CN102278065B - 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 - Google Patents

Abstract

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，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。

Description

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

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。

所述测控系统还包括：与所述井下控制器连接的井斜测量仪；所述井斜测量仪，用于测量井斜及工具面角，根据所述井斜及工具面角获得所述旋转导向工具的实际位置；所述井下控制器，还用于根据所述偏心位移的要求，对所述旋转导向工具的实际位置进行闭环调整。

所述旋转导向工具还包括：连接所述测控系统的柔性短节，所述旋转导向工具通过所述柔性短节弯向所要求的偏心位移的方向。

所述旋转导向工具还包括：上稳定器，连接钻杆与所述柔性短节；下稳定器，连接所述测控系统和所述液压控制系统；所述上稳定器和所述下稳定器，用于保持所述旋转导向工具在钻井过程中的稳定，减少钻井过程中所述旋转导向工具的震动。

所述旋转导向工具还包括：位于所述测控系统两端的涡轮发电机，用于为所述旋转导向工具提供电力支持。

为实现上述目的，本发明实施例还提供一种对旋转导向工具的偏置机构进行控制的方法，所述偏置机构为前述实施例所述的偏置机构；所述方法包括：在所述偏置机构的外筒随着钻头旋转的过程中，根据所述偏置机构的偏心位移、近钻头的井眼直径以及所述钻头的转速，确定所述偏置机构中每个翼肋在每一测量时刻的目标伸缩位移；控制每个翼肋的实际伸缩位移满足所述目标伸缩位移的要求，使每个翼肋采用各自的目标伸缩位移顶住井壁，以实现所述偏置机构的偏心位移。

根据所述偏置机构的偏心位移、近钻头的井眼直径以及所述钻头的转速，确定所述偏置机构中每个翼肋在每一测量时刻的目标伸缩位移包括：根据所述偏置结构的转速以及每个翼肋的初始方位角，确定每个翼肋在每一测量时刻的方向角；根据所述偏心位移、所述井眼直径以及每个翼肋在每一测量时刻的方向角，确定每个翼肋在每一测量时刻的伸缩位移。

控制每个翼肋的实际伸缩位移满足所述目标伸缩位移的要求包括：测量每个翼肋的实际伸缩位移；将所述实际伸缩位移与所述目标伸缩位移进行比较，并通过闭环控制调整实际伸缩位移达到所述目标伸缩位移的要求。

本发明实施例的技术方法与装置，在偏置机构外筒旋转的情况下，利用液压控制系统驱动每个翼肋，把每个翼肋的伸缩位移作为被控变量，从而实现翼肋位移的连续可调，能够更准确地实现偏置机构的导向，系统运行稳定。

附图说明

图1a为本发明实施例偏置机构的横截面示意图；

图1b为本发明实施例偏置机构中的液压支撑机具详细结构图；

图2为本发明实施例偏置机构偏置原理示意图；

图3为对本发明实施例的偏置机构进行控制的方法流程图；

图4为本发明实施例偏置机构数学模型示意图；

图5为本发明实施例求解单个翼肋伸缩位移的细化流程图；

图6为本发明实施例单个翼肋液压控制原理图；

图7为本发明实施例旋转导向工具结构示意图；

图8为本发明实施例旋转导向工具的偏置方式示意图；

图9为本发明实施例液压短节横截面示意图；

图10为本发明实施例旋转导向工具的控制原理图。

附图标号：上稳定器1、柔性短节2，测控短节3，涡轮发电机4，下稳定器5，液压短节6，液压油路61，电液伺服阀62，偏置机构7，偏置机构支撑机具71，液压支撑翼肋711，非对称液压缸712，位移传感器713，偏置机构内筒72，偏置机构外筒73，钻头8。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例首先提供了一种偏置机构以及包含该偏置机构的旋转导向工具。本发明实施例偏置机构的外筒与钻头连接，在导向过程中外筒始终旋转，并且导向方式为推靠式；该偏置机构根据“位移工作方式”产生偏置，使钻头产生一个相对于井眼轴线的偏置角。包含该偏置机构的旋转导向工具在远钻头支点的位置安装一个柔性短节，并在尽量靠近钻头的位置安装偏置机构，偏置机构在液压控制系统的作用下，根据实际导向的要求产生所需要的偏心位移，通过控制偏置机构翼肋的伸缩实现导向作用。

本发明实施例还提供了一种对旋转导向工具的偏置机构进行控制的方法，具体包括：结合偏置机构的工作原理，根据轨道控制所需要的偏心位移，解算出偏置机构每个翼肋的目标伸缩位移，采用液压控制系统控制旋翼肋实际伸缩位移为解算出来的目标伸缩位移，从而达到系统所要求的偏心位移。本发明的技术方案，为动态旋转导向工具提供了理论依据。

本发明的技术方案可以有效解决现有技术中动态推靠式的三个问题。首先，本发明实施例不需要采用上盘阀和下盘阀的机构对翼肋进行控制，而是利用液压进行控制，利用液压控制系统驱动每个翼肋，把每个翼肋的伸缩位移作为被控变量，从而实现翼肋位移的连续可调，而不会出现瞬时导向力大小不可控；其次，由于不需要采用上盘阀和下盘阀的机构对翼肋进行控制，所以就不会出现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的情况；最后，由于不需要采用上盘阀和下盘阀的机构对翼肋进行控制，也不会出现钻进时高压钻井液连续冲蚀上下盘阀的情况。

实施例1：

本实施例首先提供了一种旋转导向工具的偏置机构。其中，该偏置机构的多个液压支撑机具安装在偏置机构的外筒上。液压支撑机具主要包括液压支撑翼肋、非对称液压缸、位移传感器等。液压支撑机具通过非对称液压缸左右两腔的压差推动支撑翼肋伸出外筒并直达井壁，在其动作过程中位移传感器实时测出支撑翼肋伸出的位移，由于支撑翼肋顶在井壁上，井壁对支撑翼肋的反作用力作为液压位置控制系统的干扰，从而满足控制要求的给定值。

图1a为本发明实施例偏置机构的横截面示意图，图1b为偏置机构中的液压支撑机具详细结构图。如图1a和图1b所示，该偏置机构包括：外筒73，与旋转导向工具的钻头连接，并与钻头共同旋转；多个液压支撑机具71，安装在外筒73的内侧壁上；每个液压支撑机具71包括：支撑翼肋711、非对称液压缸712和位移传感器713；支撑翼肋711一端位于支撑机具71上，另一端伸出外筒73；非对称液压缸712采用液压差推动支撑翼肋711的伸缩运动，控制支撑翼肋711按照目标伸缩位移伸出外筒73，并顶在钻井的井壁上；位移传感器713，实时测出支撑翼肋711伸出的实际位移，并将该实际位移反馈给旋转导向工具的液压控制系统，使该液压控制系统根据该目标伸缩位移对每个支撑翼肋711的实际位移进行闭环控制。如图1a所示，该偏置机构还包括内筒72，其为空心结构，用于通过钻井液。

本实施例旋转导向工具的偏置机构外筒是旋转的，在旋转的外筒上分布多个液压支撑翼肋，液压支撑机具通过液压控制系统对翼肋的伸缩位移进行控制。在液压控制系统中，每个翼肋有单独的液压驱动系统，形成一个闭环控制系统。在钻具旋转过程中，每个支撑翼肋都顶在井壁上，井壁对支撑翼肋的反作用力作为液压位置控制系统的干扰。当外筒旋转时，通过改变每个支撑翼肋的伸缩位移来产生一个偏心位移e，从而起到造斜的作用。

可选地，本发明实施例的多个液压支撑机具71均匀安装在偏置机构的外筒73上，本发明实施例的液压支撑机具71至少有三个。后续实施例中将以三个液压支撑机具71均匀安装在外筒73上为例进行说明。但是，可以理解的是，在实际的产品中，还可以有其他数量的液压支撑机具，并且其安装在外筒73上的位置也不是固定的，只要这些翼肋的伸缩位移共同作用的矢量和能够实现偏置机构的偏心位移即可。图2为本发明实施例偏置机构偏置原理示意图。

本发明实施例还提出了一种对前述偏置机构进行控制方法。由于该偏执机构的外筒不断旋转，为了实现按照所要求的偏心位移自动导向的功能，本发明实施例提出一种依靠井下导向工具的转速和偏心位移来确定三个支撑翼肋给定位移的方法。可选地，该新型偏置机构的外筒均匀分布三个支撑翼肋，每个支撑翼肋均由独立的液压控制系统驱动，形成单独的闭环控制系统，从而实现了对翼肋伸缩位移的连续可控。

本发明实施例偏执机构的翼肋位移控制方案为：每个翼肋由独立的液压控制系统驱动，并且把解算出来翼肋位移作为液压控制系统的给定值，形成单独的闭环控制系统。测控系统发出的指令达到各自要求的翼肋位移，通过液压控制系统使得旋转导向工具的三个翼肋在外筒旋转的情况下，伸出各自的支撑掌，到达所要求的翼肋位移，形成一个大的控制系统。

图3为对图1a所示的旋转导向工具的偏置机构进行控制的方法流程图。如图3所示，该方法包括：

S301、在偏置机构的外筒随着钻头旋转的过程中，根据偏置机构的偏心位移、近钻头的井眼直径以及钻头的转速，确定偏置机构中每个翼肋在每一测量时刻的目标伸缩位移；

S302、控制每个翼肋的实际伸缩位移满足目标伸缩位移的要求，使每个翼肋采用各自的目标伸缩位移顶住井壁，以实现偏置机构的偏心位移。

具体地，S301包括：根据偏置结构的转速以及每个翼肋的初始方位角，确定每个翼肋在每一测量时刻的方向角；根据偏心位移、井眼直径以及每个翼肋在每一测量时刻的方向角，确定每个翼肋在每一测量时刻的伸缩位移。

为了实现本发明实施例偏置机构的功能，设计之初首先要将偏心位移解算为翼肋的分位移。在钻井过程中通过实时测出偏置机构的转速、近钻头的井眼直径，根据所要求的偏心位移就可以解算出每个翼肋的伸缩位移。下面结合图4所示的偏置机构的数学模型来详细解释S301的过程。

如图4所示，以偏置工具剖面图的井眼中心作为坐标的原点，井眼高边所指的方位为x轴的正方向，沿x轴的正方向顺时针旋转90度为y轴的正方向。支撑翼肋的方位角为支撑翼肋与x轴正方向的夹角。三个支撑翼肋均匀分布于外筒上，与偏置工具外筒分别相交于E₁、E₂、E₃，而与井壁分别相交于A、B、C；首先求出E₁、E₂、E₃点的坐标，然后求出A、B、C坐标，则可以求出AE₁、BE₂、CE₃的位移，AE₁、BE₂、CE₃就是翼肋所要伸出的位移。但是翼肋会随着外筒旋转，如果要保持偏心位移不变，AE₁、BE₂、CE₃翼肋的位移就会根据不同的转速以及不同的测量时间发生变化，所以需要根据转速解算出每一测量时刻的翼肋位移。

再次参考图4，偏置机构内筒的半径为r，旋转外筒的半径为r_外，井眼的半径为R，假设r_外＝2r，则∠D₁E₁O₂＝30°。假设偏心位移矢量模值为e，方向为a，支撑翼肋的方位角θ为支撑翼肋A与x轴的夹角，O₂E₁与x轴的夹角为θ₁。当偏置工具开始工作时，首先检测出支撑翼肋A的方位角，因为三个翼肋均匀相差120度，所以只要测出翼肋A的方向角，其它两个翼肋的方向角也就可以得出。由于外筒旋转，三个翼肋会随着外筒转动，翼肋A的方位角也会变化，所以根据翼肋A方位角所在不同位置，解算出翼肋伸缩位移。图5为求解单个翼肋伸缩位移的细化流程图。

具体地，S302包括：测量每个翼肋的实际伸缩位移；将实际伸缩位移与目标伸缩位移进行比较，并通过闭环控制调整实际伸缩位移达到目标伸缩位移的要求。

本实施例偏置机构的基本控制原理为每个支撑翼肋均由独立的液压控制系统驱动，形成单独的闭环控制系统，从而实现了对翼肋伸缩位移的连续可调。利用液压控制系统控制偏置机构三支撑翼肋的伸缩位移，使得三翼肋的合位移矢量达到所需要的偏心位移矢量，实现导向作用。

图6为单个翼肋液压控制原理图。根据解算出来的每个支撑翼肋位移，液压控制系统的井下控制器不断发出指令，通过电液伺服阀和液压缸驱动支撑翼肋以满足各自要求的翼肋位移，每个支撑翼肋的实际位移是可测的，通过位移变送器返回实际位移，把支撑翼肋的实际位移与目标伸缩位移相比较后作偏差，通过井下控制器控制液压伺服系统，使得支撑翼肋能够快速、准确的响应。由于支撑翼肋顶在井壁上，井壁对支撑翼肋的反作用力作为液压位置控制系统的地层干扰，从而满足实际位移等于目标伸缩位移。

发明人利用SimulationX建立了旋转导向液压控制系统模型，进行了动态特性分析并进行了仿真，通过仿真结果可知，当给定值动态变化的情况下偏置机构的翼肋能够迅速的响应，所以采用本实施例的方法能够对支撑翼肋伸缩位移进行连续的控制。

实施例2：

本发明实施例提供了一种包含了实施例1所述的偏置机构的旋转导向工具。图7为本发明实施例旋转导向工具的结构示意图。图8为本发明实施例旋转导向工具的偏置方式示意图。如图8所示，本实施例旋转导向工具的偏置机构的工作方式是推靠钻头式，而且偏置机构的外筒是旋转的；本实施例的旋转导向工具采用“位移工作方式”，并最终使钻头产生一个相对于井眼轴线的偏置角实现导向。

如图7所示，本实施例的旋转导向工具至少包括：实施例1所述的偏置机构7以及与该偏置机构连接的液压控制系统(包含于液压短节6中)；该液压控制系统，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目标伸缩位移的要求。该偏置机构的外筒与钻头8连接，在导向过程中和钻头8同时旋转。由于偏置机构7的结构和原理已经在实施例1中详细描述，此处不再具体展开。

图9为本发明实施例旋转导向系统的液压短节3的横截面示意图。液压短节为偏置机构的液压支撑翼肋提供液压动力、控制液压支撑翼肋的伸缩。偏置机构是整个新型旋转导向系统的最为关键的部件，它可以驱动三个支撑翼肋使钻机工具产生偏置，从而起到导向的作用。三个电液伺服阀62均匀安装在液压短节3的夹壁中，而且每个电液伺服阀62配有两路液压油路孔61，电液伺服阀62可以控制翼肋液压缸的压差驱动支撑翼肋的伸缩。

本实施例的旋转导向工具还包括：连接液压控制系统的测控系统(包含于测控短节3中)。该测控系统至少包括：井下控制器，用于根据钻头的转速、近钻头的井眼直径以及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。

为了满足液压控制系统的要求，测控系统需要随钻测出偏置机构的转速以及近钻头的井眼直径。相应地，该测控系统还包括：与井下控制器连接的方位传感器；该方位传感器，用于测量每个支撑翼肋的初始方位角；该井下控制器，具体用于根据初始方位角和钻头的转速，获得每个支撑翼肋在每个测量时刻的方位角；根据支撑翼肋在每个测量时刻的方位角、偏置机构的偏心位移以及井眼直径，获得每个支撑翼肋在每个测量时刻的伸缩位移。

为了实现对井眼轨迹进行控制，也即对偏心位移进行控制，在钻井过程中测控系统还要随钻测出井斜及工具面角。相应地，该测控系统还包括：与井下控制器连接的井斜测量仪；该井斜测量仪，用于测量井斜及工具面角，根据井斜及工具面角获得旋转导向工具的实际位置；该井下控制器，还用于根据偏心位移的要求，对旋转导向工具的实际位置进行闭环调整。

本实施例的旋转导向工具还包括：连接测控系统的柔性短节2，旋转导向工具通过该柔性短节2弯向所要求的偏心位移的方向。当偏置机构产生偏心位移之后，旋转导向工具能够通过该柔性短节顺势弯向所要求的偏置位移的方向，它的作用与传统的弯接头的功能有些相似，但是传统的弯接头导向角发生变化时，弯接头需要更换，必须把钻井工具整体提升，而柔性短节解决了这个缺点，避免了对钻井工具不必要的提升。

本实施例的旋转导向工具还包括：上稳定器1，连接钻杆9与柔性短节2；下稳定器5，连接测控系统和液压控制系统；上稳定器1和下稳定器5，用于保持旋转导向工具在钻井过程中的稳定，减少钻井过程中旋转导向工具的震动。

本实施例的旋转导向工具还包括：位于测控系统两端的涡轮发电机4，用于为旋转导向工具提供电力支持。具体地，涡轮发电机4可以利用钻井液的压差进行发电，为测控制系统和液压系统进行供电。

图10为本发明实施例旋转导向工具的控制原理图。如图9所示，在钻井过程中，随钻测出井斜、外筒的转速、近钻头井径等参数，并把测得的数据送给井下控制器，井下控制器根据翼肋的初始方向角解算出三个翼肋的分位移。把解算出来的单个翼肋的分位移作为每个单独液压控制系统的给定值，由于每个翼肋有单独的液压控制系统以及液压缸，每个翼肋控制就形成一个闭环控制系统，即形成了井下闭环控制原理。

本发明实施例旋转导向工具的偏置机构的三个液压支撑机具均匀安装在外筒周围，三个支撑翼肋不断调整各自的翼肋位移，从而满足所要求的偏心位移。该旋转导向工具的测控系统时刻检测出近钻头的井斜和井斜方位，监控井眼钻进的实际轨道，利用轨道控制理论对实际轨道和预制轨道进行偏差矢量控制。测控系统还根据偏置机构的转速、近钻头的井眼直径、偏心位移(偏差矢量)解算出每个偏置翼肋的伸缩位移，利用液压位置系统控制翼肋达到所要求的位移。每个翼肋控制形成一个闭环控制回路，而且翼肋的瞬时伸缩位移满足控制目标。

本发明实施例的技术方法与装置，在偏置机构外筒旋转的情况下，利用液压控制系统驱动每个翼肋，把每个翼肋的伸缩位移作为被控变量，从而实现翼肋位移的连续可调，能够更准确地实现偏置机构的导向，系统运行稳定。

以上实施例仅用以说明本发明实施例的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明实施例进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (12)

1.一种旋转导向工具的偏置机构，其特征在于，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。

2.根据权利要求1所述的旋转导向工具的偏置机构，其特征在于，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，每个支撑翼肋均由独立的液压控制系统驱动，形成单独的闭环控制系统，以实现每个支撑翼肋的实际位移的连续可调；每一个支撑翼肋在每一测量时刻的目标伸缩位移，是由与所述液压控制系统连接的测控系统根据偏置机构的偏心位移、近钻头的井眼直径以及所述钻头的转速进行测算而得到。

3.一种旋转导向工具，其特征在于，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。

4.根据权利要求3所述的旋转导向工具，其特征在于，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。

5.根据权利要求4所述的旋转导向工具，其特征在于，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。

6.根据权利要求5所述的旋转导向工具，其特征在于，所述测控系统还包括：与所述井下控制器连接的井斜测量仪；

所述井斜测量仪，用于测量井斜及工具面角，根据所述井斜及工具面角获得所述旋转导向工具的实际位置；

所述井下控制器，还用于根据所述偏心位移的要求，对所述旋转导向工具的实际位置进行闭环调整。

7.根据权利要求4所述的旋转导向工具，其特征在于，所述旋转导向工具还包括：连接所述测控系统的柔性短节，所述旋转导向工具通过所述柔性短节弯向所要求的偏心位移的方向。

8.根据权利要求7所述的旋转导向工具，其特征在于，所述旋转导向工具还包括：

上稳定器，连接钻杆与所述柔性短节；

下稳定器，连接所述测控系统和所述液压控制系统；

所述上稳定器和所述下稳定器，用于保持所述旋转导向工具在钻井过程中的稳定，减少钻井过程中所述旋转导向工具的震动。

9.根据权利要求4所述的旋转导向工具，其特征在于，所述旋转导向工具还包括：

位于所述测控系统两端的涡轮发电机，用于为所述旋转导向工具提供电力支持。

10.一种对旋转导向工具的偏置机构进行控制的方法，其特征在于，所述偏置机构为权利要求1或2所述的偏置机构；所述方法包括：

在所述偏置机构的外筒随着钻头旋转的过程中，根据所述偏置机构的偏心位移、近钻头的井眼直径以及所述钻头的转速，确定所述偏置机构中每个翼肋在每一测量时刻的目标伸缩位移；

控制每个翼肋的实际伸缩位移满足所述目标伸缩位移的要求，使每个翼肋采用各自的目标伸缩位移顶住井壁，以实现所述偏置机构的偏心位移。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，根据所述偏置机构的偏心位移、近钻头的井眼直径以及所述钻头的转速，确定所述偏置机构中每个翼肋在每一测量时刻的目标伸缩位移包括：

根据所述偏置结构的转速以及每个翼肋的初始方位角，确定每个翼肋在每一测量时刻的方向角；

根据所述偏心位移、所述井眼直径以及每个翼肋在每一测量时刻的方向角，确定每个翼肋在每一测量时刻的伸缩位移。

12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，控制每个翼肋的实际伸缩位移满足所述目标伸缩位移的要求包括：

测量每个翼肋的实际伸缩位移；

将所述实际伸缩位移与所述目标伸缩位移进行比较，并通过闭环控制调整实际伸缩位移达到所述目标伸缩位移的要求。

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