CN112647847B - 旋转导向钻井系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种旋转导向钻井系统，包括钻头轴、套设在钻头轴外侧的外筒和多组转向单元，转向单元用于驱动钻头轴相对于外筒发生偏转，从而改变钻头的钻井方向，外筒上设置有斜孔；旋转导向钻井系统还包括止转构件、滑动构件和驱动装置，滑动构件设置在外筒与钻头轴之间，并且滑动构件沿外筒的轴向与外筒可滑动地连接到一起；止转构件可滑动地设置在斜孔中，并且止转构件伸入外筒内的一端与滑动构件枢转连接；驱动装置设置在外筒的内侧。本公开具有上述结构的旋转导向钻井系统，能够通过驱动装置将止转构件顶出斜孔并抵接到井壁上，并使止转构件缩回斜孔与井壁分离，从而降低了旋转导向钻井系统在行进方向上的阻力。

Description

旋转导向钻井系统及其控制方法

技术领域

本公开属于钻井设备技术领域，具体提供了一种旋转导向钻井系统及其控制方法。

背景技术

旋转导向钻井系统是一项尖端自动化钻井新技术。在技术层面而言，其主流的设计方法有静态指向式、动态指向式和静态推靠式三种。

其中，静态推靠式的旋转导向钻井系统包括钻头轴、套设在钻头轴外侧的不旋转外筒和多组转向单元，转向单元用于驱动钻头轴相对于不旋转外筒发生偏转，从而改变钻头的钻井方向。为了避免不旋转外筒旋转，不旋转外筒的外侧壁上通常设置有多个肋板，以便通过肋板与井壁之间的摩擦力来限制不旋转外筒的转动。

但是，在旋转导向钻井系统钻井行进的过程中，肋板会始终与井壁产生摩擦力，给钻头的前进带来了阻力，不利于钻井作业。

发明内容

为了解决现有技术中的上述问题，即为了解决现有静态推靠式旋转导向钻井系统的不旋转外筒阻碍钻头前进的问题，本公开提供了一种旋转导向钻井系统及其控制方法。

在第一方面，本公开提供了一种旋转导向钻井系统，包括钻头轴、套设在前述钻头轴外侧的外筒和多组转向单元，前述转向单元用于驱动前述钻头轴相对于前述外筒发生偏转，从而改变前述钻头的钻井方向，前述外筒上设置有斜孔；前述旋转导向钻井系统还包括止转构件、滑动构件和驱动装置，前述滑动构件设置在前述外筒与前述钻头轴之间，并且前述滑动构件沿前述外筒的轴向与前述外筒可滑动地连接到一起；前述止转构件可滑动地设置在前述斜孔中，并且前述止转构件伸入前述外筒内的一端与前述滑动构件枢转连接；前述驱动装置设置在前述外筒的内侧；前述驱动装置配置成，能够驱动前述滑动构件朝靠近前述斜孔的方向移动，以使前述止转构件远离前述滑动构件的一端伸出前述斜孔并抵接到井壁上；前述驱动装置还配置成，能够驱动前述滑动构件朝远离前述斜孔的方向移动，以使前述止转构件远离前述滑动构件的一端与前述井壁分离。

可选地，前述滑动构件包括：

滑动座，其沿轴向与前述外筒滑动地连接到一起；

固定臂，其与前述滑动座固定连接或一体制成，前述固定臂与前述止转构件枢转连接。

可选地，前述外筒上设置有多个前述斜孔，并且多个前述斜孔沿前述外筒的周向等间距分布；每一个前述斜孔中都安装有一个前述止转构件。

可选地，前述止转构件与前述井壁相抵的一端设置为片状结构，前述片状结构的长度方向与前述外筒的轴向相同。

可选地，前述驱动装置是电动推杆。

在第二方面，本公开提供了一种旋转导向钻井系统的控制方法，该旋转导向钻井系统是第一方面中任一项前述的旋转导向钻井系统，每一组前述转向单元都包括设置在前述钻头轴和/或前述外筒上的翼肋和用于驱动前述翼肋的驱动单元，前述驱动单元包括电机和液压系统；前述控制方法适用于每一个前述转向单元，前述控制方法包括：

响应于接收到了改变钻井方向的指令，获取前述电机的目标转速和实际转速；

将前述目标转速和前述实际转速输入转速环控制器，以输出前述电机的目标电流；

获取前述电机的工作电流；

将前述目标电流和前述工作电流输入电流环控制器，以输出前述电机的目标电压；

将前述电机的工作电压调整为前述目标电压。

可选地，前述将前述目标电流和前述工作电流输入电流环控制器，以输出前述电机的目标电压，包括：

响应于前述目标电流和前述工作电流输入电流环控制器，输出弱电电压；

将前述弱电电压代入mos管的近似传递函数，以输出作为前述目标电压的强电电压。

可选地，前述mos管的近似传递函数如下：

其中，Ks表示mos管触发和整流装置的放大系数，T_s表示mos管的失控时间，s是通过拉式变换引入的值。

可选地，前述将前述目标转速和前述实际转速输入转速环控制器，包括：

求取前述实际转速与转速反馈系数的乘积；

将前述乘积与前述目标转速输入转速环控制器。

可选地，将前述目标电流和前述工作电流输入电流环控制器，包括：

求取前述工作电流与电流反馈系数的乘积；

将前述乘积与前述目标电流输入电流环控制器。

基于前文的描述，本领域技术人员能够理解的是，在本公开前述的技术方案中，通过在外筒上设置斜孔，将止转构件安装到斜孔内，将与止转构件枢转连接的滑动构件安装到外筒的内侧，使驱动装置与滑动构件驱动连接，使得驱动装置能够驱动滑动构件朝靠近斜孔的方向移动，以使止转构件远离滑动构件的一端伸出斜孔并抵接到井壁上，从而将外筒与井壁沿周向固定到一起，避免外筒转动；以及使得驱动装置能够驱动滑动构件朝远离斜孔的方向移动，以使止转构件远离滑动构件的一端与井壁分离，从而使外筒能够相对于井壁自由转动。因此，本公开的旋转导向钻井系统在正常钻井的过程中，通过使止转构件缩回到外筒内，减小了外筒与井壁之间的摩擦力，降低了旋转导向钻井系统在行进方向上的阻力，更有利于钻井；在钻头需要拐弯的时候，通过使止转构件缩伸出外筒与井壁抵接到一起，来将外筒与井壁固定到一起，防止外筒相对井壁转动，为钻头的拐弯提供了可靠的支撑。

进一步，本公开针对每一个转向单元，在接收到了改变钻井方向的指令之后，先根据电机的目标转速和实际转速来确定电机的目标电流，然后根据电机的目标电流和工作电流来确定电机的目标电压，再将电机的工作电压调整为目标电压，使得每一个转向单元的电机都能够通过转速闭环和电流闭环来进行实时调整，不仅提升了电机的响应速度，还避免了电机全压启动时电流过大被损坏的情形，延长了电机的使用寿命。

附图说明

下面参照附图来描述本公开的优选实施例，附图中：

图1是旋转导向钻井系统的结构示意图(止转构件处于缩回状态)；

图2是旋转导向钻井系统的结构示意图(止转构件处于伸出状态)；

图3是旋转导向钻井系统的驱动单元的构成示意图；

图4是旋转导向钻井系统的界面示意图(钻头正常掘进)；

图5是旋转导向钻井系统的界面示意图(钻头拐弯掘进)；

图6是旋转导向钻井系统的控制方法的主要步骤流程图；

图7是旋转导向钻井系统中电机的控制逻辑示意图。

附图标记列表：

1、钻头轴；2、外筒；21、斜孔；3、万向球轴承；4、止转构件；5、滑动构件；51、滑动座；52、固定臂；6、驱动装置；7、转向单元；71、翼肋；72、驱动单元；721、电机；722、液压系统；7221、液压泵；7222、换向阀；7223、液压执行单元；7224、溢流阀。

具体实施方式

本领域技术人员应当理解的是，下文所描述的实施例仅仅是本公开的优选实施例，并不表示本公开仅能通过该优选实施例实现，该优选实施例仅仅是用于解释本公开的技术原理，并非用于限制本公开的保护范围。基于本公开提供的优选实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的情况下所获得的其它所有实施例，仍应落入到本公开的保护范围之内。

需要说明的是，在本公开的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“顶部”“底部”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，还需要说明的是，在本公开的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本公开中的具体含义。

如图1和图2所示，在本公开的优选实施例中，旋转导向钻井系统包括钻头轴1、外筒2、万向球轴承3、止转构件4、滑动构件5、驱动装置6和转向单元7。其中，外筒2套设在钻头轴1的外侧。万向球轴承3设置在钻头轴1与外筒2之间，用于使钻头轴1相对于外筒2转动，并且允许钻头轴1位于外筒2的部分发生形变，以便使钻头的掘进方向发生改变。止转构件4能够伸出外筒2与井壁相抵，从而使外筒2沿周向与井壁相对固定到一起；止转构件4还能够缩回外筒2，从而使外筒2在径向上与井壁之间具有间隙，以避免外筒2与井壁之间存在摩擦力，阻碍旋转导向钻井系统的掘进。滑动构件5设置在外筒2与钻头轴1之间，用于驱动止转构件4伸出或缩回外筒2。驱动装置6设置在外筒2的内侧，用于给滑动构件5提供驱动止转构件4的动力。转向单元7用于驱动钻头轴1位于外筒2内的部分发生形变，以使钻头的掘进方向发生改变。

在本公开的优选实施例中，转向单元7的数量均为多组，本领域技术人员可以根据实际需要，确定其具体的数量，例如将转向单元7设置为3组、4组、6组、8组、13组等。同样地，止转构件4的数量也为多个，本领域技术人员可以根据实际需要，确定其具体的数量，例如将止转构件4设置为3个、4个、6个、8个、13个等。

从图1和图2中不难看出，钻头轴1下端的钻头(图中未标记)的直径大于外筒2的外径。进一步，虽然图2所示不明显，但是该钻头的直径小于伸出状态下止转构件4的最小外接圆直径，以便被钻头挖掘出的井壁的直径大于外筒2的直径并且小于状态下止转构件4的最小外接圆直径。

继续参阅图1和图2，外筒2的上设置有多个斜孔21，每一个斜孔21内都容纳有一个止转构件4。

虽然图中并未示出，但是止转构件4与井壁相抵的一端设置为片状结构，片状结构的长度方向与外筒2的轴向相同。以便在止转构件4伸出斜孔21之后，该片状结构能够嵌入到井壁中，将外筒2沿周向紧紧地固定到井壁上，防止外筒2转动。

继续参阅图1和图2，滑动构件5沿外筒2的轴向与外筒2可滑动地连接到一起，并且滑动构件5与每一个止转构件4分别枢转连接。具体地，滑动构件5包括固定连接或一体制成的滑动座51和固定臂52。优选地，滑动座51为环形，滑动座51与外筒2的内侧壁沿轴向可滑动地连接到一起。或者，在与外筒2可滑动连接到一起的前提下，滑动座51还可以被设置为C型、弧形、半圆形等其他任意可行的形状。固定臂52设置在滑动座51靠近止转构件4的一端，固定臂52远离滑动座51的一端与止转构件4枢转连接。

继续参阅图1和图2，驱动装置6安装到外筒或钻头轴1上，驱动装置6还与滑动座51驱动连接。具体地，驱动装置6是固定到外筒2内壁上的电动推杆。当然，本领域技术人员也可以根据需要，将驱动装置6设置为其他任意可行的装置，例如包括电机、与电机驱动连接的丝杠、与丝杠相啮合并且与滑动座51连接的丝杠螺母。

如图1所示，在旋转导向钻井系统正常掘进，无需使钻头转向的过程中，驱动装置6使滑动构件5移动到远离斜孔21的位置，以使止转构件4缩回，避免止转构件4与井壁抵接，从而使得外筒2能够相对于井壁自由移动。避免了外筒2刮蹭井壁阻碍旋转导向钻井系统掘进。

如图2所示，在旋转导向钻井系统使钻头转向的过程中，驱动装置6使滑动构件5移动到靠近斜孔2的位置，以使止转构件4伸出，进而使止转构件4远离滑动构件5的一端与井壁抵接，从而将外筒2与井壁沿周向固定到一起，防止外筒2转动。

如图1至图3所示，每一个转向单元7分别包括翼肋71和驱动单元72，该翼肋71设置在钻头轴1与外筒2之间，并且安装到钻头轴1或外筒2上。驱动单元72设置在钻头轴1与外筒2之间，并且用于驱动翼肋71。

如图4和图5所示，翼肋71可以是任意可行的结构，例如柱塞。在钻头正常掘进的过程中，翼肋71不起作用；在钻头拐弯的过程中，多个翼肋71共同作用，以使钻头轴1处于外筒2内的部分发生形变，从而改变钻头的掘进方向。

需要说明的是，由于通过翼肋改变钻头掘进方向的技术手段，为本领域的惯用技术手段或常规技术手段，所以本公开不再做过多说明。

如图3所示，驱动单元72包括电机721和液压系统722，液压系统722包括液压泵7221、换向阀7222、液压执行单元7223和溢流阀7224。其中，液压泵7221的转轴与电机721的转轴同轴固定连接。液压执行单元7223与翼肋71固定连接或者一体制成，并且液压执行单元7223可以是任意可行的结构，例如图3中所示的单向油缸。液压泵7221、换向阀7222、液压执行单元7223和溢流阀7224的连接方式如图3所示。优选地，溢流阀7224为电控溢流阀，以便可以计算机、控制器、上位机等控制设备调整溢流阀7224的压力。

当电机721工作时，换向阀7222通电换向，液压泵7221将油箱内的液压油输送给换向阀7222，进而进入到液压执行单元7223，驱动翼肋71动作。当液压系统内722的压力达到了溢流阀7224设定的压力值时，液压油从溢流阀7224流回油箱。当电机721断电时，换向阀7222也断电，液压执行单元7223内的油液在自身弹簧的作用下经过换向阀7222流回油箱。

需要说明的是，由于通过驱动单元72驱动翼肋71动作的技术手段，为本领域的惯用技术手段或常规技术手段，所以本公开不再做过多说明。本领域技术人员应当理解的是，驱动翼肋71动作的驱动单元72也不仅限于图3中所示的一种技术手段。

进一步，本公开提供的旋转导向钻井系统的控制方法适用于每一个驱动单元72，具体是适用于每一个驱动单元72的电机721。

如图6和图7所示，该控制方法包括：

步骤S110，响应于接收到了改变钻井方向的指令，获取电机721的目标转速n*和实际转速n。

具体地，在接收到了使钻头由直线掘进变为拐弯掘进的指令，或者在接收到了使钻头由拐弯掘进变为直线掘进的指令之后，确定电机721的目标转速n*，并实时地获取实际转速n。

其中，目标转速n*是使翼肋71保持在目标姿态(使钻头直线掘进或拐弯掘进)时，电机721的转速。实际转速n为电机721的转轴在当前时刻下的转速。

步骤S120，将目标转速n*和实际转速n输入转速环控制器W_ASR，以输出电机721的目标电流。

具体地，先求取实际转速n与转速反馈系数K_s′的乘积，然后再将乘积与目标转速输入转速环控制器W_ASR。该K_s′的取值范围为[0.85,1.2]，优选地，K_s′＝1。

其中，转速环控制器W_ASR为一个PI控制器。目标电流是使翼肋71保持在目标姿态(使钻头直线掘进或拐弯掘进)时，电机721的电流。

换句话说，通过将目标转速n*和实际转速n输入转速环控制器W_ASR，能够将电机721的转速信号转换为电流信号。

步骤S130，实时地获取电机721的工作电流。

如图7所示，电机721的工作电流为通过根据电机721的电枢特性而确定的一个电流值。

电机721的电枢特性用公式标识为：

其中，R表示电枢回路总电阻；

表示电枢回路电磁时间常数(s)，L表示电枢回路电感；s是通过拉式变换引入的值。

步骤S140，将目标电流和工作电流输入电流环控制器W_ACR，以输出电机721的目标电压。

具体地，先求取工作电流与电流反馈系数K_c的乘积；然后再将乘积与目标电流输入电流环控制器。该K_c的取值范围为[0.85,1.2]，优选地，K_c＝1。

其中，电流环控制器W_ACR为一个PI控制器。目标电压是使翼肋71保持在目标姿态(使钻头直线掘进或拐弯掘进)时，电机721的电压。

换句话说，通过将目标电流和工作电流输入电流环控制器W_ACR，能够将电机721的电流信号转换为电压信号。

进一步，如图7所示地，响应于目标电流和工作电流输入电流环控制器W_ACR，输出弱电电压；将弱电电压代入mos管的近似传递函数

以输出作为目标电压的强电电压。

其中，近似传递函数

是通过时域的开关函数通过拉式变化求得的，实际应用中，是无法改变的，由mos管自身的性质决定的，Ks表示mos管触发和整流装置的放大系数，T_s表示mos管的失控时间，由mos管的自身物理特性值决定，s是通过拉式变换引入的值。

步骤S150，将电机721的工作电压调整为目标电压。

为了使本领域技术人员更清楚地了解本公开的控制方法，将图7中各函数、符号的意义解释如下：

n*为电机721的目标转速；n为电机721的实际转速；n′＝n×K_s′，K_s′为转速反馈系数；K_c为电流反馈系数；W_ASR为电机721转速的PI控制器；W_ACR为电机721电流的PI控制器；

为mos管的近似传递函数；Ks表示mos管触发和整流装置的放大系数；T_s表示mos管的失控时间，由mos管的自身物理特性值决定；s是通过拉式变换引入的值；

表示电机721的电枢特性；R表示电枢回路总电阻；

表示电枢回路电磁时间常数；L表示电枢回路电感；

表示的转速受负载的影响情况；

表示电机721的负载电流；T_L表示全部折合到电动机上的负载转矩；

表示电力拖动系统机电时间常数，J表示电力拖动系统折算到电机转轴上的飞轮惯量；C_e表示气隙磁通，C_m表示额定励磁下电机的转矩系数。

基于前文的描述，本公开针对每一个转向单元7，在接收到了改变钻井方向的指令之后，先根据电机721的目标转速和实际转速来确定电机721的目标电流，然后根据电机721的目标电流和工作电流来确定电机721的目标电压，再将电机721的工作电压调整为目标电压，使得每一个转向单元的电机721都能够通过转速闭环和电流闭环来进行实时调整，不仅提升了电机721的响应速度，还避免了电机721全压启动时电流过大被损坏的情形，延长了电机721的使用寿命。

至此，已经结合前文的多个实施例描述了本公开的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本公开的保护范围并不仅限于这些具体实施例。在不偏离本公开技术原理的前提下，本领域技术人员可以对上述各个实施例中的技术方案进行拆分和组合，也可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，凡在本公开的技术构思和/或技术原理之内所做的任何更改、等同替换、改进等都将落入本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种旋转导向钻井系统，包括钻头轴、套设在所述钻头轴外侧的外筒和多组转向单元，所述转向单元用于驱动所述钻头轴相对于所述外筒发生偏转，从而改变所述钻头的钻井方向，其特征在于，所述外筒上设置有斜孔；

所述旋转导向钻井系统还包括止转构件、滑动构件和驱动装置，

所述滑动构件设置在所述外筒与所述钻头轴之间，并且所述滑动构件沿所述外筒的轴向与所述外筒可滑动地连接到一起；

所述止转构件可滑动地设置在所述斜孔中，并且所述止转构件伸入所述外筒内的一端与所述滑动构件枢转连接；

所述驱动装置设置在所述外筒的内侧；

所述驱动装置配置成，能够驱动所述滑动构件朝靠近所述斜孔的方向移动，以使所述止转构件远离所述滑动构件的一端伸出所述斜孔并抵接到井壁上；

所述驱动装置还配置成，能够驱动所述滑动构件朝远离所述斜孔的方向移动，以使所述止转构件远离所述滑动构件的一端与所述井壁分离。

2.根据权利要求1所述的旋转导向钻井系统，其特征在于，所述滑动构件包括：

滑动座，其沿轴向与所述外筒滑动地连接到一起；

固定臂，其与所述滑动座固定连接或一体制成，所述固定臂与所述止转构件枢转连接。

3.根据权利要求1所述的旋转导向钻井系统，其特征在于，所述外筒上设置有多个所述斜孔，并且多个所述斜孔沿所述外筒的周向等间距分布；

每一个所述斜孔中都安装有一个所述止转构件。

4.根据权利要求3所述的旋转导向钻井系统，其特征在于，所述止转构件与所述井壁相抵的一端设置为片状结构，所述片状结构的长度方向与所述外筒的轴向相同。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的旋转导向钻井系统，其特征在于，所述驱动装置是电动推杆。

6.一种旋转导向钻井系统的控制方法，其特征在于，所述旋转导向钻井系统是权利要求1至5中任一项所述的旋转导向钻井系统，每一组所述转向单元都包括设置在所述钻头轴和/或所述外筒上的翼肋和用于驱动所述翼肋的驱动单元，所述驱动单元包括电机和液压系统；

所述控制方法适用于每一个所述转向单元，所述控制方法包括：

响应于接收到了改变钻井方向的指令，获取所述电机的目标转速和实际转速；

将所述目标转速和所述实际转速输入转速环控制器，以输出所述电机的目标电流；

获取所述电机的工作电流；

将所述目标电流和所述工作电流输入电流环控制器，以输出所述电机的目标电压；

将所述电机的工作电压调整为所述目标电压。

7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述将所述目标电流和所述工作电流输入电流环控制器，以输出所述电机的目标电压，包括：

响应于所述目标电流和所述工作电流输入电流环控制器，输出弱电电压；

将所述弱电电压代入mos管的近似传递函数，以输出作为所述目标电压的强电电压。

8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，所述mos管的近似传递函数如下：

其中，Ks表示mos管触发和整流装置的放大系数，T_s表示mos管的失控时间，s是通过拉式变换引入的值。

9.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述将所述目标转速和所述实际转速输入转速环控制器，包括：

求取所述实际转速与转速反馈系数的乘积；

将所述乘积与所述目标转速输入转速环控制器。

10.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，将所述目标电流和所述工作电流输入电流环控制器，包括：

求取所述工作电流与电流反馈系数的乘积；

将所述乘积与所述目标电流输入电流环控制器。

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