CN109798070B - 一种四翼旋转导向控制方法 - Google Patents

Abstract

一种四翼旋转导向控制方法，涉及旋转导向钻井技术领域，所述控制方法按照公式

控制旋转导向工具的四个支撑翼肋各自所受到的井壁的支撑力；式中：F1、F2、F3、F4分别代表四个支撑翼肋各自所受到的井壁的支撑力的幅值；F为目标偏置合力的幅值；K1、K2为比例系数，K1≥F/2、K2≥F/2；α为F的方向相对重力高边的夹角，0°≤α≤360°；θ为F₁所对应的支撑翼肋相对重力高边的夹角，0°≤θ≤360°；其中，所述旋转导向工具的四个支撑翼肋沿圆周方向间隔90°均匀设置。本申请的控制方法可以实现目标偏置合力的角度和力度稳定控制，从而实现钻井轨迹的稳定控制，适用于各类定向井工程开发。

Description

一种四翼旋转导向控制方法

技术领域

本申请涉及旋转导向钻井技术领域，具体涉及一种四翼旋转导向控制方法。

背景技术

目前，传统的马达滑动式导向钻井工具在定向钻井，特别是在大位移井及长水平段水平井的使用中暴露出不少缺点与不足。为适应定向钻井的需要，20世纪90年代开始发展起来一项自动化钻井新技术：旋转导向钻井。旋转导向钻井技术通过实时控制钻井轨迹，命中最佳地质目标，具有机械钻速高、井身轨迹控制精度高、井眼净化效果好及位移延伸能力强等特点。该技术在老油田后期开发、提高采收率，以及油层薄、形状特殊的难采油藏具有显著优势。

现有的旋转导向钻井技术主要分为静态推靠式、动态推靠式、静态指向式和动态指向式四种类型，但是，旋转导向钻井系统由于国外公司的垄断，服务费用昂贵。此外，未见有文献公开针对四支撑翼肋的推靠式旋转导向控制方法。

发明内容

本申请的实施例提供一种四翼旋转导向控制方法，按照如下公式

控制旋转导向工具的四个支撑翼肋各自所受到的井壁的支撑力；

式中：F1、F2、F3、F4分别代表四个支撑翼肋各自所受到的井壁的支撑力的幅值；

F为目标偏置合力的幅值；

K1、K2为比例系数，K1≥F/2、K2≥F/2；

α为F的方向相对重力高边的夹角，0°≤α≤360°；

θ为F₁所对应的支撑翼肋相对重力高边的夹角，0°≤θ≤360°；

其中，所述旋转导向工具包括不旋转外套和安装于所述不旋转外套上的四个支撑翼肋，四个支撑翼肋沿圆周方向间隔90°均匀设置。

有益效果：

本申请实施例的控制方法中，按照给定的数学公式实现四个支撑翼肋各自所受井壁支撑力的控制，可以实现目标偏置合力的角度和力度稳定控制，从而实现钻井轨迹的稳定控制，适用于各类定向井工程开发。

本申请实施例控制方法的优点为：1.控制便捷，直观；2.单个翼肋控制变化范围过程更加平缓，利于实现；3.可以实时动态补偿自转角度，提供更加稳定的合力幅值、方向；4.作用到钻头上合力持续稳定，造斜变化率连续，井眼平滑。

附图说明

附图用来提供对本申请实施例技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本申请实施例的技术方案，并不构成对本申请实施例技术方案的限制。

图1为本申请实施例的控制方法中旋转导向工具的工作原理图；

图2为本申请实施例的控制方法中力学矢量合成原理图；

图3为本申请实施例的控制方法中所建立数学模型的平面四力汇交合力图；

附图标记为：1、支撑翼肋，2、不旋转外套，3、井壁。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本申请的技术方案。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本申请，而非对本申请的限定。

如图1-图3所示，本申请的实施例提供一种四翼旋转导向控制方法，其是按照如下公式

控制旋转导向工具的四个支撑翼肋1各自所受到的井壁3的支撑力；

式中：F1、F2、F3、F4分别代表四个支撑翼肋1各自所受到的井壁3的支撑力的幅值；

F为目标偏置合力的幅值；

K1、K2为比例系数，K1≥F/2、K2≥F/2；

α为F的方向相对重力高边的夹角，0°≤α≤360°；

θ为F₁所对应的支撑翼肋相对重力高边的夹角，0°≤θ≤360°；

其中，所述旋转导向工具包括不旋转外套2和安装于所述不旋转外套2上的四个支撑翼肋1，四个支撑翼肋1沿圆周方向间隔90°均匀设置。

本申请提出的基于四个翼肋的静态推靠式原理的旋转导向工具控制方法，可以用于钻井过程中用于井眼轨迹控制。通过此控制方法可以比较方便地实现钻井过程中对钻头钻进方向的精确控制，从而实现钻井轨迹的控制。此控制方法打破了目前国际各个公司的技术垄断，为旋转导向工具的设计开发提供了控制理论支持、指导。

下面对本申请实施例的上述控制方法给出理论支持。

本申请实施例的控制方法可用于静态推靠式旋转导向系统中对目标偏置合力矢量的幅值及方向进行控制。

静态偏执推靠式旋转导向系统在定向钻进时，其造斜能力取决于造斜段地层、液压偏置机构产生的偏置合力和整个造斜系统的井下钻具组合。偏置合力矢量的幅值越大，造斜能力就越强；反之，造斜能力就越弱。此外，由于定向井井眼轨迹的三维空间分布性，要求偏置机构产生的偏置合力矢量的方向必须在控制平面内360°可调，并且要在设定的工具面方向保持。因此，偏置合力矢量的控制是静态推靠式旋转导向系统的关键，旋转导向系统控制的目标为偏置合力矢量的幅值及方向。

如图1所示，示例性的，本申请实施例的控制方法中，采用四支撑翼肋旋转导向工具，四个支撑翼肋1均布于相对心轴不旋转的外套2上，即四个支撑翼肋1之间间隔90°，四个支撑翼肋1可以在同一个控制平面内，四个支撑翼肋1在液压力的作用下伸向井壁3。当支撑翼肋1以不同液压力支撑于井壁3时，将使不旋转外套2不随钻柱旋转，同时井壁3对四个支撑翼肋1的反作用力将对井下偏置导向工具(即旋转导向工具)产生一个偏置合力(即为实际旋转钻井中推靠钻头的推力)。通过控制四个支撑翼肋1的支出液压力的大小，可控制偏置合力的大小和方向，以控制导向钻井，即可以实现钻头按照设定的方向与力度定向轨迹钻井。

如图2所示，本实施例控制方法中，对四支撑翼肋旋转导向系统的偏执力力学分析如下：由于四个支撑翼肋1均布于相对心轴不旋转的外套2上，四个支撑翼肋1沿圆周方向均布，相邻之间间隔90°，因此，井壁3对四个支撑翼肋1产生的四个支撑力的相对方向已经在空间固定。已知1号支撑翼肋(即F₁对应的支撑翼肋)相对于井眼的重力高边方向的夹角θ，可以知道四个支撑力的空间方向，通过力学矢量合成原理可以计算得到偏置合力矢量F的幅值与方向，实现了导向偏置力的矢量控制。

对于偏置合力矢量F，在F₁，F₂，F₃，F₄四个方向上进行分解可以有无数种不同组合方式，对于实际工程应用可以综合参考实际工况与力学矢量合成原理选择合适的组合方案来实现四个力F₁，F₂，F₃，F₄的控制，达到便捷、可靠控制偏置合力矢量F的目的。

如图3所示，针对四支撑翼肋偏执导向方式，建立如下数学模型：四个在空间间隔90°的分力F₁，F₂，F₃，F₄交汇于直角坐标系的0点。以F₁水平投影方向为X方向，以F₁垂直方向投影为Y方向，其中，F₁与X轴正向的夹角即为1号支撑翼肋相对重力高边的夹角θ，0°≤θ≤360°。四个分力F₁，F₂，F₃，F₄在X0Y直角坐标平面中分布如图3所示。

图示合力幅值和方向分别为：

将四个分力F₁，F₂，F₃，F₄分别分解到X轴、Y轴上，可以得到相互垂直力F_x,F_y，从而建立公式(2)、(3)、(4)。

F_x＝F_x1+F_x2+F_x3+F_x4

＝F₁cosθ+F₂cos(θ+90°)+F₃cos(θ+180°)+F₄cos(θ+270°) (2)

F_y＝F_y1+F_y2+F_y3+F_y4

＝F₁sinθ+F₂sin(θ+90°)+F₃sin(θ+180°)+F₄sin(θ+270°) (3)

将公式(2)，(3)，(4)带入公式(1)可以化简为

成立条件为：

F₁≤F_max，F₂≤F_max，F₃≤F_max，F₄≤F_max

其中，F_max为单个支撑翼肋所能获得的最大支撑力。

上述公式中，F为偏置合力矢量的幅值，θ为F₁与X轴正向的夹角即为1号支撑翼肋相对重力高边的夹角θ，0°≤θ≤360°。观察公式(4)和(5)可以发现：偏置合力矢量F的幅值只与四个分力的幅值有关，在获知F₁与X轴正向的夹角θ的基础上可以通过计算得到偏置合力矢量F的方向角α。这样就可以通过改变F₁，F₂，F₃，F₄的幅值，得到偏置合力矢量F的幅值与方向，实现偏执合力控制。

将图3中四个分力F₁，F₂，F₃，F₄向偏置合力矢量F所在方向投影，建立偏置合力矢量F与四个分力的关系式，如公式(6)所示。同时对公式(4)进行换算可以得到公式(7)：

(F₁-F₃)cos(α-θ)+(F₂-F₄)sin(α-θ)＝F (6)

(F₁-F₃)sin(α-θ)-(F₂-F₄)cos(α-θ)＝0 (7)

对四个分力F₁，F₂，F₃，F₄求解，在不考虑实际工况情况下，四分力数学解可以有无穷多组：

(n为自然数1,2,3……)

通过上述力学和数学分析可知：通过改变四个分力F₁，F₂，F₃，F₄的大小，即可任意调整偏置合力矢量F的幅值和在控制平面内其方向(覆盖360°方向的任意方向)。同时，对于同一偏置合力矢量F，四分力F₁，F₂，F₃，F₄的取值组合不唯一。

对公式(6)和(7)所列线性方程组进行计算可以得到其通解，如公式(8)所示：

公式(8)即是对偏置合力矢量F进行分力矢量分解得到的数学通解，也即是本申请实施例对四个支撑翼肋所受到的井壁的支撑力的控制方法。

四支撑翼肋偏执控制的目标为合力矢量的幅值和方向。由数学公式(8)可以知道对于一定的偏置合力矢量F，四个分力矢量不唯一。在外套不旋转的理想情况下，1号支撑翼肋相对重力高边的夹角θ为固定值，可根据实际情况选取公式(8)确定的分力矢量组合中的任一组做为本申请实施例控制方式的分力组合。

关于上述公式(8)中K1、K2的取值，可以根据实际情况有多种选择：在实际工程实现时，井壁3对四个支撑翼肋1的推力不能为负值，所以需要保证F1，F2，F3，F4为大于“零”的值，这样需要条件为：K1≥F/2，K2≥F/2；此外，为便于控制，可尽量设置工作区在设备工作最佳控制区，例如，一般选取可以控制的偏置合力矢量F的一半为控制中点，这样可以保证F1，F2，F3，F4四个数值变化区间为{0，F}，从而便于实现对四个支撑力的控制。

示例性的，当偏置合力矢量F的幅值和方向已知的情况下，根据公式(8)，选取K1＝F，K2＝F得到的控制公式如公式(9)，即可以得到公式(9)所示的一组四分力组合。

公式(9)为已知偏置合力矢量的幅值为F，合力方向角为α，即偏置合力矢量F的方向相对重力高边的夹角为α(0°≤α≤360°)时，得到的一组静态偏执四支撑翼肋合力分解公式。通过一定的技术手段控制F1，F2，F3，F4的幅值，便可以实现此种旋转导向系统合力矢量幅值与方向的控制。

示例性地，当偏置合力矢量F的幅值和方向已知的情况下，根据公式(8)，选取K1＝F/2，K2＝F/2，得到的一组四分力组合如下所示：

采用本申请实施例控制方法的旋转导向仪器，通过仿真计算，可以实现仪器定向轨迹钻井。

Claims (1)

1.一种四翼旋转导向控制方法，其特征在于，按照如下公式

控制旋转导向工具的四个支撑翼肋各自所受到的井壁的支撑力；

式中：F1、F2、F3、F4分别代表四个支撑翼肋各自所受到的井壁的支撑力的幅值；

F为目标偏置合力的幅值；

K1、K2为比例系数，K1≥F/2、K2≥F/2；

α为F的方向相对重力高边的夹角，0°≤α≤360°；

θ为F₁所对应的支撑翼肋相对重力高边的夹角，0°≤θ≤360°；

其中，所述旋转导向工具包括不旋转外套和安装于所述不旋转外套上的四个支撑翼肋，四个支撑翼肋沿圆周方向间隔90°均匀设置。

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