一种基于偏心距相等的旋转导向钻井工具控制方法

摘要

一种基于偏心距相等的旋转导向钻井工具控制方法，运用三个原动力直接驱动旋转外套、内偏心环、外偏心环，使三者获得速度，通过调节外偏心环速度ω

说明书

技术领域

本发明属于旋转导向钻井技术领域，具体涉及一种基于偏心距相 等的偏心环偏置导向动态偏置指向式旋转导向钻井工具的控制方法。

背景技术

目前的井下旋转导向钻井工具按工作方式基本可以分为：静态偏 置推靠式、动态偏置(调制式)推靠式、静态偏置指向式和动态偏置 指向式四类。推靠式旋转导向钻井工具是通过液压缸控制钻具进行导 向，该种导向方法在实现钻头导向的过程中会产生很大的推靠力，对 地层适应能力差，钻头和钻头轴承的磨损较严重,工作寿命短，且结 构复杂不易小型化。现有天津大学静态偏置指向式钻井工具是通过中 空万向联轴节、两个伺服电机和一套传动系统进行导向控制，但是其 并没有给出具体的控制方法，而且在工作中芯轴承受高强度的交变应 力,芯轴容易发生疲劳破坏。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提出了一种基 于偏心距相等的旋转导向钻井工具控制方法，通过使用三个原动力分 别直接驱动内偏心环、外偏心环和旋转外套进行控制，减少了空间机 构，极大的节约工具内部空间；导向过程连续无间隙，导向轴轴指向 精度高；改善了钻具的受力状况，具有更长寿命；既不受地层的影响， 又能实现井眼轨迹的精确控制；同时具有反应的快速性、较高的可靠 性和良好的稳定性。

一种基于偏心距相等的旋转导向钻井工具控制方法，所涉及的钻 井工具包括旋转外套11，在旋转外套11内从左至右依次连接有偏心 机构、导向轴7、扭矩传递机构8及密封装置9；偏心机构包括内偏 心环4和外偏心环3，内偏心环4安装在外偏心环3内部，且套接在 球座10上，内偏心环4通过第二法兰5右端面与第二无框电机6的 输出轴连接，外偏心环3通过第一法兰2的右端面与第一无框电机1 的输出轴连接，内偏心环4和外偏心环3均通过法兰与无框电机直接 连接并由无框电机直接驱动，导向轴7的左端插入球座10中，导向 轴7右端装有扭矩传递机构8，扭矩传递机构8右端设置有密封装置 9，控制方法包括以下步骤：

步骤一、当需要进行导向钻进时，首先确定导向角度的大小和导 向方位；

步骤二、调节外偏心环速度ω₁与内偏心环速度ω₂，外偏心环速 度ω₁、内偏心环速度ω₂与导向角之间存在一定关系，导向角为导向 轴4与钻井工具轴线的夹角，导向偏心距ρ与导向角的大小成正比关 系且与工具结构有关，所以导向角与外偏心环速度ω₁、内偏心环速 度ω₂的关系表示为：

$\rho =\sqrt{2}e\sqrt{1+cos({\omega }_2{t}_1-{\omega }_1{t}_1)}$

式中ρ为导向偏心距，mm；e为内、外偏心环偏心距，mm；ω₁为外 偏心环速度，rad/s；ω₂为内偏心环速度，rad/s；t₁为导向角调节时间， s；

步骤三、当导向角调节到预定位置，需要调节外偏心环速度ω₁与内偏心环速度ω₂将导向角稳定在该位置处，则外偏心环速度ω₁与 内偏心环速度ω₂就有如下关系：

ω₁＝ω₂；

步骤四、当导向角调节到预定位置后，接下来对导向方位γ进行 调节，外偏心环速度ω₁、内偏心环速度ω₂与旋转外套速度ω₃的旋转 方向始终相反；在导向角调节过程中，导向方位γ与外偏心环速度ω₁、 内偏心环速度ω₂、旋转外套速度ω₃存在如下关系：

$\gamma =\frac{{\omega }_1+{\omega }_2}{2}{t}_1-{\omega }_3{t}_1$

当导向角调节完成后，导向方位γ与外偏心环速度ω₁、内偏心环 速度ω₂、旋转外套速度ω₃存在如下关系：

$\gamma =\frac{{\omega }_1+{\omega }_2}{2}{t}_1+{\omega }_2{t}_2-{\omega }_3(t_1+t_2)$

或$\gamma =\frac{{\omega }_1+{\omega }_2}{2}{t}_1+{\omega }_1{t}_2-{\omega }_3(t_1+t_2)$

式中：γ为导向方位，rad；ω₁为外偏心环速度，rad/s；ω₂为内 偏心环速度，rad/s；ω₃为旋转外套速度，rad/s；t₁为导向角调节时间， s；t₂为导向方位时间，s；

步骤五、当导向方位γ调节到预定位置处时，将导向方位γ稳定 在预定位置处，此时，外偏心环速度ω₁、内偏心环速度ω₂、旋转外 套速度ω₃存在如下关系：

ω₁＝ω₂＝ω₃

此时导向完成，导向方位γ的值为：

$\gamma =\frac{{\omega }_1+{\omega }_2}{2}{t}_1+{\omega }_2{t}_2-{\omega }_3(t_1+t_2)$

或$\gamma =\frac{{\omega }_1+{\omega }_2}{2}{t}_1+{\omega }_1{t}_2-{\omega }_3(t_1+t_2)$

式中：γ为导向方位，rad；ω₁为外偏心环速度，rad/s；ω₂为内 偏心环速度，rad/s；ω₃为旋转外套速度，rad/s；t₁为导向角调节时间， s；t₂导向方位时间，s。

本发明的控制原理为：

运用三个原动力直接驱动旋转外套、内偏心环、外偏心环，使三 者获得速度，通过调节外偏心环速度ω₁、内偏心环速度ω₂、旋转外 套速度ω₃，使外偏心环、内偏心环、旋转外套三者产生相对位移， 进而改变导向轴的空间姿态实现对旋转导向钻井工具导向方位和导 向角的调节。当导向角调节到预定位置处时通过调节外偏心环速度 ω₁与内偏心环速度ω₂，使外偏心环、内偏心环二者相对静止。当导 向方位调节到预定位置处时通过调节外偏心环速度ω₁、内偏心环速 度ω₂、旋转外套速度ω₃，使外偏心环、内偏心环、旋转外套三者相 对静止完成导向。

本发明的优点：三个原动力分别直接驱动内、外偏心环和旋转外套进 行控制，减少了空间机构，极大的节约了工具内部空间，导向过程连 续无间隙，导向轴指向精度高；改善了钻具的受力状况，具有更长寿 命；导向既不受地层的影响，又能实现井眼轨迹的精确控制；同时具 有反应的快速性、较高的可靠性和良好的稳定性。

附图说明

图1是动态偏置旋转导向钻井工具简图。

图2偏心结构示意图。

图3偏心结构运动模型。

图4导向角调节模拟图。

图5导向方位调节模拟图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细叙述。

参照图1，一种基于偏心距相等的旋转导向钻井工具控制方法， 所涉及的钻井工具包括旋转外套11，在旋转外套11内从左至右依次 连接有偏心机构、导向轴7、扭矩传递机构8及密封装置9；偏心机 构包括内偏心环4和外偏心环3，内偏心环4安装在外偏心环3内部， 且套接在球座10上，内偏心环4通过第二法兰5右端面与第二无框 电机6的输出轴连接，外偏心环3通过第一法兰2的右端面与第一无 框电机1的输出轴连接，内偏心环4和外偏心环3均通过法兰与无框 电机直接连接并由无框电机直接驱动，导向轴7的左端插入球座10 中，导向轴7右端装有扭矩传递机构8，扭矩传递机构8右端设置有 密封装置9，控制方法包括以下步骤：

步骤一、由随钻测量工具或随钻测井工具测量出井眼轨迹，然后 根据测量所得的数据确定可控弯接头所要调节的导向角与导向方位 的值。

步骤二、参照图2对偏心环组建立运动学模型如图3,调节外偏心 环速度ω₁与内偏心环速度ω₂，外偏心环速度ω₁、内偏心环速度ω₂与导向角之间存在一定关系，导向角为导向轴4与钻井工具轴线的夹 角，导向偏心距ρ与导向角的大小成正比关系且与工具结构有关，所 以导向角与外偏心环速度ω₁、内偏心环速度ω₂的关系可表示为：

$\rho =\sqrt{2}e\sqrt{1+cos({\omega }_2{t}_1-{\omega }_1{t}_1)}$

式中：ρ为导向偏心距，mm；e为内、外偏心环偏心距，mm；ω₁为 外偏心环速度，rad/s；ω₂为内偏心环速度，rad/s；t₁为导向角调节时 间，s。

导向角调节，即对导向偏心距ρ的大小先进行调节，可以通过 (ω₂t-ω₁t)的差值实现连续调节，从调角公式可以看出导向偏心距ρ具 有周期性。

(ω₂t-ω₁t)/(2π)＝n+α

式中：n为整数；α为单位时间内角度调节初量，rad/s。

随着时间的增加ρ值在0～2e之间连续变化，通过调节单位时间 内角度调节初量α的值实现角度调节的快慢。

步骤三、当导向角调节到预定位置，就需要调节外偏心环速度ω₁与内偏心环速度ω₂将导向角稳定在该位置处，则外偏心环速度ω₁与 内偏心环速度ω₂就有如下关系：

ω₁＝ω₂

当导向角调节到预定位置处时，接下来就必须研究如何让角度稳 定到该位置处。以导向偏心距增量为切入点研究导向偏心距的变化， 首先对ρ关于t求导：

$\frac{d\rho }{dt}=-\frac{\sqrt{2}}{2}e·\frac{sin({\omega }_{2}t-{\omega }_{1}t)·({\omega }_2-{\omega }_1)}{1+cos({\omega }_{2}t-{\omega }_{1}t)}$

dρ/dt的值为ρ在单位时间内的增量，要使ρ稳定在某一值处， 其增量dρ/dt的值要恒于零。要dρ/dt恒等于零，必有：

(ω₁-ω₂)·t＝n·π(1)

ω₁-ω₂＝0(2)

上式中n为整数。

式(1)是与时间t有关的稳定状态，是一种瞬时稳态并不能满足实 际工作需求；式(2)的稳定状态与时间无关是一个持续稳定状态，满足 实际工作需要。因此要使角度随时间保持不变必有ω₁＝ω₂。

图4为本发明的导向角调节过程模拟图，在角度调节模拟过程 中，曲线a各参数为ω₁＝7·π/90，ω₂＝4·π/45，曲线b各参数为ω₁＝7·π/90， ω₂＝17·π/180，调节时间同为9s。图4证明了本发明导向角的调节与 维持可以实现。

步骤四、当导向角调节到预定位置后，接下来对导向方位γ进行 调节，外偏心环速度ω₁、内偏心环速度ω₂与旋转外套速度ω₃的旋转 方向始终相反。在导向角调节过程中，导向方位γ与外偏心环速度ω₁、 内偏心环速度ω₂、旋转外套速度ω₃存在如下关系：

$\gamma =\frac{{\omega }_1+{\omega }_2}{2}{t}_1-{\omega }_3{t}_1$

当导向角调节完成后，导向方位γ与外偏心环速度ω₁、内偏心环 速度ω₂、旋转外套速度ω₃存在如下关系：

$\gamma =\frac{{\omega }_1+{\omega }_2}{2}{t}_1+{\omega }_2{t}_2-{\omega }_3(t_1+t_2)$

或$\gamma =\frac{{\omega }_1+{\omega }_2}{2}{t}_1+{\omega }_1{t}_2-{\omega }_3(t_1+t_2)$

式中：γ为导向方位，rad；ω₁为外偏心环速度，rad/s；ω₂为内 偏心环速度，rad/s；ω₃为旋转外套速度，rad/s；t₁为导向角调节时间， s；t₂为导向方位时间，s。

当导向角调节完成后即有ω₁＝ω₂，此时如需进行导向方位调节并 保持所调好的导向角度保持不变，须对内、外偏心环速度同时调节相 同的量。

此时ω₁＝ω₂，所以γ＝t·(ω₁+ω₂)/2-ω₃·t就变成了γ＝ω₁·t-ω₃·t，方位 角γ也具有周期性。

γ/2π＝(ω₁t-ω₃t)/(2π)＝n+β

式中：n为整数；β为单位时间内方位调节量，rad/s。

当改变单位时间内偏心环组相对于旋转外套转过的角度β时，随 着时间的增加偏心环组以β为步长可到达任一指定方位。

步骤五、当导向方位γ调节到预定位置处时，也需将导向方位γ 稳定在预定位置处。此时，外偏心环速度ω₁、内偏心环速度ω₂、旋 转外套速度ω₃存在如下关系：

ω₁＝ω₂＝ω₃

此时导向完成，导向角γ的值为：

$\gamma =\frac{{\omega }_1+{\omega }_2}{2}{t}_1+{\omega }_2{t}_2-{\omega }_3(t_1+t_2)$

或$\gamma =\frac{{\omega }_1+{\omega }_2}{2}{t}_1+{\omega }_1{t}_2-{\omega }_3(t_1+t_2)$

式中：γ为导向方位，rad；ω₁为外偏心环速度，rad/s；ω₂为内 偏心环速度，rad/s；ω₃为旋转外套速度，rad/s；t₁为导向角调节时间， s；t₂为导向方位时间，s。

在进行导向方位调节时，当导向方位到达预定位置时需要将其稳 定在预定位置处。与导向角调节所用方法相同也从增量角度入手，先 对调方位公式进行求导，即对γ关于t进行求导：

$\frac{d\gamma }{dt}=\frac{{\omega }_1+{\omega }_2}{2}-{\omega }_3$

dγ/dt是γ在单位时间内的增量，要使γ的值保持不变，则dγ/dt 的值必须恒等于零。那么：

$\frac{{\omega }_1+{\omega }_2}{2}={\omega }_3$

调节导向方位到达工作位置后立即使ω₁＝ω₂＝ω₃，即可将方位稳 定到该位置处。

图5为导向方位调节仿真过程图，曲线c中各参数为ω₁＝7·π/90， ω₂＝4·π/45，ω₃＝π/15，曲线d中各参数为ω₁＝7·π/90，ω₂＝17·π/180， ω₃＝π/15，调节时间同为25s。图5证明了本发明导向方位的调节与维 持可以实现。