CN103195405A - 指向式旋转导向执行机构心轴位移矢量控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种指向式旋转导向执行机构心轴位移矢量控制系统，该系统为双闭环结构，包括地面监控系统、用于地面与井下数据传输的通信系统、以及位于井下的井下微处理器、运动控制卡、心轴偏置装置和传感器组；运动控制卡驱动心轴偏置装置中的两个伺服电机，使心轴偏置，传感器组将心轴的位移数据实时反馈至井下微处理器，形成内环反馈，传感器组通过通信系统，将实钻井眼数据实时反馈至地面监控系统，形成外环反馈。本发明还公开了一种指向式旋转导向执行机构心轴位移矢量控制方法，将心轴偏心位移矢量的计算过程简化为分别位于全局坐标系和局部坐标系内两个位移矢量的合成。本发明其结构和控制方法简单，能够实现钻井系统的钻具精确导向钻进。

Description

指向式旋转导向执行机构心轴位移矢量控制系统及方法

技术领域

本发明涉及旋转导向系统偏置控制系统及方法，特别是一种指向式旋转导向执行机构心轴位移矢量控制系统及方法。

背景技术

目前，钻井技术已经向三维多目标井等复杂井方向发展，传统的钻井工具已不能满足当前的钻井需求，高科技的旋转导向钻井技术应运而生并逐渐得到应用。与传统的钻具相比，旋转导向技术具有显著的优势，包括：钻速高，连续钻进，闭环自动控制，井眼光滑等。在旋转导向技术中，导向执行机构是整个系统的核心。

旋转导向控制系统主要包括地面监控系统、井下工具系统、井下测量系统以及双向通讯系统等部分，地面监控系统的主要功能可概括为以下几个方面：随钻监测旋转导向钻井工具在井下的工作状况，此即所谓的“监”；当实钻井眼轨迹偏离了设计轨道，能够及时分析和计算出轨迹的偏离程度，设计出新的待钻井眼轨道，并产生使旋转导向系统按新的井眼轨道钻进的控制指令，此即所谓的“控”；把设计井眼轨道和实钻井眼轨迹以及其它相关的重要参数可视化地显示出来，便于现场工程技术人员直观地掌握和分析钻头所在位置以及旋转导向钻井工具对井眼轨迹的控制情况。井下测量系统主要由随钻测量系统和工具测控系统两部分组成。随钻测量系统主要用于测量井眼轨迹几何参数和地质参数，如井斜角、方位角、工具面角、自然伽马、电阻率等。井下测量信息，通过双向通讯系统上传至地面监控系统，上传数据包含两部分：检测的实钻井眼轨迹参数，井下工具系统自身测量的近钻头轨迹参数和有关旋转导向井下工具工况的参数。上传的数据可通过通讯电缆或数据传输线直接传到地面监控系统。现场工程师利用地面监控系统可对设计井眼轨道与已钻井眼轨迹进行比较，然后通过双向通讯系统发送控制指令到控制机构，实现对井眼轨迹的实时监控。旋转导向钻井系统的工作机理都是靠偏置机构分别偏置钻头或钻柱，从而产生导向。其中偏置导向执行机构按原理可分为：静态偏置推靠式和静态偏置指向式；其中，静态偏置推靠式主要靠钻具的偏心控制来改变钻头上的侧向力，井下复杂条件使得这种系统具有许多缺点，如位移工作方式、静止外套、小型化能力差、结构复杂等；静态偏置指向式采用控制钻柱弯曲特征来实现钻头轴线的有效导控，其优点是造斜率由工具本身确定，不受钻进地层岩性的影响，在软地层及不均质地层中效果明显，但由于静态偏置指向式导向执行机构多采用液压机构，结构复杂，此外高精度加工是保证这种系统导向效果的关键，对机构的零部件精度要求较高，因此成本较高；在使用中易发生漏油，不易维护；液压元件的响应延迟较长，导致导向控制精度误差大；钻柱承受高强度的交变应力，钻柱容易发生疲劳破坏。

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种导向控制更精确、简单且便于维护的一种指向式旋转导向执行机构心轴位移矢量控制系统及方法。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种指向式旋转导向执行机构心轴位移矢量控制系统，该系统为双闭环结构，包括地面监控系统、用于地面与井下装置之间数据传输的通信系统、以及位于井下的井下微处理器、运动控制卡、心轴偏置装置和传感器组；所述传感器组检测实钻井眼数据以及心轴的位移数据；所述心轴偏置装置包括少齿差行星轮系以及与其连接的两个伺服电机，通过所述的两个伺服电机驱动所述少齿差行星轮系内行星轮自转及公转，使心轴发生偏置；所述运动控制卡驱动所述的两个伺服电机工作；所述井下微处理器，向所述运动控制卡发送电机旋转角度控制指令；所述地面监控系统通过所述通信系统向所述井下微处理器发送心轴偏置位移目标指令；所述传感器组将心轴的位移数据实时反馈至所述井下微处理器，形成内环反馈，所述传感器组通过所述通信系统，将实钻井眼数据实时反馈至所述地面监控系统，形成外环反馈。

所述心轴偏置装置还包括万向节，所述万向节两端分别与钻柱和心轴连接。

所述运动控制卡为多轴、可编程、自闭环运动控制卡。

所述的两个伺服电机均为直流伺服电机。

进一步地，指向式旋转导向执行机构心轴位移矢量控制系统还包括数据采集卡，所述数据采集卡采集所述传感器组的信号，并发送至所述井下微处理器以及通过所述通信系统发送至所述地面监控系统。

本发明还提供了一种指向式旋转导向执行机构心轴位移矢量控制方法，包括以下步骤：

1)设置双闭环控制系统：

包括地面监控系统、用于地面与井下装置之间数据传输的通信系统、以及位于井下的井下微处理器、运动控制卡、心轴偏置装置和传感器组；所述传感器组检测实钻井眼数据以及心轴的位移数据；所述心轴偏置装置包括少齿差行星轮系以及与其连接的两个伺服电机，通过所述的两个伺服电机驱动所述少齿差行星轮系内行星轮自转及公转，使心轴发生偏置；所述运动控制卡驱动所述的两个伺服电机工作；所述井下微处理器，向所述运动控制卡发送电机旋转角度控制指令；所述地面监控系统通过所述通信系统向所述井下微处理器发送心轴偏置位移目标指令；所述传感器组将心轴的位移数据实时反馈至所述井下微处理器，形成内环反馈，所述传感器组通过所述通信系统，将实钻井眼数据实时反馈至所述地面监控系统，形成外环反馈；

2)所述地面监控系统，其内预设理想的井眼轨迹数据，将来自所述传感器组的当前实钻井眼数据反馈，与理想井眼参数比较得出偏差，向所述井下微处理器发送纠正偏差的心轴偏置位移目标指令；

3)所述井下微处理器，根据所述地面监控系统发送的心轴偏置位移目标指令，计算出心轴偏置位移矢量目标值，将心轴偏置位移矢量目标值与所述传感器组反馈的心轴位移数据进行比较得出偏差，然后计算出所述的两个伺服电机为纠正偏差所分别旋转的角度，向所述运动控制卡发送电机旋转角度控制指令，所述运动控制卡驱动所述的两个伺服电机旋转，使偏差缩小；

4)所述井下微处理器根据实时反馈的心轴位移数据，重复步骤3)，直至当前心轴偏置位移矢量实测值与心轴偏置位移矢量目标值之间的偏差小于或等于允许值时结束；

5)所述地面监控系统根据实时反馈的实钻井眼数据，重复步骤2)至步骤4)，实时修正心轴偏置位移目标指令，以监测、控制井眼轨迹。

进一步地，在所述步骤3)中，所述井下微处理器计算所述的两个伺服电机为纠正偏差所分别旋转的角度，包括如下步骤：

(1)以初始位置为基准，确定导向执行机构心轴的最大偏心位移量：

假设所述导向执行机构驱动电机功率足够大，导向执行机构正常工作；初始位置时，心轴中心与导向执行机构外筒中心重合，心轴偏心位移矢量为0，根据所述导向执行机构偏置装置中少齿差行星轮的结构及工作原理，确定心轴的最大偏心位移量为r_max；

(2)建立心轴偏心位移矢量的数学模型，对心轴偏心位移矢量进行合成与分解：

初始位置时，以导向执行机构中心为原点，建立全局坐标系；以所述少齿差行星轮系中行星轮的自转中心为原点，建立局部坐标系；心轴偏心位移矢量由所述少齿差行星轮系的自转中心在所述全局坐标系的分位移矢量和心轴中心在所述局部坐标系的分位移矢量

合成，根据所述少齿差行星轮系的结构参数，得出

以及

(3)确定心轴合成偏心位移矢量控制范围：

以初始位置为基准，心轴偏心位移矢量的最大幅值出现在

和方向相同时，即

心轴偏心位移矢量的最小幅值出现在

和

方向相反时，即

心轴偏心位移矢量的控制区域为整个控制平面；

(4)定量确定所述少齿差行星轮系的自转角和公转角：

基于矢量合成的原理，以所述少齿差行星轮系中行星轮的自转角和公转角为输入变量，定量计算分位移矢量

和分位移矢量

根据心轴偏心位移矢量目标值与当前心轴偏心位移矢量实测值之间的偏差，确定所述少齿差行星轮系中行星轮的自转角和公转角，从而得出所述的两个伺服电机为纠正偏差分别所需旋转的角度。

更进一步地，在所述步骤(4)中，定量计算分位移矢量

和分位移矢量

的步骤为：

①初始位置时，对心轴分位移矢量进行计算和合成：

初始位置时行星轮公转角度为α₁，公转导致的行星轮自转角度为β₁，行星轮自转角度为δ₁，分位移矢量和分位移矢量

分别为：

$\stackrel{\‾}{e_1}=\left(\begin{array}{c}-r\sin {\mathrm{\α}}_1\\ -r\cos {\mathrm{\α}}_1\end{array}\right)$

$\stackrel{\‾}{e_2}=\left(\begin{array}{c}-r\sin ({\mathrm{\β}}_1+{\mathrm{\δ}}_1)\\ r\cos ({\mathrm{\β}}_1+{\mathrm{\δ}}_1)\end{array}\right)$

基于初始位置的心轴偏心位移矢量

为：

$\stackrel{\‾}{e}=\stackrel{\‾}{e_1}+\stackrel{\‾}{e_2}=\left(\begin{array}{c}-r\sin {\mathrm{\α}}_1-r\sin ({\mathrm{\β}}_1+{\mathrm{\δ}}_1)\\ -r\cos {\mathrm{\α}}_1+r\cos ({\mathrm{\β}}_1+{\mathrm{\δ}}_1)\end{array}\right);$

通过所述全局坐标系和局部坐标系中的分位移矢量,得出心轴合成偏心位移矢量；

②基于初次导向状态下对心轴分位移矢量进行计算和合成：

基于初次导向状态下的行星轮公转角度为α₂时，行星轮公转导致的行星轮自转角度为β₂，行星轮自转角度为δ₂，在全局坐标系和局部坐标系中分位移矢量

和

分别为：

$\stackrel{\‾}{e_1}=\left(\begin{array}{c}-r\sin ({\mathrm{\α}}_1+{\mathrm{\α}}_2)\\ -r\cos ({\mathrm{\α}}_1+{\mathrm{\α}}_2)\end{array}\right)$

$\stackrel{\‾}{e_2}=\left(\begin{array}{c}-r\sin ({\mathrm{\β}}_1+{\mathrm{\δ}}_1+{\mathrm{\β}}_2+{\mathrm{\δ}}_2)\\ r\cos ({\mathrm{\β}}_1+{\mathrm{\δ}}_1+{\mathrm{\β}}_2+{\mathrm{\δ}}_2)\end{array}\right)$

心轴偏心位移矢量

为：

$\stackrel{\‾}{e}=\stackrel{\‾}{e_1}+\stackrel{\‾}{e_2}=\left(\begin{array}{c}-r\sin ({\mathrm{\α}}_1+{\mathrm{\α}}_2)-r\sin ({\mathrm{\β}}_1+{\mathrm{\δ}}_1+{\mathrm{\β}}_2+{\mathrm{\δ}}_2)\\ -r\cos ({\mathrm{\α}}_1+{\mathrm{\α}}_2)+r\cos ({\mathrm{\β}}_1+{\mathrm{\δ}}_1+{\mathrm{\β}}_2+{\mathrm{\δ}}_2)\end{array}\right);$

③基于i次导向位置状态下对心轴分位移矢量进行计算和合成：

基于i次导向状态下心轴分位移矢量的计算和合成根据所述计算和控制原理，由数学归纳法得到心轴的偏心位移矢量

为：

$\stackrel{\‾}{e}=\stackrel{\‾}{e_1}+\stackrel{\‾}{e_2}=\left(\begin{array}{c}-r\sin \left(\mathrm{\Σ}{\mathrm{\α}}_i\right)-r\sin (\mathrm{\Σ}{\mathrm{\β}}_i+\mathrm{\Σ}{\mathrm{\δ}}_i)\\ -r\cos \left(\mathrm{\Σ}{\mathrm{\α}}_i\right)+r\cos (\mathrm{\Σ}{\mathrm{\β}}_i+\mathrm{\Σ}{\mathrm{\δ}}_i)\end{array}\right).$

所述心轴偏置装置到达目标位置后，所述的两个伺服电机分别自锁，使在目标位置锁定行星轮。

所述实钻井眼数据包括实钻点的坐标、井深、井斜角、方位角；所述心轴位移数据包括心轴的加速度和偏心位移矢量。

本发明具有的优点和积极效果是：本发明的指向式旋转导向执行机构心轴位移矢量控制系统采用静态偏置指向式，以两个直流伺服电机为动力，驱动所述偏置装置中的行星轮自转和公转,实现心轴的偏置；采用自动双闭环控制，控制精度高；采用多轴运动控制卡和直流伺服电机，控制过程快速，系统响应性好，可以实时调整旋转导向钻井工具的造斜率和工具面角，实现导向钻进。而且还具有以下优点：1、所述静态偏置指向式导向执行机构通过控制不旋转外筒内的偏置装置使心轴偏置，实现导向钻进，避免了推靠式钻具承受的动态冲击载荷。2、所述导向执行机构引入中空万向节，实现了钻柱和心轴的柔性连接，保证心轴偏心位移矢量在整个控制平面的可控性，避免了心轴承受高强度的交变应力。3、以所述两个直流伺服电机为动力，以所述少齿差行星轮系为偏置装置，其结构和控制方法简单，避免了现行液压传动的密封和响应延迟的弊端。

同时本发明的指向式旋转导向执行机构心轴位移矢量控制方法，与现有技术相比，具有以下有益效果：1、旋转导向钻井系统的精确控制是通过计算导向执行机构心轴偏心位移矢量实现的，与传统通过计算心轴偏置力的方法相比，计算过程和控制算法简单易行。2、本发明将心轴偏心位移矢量的计算过程简化为分别位于全局坐标系和局部坐标系内得两个位移矢量的合成，将心轴偏心位移矢量的控制简化为对所述偏置装置中行星轮自转和公转的控制。3、本发明心轴偏心位移矢量的计算基于矢量几何计算，计算方法和过程简单，精确性高，运算速度快。4、本发明心轴偏心位移矢量的控制在控制平面内360°可调，无控制盲区，通过对心轴偏心位移矢量的控制可以真正实现三维导向钻进。井眼轨迹的三维空间分布性要求导向执行机构心轴偏心位移矢量必须在控制平面内360°可调，并能稳定保持在所调节的矢量位置，本发明的方法能够精确控制所述静态偏置指向式导向执行机构的心轴偏心位移矢量，实现精确导向钻进，通过调节所述偏置装置内行星轮的自转角和公转角，即调节两个直流伺服电机的转角；控制的目标是心轴偏心位移矢量的幅值和方向。

附图说明

图1为本发明的指向式旋转导向执行机构心轴位移矢量控制系统的结构示意图；

图2为本发明的导向执行机构控制原理图；

图3为本发明的心轴偏心位移矢量合成原理图。

图中：M1、驱动行星轮自转的直流伺服电机；M2、驱动行星轮公转的直流伺服电机；3、行星轮自转主动齿轮；4、行星轮自转从动齿轮；5、行星轮；6、行星轮公转从动齿轮；7、行星轮公转主动齿轮；8、自润滑关节轴承；9、钻柱；10、万向节；11、心轴；12、支撑轴承组合；13、钻头。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

请参阅图1～图3，一种指向式旋转导向执行机构心轴位移矢量控制系统，该系统为双闭环结构，包括地面监控系统、用于地面与井下装置之间数据传输的通信系统、以及位于井下的井下微处理器、运动控制卡、心轴偏置装置和传感器组；所述传感器组检测钻具实钻井眼数据以及心轴的位移数据，如图1所示，传感器A1～传感器An代表检测心轴偏心位移矢量姿态等信息的多个传感器,传感器B1～传感器Bn代表检测实钻点的坐标、井深、井斜角、方位角等钻具处井眼信息的多个传感器；所述心轴偏置装置包括少齿差行星轮系以及与其连接的两个伺服电机，通过所述的两个伺服电机驱动所述少齿差行星轮系内行星轮自转及公转，使心轴发生偏置，心轴驱动前端设钻头的钻具工作；所述导向执行机构心轴偏心位移矢量在控制平面内360°可调，实现心轴在控制平面内任意方向的偏置；所述运动控制卡驱动所述的两个伺服电机工作；所述井下微处理器，向所述运动控制卡发送电机旋转角度控制指令；所述地面监控系统通过所述通信系统向所述井下微处理器发送心轴偏置位移目标指令；所述传感器组将心轴的位移数据实时反馈至所述井下微处理器，形成内环反馈，所述传感器组通过所述通信系统，将实钻井眼数据实时反馈至所述地面监控系统，形成外环反馈。

进一步地，所述心轴偏置装置还可包括万向节，所述万向节两端分别与钻柱和心轴连接。

此外，所述运动控制卡可为多轴、可编程、自闭环运动控制卡，所述的两个伺服电机可均采用直流伺服电机，直流伺服电机采用小体积、大扭矩、高抗震无刷直流伺服电机，以满足井下工作环境的要求，并为导向执行机构提供充足动力；所述直流伺服电机包含配套驱动器和减速头；所述直流伺服电机接收脉冲指令，驱动导向执行机构的偏置装置，实现心轴偏置

进一步地，指向式旋转导向执行机构心轴位移矢量控制系统还可包括数据采集卡，所述数据采集卡采集所述传感器组的信号，并发送至所述井下微处理器以及通过所述通信系统发送至所述地面监控系统。数据采集卡可为多通道、高速数据采集卡。

一种指向式旋转导向执行机构心轴位移矢量控制方法，其具体实施方法包括如下步骤：

1)设置双闭环控制系统：

包括地面监控系统、用于地面与井下装置之间数据传输的通信系统、以及位于井下的井下微处理器、运动控制卡、心轴偏置装置和传感器组；所述传感器组检测实钻井眼数据以及心轴的位移数据；所述心轴偏置装置包括少齿差行星轮系以及与其连接的两个伺服电机，通过所述的两个伺服电机驱动所述少齿差行星轮系内行星轮自转及公转，使心轴发生偏置；所述运动控制卡驱动所述的两个伺服电机工作；所述井下微处理器，向所述运动控制卡发送电机旋转角度控制指令；所述地面监控系统通过所述通信系统向所述井下微处理器发送心轴偏置位移目标指令；所述传感器组将心轴的位移数据实时反馈至所述井下微处理器，形成内环反馈，所述传感器组通过所述通信系统，将实钻井眼数据实时反馈至所述地面监控系统，形成外环反馈；

2)所述地面监控系统，其内预设理想的井眼轨迹数据，在地面监控系统中，预置设计完成的理想井眼轨迹目标点参数信息，包括目标点坐标、目标点井深和目标点井斜角/方位角信息等等，地面监控系统将来自所述传感器组的当前实钻井眼数据反馈，与理想井眼参数比较得出偏差，根据相应参数信息，计算出目标点所对应的心轴偏心位移矢量，然后向井下CPU发送目标心轴偏心位移矢量控制指令，来纠正缩小偏差，以保证实钻井眼轨迹尽量逼近理想井眼轨迹；

3)所述井下微处理器，根据所述地面监控系统发送的心轴偏置位移目标指令，计算出心轴偏置位移矢量目标值，将心轴偏置位移矢量目标值与所述传感器组反馈的心轴位移数据进行比较得出偏差，然后计算出所述的两个伺服电机为纠正偏差所分别旋转的角度，向所述运动控制卡发送电机旋转角度控制指令，所述运动控制卡驱动所述的两个伺服电机旋转，使偏差缩小；运动控制卡将电机转角的模拟信号转换为直接控制电流伺服电机的脉冲信号，向直流伺服电机发送脉冲指令。

4)所述井下微处理器根据所述传感器组实时反馈的心轴位移数据，重复步骤3)，直至当前心轴偏置位移矢量实测值与心轴偏置位移矢量目标值之间的偏差小于或等于允许值时结束；

5)所述地面监控系统根据实时反馈的实钻井眼数据，重复步骤2)至步骤4)，实时修正心轴偏置位移目标指令，以监测、控制井眼轨迹。

进一步地，在所述步骤3)中，所述井下微处理器计算所述的两个伺服电机为纠正偏差所分别旋转的角度，包括如下步骤：

(1)以初始位置为基准，确定导向执行机构心轴的最大偏心位移量：

假设所述导向执行机构驱动电机功率足够大，导向执行机构正常工作；初始位置时，心轴中心与导向执行机构外筒中心重合，心轴偏心位移矢量为0，根据所述导向执行机构偏置装置中少齿差行星轮的结构及工作原理，确定心轴的最大偏心位移量为r_max；

(2)建立心轴偏心位移矢量的数学模型，对心轴偏心位移矢量进行合成与分解：

初始位置时，以导向执行机构中心为原点，建立全局坐标系；以所述少齿差行星轮系中行星轮的自转中心为原点，建立局部坐标系；心轴偏心位移矢量

由所述少齿差行星轮系中行星轮的自转中心在所述全局坐标系的分位移矢量和心轴中心在所述局部坐标系的分位移矢量

合成，根据所述少齿差行星轮系的结构参数，得出

以及 $\stackrel{\‾}{e}={\stackrel{\‾}{e}}_1+{\stackrel{\‾}{e}}_2;$

(3)确定心轴合成偏心位移矢量控制范围：

以初始位置为基准，心轴偏心位移矢量的最大幅值出现在

和

方向相同时，即

心轴偏心位移矢量的最小幅值出现在

和

方向相反时，即

心轴偏心位移矢量的控制区域为整个控制平面；

(4)定量确定所述少齿差行星轮系的自转角和公转角：

基于矢量合成的原理，以所述少齿差行星轮系中行星轮的自转角和公转角为输入变量，定量计算分位移矢量和分位移矢量根据心轴偏心位移矢量目标值与当前心轴偏心位移矢量实测值之间的偏差，确定所述少齿差行星轮系的自转角和公转角，从而得出所述的两个伺服电机为纠正偏差分别所需旋转的角度。

更进一步地，在所述步骤(4)中，定量计算分位移矢量

和分位移矢量的步骤可为：

①初始位置时，对心轴分位移矢量进行计算和合成：

初始位置时行星轮公转角度为α₁，公转导致的行星轮自转角度为β₁，行星轮自转角度为δ₁，分位移矢量

和分位移矢量

分别为：

$\stackrel{\‾}{e_1}=\left(\begin{array}{c}-r\sin {\mathrm{\α}}_1\\ -r\cos {\mathrm{\α}}_1\end{array}\right)$

$\stackrel{\‾}{e_2}==\left(\begin{array}{c}-r\sin ({\mathrm{\β}}_1+{\mathrm{\δ}}_1)\\ r\cos ({\mathrm{\β}}_1+{\mathrm{\δ}}_1)\end{array}\right)$

基于初始位置的心轴偏心位移矢量

为：

$\stackrel{\‾}{e}=\stackrel{\‾}{e_1}+\stackrel{\‾}{e_2}=\left(\begin{array}{c}-r\sin {\mathrm{\α}}_1-r\sin ({\mathrm{\β}}_1+{\mathrm{\δ}}_1)\\ -r\cos {\mathrm{\α}}_1+r\cos ({\mathrm{\β}}_1+{\mathrm{\δ}}_1)\end{array}\right);$

通过所述全局坐标系和局部坐标系中的分位移矢量,得出心轴合成偏心位移矢量；

②基于初次导向状态下对心轴分位移矢量进行计算和合成：

基于初次导向状态下的行星轮公转角度为α₂时，行星轮公转导致的行星轮自转角度为β₂，行星轮自转角度为δ₂，在全局坐标系和局部坐标系中分位移矢量

和

分别为：

$\stackrel{\‾}{e_1}=\left(\begin{array}{c}-r\sin ({\mathrm{\α}}_1+{\mathrm{\α}}_2)\\ -r\cos ({\mathrm{\α}}_1+{\mathrm{\α}}_2)\end{array}\right)$

$\stackrel{\‾}{e_2}=\left(\begin{array}{c}-r\sin ({\mathrm{\β}}_1+{\mathrm{\δ}}_1+{\mathrm{\β}}_2+{\mathrm{\δ}}_2)\\ r\cos ({\mathrm{\β}}_1+{\mathrm{\δ}}_1+{\mathrm{\β}}_2+{\mathrm{\δ}}_2)\end{array}\right)$

心轴偏心位移矢量

为：

$\stackrel{\‾}{e}=\stackrel{\‾}{e_1}+\stackrel{\‾}{e_2}=\left(\begin{array}{c}-r\sin ({\mathrm{\α}}_1+{\mathrm{\α}}_2)-r\sin ({\mathrm{\β}}_1+{\mathrm{\δ}}_1+{\mathrm{\β}}_2+{\mathrm{\δ}}_2)\\ -r\cos ({\mathrm{\α}}_1+{\mathrm{\α}}_2)+r\cos ({\mathrm{\β}}_1+{\mathrm{\δ}}_1+{\mathrm{\β}}_2+{\mathrm{\δ}}_2)\end{array}\right);$

③基于i次导向位置状态下对心轴分位移矢量进行计算和合成：

基于i次导向状态下心轴分位移矢量的计算和合成根据所述计算和控制原理，由数学归纳法得到心轴的偏心位移矢量

为：

$\stackrel{\‾}{e}=\stackrel{\‾}{e_1}+\stackrel{\‾}{e_2}=\left(\begin{array}{c}-r\sin \left(\mathrm{\Σ}{\mathrm{\α}}_i\right)-r\sin (\mathrm{\Σ}{\mathrm{\β}}_i+\mathrm{\Σ}{\mathrm{\δ}}_i)\\ -r\cos \left(\mathrm{\Σ}{\mathrm{\α}}_i\right)+r\cos (\mathrm{\Σ}{\mathrm{\β}}_i+\mathrm{\Σ}{\mathrm{\δ}}_i)\end{array}\right).$

所述心轴偏置装置到达目标位置后，所述的两个伺服电机可分别自锁，使在目标位置锁定行星轮。以便能在目标位置锁定行星轮，使心轴稳定在目标位移矢量位置，保证旋转导向钻具组合按照所需的井斜和方位导向钻进。

所述实钻井眼数据可包括实钻点的坐标、井深、井斜角、方位角等；所述心轴位移数据可包括心轴的加速度和偏心位移矢量等。

如图2所示，静态偏置指向式导向执行机构的结构主要有：驱动行星轮自转的直流伺服电机M1，驱动行星轮公转的直流伺服电机M2，行星轮自转主动齿轮3，行星轮自转从动齿轮4，行星轮5，行星轮公转从动齿轮6，行星轮公转主动齿轮7，自润滑关节轴承8，钻柱9，中空万向节10，心轴11，支撑轴承组合12和钻头13。其中行星轮自转主动齿轮3与行星轮自转从动齿轮4外啮合，行星轮自转从动齿轮4与行星轮5内啮合；行星轮5安装在行星轮公转从动齿轮6的偏心孔内，行星轮公转从动齿轮6与行星轮公转主动齿轮7外啮合；心轴11通过自润滑关节轴承8安装在行星轮5的偏心孔内；钻柱9与心轴11通过中空万向节10连接；支撑轴承组合12为心轴11提供偏置支点。静态偏置指向式导向执行机构的控制过程为：

直流伺服电机M1驱动行星轮自转主动齿轮3转动，行星轮自转主动齿轮3带动行星轮自转从动齿轮4转动；行星轮自转从动齿轮4在与行星轮5内啮合的作用下，驱动行星轮绕中心自转。直流伺服电机M2驱动行星轮公转主动齿轮7，行星轮公转主动齿轮7带动行星轮公转从动齿轮6转动；由于行星轮5安装在行星轮公转从动齿轮6的偏心孔内，在行星轮公转主动齿轮7的带动下，行星轮5可以绕导向执行机构的中心转动，即实现行星轮的公转。通过控制两个直流伺服电机M1和M2的转角，可以实时调整行星轮的自转角和公转角。由于心轴11装于行星轮5的偏心孔在，随行星轮5一起运动，在行星轮5的作用下，心轴可以按指定的偏置位移和角度实现偏置。

由上所述，在直流伺服电机M1和M2的驱动下，经少齿差行星轮系的传动可以实现行星轮的自转与公转，使心轴发生偏置。通过调节两个电机的转角可以实时调控行星轮的自转角和公转角，以此来调整心轴的偏心位移矢量，实现对导向执行机构心轴偏心位移矢量的控制。

如图3所示，心轴偏心位移矢量合成的原理和计算过程为：

以导向执行机构的原点O为原点，建立全局坐标系；以行星轮的自转中心O₁为原点，建立局部坐标系。r为行星轮公转从动齿轮6和行星轮5偏心孔的轴线与自身轴线的偏心距。

初始位置时，导向执行机构不发生偏置，心轴中心的初始原点A₁₁与导向执行机构的原点O重合；行星轮的原点位于O₁₁处，其偏心孔的原点，即为心轴的初始原点A₁₁。此时，全局坐标系中行星轮的中心相对导向执行机构原点的位移矢量与局部坐标系中心轴中心相对行星轮自转中心的位移矢量大小相等，方向相反；因此，心轴的偏心位移矢量为0。

在初始位置时，首先启动电机M1驱动行星轮公转，转动角度为α₁，行星轮的中心O₁绕导向执行机构的中心O由O₁₁位置转动到达O₁₂位置。在少齿差行星轮系中，由于行星轮5与行星轮自转从动齿轮4的内啮合影响，行星轮的公转必将导致其自转，从而引起心轴偏心位移矢量的变化。由少齿差行星轮系传动比，得出行星轮公转角α与其自转角β的关系为：β＝0.1α。初始位置，行星轮公转α₁角度时，引起其自转角为β₁，心轴的原点由A₁₁位置运动到A₁₂位置。行星轮的原点O₁₂在全局坐标系位移矢量

和心轴的原点A₁₂在以O₁₂为原点的局部坐标系中的位移矢量分别为：

$\stackrel{\‾}{e_1}\≡\stackrel{\‾}{{\mathrm{OO}}_{12}}=\left[\begin{array}{c}-r\sin {\mathrm{\α}}_1\\ -r\cos {\mathrm{\α}}_1\end{array}\right]$

由矢量合成原理，行星轮公转完成后心轴的偏心位移矢量

为：

$\stackrel{\‾}{e}=\stackrel{\‾}{{\mathrm{OA}}_{12}}=\stackrel{\‾}{e_1}+{\stackrel{\‾}{e_2}}^{\′}=\left(\begin{array}{c}-r\sin {\mathrm{\α}}_1-r\sin {\mathrm{\β}}_1\\ -r\cos {\mathrm{\α}}_1+r\cos {\mathrm{\β}}_1\end{array}\right)$

行星轮公转完成后,启动电机M2，驱动行星轮自转，自转角度为δ₁。心轴的原点A绕O₁₂转动，由A₁₂位置运动到A₁₃位置，在以O₁₂为原点的局部坐标系中的分位移矢量

为：

根据矢量合成原理，基于初始位置的心轴偏心位移矢量

为：

$\stackrel{\‾}{e}=\stackrel{\‾}{{\mathrm{OA}}_{13}}=\stackrel{\‾}{e_1}+\stackrel{\‾}{e_2}=\left(\begin{array}{c}-r\sin {\mathrm{\α}}_1-r\sin ({\mathrm{\β}}_1+{\mathrm{\δ}}_1)\\ -r\cos {\mathrm{\α}}_1+r\cos ({\mathrm{\β}}_1+{\mathrm{\δ}}_1)\end{array}\right)$

至此，基于初始位置的心轴偏心位移矢量的控制与调整完成，心轴的偏心位移矢量达到目标位置，导向执行机构按目标造斜率和工具面角进行导向钻井。

基于初次导向位置状态下心轴分位移矢量的合成与控制采用相同的方法，即首先驱动行星轮公转，然后驱动行星轮自转，从而使行星轮带动心轴实现目标偏心位移矢量。当行星轮的公转角度为α₂时，行星轮的原点绕O点转动，由O₁₂位置到达O₁₃位置。由行星轮的公转引起的自转角度为β₂，心轴的原点由A₁₃位置运动到A₁₄位置。行星轮的原点O₁₃在全局坐标系位移矢量

和心轴的原点A₁₄在局部坐标系中的位移矢量

分别为：

$\stackrel{\‾}{e_1}=\stackrel{\‾}{{\mathrm{OO}}_{13}}=\left(\begin{array}{c}-r\sin ({\mathrm{\α}}_1+{\mathrm{\α}}_2)\\ -r\cos ({\mathrm{\α}}_1+{\mathrm{\α}}_2)\end{array}\right)$

${\stackrel{\‾}{e_2}}^{\′}=\stackrel{\‾}{O_{13}{A}_{14}}=\left(\begin{array}{c}-r\sin ({\mathrm{\β}}_1+{\mathrm{\δ}}_1+{\mathrm{\β}}_2)\\ r\cos ({\mathrm{\β}}_1+{\mathrm{\δ}}_1+{\mathrm{\β}}_2)\end{array}\right)$

由矢量合成原理得，行星轮公转完成后心轴的偏心位移矢量

为：

$\stackrel{\‾}{e}=\stackrel{\‾}{{\mathrm{OA}}_{14}}=\stackrel{\‾}{e_1}+{\stackrel{\‾}{e_2}}^{\′}=\left(\begin{array}{c}-r\sin ({\mathrm{\α}}_1+{\mathrm{\α}}_2)-r\sin ({\mathrm{\β}}_1+{\mathrm{\δ}}_1+{\mathrm{\β}}_2)\\ -r\cos ({\mathrm{\α}}_1+{\mathrm{\α}}_2)+r\cos ({\mathrm{\β}}_1+{\mathrm{\δ}}_1+{\mathrm{\β}}_2)\end{array}\right)$

行星轮公转完成后,启动电机M2，驱动行星轮自转，自转角度为δ₂。心轴的原点A绕O₁₃转动，由A₁₄位置运动到A₁₅位置，在以O₁₃为原点的局部坐标系中的分位移矢量

为：

$\stackrel{\‾}{e_2}=\stackrel{\‾}{A_{13}{O}_{15}}=\left(\begin{array}{c}r\cos (\mathrm{\ϵ}+{\mathrm{\δ}}_2)\\ r\sin (\mathrm{\ϵ}+{\mathrm{\δ}}_2)\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}-r\sin ({\mathrm{\β}}_1+{\mathrm{\δ}}_1+{\mathrm{\β}}_2+{\mathrm{\δ}}_2)\\ r\cos ({\mathrm{\β}}_1+{\mathrm{\δ}}_1+{\mathrm{\β}}_2+{\mathrm{\δ}}_2)\end{array}\right)$

根据矢量合成原理，基于初始导向状态下心轴偏心位移矢量

为：

$\stackrel{\‾}{e}=\stackrel{\‾}{{\mathrm{OA}}_{15}}=\stackrel{\‾}{e_1}+\stackrel{\‾}{e_2}=\left(\begin{array}{c}-r\sin ({\mathrm{\α}}_1+{\mathrm{\α}}_2)-r\sin ({\mathrm{\β}}_1+{\mathrm{\δ}}_1+{\mathrm{\β}}_2+{\mathrm{\δ}}_2)\\ -r\cos ({\mathrm{\α}}_1+{\mathrm{\α}}_2)+r\cos ({\mathrm{\β}}_1+{\mathrm{\δ}}_1+{\mathrm{\β}}_2+{\mathrm{\δ}}_2)\end{array}\right)$

至此，基于初次导向位置状态下，心轴偏心位移矢量的控制与调整完成，心轴的偏心位移矢量再次达到目标位置，导向执行机构按新的目标造斜率和工具面角进行导向钻井。

基于i次导向位置状态下心轴分位移矢量的合成和控制，根据所述计算和控制原理，由数学归纳法计算得到所述心轴的偏心位移矢量

为：

$\stackrel{\‾}{e}=\stackrel{\‾}{{\mathrm{OA}}_{1i}}=\stackrel{\‾}{e_1}+\stackrel{\‾}{e_2}=\left(\begin{array}{c}-r\sin \left(\mathrm{\Σ}{\mathrm{\α}}_i\right)-r\sin (\mathrm{\Σ}{\mathrm{\β}}_i+\mathrm{\Σ}{\mathrm{\δ}}_i)\\ -r\cos \left(\mathrm{\Σ}{\mathrm{\α}}_i\right)+r\cos (\mathrm{\Σ}{\mathrm{\β}}_i+\mathrm{\Σ}{\mathrm{\δ}}_i)\end{array}\right)$

以上仅为本发明的较佳实施例，任何基于本发明的等效变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种指向式旋转导向执行机构心轴位移矢量控制系统，其特征在于，该系统为双闭环结构，包括地面监控系统、用于地面与井下装置之间数据传输的通信系统、以及位于井下的井下微处理器、运动控制卡、心轴偏置装置和传感器组；所述传感器组检测实钻井眼数据以及心轴的位移数据；所述心轴偏置装置包括少齿差行星轮系以及与其连接的两个伺服电机，通过所述的两个伺服电机驱动所述少齿差行星轮系内行星轮自转及公转，使心轴发生偏置；所述运动控制卡驱动所述的两个伺服电机工作；所述井下微处理器，向所述运动控制卡发送电机旋转角度控制指令；所述地面监控系统通过所述通信系统向所述井下微处理器发送心轴偏置位移目标指令；所述传感器组将心轴的位移数据实时反馈至所述井下微处理器，形成内环反馈，所述传感器组通过所述通信系统，将实钻井眼数据实时反馈至所述地面监控系统，形成外环反馈。

2.根据权利要求1所述的指向式旋转导向执行机构心轴位移矢量控制系统，其特征在于，所述心轴偏置装置还包括万向节，所述万向节两端分别与钻柱和心轴连接。

3.根据权利要求1所述的指向式旋转导向执行机构心轴位移矢量控制系统，其特征在于，所述运动控制卡为多轴、可编程、自闭环运动控制卡。

4.根据权利要求1所述的指向式旋转导向执行机构心轴位移矢量控制系统，其特征在于，所述的两个伺服电机均为直流伺服电机。

5.根据权利要求1所述的指向式旋转导向执行机构心轴位移矢量控制系统，其特征在于，还包括数据采集卡，所述数据采集卡采集所述传感器组的信号，并发送至所述井下微处理器以及通过所述通信系统发送至所述地面监控系统。

6.一种指向式旋转导向执行机构心轴位移矢量控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)设置双闭环控制系统：

包括地面监控系统、用于地面与井下装置之间数据传输的通信系统、以及位于井下的井下微处理器、运动控制卡、心轴偏置装置和传感器组；所述传感器组检测实钻井眼数据以及心轴的位移数据；所述心轴偏置装置包括少齿差行星轮系以及与其连接的两个伺服电机，通过所述的两个伺服电机驱动所述少齿差行星轮系内行星轮自转及公转，使心轴发生偏置；所述运动控制卡驱动所述的两个伺服电机工作；所述井下微处理器，向所述运动控制卡发送电机旋转角度控制指令；所述地面监控系统通过所述通信系统向所述井下微处理器发送心轴偏置位移目标指令；所述传感器组将心轴的位移数据实时反馈至所述井下微处理器，形成内环反馈，所述传感器组通过所述通信系统，将实钻井眼数据实时反馈至所述地面监控系统，形成外环反馈；

2)所述地面监控系统，其内预设理想的井眼轨迹数据，将来自所述传感器组的当前实钻井眼数据反馈，与理想井眼参数比较得出偏差，向所述井下微处理器发送纠正偏差的心轴偏置位移目标指令；

3)所述井下微处理器，根据所述地面监控系统发送的心轴偏置位移目标指令，计算出心轴偏置位移矢量目标值，将心轴偏置位移矢量目标值与所述传感器组反馈的心轴位移数据进行比较得出偏差，然后计算出所述的两个伺服电机为纠正偏差所分别旋转的角度，向所述运动控制卡发送电机旋转角度控制指令，所述运动控制卡驱动所述的两个伺服电机旋转，使偏差缩小；

4)所述井下微处理器根据实时反馈的心轴位移数据，重复步骤3)，直至当前心轴偏置位移矢量实测值与心轴偏置位移矢量目标值之间的偏差小于或等于允许值时结束；

5)所述地面监控系统根据实时反馈的实钻井眼数据，重复步骤2)至步骤4)，实时修正心轴偏置位移目标指令，以监测、控制井眼轨迹。

7.根据权利要求6所述的指向式旋转导向执行机构心轴位移矢量控制方法，其特征在于，在所述步骤3)中，所述井下微处理器计算所述的两个伺服电机为纠正偏差所分别旋转的角度，包括如下步骤：

(1)以初始位置为基准，确定导向执行机构心轴的最大偏心位移量：

假设所述导向执行机构驱动电机功率足够大，导向执行机构正常工作；初始位置时，心轴中心与导向执行机构外筒中心重合，心轴偏心位移矢量为0，根据所述导向执行机构偏置装置中少齿差行星轮的结构及工作原理，确定心轴的最大偏心位移量为r_max；

(2)建立心轴偏心位移矢量的数学模型，对心轴偏心位移矢量进行合成与分解：

初始位置时，以导向执行机构中心为原点，建立全局坐标系；以所述少齿差行星轮系中行星轮的自转中心为原点，建立局部坐标系；心轴偏心位移矢量由所述少齿差行星轮系的自转中心在所述全局坐标系的分位移矢量

和心轴中心在所述局部坐标系的分位移矢量合成，根据所述少齿差行星轮系的结构参数，得出

以及

(3)确定心轴合成偏心位移矢量控制范围：

以初始位置为基准，心轴偏心位移矢量的最大幅值出现在

和

方向相同时，即心轴偏心位移矢量的最小幅值出现在

和

方向相反时，即

心轴偏心位移矢量的控制区域为整个控制平面；

(4)定量确定所述少齿差行星轮系的自转角和公转角：

基于矢量合成的原理，以所述少齿差行星轮系中行星轮的自转角和公转角为输入变量，定量计算分位移矢量

和分位移矢量根据心轴偏心位移矢量目标值与当前心轴偏心位移矢量实测值之间的偏差，确定所述少齿差行星轮系中行星轮的自转角和公转角，从而得出所述的两个伺服电机为纠正偏差分别所需旋转的角度。

8.根据权利要求7所述的指向式旋转导向执行机构心轴位移矢量控制方法，其特征在于，在所述步骤(4)中，定量计算分位移矢量

和分位移矢量

的步骤为：

①初始位置时，对心轴分位移矢量进行计算和合成：

初始位置时行星轮公转角度为α₁，公转导致的行星轮自转角度为β₁，行星轮自转角度为δ₁，分位移矢量

和分位移矢量

分别为：

$\stackrel{\‾}{e_1}=\left(\begin{array}{c}-r\sin {\mathrm{\α}}_1\\ -r\cos {\mathrm{\α}}_1\end{array}\right)$

$\stackrel{\‾}{e_2}=\left(\begin{array}{c}-r\sin ({\mathrm{\β}}_1+{\mathrm{\δ}}_1)\\ r\cos ({\mathrm{\β}}_1+{\mathrm{\δ}}_1)\end{array}\right)$

基于初始位置的心轴偏心位移矢量

为：

$\stackrel{\‾}{e}=\stackrel{\‾}{e_1}+\stackrel{\‾}{e_2}=\left(\begin{array}{c}-r\sin {\mathrm{\α}}_1-r\sin ({\mathrm{\β}}_1+{\mathrm{\δ}}_1)\\ -r\cos {\mathrm{\α}}_1+r\cos ({\mathrm{\β}}_1+{\mathrm{\δ}}_1)\end{array}\right);$

通过所述全局坐标系和局部坐标系中的分位移矢量,得出心轴合成偏心位移矢量；

②基于初次导向状态下对心轴分位移矢量进行计算和合成：

基于初次导向状态下的行星轮公转角度为α₂时，行星轮公转导致的行星轮自转角度为β₂，行星轮自转角度为δ₂，在全局坐标系和局部坐标系中分位移矢量

和

分别为：

$\stackrel{\‾}{e_1}=\left(\begin{array}{c}-r\sin ({\mathrm{\α}}_1+{\mathrm{\α}}_2)\\ -r\cos ({\mathrm{\α}}_1+{\mathrm{\α}}_2)\end{array}\right)$

$\stackrel{\‾}{e_2}=\left(\begin{array}{c}-r\sin ({\mathrm{\β}}_1+{\mathrm{\δ}}_1+{\mathrm{\β}}_2+{\mathrm{\δ}}_2)\\ r\cos ({\mathrm{\β}}_1+{\mathrm{\δ}}_1+{\mathrm{\β}}_2+{\mathrm{\δ}}_2)\end{array}\right)$

心轴偏心位移矢量

为：

$\stackrel{\‾}{e}=\stackrel{\‾}{e_1}+\stackrel{\‾}{e_2}=\left(\begin{array}{c}-r\sin ({\mathrm{\α}}_1+{\mathrm{\α}}_2)-r\sin ({\mathrm{\β}}_1+{\mathrm{\δ}}_1+{\mathrm{\β}}_2+{\mathrm{\δ}}_2)\\ -r\cos ({\mathrm{\α}}_1+{\mathrm{\α}}_2)+r\cos ({\mathrm{\β}}_1+{\mathrm{\δ}}_1+{\mathrm{\β}}_2+{\mathrm{\δ}}_2)\end{array}\right);$

③基于i次导向位置状态下对心轴分位移矢量进行计算和合成：

基于i次导向状态下心轴分位移矢量的计算和合成根据所述计算和控制原理，由数学归纳法得到心轴的偏心位移矢量

为：

$\stackrel{\‾}{e}=\stackrel{\‾}{e_1}+\stackrel{\‾}{e_2}=\left(\begin{array}{c}-r\sin \left(\mathrm{\Σ}{\mathrm{\α}}_i\right)-r\sin (\mathrm{\Σ}{\mathrm{\β}}_1+\mathrm{\Σ}{\mathrm{\δ}}_i)\\ -r\cos \left(\mathrm{\Σ}{\mathrm{\α}}_i\right)+r\cos (\mathrm{\Σ}{\mathrm{\β}}_i+\mathrm{\Σ}{\mathrm{\δ}}_i)\end{array}\right).$

9.根据权利要求6所述的指向式旋转导向执行机构心轴位移矢量控制方法，其特征在于，所述心轴偏置装置到达目标位置后，所述的两个伺服电机分别自锁，使在目标位置锁定行星轮。

10.根据权利要求6所述的指向式旋转导向执行机构心轴位移矢量控制方法，其特征在于，所述实钻井眼数据包括实钻点的坐标、井深、井斜角、方位角；所述心轴位移数据包括心轴的加速度和偏心位移矢量。

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