CN111287659B - 一种基于全旋转指向式导向钻井工具的造斜率调节方法 - Google Patents

Abstract

一种基于全旋转指向式导向钻井工具的造斜率调节方法，通过两个独立控制的电机驱动钻井工具的外偏心环和内偏心环转动一定角度，进而改变导向轴在旋转外套内的偏置姿态，实现造斜率的调节，通过控制内外偏心环的转动，实现对全旋转指向式导向钻井工具的造斜率实时调节；根据全旋转指向式导向钻井工具的结构特点和导向原理，建立了钻井工具的造斜率调节方程，并提供了导向钻井工具造斜率调节特性曲线；根据需要调节的造斜率大小，使内偏心环转动，调节工具造斜率大小，再使外偏心环转动，调节造斜方位，完成导向钻具造斜率的调节；提高了井眼轨迹控制精度，对钻井参数调整依赖性小，具有良好的稳定性和快速响应的特点。

Description

一种基于全旋转指向式导向钻井工具的造斜率调节方法

技术领域

本发明属于旋转导向钻井技术领域，特别涉及一种基于全旋转指向式导向钻井工具的造斜率调节方法。

背景技术

现有的旋转导向钻井工具有：静态偏置推靠式、动态偏置推靠式、静态偏置指向式和动态偏置指向式四种。推靠式旋转导向钻井工具，造斜率大小的调节方法比较复杂，调节精度较差，随着井深增加，误差较大，已经不能满足现代超深井、多分支井、大位移水平井和超难定向井的钻井需求。指向式旋转导向钻井工具，具有造斜率大、造斜方式简单、控制精度高的特点。但是，关于指向式旋转导向钻井工具的现有相关技术主要研究了滑动导向钻井，对全旋转指向式导向钻井并不完全适用。因此建立全旋转指向式导向钻井工具的造斜率的调节方法，有助于完善全旋转指向式导向钻井工具控制系统，提高实钻轨迹与设计的井眼轨迹的符合程度。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供了一种基于全旋转指向式导向钻井工具的造斜率调节方法，利用两个独立控制的电机驱动外偏心环和内偏心环转动一定角度，进而改变导向轴在旋转外套内的偏置姿态，实现造斜率的调节，通过控制内外偏心环的转动，实现对全旋转指向式导向钻井工具的造斜率实时调节，调节过程连续无间隙，具有较高的精确性；改善了指向式导向钻具的指向精度；可提高实钻轨迹与设计的井眼轨迹的符合程度；同时具有响应速度快、调节精度高的特点。

一种基于全旋转指向式导向钻井工具的造斜率调节方法，所涉及的全旋转指向式导向钻井工具包括旋转外套1，在旋转外套1内从左至右依次连接有偏心机构、导向轴9、传力机构、导向关节及密封装置；偏心机构包括内偏心环3和外偏心环2以及关节轴承8，传力机构包括球面轴承4和推力销10，导向关节包括球笼壳5和钢球6，密封装置包括密封件7；内偏心环3安装在外偏心环2的偏心孔内，且通过关节轴承8套接在导向轴9左端，导向轴9的左端安装在关节轴承8中，导向轴9右端装有传力机构和导向关节，导向关节右端设置有密封件7，其特征在于，内偏心环3和外偏心环2分别由独立控制的无框电机直接连接并由无框电机直接驱动，具体包括以下步骤：

步骤一、首先由钻井工程前期已经设计好的井眼轨迹，获得井眼轨迹的节点和分节点参数，然后，根据全旋转指向式导向钻井工具导向原理与井眼轨迹的挠曲参数的约束关系，确定全旋转指向式导向钻井工具需要调节的造斜率数值；

步骤二、根据全旋转指向式导向钻井工具需要调节的造斜率数值，计算导向钻井工具造斜率调节至所需造斜率大小，内偏心环需要转动的角度，内偏心环转动的角度与导向钻井工具造斜率之间存在一定关系，导向钻井工具造斜率与导向钻具底部钻具组合BHA的结构参数有关，并且与全旋转指向式导向钻井工具导向节至偏心机构的距离有关，具体的关系表示为：

式中θ为内外偏心环偏心距之间的夹角，°；e为内、外偏心环的偏心距，mm；l₃为导向关节至偏心机构的距离，m；l₁为钻头至导向关节的距离，m；l₂为近钻头稳定器至导向关节的距离，m；k为工具造斜率，度/30米；

步骤三、调节造斜率大小，通过电机驱动内偏心环转动角度α，完成工具造斜率大小的调节，当造斜率调节到所需值时，内偏心环立即停止旋转，保持造斜率大小稳定；

造斜率大小调节过程中，通过控制内偏心环转速控制调节造斜率大小的时间，内偏心环转动的角度和转动时间有如下关系：

α＝ω₁t1₍0°<α<＝180°)

式中：α为内偏心环转动的角度；ω₁为内偏心环的转速，rad/s；t₁为调节造斜率大小所用时间，s；

步骤四、计算调节造斜方位，外偏心环需要转动的角度，外偏心环需要转动的角度与调节造斜率大小过程中内偏心环转动的角度α有关，外偏心环需要转动的角度为γ的大小与α有关，具体关系如下式：

式中：γ为外偏心环转动角度，°；α为调节造斜率过程中内偏心环转动角度，°；

步骤五、调节造斜方位，通过电机驱动外偏心环转动角度γ，外偏心环转动方向与内偏心环转动方向相反，完成工具造斜方位的复位，当工具造斜方位复位后，外偏心环立即停止旋转，完成工具造斜率的调节；

调节造斜方位过程中，通过控制外偏心环转速控制复位造斜方位所用的时间，外偏心环转动的角度和转动时间有如下关系：

γ＝ω₂t₂(0°<γ<＝180°)

式中：γ为外偏心环转动的角度，°；ω₂为外偏心环的转速，rad/s；t₂为复位造斜方位所用时间，s。

本发明的控制原理为：

通过两个独立控制的电机驱动外偏心环和内偏心环转动一定角度，进而改变导向轴在旋转外套内的偏置姿态，实现造斜率的调节，通过控制内外偏心环的转动，实现对全旋转指向式导向钻井工具的造斜率实时调节。根据全旋转指向式导向钻井工具的结构特点和导向原理，建立了钻井工具的造斜率调节方程，并提供了导向钻井工具造斜率调节特性曲线；根据需要调节的造斜率大小，使内偏心环转动，调节工具造斜率大小，再使外偏心环转动，调节造斜方位，完成导向钻具造斜率的调节。

本发明的优点：两个独立控制的电机直接驱动外偏心环和内偏心环转动，实施控制，实现全旋转指向式导向钻具的造斜率的实时调节；调节过程连续无间隙，具有较高的精确性；改善了指向式导向钻具的指向精度；提高实钻轨迹与设计的井眼轨迹的符合程度；同时具有响应速度快、调节精度高的特点。

附图说明

图1是全旋转指向式导向钻井工具简图。

图2是偏心机构示意图。

图3是偏心机构偏心距矢量图。

图4是BHA结构示意图。

图5是导向轴偏置姿态示意图。

图6是造斜率调节示意图。

图7是造斜率大小调节特性曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细叙述。

参照图1，一种基于全旋转指向式导向钻井工具的造斜率调节方法，所涉及的全旋转指向式导向钻井工具为现有设备，包括旋转外套1，在旋转外套1内从左至右依次连接有偏心机构、导向轴9、传力机构、导向关节及密封装置；偏心机构包括内偏心环3和外偏心环2以及关节轴承8，传力机构包括球面轴承4和推力销10，导向关节包括球笼壳5和钢球6，密封装置包括密封件7；内偏心环3安装在外偏心环2的偏心孔内，且通过关节轴承8套接在导向轴9左端，内偏心环3和外偏心环2分别由独立控制的无框电机直接连接并由无框电机直接驱动，导向轴9的左端安装在关节轴承8中，导向轴9右端装有传力机构和导向关节，导向关节右端设置有密封件7；

参照图2，全旋转指向式导向钻井工具底部钻具组合(BHA)包括近钻头稳定器11和钻头12。

图3为全旋转指向式导向钻具的偏心机构示意图，由于内偏心环安装在外偏心环的偏心孔内，基于此装配关系，外偏心环绕轴心O点转动，会带动内偏心环绕O点转动。

如图4，建立外偏心环和内偏心环转动过程中，外偏心环和内偏心环的偏心距的矢量关系。

外偏心环和内偏心环转动过程中，外偏心环和内偏心环的偏心矢量不断变化，同时偏心机构的偏心距也连续改变，偏心机构的偏心距表示为：

式中，e为内、外偏心环的偏心距，mm；θ为外偏心环偏心矢量、内偏心环偏心矢量和偏心距矢量构成的三角形中外偏心距和内偏心距之间的夹角，°；ρ为偏心环组的偏心距，mm。

本发明的调节方法，包括以下步骤：

步骤一、依据预先设计的井眼轨迹的挠曲参数确定造斜率值，根据钻井工程前期已经设计好的井眼轨迹，获得井眼轨迹的节点和分节点参数，然后，根据全旋转指向式导向钻井工具的导向原理与井眼轨迹的挠曲参数的约束关系，确定全旋转指向式导向钻井工具需要调节的造斜率数值；依据实际钻井轨迹与设计的井眼轨迹之间的误差确定造斜率值，比较随钻测量工具所测得的实钻井眼轨迹参数与设计的井眼轨迹参数，确定实钻井眼轨迹参数与设计的井眼轨迹参数的误差值，得到全旋转指向式导向钻井工具需要调节的造斜率数值；

步骤二、结合全旋转指向式导向钻具BHA的结构参数(如图2)和全旋转指向式导向钻具导向轴的偏置原理(如图5)，建立全旋转指向式导向钻井工具造斜率计算公式，内外偏心环偏心距之间的夹角与全旋转指向式导向钻井工具的造斜率之间存在一定关系，工具造斜率与全旋转导向钻具底部钻具组合(BHA)的结构参数有关，并且与全旋转指向式导向钻井工具导向关节至偏心机构的距离有关，全旋转指向式导向钻井工具造斜率计算公式为：

式中：θ为内外偏心环偏心距之间的夹角，°；e为内、外偏心环的偏心距，mm；l₃为导向关节至偏心机构的距离，m；l₁为钻头至导向关节的距离，m；l₂为近钻头稳定器至导向关节的距离，m；k为工具造斜率，度/30米。

参照图6，内偏心环单独转动一定角度，可改变造斜率大小和造斜方位，外偏心环单独转动，可改变造斜方位。

根据需要调节的造斜率值，通过造斜率计算式，解算出内外偏心环偏心距之间的夹角θ₂；

根据所述全旋转指向式导向钻井工具需要调节的造斜率值，计算调节至需要的造斜率大小，内偏心环需要转动的角度α；

α＝θ₂-θ₁

式中：α为调节造斜率的大小内偏心环需要转动的角度，°；θ₂为需要调节的造斜率值对应的内外偏心环偏心距之间的夹角，°；θ₁为初始造斜率值对应的内外偏心环偏心距之间的夹角，°。

图7为本发明的全旋转指向式导向钻井工具造斜率调节过程模拟图，内外偏心环偏心距之间夹角调节过程中，曲线各参数为e＝10,l₃＝0.553,l₁＝8,l₂＝0.5,内外偏心环偏心距之间夹角调节范围是0～180°。图7证明了本发明全旋转指向式导向钻井工具造斜率的调节可实现。

步骤三、调节造斜率大小，控制内偏心环转动，调节造斜率大小，通过电机驱动内偏心环转动角度α，完成工具造斜率大小的调节，当造斜率调节到所需值时，内偏心环立即停止旋转，保持造斜率大小稳定；造斜率大小调节过程中，可通过控制内偏心环转速控制调节造斜率大小的时间，内偏心环转动的角度和转动时间有如下关系：

α＝ω₁t₁(0°<α<＝180°)

式中：α为内偏心环转动的角度；ω₁为内偏心环的转速，rad/s；t₁为调节造斜率大小所用时间，s；

步骤四、计算调节造斜方位，外偏心环需要转动的角度，调节工具造斜率大小之后，工具造斜方位发生改变，需要对造斜方位进行复位；根据设计井眼轨迹的挠曲参数，需要改变造斜方位而不需要改变造斜率大小时，也要调节造斜方位；因调节造斜率大小，造斜方位发生改变，造斜方位的改变量与调节造斜率过程中内偏心环转动的角度α的大小有关；复位造斜方位外偏心环需要转动的角度为γ，计算复位造斜方位外偏心环需要转动的角度γ，γ的大小与α有关，具体关系如下式：

式中：γ为外偏心环转动角度，°；α为调节造斜率过程中内偏心环转动角度，°。

根据设计的井眼轨迹的挠曲特性，需要调节造斜方位时，外偏心环需要转动的角度由设计的井眼轨迹的挠曲参数决定。

步骤五、复位造斜方位，控制外偏心环转动，调节造斜方位，通过电机驱动外偏心环转动角度γ，外偏心环转动方向与内偏心环转动方向相反，完成工具造斜方位的复位，当工具造斜方位复位后，外偏心环立即停止旋转，完成工具造斜率的调节，图7为造斜率大小调节模拟图。

造斜方位复位过程中，可通过控制外偏心环转速控制复位造斜方位所用的时间，外偏心环转动的角度和转动时间有如下关系：

γ＝ω₂t₂(0°<γ<＝180°)

式中：γ为外偏心环转动的角度，°；ω₂为外偏心环的转速，rad/s；t₂为复位造斜方位所用时间，s。

Claims (1)

1.一种基于全旋转指向式导向钻井工具的造斜率调节方法，所涉及的全旋转指向式导向钻井工具包括旋转外套(1)，在旋转外套(1)内从左至右依次连接有偏心机构、导向轴(9)、传力机构、导向关节及密封装置；偏心机构包括内偏心环(3)和外偏心环(2)以及关节轴承(8)，传力机构包括球面轴承(4)和推力销(10)，导向关节包括球笼壳(5)和钢球(6)，密封装置包括密封件(7)；内偏心环(3)安装在外偏心环(2)的偏心孔内，且通过关节轴承(8)套接在导向轴(9)左端，导向轴(9)的左端安装在关节轴承(8)中，导向轴(9)右端装有传力机构和导向关节，导向关节右端设置有密封件(7)，其特征在于，内偏心环(3)和外偏心环(2)分别由独立控制的无框电机直接连接并由无框电机直接驱动，具体方法包括以下步骤：

步骤一、首先由钻井工程前期已经设计好的井眼轨迹，获得井眼轨迹的节点和分节点参数，然后，根据全旋转指向式导向钻井工具导向原理与井眼轨迹的挠曲参数的约束关系，确定全旋转指向式导向钻井工具需要调节的造斜率数值；

步骤二、根据全旋转指向式导向钻井工具需要调节的造斜率数值，计算导向钻井工具造斜率调节至所需造斜率大小，内偏心环需要转动的角度，内偏心环转动的角度与导向钻井工具造斜率之间存在一定关系，导向钻井工具造斜率与导向钻具底部钻具组合BHA的结构参数有关，并且与全旋转指向式导向钻井工具导向节至偏心机构的距离有关，具体的关系表示为：

式中：θ为内外偏心环偏心距之间的夹角，°；e为内、外偏心环的偏心距，mm；l₃为导向关节至偏心机构的距离，m；l₁为钻头至导向关节的距离，m；l₂为近钻头稳定器至导向关节的距离，m；k为工具造斜率，度/30米；

步骤三、调节造斜率大小，通过电机驱动内偏心环转动角度α，完成工具造斜率大小的调节，当造斜率调节到所需值时，内偏心环立即停止旋转，保持造斜率大小稳定；

造斜率大小调节过程中，通过控制内偏心环转速控制调节造斜率大小的时间，内偏心环转动的角度和转动时间有如下关系：

α＝ω₁t₁(0°<α<＝180°)

式中：α为内偏心环转动的角度；ω₁为内偏心环的转速，rad/s；t₁为调节造斜率大小所用时间，s；

步骤四、计算调节造斜方位，外偏心环需要转动的角度，外偏心环需要转动的角度与调节造斜率大小过程中内偏心环转动的角度α有关，外偏心环需要转动的角度为γ的大小与α有关，具体关系如下式：

式中：γ为外偏心环转动角度，°；α为调节造斜率过程中内偏心环转动角度，°；

步骤五、调节造斜方位，通过电机驱动外偏心环转动角度γ，外偏心环转动方向与内偏心环转动方向相反，完成工具造斜方位的复位，当工具造斜方位复位后，外偏心环立即停止旋转，完成工具造斜率的调节；

调节造斜方位过程中，通过控制外偏心环转速控制复位造斜方位所用的时间，外偏心环转动的角度和转动时间有如下关系：

γ＝ω₂t₂(0°<γ<＝180°)

式中：γ为外偏心环转动的角度，°；ω₂为外偏心环的转速，rad/s；t₂为复位造斜方位所用时间，s。

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