[发明专利]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

说明书

技术领域

本发明涉及石油钻井技术领域，特别涉及一种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。

背景技术

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。

发明内容

本发明实施例提供一种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，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，本发明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匀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，本发明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。