一種旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)及其控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本申請涉及石油地質(zhì)勘探和鉆井工藝技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)及其 控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)是20世紀(jì)末期發(fā)展起來的一項(xiàng)先進(jìn)鉆井新技術(shù)，隨著全球范 圍的推廣應(yīng)用，該技術(shù)日趨成熟，使世界鉆井技術(shù)出現(xiàn)了一次質(zhì)的飛躍。
[0003] 目前，世界上幾家大石油公司的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化技術(shù)應(yīng)用：a、90 年代初德國KTB項(xiàng)目組與East Man Teleo公司聯(lián)合開發(fā)研制的VDS自動(dòng)垂直鉆井系統(tǒng)；b、 AGIP公司與Baker Hughes公司合作在VDS系統(tǒng)的基礎(chǔ)上開發(fā)研制的SDD自動(dòng)直井鉆井系 統(tǒng)；c、1991年美國能源部資助研制的ADD自動(dòng)定向鉆井系統(tǒng)；d、Sperry-sun公司1993年 研制了 AGS，1999年又推出新一代的Geo-Pilot旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向自動(dòng)鉆井系統(tǒng)，該系統(tǒng)的性能已達(dá) 到90年代末世界先進(jìn)的RCLS和SRD系統(tǒng)水平，后來Sperry-sun公司與Halliburton公司 合并；e、1993年AGIP公司與Baker Hughes公司合作，經(jīng)過3年的研制，在1997年，RCLS系 統(tǒng)注冊為Auto Trak，正式推向市場；f、1994年英國Cameo公司研制出SRD全旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向自動(dòng) 鉆井系統(tǒng)，1999年5月，Cameo公司與Schlumberger公司的Anadrill公司合并，將SRD系 統(tǒng)注冊為PowerDrive。
[0004] 按照旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向控制系統(tǒng)的原理分類，目前旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)形成了兩大發(fā)展方 向：一類是不旋轉(zhuǎn)外筒式閉環(huán)自動(dòng)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)，包括Baker Hughes公司的Auto Trak RC1S 系統(tǒng)和 Halliburton 公司的 Geo-Pilot 系統(tǒng)；另一類是以 Schlumberger Anadrill 公司的Power Driver SRD系統(tǒng)為代表的全旋轉(zhuǎn)自動(dòng)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)。然而這兩類旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向 系統(tǒng)在現(xiàn)場應(yīng)用時(shí)都有其局限性：依賴于隨鉆測量工具（MWD/LWD)來接收井下測量儀器的 信號和發(fā)送工作指令給井下偏置導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，即作業(yè)指令需要通過CPU編碼，利用鉆井液壓 力波動(dòng)實(shí)現(xiàn)上行和下行信號的傳遞，通常采用上行信號正脈沖和下行指令負(fù)脈沖的方式來 實(shí)現(xiàn)。由于受鉆井液脈沖信號在傳遞過程中的衰減和壓力信號波動(dòng)干擾等問題的影響，作 業(yè)指令往往不能及時(shí)有效的發(fā)送給井下偏置機(jī)構(gòu)，甚至出現(xiàn)信號干擾導(dǎo)致井下工具失效的 情況。
[0005] 應(yīng)該注意，上面對技術(shù)背景的介紹只是為了方便對本申請的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、 完整的說明，并方便本領(lǐng)域技術(shù)人員的理解而闡述的。不能僅僅因?yàn)檫@些方案在本申請的
【背景技術(shù)】部分進(jìn)行了闡述而認(rèn)為上述技術(shù)方案為本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本申請實(shí)施例的目的在于提供一種旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)及其控制方法，以避免利用正負(fù) 脈沖信號來實(shí)現(xiàn)指令的傳遞，保證井下工具的正常運(yùn)行。
[0007] 本申請實(shí)施例提供的一種旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)及其控制方法是這樣實(shí)現(xiàn)的：
[0008] -種旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)，包括偏置導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，井下傳感器以及井下控制中心，其中：
[0009] 所述偏置導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，包括外殼以及被所述外殼包裹的鉆柱；
[0010] 所述井下傳感器，位于所述偏置導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的外殼上，用來檢測所述鉆柱的轉(zhuǎn)速并 將所述轉(zhuǎn)柱的轉(zhuǎn)速發(fā)送至所述井下控制中心；
[0011] 所述井下控制中心，與所述偏置導(dǎo)向機(jī)構(gòu)和所述井下傳感器相連，用來根據(jù)所述 井下傳感器發(fā)來的所述轉(zhuǎn)柱的轉(zhuǎn)速，確定所述轉(zhuǎn)柱的轉(zhuǎn)速對應(yīng)的偏置導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的第一工具 面角和第一偏心距，并根據(jù)所述第一工具面角和第一偏心距調(diào)整所述偏置導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的工具 面角和偏心距。
[0012] -種旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的控制方法，包括：
[0013] 獲取偏置導(dǎo)向機(jī)構(gòu)中鉆柱的轉(zhuǎn)速；
[0014] 根據(jù)預(yù)先建立的鉆柱的轉(zhuǎn)速與偏置導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的工具面角和偏心距的對應(yīng)關(guān)系，確 定獲取的轉(zhuǎn)速對應(yīng)的偏置導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的第一工具面角和第一偏心距；
[0015] 根據(jù)確定的第一工具面角和第一偏心距，調(diào)整偏置導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的工具面角和偏心 距。
[0016] 本申請實(shí)施例提供的一種旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)及其控制方法，通過預(yù)先建立轉(zhuǎn)速與工具 面角和偏心距的對應(yīng)關(guān)系，可以由井下工具實(shí)現(xiàn)對偏置導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的自測自控，避免了與地 面設(shè)備的信號傳輸，從而可以避免泥漿脈沖信號的衰減或丟失，保證了井下工具的正常運(yùn) 行。
【附圖說明】
[0017]圖1為本申請?zhí)峁┑囊环N旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的控制方法的流程圖；
[0018] 圖2為本申請實(shí)施例支撐翼肋的支撐力矢量和示意圖；
[0019]圖3為本申請實(shí)施例提供的一種旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的功能模塊圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020] 為了使本技術(shù)領(lǐng)域的人員更好地理解本申請中的技術(shù)方案，下面將結(jié)合本申請實(shí) 施例中的附圖，對本申請實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施 例僅僅是本申請一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒旧暾堉械膶?shí)施例，本領(lǐng)域普通 技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其它實(shí)施例，都應(yīng)當(dāng)屬于本申請保護(hù) 的范圍。
[0021] 本申請實(shí)施例通過鉆井現(xiàn)場實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，在鉆井過程中鉆柱的轉(zhuǎn)數(shù)是一個(gè)相對穩(wěn)定 的、可控的鉆井參數(shù)。本申請實(shí)施例提供的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)及其控制方法可以在地面改變鉆 柱的轉(zhuǎn)速，然后利用井下傳感器檢測鉆柱的轉(zhuǎn)速，從而可以變相地獲取地面的控制指令。接 著通過井下控制中心執(zhí)行預(yù)先設(shè)置的程序，對偏置導(dǎo)向機(jī)構(gòu)進(jìn)行工具面角和偏心距的控 制，從而實(shí)現(xiàn)井下工具的自測自控，實(shí)現(xiàn)完全閉環(huán)導(dǎo)向系統(tǒng)。
[0022] 圖1為本申請?zhí)峁┑囊环N旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的控制方法的流程圖。雖然下文描述流程 包括以特定順序出現(xiàn)的多個(gè)操作，但是應(yīng)該清楚了解，這些過程可以包括更多或更少的操 作，這些操作可以順序執(zhí)行或并行執(zhí)行（例如使用并行處理器或多線程環(huán)境）。如圖1所 示，所述方法可以包括：
[0023] S1 :獲取偏置導(dǎo)向機(jī)構(gòu)中鉆柱的轉(zhuǎn)速。
[0024] 本申請實(shí)施例可以預(yù)先建立鉆柱的轉(zhuǎn)速與偏置導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的工具面角和偏心距的 對應(yīng)關(guān)系。該對應(yīng)關(guān)系可以是測井人員預(yù)先制定，并用key-value的形式存儲(chǔ)于井下控制 中心。其中，可以將鉆柱的轉(zhuǎn)速作為key，將偏置導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的工具面角和偏心距作為value。 井下控制中心根據(jù)鉆柱的轉(zhuǎn)速，便可以查詢到與該轉(zhuǎn)速對應(yīng)的工具面角和偏心距。當(dāng)然，鉆 柱的轉(zhuǎn)速與偏置導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的工具面角和偏心距的對應(yīng)關(guān)系還可以用其他形式進(jìn)行存儲(chǔ)，本 申請對此并不做限定。表1為本申請實(shí)施例建立的鉆柱的轉(zhuǎn)速與偏置導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的工具面角 和偏心距的對應(yīng)關(guān)系的不意表。
[0025] 表1轉(zhuǎn)速與偏置導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的工具面角和偏心距的對應(yīng)關(guān)系的不意表
[0026]
[0027] 從表1中可以看出，本申請實(shí)施例將偏置導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的工具面角以30°為間隔，分 為12組不同的工具面角，并且每個(gè)工具面角均對應(yīng)著三組不同的偏心距。這樣就形成了 36 組不同的工具面角與偏心距的組合。其中，每個(gè)組合均對應(yīng)著唯一的鉆柱的轉(zhuǎn)速，這樣便可 以實(shí)現(xiàn)鉆柱的轉(zhuǎn)速與工具面角和偏心距的一一對應(yīng)關(guān)系。例如，轉(zhuǎn)速76轉(zhuǎn)/分鐘對應(yīng)著 90°的工具面角以及較小的偏心距，轉(zhuǎn)速64轉(zhuǎn)/分鐘對應(yīng)著240°的工具面角以及中等的 偏心距。
[0028] 從表1中還可以看出鉆柱除了三個(gè)偏心距的狀態(tài)，還存在中位狀態(tài)，該中位狀態(tài) 對應(yīng)著多個(gè)不同范圍的轉(zhuǎn)速。這些不同范圍的轉(zhuǎn)速和上述與工具面角和偏心距一一對應(yīng)的 轉(zhuǎn)速也不相同，同樣具備唯一性的特征。
[0029] 在實(shí)際鉆井作業(yè)中，往往存在不同的鉆井模式。在本申請實(shí)施例中，所述鉆井模式 可以包括定向鉆井模式和穩(wěn)斜鉆井模式。其中，當(dāng)進(jìn)行定向鉆井模式時(shí)，需要計(jì)算出偏置導(dǎo) 向機(jī)構(gòu)的工具面角和偏心距，以保證定向的需求。計(jì)算出偏置導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的工具面角和偏心 距后，可以在地面調(diào)節(jié)鉆柱的轉(zhuǎn)速，使得鉆柱的轉(zhuǎn)速與計(jì)算出的工具面角和偏心距相對應(yīng)。 然后可以通過后續(xù)的檢測和調(diào)整步驟，實(shí)現(xiàn)對井下偏置導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的定向。當(dāng)進(jìn)行穩(wěn)斜鉆井 模式時(shí)，則無需計(jì)算偏置導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的工具面角和偏心距，只需要將鉆柱的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)為與中 位狀態(tài)對應(yīng)的轉(zhuǎn)速，然后可以通過后續(xù)的檢測和調(diào)整步驟，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)斜鉆井模式。
[0030] 在某些實(shí)施例中，確定了鉆井模式后，便可以根據(jù)確定的鉆井模式，調(diào)整所述鉆柱 的轉(zhuǎn)速。當(dāng)進(jìn)行定向鉆井模式時(shí)，計(jì)算出偏置導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的工具面角和偏心距后，可以在地面 調(diào)節(jié)鉆柱的轉(zhuǎn)速，使得鉆柱的轉(zhuǎn)速與計(jì)算出的工具面角和偏心距相對應(yīng)。當(dāng)進(jìn)行穩(wěn)斜鉆井 模式時(shí)，只需要在地面將鉆柱的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)為與中位狀態(tài)對應(yīng)的轉(zhuǎn)速即可。在實(shí)際操作時(shí)，目 前鉆機(jī)包括鉆盤驅(qū)動(dòng)和頂部驅(qū)動(dòng)，本申請實(shí)施例可以通過調(diào)節(jié)鉆機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的輸出功率來 調(diào)整所述鉆柱的轉(zhuǎn)速。
[0031] 由于鉆柱的轉(zhuǎn)速在地面和井下是保持一致的，因此在地面根據(jù)確定的鉆井模式調(diào) 整所述鉆柱的轉(zhuǎn)速后，井下鉆柱的轉(zhuǎn)速會(huì)同步調(diào)整。本申請實(shí)施例可以在偏置導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的 不旋轉(zhuǎn)外殼上安裝井下傳感器，從而可以由井下傳感器檢測偏置導(dǎo)向機(jī)構(gòu)中轉(zhuǎn)柱的轉(zhuǎn)速并 將所述轉(zhuǎn)速發(fā)送至井下控制中心。具體地，在本申請實(shí)施例中，所述井下傳感器可以包括轉(zhuǎn) 速計(jì)數(shù)器或轉(zhuǎn)速表中的至少一種。井下傳感器檢測出所述鉆柱的轉(zhuǎn)速后，可以將該轉(zhuǎn)速信 息發(fā)送至井下控制中心。所述井下控制中心同樣可以位于所述偏置導(dǎo)向機(jī)構(gòu)上，用來接收 所述井下傳感器發(fā)來的所述轉(zhuǎn)速以及其他井下工具發(fā)來的檢測信息以及向各種井下工具 發(fā)送控制指令。
[0032] S2 :根據(jù)預(yù)先建立的鉆柱的轉(zhuǎn)速與偏置導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的工具面角和偏心距的對應(yīng)關(guān) 系，確定獲取的轉(zhuǎn)速對應(yīng)的偏置導(dǎo)向機(jī)構(gòu)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傳感器發(fā)來的鉆柱的轉(zhuǎn)速后，可以根據(jù)步驟S1 中建立的鉆柱的轉(zhuǎn)速與偏置導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的工具面角和偏心距的對應(yīng)關(guān)系，確定該轉(zhuǎn)速對應(yīng)的 偏置導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的第一工具面角和第一偏心距。具體地，井下控制中心可以將接收到的轉(zhuǎn)速 作為key，檢索存儲(chǔ)的對應(yīng)關(guān)系中該key對應(yīng)的value，也就是該轉(zhuǎn)速對應(yīng)的工具面角和偏 心距。井下控制中心查找到該轉(zhuǎn)速對應(yīng)的工具面角和偏心距后，便可以