基于井下机器人的弯螺杆造斜参数控制方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及基于井下机器人的弯螺杆造斜参数控制方法及系统，其中工具面角控制方法为：S1：由地面发送目标方位角Φ

【技术实现步骤摘要】
基于井下机器人的弯螺杆造斜参数控制方法及系统


[0001]本专利技术涉及螺杆钻具造斜领域，尤其涉及基于井下机器人的弯螺杆造斜参数控制方法及系统。

技术介绍

[0002]螺杆钻具(PDM drill)，是一种以钻井液为动力，把液体压力能转为机械能的容积式井下动力钻具，其液压马达总成主要分为转子及定子壳体，转子为螺杆，下端与钻头相连接，为钻头提供扭矩，从而破岩钻进，作业过程中定子壳体相对井壁不动，但由于液压冲击的反作用力，螺杆会对定子壳体产生一个反扭矩，该扭矩与定子壳体和井壁间的摩擦力矩平衡，会产生一定的反扭角。
[0003]目前水平井导向钻井以旋转导向和弯螺杆滑动导向两种方式为主，由于旋转导向工具以进口为主，费用高、卡钻风险大等原因，弯螺杆滑动导向依然是水平井定向钻井的主体技术。据统计，2020年弯螺杆滑动导向井段川渝页岩气占比超过50％，致密油气等由于成本限制占比甚至超过90％。
[0004]当使用螺杆钻具需要用于定量造斜时，常使用一段弯螺杆安装在钻具最后，与钻头直接相连，弯螺杆具有一定角度的弯角，于井下开始工作时，保持定子无转速即可完成定向、定量的井段造斜，但由于上述反扭角的存在，工作时的导向角并不等于下入钻具时的预定角度，一般需要通过精确计算，预留一定装置角，以抵消反扭角，才能满足导向角指向预定的造斜方向。弯螺杆滑动导向由于钻柱不旋转，摩阻大极易“托压”，导致钻压不能有效传递，机械钻速通常为旋转钻井的20～50％，同时“托压”导致工具面不易调整和控制，钻井时效降低超过20％。
[0005]在钻井作业的过程中，伴随钻压的波动，工具面角会相对预定角度发生偏移，如若未能及时发现并作出调整，则有可能导致其偏差越来越大，最终偏离造斜方向，而通过地面人员对钻杆装置角进行调整，又由于切削阻力、摩擦阻力的变化，调整值难以准确计算。同时，在弯螺杆造斜作业中，常需要调整造斜率，从而进行水平井段的过渡或满足预定轨迹，而一般调整方法为更换弯螺杆，该过程较为繁琐，且轨迹可能出现不连续的情况，针对以上问题，可以使用一种基于井下机器人的弯螺杆造斜参数控制方法，从而对造斜参数进行定量的修正，以稳定精确的完成造斜作业。

技术实现思路

[0006]本专利技术目的在于克服现有技术的不足，提供基于井下机器人的弯螺杆造斜参数控制方法及系统。
[0007]基于井下机器人的弯螺杆造斜参数控制系统，它包括行程轮(1)、钻压控制机器人(2)、减压阀(3)、电路放大器(4)、变频器(5)、计算电路(6)。
[0008]所述：钻压控制机器人(2)左端连接上部钻杆(7)，右端连接螺杆钻具(8)及钻头(9)。
[0009]所述：减压阀(3)连接在钻压控制机器人(2)液压回路中。
[0010]所述：电路放大器(4)、变频器(5)串联在计算电路(6)与减压阀(3)间。
[0011]基于井下机器人的弯螺杆造斜参数控制方法，包括以下步骤：
[0012]S1：由地面发送目标方位角Φ
a
，计算电路(6)根据当前井眼方位角Φ计算出所需调整的工具面角偏差Δω；
[0013]S2：计算电路(6)根据所需调整的工具面角偏差Δω计算出所需的调整钻压ΔP
B
大小；
[0014]S3：经由变频器(5)及放大电路(4)处理后，钻压控制信号使钻压控制机器人(2)改变钻压P
B
，定量控制工具面角ω。
[0015]所述：造斜率控制包括以下步骤：
[0016]S11：计算电路(6)根据当前钻具的行程s、方位角Φ及井斜角θ计算出最近1
‑
10分钟的平均造斜率β；
[0017]S12：若实际造斜率β大于目标造斜率β
a
，计算电路(6)根据当前造斜率偏差Δβ计算出一个工具面角ω波动区间，向钻压控制机器人(2)发送钻压波动指令，使钻压P
B
上下波动，钻压波动则促使钻具扭矩M产生波动，扭矩波动促使工具面角ω产生波动，由此降低造斜率β；
[0018]S13：若实际井眼曲率β小于目标井眼曲率β
a
，计算电路(6)根据当前钻压波动状态，减小波动幅值或频率，以减小扭矩波动幅值和频率，进而减小工具面波动幅值θ和频率f，以提高造斜率β。
[0019]所述：通过钻压调整工具面角的方法为：
[0020]S21：由式：
[0021][0022]确定钻压与反扭角的关系，并计算出一个初始c值；
[0023]式中：
[0024]螺杆钻具反扭角，
°
；
[0025]M
M
，作用在螺杆钻具及弯接头中点集中反扭矩，N
·
m；
[0026]G，钢的剪切模量，Pa；
[0027]L
M
，马达中点至上切点距离，m；
[0028]J
ρM
，马达及弯接头的等效极惯性矩，m4；
[0029]M
V
，直井段底面反扭距，N
·
m；
[0030]L
V
，垂直井段钻杆长度，m；
[0031]J
ρV
，钻杆极惯性矩，m4；
[0032]L
i
，增斜、稳斜、降斜井段钻杆长度，m；
[0033]J
ρi
，各斜井段钻杆极惯性矩，m4；
[0034]M
S
，各斜井段底部反扭距，N
·
m；
[0035]W
Fi
，各斜井段摩擦力矩，N
·
m；
[0036]M
B
，钻头切削阻力力矩，N
·
m；
[0037]D
B
，钻头直径，m；
[0038]P
B
，钻压，N；
[0039]λ，系数。
[0040]S22：改变钻压P
B
，测量值的变化量，多次重复试验确定一个c的拟合值，由此可根据式：
[0041][0042]确定反扭角变量与钻压变量ΔP
B
的数学关系，从而由钻压P
B
定量控制工具面角ω。
[0043]所述：控制造斜率时钻压波动参数(包括波动幅度和频率)通过以下步骤确定：
[0044]S31：假设造斜时工具面角ω不变，则井眼轨迹存在于方位角Φ所在的铅垂面内，当工具面角ω产生波动时，由公式3得到方位角Φ所在铅垂面内的曲率ρ，从而可根据造斜率偏差Δβ计算工具面角波动幅度θ；
[0045][0046]式中：
[0047]ρ，方位角Φ所在铅垂面内的井眼曲率；
[0048]θ，工具面角波动幅度；
[0049]y，方位角Φ所在的铅垂面内井眼轨迹公式；
[0050]y
ω
，工具面内井眼轨迹公式；
[0051]S32：由公式3可得，工具面角本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于井下机器人的弯螺杆造斜参数控制系统，其特征在于，它包括行程轮(1)、钻压控制机器人(2)、减压阀(3)、电路放大器(4)、变频器(5)、计算电路(6)，所述：钻压控制机器人(2)左端连接上部钻杆(7)，右端连接螺杆钻具(8)及钻头(9)，所述：减压阀(3)连接在钻压控制机器人(2)液压回路中，所述：电路放大器(4)、变频器(5)串联在计算电路(6)与减压阀(3)间。2.基于井下机器人的弯螺杆造斜参数控制方法，其特征在于，它包括以下步骤：S1：由地面发送目标方位角Φ
a
，计算电路(6)根据当前井眼方位角Φ计算出所需调整的工具面角偏差Δω；S2：计算电路(6)根据所需调整的工具面角偏差Δω计算出所需的调整钻压ΔP
B
大小；S3：经由变频器(5)及放大电路(4)处理后，钻压控制信号使钻压控制机器人(2)改变钻压P
B
，定量控制工具面角ω。3.根据权利要求2所述的基于井下机器人的弯螺杆造斜参数控制方法，其特征在于，造斜率β控制包括以下步骤：S11：计算电路(6)根据当前钻具的行程s、方位角Φ及井斜角α计算出最近1
‑
10分钟的平均造斜率β；S12：若实际造斜率β大于目标造斜率β
a
，计算电路(6)根据当前造斜率偏差Δβ计算出一个工具面角ω波动区间，向钻压控制机器人(2)发送钻压波动指令，使钻压P
B
上下波动，钻压波动则促使钻具扭矩M产生波动，扭矩波动促使工具面角ω产生波动，由此降低造斜率β；S13：若实际井眼曲率β小于目标井眼曲率β
a
，计算电路(6)根据当前钻压波动状态，减小波动幅值或频率，以减小扭矩波动幅值和频率，进而减小工具面波动幅值θ和频率f，以提高造斜率β。4.根据权利要求2所述的基于井下机器人的弯螺杆造斜参数控制方法，其特征在于，通过钻压P
B
调整工具面角ω的方法为：S21：由式：确定钻压P
B
与反扭角的关系，并计算出一个初始c值；式中：螺杆钻具反扭角，
°
；M
M
，作用在螺杆钻具及弯接头中点集中反扭矩，N
·
m；G，钢的剪切模量，Pa；L
M
，马达...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵建国，方世纪，王国荣，刘清友，肖晓华，韩硕，朱海燕，杨荣杰，王菊，梁鹏辉，
申请(专利权)人：西南石油大学，
类型：发明
国别省市：