[发明专利]旋转导向工具

说明书

技术领域

本发明涉及石油钻井领域，特别是一种旋转导向工具。

背景技术

目前，在钻井领域中，旋转导向钻井在旋转钻井过程中能够根据井眼轨迹控制的需要，实时调节井斜和方位，从而提高钻井速度，因此旋转导向钻井得到了广泛的应用。

在旋转导向钻井装置中，最重要的是旋转导向工具。常见的旋转导向工具包括有旋转芯轴及控制系统。旋转芯轴的上游端部与钻柱相连，下游端部与钻头相连以实现钻进，在旋转芯轴上设置有能凸出而顶靠井壁的翼肋，以及与驱动翼肋运动的动力器件。控制系统则包括各种测量传感器和用于控制各种动力器件动作的控制器。

根据导向方式的不同，旋转导向钻井装置可分为推靠式和指向式两种类型。其中推靠式能产生较大的侧向力而应用广泛，在推靠式旋转导向装置中，翼肋均匀分布于工具外壳上，并由液压力驱动。液压力的产生由控制系统控制以使得翼肋伸向井壁或缩回。在进行导向时，控制系统产生液压控制信号，使钻柱内部的高压钻井液或液压泵产生的高压通过液压通道，进入相应的翼肋支撑液压腔中，从而推动翼肋凸出并顶靠井壁。随着钻柱的旋转，每个翼肋都在预定的导向方向凸，从而通过旋转芯轴的偏移在钻头处产生侧向力，实现旋转导向钻井装置工具的导向。

为了精确地控制导向方向，需要根据井眼轨迹准确地发出控制信号，执行单元快速响应，使翼肋准确地在预定位置推靠井壁。但是，这在实际情况中难以实现，特别是执行单元的响应延迟会导致翼肋不能及时凸出，从而导致导向方向出现偏差，降低了旋转导向钻井的精度。

发明内容

针对现有技术中所存在的上述技术问题，本发明提出了旋转导向工具。这种旋转导向工具能够精确地确定翼肋开始凸出时的翼肋的角位置θ_start，从而提高了旋转导向钻井精度。

根据本发明，提出了一种旋转导向工具，其包括转动的芯轴以及能在液压力下凸出芯轴表面并顶触井壁而使芯轴偏转的翼肋，测量驱动翼肋运动的液压力的液压传感器、芯轴转速传感器、用于测定翼肋的位置的工具面测量单元以及处理来自液压传感器、芯轴转速传感器和工具面测量单元的数据并由此控制翼肋向外凸出的控制器，在钻井期间，控制器根据翼肋预定凸出到位的角位置θ_up，芯轴的角速度ω、翼肋在液压力作用下从原始位置到凸出到位所需要的时间T来计算出指示翼肋开始凸出时的翼肋的角位置θ_start。

根据本发明的旋转导向工具，由于翼肋在液压力作用下从原始位置到凸出到位，需要时间T，因此考虑时间T来计算角位置θ_start，使得翼肋凸出到位的角位置θ_up始终处于预定的范围内，从而提高钻井的精确性。

在一个实施例中，以弧度来计算，角位置θ_start=2π－Tω±θ，其中θ是角位置补偿。由于在钻井过程中，钻具和旋转导向工具还会受到其他因素的影响，例如，翼肋与井壁之间的碰撞方式和缩回量不确定，设备受温度影响而导致响应延迟，这些因素都会导致难以精确确定角位置θ_start，角位置补偿θ补偿了这些因素的影响，从而进一步提高钻井的精确性。

在一个实施例中，在钻井之前，预先设定芯轴的转速最大变化量Δω_max、最大液压力P_max、最小液压力P_min以及当液压力P大于P_max或小于P_min之外时的角位置补偿θ_l，在使用旋转导向工具实施偏转时，通过芯轴转速传感器测量芯轴的转速变化量Δω，当芯轴的转速变化量Δω小于Δω_max，并且液压力P处于P_max和P_min之间时，角位置补偿θ等于零。

在一个实施例中，当液压力P小于P_min时，角位置补偿θ=θ_l，角位置θ_start=2π－Tω－θ。在另一个实施例中，当液压力P恒小于P_min时，则系统故障。

在一个实施例中，当液压力P大于P_max时，角位置补偿θ=θ_l，角位置θ_start=2π－Tω+θ。在另一个实施例中，当液压力P恒大于P_max时，则系统故障。