CN112681978A - 旋转导向系统稳斜控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及自动控制技术领域，公开了一种旋转导向系统稳斜控制方法。该方法包括：基于上一次实测井斜角I1、期望井斜角I、上一次实测方位角A1和期望方位角A计算角度偏差Y；将Y与预设角度范围进行比较；大于范围上限值，控制导向力大小为导向力最大值F_max；小于范围下限值，控制导向力大小为F_max与Y之积；处于范围内，将当前实测井斜角I2和I之差的绝对值与上一次实测井斜角I1和I之差的绝对值进行比较，将当前实测方位角A2和期望方位角A之差的绝对值与上一次实测方位角A1和期望方位角A之差的绝对值进行比较，根据比较结果控制导向力的大小；三种情况根据I1与I的关系及A1与A的关系控制导向力的方向。由此，简化了稳斜控制过程，降低了下套管难度。

Description

旋转导向系统稳斜控制方法

技术领域

本发明涉及自动控制技术领域，尤其涉及一种旋转导向系统稳斜控制方法。

背景技术

旋转导向系统大量应用于水平井和大位移井等高难度井。钻井过程中，稳斜是旋转导向系统的重要功能。稳斜即需要保证井斜角保持恒定，也需要保证方位角保持恒定。实际钻井过程中若检测到井斜角或方位角与期望值发生偏差，则控制器通过控制导向力的大小和方向来修正井眼轨迹，直到实测值与期望的井斜角和方位角一致。目前，稳斜常用的方法是分层控制导向力。此方法能达到一定的稳斜效果，但是需要不停的增斜、降斜、增方位、降方位，导致井眼轨迹不平缓，增加下套管难度。

发明内容

本发明提供了一种旋转导向系统稳斜控制方法，能够解决现有技术中控制过程复杂且下套管难度增大的技术问题。

本发明提供了一种旋转导向系统稳斜控制方法，其中，该方法包括：

对井斜角和方位角进行实时测量；

基于上一次实测井斜角I1、期望井斜角I、上一次实测方位角A1和期望方位角A计算角度偏差Y；

将所述角度偏差Y与预设角度范围进行比较；

在所述角度偏差Y大于所述预设角度范围的上限值的情况下，控制旋转导向系统的导向力的大小为导向力最大值F_max，并根据所述上一次实测井斜角I1与所述期望井斜角I的关系以及所述上一次实测方位角A1与所述期望方位角A的关系控制导向力的方向；

在所述角度偏差Y小于所述预设角度范围的下限值的情况下，控制旋转导向系统的导向力的大小为导向力最大值F_max与角度偏差Y之积，并根据所述上一次实测井斜角I1与所述期望井斜角I的关系以及所述上一次实测方位角A1与所述期望方位角A的关系控制导向力的方向；

在所述角度偏差Y处于所述预设角度范围内的情况下，将所述当前实测井斜角I2和所述期望井斜角I之差的绝对值与所述上一次实测井斜角I1和所述期望井斜角I之差的绝对值进行比较，将所述当前实测方位角A2和所述期望方位角A之差的绝对值与所述上一次实测方位角A1和所述期望方位角A之差的绝对值进行比较，并根据比较结果控制旋转导向系统的导向力的大小，并且根据所述上一次实测井斜角I1与所述期望井斜角I的关系以及所述上一次实测方位角A1与所述期望方位角A的关系控制导向力的方向。

优选地，根据比较结果控制旋转导向系统的导向力的大小包括：

如果比较结果为所述当前实测井斜角I2和所述期望井斜角I之差的绝对值小于所述上一次实测井斜角I1和所述期望井斜角I之差的绝对值且所述当前实测方位角A2和所述期望方位角A之差的绝对值小于所述上一次实测方位角A1和所述期望方位角A之差的绝对值，则控制旋转导向系统的导向力的大小为导向力最大值F_max的一半，否则控制旋转导向系统的导向力的大小为导向力最大值F_max。

优选地，通过下式基于上一次实测井斜角I1、期望井斜角I、上一次实测方位角A1和期望方位角A计算角度偏差Y：

优选地，根据所述上一次实测井斜角I1与所述期望井斜角I的关系以及所述上一次实测方位角A1与所述期望方位角A的关系控制导向力的方向包括：

其中，θ₀为初始导向力方向与重力高边的夹角，θ为调整后导向力方向与重力高边的夹角。

优选地，通过下式计算初始导向力方向与重力高边的夹角θ₀：

θ₀＝tan^-1|((A-A1)/(I-I1))|。

通过上述技术方案，基于上一次实测井斜角I1、期望井斜角I、上一次实测方位角A1和期望方位角A可以计算角度偏差Y，根据角度偏差Y与预设角度范围的比较结果可以控制旋转导向系统的导向力的大小，根据所述上一次实测井斜角I1与所述期望井斜角I的关系以及所述上一次实测方位角A1与所述期望方位角A的关系可以控制导向力的方向。由此，在井斜角和方位角与期望值不一致时，可以使井眼轨迹平缓变化，缓缓趋向期望值，简化了控制过程，降低了下套管难度。

附图说明

所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了根据本发明实施例的一种旋转导向系统稳斜控制方法的流程图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

图1示出了根据本发明实施例的一种旋转导向系统稳斜控制方法的流程图。

如图1所示，本发明实施例提供了一种旋转导向系统稳斜控制方法，其中，该方法包括：

S100，对井斜角和方位角进行实时测量；

S102，基于上一次实测井斜角I1、期望井斜角I、上一次实测方位角A1和期望方位角A计算角度偏差Y；

S104，将所述角度偏差Y与预设角度范围进行比较；

S106，在所述角度偏差Y大于所述预设角度范围的上限值的情况下，控制旋转导向系统的导向力的大小为导向力最大值F_max，并根据所述上一次实测井斜角I1与所述期望井斜角I的关系以及所述上一次实测方位角A1与所述期望方位角A的关系控制导向力的方向；

此时，井斜角和方位角偏离各自的期望值较大，且导向力还需克服仪器自重，所以导向力的大小使用其能达到的最大值F_max。

S108，在所述角度偏差Y小于所述预设角度范围的下限值的情况下，控制旋转导向系统的导向力的大小为导向力最大值F_max与角度偏差Y之积，并根据所述上一次实测井斜角I1与所述期望井斜角I的关系以及所述上一次实测方位角A1与所述期望方位角A的关系控制导向力的方向；

此时，利用了PID控制中的比例控制。

S110，在所述角度偏差Y处于所述预设角度范围内(包括等于预设角度范围上限值和下限值)的情况下，将所述当前实测井斜角I2和所述期望井斜角I之差的绝对值与所述上一次实测井斜角I1和所述期望井斜角I之差的绝对值进行比较，将所述当前实测方位角A2和所述期望方位角A之差的绝对值与所述上一次实测方位角A1和所述期望方位角A之差的绝对值进行比较，并根据比较结果控制旋转导向系统的导向力的大小，并且根据所述上一次实测井斜角I1与所述期望井斜角I的关系以及所述上一次实测方位角A1与所述期望方位角A的关系控制导向力的方向。

其中，预设角度范围的上限值可以为1，而下限值可以为0.5。

本领域技术人员应当理解，上述关于数值的描述仅仅是示例性的，并非用于限定本发明。

通过上述技术方案，基于上一次实测井斜角I1、期望井斜角I、上一次实测方位角A1和期望方位角A可以计算角度偏差Y，根据角度偏差Y与预设角度范围的比较结果可以控制旋转导向系统的导向力的大小，根据所述上一次实测井斜角I1与所述期望井斜角I的关系以及所述上一次实测方位角A1与所述期望方位角A的关系可以控制导向力的方向。由此，在井斜角和方位角与期望值不一致时，可以使井眼轨迹平缓变化，缓缓趋向期望值，简化了控制过程，降低了下套管难度。

根据本发明一种实施例，根据比较结果控制旋转导向系统的导向力的大小包括：

如果比较结果为所述当前实测井斜角I2和所述期望井斜角I之差的绝对值小于所述上一次实测井斜角I1和所述期望井斜角I之差的绝对值且所述当前实测方位角A2和所述期望方位角A之差的绝对值小于所述上一次实测方位角A1和所述期望方位角A之差的绝对值，则控制旋转导向系统的导向力的大小为导向力最大值F_max的一半，否则控制旋转导向系统的导向力的大小为导向力最大值F_max。

也就是，如果|I2-I|<|I1-I|，且|A2-A|<|A1-A|，表明井斜角和方位角都有向期望值收敛的趋势，可以控制导向力的大小为0.5F_max；否则可以控制导向力的大小为F_max。此处，考虑了PID控制方法中的微分因素，可以对趋势变化进行预判。

根据本发明一种实施例，通过下式基于上一次实测井斜角I1、期望井斜角I、上一次实测方位角A1和期望方位角A计算角度偏差Y：

根据本发明一种实施例，根据所述上一次实测井斜角I1与所述期望井斜角I的关系以及所述上一次实测方位角A1与所述期望方位角A的关系控制导向力的方向包括：

其中，θ₀为初始导向力方向与重力高边的夹角，θ为调整后导向力方向与重力高边的夹角。

也就是，可以通过控制导向力与重力高边的夹角实现导向力的方向的控制。具体地，当A1＜A且I1＜I时，控制导向力的方向保持不变；当A1＜A且I1＞I时，控制导向力的方向在θ₀的基础上增加90°；当A1＞A且I1＞I时，控制导向力的方向在θ₀的基础上增加180°；当A1＞A且I1＜I时，控制导向力的方向在θ₀的基础上增加270°

根据本发明一种实施例，通过下式计算初始导向力方向与重力高边的夹角θ₀：

θ₀＝tan^-1|((A-A1)/(I-I1))|。

从上述实施例可以看出，本发明上述的方法可以将分层控制方法和仅考虑比例因素和微分因素的PID控制方法相结合，从而在井斜角和方位角与期望值不一致时，使井眼轨迹平缓变化，缓缓趋向期望值，达到了较好的稳斜效果。经实验验证，本发明上述的控制方法可以保证井斜角和方位角与期望值的偏差在0.5°以内，满足钻井过程中的要求。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种旋转导向系统稳斜控制方法，其特征在于，该方法包括：

对井斜角和方位角进行实时测量；

基于上一次实测井斜角I1、期望井斜角I、上一次实测方位角A1和期望方位角A计算角度偏差Y；

将所述角度偏差Y与预设角度范围进行比较；

在所述角度偏差Y大于所述预设角度范围的上限值的情况下，控制旋转导向系统的导向力的大小为导向力最大值F_max，并根据所述上一次实测井斜角I1与所述期望井斜角I的关系以及所述上一次实测方位角A1与所述期望方位角A的关系控制导向力的方向；

在所述角度偏差Y小于所述预设角度范围的下限值的情况下，控制旋转导向系统的导向力的大小为导向力最大值F_max与角度偏差Y之积，并根据所述上一次实测井斜角I1与所述期望井斜角I的关系以及所述上一次实测方位角A1与所述期望方位角A的关系控制导向力的方向；

在所述角度偏差Y处于所述预设角度范围内的情况下，将所述当前实测井斜角I2和所述期望井斜角I之差的绝对值与所述上一次实测井斜角I1和所述期望井斜角I之差的绝对值进行比较，将所述当前实测方位角A2和所述期望方位角A之差的绝对值与所述上一次实测方位角A1和所述期望方位角A之差的绝对值进行比较，并根据比较结果控制旋转导向系统的导向力的大小，并且根据所述上一次实测井斜角I1与所述期望井斜角I的关系以及所述上一次实测方位角A1与所述期望方位角A的关系控制导向力的方向。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据比较结果控制旋转导向系统的导向力的大小包括：

如果比较结果为所述当前实测井斜角I2和所述期望井斜角I之差的绝对值小于所述上一次实测井斜角I1和所述期望井斜角I之差的绝对值且所述当前实测方位角A2和所述期望方位角A之差的绝对值小于所述上一次实测方位角A1和所述期望方位角A之差的绝对值，则控制旋转导向系统的导向力的大小为导向力最大值F_max的一半，否则控制旋转导向系统的导向力的大小为导向力最大值F_max。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，通过下式基于上一次实测井斜角I1、期望井斜角I、上一次实测方位角A1和期望方位角A计算角度偏差Y：

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述上一次实测井斜角I1与所述期望井斜角I的关系以及所述上一次实测方位角A1与所述期望方位角A的关系控制导向力的方向包括：

其中，θ₀为初始导向力方向与重力高边的夹角，θ为调整后导向力方向与重力高边的夹角。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，通过下式计算初始导向力方向与重力高边的夹角θ₀：

θ₀＝tan^-1|((A-A1)/(I-I1))|。

Images