4是旋转导向钻井系统的界面示意图(钻头正常掘进)；
[0038]图5是旋转导向钻井系统的界面示意图(钻头拐弯掘进)；
[0039]图6是旋转导向钻井系统的控制方法的主要步骤流程图；
[0040]图7是旋转导向钻井系统中电机的控制逻辑示意图。
[0041]附图标记列表：
[0042]1、钻头轴；2、外筒；21、斜孔；3、万向球轴承；4、止转构件；5、滑动构件；51、滑动座；52、固定臂；6、驱动装置；7、转向单元；71、翼肋；72、驱动单元；721、电机；722、液压系统；7221、液压泵；7222、换向阀；7223、液压执行单元；7224、溢流阀。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种旋转导向钻井系统，包括钻头轴、套设在所述钻头轴外侧的外筒和多组转向单元，所述转向单元用于驱动所述钻头轴相对于所述外筒发生偏转，从而改变所述钻头的钻井方向，其特征在于，所述外筒上设置有斜孔；所述旋转导向钻井系统还包括止转构件、滑动构件和驱动装置，所述滑动构件设置在所述外筒与所述钻头轴之间，并且所述滑动构件沿所述外筒的轴向与所述外筒可滑动地连接到一起；所述止转构件可滑动地设置在所述斜孔中，并且所述止转构件伸入所述外筒内的一端与所述滑动构件枢转连接；所述驱动装置设置在所述外筒的内侧；所述驱动装置配置成，能够驱动所述滑动构件朝靠近所述斜孔的方向移动，以使所述止转构件远离所述滑动构件的一端伸出所述斜孔并抵接到井壁上；所述驱动装置还配置成，能够驱动所述滑动构件朝远离所述斜孔的方向移动，以使所述止转构件远离所述滑动构件的一端与所述井壁分离。2.根据权利要求1所述的旋转导向钻井系统，其特征在于，所述滑动构件包括：滑动座，其沿轴向与所述外筒滑动地连接到一起；固定臂，其与所述滑动座固定连接或一体制成，所述固定臂与所述止转构件枢转连接。3.根据权利要求1所述的旋转导向钻井系统，其特征在于，所述外筒上设置有多个所述斜孔，并且多个所述斜孔沿所述外筒的周向等间距分布；每一个所述斜孔中都安装有一个所述止转构件。4.根据权利要求3所述的旋转导向钻井系统，其特征在于，所述止转构件与所述井壁相抵的一端设置为片状结构，所述片状结构的长度方向与所述外筒的轴向相同。5.根据权利要求1
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4中任一项所述的旋转导向钻井系统，其特征在于，所述驱动装置是电动推杆。6.一种旋转导向钻井系统的控制...

【专利技术属性】
技术研发人员：王向阳，刘庆波，
申请(专利权)人：中国科学院地质与地球物理研究所，
类型：发明
国别省市：