CN115898272B - 一种用于柔性动力钻具的闭环轨迹控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及柔性动力钻具技术领域，具体涉及一种用于柔性动力钻具的闭环轨迹控制装置，闭环轨迹控制装置包括依次首尾铰接的蓄电节、主控节、动力节、测量节、调整节和主轴节；调整节能够驱动主轴节沿第一方向或第一方向的反方向摆动；测量节能够测量主轴节的侧偏角度，并传输至主控节；主控节能够使调整节对主轴节的侧偏角度进行纠正；动力节能够在钻进时产生电流并输送至蓄电节存储；还设置有万向轴，万向轴依次贯穿蓄电节、主控节、动力节、测量节和调整节并与主轴节连接。钻头侧偏角度的纠正控制均在闭环轨迹控制装置内完成，无需与地面设备进行通讯，电力自给自足，能够形成钻进轨迹的闭环控制，保证轨道的钻进精度。

Description

一种用于柔性动力钻具的闭环轨迹控制装置

技术领域

本发明涉及柔性动力钻具技术领域，具体涉及一种用于柔性动力钻具的闭环轨迹控制装置。

背景技术

超短半径水平井钻井技术能够应用于石油、天然气、煤层气、页岩气、天然气水合物和稀有矿产资源的开采中。超短半径水平井钻进技术的优点是曲率半径小、造斜率高、中靶率高、施工周期短、成本低、储层钻遇率高，对老井改造增产、薄差油层开采、煤层气提高采收率以及天然气水合物开采都有巨大的应用前景。超短半径水平井钻井技术可采用柔性动力钻具进行钻进，柔性动力钻具因其动力马达位于钻进前端，能够满足极小曲率半径钻进的同时进行造斜钻进，有效延长水平段长度，并能保证柔性动力钻具井下姿态稳定，钻进轨迹平滑过渡。

现有井眼轨迹控制技术基于泥浆脉冲或电磁波技术建立井下与地面通讯，通过地面设备控制井下的柔性动力钻具作业，从而控制井眼的钻进轨迹。现有泥浆脉冲或电磁波技术采用无线传输的方式将井下测量的数据上传到地面，地面解译后再根据解译结果控制井下的柔性动力钻具进行钻进作业。钻进过程中随着井深增加，同时受钻井液、钻具、地层等多方面因素影响，泥浆脉冲或电磁波无线通信技术数据传输速率低、数据量小、解译难度大，严重影响钻进轨迹的测量与钻进精度的控制。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于现有技术的上述缺点和不足，本发明提供一种用于柔性动力钻具的闭环轨迹控制装置，其解决了钻井深度的增加导致柔性动力钻具的通信变差的技术问题。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明的用于柔性动力钻具的闭环轨迹控制装置包括依次首尾铰接的蓄电节、主控节、动力节、测量节、调整节和主轴节；

所述调整节能够驱动所述主轴节沿第一方向或第一方向的反方向摆动；

所述测量节与所述主控节电连接，所述测量节能够测量所述主轴节的侧偏角度，并传输至所述主控节；

所述主控节与所述调整节电连接，以使所述调整节对所述主轴节的侧偏角度进行纠正；

所述主控节、所述动力节、所述测量节和所述调整节均与所述蓄电节电连接；

所述动力节能够在钻进时产生电流，并输送至所述蓄电节存储；

还设置有万向轴，所述万向轴依次贯穿所述蓄电节、所述主控节、所述动力节、所述测量节和所述调整节，并与所述主轴节连接。

可选地，所述主控节包括电连接的主控处理器、存储器和控制电路；

所述测量节与所述主控处理器电连接；

所述控制电路与所述调整节电连接。

可选地，所述动力节内设置有定子单元和转子单元；

所述定子单元设置于所述动力节的内壁上，所述定子单元与所述蓄电节电连接；

所述转子单元设置于所述万向轴上。

可选地，所述定子单元包括定子和设置于所述定子上的感应线圈绕组，所述感应线圈绕组与所述蓄电节电连接；

所述转子单元包括转子和设置于所述转子上的永磁铁。

可选地，所述调整节包括驱动单元、上壳体和与所述上壳体铰接的下壳体，所述下壳体与所述主轴节连接；

所述驱动单元与所述蓄电节电连接；

所述驱动单元设置于所述上壳体的内壁上，所述驱动单元的输出轴与所述下壳体连接，以能够带动所述下壳体沿第一方向或第一方向的反方向摆动。

可选地，所述测量节内置有与所述主控节电连接的陀螺仪、转速传感器、压力传感器、磁传感器、加速度传感器和伽马传感器，以对所述主轴节的侧偏角度进行测量。

可选地，所述蓄电节内设置有蓄电池。

可选地，依次首尾铰接的所述蓄电节、所述主控节、所述动力节、所述测量节和所述调整节的铰接处均设置有球头铰接杆。

可选地，所述球头铰接杆内开设有一通孔，所述万向轴穿过所述通孔。

可选地，所述万向轴包括多根连接轴和多个联轴器；

相邻两根所述连接轴之间通过所述联轴器连接；

所述联轴器穿过所述通孔；

所述调整节内的所述连接轴和所述主轴节之间通过位于二者相接处的所述联轴器连接。

(三)有益效果

本发明的有益效果是：动力节能够在钻进时产生电流，并将电流输送至蓄电节存储，蓄电节从而能够为主控节、测量节和调整节供电，无需再从装置外部通电，电线只需布置在闭环轨迹控制装置内，布置十分方便。

测量节能够对主轴节的侧偏角度和位置信息进行测量，并将测量信息传输至主控节，主控节对测量信息进行解算得出主轴节的侧偏角度，主控节将主轴节的侧偏角度信息传输至调整节，调整节对主轴节的侧偏角度进行纠正，以使主轴节能够按预设钻进轨迹作业，有效地提高了柔性动力钻具钻进时的轨道精度。

本发明对钻头(或主轴节)的侧偏角度的纠正控制均在闭环轨迹控制装置内完成，无需与地面设备进行通讯，电力自给自足，能够形成钻进轨迹的闭环控制。且钻进深度的增加并不会对柔性动力钻具的通讯控制造成影响，从而能够保证轨道的钻进精度。

附图说明

图1为本发明的用于柔性动力钻具的闭环轨迹控制装置的结构示意图；

图2为图1中A处的放大图；

图3为本发明的调整节的结构示意图。

【附图标记说明】

1：蓄电节；11：蓄电池；2：主控节；3：动力节；31：转子；32：永磁铁；33：感应线圈绕组；34：定子；4：测量节；5：调整节；51：驱动单元；52：上壳体；53：下壳体；6：主轴节；7：万向轴；71：连接轴；72：联轴器。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；“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，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参见图1，本发明提供一种用于柔性动力钻具的闭环轨迹控制装置，其包括依次首尾铰接的蓄电节1、主控节2、动力节3、测量节4、调整节5和主轴节6；调整节5能够驱动主轴节6沿第一方向或第一方向的反方向摆动；如图3所示，第一方向即主轴节6的轴线从与调整节5的轴线重合的位置，摆动至与调整节5的轴线夹角呈α角的位置；测量节4与主控节2电连接，测量节4能够测量主轴节6的侧偏角度，并传输至主控节2；主控节2与调整节5电连接，以使调整节5对主轴节6的侧偏角度进行纠正；主控节2、动力节3、测量节4和调整节5均与蓄电节1电连接；动力节3能够在钻进时产生电流，并输送至蓄电节1存储，蓄电节1能够为其他需要供电的节段供电；还设置有万向轴7，万向轴7依次贯穿蓄电节1、主控节2、动力节3、测量节4和调整节5，并与主轴节6连接，万向轴7用于传递柔性动力钻具的动力马达的动力给钻头，配合各节段间的铰接结构，能够实现闭环轨迹控制装置的弯曲，从而能够灵活变换钻进轨迹。

动力节3能够在钻进时产生电流，并将电流输送至蓄电节1存储，蓄电节1从而能够为主控节2、测量节4和调整节5供电，无需再从装置外部通电，电线只需布置在闭环轨迹控制装置内，布置十分方便。

测量节4能够对主轴节6的侧偏角度和位置信息进行测量，并将测量信息传输至主控节2，主控节2对测量的侧偏角度信息进行解算得出主轴节6的侧偏角度，主控节2将主轴节6的侧偏角度信息传输至调整节5，调整节5对主轴6节的侧偏角度进行纠正，以使主轴节6能够按预设钻进轨迹作业，有效地提高了柔性动力钻具钻进时的轨道精度。

本发明对柔性钻头(或主轴节6)的侧偏角度的纠正控制均在闭环轨迹控制装置内完成，无需与地面设备进行通讯，电力自给自足，能够形成钻进轨迹的闭环控制。且钻进深度的增加并不会对柔性动力钻具的通讯控制造成影响，从而能够保证轨道的钻进精度。

本实施例中主轴节6包括外壳和内筒；外壳与调整节5铰接，能够朝第一方向或第一方向的反方向摆动，摆动角度与铰接点的限位结构相关，可根据实际需求设置；内筒与万向轴7连接，万向轴7能够带动内筒转动。需要说明的是，柔性动力钻具包括动力马达和钻头；钻头与内筒连接，动力马达设置于动力节3内，动力马达的输出轴与万向轴7连接，万向轴7的另一端再与内筒连接。将动力马达设置于钻进前端，能够满足极小曲率半径钻进的同时进行造斜钻进，有效延长水平段长度，并能保证柔性动力钻具井下姿态稳定，钻进轨迹平滑过渡。

本实施例中动力马达通过泥浆泵驱动，即液压驱动，无需在闭环轨迹控制装置内再布置额外的电线为动力马达供电，闭环轨迹控制装置能够实现闭环控制，电线都布置在闭环轨迹控制装置内，布线十分方便。

进一步地，主控节2包括电连接的主控处理器、存储器和控制电路；测量节4与主控处理器电连接；控制电路与调整节5电连接。具体地，主控处理器能够接收测量节4测得的信息数据，并对数据进行解算；存储器内存储有预设信息，如钻进时允许主轴节6摆动的预设理论值或理论范围；控制电路作为信息传递的枢纽，能够对动力节3输送来的电力进行整流，整流后再输送至蓄电节1存储。

在钻进时，主控处理器接收到测量节4测得的信息数据，解算后与存储器内的理论值进行比较，得出差值(如侧偏角度)，主控处理器将差值传输至控制电路，控制电路再传输至调整节5，调整节5进而根据差值对主轴节6的侧偏角度进行纠正，使主轴节6的轴线与调整节5的轴线趋近于同一直线，以提高轨道钻进的精度，能够有效地避免出现钻进时钻头偏离预设钻进轨道的情形。

其次，动力节3内设置有定子单元和转子单元；定子单元设置于动力节3的内壁上，定子单元与蓄电节1电连接；转子单元设置于万向轴7上。具体地，转子单元能够随万向轴7同步转动，从而转子单元能够相对于定子单元转动。动力马达驱动万向轴7转动时，动力节3便能够产生电流，电流存储在蓄电节1，为其他节段供电。

参见图2，定子单元包括定子34和设置于定子34上的感应线圈绕组33，感应线圈绕组33与蓄电节1电连接；转子单元包括转子31和设置于转子31上的永磁铁32。具体地，动力马达驱动万向轴7转动时，转子31上的永磁铁32同步转动，感应线圈绕组33进而切割磁感线产生电流。感应线圈绕组33和永磁铁32的数量可根据闭环轨迹控制装置的电量需求进行设置，同时一个感应线圈绕组33缠绕的组数越多，产生的电流也越多。

如图3所示，调整节5包括驱动单元51、上壳体52和与上壳体52铰接的下壳体53，下壳体53与主轴节6连接；驱动单元51与蓄电节1电连接；驱动单元51设置于上壳体52的内壁上，驱动单元51的输出轴与下壳体53连接，以能够带动下壳体53沿第一方向或第一方向的反方向摆动。具体地，上壳体52和下壳体53之间可以用常见的铰接方式进行铰接，例如用一根铰接杆同时贯穿上壳体52和下壳体53，然后铰接杆的两端分别用螺母锁死，下壳体53便能够相对于上壳体52进行摆动，且上壳体52的内壁能够对下壳体53的摆动角度进行限位，从而能够限定柔性动力钻具钻进时的最大弯曲角度，进一步控制轨道钻进时的精度。驱动单元51可以选用运动轨迹为圆弧形的音圈电机，从而能够实现驱动单元51输出轴的摆动，进而带动下壳体53和主轴节6同步摆动，配合测量节4发出的指令对主轴节6的侧偏角度进行纠正。

进一步地，测量节4内置有与主控节2电连接的陀螺仪、转速传感器、压力传感器、磁传感器、加速度传感器和伽马传感器等，以对主轴节6的侧偏角度进行测量。测量节4所需要用到的测量元件，可根据实际需求进行设置，和现有的柔性动力钻具的测量方式是一样的，通过多个测量元件对柔性动力钻具所处地层、钻进方位、钻头工具面角、钻具姿态等相关工程参数进行检测，并传输至主控节2进行处理，可参考CN104790941A、CN114293971A等现有专利。其中，陀螺仪、加速度传感器和磁传感器作为测量钻具所在方位及自身姿态的组合测试原件，陀螺仪能够测量钻具自身偏转角度，并与初始数据对比后得出钻具本身姿态，从而确定钻具工具面角；加速度传感器能够测量重力加速度及运动加速度，从而推断出钻具的运动方向和受力大小，作为陀螺仪测量数据的补充和校验；磁传感器用于测量相对于地磁的偏转角度，以确定钻进方位。转速传感器用于测量钻具的转动速度；伽马传感器用于测量背景自然伽马辐射量，参照已有数据推定所处地层岩性；压力传感器能够测量动力马达的液压压力，通过对压力的转换，获得钻进过程中钻压扭矩等参数。本实施例对于侧偏角度的测量运算方法以及电路控制方法与现有技术是一样的，这里不做过多说明。

其次，蓄电节1内设置有蓄电池11。动力节3为蓄电池11提供电力，蓄电池11为主控节2、测量节4和调整节5供电，从而实现闭环轨迹控制装置电力的自给自足，无需从外部通电，更节省电力，电线的布置也更加方便。

进一步地，依次首尾铰接的蓄电节1、主控节2、动力节3、测量节4和调整节5的铰接处均设置有球头铰接杆。球头铰接杆包括一体化设置的球头和底座；以图1中蓄电节1和主控节2铰接处的球头铰接杆为例，蓄电节1的底端设置有翻边，球头设置于蓄电节1内，翻边能够对球头进行限位，以避免球头铰接杆脱离蓄电节1；底座与主控节2的顶端固定连接，本实施例是将底座嵌入主控节2，即底座与主控节2的内壁固定连接。除了调整节5和主轴节6之间的铰接结构外，其他各相邻节段间均通过球头铰接杆进行铰接，具体的铰接结构可类比蓄电节1和主控节2之间的铰接结构。各节段间通过铰接结构连接，能够实现闭环轨迹控制装置的弯曲变形，从而能够配合柔性动力钻具进行钻进轨迹的变换。

其次，球头铰接杆内开设有一通孔，万向轴7穿过通孔。再次参见图1，本实施例中将动力马达设置于动力节3内，动力马达通过泥浆泵驱动，泥浆泵的管道依次经蓄电节1、第一个球头铰接杆的通孔、主控节2和第二个球头铰接杆的通孔与动力马达连通。闭环轨迹控制装置的动力源于动力马达和万向轴7，动力马达并不需要通过电力驱动，而是通过液压驱动，因此整个装置的电路都限制在了闭环轨迹控制装置内，利于电路的布置。

另外，万向轴7包括多根连接轴71和多个联轴器72；相邻两根连接轴71之间通过联轴器72连接；联轴器72穿过通孔；调整节5内的连接轴71和主轴节6之间通过位于二者相接处的联轴器72连接。万向轴7的作用在于传递动力马达的动力，以驱动钻头钻进；同时万向轴7能够带动转子单元同步转动，使动力节3能够产生电流，为整个装置供电。

本发明的闭环轨迹控制装置的工作原理为：在柔性动力钻具改变钻进方向时，例如从竖直钻进转变为水平钻进时，调整节5待机不运行；转变为水平钻进后，即测量节4内的检测元件检测到钻具姿态为水平后，测量节4开始测量水平段起始方位等参数并发送至主控节2，标定初始原点并开始按固定频率测量各项钻进参数发送给主控节2，包括柔性动力钻具所处地层、钻进方位、钻头工具面角、钻具姿态等相关工程参数。随着水平钻进开始，主控节2对测量节4按固定频率测量的各项参数进行解算，解算后与存储器内存储的预设理论值进行比对，计算出需调整的侧偏角度并发给调整节5，驱动单元51根据侧偏角度调整下壳体53的摆动角度，如图3中所示的α角，将α角调整至预设理论值的范围内，以使柔性动力钻具按预定轨迹钻进。整个水平钻进过程中，测量节4、主控节2和调整节5按预定工作频率完成钻进轨迹的不断修正与调整，各节段功能均根据预先设定的程序执行。至于测量节4、主控节2和调整节5的工作频率可以根据对钻进轨道的精度要求进行设置。

整个水平段钻进期间，电力和通讯信号在各节段间循环流转形成闭环控制，无需与地面通讯直至钻进完成，可以视为闭环轨迹控制装置作为一个通讯设备能够随钻头同步钻进移动，因此能够消除现有无线通讯方式随钻井深度的增加而通讯信号减弱的情况，从而保证轨道的钻进精度。同时，整个钻井过程相关数据存储在主控节2内备用，能够在钻井作业结束后取出柔性动力钻具并进行数据的读取。

需要理解的是，以上对本发明的具体实施例进行的描述只是为了说明本发明的技术路线和特点，其目的在于让本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，但本发明并不限于上述特定实施方式。凡是在本发明权利要求的范围内做出的各种变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种用于柔性动力钻具的闭环轨迹控制装置，其特征在于，所述闭环轨迹控制装置包括依次首尾铰接的蓄电节(1)、主控节(2)、动力节(3)、测量节(4)、调整节(5)和主轴节(6)；

所述调整节(5)能够驱动所述主轴节(6)沿第一方向或第一方向的反方向摆动；

所述测量节(4)与所述主控节(2)电连接，所述测量节(4)能够测量所述主轴节(6)的侧偏角度，并传输至所述主控节(2)；

所述主控节(2)与所述调整节(5)电连接，以使所述调整节(5)对所述主轴节(6)的侧偏角度进行纠正；

所述主控节(2)、所述动力节(3)、所述测量节(4)和所述调整节(5)均与所述蓄电节(1)电连接；

所述动力节(3)能够在钻进时产生电流，并输送至所述蓄电节(1)存储；

还设置有万向轴(7)，所述万向轴(7)依次贯穿所述蓄电节(1)、所述主控节(2)、所述动力节(3)、所述测量节(4)和所述调整节(5)，并与所述主轴节(6)连接；

所述动力节(3)内置有动力马达，所述动力马达的输出轴与所述万向轴(7)连接；

所述动力节(3)内设置有定子单元和转子单元；所述定子单元设置于所述动力节(3)的内壁上，所述定子单元与所述蓄电节(1)电连接；所述转子单元设置于所述万向轴(7)上；

所述定子单元包括定子(34)和设置于所述定子(34)上的感应线圈绕组(33)，所述感应线圈绕组(33)与所述蓄电节(1)电连接；所述转子单元包括转子(31)和设置于所述转子(31)上的永磁铁(32)；

所述调整节(5)包括驱动单元(51)、上壳体(52)和与所述上壳体(52)铰接的下壳体(53)，所述下壳体(53)与所述主轴节(6)连接；所述驱动单元(51)与所述蓄电节(1)电连接；所述驱动单元(51)设置于所述上壳体(52)的内壁上，所述驱动单元(51)的输出轴与所述下壳体(53)连接，以能够带动所述下壳体(53)沿第一方向或第一方向的反方向摆动。

2.根据权利要求1所述的用于柔性动力钻具的闭环轨迹控制装置，其特征在于，

所述主控节(2)包括电连接的主控处理器、存储器和控制电路；

所述测量节(4)与所述主控处理器电连接；

所述控制电路与所述调整节(5)电连接。

3.根据权利要求1或2所述的用于柔性动力钻具的闭环轨迹控制装置，其特征在于，

所述测量节(4)内置有与所述主控节(2)电连接的陀螺仪、转速传感器、压力传感器、磁传感器、加速度传感器和伽马传感器，以对所述主轴节(6)的侧偏角度进行测量。

4.根据权利要求1或2所述的用于柔性动力钻具的闭环轨迹控制装置，其特征在于，

所述蓄电节(1)内设置有蓄电池(11)。

5.根据权利要求1或2所述的用于柔性动力钻具的闭环轨迹控制装置，其特征在于，

依次首尾铰接的所述蓄电节(1)、所述主控节(2)、所述动力节(3)、所述测量节(4)和所述调整节(5)的铰接处均设置有球头铰接杆。

6.根据权利要求5所述的用于柔性动力钻具的闭环轨迹控制装置，其特征在于，

所述球头铰接杆内开设有一通孔，所述万向轴(7)穿过所述通孔。

7.根据权利要求6所述的用于柔性动力钻具的闭环轨迹控制装置，其特征在于，

所述万向轴(7)包括多根连接轴(71)和多个联轴器(72)；

相邻两根所述连接轴(71)之间通过所述联轴器(72)连接；

所述联轴器(72)穿过所述通孔；

所述调整节(5)内的所述连接轴(71)和所述主轴节(6)之间通过位于二者相接处的所述联轴器(72)连接。