CN104747079B - 旋转导向工具 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种旋转导向工具，包括转动的芯轴以及能在液压力下凸出芯轴表面并顶触井壁而使芯轴偏转的翼肋，测量驱动翼肋运动的液压力的液压传感器、芯轴转速传感器、用于测定翼肋的位置的工具面测量单元以及处理来自液压传感器、芯轴转速传感器和工具面测量单元的数据并由此控制翼肋向外凸出的控制器。在钻井期间，控制器根据翼肋预定凸出到位的角位置θ_up，芯轴的角速度ω、翼肋在液压力作用下从原始位置到凸出到位所需要的时间T来计算出指示翼肋开始凸出时的翼肋的角位置θ_start。本发明的旋转导向工具，这种旋转导向工具能够精确地确定翼肋开始凸出时的翼肋的角位置θ_start，从而提高了旋转导向钻井精度。

Description

旋转导向工具

技术领域

本发明涉及石油钻井领域，特别是一种旋转导向工具。

背景技术

目前，在钻井领域中，旋转导向钻井在旋转钻井过程中能够根据井眼轨迹控制的需要，实时调节井斜和方位，从而提高钻井速度，因此旋转导向钻井得到了广泛的应用。

在旋转导向钻井装置中，最重要的是旋转导向工具。常见的旋转导向工具包括有旋转芯轴及控制系统。旋转芯轴的上游端部与钻柱相连，下游端部与钻头相连以实现钻进，在旋转芯轴上设置有能凸出而顶靠井壁的翼肋，以及与驱动翼肋运动的动力器件。控制系统则包括各种测量传感器和用于控制各种动力器件动作的控制器。

根据导向方式的不同，旋转导向钻井装置可分为推靠式和指向式两种类型。其中推靠式能产生较大的侧向力而应用广泛，在推靠式旋转导向装置中，翼肋均匀分布于工具外壳上，并由液压力驱动。液压力的产生由控制系统控制以使得翼肋伸向井壁或缩回。在进行导向时，控制系统产生液压控制信号，使钻柱内部的高压钻井液或液压泵产生的高压通过液压通道，进入相应的翼肋支撑液压腔中，从而推动翼肋凸出并顶靠井壁。随着钻柱的旋转，每个翼肋都在预定的导向方向凸，从而通过旋转芯轴的偏移在钻头处产生侧向力，实现旋转导向钻井装置工具的导向。

为了精确地控制导向方向，需要根据井眼轨迹准确地发出控制信号，执行单元快速响应，使翼肋准确地在预定位置推靠井壁。但是，这在实际情况中难以实现，特别是执行单元的响应延迟会导致翼肋不能及时凸出，从而导致导向方向出现偏差，降低了旋转导向钻井的精度。

发明内容

针对现有技术中所存在的上述技术问题，本发明提出了旋转导向工具。这种旋转导向工具能够精确地确定翼肋开始凸出时的翼肋的角位置θ_start，从而提高了旋转导向钻井精度。

根据本发明，提出了一种旋转导向工具，其包括转动的芯轴以及能在液压力下凸出芯轴表面并顶触井壁而使芯轴偏转的翼肋，测量驱动翼肋运动的液压力的液压传感器、芯轴转速传感器、用于测定翼肋的位置的工具面测量单元以及处理来自液压传感器、芯轴转速传感器和工具面测量单元的数据并由此控制翼肋向外凸出的控制器，在钻井期间，控制器根据翼肋预定凸出到位的角位置θ_up，芯轴的角速度ω、翼肋在液压力作用下从原始位置到凸出到位所需要的时间T来计算出指示翼肋开始凸出时的翼肋的角位置θ_start。

根据本发明的旋转导向工具，由于翼肋在液压力作用下从原始位置到凸出到位，需要时间T，因此考虑时间T来计算角位置θ_start，使得翼肋凸出到位的角位置θ_up始终处于预定的范围内，从而提高钻井的精确性。

在一个实施例中，以弧度来计算，角位置θ_start=2π－Tω±θ，其中θ是角位置补偿。由于在钻井过程中，钻具和旋转导向工具还会受到其他因素的影响，例如，翼肋与井壁之间的碰撞方式和缩回量不确定，设备受温度影响而导致响应延迟，这些因素都会导致难以精确确定角位置θ_start，角位置补偿θ补偿了这些因素的影响，从而进一步提高钻井的精确性。

在一个实施例中，在钻井之前，预先设定芯轴的转速最大变化量Δω_max、最大液压力P_max、最小液压力P_min以及当液压力P大于P_max或小于P_min之外时的角位置补偿θ_l，在使用旋转导向工具实施偏转时，通过芯轴转速传感器测量芯轴的转速变化量Δω，当芯轴的转速变化量Δω小于Δω_max，并且液压力P处于P_max和P_min之间时，角位置补偿θ等于零。

在一个实施例中，当液压力P小于P_min时，角位置补偿θ=θ_l，角位置θ_start=2π－Tω－θ。在另一个实施例中，当液压力P恒小于P_min时，则系统故障。

在一个实施例中，当液压力P大于P_max时，角位置补偿θ=θ_l，角位置θ_start=2π－Tω+θ。在另一个实施例中，当液压力P恒大于P_max时，则系统故障。

当Δω小于Δω_max时，意味着旋转导向工具没有发生粘滑现象，在这种情况下，通过考虑液压力的不同情况下的角位置补偿θ，能够更精确地确定角位置θ_start，从而进一步提高钻井的精确性。

在一个实施例中，当芯轴的转速变化量Δω大于Δω_max时，控制器不指令翼肋凸出。当Δω大于Δω_max时，意味着旋转导向工具发生粘滑现象，芯轴转速变化剧烈，在这种情况下，不指令翼肋凸出反而有助于提高钻井的精确性。

在一个实施例中，旋转导向工具还包括用于控制液压流体流动的液体导流器件，在控制器内设置有液体导流器件受温度t的影响而对控制器指令响应延迟产生的角位置补偿θ_t，角位置补偿θ还包括角位置补偿θ_t。在一个具体的实施例中，控制液压流体流动的液体导流器件为电磁阀。通过考虑角位置补偿θ_t，也就考虑了由于电磁阀引起的响应延迟，进一步提高了角位置θ_start的精确性。此外，电磁阀能够方便地实现自动控制，方便了操作人员的操作。在一个优选的实施例中，角位置补偿θ_t大于或等于角位置补偿θ_l。

在本申请中，用语“原始位置”是指翼肋完全缩回在芯轴内部的位置。用语“凸出到位的角位置”是指翼肋从芯轴中完全凸出来并且顶触井壁的角位置。

与现有技术相比，本发明的优点在于：（1）本发明的旋转导向工具考虑了芯轴的转速变化Δω的影响。设定了芯轴的转速最大变化量Δω_max，并且将芯轴的转速变化Δω的与Δω_max相比较，仅在Δω小于Δω_max时指令翼肋凸出，这避免了由于旋转导向工具转速变化过快，例如粘滑现象引起的难以准确确定角位置θ_start，从而提高了钻井的精确性。（2）在Δω小于Δω_max的情况下，通过考虑液压力的不同情况下的角位置补偿θ，能够更精确地确定角位置θ_start，从而进一步提高钻井的精确性。（3）还考虑了温度t的影响而导致的角位置补偿θ_t，从而提高旋转导向钻井精度。在钻井过程中，控制器能根据这些芯轴转速、液压力、温度以及井眼轨迹动态调整翼肋凸出的时间，从而提高旋转导向钻井精度。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：

图1是根据本发明的旋转导向工具的控制系统的示意图；

图2是图1中的芯轴转速测量单元的示意图；

图3示意性地显示了图2中的双轴磁通门传感器输出信号的时序关系；

图4是图1中的液压单元的示意图；

图5是根据本发明的旋转导向工具的控制方法的流程图。

在图中，相同的构件由相同的附图标记标示。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步说明。

根据本发明的旋转导向工具包括转动的芯轴、设置在芯轴上的翼肋以及控制翼肋运动的控制装置。芯轴的上游端部与钻柱相连，下游端部与钻头相连以实现钻井。翼肋能够控制装置的控制下，借助于在液压力而凸出芯轴表面或者缩回到芯轴表面以下，在凸出芯轴表面时，翼肋会顶触井壁而使芯轴偏转从而实现钻头的偏转方向，实现导向。控制装置包括测量液压力的液压传感器、芯轴转速传感器，用于测定所述翼肋的位置的工具面测量单元以及处理来自液压传感器和芯轴转速传感器的数据并由此控制翼肋向外凸出的控制器。在钻井之前，需要向控制器内输入井眼轨迹，控制器会根据井眼轨迹和实际钻井情况发出指示翼肋凸出的信号以使得旋转导向工具沿着井眼轨迹运动而完成钻井。在现有技术中，用语“芯轴”通常包括壳体和内部驱动机构（例如，驱动翼肋运动的机构），并且壳体和内部驱动机构为同步周向转动。应当理解地是，芯轴还可以是其他类型的结构。这些均是本领域的技术人员所熟知的，为了简单起见，这里不再赘述。

为了实现精确控制旋转导向工具的偏转和钻井精确性，控制器需要根据井眼轨迹和钻井深度在翼肋到达预定的凸出到位的角位置θ_up之前发出指示翼肋凸出的信号，以补偿由液压传动、设备信号响而导致的延迟。

图1示意性地显示了根据本发明的旋转导向工具的控制系统10。如图1所示，控制系统10包括控制器11、芯轴转速测量单元20、液压单元30、工具面测量单元40以及温度测量单元50。下面将对控制系统10的各个组成部分分别进行详细描述。

如图2所示，芯轴转速测量单元20包括磁通门传感器21、调理放大电路22、过零比较器23、计数器（未示出）。磁通门传感器21可以采用单轴磁通门或双轴磁通门，其中单轴磁通门的轴线与旋转导向工具的中心轴垂直，双轴磁通门的两个轴线与旋转导向工具的中心轴相互正交垂直，在本实施例中采用了双轴磁通门以提高转速测量精度。图3显示了磁通门传感器21输出信号（两个输出信号）经调理放大电路22进行调理放大之后的信号。磁通门每旋转一周会有两个过零点，过零比较器23检测来自磁通门传感器21的信号会发过零点并产生脉冲信号24，控制器11对脉冲信号宽度进行检测并且计数器对这些脉冲信号进行计数从而计算出芯轴转速ω。为了提高精度，可采用两个输出信号的n个脉冲宽度Δt_n进行计算，则芯轴转速当翼肋凸出与井壁顶触时，芯轴的转速会发明变化，而通过芯轴转速测量单元20能够准确测得芯轴转速变化量Δω，从而判断翼肋与井壁的顶触情况。磁通门传感器21是本领域的技术人员所熟知的，这里不再赘述。

图4示意性地显示了液压单元30。液压单元30包括高压液体发生装置31、液体导流器件32、以及引导高压流体流动的流体通道33、翼肋驱动液腔34和液压传感器35。高压液体发生装置31可采用液压泵，所产生的高压液体能够在流体通道33内循环流动。液体导流器件32相当于液体开关，其接收由控制器11发出的控制信号，控制高压液体是否进入翼肋驱动液腔34中。在一个实施例中，液体导流器件32可选用电磁阀，电磁阀能够快速响应控制器11发出的信号，并且易于实现自动控制。当不需要翼肋凸出时，电磁阀关闭，高压液体在流体通道33和高压液体发生装置31之间循环流动而不进入翼肋驱动液腔34中；当需要翼肋凸出时，控制器11会发出信号将电磁阀打开，高压液体会进入翼肋驱动液腔34中，并推动翼肋向外凸出以与井壁顶触。液压传感器35会检测液压力大小并将其传输到控制11。

液体导流器件32的响应速度会受到温度的影响，例如当使用电磁阀时，电磁阀的温度越高，其响应速度越慢。温度测量单元50则用于测量液体导流器件32的温度。

工具面测量单元40采用了磁通门、加速度计或速率陀螺等传感器，通过高速测量来准确计算得到翼肋当前位置。工具面测量单元40也是本领域的技术人员所熟知的，这里不再赘述。

在理想状态下，处理器11根据来自芯轴转速测量单元20、液压单元30和工具面测量单元40的数据以及在预设的井眼轨迹，在翼肋到特定的角位置时指示翼肋凸出。在实际情况中，这是难以实现的，这是由于系统本身会受以下因素的影响：（1）在翼肋凸出时，翼肋驱动液腔34内部充满高压液体。当翼肋与井壁相碰之后缩回，一部分高压液体被压回到流体通道33中，翼肋驱动液腔34内部没有充满高压液体，造成压力降低。当需要翼肋再次凸出时，翼肋驱动液腔34需要进一步补充高压液体，只有充满或达到足够的压力之后翼肋才能凸出，即产生液压延迟。液压延迟取决于翼肋与井壁相碰之后的缩回量，以及液压力的大小；（2）如果液体导流器件32采用电磁阀，电磁阀自身会有响应延迟，而且随着工作温度升高，电磁阀的响应延迟会延长；（3）当旋转导向工具发生粘滑情况时，转速会发生剧烈变化，这会导致翼肋缩回量大幅变化从而造成液压延迟不确定。

基于以上因素，本发明的旋转导向工具的控制器11在计算指示翼肋开始凸出的角位置θ_start时，考虑了由于液压传动、设备信号响而导致的延迟。

在钻井期间，控制器根据翼肋预定凸出到位的角位置θ_up，芯轴的角速度ω、翼肋在液压力作用下从原始位置到凸出到位所需要的时间T来计算出指示翼肋开始凸出时的翼肋的角位置θ_start。以弧度来计算，指示翼肋开始凸出时的翼肋的角位置θ_start=2π－Tω±θ，其中θ是角位置补偿，例如θ例如可受芯轴的转速变化量Δω、芯轴的转速最大变化量Δω_max以及温度t的影响。

由于芯轴的转动速度是变化的，因此在预定的时间区间内测定芯轴的角速度平均值并将其作为芯轴的角速度ω。例如，可使用下面的测定方法：每间隔预定的时间测量一次翼肋转过的弧度并得到一个角速度，测量多个角速度然后取其平均值，得到芯轴的角速度ω。当然，也可以每间隔预定的弧度测量一次翼肋转动需要的时间并得到一个角速度，测量多个角速度然后取其平均值，得到芯轴的角速度ω。为了提高角速度ω的精确度，可减小预定的时间或预定的弧度。这些方法均是本领域的技术人员所熟知的，这里不再赘述。

下面根据图5来描述旋转导向工具的控制流程。

在钻井之前，预先设定芯轴的转速最大变化量Δω_max、最大液压力P_max、最小液压力P_min以及当液压力P大于P_max或小于P_min之外时的角位置补偿θ_l。

在使用旋转导向工具实施偏转时，通过芯轴转速传感器测量芯轴的转速变化量Δω。

当芯轴的转速变化量Δω大于或等于Δω_max时，控制器不指令翼肋凸出。

当芯轴的转速变化量Δω小于Δω_max，并且液压力P处于P_max和P_min之间时，角位置补偿θ等于零。

当液压力P小于P_min时，角位置补偿θ=θ_l，角位置θ_start=2π－Tω－θ。

当液压力P恒小于P_min时，则系统故障。

当液压力P大于P_max时，角位置补偿θ=θ_l，角位置θ_start=2π－Tω+θ。

当液压力P恒大于P_max时，则系统故障。

如果旋转导向工具还包括用于控制液压流体流动的流体导流器件，例如电磁阀时，在控制器内预设置流体导流器件受温度t的影响而对控制器指令响应延迟产生的角位置补偿θ_t，角位置补偿θ还包括角位置补偿θ_t。例如在这种情况下，角位置补偿θ是θ_t与θ_l之和。为了能保证控制流程顺利进行，在一个实施例中，角位置补偿θ_t大于或等于角位置补偿θ_l。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (9)

1.一种旋转导向工具，其包括转动的芯轴以及能在液压力下凸出所述芯轴表面并顶触井壁而使所述芯轴偏转的翼肋，测量驱动所述翼肋运动的液压力的液压传感器、芯轴转速传感器、用于测定所述翼肋的位置的工具面测量单元以及处理来自所述液压传感器、芯轴转速传感器和工具面测量单元的数据并由此控制所述翼肋向外凸出的控制器，

在钻井期间，所述控制器根据所述翼肋预定凸出到位的角位置θ_up，所述芯轴的角速度ω、所述翼肋在液压力作用下从原始位置到凸出到位所需要的时间T来计算出指示所述翼肋开始凸出时的翼肋的角位置θ_start，

以弧度来计算，所述角位置θ_start＝2π－Tω±θ，其中θ是角位置补偿，

在钻井之前，预先设定所述芯轴的转速最大变化量Δω_max、最大液压力P_max、最小液压力P_min以及当液压力P大于P_max或小于P_min时的角位置补偿θ_l，

在使用所述旋转导向工具实施偏转时，通过所述芯轴转速传感器测量所述芯轴的转速变化量Δω，当所述芯轴的转速变化量Δω小于Δω_max，并且液压力P处于P_max和P_min之间时，角位置补偿θ等于零。

2.根据权利要求1所述的旋转导向工具，其特征在于，当所述液压力P小于P_min时，所述角位置补偿θ＝θ_l，角位置θ_start＝2π－Tω－θ。

3.根据权利要求2所述的旋转导向工具，其特征在于，当所述液压力P恒小于P_min时，则系统故障。

4.根据权利要求1所述的旋转导向工具，其特征在于，当所述液压力P大于P_max时，所述角位置补偿θ＝θ_l，角位置θ_start＝2π－Tω+θ。

5.根据权利要求4所述的旋转导向工具，其特征在于，当所述液压力P恒大于P_max时，则系统故障。

6.根据权利要求1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用于控制液压流体流动的液体导流器件，

在所述控制器内预设置了所述液体导流器件受温度t的影响而对所述控制器指令响应延迟产生的角位置补偿θ_t，所述角位置补偿θ还包括角位置补偿θ_t。

7.根据权利要求6所述的旋转导向工具，其特征在于，角位置补偿θ_t大于或等于所述角位置补偿θ_l。

8.根据权利要求6或7所述的旋转导向工具，其特征在于，所述控制液压流体流动的液体导流器件为电磁阀。

9.根据权利要求1所述的旋转导向工具，其特征在于，当所述芯轴的转速变化量Δω大于或等于Δω_max时，所述控制器不指令所述翼肋凸出。