旋转导向工具及其偏置机构以及对该偏置机构的控制方法，所述偏置机构包括：外筒，与所述旋转导向工具的钻头连接，并与所述钻头共同旋转；多个液压支撑机具，安装在所述外筒的内侧壁上；每个液压支撑机具包括：支撑翼肋、非对称液压缸和位移传感器；所述支撑翼肋一端位于所述支撑机具上，另一端伸出所述外筒；所述非对称液压缸采用液压差推动所述支撑翼肋的伸缩运动，控制所述支撑翼肋按照目标伸缩位移伸出所述外筒，并顶在钻井的井壁上；所述位移传感器，实时测出所述支撑翼肋伸出的实际位移，并将所述实际位移反馈给所述旋转导向工具的液压控制系统，使所述液压控制系统根据所述目标伸缩位移对每个支撑翼肋的实际位移进行闭环控制。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及石油钻井
，特别涉及一种。
技术介绍
旋转导向钻井技术是20世纪90年代发展起来的一项尖端自动化钻井新技术，代表了目前世界最先进的钻井新技术。旋转导向系统能够在高难度条件下完成钻井作业，它的出现将使钻井行业发生一次革命性的进步。国外的钻井实践证明，在高难度井、水平井、 大位移井、大斜度井、三维多目标井中推广应用旋转导向钻井技术，既提高了钻井的速度， 也减少了钻井事故，从而减低了钻井成本。现在成熟的动态推靠式旋转导向钻井系统的执行机构采用上、下盘阀结构，用钻井液直接驱动翼肋，翼肋的伸缩程度不可控，只有两种状态，即伸出状态与缩回状态。尽管动态推靠式旋转导向钻井系统能满足一般的钻井工艺要求，但是存在井眼扩大、钻具使用寿命短、系统运行不稳定等问题。其中主要的问题有以下三个(1)瞬时导向力大小不可控。瞬时导向力与钻具内外钻井液的压差有关，压差大导向力大，反之导向力变小；瞬时导向力的方向围绕预定导向力的方向摆动，只有瞬时导向力的合力方向与预定导向力方向重合时，垂直于预定导向力方向上的瞬时导向力的分力才为零，其他时刻垂直分力都不为零。在钻进过程中，不为零的垂直分力使井眼扩大、钻进效率降低。(2)钻井平台失稳。现有的旋转导向钻井系统是在钻柱旋转过程中，通过调节变扭矩发生器保持稳定平台相对地层静止，从而在钻井过程中使导向力的方向恒定。由于上盘阀(与稳定平台刚性连接)与随钻柱同步转动的下盘阀之间存在滑动摩擦。钻进过程中突然遇到坚硬的地层时，钻进速度下降，但是此时的钻压不能迅速减少，所以滑动摩擦力增加，为了保持由稳定平台位置决定的导向力方向不变，必须同时调节扭矩发生器，使其输出扭矩增加。当突变的摩擦扭矩大于扭矩发生器的调节能力时，稳定平台失稳，导向钻具失去导向能力，这种情况在现有的钻井过程中是经常遇到的。(3)钻进时高压钻井液连续冲蚀上下盘阀，一方面容易损害盘阀；另一方面使钻井液压力下降，降低钻井液净化井眼的能力。
技术实现思路
本专利技术实施例提供一种，以解决现有技术的动态推靠式旋转导向钻井系统存在的问题。为了实现上述目的，本专利技术实施例提供一种旋转导向工具的偏置机构，所述偏置机构包括外筒，与所述旋转导向工具的钻头连接，并与所述钻头共同旋转；多个液压支撑机具，安装在所述外筒的内侧壁上；每个液压支撑机具包括支撑翼肋、非对称液压缸和位移传感器；所述支撑翼肋一端位于所述支撑机具上，另一端伸出所述外筒；所述非对称液压缸采用液压差推动所述支撑翼肋的伸缩运动，控制所述支撑翼肋按照目标伸缩位移伸出所述外筒，并顶在钻井的井壁上；所述位移传感器，实时测出所述支撑翼肋伸出的实际位移，并将所述实际位移反馈给所述旋转导向工具的液压控制系统，使所述液压控制系统根据所述目标伸缩位移对每个支撑翼肋的实际位移进行闭环控制。所述多个液压支撑机具均勻安装在所述旋转导向工具的外筒上，所述液压支撑机具至少有三个。为实现上述目的，本专利技术实施例还提供一种旋转导向工具，所述旋转导向工具包括偏置机构以及与所述偏置机构连接的液压控制系统；所述偏置机构包括外筒，与所述旋转导向工具的钻头连接，并与所述钻头共同旋转；多个液压支撑机具，安装在所述外筒的内侧壁上；每个液压支撑机具包括支撑翼肋、非对称液压缸和位移传感器；所述支撑翼肋一端位于所述支撑机具上，另一端伸出所述外筒；所述非对称液压缸采用液压差推动所述支撑翼肋的伸缩运动，控制所述支撑翼肋按照目标伸缩位移伸出所述外筒，并顶在钻井的井壁上；所述位移传感器，实时测出所述支撑翼肋伸出的实际位移，并将所述实际位移反馈给所述旋转导向工具的液压控制系统；所述液压控制系统，对每个支撑翼肋的实际位移进行单独的闭环控制，使每个支撑翼肋的实际位移满足所述目标伸缩位移的要求。所述旋转导向工具还包括连接所述液压系统的测控系统，所述测控系统包括 井下控制器，用于根据所述钻头的转速、近钻头的井眼直径以及所述偏置机构的偏心位移测算出每个支撑翼肋的目标伸缩位移。所述测控系统还包括与所述井下控制器连接的方位传感器；所述方位传感器， 用于测量所述每个支撑翼肋的初始方位角；所述井下控制器，具体用于根据所述初始方位角和所述钻头的转速，获得每个支撑翼肋在每个测量时刻的方位角；根据所述支撑翼肋在每个测量时刻的方位角、所述偏置机构的偏心位移以及所述井眼直径，获得每个支撑翼肋在每个测量时刻的伸缩位移。所述测控系统还包括与所述井下控制器连接的井斜测量仪；所述井斜测量仪， 用于测量井斜及工具面角，根据所述井斜及工具面角获得所述旋转导向工具的实际位置； 所述井下控制器，还用于根据所述偏心位移的要求，对所述旋转导向工具的实际位置进行闭环调整。所述旋转导向工具还包括连接所述测控系统的柔性短节，所述旋转导向工具通过所述柔性短节弯向所要求的偏心位移的方向。所述旋转导向工具还包括上稳定器，连接钻杆与所述柔性短节；下稳定器，连接所述测控系统和所述液压控制系统；所述上稳定器和所述下稳定器，用于保持所述旋转导向工具在钻井过程中的稳定，减少钻井过程中所述旋转导向工具的震动。所述旋转导向工具还包括位于所述测控系统两端的涡轮发电机，用于为所述旋转导向工具提供电力支持。为实现上述目的，本专利技术实施例还提供一种对旋转导向工具的偏置机构进行控制的方法，所述偏置机构为前述实施例所述的偏置机构；所述方法包括在所述偏置机构的外筒随着钻头旋转的过程中，根据所述偏置机构的偏心位移、近钻头的井眼直径以及所述钻头的转速，确定所述偏置机构中每个翼肋在每一测量时刻的目标伸缩位移；控制每个翼肋的实际伸缩位移满足所述目标伸缩位移的要求，使每个翼肋采用各自的目标伸缩位移顶住井壁，以实现所述偏置机构的偏心位移。根据所述偏置机构的偏心位移、近钻头的井眼直径以及所述钻头的转速，确定所述偏置机构中每个翼肋在每一测量时刻的目标伸缩位移包括根据所述偏置结构的转速以及每个翼肋的初始方位角，确定每个翼肋在每一测量时刻的方向角；根据所述偏心位移、所述井眼直径以及每个翼肋在每一测量时刻的方向角，确定每个翼肋在每一测量时刻的伸缩位移。控制每个翼肋的实际伸缩位移满足所述目标伸缩位移的要求包括测量每个翼肋的实际伸缩位移；将所述实际伸缩位移与所述目标伸缩位移进行比较，并通过闭环控制调整实际伸缩位移达到所述目标伸缩位移的要求。本专利技术实施例的技术方法与装置，在偏置机构外筒旋转的情况下，利用液压控制系统驱动每个翼肋，把每个翼肋的伸缩位移作为被控变量，从而实现翼肋位移的连续可调， 能够更准确地实现偏置机构的导向，系统运行稳定。附图说明图Ia为本专利技术实施例偏置机构的横截面示意图；图Ib为本专利技术实施例偏置机构中的液压支撑机具详细结构图；图2为本专利技术实施例偏置机构偏置原理示意图；图3为对本专利技术实施例的偏置机构进行控制的方法流程图；图4为本专利技术实施例偏置机构数学模型示意图；图5为本专利技术实施例求解单个翼肋伸缩位移的细化流程图；图6为本专利技术实施例单个翼肋液压控制原理图；图7为本专利技术实施例旋转导向工具结构示意图；图8为本专利技术实施例旋转导向工具的偏置方式示意图；图9为本专利技术实施例液压短节横截面示意图；图10为本专利技术实施例旋转导向工具的控制原理图。附图标号上稳定器1、柔性短节2，测控短节3，涡轮发电机4，下稳定器5，液压短节6，液压油路61，电液伺服阀62，偏置机本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．一种旋转导向工具的偏置机构，其特征在于，所述偏置机构包括：外筒，与所述旋转导向工具的钻头连接，并与所述钻头共同旋转；多个液压支撑机具，安装在所述外筒的内侧壁上；每个液压支撑机具包括：支撑翼肋、非对称液压缸和位移传感器；所述支撑翼肋一端位于所述支撑机具上，另一端伸出所述外筒；所述非对称液压缸采用液压差推动所述支撑翼肋的伸缩运动，控制所述支撑翼肋按照目标伸缩位移伸出所述外筒，并顶在钻井的井壁上；所述位移传感器，实时测出所述支撑翼肋伸出的实际位移，并将所述实际位移反馈给所述旋转导向工具的液压控制系统，使所述液压控制系统根据所述目标伸缩位移对每个支撑翼肋的实际位移进行闭环控制。
【技术特征摘要】
1.一种旋转导向工具的偏置机构，其特征在于，所述偏置机构包括 外筒，与所述旋转导向工具的钻头连接，并与所述钻头共同旋转； 多个液压支撑机具，安装在所述外筒的内侧壁上；每个液压支撑机具包括支撑翼肋、非对称液压缸和位移传感器； 所述支撑翼肋一端位于所述支撑机具上，另一端伸出所述外筒； 所述非对称液压缸采用液压差推动所述支撑翼肋的伸缩运动，控制所述支撑翼肋按照目标伸缩位移伸出所述外筒，并顶在钻井的井壁上；所述位移传感器，实时测出所述支撑翼肋伸出的实际位移，并将所述实际位移反馈给所述旋转导向工具的液压控制系统，使所述液压控制系统根据所述目标伸缩位移对每个支撑翼肋的实际位移进行闭环控制。2.根据权利要求1所述的旋转导向工具的偏置机构，其特征在于，所述多个液压支撑机具均勻安装在所述旋转导向工具的外筒上，所述液压支撑机具至少有三个。3.一种旋转导向工具，其特征在于，所述旋转导向工具包括偏置机构以及与所述偏置机构连接的液压控制系统；所述偏置机构包括外筒，与所述旋转导向工具的钻头连接，并与所述钻头共同旋转； 多个液压支撑机具，安装在所述外筒的内侧壁上； 每个液压支撑机具包括支撑翼肋、非对称液压缸和位移传感器； 所述支撑翼肋一端位于所述支撑机具上，另一端伸出所述外筒； 所述非对称液压缸采用液压差推动所述支撑翼肋的伸缩运动，控制所述支撑翼肋按照目标伸缩位移伸出所述外筒，并顶在钻井的井壁上；所述位移传感器，实时测出所述支撑翼肋伸出的实际位移，并将所述实际位移反馈给所述旋转导向工具的液压控制系统；所述液压控制系统，对每个支撑翼肋的实际位移进行单独的闭环控制，使每个支撑翼肋的实际位移满足所述目标伸缩位移的要求。4.根据权利要求3所述的旋转导向工具，其特征在于，所述旋转导向工具还包括连接所述液压系统的测控系统，所述测控系统包括井下控制器，用于根据所述钻头的转速、近钻头的井眼直径以及所述偏置机构的偏心位移测算出每个支撑翼肋的目标伸缩位移。5.根据权利要求4所述的旋转导向工具，其特征在于，所述测控系统还包括与所述井下控制器连接的方位传感器；所述方位传感器，用于测量所述每个支撑翼肋的初始方位角； 所述井下控制器，具体用于根据所述初始方位角和所述钻头的转速，获得每个支撑翼肋在每个测量时刻的方位角；根据所述支撑翼肋在每个测量时刻的方位...
【专利技术属性】
技术研发人员：左信，杨全进，岳元龙，伍玉麒，魏萍，徐宝昌，
申请(专利权)人：中国石油大学北京，
类型：发明
国别省市：11
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