CN104453713B - 一种利用旋转导向工具控制井眼轨迹的方法 - Google Patents

Abstract

控制井眼轨迹的方法，根据设计井眼轨道和预计导向工具造斜能力，确定导向工具控制模式、导向比例及进尺、磁性或重力工具面参数进行导向钻进作业；井下和地面进行双向通信，同时监测导向控制结果，计算导向工具实际造斜能力及井眼轨道偏差；进而确定导向参数或调整待钻井眼轨道，适应导向工具造斜能力的变化，满足井眼轨道控制精度要求；利用井下深度自动跟踪装置及方法，实现导向系统井下智能控制目的，减少导向参数下传指令及误码率，提高导向钻井作业效率及井眼轨道控制精度，能够满足大位移井、复杂地质结构水平井及地质导向钻井轨道控制的要求。

Description

一种利用旋转导向工具控制井眼轨迹的方法

技术领域

本发明涉及一种定向钻井导向工具控制井眼轨迹的方法，尤其涉及一种利用旋转导向工具控制井眼轨迹的方法。

背景技术

现有技术中，旋转导向工具由于在钻柱旋转状态下实现井眼轨迹的导向控制，克服了滑动导向作业中摩阻过大、岩屑沉积及极限位移小等缺陷，可大幅度提高井身质量、钻井效率和钻井安全性，所以广泛应用于大位移井、水平井和三维复杂结构井的导向施工作业，是当今典型的先进钻井装备之一。

目前旋转导向工具按导向方式分为钻头推靠式和钻头指向式两种基本类型，按动力传递结构方式又可划分为“驱动轴—不旋转套”结构和“全旋转”结构等，其中全旋转指向式导向工具结合了指向式导向和全旋转钻井两者的优点，更能适应各种复杂的地层和作业工况，钻得更深，钻速更高，在海洋油气资源开发以及在油田开发复杂油气藏中钻超深井、高难定向井、丛式井、水平井、大位移井、分支井及三维复杂结构井等特殊工艺井中更具竞争力。因此，它是当今钻井工程和油气勘探开发迫切需要的一项尖端钻井装备，是现代导向钻井技术发展的趋势。

在旋转导向工具设计研发上国内外现存很多种方式，在国外，很多公司研发的旋转导向工具在设计上存在诸多差别，特点也各不相同。诸如贝克休斯公司的AutoTrack是钻头推靠式工具的典型代表，研发的“驱动轴—不旋转套”结构特点在于通过控制不旋转外套上推力块作用于井壁的合力大小及方向进行导向作业(例如参照专利文献WO2008101020A、US2013256034A等)。而典型的钻头指向式旋转导向工具诸如哈里伯顿公司的Geo-Pilot(例如参照专利文献WO2014055068A)、威德福公司的Revolution(例如参照专利文献WO2008120025A)及斯伦贝谢公司的PowerDriveXceed(例如参照专利文献NO20061119A)等，其中所述Geo-Pilot和Revolution是静态指向式旋转导向工具，特点是工具造斜能力通过井下调整导向工具偏置位移实现，且可连续调节。所述PowerDriveXceed是“全旋转”结构，即全旋转指向式导向工具，采用了固定导向偏置结构，其造斜率通过交替变化的导向和稳斜钻进模式来实现，依靠地面系统下传导向参数(工具面及导向比例)来进行控制。由于受控制指令编码长度的限制，所传参数不能满足井眼轨道精细控制的需要，且由于地层特性等引起导向工具造斜率变化时，频繁地下传导向指令，将影响导向钻井作业效率。

在国内也有多家公司和科研机构在研发旋转导向工具，现已成型的工具几乎全是钻头推靠式导向方式，工作原理与国外产品基本相同，只是在具体技术实现方式上呈现出一定的差异。而钻头指向式旋转导向工具目前国内尚处于空白状态。

基于此，本申请人在深入调研国外钻头指向式旋转导向工具的基础上，特别是针对斯伦贝谢公司的PowerDriveXceed全旋转指向式导向工具存在的缺点，提出了一种利用全旋转导向工具控制井眼轨迹的改进的方法，不但有效解决上述问题，大大提高了井眼轨道控制精度和导向钻井作业效率，而且填补国内此项技术的空白。

发明内容

鉴于此，本发明目的在于提出一种能够确定导向工具控制模式和导向参数、实现井眼轨道自动控制、提高导向工具作业效率、满足定向钻井导向控制需求的利用旋转导向工具控制井眼轨迹的方法。

根据本发明，能够优化旋转导向工具控制并实现闭环导向控制，提高导向钻井作业效率和井眼轨道控制精度，能够满足大位移井、复杂地质结构水平井及地质导向钻井轨道控制的要求。

根据本发明，通过进行井眼轨迹偏差分析和建立轨道控制模型，分析已钻轨迹偏差和计算导向参数，实现井眼曲率调整和轨道控制。

具体的，本发明提供一种利用旋转导向工具控制井眼轨迹的方法，其特征在于包括如下步骤：

按给定导向参数钻达预定测斜深度时，暂停钻柱运动，确保测量出准确的井斜参数，将测斜数据上传到地面，确认后下发指令，进而井下和地面均获得完整的测斜数据及导向工具面姿态，作为轨迹跟踪分析和导向控制计算的依据；

根据测斜数据计算出井眼轨迹，并相应进行控制工具面的计算；

然后进行轨迹偏差分析，通过分析已钻轨迹偏差和计算导向参数，实现井眼曲率调整和轨道控制。

其中，根据设计井眼曲率和导向工具的造斜能力来确定合理的导向比例参数；

在调整井眼曲率时，通过控制导向工具以稳斜和导向模式交替的方式来实现，所采用的控制模型由n+1个相同稳斜段长和n(n为正整数)个相同圆弧段长轨道间隔组成，选择不同的导向段数n、导向和稳斜钻进长度实现井眼轨道的控制，当n＝∞时，导向轨迹最佳地逼近设计井眼轨道，在实际控制时，交替地控制导向和稳斜钻进时间比例及总钻进长度来逼近设计井眼轨道。

如上述所述利用旋转导向工具控制井眼轨迹的方法，其特征在于，计算导向工具实际造斜能力及井眼轨道偏差；进而确定导向参数或调整待钻井眼轨道，适应导向工具造斜能力的变化，满足井眼轨道控制精度要求。

如上述所述利用旋转导向工具控制井眼轨迹的方法，其特征在于，暂停钻柱运动测斜时，初始化运动速度和位移为0，井下接收到地面指令后，获取当前深度数据，开始钻进，利用测量轴向运动加速度，求出钻柱轴向运动位移，进而实现井下自动跟踪钻进深度。

在本发明中，导向工具控制模式有两种，一种是稳斜模式，一种是导向模式进行。在稳斜模式中存在两种方案，一种方案是控制导向偏置机构反向旋转，并与导向工具保持一定转速差；另一种方案是控制导向偏置机构反向旋转，与导向工具间保持相同转速，形成相对大地稳定的工具面，并维持工具面一短暂时长，然后间隔一定角度，变化工具面和维持固定短暂时长，以此达到稳斜钻井目的。而在导向模式中，通常按井眼轨道控制要求的工具面进行导向工具控制。

在本发明中，在调整井眼曲率时，通过控制导向工具以稳斜和导向模式交替的方式来实现，所采用的控制模型由n+1个相同稳斜段长L_t和n(n为正整数)个相同圆弧段长S_t轨道间隔组成(如图4所示)，这在后文中将详述。在采用井下自动导向模式时，通过轴向加速计获得钻进段长，可实现两种模式自动转换。

其中，利用导向工具和随钻测量单元上的定向测量参数，可自动监测井斜角、方位角和井眼曲率的变化，实现导向工具井下闭环控制。

发明效果

根据本发明提供的控制井眼轨迹的方法，实现了钻头指向式全旋转导向工具的控制，根据设计井眼轨道和预计导向工具造斜能力，确定导向工具控制模式、导向比例及进尺、磁性或重力工具面参数进行导向钻进作业；井下和地面进行双向通信，同时监测导向控制结果，计算导向工具实际造斜能力及井眼轨道偏差；进而确定导向参数或调整待钻井眼轨道，适应导向工具造斜能力的变化，满足井眼轨道控制精度要求；利用井下深度自动跟踪装置及方法，实现导向系统井下智能控制目的，减少导向参数下传指令及误码率，提高导向钻井作业效率及井眼轨道控制精度。

附图说明

图1为本发明具体实施方式的旋转导向系统示意图。

图2为本发明具体实施方式的导向控制方法流程图。

图3为本发明具体实施方式的井眼轨迹计算模型图。

图4为本发明具体实施方式的井眼轨道控制模型图。

具体实施方式

下面参照附图结合具体实施方式对本发明做出进一步详细描述。应该指出的是，本实施例中所采用的导向工具及导向系统是例示性的，形成井眼轨道时所采用的控制方法也是例示性的，本发明应不仅仅限于下述具体实施方式之中，总之，所述实施方式仅仅是例示性的，为的是能更清楚的阐述本发明。

图1为本发明具体实施方式的旋转导向系统示意图。

本发明所采用的旋转导向系统，由地面监控子系统、双向通讯子系统及井下导向子系统构成，如图1所示，本发明旋转导向系统井下基本配置包括：信息传输及随钻测量单元1、无线短传接收/发送单元2、泥浆马达单元3、无线短传发送/接收单元4、对接与扩展单元5、供电单元6、测量与控制单元7、导向执行单元8。

在图1中，①表示定向参数测量，②表示无线短传井下信息，③表示涡轮发动机及电池组，④表示磁力计(测转速及动态磁工具面)，⑤表示定向传感器组件，⑥表示加速度计(测轴向运动距离)，⑦表示压力传感器(接收下传信息)，⑧表示电机，⑨表示减速器，⑩表示旋转变压器(测导向芯轴转速及导向偏置机构位置)，表示导向偏置机构，表示轴承，表示导向芯轴，表示传扭部件。

在信息传输及随钻测量单元1上，布置有正脉冲发生器、驱动短节、电池筒短节、定向参数、井下振动、电阻率及伽马等测量短节，实现工程、地质参数测量及井下测量数据上传功能。当导向工具配泥浆马达3时，采用马达上下端配备的无线短传双向通信单元4和2，实现导向工具和传输及随钻参数测量单元1之间的信息交换，泥浆马达3为提高导向工具转速及钻头破岩扭矩而配；否则采用数据连接器进行机械及电气连接，实现数据通讯。对接与扩展单元5实现导向工具与传输及随钻测量单元1机械、电连接。供电单元6包括涡轮发电机及电池组，分别为电机和测控电路供电。测量与控制单元7包括横向磁力计、定向传感器组件、轴向加速度计、压力传感器、旋转变压器、电机及减速器、导向偏置机构、测量控制电路等；采用正交磁力计测量钻柱转速及工具面刻线的动态磁工具面；通用定向传感器测量井斜角、方位角及工具面；柱内/环空压力传感器用于地面下传信号、测量工具内外钻井液流体压力、监测钻井液循环状态；轴向加速度计⑥测量轴向加速度，用于计算轴向运动距离；旋转变压器⑩测量导向偏置机构旋转位置及速度；电机⑧及减速器⑨驱动导向偏置机构反向旋转，通过转速和位置控制实现工具面的调整及形成相对大地稳定的工具面；测量控制电路负责解调下传指令、获取传感器读数、测量及控制计算、井下主控、数据存储与通迅、驱动导向控制等。导向执行单元8带动导向芯轴旋转，驱动钻头9按指定工具面进行导向作业。

进一步，为了实现井下深度及轨迹自动跟踪目的，导向工具下井前，存储器中预存设计轨道分段节点数据、已钻轨迹基本参数和待钻井眼测量点深度数据，到达测量点深度时(通常为接单根深度)，暂停钻柱运动测斜，上传测斜数据到地面系统，然后下传确认指令，井下获得测点轨迹基本参数(测深、井斜和方位)，进而分析井眼轨迹偏差，确定待钻轨道和导向参数。

利用轴向加速度传感器计算测斜后钻进深度增量，按照计算导向参数(导向模式、段长及工具面角)自动控制井眼轨道，减少下传指令，提高导向作业效率和井眼轨道控制精度。

其中，作为核心部件的全旋转指向式导向工具，自上而下由对接与扩展单元5、供电单元6、测量控制单元7和导向执行单元8组成。对接与扩展单元5实现与传输及随钻测量单元1的机械及电连接，若配泥浆马达3时与无线短传单元4连接；供电单元6为井下导向工具提供动力，由涡轮发电机、电池、供电控制电路等组成；测量控制单元7包括井下主控、定向参数/钻柱转速/内外压力测量部分，实现地面下传指令接收和导向控制指令输出功能；导向执行单元8包括电机⑧、减速器⑨、旋转变压器⑩、导向偏置机构轴承组导向芯轴传扭部件和密封结构等。导向芯轴上端置于导向偏置机构内，通过轴承组连接，可相对导向偏置机构自由转动；钻柱旋转动力由传扭部件传递给导向芯轴，驱动其下端的钻头9旋转钻进。

其中，通过电机以与钻柱相同速度驱动所述导向偏置机构反向旋转，从而在所述导向工具内部动态形成一个相对大地稳定的工具面进行导向作业。

实施例

下面以一个具体应用实施例对本发明做进一步说明，以一口大位移三维水平井为例，设计造斜点深KOP＝230.00m，井眼曲率分别为K₁＝2.4°/30m、K₂＝6°/30m，井眼轨道设计分段数据见表1。设计旋转导向工具从造斜点开始下入，完成后面各井段的定向控制作业。

表1井眼轨道设计分段数据

由表1可知，造斜段(230～1218.65m)为二维井眼轨道，该段以控制方位和平均造斜率为主；稳斜段(1218.65～4331.53m)井斜角大，且井段长，以稳斜控制(井斜和方位)为主；变井斜变方位段(4331.53～4397.74m)同时控制井斜角、方位角及其变化，确保精确着陆；水平段(4397.74～5065.86m)控制井斜为主，兼顾方位控制。井眼轨道控制过程中，进行最近距离偏差分析，且控制偏差小于各段设定允许偏差范围。

根据设计井眼轨道及对应地层，预计第一造斜段工具造斜能力K_t＝6.4°/30m。为了控制第一造斜段平均造斜率为K₁＝2.4°/30m，控制模型如图4，由n个导向段S_t及n+1个稳斜段L_t间隔组成，导向控制参数计算结果见表2。

表2导向控制参数

由表2可知，选择不同的导向段数n、导向和稳斜钻进长度可实现设计井眼轨道的控制。理论上，当n＝∞时，导向比例k_s＝0.60,导向轨迹最佳地逼近设计井眼轨道。因此，实际控制时，也可交替地控制导向和稳斜钻进时间比例及总钻进长度来逼近设计井眼轨道。

第一造斜段为二维井眼轨道，将导向工具面方位设定为设计方位即可，即φ_TF＝93.28°，当井斜角α小于5°用磁性工具面控制，井斜角达5°以后，用重力工具面角，即装置角ω控制，tanω＝cosαtan(φ_TF-φ)。

图2为本发明具体实施方式的导向控制方法流程图。就导向工具控制方法而言，大致主要包括如下步骤：

(一)设置导向系统数据

主要包括以下数据：

基础数据：地磁场和重力加速度计参考值、磁偏角、磁倾角、子午线收敛角、导向工具和随钻测量单元两井斜测量点距离L_s、井底深度、测斜数据计算程序；

设计轨道数据：设计靶区、设计分段数据、分段控制目标及偏差；

已钻轨迹数据：测斜数据表(测深、井斜角、方位角)或最末点的测斜数据及坐标数据；

待钻井眼测斜点深度序列；

待钻地层预测机械钻速表；

井下数据传输数据模式及下传指令解释；

传感器采样间隔：对于环空/柱内压力传感器、轴向加速度计、横向磁力计、旋转变压器等，采样间隔通常分别设置为压力传感器1秒/点，加速度计0.001～0.1秒/点，磁力计0.001秒/点，旋转变压器0.001秒/点；

初始导向参数：导向长度、导向比例及工具面。

(二)下钻及系统测试

地面测试导向工具，测试正常后组合钻具下钻。在下钻途中，选一两个系统测试点，测试下传指令、井下测量、数据上传等功能，确保下钻到底后，导向系统能正常工作。

(三)获取测斜数据

下钻到井底及钻达预设井斜测量点时，暂停钻柱运动，确保测得较准确的井斜参数。测斜数据上传到地面，确认后下发指令，进而井下和地面均获得完整的测斜数据(测深L、井斜角α和方位角φ)及导向工具面姿态(磁工具面MTF和重力工具面GTF)，作为轨迹跟踪分析和导向控制计算的依据。

(四)轨道监控计算

图3为本发明实施例中井眼轨迹计算模型图。如图3所示，空间圆弧模型既可用于设计井眼轨道，又可描述实钻井眼轨迹。图3中O为坐标原点，X轴指向北，Y轴指向东，Z轴向下，AB为斜平面p上的一圆弧井段，A点的切线和径向单位矢量分别为s、r，B点的切线单位矢量为t，R为圆弧半径，S为圆弧段上A点到任意点C的弧长。

1.井眼轨迹计算

已知A点坐标及A、B点的井深L、井斜角α和方位角φ，则圆弧段上任意点的井斜角、方位角和坐标计算如下：

$\cos \mathrm{\α}=n_r\sin \frac{S}{R}+n_s\cos \frac{S}{R}---\left(1\right)$

$\tan \mathrm{\φ}=(m_r\sin \frac{S}{R}+m_s\cos \frac{S}{R})/(l_r\sin \frac{S}{R}+l_s\cos \frac{S}{R})---\left(2\right)$

${\left[\begin{array}{ccc}X& Y& Z\end{array}\right]}^T={\left[\begin{array}{ccc}{X}_A& Y_A& Z_A\end{array}\right]}^T+R(1-\cos \frac{S}{R})r+R\sin \frac{S}{R}s---\left(3\right)$

式中，R＝(L_B-L_A)/θ

θ＝arccos[cosα_Acosα_B+sinα_Asinα_Bcos(φ_B-φ_A)]

s＝[l_sm_sn_s]^T＝[sinα_Acosφ_Asinα_Asinφ_Acosα_A]^T

t＝[l_tm_tn_t]^T＝[sinα_Bcosφ_Bsinα_Bsinφ_Bcosα_B]^T

r＝[l_rm_rn_r]^T＝t/sinθ-s/tanθ

l、m、n分别为某单位矢量在X、Y、Z轴的投影分量。

2.控制工具面计算

装置角ω和工具面方位φ_TF计算如下

$\mathrm{\ω}=\±\arccos \frac{n_s\sin \frac{S}{R}-n_r\cos \frac{S}{R}}{\sqrt{1-{(n_s\cos \frac{S}{R}+n_r\sin \frac{S}{R})}^2}},({\mathrm{\φ}}_B\≠{\mathrm{\φ}}_A)---\left(4\right)$

式中，当φ_B>φ_A(增方位)时取“+”，当φ_B<φ_A(减方位)时取“－”。当φ_B＝φ_A(稳方位)，ω＝0。

$\tan {\mathrm{\&phi;}}_{\mathrm{TF}}=(m_r\cos \frac{S}{R}-m_s\sin \frac{S}{R})/(l_r\cos \frac{S}{R}-l_s\sin \frac{S}{R})---\left(5\right)$

装置角和工具面方位角关系为

tanω＝cosαtan(φ_TF-φ)(6)

3.轨迹偏差分析

(1)最近偏差距离

设P为实钻轨迹当前测点，M为设计轨道AB井段上距P点的最近距离点。令S_M＝AM，0≤S_M≤L_B－L_A，当AB为圆弧段和稳斜段时，其计算分别为(7)和(8)式。

$S_M=-R\arctan \frac{C_s}{C_r}---\left(7\right)$

式中，C_r＝R+(X_A-X_P)l_r+(Y_A-Y_P)m_r+(Z_A-Z_P)n_r

C_s＝(X_A-X_P)l_s+(Y_A-Y_P)m_s+(Z_A-Z_P)n_s

$C_r\cos \frac{S_M}{R}>C_s\sin \frac{S_M}{R}$

S_M＝(X_P-X_A)l_t+(Y_P-Y_A)m_t+(Z_P-Z_A)n_t(8)

l、m、n分别为某单位矢量在X、Y、Z轴的投影分量。

(2)法面偏差距离

实钻轨迹当前测点P的切线单位矢量为p，过P点垂直于p的法平面与设计轨道AB井段的交点为N，PN为P点的法面偏差距离。令S_N＝AN，0≤S_N≤L_B－L_A，当AB为圆弧段和稳斜段时，其计算分别为(9)和(10)式。

$S_N=\left\{\begin{array}{cc}2R\arctan \frac{-C_S+\sqrt{C_S^2-C_A^2-2C_A{C}_R}}{C_A+{2C}_R}& (C_A+{2C}_R\&NotEqual;0)\\ -2R\arctan \frac{C_A}{2C_S}& (C_A+2C_R=0,C_S\&NotEqual;0)\end{array}\right.---\left(9\right)$

$S_N=-\frac{C_A}{l_p{l}_t+m_p{m}_t+n_p{n}_t},(l_p{l}_t+m_p{m}_t+n_p{n}_t\&NotEqual;0)---\left(10\right)$

式中，C_A＝l_p(X_A-X_P)+m_p(Y_A-Y_P)+n_p(Z_A-Z_P)

C_R＝R(l_pl_r+m_pm_r+n_pn_r)

C_S＝R(l_pl_s+m_pm_s+n_pn_s)

[l_pm_pn_p]^T＝[sinα_Pcosφ_Psinα_Psinφ_Pcosα_P]^T

l、m、n分别为某单位矢量在X、Y、Z轴的投影分量。

计算S_M、S_N后，进而可求出M和N点坐标、最近偏差距离PM和法面偏差距离PN，以及其相对位置关系。

4.井眼轨道控制模型

图4为本发明实施例中井眼轨道控制模型图。

对固定弯角的导向系统，须控制导向和稳斜进尺或时间来达到井眼曲率控制的目的。为了能够根据设计井眼曲率和导向工具的造斜能力来确定合理的导向比例参数，最优地逼近设计井眼轨道，自动确定导向比例参数，减少下传令，所以提出一种诸如图4所示的井眼轨道控制模型。在图4中，坐标系采用和图3一样的坐标系，p为空间斜平面，圆弧段AB为设计井眼轨道，导向钻井轨道由n+1个直线段L_t(稳斜段)和n(n为正整数)个圆弧段S_t(导向段)间隔构成。设井眼曲率为K，对应的曲率半径为R，导向系统造斜能力为K_t，其曲率半径为R_t，K_t≥K，即(R_t≤R)。计算如下：

$L_t=2(R-R_t)\sin \frac{\mathrm{\&theta;}}{2}\sin \frac{\mathrm{\&theta;}}{2n}/\sin \frac{(n+1)\mathrm{\&theta;}}{2n}---\left(11\right)$

S_t＝R_tθ/n(12)

导向比例参数为

$k_s=\frac{S_t}{L_t}=\frac{R_t\mathrm{\&theta;}\sin \frac{(n+1)\mathrm{\&theta;}}{2n}}{2n\left({R-R}_t\right)\sin \frac{\mathrm{\&theta;}}{2}\sin \frac{\mathrm{\&theta;}}{2n}}---\left(13\right)$

导向控制增加进尺为

$\mathrm{\&Delta;L}=\left({R-R}_t\right)[2(n+1)\sin \frac{\mathrm{\&theta;}}{2}\sin \frac{\mathrm{\&theta;}}{2n}/\sin \frac{(n+1)\mathrm{\&theta;}}{2n}-\mathrm{\&theta;}]---\left(14\right)$

由(13)式可知，当n＝∞时，导向工具所钻轨迹最优地逼近设计井眼轨道，其精确的导向比例参数为

$k_s=\underset{n\&RightArrow;\&infin;}{\lim }\frac{R_t\mathrm{\&theta;}\sin \frac{(n+1)\mathrm{\&theta;}}{2n}}{2n\left({R-R}_t\right)\sin \frac{\mathrm{\&theta;}}{2}\sin \frac{\mathrm{\&theta;}}{2n}}=\frac{R_t}{R-R_t}=\frac{K}{K_t-K}---\left(15\right)$

因此，可控制导向段长或时间及其比例来最佳地逼近设计井眼轨道，(11)～(13)式适合按导向段长控制，(15)式更适宜于按导向时间来控制。

为了更好地利用随钻测量装置和导向工具上两测点数据实时监控井眼曲率情况，设L_s为其两测点间的距离，当n＝mRθ/L_s时，L_s＝m(L_t+S_t)(m、n为正整数)，则两测点间的井眼曲率K为导向控制平均井眼曲率，由此进一步提高井下自动闭环控制效果。

5.导向工具控制相关计算

GTF＝180°+λ+θ_mag-θ_res(16)

$\mathrm{\&lambda;}=\left\{\begin{array}{c}\&PlusMinus;\arccos \frac{\sin \mathrm{\&alpha;}\sin \mathrm{\&beta;}-\cos \mathrm{\&alpha;}\cos \mathrm{\&beta;}\cos (\mathrm{\&phi;}-\mathrm{\&delta;})}{\sqrt{1-{[\cos \mathrm{\&alpha;}\sin \mathrm{\&beta;}+\sin \mathrm{\&alpha;}\cos \mathrm{\&beta;}\cos (\mathrm{\&phi;}-\mathrm{\&delta;})]}^2}}\\ \mathrm{GTF}-\mathrm{MTF}+\mathrm{\&psi;}\end{array}\right.---\left(17\right)$

MTF＝θ_mag-θ_res+δ(18)

式中，α—井斜角；

φ—井眼方位角，其参考基准可为地磁北MN、真北TN和网格北GN；

β—地磁倾角；

δ—地磁北(水平地磁场)与参考北N间的夹角，取值如下：

当方位参考基准为

λ—重力加速度G与地磁场H在工具横截面的投影G_xy与H_xy间的夹角，沿井眼从上往下观察，以G_xy为基准，顺时针方向为正，即当cosβsin(φ-δ)＞0时，λ取“+”，否则取“－”；

θ_mag—工具面刻线与地磁场H在工具横截面投影H_xy的夹角，沿井眼从上往下观察，以H_xy为基准，顺时针方向为正；

θ_res—旋转变压器刻线与工具面刻线的夹角，沿井眼从上往下观察，以工具面刻线为基准，逆时针方向为正；

GTF—导向工具动态重力工具面角，即通常所说的装置角ω，以井眼高边为基准，顺时针方向为正；

ψ—导向工具总的校验角。

由此可知，根据暂停钻柱运动所得测斜数据或导向工具姿态、地磁场参数及导向工具旋转时磁力计和旋转变压器所测数据，可计算导向工具动态工具面角(GTF和MTF)；由磁力计和旋转变压器所测旋转位置(θ_mag、θ_res)可计算钻柱转速、导向芯轴转速(相对导向工具外壳)，实现对旋转导向工具的控制。

当导向系统需改变工具面时，根据给定工具面和所测钻柱转速，电机经减速器驱动导向芯轴反向旋转(稍快或稍慢于钻柱转速)，进行位置PID和速度PID双环控制，达到所需工具面，并维持稳定(导向芯轴反向旋转，控制其转速与钻柱转速相等)。

6.井下自动跟踪钻进深度

暂停钻柱运动测斜时，初始化运动速度和位移为0；井下接收到地面指令后，获取当前深度数据，开始钻进；利用测量轴向运动加速度，求出钻柱轴向运动位移，进而实现井下自动跟踪钻进深度。

利用运动加速度a_z一次积分可求得轴向运动速度v_z,但实际测量到的运动加速度信号a_m中总是包含误差信号a_e(为直流误差信号和噪声干扰信号之和)，即a_m＝a_z+a_e。所以，实际积分结果为式(19)所示，其中v_z为希望获取的轴向运动速度实际信号，而v_e为希望去除的轴向运动速度误差信号。

$v_m\left(t\right)={\&Integral;}_0^t{a}_m\left(t\right)\mathrm{dt}={\&Integral;}_0^t{a}_z\left(t\right)+a_e\left(t\right)\mathrm{dt}=v_z\left(t\right)+v_e\left(t\right)---\left(19\right)$

将式(19)获取的轴向运动速度信号再次积分可求得轴向位移信号l_m，如式(20)所示，同样包含轴向运动位移误差信号l_e。

$l_m\left(t\right)={\&Integral;}_0^t{v}_m\left(t\right)\mathrm{dt}={\&Integral;}_0^t{v}_z\left(t\right)+v_e\left(t\right)\mathrm{dt}=l_z\left(t\right)+l_e\left(t\right)---\left(20\right)$

如果不能有效去除一次和二次积分中的误差信号，将无法准确获取钻柱相对静止点的移动距离ΔL。可采用时域的、频域的或者时域与频域相结合的方法来消除误差信号。

7.导向工具造斜率计算

根据两测点测斜数据，可计算出导向工具综合造斜能力和平均井眼曲率为

K_t＝arccos[cosα_Acosα_B+sinα_Asinα_Bcos(φ_B-φ_A)]/ΣS_t(21)

K＝arccos[cosα_Acosα_B+sinα_Asinα_Bcos(φ_B-φ_A)]/L(22)

式中，ΣS_t为两测点间累计导向段进尺，L为两测点井段长度。

8.井下自适应控制

在自动导向模式下，井下按照计算导向参数和跟踪深度或时间进行自动导向控制，并且，井下实时测量导向工具姿态，跟踪工具井下实际控制情况。

(五)结束导向钻井作业

当钻达预期目标、起钻更换钻头或及导向工具井下工作异常时，则结束导向钻进，循环钻井液后起钻。

尽管上面以具体实施方式对本发明作出了详细的描述，但这种描述是例示性的，本发明不限于该具体实施方式之中，对于本领域技术人员而言，他们能够对本发明作出各种变更和修饰，只要不脱离本发明宗旨和精神范围而对本发明作出的各种修改均应落在所附权利要求的保护范围之中。

Claims (3)

1.一种利用旋转导向工具控制井眼轨迹的方法，其特征在于包括如下步骤：

按给定导向参数钻达预定测斜深度时，暂停钻柱运动，确保测量出准确的井斜参数，将测斜数据上传到地面，确认后下发指令，进而井下和地面均获得完整的测斜数据及导向工具面姿态，作为轨迹跟踪分析和导向控制计算的依据；

根据测斜数据计算出井眼轨迹，并相应进行控制工具面的计算；

然后进行轨迹偏差分析，通过分析已钻轨迹偏差和计算导向参数，实现井眼曲率调整和轨道控制；

其中，根据设计井眼曲率和导向工具的造斜能力来确定合理的导向比例参数；

在调整井眼曲率时，通过控制导向工具以稳斜和导向模式交替的方式来实现，所采用的控制模型由n+1个相同稳斜段长和n个相同圆弧段长轨道间隔组成，其中n为正整数，选择不同的导向段数n、导向和稳斜钻进长度实现井眼轨道的控制，当n＝∞时，导向轨迹最佳地逼近设计井眼轨道，在实际控制时，交替地控制导向和稳斜钻进时间比例及总钻进长度来逼近设计井眼轨道。

2.如权利要求1所述利用旋转导向工具控制井眼轨迹的方法，其特征在于，计算导向工具实际造斜能力及井眼轨道偏差；进而确定导向参数或调整待钻井眼轨道，适应导向工具造斜能力的变化，满足井眼轨道控制精度要求。

3.如权利要求1所述利用旋转导向工具控制井眼轨迹的方法，其特征在于，暂停钻柱运动测斜时，初始化运动速度和位移为0，井下接收到地面指令后，获取当前深度数据，开始钻进，利用测量轴向运动加速度，求出钻柱轴向运动位移，进而实现井下自动跟踪钻进深度。