一種旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的控制方法
【專利摘要】一種能夠確定導(dǎo)向工具控制模式和導(dǎo)向參數(shù)、實現(xiàn)井眼軌道自動控制、提高導(dǎo)向工具作業(yè)效率、滿足定向鉆井導(dǎo)向控制需求的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具控制方法，包括獲取測斜數(shù)據(jù)、對軌道進行監(jiān)控等步驟，提高導(dǎo)向鉆井作業(yè)效率和井眼軌道控制精度，能夠滿足大位移井、復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)水平井及地質(zhì)導(dǎo)向鉆井軌道控制的要求。
【專利說明】一種旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的控制方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種定向鉆井導(dǎo)向工具的控制方法，尤其涉及一種旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的控 制方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 現(xiàn)有技術(shù)中，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具由于在鉆柱旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下實現(xiàn)井眼軌跡的導(dǎo)向控制，克 服了滑動導(dǎo)向作業(yè)中摩阻過大、巖屑沉積及極限位移小等缺陷，可大幅度提高井身質(zhì)量、鉆 井效率和鉆井安全性，所以廣泛應(yīng)用于大位移井、水平井和三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)井的導(dǎo)向施工作 業(yè)，是當(dāng)今典型的先進鉆井裝備之一。
[0003] 目前旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具按導(dǎo)向方式分為鉆頭推靠式和鉆頭指向式兩種基本類型，按動 力傳遞結(jié)構(gòu)方式又可劃分為"驅(qū)動軸一不旋轉(zhuǎn)套"結(jié)構(gòu)和"全旋轉(zhuǎn)"結(jié)構(gòu)等，其中全旋轉(zhuǎn)指向 式導(dǎo)向工具結(jié)合了指向式導(dǎo)向和全旋轉(zhuǎn)鉆井兩者的優(yōu)點，更能適應(yīng)各種復(fù)雜的地層和作業(yè) 工況，鉆得更深，鉆速更高，在海洋油氣資源開發(fā)以及在油田開發(fā)復(fù)雜油氣藏中鉆超深井、 高難定向井、叢式井、水平井、大位移井、分支井及三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)井等特殊工藝井中更具競 爭力。因此，它是當(dāng)今鉆井工程和油氣勘探開發(fā)迫切需要的一項尖端鉆井裝備，是現(xiàn)代導(dǎo)向 鉆井技術(shù)發(fā)展的趨勢。
[0004] 在旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具設(shè)計研發(fā)上國內(nèi)外現(xiàn)存很多種方式，在國外，很多公司研發(fā)的旋 轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具在設(shè)計上存在諸多差別，特點也各不相同。諸如貝克休斯公司的AutoTrack 是鉆頭推靠式工具的典型代表，研發(fā)的"驅(qū)動軸一不旋轉(zhuǎn)套"結(jié)構(gòu)特點在于通過控制不 旋轉(zhuǎn)外套上推力塊作用于井壁的合力大小及方向進行導(dǎo)向作業(yè)（例如參照專利文獻 W02008101020A、US2013256034A等）。而典型的鉆頭指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具諸如哈里伯頓 公司的Geo-Pilot (例如參照專利文獻W02014055068A)、威德福公司的Revolution (例如 參照專利文獻W02008120025A)及斯倫貝謝公司的PowerDrive Xceed (例如參照專利文獻 N020061119A)等，其中所述Geo-Pilot和Revolution是靜態(tài)指向式導(dǎo)向工具，特點是工具 造斜能力通過井下調(diào)整導(dǎo)向工具偏置位移實現(xiàn)，且可連續(xù)調(diào)節(jié)。所述PowerDrive Xceed是 "全旋轉(zhuǎn)"結(jié)構(gòu)，即全旋轉(zhuǎn)指向式導(dǎo)向工具，采用了固定導(dǎo)向偏置結(jié)構(gòu)，其造斜率通過交替變 化的導(dǎo)向和穩(wěn)斜鉆進模式來實現(xiàn)，依靠地面系統(tǒng)下傳導(dǎo)向參數(shù)（工具面及導(dǎo)向比例）來進 行控制。由于受控制指令編碼長度的限制，所傳參數(shù)不能滿足井眼軌道精細控制的需要，且 由于地層特性等引起導(dǎo)向工具造斜率變化時，頻繁地下傳導(dǎo)向指令，將影響導(dǎo)向鉆井作業(yè) 效率。
[0005] 在國內(nèi)也有多家公司和科研機構(gòu)在研發(fā)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具，現(xiàn)已成型的工具幾乎全是 鉆頭推靠式導(dǎo)向方式，工作原理與國外產(chǎn)品基本相同，只是在具體技術(shù)實現(xiàn)方式上呈現(xiàn)出 一定的差異。而鉆頭指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具目前國內(nèi)尚處于空白狀態(tài)。
[0006] 基于此，本 申請人:在深入調(diào)研國外鉆頭指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的基礎(chǔ)上，特別是針 對斯倫貝謝公司的PowerDrive Xceed全旋轉(zhuǎn)指向式導(dǎo)向工具存在的缺點，提出了一種全旋 轉(zhuǎn)指向式導(dǎo)向工具的自適應(yīng)控制方法，不但有效解決上述問題，大大提高了井眼軌道控制 精度和導(dǎo)向鉆井作業(yè)效率，而且填補國內(nèi)此項技術(shù)的空白。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 鑒于此，本發(fā)明目的在于提出一種能夠確定導(dǎo)向工具控制模式和導(dǎo)向參數(shù)、實現(xiàn) 井眼軌道自動控制、提高導(dǎo)向工具作業(yè)效率、滿足定向鉆井導(dǎo)向控制需求的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具 的控制方法。
[0008] 根據(jù)本發(fā)明，能夠優(yōu)化旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具控制并實現(xiàn)閉環(huán)導(dǎo)向控制，提高導(dǎo)向鉆井作 業(yè)效率和井眼軌道控制精度，能夠滿足大位移井、復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)水平井及地質(zhì)導(dǎo)向鉆井軌 道控制的要求。
[0009] 具體的，本發(fā)明提供一種導(dǎo)向工具的控制方法，其特征在于，包括如下步驟：
[0010] 設(shè)置導(dǎo)向數(shù)據(jù)的步驟，所述導(dǎo)向數(shù)據(jù)包括軌跡、測點、采樣時間及初始導(dǎo)向參數(shù)， 所述初始導(dǎo)向參數(shù)包括導(dǎo)向長度、比例及工具面；
[0011] 下鉆及系統(tǒng)測試步驟，其中，地面測試導(dǎo)向工具，測試正常后組合鉆具下鉆，在下 鉆途中，選一兩個系統(tǒng)測試點，測試下傳指令、井下測量、數(shù)據(jù)上傳等功能，確保下鉆到底 后，導(dǎo)向系統(tǒng)能正常工作；
[0012] 獲取測斜數(shù)據(jù)步驟，下鉆到井底及鉆達預(yù)設(shè)井斜測量點時，暫停鉆柱運動，確保測 得較準確的井斜參數(shù)，將測斜數(shù)據(jù)上傳到地面，確認后下發(fā)指令，進而井下和地面均獲得完 整的測斜數(shù)據(jù)；
[0013] 軌道監(jiān)控步驟，在得到地面確認后，向井下發(fā)送指令開始導(dǎo)向鉆井作業(yè)，進行井眼 軌跡分析及導(dǎo)向計算，根據(jù)暫停鉆柱運動所得測斜數(shù)據(jù)或?qū)蚬ぞ咦藨B(tài)、地磁場參數(shù)及導(dǎo) 向工具旋轉(zhuǎn)時磁力計和旋轉(zhuǎn)變壓器所測數(shù)據(jù)，計算導(dǎo)向工具動態(tài)工具面角，由磁力計和旋 轉(zhuǎn)變壓器所測旋轉(zhuǎn)位置計算鉆柱轉(zhuǎn)速、導(dǎo)向芯軸轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)對旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的控制。
[0014] 當(dāng)導(dǎo)向系統(tǒng)需改變工具面時，根據(jù)給定工具面和所測鉆柱轉(zhuǎn)速，通過電機經(jīng)減速 器驅(qū)動導(dǎo)向芯軸反向旋轉(zhuǎn)（稍快或稍慢于鉆柱轉(zhuǎn)速），進行位置PID和速度PID雙環(huán)控制， 達到所需工具面，并維持穩(wěn)定（導(dǎo)向芯軸反向旋轉(zhuǎn)，控制其轉(zhuǎn)速與鉆柱轉(zhuǎn)速相等）。
[0015] 另外，本發(fā)明還提供一種井下導(dǎo)向工具自適應(yīng)控制方法，其特征在于，其包括如下 步驟：
[0016] (1)按給定導(dǎo)向參數(shù)鉆達預(yù)定測斜深度時，暫停鉆柱運動測斜，井下及地面同時獲 得完整的測斜數(shù)據(jù)和導(dǎo)向工具姿態(tài)；
[0017] ⑵向井下發(fā)送確認指令，井下獲得當(dāng)前測點深度，并初始化速度和位移；
[0018] (3)進行實鉆井眼軌跡偏差分析，計算導(dǎo)向工具綜合造斜能力和待鉆井眼軌道導(dǎo) 向參數(shù)；
[0019] (4)上傳井下計算的導(dǎo)向參數(shù)，地面進行對比分析；
[0020] (5)井下計算結(jié)果與地面一致，且為井下自動導(dǎo)向模式時，井下按照計算導(dǎo)向參數(shù) 和跟蹤深度或時間進行自動導(dǎo)向控制，否則地面下傳控制指令進行導(dǎo)向控制；
[0021] (6)井下實時測量導(dǎo)向工具姿態(tài)，上傳到地面系統(tǒng)，跟蹤工具井下實際控制情況；
[0022] (7)繼續(xù)導(dǎo)向鉆進，直到導(dǎo)向作業(yè)結(jié)束。
[0023] 根據(jù)本發(fā)明，為了實現(xiàn)井下深度及軌跡自動跟蹤目的，導(dǎo)向工具下井前，存儲器中 預(yù)存設(shè)計軌道分段節(jié)點數(shù)據(jù)、已鉆軌跡基本參數(shù)和待鉆井眼測量點深度數(shù)據(jù)，到達測量點 深度時（通常為接單根深度），暫停鉆柱運動測斜，上傳測斜數(shù)據(jù)到地面系統(tǒng)，然后下傳確 認指令，井下獲得測點軌跡基本參數(shù)（測深、井斜和方位），進而分析井眼軌跡偏差，確定待 鉆軌道和導(dǎo)向參數(shù)。
[0024] 進一步，計算測斜后鉆進深度增量，按照計算導(dǎo)向參數(shù)（導(dǎo)向模式、段長及工具面 角）自動控制井眼軌道，減少下傳指令，提高導(dǎo)向作業(yè)效率和井眼軌道控制精度。
[0025] 根據(jù)本發(fā)明，在所使用的導(dǎo)向工具中均使用了導(dǎo)向偏置機構(gòu)，而該導(dǎo)向偏置機構(gòu) 可采用固定偏移和可調(diào)偏移兩種方式。對于可調(diào)偏移方式而言，通過導(dǎo)向工具控制偏移量 大小來實現(xiàn)井眼曲率控制，機械結(jié)構(gòu)復(fù)雜；對于固定偏移方式而言，通過導(dǎo)向工具采用導(dǎo)向 和穩(wěn)斜模式交替作業(yè)來達到所需井眼曲率，機械結(jié)構(gòu)較簡單。從這一點上考慮，為了減少導(dǎo) 向工具控制機構(gòu)的復(fù)雜程度，進一步提高系統(tǒng)的可靠性，通常采用固定偏移方式。針對導(dǎo)向 工具而言，確定導(dǎo)向控制模式、導(dǎo)向參數(shù)，以最優(yōu)的控制方案實現(xiàn)設(shè)計井眼軌道是導(dǎo)向鉆井 技術(shù)必須解決的一個核心問題，這也是本發(fā)明對導(dǎo)向工具控制方法進行改進之處，同時也 是本發(fā)明的優(yōu)勢所在。
[0026] 另外，根據(jù)本發(fā)明，在井斜角< 5°時，導(dǎo)向工具通常采用磁性工具面控制；當(dāng)井 斜角> 5 °后，導(dǎo)向工具通常采用重力工具面進行控制?；跁和ｃ@柱運動測斜導(dǎo)向工具定 向傳感器所獲得的磁性工具面、重力工具面、井斜角、方位角、地磁傾角及地磁北與方位參 考北間的夾角，可計算出所述磁性工具面和所述重力工具面間的換算關(guān)系，進而在用重力 工具面導(dǎo)向時，可利用磁力計和旋轉(zhuǎn)變壓器測量求得的導(dǎo)向工具動態(tài)磁工具面，計算出重 力工具面。
[0027] 通常，導(dǎo)向工具控制模式有兩種，一種是穩(wěn)斜模式，一種是導(dǎo)向模式進行。在穩(wěn)斜 模式中存在兩種方案，一種方案是控制導(dǎo)向偏置機構(gòu)反向旋轉(zhuǎn)，并與導(dǎo)向工具保持一定轉(zhuǎn) 速差；另一種方案是控制導(dǎo)向偏置機構(gòu)反向旋轉(zhuǎn)，與導(dǎo)向工具間保持相同轉(zhuǎn)速，形成相對大 地穩(wěn)定的工具面，并維持工具面一短暫時長，然后間隔一定角度，變化工具面和維持固定短 暫時長，以此達到穩(wěn)斜鉆井目的。而在導(dǎo)向模式中，通常按井眼軌道控制要求的工具面進行 導(dǎo)向工具控制。
[0028] 通常，在調(diào)整井眼曲率時，通過控制導(dǎo)向工具以穩(wěn)斜和導(dǎo)向模式交替的方式來實 現(xiàn)。在采用井下自動導(dǎo)向模式時，通過軸向加速計獲得鉆進段長，可實現(xiàn)兩種模式自動轉(zhuǎn) 換。
[0029] 其中，通過自動監(jiān)測井斜角、方位角和井眼曲率的變化，從而實現(xiàn)導(dǎo)向工具井下閉 環(huán)控制。
[0030] 發(fā)明效果
[0031] 根據(jù)本發(fā)明提供的導(dǎo)向工具的控制方法，實現(xiàn)了鉆頭指向式全旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的控 制，根據(jù)設(shè)計井眼軌道和預(yù)計導(dǎo)向工具造斜能力，確定導(dǎo)向工具控制模式、導(dǎo)向比例及進 尺、磁性或重力工具面參數(shù)進行導(dǎo)向鉆進作業(yè)；井下和地面進行雙向通信，同時監(jiān)測導(dǎo)向控 制結(jié)果，計算導(dǎo)向工具實際造斜能力及井眼軌道偏差；進而確定導(dǎo)向參數(shù)或調(diào)整待鉆井眼 軌道，適應(yīng)導(dǎo)向工具造斜能力的變化，滿足井眼軌道控制精度要求；利用井下深度自動跟蹤 裝置及方法，實現(xiàn)導(dǎo)向系統(tǒng)井下智能控制目的，減少導(dǎo)向參數(shù)下傳指令及誤碼率，提高導(dǎo)向 鉆井作業(yè)效率及井眼軌道控制精度。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0032] 圖1為本發(fā)明【具體實施方式】的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)示意圖。
[0033] 圖2為本發(fā)明【具體實施方式】的導(dǎo)向控制方法流程圖。

【具體實施方式】
[0034] 下面參照附圖結(jié)合【具體實施方式】對本發(fā)明做出進一步詳細描述。應(yīng)該指出的是， 本實施例中所采用的導(dǎo)向工具及導(dǎo)向系統(tǒng)是例示性的，控制方法中所采取的具體技術(shù)手段 也是例示性的，本發(fā)明應(yīng)不僅僅限于下述【具體實施方式】之中，總之，所述實施方式僅僅是例 示性的，為的是能更清楚的闡述本發(fā)明。
[0035] 圖1為本發(fā)明【具體實施方式】中所采用的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的示意圖。
[0036] 本發(fā)明旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)，由地面監(jiān)控子系統(tǒng)、雙向通訊子系統(tǒng)及井下導(dǎo)向子系統(tǒng)構(gòu) 成，如圖1所示，本發(fā)明旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)井下基本配置包括：信息傳輸及隨鉆測量單元1、無線 短傳接收/發(fā)送單元2、泥漿馬達單元3、無線短傳發(fā)送/接收單元4、對接與擴展單元5、供 電單元6、測量與控制單元7、導(dǎo)向執(zhí)行單元8。
[0037] 在圖1中，①表示定向參數(shù)測量，②表示無線短傳井下信息，③表示渦輪發(fā)動機及 電池組，④表示磁力計（測轉(zhuǎn)速及動態(tài)磁工具面），⑤表示定向傳感器組件，⑥表示加速度 計（測軸向運動距離），⑦表示壓力傳感器（接收下傳信息），⑧表示電機，⑨表示減速器， ⑩表示旋轉(zhuǎn)變壓器（測導(dǎo)向芯軸轉(zhuǎn)速及導(dǎo)向偏置機構(gòu)位置），?表示導(dǎo)向偏置機構(gòu)，?表示 軸承，?表不導(dǎo)向芯軸，?表不傳扭部件。
[0038] 在信息傳輸及隨鉆測量單元1上，布置有正脈沖發(fā)生器、驅(qū)動短節(jié)、電池筒短節(jié)、 定向參數(shù)、井下振動、電阻率及伽馬等測量短節(jié)，實現(xiàn)工程、地質(zhì)參數(shù)測量及井下測量數(shù)據(jù) 上傳功能。當(dāng)導(dǎo)向工具配泥漿馬達3時，采用馬達上下端配備的無線短傳雙向通信單元2 和4,實現(xiàn)導(dǎo)向工具和傳輸及隨鉆參數(shù)測量單元1之間的信息交換，泥漿馬達3為提高導(dǎo)向 工具轉(zhuǎn)速及鉆頭破巖扭矩而配；否則采用數(shù)據(jù)連接器進行機械及電氣連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊。 對接與擴展單元5實現(xiàn)導(dǎo)向工具與傳輸及隨鉆測量單元1機械、電連接。供電單元6包括 渦輪發(fā)電機及電池組，分別為電機和測控電路供電。測量與控制單元7包括橫向磁力計、定 向傳感器組件、軸向加速度計、壓力傳感器、旋轉(zhuǎn)變壓器、電機及減速器、導(dǎo)向偏置機構(gòu)、測 量控制電路等；采用正交磁力計測量鉆柱轉(zhuǎn)速及工具面刻線的動態(tài)磁工具面；通用定向傳 感器測量井斜角、方位角及工具面；柱內(nèi)/環(huán)空壓力傳感器用于地面下傳信號、測量工具內(nèi) 外鉆井液流體壓力、監(jiān)測鉆井液循環(huán)狀態(tài)；軸向加速度計⑥測量軸向加速度，用于計算軸向 運動距離；旋轉(zhuǎn)變壓器⑩測量導(dǎo)向偏置機構(gòu)?旋轉(zhuǎn)位置及速度；電機⑧及減速器⑨驅(qū)動導(dǎo) 向偏置機構(gòu)?反向旋轉(zhuǎn)，通過轉(zhuǎn)速和位置控制實現(xiàn)工具面的調(diào)整及形成相對大地穩(wěn)定的工 具面；測量控制電路負責(zé)解調(diào)下傳指令、獲取傳感器讀數(shù)、測量及控制計算、井下主控、數(shù)據(jù) 存儲與通迅、驅(qū)動導(dǎo)向控制等。導(dǎo)向執(zhí)行單元8帶動導(dǎo)向芯軸?旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動鉆頭9按指定工 具面進行導(dǎo)向作業(yè)。
[0039] 進一步，為了實現(xiàn)井下深度及軌跡自動跟蹤目的，導(dǎo)向工具下井前，存儲器中預(yù)存 設(shè)計軌道分段節(jié)點數(shù)據(jù)、已鉆軌跡基本參數(shù)和待鉆井眼測量點深度數(shù)據(jù)，到達測量點深度 時（通常為接單根深度），暫停鉆柱運動測斜，上傳測斜數(shù)據(jù)到地面系統(tǒng)，然后下傳確認指 令，井下獲得測點軌跡基本參數(shù)（測深、井斜和方位），進而分析井眼軌跡偏差，確定待鉆軌 道和導(dǎo)向參數(shù)。
[0040] 利用軸向加速度傳感器計算測斜后鉆進深度增量，按照計算導(dǎo)向參數(shù)（導(dǎo)向模 式、段長及工具面角）自動控制井眼軌道，減少下傳指令，提高導(dǎo)向作業(yè)效率和井眼軌道控 制精度。
[0041] 其中，作為核心部件的全旋轉(zhuǎn)指向式導(dǎo)向工具，自上而下由對接與擴展單元5、供 電單元6、測量控制單元7和導(dǎo)向執(zhí)行單元8組成。對接與擴展單元5實現(xiàn)與傳輸及隨鉆 測量單元1的機械及電連接，若配泥漿馬達3時與無線短傳單元4連接；供電單元6為井下 導(dǎo)向工具提供動力，由渦輪發(fā)電機、電池、供電控制電路等組成；測量控制單元7包括井下 主控、定向參數(shù)/鉆柱轉(zhuǎn)速/內(nèi)外壓力測量部分，實現(xiàn)地面下傳指令接收和導(dǎo)向控制指令輸 出功能；導(dǎo)向執(zhí)行單元8包括電機⑧、減速器⑨、旋轉(zhuǎn)變壓器⑩、導(dǎo)向偏置機構(gòu)?、軸承組?、 導(dǎo)向芯軸?、傳扭部件?和密封結(jié)構(gòu)等。導(dǎo)向芯軸上端置于導(dǎo)向偏置機構(gòu)內(nèi)，通過軸承組連 接，可相對導(dǎo)向偏置機構(gòu)自由轉(zhuǎn)動；鉆柱旋轉(zhuǎn)動力由傳扭部件傳遞給導(dǎo)向芯軸，驅(qū)動其下端 的鉆頭9旋轉(zhuǎn)鉆進。
[0042] 其中，通過電機以與鉆柱相同速度驅(qū)動所述導(dǎo)向偏置機構(gòu)反向旋轉(zhuǎn)，從而在所述 導(dǎo)向工具內(nèi)部動態(tài)形成一個相對大地穩(wěn)定的工具面進行導(dǎo)向作業(yè)。
[0043] 圖2為本發(fā)明【具體實施方式】的導(dǎo)向控制方法流程圖。就導(dǎo)向工具控制方法而言， 大致主要包括如下步驟：
[0044](一）設(shè)置導(dǎo)向系統(tǒng)數(shù)據(jù)
[0045] 主要包括以下數(shù)據(jù)：
[0046] 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)：地磁場和重力加速度計參考值、磁偏角、磁傾角、子午線收斂角、導(dǎo)向工 具和隨鉆測量單元兩井斜測量點距離、井底深度、測斜數(shù)據(jù)計算程序；
[0047] 設(shè)計軌道數(shù)據(jù)：設(shè)計靶區(qū)、設(shè)計分段數(shù)據(jù)、分段控制目標及偏差；
[0048] 已鉆軌跡數(shù)據(jù)：測斜數(shù)據(jù)表（測深、井斜角、方位角）或最末點的測斜數(shù)據(jù)及坐標 數(shù)據(jù)；
[0049] 待鉆井眼測斜點深度序列；
[0050] 待鉆地層預(yù)測機械鉆速表；
[0051 ] 井下數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)模式及下傳指令解釋；
[0052] 傳感器采樣間隔：對于環(huán)空/柱內(nèi)壓力傳感器、軸向加速度計、橫向磁力計、旋轉(zhuǎn) 變壓器等，采樣間隔通常分別設(shè)置為壓力傳感器1秒/點，加速度計〇. 001?〇. 1秒/點， 磁力計〇· 001秒/點，旋轉(zhuǎn)變壓器〇· 001秒/點；
[0053] 初始導(dǎo)向參數(shù)：導(dǎo)向長度、導(dǎo)向比例及工具面。
[0054] (二）下鉆及系統(tǒng)測試
[0055] 地面測試導(dǎo)向工具，測試正常后組合鉆具下鉆。在下鉆途中，選一兩個系統(tǒng)測試 點，測試下傳指令、井下測量、數(shù)據(jù)上傳等功能，確保下鉆到底后，導(dǎo)向系統(tǒng)能正常工作。 [0056](三）獲取測斜數(shù)據(jù)
[0057] 下鉆到井底及鉆達預(yù)設(shè)井斜測量點時，暫停鉆柱運動，確保測得較準確的井斜參 數(shù)。測斜數(shù)據(jù)上傳到地面，確認后下發(fā)指令，進而井下和地面均獲得完整的測斜數(shù)據(jù)（例如 測深、井斜角和方位角）及導(dǎo)向工具面姿態(tài)（磁工具面和重力工具面），作為軌跡跟蹤分析 和導(dǎo)向控制計算的依據(jù)。
[0058] (四）進行軌道監(jiān)控的計算
[0059] 在得到地面確認后，向井下發(fā)送指令開始導(dǎo)向鉆井作業(yè)，進行井眼軌跡分析（例 如最近偏差距離、法面偏差距離）及導(dǎo)向計算，根據(jù)暫停鉆柱運動所得測斜數(shù)據(jù)或?qū)蚬?具姿態(tài)、地磁場參數(shù)及導(dǎo)向工具旋轉(zhuǎn)時磁力計和旋轉(zhuǎn)變壓器所測數(shù)據(jù)，計算導(dǎo)向工具動態(tài) 工具面角，并且根據(jù)兩測點測斜數(shù)據(jù)，計算出導(dǎo)向工具綜合造斜能力和平均井眼曲率，由磁 力計和旋轉(zhuǎn)變壓器所測旋轉(zhuǎn)位置計算鉆柱轉(zhuǎn)速、導(dǎo)向芯軸轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)對旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的控 制。
[0060] 其中，在井下自動跟蹤鉆進深度的場合中，在暫停鉆柱運動測斜時，初始化運動速 度和位移為0 ;井下接收到地面指令后，獲取當(dāng)前深度數(shù)據(jù)，開始鉆進；利用測量軸向運動 加速度，求出鉆柱軸向運動位移，進而實現(xiàn)井下自動跟蹤鉆進深度。
[0061] (五）結(jié)束導(dǎo)向鉆井作業(yè)
[0062] 當(dāng)鉆達預(yù)期目標、起鉆更換鉆頭或及導(dǎo)向工具井下工作異常時，則結(jié)束導(dǎo)向鉆進， 循環(huán)鉆井液后起鉆。
[0063] 實際上，在本發(fā)明的導(dǎo)向工具控制中，還可以進一步實現(xiàn)自適應(yīng)控制，所述導(dǎo)向工 具自適應(yīng)控制方法大致包括如下步驟：
[0064] (1)按給定導(dǎo)向參數(shù)鉆達預(yù)定測斜深度時，暫停鉆柱運動測斜，井下及地面同時獲 得完整的測斜數(shù)據(jù)和導(dǎo)向工具姿態(tài)；
[0065] (2)向井下發(fā)送確認指令，井下獲得當(dāng)前測點深度，并初始化速度和位移；
[0066] (3)進行實鉆井眼軌跡偏差分析，計算導(dǎo)向工具綜合造斜能力和待鉆井眼軌道導(dǎo) 向參數(shù)；
[0067] (4)上傳井下計算的導(dǎo)向參數(shù)，地面進行對比分析；
[0068] (5)在井下計算結(jié)果與地面一致，且為井下自動導(dǎo)向模式時，井下按照計算導(dǎo)向參 數(shù)和跟蹤深度或時間進行自動導(dǎo)向控制，否則地面下傳控制指令進行導(dǎo)向控制；
[0069] (6)井下實時測量導(dǎo)向工具姿態(tài)，上傳到地面系統(tǒng)，跟蹤工具井下實際控制情況；
[0070] (7)繼續(xù)導(dǎo)向鉆進，直到導(dǎo)向作業(yè)結(jié)束。
[0071] 在本發(fā)明中，對固定彎角的導(dǎo)向系統(tǒng)而言，在控制井眼曲率時，須控制導(dǎo)向和穩(wěn)斜 進尺或時間來達到井眼曲率控制的目的。在本發(fā)明中，根據(jù)設(shè)計井眼曲率和導(dǎo)向工具的造 斜能力來確定合理的導(dǎo)向比例參數(shù)，最優(yōu)地逼近設(shè)計井眼軌道，并將其上傳到地面。
[0072] 盡管上面以【具體實施方式】對本發(fā)明作出了詳細的描述，但是這種描述是例示性 的，本發(fā)明不僅限于該【具體實施方式】之中，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，他們能夠?qū)Ρ景l(fā)明作 出各種變更和修飾，只要不脫離本發(fā)明宗旨和精神范圍而對本發(fā)明作出的各種修改均應(yīng)落 在所附權(quán)利要求的保護范圍之中。
【權(quán)利要求】
1. 一種導(dǎo)向工具控制方法，其特征在于，包括如下步驟： 設(shè)置導(dǎo)向數(shù)據(jù)的步驟，所述導(dǎo)向數(shù)據(jù)包括軌跡、測點、采樣時間及初始導(dǎo)向參數(shù)，所述 初始導(dǎo)向參數(shù)包括導(dǎo)向長度、比例及工具面； 下鉆及系統(tǒng)測試步驟，其中，地面測試導(dǎo)向工具，測試正常后組合鉆具下鉆，在下鉆途 中，選一兩個系統(tǒng)測試點，測試下傳指令、井下測量、數(shù)據(jù)上傳等功能，確保下鉆到底后，導(dǎo) 向系統(tǒng)能正常工作； 獲取測斜數(shù)據(jù)步驟，下鉆到井底及鉆達預(yù)設(shè)井斜測量點時，暫停鉆柱運動，確保測得較 準確的井斜參數(shù)，將測斜數(shù)據(jù)上傳到地面，確認后下發(fā)指令，進而井下和地面均獲得完整的 測斜數(shù)據(jù)； 軌道監(jiān)控步驟，在得到地面確認后，向井下發(fā)送指令開始導(dǎo)向鉆井作業(yè)，進行井眼軌跡 分析及導(dǎo)向計算，根據(jù)暫停鉆柱運動所得測斜數(shù)據(jù)或?qū)蚬ぞ咦藨B(tài)、地磁場參數(shù)及導(dǎo)向工 具旋轉(zhuǎn)時磁力計和旋轉(zhuǎn)變壓器所測數(shù)據(jù)，計算導(dǎo)向工具動態(tài)工具面角，由磁力計和旋轉(zhuǎn)變 壓器所測旋轉(zhuǎn)位置計算鉆柱轉(zhuǎn)速、導(dǎo)向芯軸轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)對旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的控制。
2. -種井下導(dǎo)向工具自適應(yīng)控制方法，其特征在于，其包括如下步驟： (1) 按給定導(dǎo)向參數(shù)鉆達預(yù)定測斜深度時，暫停鉆柱運動測斜，井下及地面同時獲得完 整的測斜數(shù)據(jù)和導(dǎo)向工具姿態(tài)； (2) 向井下發(fā)送確認指令，井下獲得當(dāng)前測點深度，并初始化速度和位移； (3) 進行實鉆井眼軌跡偏差分析，計算導(dǎo)向工具綜合造斜能力和待鉆井眼軌道導(dǎo)向參 數(shù)； (4) 上傳井下計算的導(dǎo)向參數(shù)，地面進行對比分析； (5) 井下計算結(jié)果與地面一致，且為井下自動導(dǎo)向模式時，井下按照計算導(dǎo)向參數(shù)和跟 蹤深度或時間進行自動導(dǎo)向控制，否則地面下傳控制指令進行導(dǎo)向控制； (6) 井下實時測量導(dǎo)向工具姿態(tài)，上傳到地面系統(tǒng)，跟蹤工具井下實際控制情況； (7) 繼續(xù)導(dǎo)向鉆進，直到導(dǎo)向作業(yè)結(jié)束。
【文檔編號】E21B7/06GK104453714SQ201410602852
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年11月2日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月2日
【發(fā)明者】唐雪平, 竇修榮, 彭烈新, 禹德洲, 陳文藝, 張連成, 曹沖, 魏志剛, 弓志謙, 李林, 石榮, 洪迪峰 申請人:中國石油集團鉆井工程技術(shù)研究院