CN102383777B - 一种用于旋转导向钻井系统的测控装置及其测控方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于旋转导向钻井系统的测控装置及测控方法，包括微处理器模块、数据采集模块、驱动模块、数据通讯模块、数据存储模块和电源管理模块。1)在地面对控制指令进行压力脉冲编码，传到井下微处理器模块；2)系统初始化并自检，检测主CPU是否正常工作，如不能正常切换到冗余CPU；3)微处理器模块对压力脉冲进行解码，得到压力脉冲下传的指令；4)系统采集数据，求得当前旋转导向钻井工具所处位置的井斜角、高边工具面角和偏心位移量、执行机构的位移伸出量；5)解码脉冲指令，对计算得到的执行机构位移伸出量执行PID控制，调整出执行机构的位移伸出量。本发明用于静态偏置指向式旋转导向钻井工具，可以准确测量工具偏心位移量，同时对翼肋的伸缩量控制也更精确。

Description

一种用于旋转导向钻井系统的测控装置及其测控方法

技术领域

本发明属于钻井测控技术领域，涉及一种钻井测控装置及其测控方法，具体地讲是关于一种用于旋转导向钻井系统的测控装置及其测控方法。

背景技术

旋转导向钻井技术已经在石油钻井领域得到广泛的应用。在定向井、大位移井、三维轨迹井、复杂油气井作业中，使用旋转导向钻井技术，能够显著地降低作业风险，提高钻井效率，降低开发成本。

目前所采用的旋转导向钻井工具，根据工作方式，可以分为以下3种类型：静态偏置推靠式、动态偏置推靠式和静态偏置指向式。其中测控装置是旋转导向钻井工具的核心。对于静态偏置指向式旋转导向钻井工具，其测控装置主要完成以下任务：(1)采集井下的工况参数；(2)将接收到的压力脉冲信号解码为控制指令；(3)控制翼肋的伸缩，实现旋转导向钻井工具空间姿态的调整。

经对现有技术的公开文献检索发现，虽然指出了旋转导向钻井工具测控装置的工作原理，并提出针对静态偏置指向式旋转导向钻井工具的测控方法，但是，仅限于是一种设想，并没有考虑实际应用的可实施性；同时，也没有考虑实际应用中，为保证测控装置功能模块的正常工作，需要进行处理器的冗余设计。

发明内容

为了使钻井工具偏心位移量测量的更准确，同时对翼肋的伸缩量控制的更精确，本发明着重提出一种用于旋转导向钻井系统的测控装置及测控方法。该装置能够在旋转导向钻井系统进行钻井作业时，根据在井下所接收到的压力脉冲命令，控制旋转导向钻井系统的工作状态，同时将旋转导向钻井系统的工作参数实时上传。

本发明为实现上述目的，采取以下技术方案：一种用于旋转导向钻井系统的测控装置，其特征在于：包括微处理器模块、数据采集模块、驱动模块、数据通讯模块、数据存储模块和电源管理模块；数据采集模块一端与钻井系统的压力传感器、温度传感器、位移传感器、加速度计连接，另一端与微处理器模块连接，将采集到的压力、温度、位移和加速度分量信号调理后传输到微处理器模块；驱动模块一端与微处理器模块连接，另一端与执行机构连接，接收微处理器模块的信息，控制执行机构的运动；数据通讯模块一端与微处理器模块连接，另一端与随钻测量工具连接；数据存储模块与微处理器模块连接，存储工作参数数据；电源管理模块负责先将井下交流电进行整流稳压处理成为直流电，再进行电压转换将直流电压分压，为测控装置提供所需电力。

所述微处理器模块设置了主CPU和冗余CPU，当系统检测到主CPU无法正常工作时，自动切换到冗余CPU进行工作。

所述数据通讯模块与微处理器模块之间采用RS485协议通讯，与随钻测量工具之间采用1553b协议通讯。

所述数据存储模块采用NorFlash作为存储介质。

一种利用所述测控装置进行旋转导向钻井系统测控的方法，其特征在于：包括如下操作：

1)在地面对控制指令进行压力脉冲编码，该编码通过开关泥浆泵所形成的压力脉冲传送到井下；

2)同时对测控装置进行系统初始化并自检，系统检测测控装置的主CPU是否能够正常工作，如不能正常将自动切换到冗余CPU进行工作；

3)微处理器模块对压力脉冲实时进行解码，得到压力脉冲所下传的指令数据；

4)解码同时，系统进行数据采集，通过空间姿态解算，求得当前旋转导向钻井工具所处位置的井斜角和高边工具面角；

5)利用测得的执行机构的位移数据，通过位移矢量合成算法，求得当前旋转导向钻井工具的偏心位移量；

6)根据已得数据，计算执行机构的位移伸出量；

7)系统根据解码脉冲指令，在脉冲指令下，对计算得到的执行机构位移伸出量执行PID控制，调整执行机构的位移伸出量，从而得到旋转导向钻井工具的目标偏心位移量；

8)系统实时进行数据存储及上传。

在步骤1)中，采用泥浆脉宽调制编码方法，定义一个最小脉冲宽度，其他脉冲宽度均是最小脉冲宽度的整数倍，编码格式采用如下形式：同步码A+信息码+同步码B。

在步骤4)中，解算井斜角和高边工具面角的方法如下：

①取三个重力加速度计测得X、Y、Z三个轴的重力加速度值G_x、G_y和G_z；

②通过G_x、G_y和G_z计算重力加速度合成值： $g=\sqrt{G_x+G_y+G_z};$

③通过G_x、G_y和G_z计算井斜角 $\mathrm{DEV}=\arctan (\sqrt{G_x^2+G_y^2}/G_z);$

④通过G_x、G_y和G_z计算高边工具面角 $\mathrm{RB}=\arctan (-\frac{G_y}{G_z}).$

在步骤5)中，解算偏心位移量的方法如下：

执行机构即三个翼肋在旋转导向工具的不旋转外套上处于同一径向截面上，因此以旋转导向工具翼肋所在截面处的井眼中心作为坐标原点建立坐标系，从井口向井底看，井眼高边径向所指方向为x轴正方向，沿x轴正方向顺时针旋转90°为y轴正方向，设三个翼肋同时伸出与井壁接触，工具中心与井眼中心相重合时翼肋长度为原始长度，分别为OA、OB、OC，即为井眼半径R；

实际工作时由于三个翼肋相对于工具的伸出量不同，使工具中心相对于井眼中心形成了一个偏心位移e，此时定义三个翼肋长度分别为O′A′、O′B′、O′C′，设三个翼肋的独立伸缩使工具中心形成的位移矢量分别为

与x轴夹角分别为α₁、α₂、α₃，则有：

$\left\{\begin{array}{c}\left|e_1\right|=|O^{\′}{A}^{\′}-\mathrm{OA}|\\ \left|e_2\right|=|O^{\′}{B}^{\′}-\mathrm{OB}|\\ \left|e_3\right|=|O^{\′}{C}^{\′}-\mathrm{OC}|\end{array}\right.$

θ为翼肋的工具面角，由步骤4)中空间姿态解算得到，合成偏心位移即为e，其在坐标轴上的分量为e_x和e_y，其与x轴夹角为α：

$\left\{\begin{array}{c}{e}_x=e\cos \mathrm{\α}=e_1\cos {\mathrm{\α}}_1+e_2\cos {\mathrm{\α}}_2+e_3\cos {\mathrm{\α}}_3\\ e_y=e\sin \mathrm{\α}=e_1\sin {\mathrm{\α}}_1+e_2\sin {\mathrm{\α}}_2+e_3\sin {\mathrm{\α}}_3\end{array}\right.$

得

$e=\sqrt{e_x^2+e_y^2},$

$\mathrm{\α}=\mathrm{arctg}\left(\frac{e_y}{e_x}\right).$

在步骤6)中，计算执行机构的位移伸出量方法为：

建立坐标系，原点O′₁的坐标为(e′·cosα，e′·sinα)，直线O′₁A′₁斜率为k₁＝tanθ，则直线O′₁A′₁的方程为：

y＝k₁x+e′(sinα-k₁cosα)

借助圆的方程：

x²+y²＝R²

将直线方程带入圆方程并整理得：

$(1+k_1^2)x^2+2k_1{e}^{\′}(\sin \mathrm{\α}-k_1\cos \mathrm{\α})x+e^{\′2}{(\sin \mathrm{\α}-k_1\cos \mathrm{\α})}^2-R^2=0$

设

$a=1+k_1^2$

b＝2k₁e′(sinα-k₁cosα)

c＝e′²(sinα-k₁cosα)²-R²

则

$x_{1,2}=\frac{-b\±\sqrt{b^2-4\mathrm{ac}}}{2a}$

当θ角在一、四象限时，x取较大的根；当θ角在二、三象限时，x取较小的根；将x的值带入直线方程，得到A′₁点的坐标，进而得到O′₁A′₁的长度；将θ角分别加上120°和240°得到直线O′₁B′₁、O′₁C′₁的斜率，通过同样的方法求出O′₁B′₁、O′₁C′₁的长度；O′₁A′₁、O′₁B′₁、O′₁C′₁的长度即为所需调整的执行机构的位移伸出量。

本发明由于采取以上技术方案，所具有的有益效果是：经实验验证，本发明测控装置用于静态偏置指向式旋转导向钻井工具，可以完成以下任务：(1)采集井下的工况参数；(2)将接收到的压力脉冲信号解码为控制指令；(3)计算当前井斜角和工具面角，偏心位移，调整翼肋目标伸缩量，实现旋转导向钻井工具空间姿态的调整。(4)数据的实时存储和上传。应用它使得钻井工具偏心位移量测量更准确，同时对翼肋的伸缩量控制也更精确。

附图说明

图1是测控装置的系统框图；

图2是编码示例图；

图3是解码过程示意图；

图4是执行机构(三个翼肋)与井壁原始位置示意图；

图5是执行机构(三个翼肋)发生偏心位移的示意图；

图6是解算三个翼肋偏心位移量的方法图；

图7是计算三个翼肋应调整的位移伸出量方法图。

具体实施方式

如图1所示，本发明提出的测控装置包括几部分模块：微处理器模块1、数据采集模块2、驱动模块3、数据通讯模块4、数据存储模块5和电源管理模块6。数据采集模块2、驱动模块3、数据通讯模块4、数据存储模块5均与微处理器模块1相连。

数据采集模块2一端与压力传感器、温度传感器、位移传感器、加速度计连接，另一端与微处理器模块1连接，将采集到的压力、温度、位移和加速度分量信号，进行信号调理后，通过微处理器模块上的I/O接口传输到微处理器模块。

驱动模块3一端与微处理器模块1连接，另一端与执行机构7连接，接收微处理器模块1的信息，控制执行机构7的运动。

数据通讯模块4一端与微处理器模块1连接，另一端与上位机(随钻测量工具8)连接，与微处理器模块之间采用RS485协议通讯，与上位机之间采用1553b协议通讯。

数据存储模块5与微处理器模块1连接，采用NorFlash作为存储介质，存储工作参数数据。

电源管理模块6负责先将井下交流发电机9所产生的交流电进行整流稳压处理成为48V直流电，再进行电压转换处理将直流电压分别转换为5V，3.3V和2.5V，为测控装置提供所需电力。

微处理器模块1是处理的核心，将所采集到的压力脉冲信号进行解码，得到下传的控制指令；将所采集到的重力加速度数据进行计算，得到旋转导向钻井工具实时的井斜角和高边工具面角；将所采集到的翼肋伸出量位移数据进行处理，得到旋转导向钻井工具的矢量合成数据；将采集到的温度信号发送给数据存储模块进行存储。并将所有结果进行存储并上传。

微处理器模块1采用冗余设计，设定主CPU和冗余CPU，当系统检测到主CPU无法正常工作时，会自动切换到冗余CPU进行工作。

具体地讲，在地面将控制指令进行压力脉冲的编码，通过开启和关闭泥浆泵，造成钻井液压力的变化，形成压力脉冲。压力脉冲经过钻井液传递至井下。数据采集模块将采集到的泥浆压力脉冲信号进行信号调理处理后，传递给微处理器模块，微处理器模块通过对压力脉冲的解码，解算出相应的控制指令。数据采集模块将采集到的工具重力加速度信号进行信号调理处理后，传递给微处理器模块，微处理器模块通过空间姿态解算，解算出当前旋转导向钻井工具的空间姿态数据，包括：井斜角和高边工具面角。数据采集模块将采集到的旋转导向钻井工具执行机构的位移数据进行信号调理处理后，传递给微处理器模块，微处理器模块通过位移矢量合成计算，解算出旋转导向钻井工具实时的偏心位移合成矢量。

微处理器模块通过分析控制指令、井斜角、高边工具面角和偏心位移合成矢量，解算得到翼肋位移的控制量。翼肋位移的控制量通过微处理器模块以数字信号的形式，传送到驱动模块，驱动模块将数字信号转化为模拟信号，驱动旋转导向钻井工具执行机构进行位移调整。

旋转导向钻井工具执行机构的位移在调整过程中，数据采集模块将采集到的位移数据进行信号调理处理后，传递给微处理器模块，微处理器模块通过PID算法，解出驱动指令，由驱动模块输出，将旋转导向钻井工具执行机构的位移量控制到设定位置。

微处理器模块将压力、位移、井斜角、高边工具面角、温度数据，定时发送给数据存储模块，数据存储模块将这些数据存储起来。在旋转导向钻井工具完成钻井作业，提升到地面后，可以通过微处理器模块上的数据输出端口，将所存储的数据从数据存储模块提取出来。

微处理器模块将压力、位移、井斜角、高边工具面角、温度数据，定时发送给数据通讯模块，通讯协议为RS485。数据通讯模块将收到的数据传送给随钻测量工具。随钻测量工具将收到的数据以钻井液压力脉冲的形式编码，向地面传送。

测控装置在从分析计算压力控制指令、井斜角、高边工具面角和偏心位移合成矢量，到解算出翼肋位移量，由驱动机构驱动翼肋移动的过程中，具体的测控方法如下：

(1)首先在地面对控制指令进行压力脉冲的预编码，该编码通过开关泥浆泵所形成的压力脉冲传送到井下；

本发明采用泥浆脉宽调制(PDM)编码方法，泥浆脉宽调制编码方法是利用脉冲不同的宽度表示不同的信息。实施方式是定义一个最小脉冲宽度，其他脉冲宽度均是最小脉冲宽度的整数倍。在旋转导向工具的压力脉冲编码格式采用如下形式：同步码A+信息码+同步码B(如图2所示)。通过调整信息码的宽度，实现传输不同的命令代码，从而代表不同的目标偏心矢量e′。举例如下：

信息码宽度(秒)	命令说明
		T＝30	命令“1”
T＝60	命令“2”
		T＝90	命令“3”
T＝120	命令“4”
		T＝150	命令“5”
T＝180	命令“6”
		T＝210	命令“7”
T＝240	命令“8”
		T＝270	命令“9”
T＝300	命令“10”

数据采集模块通过实时采集到压力的变化，经微处理器模块在井下识别出来自地面传达的压力脉冲编码。

(2)同时对测控装置系统进行初始化并自检，以进行各工作参数的初始设置。系统自检，检测测控装置的主CPU是否能够正常工作，如不能正常将自动切换到冗余CPU进行工作。

(3)井下微处理器模块对压力脉冲进行解码，得到压力脉冲所下传的指令数据，方法如下：在井下采集压力数据，设定计时器，通过判断同步码和信息码的压力脉冲信号，获得压力脉冲指令。一个完成的井下解码过程如图3所示。

(4)解码同时，系统进行数据采集，通过空间姿态解算，求得当前旋转导向钻井工具所处位置的井斜角和高边工具面角，方法如下：

①取三个重力加速度计测得X、Y、Z三个轴的重力加速度值G_x、G_y和G_z；

②通过G_x、G_y和G_z计算重力加速度合成值： $g=\sqrt{G_x+G_y+G_z};$

③通过G_x、G_y和G_z计算井斜角 $\mathrm{DEV}=\arctan (\sqrt{G_x^2+G_y^2}/G_z);$

④通过G_x、G_y和G_z计算高边工具面角 $\mathrm{RB}=\arctan (-\frac{G_y}{G_z}).$

(5)利用测得的执行机构的位移数据(图5中的位移量O′A′、O′B′、O′C′)，通过位移矢量合成算法，求得当前旋转导向钻井工具的偏心位移量，方法如下：三个翼肋(即执行机构)在旋转导向工具的不旋转外套上处于同一径向截面上，因此可以建立如图4所示的坐标系，以旋转导向工具翼肋所在截面处的井眼中心作为坐标原点，井眼高边径向所指方向(从井口向井底看)为x轴正方向，沿x轴正方向顺时针旋转90°(右手螺旋法则)为y轴正方向。设1^#、2^#、3^#三个翼肋同时伸出与井壁接触，工具中心与井眼中心相重合时翼肋长度为原始长度，此时，OA、OB、OC长度即为井眼半径R。

实际工作中由于三个翼肋均与井壁接触，偏移量不一样，这样三个翼肋相对于工具的伸出量使工具中心相对于井眼中心形成了一个偏心位移e，如图5所示，此时，定义三个翼肋长度分别为O′A′、O′B′、O′C′。

如图6所示，设三个翼肋的独立伸缩使工具中心形成的位移矢量分别为

与x轴夹角分别为α₁、α₂、α₃(顺时针方向为正)，则有：

$\left\{\begin{array}{c}\left|e_1\right|=|O^{\′}{A}^{\′}-\mathrm{OA}|\\ \left|e_2\right|=|O^{\′}{B}^{\′}-\mathrm{OB}|\\ \left|e_3\right|=|O^{\′}{C}^{\′}-\mathrm{OC}|\end{array}\right.$

θ为1^#翼肋的工具面角，由前文所述的空间姿态解算得到。合成偏心位移为e，其在坐标轴上的分量为e_x和e_y，其与x轴夹角为α：

$\left\{\begin{array}{c}{e}_x=e\cos \mathrm{\α}=e_1\cos {\mathrm{\α}}_1+e_2\cos {\mathrm{\α}}_2+e_3\cos {\mathrm{\α}}_3\\ e_y=e\sin \mathrm{\α}=e_1\sin {\mathrm{\α}}_1+e_2\sin {\mathrm{\α}}_2+e_3\sin {\mathrm{\α}}_3\end{array}\right.$

得

$e=\sqrt{e_x^2+e_y^2},$

$\mathrm{\α}=\mathrm{arctg}\left(\frac{e_y}{e_x}\right).$

(6)根据上述已得数据，计算执行机构的位移伸出量

在图7坐标系中，建立坐标系，O′₁点的坐标为(e′·cosα，e′·sinα)，直线O′₁A′₁斜率为k₁＝tanθ，则直线O′₁A′₁的方程为：

y＝k₁x+e′(sinα-k₁cosα)

因圆的方程为：

x²+y²＝R²

因此，只要求出交点A′₁的坐标就可以求出O′₁A′₁的长度。将直线方程带入圆方程并整理得：

$(1+k_1^2)x^2+2k_1{e}^{\′}(\sin \mathrm{\α}-k_1\cos \mathrm{\α})x+e^{\′2}{(\sin \mathrm{\α}-k_1\cos \mathrm{\α})}^2-R^2=0$

设

$a=1+k_1^2$

b＝2k₁e′(sinα-k₁cosα)

c＝e′²(sinα-k₁cosα)²-R²

则

$x_{1,2}=\frac{-b\±\sqrt{b^2-4\mathrm{ac}}}{2a}$

当θ角在一、四象限时，x取较大的根；当θ角在二、三象限时，x取较小的根。

将x的值带入直线方程，可以得到A′₁点的坐标，进而可以得到O′₁A′₁的长度。将θ角分别加上120°和240°可得到直线O′₁B′₁、O′₁C′₁的斜率，通过同样的方法可以求出O′₁B′₁、O′₁C′₁的长度。

O′₁A′₁、O′₁B′₁、O′₁C′₁的长度即为所需调整的执行机构的位移伸出量。

(7)系统实时解码脉冲指令，在脉冲指令下，对计算得到的执行机构位移伸出量执行PID控制，调整执行机构的位移伸出量，从而调整旋转导向钻井工具的目标偏心矢量e′。

(8)系统实时进行数据存储，将工作参数存储到数据存储模块中；并进行数据通讯，将工作参数传输给上位机(随钻测量工具)。

因旋转导向钻井工具一直在井下处于工作状态，其测控系统也一直处于工作状态，因此在给定的时间间隔内，进行测控程序的循环操作，此为自动行为，所执行的任务包括：系统自检(检测测控系统是否工作正常)、数据采集(采集温度、压力、位移、井斜和高边工具面角)、空间姿态解算(计算当前井斜角和工具面角)、压力脉冲解码(解算是否有新的下传指令)、偏心位移矢量解算(计算当前的偏心位移)、驱动控制(如有新的下传指令，则进行翼肋位移的调整)、数据存储(实时的数据存储)、数据通讯(实时的数据通讯)。

Claims (7)

1.一种用于旋转导向钻井系统的测控方法，其包括以下步骤：

1）建立旋转导向钻井系统的测控装置，该测控装置包括微处理器模块、数据采集模块、驱动模块、数据通讯模块、数据存储模块和电源管理模块；数据采集模块一端与钻井系统的压力传感器、温度传感器、位移传感器、加速度计连接，另一端与微处理器模块连接，将采集到的压力、温度、位移和加速度分量信号调理后传输到微处理器模块；驱动模块一端与微处理器模块连接，另一端与执行机构连接，接收微处理器模块的信息，控制执行机构的运动；数据通讯模块一端与微处理器模块连接，另一端与随钻测量工具连接；数据存储模块与微处理器模块连接，存储工作参数数据；电源管理模块负责先将井下交流电进行整流稳压处理成为直流电，再进行电压转换将直流电压分压，为测控装置提供所需电力；微处理器模块设置有主CPU和冗余CPU；

2）在地面对控制指令进行压力脉冲编码，该编码通过开关泥浆泵所形成的压力脉冲传送到井下；

3）同时对测控装置进行系统初始化并自检，系统检测测控装置的主CPU是否能够正常工作，如不能正常将自动切换到冗余CPU进行工作；

4）微处理器模块对压力脉冲实时进行解码，得到压力脉冲所下传的指令数据；

5）解码同时，系统进行数据采集，通过空间姿态解算，求得当前旋转导向钻井工具所处位置的井斜角和高边工具面角；

6）利用测得的执行机构的位移数据，通过位移矢量合成算法，求得当前旋转导向钻井工具的偏心位移量；

7）根据已得数据，计算执行机构的位移伸出量；

8）系统根据解码脉冲指令，在脉冲指令下，对计算得到的执行机构位移伸出量执行PID控制，调整执行机构的位移伸出量，从而得到旋转导向钻井工具的目标偏心位移量；

9）系统实时进行数据存储及上传。

2.如权利要求1所述的一种用于旋转导向钻井系统的测控方法，其特征在于：在步骤2）中，采用泥浆脉宽调制编码方法，定义一个最小脉冲宽度，其他脉冲宽度均是最小脉冲宽度的整数倍，编码格式采用如下形式：同步码A+信息码+同步码B。

3.如权利要求1所述的一种用于旋转导向钻井系统的测控方法，其特征在于：在步骤5）中，解算井斜角和高边工具面角的方法如下：

①取三个重力加速度计测得X、Y、Z三个轴的重力加速度值G_x、G_y和G_z；

②通过G_x、G_y和G_z计算重力加速度合成值：

③通过G_x、G_y和G_z计算井斜角 $\mathrm{DEV}=\arctan (\sqrt{G_x^2+G_y^2}/G_z);$

④通过G_x、G_y和G_z计算高边工具面角

4.如权利要求1所述的一种用于旋转导向钻井系统的测控方法，其特征在于：在步骤6）中，解算偏心位移量的方法如下：

执行机构即三个翼肋在旋转导向工具的不旋转外套上处于同一径向截面上，因此以旋转导向工具翼肋所在截面处的井眼中心作为坐标原点建立坐标系，从井口向井底看，井眼高边径向所指方向为x轴正方向，沿x轴正方向顺时针旋转90°为y轴正方向，设三个翼肋同时伸出与井壁接触，工具中心与井眼中心相重合时翼肋长度为原始长度，分别为OA、OB、OC，即为井眼半径R；

实际工作时由于三个翼肋相对于工具的伸出量不同，使工具中心相对于井眼中心形成了一个偏心位移e，此时定义三个翼肋长度分别为O'A'、O'B'、O'C'，设三个翼肋的独立伸缩使工具中心形成的位移矢量分别为

与x轴夹角分别为α₁、α₂、α₃，则有：

$\left\{\begin{array}{c}\left|e_1\right|=|O^{\′}{A}^{\′}-\mathrm{OA}|\\ \left|e_2\right|=|O^{\′}{B}^{\′}-\mathrm{OB}|\\ \left|e_2\right|=|O^{\′}{C}^{\′}-\mathrm{OC}|\end{array}\right.$

θ为翼肋的工具面角，由步骤5）中空间姿态解算得到，合成偏心位移即为e，其在坐标轴上的分量为e_x和e_y，其与x轴夹角为α：

$\left\{\begin{array}{c}{e}_x=e\cos \mathrm{\α}=e_1\cos {\mathrm{\α}}_1+e_2\cos {\mathrm{\α}}_2+e_3\cos {\mathrm{\α}}_3\\ e_y=e\sin \mathrm{\α}=e_1\sin {\mathrm{\α}}_1+e_2\sin {\mathrm{\α}}_2+e_3\sin {\mathrm{\α}}_3\end{array}\right.$

得

$e=\sqrt{e_x^2+e_y^2},$

$\mathrm{\α}=\mathrm{arctg}\left(\frac{e_y}{e_x}\right).$

5.如权利要求4所述的一种用于旋转导向钻井系统的测控方法，其特征在于：在步骤7）中，计算执行机构的位移伸出量方法为：

建立坐标系，原点O₁'的坐标为(e'·cosα,e'·sinα)，直线O₁'A₁'斜率为k₁=tanθ，则直线O₁'A₁'的方程为：

y=k₁x+e'(sinα-k₁cosα)

借助圆的方程：

x²+y²=R²

将直线方程带入圆方程并整理得：

$(1+k_1^2)x^2+2k_1{e}^{\′}(\sin \mathrm{\α}-k_1\cos \mathrm{\α})x+e^{\′2}{(\sin \mathrm{\α}-k_1\cos \mathrm{\α})}^2-R^2=0$

设

$a=1+k_1^2$

b=2k₁e'(sinα-k₁cosα)

c=e'²(sinα-k₁cosα)²-R²

则

$x_{\mathrm{1,2}}=\frac{-b\±\sqrt{b^2-4\mathrm{ac}}}{2a}$

当θ角在一、四象限时，x取较大的根；当θ角在二、三象限时，x取较小的根；将x的值带入直线方程，得到A₁'点的坐标，进而得到O₁'A₁'的长度；将θ角分别加上120°和240°得到直线O₁'B₁'、O₁'C₁'的斜率，通过同样的方法求出O₁'B₁'、O₁'C₁'的长度；O₁'A₁'、O₁'B₁'、O₁'C₁'的长度即为所需调整的执行机构的位移伸出量。

6.如权利要求1所述的一种用于旋转导向钻井系统的测控方法，其特征在于：所述数据通讯模块与微处理器模块之间采用RS485协议通讯，与随钻测量工具之间采用1553b协议通讯。

7.如权利要求1所述的一种用于旋转导向钻井系统的测控方法，其特征在于：所述数据存储模块采用NorFlash作为存储介质。

Images