一种旋转导向系统及其控制方法

摘要

本申请提供一种旋转导向系统及其控制方法。所述系统包括偏置导向机构，井下传感器以及井下控制中心，其中所述偏置导向机构包括外壳以及被所述外壳包裹的钻柱；所述井下传感器位于所述偏置导向机构的外壳上，用来检测所述钻柱的转速并将所述转柱的转速发送至所述井下控制中心；所述井下控制中心与所述偏置导向机构和所述井下传感器相连，用来根据所述井下传感器发来的所述转柱的转速，确定所述转柱的转速对应的偏置导向机构的第一工具面角和第一偏心距并根据所述第一工具面角和第一偏心距调整所述偏置导向机构的工具面角和偏心距。本申请实施例提供的一种旋转导向系统及其控制方法可以避免泥浆脉冲信号的衰减或丢失，保证了井下工具的正常运行。

权利要求

1.一种旋转导向系统，其特征在于，包括偏置导向机构，井下传感器以及井下控制中心，其中：所述偏置导向机构，包括外壳以及被所述外壳包裹的钻柱；

所述井下传感器，位于所述偏置导向机构的外壳上，用来检测所述钻柱的转速并将所述钻柱的转速发送至所述井下控制中心；

所述井下控制中心，与所述偏置导向机构和所述井下传感器相连，用来根据所述井下传感器发来的所述钻柱的转速，确定所述钻柱的转速对应的偏置导向机构的第一高边工具面角和第一偏心距，并根据所述第一高边工具面角和第一偏心距调整所述偏置导向机构的高边工具面角和偏心距。

2.如权利要求1所述的旋转导向系统，其特征在于，所述偏置导向机构还包括：N个支撑翼肋，其中，每个支撑翼肋连接有一个液压缸，N为大于等于3的正整数。

3.如权利要求1或2所述的旋转导向系统，其特征在于，所述井下传感器具体包括转速计数器和/或转速表。

4.如权利要求1所述的旋转导向系统，其特征在于，所述系统还包括：高边工具面角检测机构，用来检测所述偏置导向机构的高边工具面角，并将检测到的高边工具面角发送至所述井下控制中心；

相应地，所述井下控制中心还用来将所述检测到的高边工具面角与所述第一高边工具面角进行对比，判断所述检测到的高边工具面角是否与所述第一高边工具面角一致；若所述检测的高边工具面角与所述第一高边工具面角不相等，向所述偏置导向机构发送修正指令。

5.一种旋转导向系统的控制方法，其特征在于，包括：

获取偏置导向机构中钻柱的转速；

根据预先建立的钻柱的转速与偏置导向机构的高边工具面角和偏心距的对应关系，确定获取的转速对应的偏置导向机构的第一高边工具面角和第一偏心距；

根据确定的第一高边工具面角和第一偏心距，调整偏置导向机构的高边工具面角和偏心距；

其中，所述获取偏置导向机构中钻柱的转速，包括：

井下传感器检测偏置导向机构中钻柱的转速并将所述转速发送至井下控制中心；

所述井下控制中心接收所述井下传感器发来的所述转速；

所述偏置导向机构至少包括：N个支撑翼肋，其中，每个支撑翼肋连接有一个液压缸，N为大于等于3的正整数；

所述根据确定的第一高边工具面角和第一偏心距，调整偏置导向机构的高边工具面角和偏心距具体包括：根据确定的第一高边工具面角和第一偏心距，所述井下控制中心调节与所述支撑翼肋相连接的液压缸内液压的大小，以确定所述偏置导向机构的高边工具面角和偏心距。

6.如权利要求5所述的旋转导向系统的控制方法，其特征在于，在所述根据确定的第一高边工具面角和第一偏心距，调整偏置导向机构的高边工具面角和偏心距的步骤之后，所述方法还包括：检测所述偏置导向机构的高边工具面角，并将检测到的高边工具面角发送至井下控制中心；

所述井下控制中心将检测到的高边工具面角与第一高边工具面角进行对比，判断检测的高边工具面角是否与第一高边工具面角一致；

若检测的高边工具面角与第一高边工具面角不一致，所述井下控制中心向所述偏置导向机构发送修正指令。

说明书

一种旋转导向系统及其控制方法

技术领域

[0001] 本申请涉及石油地质勘探和钻井工艺技术领域，特别涉及一种旋转导向系统及其控制方法。

背景技术

[0002] 旋转导向钻井技术是20世纪末期发展起来的一项先进钻井新技术，随着全球范围的推广应用，该技术日趋成熟，使世界钻井技术出现了一次质的飞跃。

[0003] 目前，世界上几家大石油公司的旋转导向系统已经实现了商业化技术应用：a、90年代初德国KTB项目组与East Man Teleo公司联合开发研制的VDS自动垂直钻井系统；b、AGIP公司与Baker Hughes公司合作在VDS系统的基础上开发研制的SDD自动直井钻井系统；c、1991年美国能源部资助研制的ADD自动定向钻井系统；d、Sperry-sun公司1993年研制了AGS，1999年又推出新一代的Geo-Pilot旋转导向自动钻井系统，该系统的性能已达到90年代末世界先进的RCLS和SRD系统水平，后来Sperry-sun公司与Halliburton公司合并；e、
1993年AGIP公司与Baker Hughes公司合作，经过3年的研制，在1997年，RCLS系统注册为Auto Trak，正式推向市场；f、1994年英国Camco公司研制出SRD全旋转导向自动钻井系统，
1999年5月，Camco公司与Schlumberger公司的Anadrill公司合并，将SRD系统注册为PowerDrive。

[0004] 按照旋转导向控制系统的原理分类，目前旋转导向钻井系统形成了两大发展方向：一类是不旋转外筒式闭环自动导向钻井系统，包括Baker Hughes公司的Auto Trak RClS系统和Halliburton公司的Geo—Pi1ot系统；另一类是以Schlumberger Anadri11公司的Power Driver SRD系统为代表的全旋转自动导向钻井系统。然而这两类旋转导向系统在现场应用时都有其局限性：依赖于随钻测量工具(MWD/LWD)来接收井下测量仪器的信号和发送工作指令给井下偏置导向机构，即作业指令需要通过CPU编码，利用钻井液压力波动实现上行和下行信号的传递，通常采用上行信号正脉冲和下行指令负脉冲的方式来实现。由于受钻井液脉冲信号在传递过程中的衰减和压力信号波动干扰等问题的影响，作业指令往往不能及时有效的发送给井下偏置机构，甚至出现信号干扰导致井下工具失效的情况。

[0005] 应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本申请的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本申请的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。

发明内容

[0006] 本申请实施例的目的在于提供一种旋转导向系统及其控制方法，以避免利用正负脉冲信号来实现指令的传递，保证井下工具的正常运行。

[0007] 本申请实施例提供的一种旋转导向系统及其控制方法是这样实现的：

[0008] 一种旋转导向系统，包括偏置导向机构，井下传感器以及井下控制中心，其中：

[0009] 所述偏置导向机构，包括外壳以及被所述外壳包裹的钻柱；

[0010] 所述井下传感器，位于所述偏置导向机构的外壳上，用来检测所述钻柱的转速并将所述转柱的转速发送至所述井下控制中心；

[0011] 所述井下控制中心，与所述偏置导向机构和所述井下传感器相连，用来根据所述井下传感器发来的所述转柱的转速，确定所述转柱的转速对应的偏置导向机构的第一工具面角和第一偏心距，并根据所述第一工具面角和第一偏心距调整所述偏置导向机构的工具面角和偏心距。

[0012] 一种旋转导向系统的控制方法，包括：

[0013] 获取偏置导向机构中钻柱的转速；

[0014] 根据预先建立的钻柱的转速与偏置导向机构的工具面角和偏心距的对应关系，确定获取的转速对应的偏置导向机构的第一工具面角和第一偏心距；

[0015] 根据确定的第一工具面角和第一偏心距，调整偏置导向机构的工具面角和偏心距。

[0016] 本申请实施例提供的一种旋转导向系统及其控制方法，通过预先建立转速与工具面角和偏心距的对应关系，可以由井下工具实现对偏置导向机构的自测自控，避免了与地面设备的信号传输，从而可以避免泥浆脉冲信号的衰减或丢失，保证了井下工具的正常运行。

附图说明

[0017] 图1为本申请提供的一种旋转导向系统的控制方法的流程图；

[0018] 图2为本申请实施例支撑翼肋的支撑力矢量和示意图；

[0019] 图3为本申请实施例提供的一种旋转导向系统的功能模块图。

具体实施方式

[0020] 为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都应当属于本申请保护的范围。

[0021] 本申请实施例通过钻井现场实践发现，在钻井过程中钻柱的转数是一个相对稳定的、可控的钻井参数。本申请实施例提供的旋转导向系统及其控制方法可以在地面改变钻柱的转速，然后利用井下传感器检测钻柱的转速，从而可以变相地获取地面的控制指令。接着通过井下控制中心执行预先设置的程序，对偏置导向机构进行工具面角和偏心距的控制，从而实现井下工具的自测自控，实现完全闭环导向系统。

[0022] 图1为本申请提供的一种旋转导向系统的控制方法的流程图。虽然下文描述流程包括以特定顺序出现的多个操作，但是应该清楚了解，这些过程可以包括更多或更少的操作，这些操作可以顺序执行或并行执行(例如使用并行处理器或多线程环境)。如图1所示，所述方法可以包括：

[0023] S1：获取偏置导向机构中钻柱的转速。

[0024] 本申请实施例可以预先建立钻柱的转速与偏置导向机构的工具面角和偏心距的对应关系。该对应关系可以是测井人员预先制定，并用key-value的形式存储于井下控制中心。其中，可以将钻柱的转速作为key，将偏置导向机构的工具面角和偏心距作为value。井下控制中心根据钻柱的转速，便可以查询到与该转速对应的工具面角和偏心距。当然，钻柱的转速与偏置导向机构的工具面角和偏心距的对应关系还可以用其他形式进行存储，本申请对此并不做限定。表1为本申请实施例建立的钻柱的转速与偏置导向机构的工具面角和偏心距的对应关系的示意表。

[0025] 表1转速与偏置导向机构的工具面角和偏心距的对应关系的示意表[0026]

[0027] 从表1中可以看出，本申请实施例将偏置导向机构的工具面角以30°为间隔，分为12组不同的工具面角，并且每个工具面角均对应着三组不同的偏心距。这样就形成了36组不同的工具面角与偏心距的组合。其中，每个组合均对应着唯一的钻柱的转速，这样便可以实现钻柱的转速与工具面角和偏心距的一一对应关系。例如，转速76转/分钟对应着90°的工具面角以及较小的偏心距，转速64转/分钟对应着240°的工具面角以及中等的偏心距。

[0028] 从表1中还可以看出钻柱除了三个偏心距的状态，还存在中位状态，该中位状态对应着多个不同范围的转速。这些不同范围的转速和上述与工具面角和偏心距一一对应的转速也不相同，同样具备唯一性的特征。

[0029] 在实际钻井作业中，往往存在不同的钻井模式。在本申请实施例中，所述钻井模式可以包括定向钻井模式和稳斜钻井模式。其中，当进行定向钻井模式时，需要计算出偏置导向机构的工具面角和偏心距，以保证定向的需求。计算出偏置导向机构的工具面角和偏心距后，可以在地面调节钻柱的转速，使得钻柱的转速与计算出的工具面角和偏心距相对应。然后可以通过后续的检测和调整步骤，实现对井下偏置导向机构的定向。当进行稳斜钻井模式时，则无需计算偏置导向机构的工具面角和偏心距，只需要将钻柱的转速调节为与中位状态对应的转速，然后可以通过后续的检测和调整步骤，实现稳斜钻井模式。

[0030] 在某些实施例中，确定了钻井模式后，便可以根据确定的钻井模式，调整所述钻柱的转速。当进行定向钻井模式时，计算出偏置导向机构的工具面角和偏心距后，可以在地面调节钻柱的转速，使得钻柱的转速与计算出的工具面角和偏心距相对应。当进行稳斜钻井模式时，只需要在地面将钻柱的转速调节为与中位状态对应的转速即可。在实际操作时，目前钻机包括钻盘驱动和顶部驱动，本申请实施例可以通过调节钻机动力系统的输出功率来调整所述钻柱的转速。

[0031] 由于钻柱的转速在地面和井下是保持一致的，因此在地面根据确定的钻井模式调整所述钻柱的转速后，井下钻柱的转速会同步调整。本申请实施例可以在偏置导向机构的不旋转外壳上安装井下传感器，从而可以由井下传感器检测偏置导向机构中转柱的转速并将所述转速发送至井下控制中心。具体地，在本申请实施例中，所述井下传感器可以包括转速计数器或转速表中的至少一种。井下传感器检测出所述钻柱的转速后，可以将该转速信息发送至井下控制中心。所述井下控制中心同样可以位于所述偏置导向机构上，用来接收所述井下传感器发来的所述转速以及其他井下工具发来的检测信息以及向各种井下工具发送控制指令。

[0032] S2：根据预先建立的钻柱的转速与偏置导向机构的工具面角和偏心距的对应关系，确定获取的转速对应的偏置导向机构的第一工具面角和第一偏心距。

[0033] 所述井下控制中心接收到所述井下传感器发来的钻柱的转速后，可以根据步骤S1中建立的钻柱的转速与偏置导向机构的工具面角和偏心距的对应关系，确定该转速对应的偏置导向机构的第一工具面角和第一偏心距。具体地，井下控制中心可以将接收到的转速作为key，检索存储的对应关系中该key对应的value，也就是该转速对应的工具面角和偏心距。井下控制中心查找到该转速对应的工具面角和偏心距后，便可以将该工具面角和偏心距确定为第一工具面角和第一偏心距。该第一工具面角和第一偏心距可以作为后续步骤的标准，用来调节偏置导向机构。

[0034] S3：根据确定的第一工具面角和第一偏心距，调整偏置导向机构的工具面角和偏心距。

[0035] 在本申请实施例中，所述偏置导向机构至少包括N个支撑翼肋，其中，每个支撑翼肋连接有一个液压缸，N为大于等于3的正整数。下面以三个支撑翼肋具体叙述本申请的技术方案，其它数量的支撑翼肋的原理相似。

[0036] 井下控制中心确定出第一工具面角和第一偏心距后，便可以调整所述偏置导向机构的工具面角和偏心距，使其与第一工具面角和第一偏心距保持一致。具体地，井下控制中心可以根据确定的第一工具面角和第一偏心距，调节与所述支撑翼肋相连接的液压缸内液压的大小，以确定所述偏置导向机构的工具面角和偏心距。所述三个支撑翼肋等角间距地设置于钻柱的芯轴和外壳之间。当液压缸内液压改变时，所述支撑翼肋的伸缩量便会改变。支撑翼肋伸缩量的改变会引起支撑翼肋对芯轴的支撑力大小的改变，由于三个支撑翼肋对芯轴的支撑力不同，最终会对芯轴形成支撑力的矢量和。该支撑力的矢量和会改变芯轴的方向以及在该方向上的受力情况。具体地，所述支撑翼肋的支撑力的矢量和的方向可以确定所述偏置导向机构的工具面角，所述支撑翼肋的支撑力的矢量和的大小可以确定所述偏置导向机构的偏心距。在本申请实施例中，所述工具面角为井眼高边沿顺时针方向与支撑力矢量和方向的夹角。因此井下控制中心在调整偏置导向机构的工具面角时，需要反复采集井眼高边数据，从而可以更加精确地调节偏置导向机构的工具面角。图2为本申请实施例支撑翼肋的支撑力矢量和示意图。图2展示了三种不同情况下支撑翼肋对芯轴的支撑力矢量和。如图2所示，通过改变三个支撑翼肋对芯轴的支撑力，便可以改变最终的支撑力矢量和的大小和方向。井眼高边沿顺时针方向与支撑力矢量和方向的夹角即代表工具面角，支撑力矢量和的大小即可以代表偏心距。

[0037] 另外，当进行稳斜钻井模式时，井下控制中心可以通过所述液压控制系统控制三个支撑翼肋的三个液压缸处于完全泄压状态，此时偏置机构等同于一个欠尺寸扶正器，使得钻柱的芯轴不发生偏移，从而可以实现稳斜钻井。

[0038] 在实际测井作业中，由于钻柱的转速会受反扭矩影响，并且偏置机构不可能完全贴紧井壁保持相对静止，从而经过井下控制中心调节的工具面角会产生误差。针对该误差，本申请一优选实施例中除了包括上述S1至S3的步骤外，还包括下述步骤：

[0039] S4：检测所述偏置导向机构的工具面角，并将检测的工具面角发送至井下控制中心；

[0040] S5：所述井下控制中心将检测的工具面角与第一工具面角进行对比，判断检测的工具面角是否与第一工具面角一致；

[0041] S6：若检测的工具面角与第一工具面角不一致，所述井下控制中心向所述偏置导向机构发送修正指令。

[0042] 具体地，工具面角检测单元可以检测所述偏置导向机构经过井下控制中心调整后的工具面角，并将该检测的工具面角发送至所述井下控制中心。井下控制中心接收到该检测的工具面角后，可以将检测的工具面角与第一工具面角进行对比，并判断检测的工具面角是否与第一工具面角一致。如果一致，那么井下控制中心则不需要进行进一步的操作；如果不一致，井下控制中心则需要向所述偏置导向机构发送修正指令，对偏置导向机构的工具面角进行进一步的修正。具体修正的过程与步骤S3中描述的方案相似，均为通过改变支撑翼肋的液压缸中液压的大小，这里不再赘述。

[0043] 本申请实施例还提供一种旋转导向系统。图3为本申请实施例提供的一种旋转导向系统的功能模块图。如图3所示，所述系统包括偏置导向机构100，井下传感器200以及井下控制中心300，其中：

[0044] 所述偏置导向机构100，包括外壳101以及被所述外壳包裹的钻柱102；

[0045] 所述井下传感器200，位于所述偏置导向机构的外壳上，用来检测所述钻柱的转速并将所述转柱的转速发送至所述井下控制中心；

[0046] 所述井下控制中心300，与所述偏置导向机构和所述井下传感器相连，用来根据所述井下传感器发来的所述转柱的转速，确定所述转柱的转速对应的偏置导向机构的第一工具面角和第一偏心距，并根据所述第一工具面角和第一偏心距调整所述偏置导向机构的工具面角和偏心距。

[0047] 其中，所述井下传感器200具体包括转速计数器和/或转速表。

[0048] 进一步地，在本申请一优选实施例中，所述偏置导向机构100还包括：

[0049] N个支撑翼肋103，其中，每个支撑翼肋连接有一个液压缸，N为大于等于3的正整数。

[0050] 在本申请另一优选实施例中，所述系统还包括：

[0051] 工具面角检测机构400，用来检测所述偏置导向机构的工具面角，并将检测到的工具面角发送至所述井下控制中心；

[0052] 相应地，所述井下控制中心300还用来将所述检测到的工具面角与所述第一工具面角进行对比，判断所述检测到的工具面角是否与所述第一工具面角一致；若所述检测的工具面角与所述第一工具面角不相等，向所述偏置导向机构发送修正指令。

[0053] 本申请实施例提供的一种旋转导向系统及其控制方法，通过预先建立转速与工具面角和偏心距的对应关系，可以由井下工具实现对偏置导向机构的自测自控，避免了与地面设备的信号传输，从而可以避免泥浆脉冲信号的衰减或丢失，保证了井下工具的正常运行。

[0054] 通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本申请可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来。该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。