CN104832088A - 动态指向式旋转导向钻井工具及其测控方法 - Google Patents

动态指向式旋转导向钻井工具及其测控方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种动态指向式旋转导向钻井工具及其测控方法，所述钻井工具包括旋转外筒、稳定平台总成、空心伺服电机总成、钻井液流通通道、内偏心环、外偏心环、钻头连接轴和万向节，还包括稳定平台通信与供电系统，该系统包括固定在旋转外筒上端的仪器仓、主电路板、安装在稳定平台上端盖上的副电路板、电磁耦合器原边、电磁耦合器副边和固定在联轴器下端的电磁耦合器原边安装板，主电路板安装在电磁耦合器原边安装板上，电磁耦合器副边与副电路板连接，副电路板与安装在稳定平台主体的上端侧壁上的姿态传感器连接。本发明实现了中空钻井液流通、稳定平台传感器供电与信号的传输，姿态角参数测量和旋转导向钻井工具工具面角的实时控制。

Description

动态指向式旋转导向钻井工具及其测控方法
技术领域
本发明属于石油天然气钻井技术领域，具体地说，涉及一种动态指向式旋转导向钻井工具及其测控方法。
背景技术
旋转导向钻井工具是实现闭环导向钻井的重要组成部件，动态指向式旋转导向钻井工具代表了当今旋转导向钻井工具发展的最高水平。旋转导向钻井工具根据导向方式可以分为推靠式和指向式，按照偏置机构与井壁的作用方式可以分为动态式和静态式。与其他旋转导向钻井技术相比，动态指向式旋转导向钻井技术可以保持钻具处于全旋转状态，从而有效地减小滑动摩阻，提高位移延伸能力和井眼净化效果。动态指向式旋转导向钻井工具配合LWD以及高精度的井下闭环控制系统可以有效地提高钻采效率与地层钻遇率，提高钻井经济效益。
国外在旋转导向钻井工具研究方面开始较早，目前，Schlumberger公司、Halliburton公司和BakerHughes公司都已经开发了各自的旋转导向钻井工具系统并提供相应的钻井技术服务，但是他们对国内进行严格技术封锁，其产品在国内只租不售。国内西安石油大学、胜利油田钻井院、中海油研究中心、中国地质大学、西南石油大学和天津大学等研究机构都开展了旋转导向钻井工具的相关研究并取得一定的成果。国内研究尚处于静态推靠式、静态指向式和动态推靠式这三种旋转导向钻井工具的样机研究阶段，部分研究机构陆续开始进行现场实钻测试。
美国专利号6,092,610,申请日1998年2月5日，授权日2000年7月25日，发明创造的名称为主动控制的旋转导向钻井系统与方法(Actively Controlled Rotary Steerable System andMethod for DrillingWells)，该专利公开了一种动态指向式旋转导向钻井系统。该钻井工具配合相应测控系统实现了指向式旋转导向钻井工具的全旋转钻进，该案提出的基于偏心轴的指向式导向机构可以实现结构弯角在0°到最大角度间的连续变化，通过保证偏心轴地理静止可以恒定结构弯角。但是该案采用环空设计了钻井液流通通道同时没有详细阐述传感器的信号处理方法及传输形式，其采用的环空钻井液流通通道设计方法需要进行复杂的动密封设计，可靠性难以保证。
欧洲专利号EP 1258593B1，申请日2002年4月19日，授权日2004年1月12日，发明创造的名称为旋转导向钻井工具(Rotary Steerable Drilling Tool)。该专利公开了一种动态指向式旋转导向钻井系统，在该旋转导向钻井系统中，外筒直接带动钻头转动，同时传递钻压。其不足之处在于：①虽然该案采用钛合金软管构成钻井液流通通道，但未能阐明软管具体连接方法，②该案没能阐述内部传感器供电及信号传输方法，③采用旋转变压器测速，需要后期解码。
中国专利公告号CN101586440A，公开日为2009年11月25日，发明创造的名称为一种指向式旋转导向钻井工具，该申请案公开了一种广泛应用在各种不同表面力学特性的地层中的指向式旋转导向钻井工具，该指向式旋转导向钻井工具本质上是一种静态指向式旋转导向钻井系统。其不足之处在于：①工具外壳不旋转，不能实现钻压及钻进扭矩的最大化利用；②工具结构弯角的变化是通过调整芯轴弯曲角度实现，这不仅会使调整结构弯角时电机的负载增大，也会使芯轴长期承受高强度交变应力，容易发生损坏。
中国专利申请公布号CN 102865038A，申请公布日2013年1月9日，发明创造的名称为一种动态指向式旋转导向钻井工具的偏置导向机构设计方法，该专利申请公布了一种动态指向式旋转导向钻井工具的偏置导向机构。其不足之处在于：①该案采用双偏心环调节机构，内外偏心环由伺服电机带动调节且外偏心环嵌入稳定平台内部，该设计不够紧凑且增加了稳定平台供电机构的设计难度；②该案采用导电滑环为用电设备供电和通信，滑环在钻进过程中容易因为强烈震动而出现可靠性问题；③钻井液流通通道没有耐压管，在联轴器和偏置机构等位置需要设计动密封，可靠性不高。
中国专利申请公布号CN 102913131A，申请公布日2013年2月6日，发明创造的名称为一种动态指向式旋转导向钻井工具，该专利申请公开了一种动态指向式旋转导向钻井工具及其控制方法。其不足之处在于：①偏置机构采用液压活塞驱动，该结构不够紧凑，偏置机构处于最大弯角时钻头连接轴轴向位移无法补偿；②钻井液流通通道没有耐压管，在联轴器和偏置机构等位置需要设计动密封，可靠性不高；③该案仅提及控制方法但是没能提及传感器的具体安装方法；④该案采用导电滑环为用电设备供电，滑环在钻进过程中容易因为强烈震动而出现可靠性问题。
中国专利申请公布号CN 103277047A，申请公布日2013年9月4日，发明创造的名称为用于旋转导向钻井工具的单轴稳定平台装置及其稳定方法，该专利申请公开了一种单轴稳定平台装置及其稳定方法，其公开的单轴稳定平台装置本质上是一种用于动态推靠式旋转导向钻井系统的稳定平台装置。其不足之处在于：①采用双力矩电机控制稳定平台，结构复杂；②控制方案采用力控制的方法，该方法容易造成稳定平台转速的波动；③该案中没有详述非接触电磁耦合器的工作频率及安装时原边与副边的间距；④供电只有蓄电池供电，耐用性不高，连续工作时间有限制；⑤稳定平台传感器的信号传输采用非接触高频耦合变压器，信号的调制解调复杂。
发明内容
本发明的目的在于针对现有钻井工具存在的上述问题，提供一种动态指向式旋转导向钻井工具及其测控方法，该钻井工具及其测控方法实现了中空钻井液流通、稳定平台传感器供电与信号传输和稳定平台工具面角实时控制。
本发明的技术方案是：一种动态指向式旋转导向钻井工具，包括旋转外筒、稳定平台总成、空心伺服电机总成、钻井液流通通道、内偏心环、外偏心环、钻头连接轴和万向节，所述稳定平台总成包括安装在旋转外筒内部的稳定平台主体和与稳定平台主体连接的稳定平台上端盖，稳定平台主体与稳定平台上端盖之间固定有稳定平台上轴承，稳定平台上端盖的上端通过联轴器与空心伺服电机总成的减速器连接，稳定平台主体的下端与外偏心环连接，所述钻井工具还包括稳定平台通信与供电系统，该系统包括固定在旋转外筒上端的仪器仓、主电路板、安装在稳定平台上端盖上的副电路板、电磁耦合器原边、电磁耦合器副边和固定在联轴器下端的电磁耦合器原边安装板，所述主电路板安装在电磁耦合器原边安装板上，电磁耦合器副边与所述副电路板连接，所述副电路板与安装在所述稳定平台主体的上端侧壁上的姿态传感器连接；所述电磁耦合器原边与电磁耦合器副边相对安装，中间留有空气层，电磁耦合器原边与旋转外筒相对静止，电磁耦合器副边与稳定平台主体相对静止。
作为优选，上述钻井工具中，所述旋转外筒为一中空环形体，下端设有用于安装万向节的卡槽，旋转外筒内表面从顶端至下端万向节卡槽之间设有旋转外筒过线槽，该旋转外筒过线槽用于导线过线，天线延伸和安装时做限位槽。
作为优选，上述钻井工具中，所述稳定平台主体上端和最下端的侧壁厚度大于中下部的侧壁厚度，稳定平台主体的上端侧壁上开有一长条形安装槽，所述姿态传感器安装在长条形安装槽内。
进一步的，所述姿态传感器内安装有与设置在副电路板上的电源整流器相连的MEMS速率陀螺、重力加速度计和磁通门或指北陀螺传感器。
作为优选，上述钻井工具中，所述钻井液流通通道为由仪器仓、与仪器仓下端内圆柱面连接的耐压管固定板、耐压管、软管和钻头连接轴组成的通道，所述耐压管的上端固定在耐压管固定板上，耐压管的下端通过耐压管轴承固定在稳定平台上端盖上，耐压管与稳定平台主体、稳定平台上端盖和空心伺服电机总成之间留有空隙；所述软管的上端与耐压管的下端螺纹连接，软管的下端与钻头连接轴的上端螺纹连接。
进一步的，上述钻井工具中，所述空心伺服电机总成包含空心伺服电机本体及与之连接的用于测量电机轴相对于电机外壳转速的空心磁栅速度编码器和用于降低电机转速、放大输出扭矩的空心减速器，所述空心伺服电机本体的电机轴分别与所述空心磁栅速度编码器和所述空心减速器的输入端连接，所述空心减速器的输出端与联轴器连接。
进一步的，上述钻井工具中，所述主电路板为圆形电路板，通过轴承固定板安装在电磁耦合器原边安装板上，主电路板上设置有主电路板微控制器以及分别与主电路板微控制器连接的电源逆变器、稳压器、无线收发器和CAN总线驱动器，所述稳压器与所述主电路微控制器、无线收发器和CAN总线驱动器相连；所述稳压器和电源逆变器分别与所述仪器仓内的电源管理模块连接，所述无线收发器的天线通过旋转外筒上的旋转外筒过线槽伸出至副电路板上无线收发器的天线上方，所述的CAN总线驱动器通过CAN总线与设置在仪器仓内的CAN总线驱动器连接；所述电源逆变器由H桥电路和补偿电容组成，主电路板微控制器控制H桥电路的通断频率，并将仪器仓内电源管理模块提供的直流电逆变成交流电，通过电磁耦合器将电源传输至副电路板上。
进一步的，上述钻井工具中，所述副电路板上设置有副电路板微控制器以及分别与副电路板微控制器连接的电源整流器、无线收发器和模数转换器，所述电源整流器通过所述电磁耦合器与所述主电路板上的电源逆变器连接，所述无线收发器与所述主电路板上的无线收发器进行无线通信，所述电源整流器和所述模数转换器均与安装在稳定平台主体上端侧壁上的姿态传感器连接。
进一步的，上述钻井工具中，所述仪器仓为环形空腔，仪器仓的空腔内安装有仪器仓备用电池、稳压器、仪器仓主控制器、MEMS速率陀螺仪以及分别与主控制器连接的电机驱动板、模数转换器、CAN总线驱动器和仪器仓电源管理模块，其中，所述稳压器与所述仪器仓电源管理模块相连，所述MEMS速率陀螺仪与所述模数转换器相连，所述电机驱动板与所述空心伺服电机连接，所述CAN总线驱动器和所述电源管理模块均与主电路板连接，所述电源管理模块连接仪器仓备用电池和泥浆发电机。
作为优选，上述钻井工具中，所述内偏心环置于外偏心环内，所述内偏心环通过内偏心环轴承与所述钻头连接轴的上端连接，所述钻头连接轴的近下端与万向节连接，下端连接钻头；所述外偏心环和所述内偏心环的偏心中空体中心轴线与偏心环本体中心轴线呈夹角；所述外偏心环为一个具有偏心孔的空心圆柱体，其与所述稳定平台主体连接端设有轴承安装槽；所述钻头连接轴为中空圆台体，其上端直径大于下端直径；所述内偏心环的外圆柱面设有6个带螺丝孔位的凸圆弧卡槽，外偏心环的内圆柱面上设有6个直径相同的凹圆弧卡槽，所述凸圆弧卡槽和凹圆弧开槽相配合；所述凹圆弧卡槽底端设有6个带螺纹的螺丝孔，所述外偏心环的内偏心孔地面上设有8个螺丝孔，用于连接稳定平台主体；所述内偏心环和外偏心环通过螺丝紧固。
作为优选，上述钻井工具中，所述万向节包括万向节上支撑板、万向节下支撑板和钢球，钢球的一半位于万向节上支撑板和万向节下支撑板组成滑道内，钢球的另一半嵌入钻头连接轴外表面上的球面凹槽中；所述万向节下支撑板与钻头连接轴之间设有防止钻井液侵入万向节内部的波纹管密封。
进一步的，上述钻井工具中，所述联轴器的下端设有凸台，用于固定电磁耦合器原边安装板与稳定平台上端盖输出轴间的轴承内环。
进一步的，上述钻井工具中，所述的钻井工具还包括内环反馈控制回路、外环反馈控制回路和前馈控制回路，所述内环反馈控制回路为稳定平台总成对地转速控制环，通过对地转速控制器调节电机转速，进而控制稳定平台总成的对地转速；所述外环反馈控制回路为工具面角控制环，通过工具面角控制器调节内环反馈控制回路的稳定平台对地转速设定值，进而改变旋转导向钻井工具的工具面角；所述前馈控制回路通过前馈控制器，利用仪器仓中MEMS速率陀螺仪的测量值输出一个电机转速补偿值，该补偿值用于补偿旋转外筒转速变化带来的稳定平台总成对地转速波动。
本发明还提供了一种工具面角的测控方法，采用上述动态指向式旋转导向钻井工具，对上述动态指向式旋转导向钻井工具的工具面参数进行测控。该测控方法通过安装在稳定平台上的姿态传感器测量稳定平台的工具面角和对地转速，利用内环反馈控制回路、外环反馈控制回路和前馈控制回路实现控制。该测控方法的具体步骤为：(一)工具面角控制器根据工具面角设定值与姿态传感器的旋转导向钻井工具的工具面角之差给出对地转速控制器的稳定平台总成对地转速给定值n4；(二)对地转速控制器根据稳定平台总成对地转速设定值n4与稳定平台总成对地转速Δn的差值给出电机转速n6；(三)前馈控制器根据旋转外筒转速n2输出一个电机转速补偿值n5，该补偿值n5与对地转速控制器输出的电机转速n6做加和运算后作为给定值n7输入到电机驱动器上。
本发明又提供了一种钻井工具工作在不同钻进模式下的控制方法，该控制方法的步骤为：(一)当旋转导向钻井工具工作在定向钻进模式时，仪器仓中的主控制器给出一个固定的工具面角设定值，由工具面角控制器保证工具面角的稳定；(二)当旋转导向钻井工具工作在稳斜钻进模式时，仪器仓中的主控制器使工具面角设定值在0°到360°范围内连续变化，由工具面角控制器控制稳定平台相对地面连续旋转，实现钻井工具的稳斜钻进。
本发明的有益效果是：
(1)本发明设计有稳定平台通信与供电系统，该稳定平台通信与供电系统采用电源管理模块、稳压器和电磁耦合器实现对主电路板和副电路板及姿态传感器的供电，电源管理模块连接有泥浆发电机和备用电池，与常规采用导电滑环相比，本发明不需要采用机械摩擦进行电力和信号的传输，因此工作更加可靠，电源稳定性好。
(2)本发明稳定平台通信与供电系统主电路板与仪器仓中的主控制器之间采用CAN总线通信，CAN总线通信允许主控制器与主电路板、LWD、井下脉冲发生器之间组网通信，并且通信速率最高可达1Mbps。
(3)本发明稳定平台主电路板与副电路板之间通过射频通信，副电路板微控制器将速率陀螺仪、重力加速度计和磁通门或指北陀螺测量到的对地转速、井斜角、井斜方位角、重力工具面角和磁工具面角等参数重新编码后利用无线射频发送到主电路板无线收发装置上，实现了无接触通信。
(4)石油钻井井下转速测量一般采用旋转变压器测速，旋转变压器输出的是正弦波信号，需要利用解码器才能得到方便电机控制器使用的方波信号；本发明采用磁栅速度编码器测量空心伺服电机转速，磁栅速度编码器精度可以达到10000PPR，直接输出方波信号而无需解码处理，可以在井下复杂环境中可靠工作。
(5)本发明姿态传感器中包括MEMS速率陀螺、重力加速度计和磁通门或指北陀螺，本发明中MEMS速率陀螺仪采用高温钻井专用陀螺仪芯片，量程可达20000°/s，陀螺仪敏感轴保持与旋转外筒轴线平行。
(6)本发明采用仪器仓、与仪器仓下端内圆柱面连接的耐压管固定板、耐压管、耐高温高压软管或弯型钢管和钻头连接轴组成了钻井液流通通道，本发明与传统环空流通钻井液的方法相比，无需动密封设计，钻井液一直处于钻井液流通通道内部，可以降低对电子器件密封的要求。
(7)本发明偏置调节机构采用的是可更换式手动六级调节机构，该机构可以通过内外偏心环不同的组合实现旋转导向钻井工具结构弯角的变化，通过更换不同的外偏心环可以补偿软管径向弯曲所造成的轴向距离缩短，本发明的实现方案简单易行，结构紧凑，无需增加电机安装及供电机构。
(8)本发明仪器仓内安装有MEMS速率陀螺仪，利用仪器仓内的MEMS速率陀螺仪和稳定平台姿态传感器，本发明设计了工具面角传感器安装方法和工具面角控制方法。本发明控制方法中的前馈控制回路通过前馈控制器利用仪器仓中MEMS速率陀螺仪的测量值输出一个电机转速补偿值，用以补偿旋转外筒转速变化带来的稳定平台总成对地转速波动。
(9)本发明旋转导向钻井工具内充满一定压力的润滑油，可以保证机械润滑、器件散热，同时补偿内外钻井液差压，减小钻井液流通管的壁厚。
附图说明
图1为本发明具体实施例的剖面结构示意图。
图2为本发明具体实施例图1中主电路板A-A处剖面结构示意图。
图3为本发明具体实施例图1中副电路板B-B处剖面结构示意图。
图4为本发明具体实施例图1中稳定平台通信与供电系统D-D处剖面结构示意图。
图5为本发明具体实施例图1的空心伺服电机总成示意图。
图6为本发明具体实施例图1的电路连接关系图。
图7为本发明具体实施例图1中偏置调节机构无偏置时C-C处剖面示意图。
图8为本发明具体实施例图1中偏置调节机构有偏置时C-C处剖面示意图。
图9为本发明具体实施例钻井液流通通道采用弯型钢管时的结构示意图。
图10为本发明具体实施例工具面角控制框图。
其中，1、钻头，2、波纹管密封，3、万向节下支撑板，4、万向节上支撑板，5、钻头连接轴，6、轴承固定筒，7、外偏心环，8、稳定平台下轴承，9、软管，10、稳定平台主体，11、稳定平台上轴承，12、稳定平台上端盖，13、电磁耦合器副边，14、电磁耦合器原边安装板，15、联轴器，16、空心伺服电机总成，17、密封圈，18、钻井液流通通道，19、旋转外筒，20、仪器仓，21、耐压管固定板，22、耐压管，23、电机固定板，24、主电路板，25、轴承固定板，26、电磁耦合器原边，27、副电路板，28、耐压管轴承，29、安装槽，30、姿态传感器，31、内偏心环，32、内偏心环轴承，33、钢球，34、旋转外筒过线槽，35、钻头水眼，36、弯型钢管，37、稳定平台总成，38、万向节，39、空心磁栅速度编码器，40、空心伺服电机本体，41、空心减速器，A点为过外偏心环圆心的水平线与垂线的交点，B点为过内偏心环圆心的水平线与垂线的交点。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种动态指向式旋转导向钻井工具，包括旋转外筒19、稳定平台总成37、空心伺服电机总成16、钻井液流通通道18、内偏心环31、外偏心环7、钻头连接轴5和万向节38，所述稳定平台总成包括安装在旋转外筒19内部的稳定平台主体10和与稳定平台主体10连接的稳定平台上端盖12，稳定平台主体10与稳定平台上端盖12之间固定有稳定平台上轴承11，稳定平台上端盖12的上端通过联轴器15与空心伺服电机总成16连接，通过空心伺服电机总成16控制稳定平台的对地转速与工具面角，稳定平台主体10的下端与外偏心环7连接。
本实施例中，如图1至3所示，所述旋转外筒19为中空环形体，下端设有用于安装万向节的卡槽，旋转外筒19内表面从顶端至下端万向节卡槽之间设有旋转外筒过线槽34，该旋转外筒过线槽34用于导线过线，天线延伸和安装时做限位槽。
本实施例中，如图1所示，所述稳定平台主体10的上端侧壁厚度大于中下端侧壁厚度，稳定平台主体10的上端侧壁上开有一长条形安装槽29，所述姿态传感器30安装在长条形安装槽29内。
本实施例中，如图1所示，所述钻头连接轴5为中空圆台体，其上端直径大于下端直径，所述钻头连接轴5的上端与内偏心环轴承32连接，近下端与万向节38连接，下端连接钻头1，钻头连接轴5还可以直接连接钻铤。
本实施例中，如图1所示，所述钻井液流通通道18是由仪器仓20、与仪器仓20下端内圆柱面连接的耐压管固定板21、耐压管22、软管9和钻头连接轴5组成的通道，所述耐压管22的上端固定在耐压管固定板上，耐压管22的下端通过耐压管轴承28固定在稳定平台上端盖12上，耐压管22与稳定平台主体10、稳定平台上端盖12和空心伺服电机总成16之间留有空隙；所述软管9的上端与耐压管22的下端螺纹连接，软管9的下端与钻头连接轴5的上端螺纹连接。所述仪器仓20下端内圆柱面与耐压固定板21上端伸出的空心圆柱体外圆柱面之间经过精密加工形成机械密封，防止钻井液泄漏至旋转外筒过线槽34内。当偏置调节机构使钻头连接轴轴线与旋转外筒轴线出现夹角及结构弯角时，软管9通过自身变形可以补偿该夹角导致的轴线不同轴。
本实施例中，如图1所示，所述万向节38包括万向节上支撑板4、万向节下支撑板3和钢球33，钢球33的一半位于万向节上支撑板4和万向节下支撑板3组成滑道内，钢球33的另一半嵌入钻头连接轴5外表面上的球面凹槽中，在旋转导向钻井工具钻进过程中，旋转外筒19通过钢球33将钻压扭矩传递至钻头连接轴5上；所述万向节下支撑板3与钻头连接轴5之间设有防止钻井液侵入万向节内部的波纹管密封2。
本实施例中，如图2所示，所述主电路板24为一块圆形电路板，通过轴承固定板25安装在电磁耦合器原边安装板14上。
本实施例中，如图3所示，所述副电路板27安装在稳定平台上端盖12上。
本实施例中，如图4所示，所述钻井工具还包括稳定平台通信与供电系统，该系统包括固定在旋转外筒19上端的仪器仓20、主电路板24、副电路板27、电磁耦合器原边26、电磁耦合器副边13和固定在联轴器15下端的电磁耦合器原边安装板14，所述主电路板24安装在电磁耦合器原边安装板14上，电磁耦合器副边13与所述副电路板27连接，所述副电路板27与安装在所述稳定平台主体10的上端侧壁上的姿态传感器30连接；所述电磁耦合器原边26与电磁耦合器副边13相对安装，中间留有空气层，该空气层的厚度为1.5mm，可以保证电磁耦合器原边26和电磁耦合器副边13相对转动，电磁耦合器原边26与旋转外筒19相对静止，电磁耦合器副边13与稳定平台主体10相对静止。
本实施例中，电磁耦合器工作频率设置在其谐振频率附近，一般在100KHz以下，主电路板24和副电路板27上的补偿电容可以提高电源稳定性；主电路板24上设计的无线收发器载波频率为433MHz，最大通信速率500Kbps，副电路板27设计有与主电路板24上相同的无线收发器，可以进行双向数据通信。所述主电路板微控制器将无线收发器获取的稳定平台数据重新编码，通过CAN总线将数据发送给仪器仓20中的主控制器，同时，主控制器也通过CAN总线向主电路板微控制器下达控制指令，本实施例中CAN总线最大通信速率为1Mbps。所述副电路板微控制器利用16位模数转换器采样姿态传感器30内MEMS速率陀螺、重力加速度计和磁通门或指北陀螺传感器的测量信号，将测量值滤波处理，解算出井斜角、井斜方位角和工具面角并重新编码后通过无线收发器发送到主电路板24上。
本实施例中，如图4所示，电磁耦合器外壳与旋转外筒19组成了一个相对封闭的金属腔，不利于无线信号的传输。本实施例中，主电路板24上的无线收发器通过旋转外筒19上的旋转外筒过线槽34将天线延伸至副电路板27上的无线收发器天线附近，提高了通信的质量，姿态传感器30的供电及信号输出线通过安装槽29接到副电路板27背面的接线口上。
本实施例中，如图5所示，所述空心伺服电机总成16连接有用于测量电机轴相对于电机外壳转速的空心磁栅速度编码器39和用于降低电机转速、放大输出扭矩的空心减速器41，所述空心伺服电机本体40的电机轴分别与所述空心磁栅速度编码器39和所述空心减速器41的输入端连接，所述空心减速器41的输出端与联轴器15连接，所述空心减速器41可以是空心行星减速器或其他类型减速器。
本实施例中，如图6所示，主电路板24上设置有主电路板微控制器以及分别与主电路板微控制器连接的电源逆变器、稳压器、无线收发器和CAN总线驱动器，所述稳压器与所述主电路微控制器、无线收发器和CAN总线驱动器相连；所述稳压器和电源逆变器分别与所述仪器仓20内的电源管理模块连接，所述无线收发器的天线通过设置在旋转外筒19上的旋转外筒过线槽34伸出至副电路板27上无线收发器的天线上方，所述的CAN总线驱动器通过CAN总线与设置在仪器仓内的CAN总线驱动器连接；所述电源逆变器由H桥电路和补偿电容组成，主电路板微控制器控制H桥电路的通断频率，并将仪器仓20内电源管理模块提供的直流电逆变成交流电，通过电磁耦合器将电源传输至副电路板27上。
本实施例中，如图6所示，所述副电路板27上设置有副电路板微控制器以及分别与副电路板微控制器连接的电源整流器、无线收发器和模数转换器，所述电源整流器通过所述电磁耦合器与所述主电路板24上的电源逆变器连接，所述无线收发器与所述主电路板24上的无线收发器进行无线通信，所述电源整流器和所述模数转换器均与安装在稳定平台主体10上端侧壁上的姿态传感器30连接。所述姿态传感器30内安装有MEMS速率陀螺、重力加速度计和磁通门或指北陀螺传感器，由副电路板27为其供电。
本实施例中，如图6所示，所述仪器仓20的空腔内安装有备用电池、稳压器、主控制器、MEMS速率陀螺仪以及分别与主控制器连接的电机驱动板、模数转换器、CAN总线驱动器和电源管理模块，其中，所述稳压器与所述电源管理模块相连，所述MEMS速率陀螺仪与所述模数转换器相连，所述电机驱动板与所述空心伺服电机总成16连接，所述CAN总线驱动器和所述电源管理模块均与主电路板24连接，所述电源管理模块连接备用电池和泥浆发电机。
本实施例中，如图1、图7和图8所示，所述内偏心环31置于外偏心环7内，所述内偏心环31通过内偏心环轴承32与所述钻头连接轴5连接，所述外偏心环7和所述内偏心环31的偏心中空体中心轴线与偏心环本体中心轴线呈夹角。
本实施例中，如图7和图8所示，所述外偏心环7为一具有偏心孔的空心圆柱体，其与所述稳定平台主体10连接端设有轴承安装槽；所述内偏心环31的外圆柱面设有六个带螺丝孔位的凸圆弧卡槽，外偏心环7的内圆柱面上设有六个直径相同的凹圆弧卡槽，所述凸圆弧卡槽和凹圆弧开槽相配合；所述凹圆弧卡槽底端设有六个带螺纹的螺丝孔，所述外偏心环7的内偏心孔地面上设有八个螺丝孔，用于连接稳定平台主体10；所述内偏心环31和外偏心环7通过螺丝紧固。图7中A点与B点重合，此时钻头连接轴轴线与旋转外筒轴线重合，旋转导向钻井工具的结构弯角为0°；图8中A点与B点不重合，偏移距离为最大设计偏移距离，此时旋转导向钻井工具的结构弯角为最大设计弯角；当A点与B点的相对位置在图7和图8之间时，旋转导向钻井工具的结构弯角介于0°和最大设计结构弯角之间。本实施例中，最大设计结构弯角为1°，由偏置调节机构的调节原理，通过内偏心环六级调节可以实现结构弯角0°，0.5°，0.87°，1°的四级调节。
图9为本发明另一种钻井液流通通道设计示意图，该流通管道将软管9替换为弯型钢管36。弯型钢管36是一种具有固定弯角且两端有内螺纹的耐压钢管，其连接方法与软管9相同。该替换方案有如下特点：①钢管材质更加耐高温，可以用于深井钻进中；②弯角固定，不易在钻进中变形，可靠性高；③调节不同结构弯角需要更换不同弯角的弯型钢管，使用时较复杂。
本实施例中，如图10所示，所述的钻井工具还包括内环反馈控制回路、外环反馈控制回路和前馈控制回路，其中，所述内环反馈控制回路为稳定平台总成37对地转速控制环，通过对地转速控制器调节电机转速，进而控制稳定平台总成37的对地转速；所述外环反馈控制回路为工具面角控制环，通过工具面角控制器调节内环反馈控制回路的稳定平台总成37对地转速设定值，进而改变旋转导向钻井工具的工具面角；所述前馈控制回路通过前馈控制器，利用仪器仓20中MEMS速率陀螺仪的测量值输出一个电机转速补偿值，该补偿值用于补偿旋转外筒19转速变化带来的稳定平台总成对地转速波动，进而提高稳定平台控制精度。工具面角控制器和对地转速控制器均可在仪器仓20的主控制器中利用PID算法或其他类似算法实现。
本实施例中，所述旋转导向钻井工具还包括位于旋转外筒19上方的钻铤，以改善旋转外筒19的作用钻压；位于旋转外筒19上方的泥浆马达，以改变旋转外筒19的旋转扭矩；位于旋转外筒19上方的泥浆发电机，用于为该旋转导向钻井工具提供电力支持。
本实施例中，如图10所示，本发明还公开了一种工具面角的测控方法，保证旋转导向钻井工具精确导向。
该测控方法中，调节稳定平台总成对地转速的工作原理为：记空心伺服电机总成16的输出转速为n1，旋转外筒的对地转速为n2，其他扰动导致的转速为n3，则稳定平台总成对地转速可记为Δn＝n1+n2+n3，且Δn可由姿态传感器30中的MEMS速率陀螺直接测量。n3为可测不可控的干扰转速，仪器仓20中的主控制器通过控制空心伺服电机总成16的转速n1即可调节稳定平台总成对地转速Δn。
该测控方法的具体步骤为：(一)工具面角控制器根据工具面角设定值与姿态传感器30的旋转导向钻井工具工的具面角之差给出对地转速控制器的对地转速给定值n4；(二)对地转速控制器根据对地转速设定值n4与稳定平台总成对地转速Δn的差值给出电机转速n6；(三)前馈控制器根据旋转外筒转速n2输出一个电机转速补偿值n5，该补偿值n5与对地转速控制器输出的电机转速n6做加和运算后作为给定值n7输入到电机驱动器上。
本实施例中，还提供了一种钻井工具工作在不同钻进模式下的控制方法：(一)当旋转导向钻井工具工作在定向钻进模式时，仪器仓20中的主控制器给出一个固定的工具面角设定值，由工具面角控制器保证工具面角的稳定，此时，稳定平台总成对地转速Δn＝0，稳定平台总成37对地静止；(二)当旋转导向钻井工具工作在稳斜钻进模式时，仪器仓中20的主控制器使工具面角设定值在0°到360°范围内连续变化，由工具面角控制器控制稳定平台相对地面连续旋转，此时，稳定平台总成对地转速Δn≠0，实现钻井工具的稳斜钻进。
以上所举实施例仅用为方便举例说明本发明，在本发明所述技术方案范畴，所属技术领域的技术人员所作各种简单变形与修饰，均应包含在以上申请专利范围中。

Claims (10)

1.一种动态指向式旋转导向钻井工具，包括旋转外筒(19)、稳定平台总成(37)、空心伺服电机总成(16)、钻井液流通通道(18)、内偏心环(31)、外偏心环(7)、钻头连接轴(5)和万向节(38)，所述稳定平台总成(37)包括安装在旋转外筒(19)内部的稳定平台主体(10)和与稳定平台主体连接的稳定平台上端盖(12)，稳定平台主体(10)与稳定平台上端盖(12)之间固定有稳定平台上轴承(11)，稳定平台上端盖(12)的上端通过联轴器(15)与空心伺服电机总成(16)的减速器连接，稳定平台主体(10)的下端与外偏心环(7)连接，其特征在于：所述钻井工具还包括稳定平台通信与供电系统，该系统包括固定在旋转外筒(19)上端的仪器仓(20)、主电路板(24)、安装在稳定平台上端盖(12)上的副电路板(27)、电磁耦合器原边(26)、电磁耦合器副边(13)和固定在联轴器(15)下端的电磁耦合器原边安装板(14)，所述主电路板(24)安装在电磁耦合器原边安装板(14)上，电磁耦合器副边(13)与所述副电路板(27)连接，所述副电路板(27)与安装在所述稳定平台主体(10)的上端侧壁上的姿态传感器(30)连接；所述电磁耦合器原边(26)与电磁耦合器副边(13)相对安装，中间留有空气层，电磁耦合器原边(26)与旋转外筒(19)相对静止，电磁耦合器副边(13)与稳定平台主体(10)相对静止。
2.根据权利要求1所述的动态指向式旋转导向钻井工具，其特征在于：所述旋转外筒(19)为中空环形体，下端设有用于安装万向节的卡槽，旋转外筒(19)内表面从顶端至下端万向节卡槽之间设有旋转外筒过线槽(34)，该旋转外筒过线槽(34)用于导线过线，天线延伸和安装时做限位槽；所述稳定平台主体(10)的上端侧壁厚度大于中下端侧壁厚度，稳定平台主体(10)的上端侧壁上开有长条形安装槽(29)，所述姿态传感器(30)安装在长条形安装槽(29)内。
3.根据权利要求1所述的动态指向式旋转导向钻井工具，其特征在于：所述钻井液流通通道(18)为由仪器仓(20)、与仪器仓(20)下端内圆柱面连接的耐压管固定板(21)、耐压管(22)、软管(9)和钻头连接轴(5)组成的通道，所述耐压管(22)的上端固定在耐压管固定板上，耐压管(22)的下端通过耐压管轴承(28)固定在稳定平台上端盖(12)上，耐压管(22)与稳定平台主体(10)、稳定平台上端盖(12)和空心伺服电机总成(16)之间留有空隙；所述软管(9)的上端与耐压管(22)的下端螺纹连接，软管(9)的下端与钻头连接轴(5)的上端螺纹连接。
4.根据权利要求1所述的动态指向式旋转导向钻井工具，其特征在于：所述空心伺服电机总成(16)连接有用于测量电机轴相对于电机外壳转速的空心磁栅速度编码器(39)和用于降低电机转速、放大输出扭矩的空心减速器(41)，所述空心伺服电机本体(40)的电机轴分别与所述空心磁栅速度编码器(39)和所述空心减速器(41)的输入端连接，所述空心减速器(41)的输出端与联轴器(15)连接。
5.根据权利要求1所述的动态指向式旋转导向钻井工具，其特征在于：所述主电路板(24)为圆形电路板，通过轴承固定板(25)安装在电磁耦合器原边安装板(14)上，主电路板(24)上设置有主电路板微控制器以及分别与主电路板微控制器连接的电源逆变器、稳压器、无线收发器和CAN总线驱动器，所述稳压器与所述主电路微控制器、无线收发器和CAN总线驱动器相连；所述稳压器和电源逆变器分别与所述仪器仓(20)内的电源管理模块连接，所述无线收发器的天线通过设置在旋转外筒(19)上的旋转外筒过线槽(34)伸出至副电路板(27)上无线收发器的天线上方，所述的CAN总线驱动器通过CAN总线与设置在仪器仓(20)内的CAN总线驱动器连接；所述电源逆变器由H桥电路和补偿电容组成，主电路板微控制器控制H桥电路的通断频率，并将仪器仓(20)内电源管理模块提供的直流电逆变成交流电，通过电磁耦合器将电源传输至副电路板(27)上。
6.根据权利要求1所述的动态指向式旋转导向钻井工具，其特征在于：所述副电路板(27)上设置有副电路板微控制器以及分别与副电路板微控制器连接的电源整流器、无线收发器和模数转换器，所述电源整流器通过所述电磁耦合器与所述主电路板(24)上的电源逆变器连接，所述无线收发器与所述主电路板(24)上的无线收发器进行无线通信，所述电源整流器和所述模数转换器均与安装在稳定平台主体(10)上端侧壁上的姿态传感器(30)连接。
7.根据权利要求1所述的动态指向式旋转导向钻井工具，其特征在于：所述仪器仓(20)为环形空腔，仪器仓(20)的空腔内安装有备用电池、稳压器、主控制器、MEMS速率陀螺仪以及分别与主控制器连接的电机驱动板、模数转换器、CAN总线驱动器和电源管理模块，其中，所述稳压器与所述电源管理模块相连，所述MEMS速率陀螺仪与所述模数转换器相连，所述电机驱动板与所述空心伺服电机总成(16)连接，所述CAN总线驱动器和所述电源管理模块均与主电路板(24)连接，所述电源管理模块连接备用电池和泥浆发电机。
8.根据权利要求1所述的动态指向式旋转导向钻井工具，其特征在于：所述内偏心环(31)置于外偏心环(7)内，所述内偏心环(31)通过内偏心环轴承(32)与所述钻头连接轴(5)的上端连接，所述钻头连接轴(5)的近下端与万向节(38)连接，下端连接钻头(1)；所述外偏心环(7)和所述内偏心环(31)的偏心中空体中心轴线与偏心环本体中心轴线呈夹角；所述外偏心环(7)为一个具有偏心孔的空心圆柱体，其与所述稳定平台主体(10)连接端设有轴承安装槽；所述钻头连接轴(5)为中空圆台体，其上端直径大于下端直径；所述内偏心环(31)的外圆柱面设有6个带螺丝孔位的凸圆弧卡槽，外偏心环(7)的内圆柱面上设有6个直径相同的凹圆弧卡槽，所述凸圆弧卡槽和凹圆弧开槽相配合；所述凹圆弧卡槽底端设有6个带螺纹的螺丝孔，所述外偏心环(7)的内偏心孔地面上设有8个螺丝孔，用于连接稳定平台主体(10)；所述内偏心环(31)和外偏心环(7)通过螺丝紧固。
9.根据权利要求1所述的动态指向式旋转导向钻井工具，其特征在于：所述的钻井工具还包括内环反馈控制回路、外环反馈控制回路和前馈控制回路，所述内环反馈控制回路为稳定平台总成(37)对地转速控制环，通过对地转速控制器调节电机转速，进而控制稳定平台总成(37)的对地转速；所述外环反馈控制回路为工具面角控制环，通过工具面角控制器调节内环反馈控制回路的稳定平台总成(37)对地转速设定值，进而改变旋转导向钻井工具的工具面角；所述前馈控制回路通过前馈控制器利用仪器仓(20)中MEMS速率陀螺仪的测量值输出电机转速补偿值，该补偿值用于消除旋转外筒(19)转速变化带来的稳定平台总成(37)对地转速波动。
10.一种采用如权利要求1所述动态指向式旋转导向钻井工具控制工具面角的测控方法，其特征在于：该方法的具体步骤为：(一)工具面角控制器根据工具面角设定值与姿态传感器(30)的旋转导向钻井工具的工具面角之差给出对地转速控制器的对地转速给定值n4；(二)对地转速控制器根据对地转速设定值n4与稳定平台总成对地转速Δn的差值给出电机转速n6；(三)前馈控制器根据旋转外筒转速n2输出一个电机转速补偿值n5，该补偿值n5与对地转速控制器输出的电机转速n6做加和运算后作为给定值n7输入到电机驱动器上。
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