[发明专利]一种旋转导向钻井控制系统及其控制方法

摘要

本发明公开了一种旋转导向钻井控制系统及其控制方法，其中，控制系统包括地面控制系统、地面控制箱、旁通阀、MWD系统、具有解码单元的井下总控板以及能够控制导向工具中翼肋动作的主控板；还包括井下发电机、发电机安装段、耦合器以及用于安装该耦合器的耦合器安装段、近钻头姿态数据获取组件和电源板。控制方法包括以下步骤a、井口测试；b、获取近钻头姿态数据，设计井眼轨迹；c、下发指令；d、智能闭环控制。本发明所提出的旋转导向钻井控制系统及其控制方法能够帮助实现自动化、智能化、高效率钻井，取得了理想的控制效果。

主权项

一种旋转导向钻井控制系统的控制方法，所述的旋转导向钻井控制系统包括地面控制系统、地面控制箱、旁通阀、MWD系统、具有解码单元的井下总控板以及能够控制导向工具中翼肋动作的主控板；其中，所述地面控制系统包括安装有控制软件的上位机；所述地面控制系统与所述地面控制箱电性连接；所述旁通阀安装在与泥浆管道相连的旁通支管上，且所述旁通阀上的信号控制端与所述地面控制箱电性连接；所述泥浆管道用于输送钻井液并将导向工具和设置在地面的泥浆泵相连接；其特征在于，还包括井下发电机、发电机安装段、耦合器以及用于安装该耦合器的耦合器安装段、近钻头姿态数据获取组件和电源板；所述井下发电机固定安装在整体呈柱形且具有中空结构的发电机安装段的内部，所述发电机安装段的端部与导向工具上的耦合器安装段的端部相贯通并固定连接；所述井下总控板安装在所述耦合器安装段，所述井下总控板上具有与所述井下发电机的输出端相连的接收端，并用于接收所述井下发电机的生成的电能以及通过解码单元来对泥浆中携带的指令进行解码；所述井下总控板还具有与所述耦合器的原边线圈相连的连接端、与所述MWD系统信号相连的信号端；所述耦合器的副边线圈与所述主控板信号连接；所述近钻头姿态数据获取组件和电源板固定安装在导向工具上的电路仓中；其中，所述近钻头姿态数据获取组件包括Z向与所述电路仓同轴向设置的三轴加速度计，所述三轴加速度计与所述主控板信号连接；所述主控板的电源输送端通过电源板与电路仓中的蓄电池相连接；所述主控板与用于控制翼肋动作的液压机构的控制信号端相连接；所述控制方法包括以下步骤：a、井口测试将井眼轨道设计数据录入地面控制系统，形成轨道设计曲线，该轨道设计曲线包括设计靶区、设计分段数据、分段控制目标及允许出现的误差范围；同时将已钻轨迹数据录入地面控制系统；b、获取近钻头姿态数据，设计井眼轨迹下钻至造斜点时，暂停下钻，并通过三轴加速度计来获取井斜角α1，通过MWD系统来获取方位角通过MWD系统来上传主控板中通过所述三轴加速度计测得的井斜角α1；设目标井斜角和方位角分别为α2、导向工具的造斜率为KC,根据以下公式求解装置角ω和需钻井的井段长度ΔDm：cosω＝(cosα1cosγ‑cosα2)/sinα1sinγ   (2)由(1)式，可求得狗腿度γ，将狗腿度γ代入(2)式求得装置角ω；当为负值时，ω取负值，设cosω＝c，ω＝cos‑1c    (4)ω＝‑cos‑1c   (5)ΔDm＝30γ/KC       (6)c、下发指令将上步中计算得出的装置角ω、需钻井的井段长度ΔDm数值放入地面控制系统的指令中，后将所述指令下发至主控板；d、智能闭环控制主控板对指令进行存储；主控板根据近钻头姿态数据，并结合存储的指令对当前钻井状态进行分析，若近钻头姿态数据与指令之间的偏差在误差范围内，则按当前的指令继续自动钻进；若近钻头姿态数据与指令之间的偏差在误差范围外，则主控板通过计算来自行调整三块翼肋的执行动作并消除偏差，完成钻井的智能闭环控制；通过所述近钻头姿态数据获取组件来获取倾斜角和重力工具面角：倾斜角能反映出井下钻头的倾斜情况，倾斜角的范围为[0°,180°]计算公式为：因为倾斜角的范围为[0°,180°]，则可以根据z轴的大小来判定倾斜角：z>0时，倾斜角z<0时，倾斜角其中，x为由通过三轴加速度计测得的重力矢量在X轴的投影分量，y为由重力矢量在Y轴的投影分量；重力工具面角可用测得的重力矢量在X和Y轴的投影分量的比值求反正切后求得；其取值范围为[0°,360°]；如果x和y的值为0时，即当倾斜角为0°时，此式并不适用；反正切算法把对的求解分解为8个分段函数，简化了计算过程，可设定如下式：则T的值必然在[0°,45°]内，这样工具面角就可以在4个象限中分段表示为关于T的函数，重力工具面角的求解就转化成对T的计算；分段函数表示如下：所述主控板中根据其中存储的合力分解算法来自行调整三块翼肋的执行动作，所述合力分解算法如下：Fm=(233)*F*sin((120.0+Angle-F_Angle)*PI/180.0)]]>Fn=(233)*F*sin((F_Angle-Angle)*PI/180.0)]]>其中，F目标力大小，F_Angle目标力方向，Angle为当前重力工具面角角度值，PI为圆周率；三个翼肋分别为：翼肋A、翼肋B、翼肋C，且三个翼肋为等间距的分布；其中，定义翼肋A的工具面角为0°，则翼肋B和翼肋C的工具面角分别为120°和240°，据作用力和反作用力原理，F_Angle目标力方向必定位于相邻的两个翼肋之间，依照上述公式，即可计算得出分解到上述相邻两个翼肋中的其中一个翼肋的力大小Fm，以及上述相邻两个翼肋中的另一个翼肋的力大小Fn。