一种钻机角度精确定位检测和控制系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及井下工具面角度精确定位检测和控制系统，特别是一种钻机角度精确定位检测和控制系统。
【背景技术】
[0002]在常规钻井作业过程中，直井段和稳斜段通常采用顶驱或转盘方式旋转钻进，导向钻井段若采用井下弯角式造斜动力钻具，则通常使用滑动钻井方式，在泵排量调整、地层岩性变化、动力钻具磨损等条件下，容易产生钻具工具面漂移，导致井眼轨迹控制失败等问题。面对这一情况，通常的做法是在井下工具面漂移后，采用停钻、上提钻具的方法重新设定工具面，而这将影响作业时效。同时，在常规导向钻具滑动钻进过程中，因钻具不能旋转，导致施加钻压滞后、井眼净化困难，易引起作业效率低、工序复杂等问题。因此，急需一种可以实现井下定向动力钻具工具面的动态控制方法。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种钻机角度精确定位检测和控制系统。
[0004]本发明的目的通过以下技术方案来实现:一种钻机角度精确定位检测和控制系统，它包括驱动系统、检测装置和与驱动系统相对应的执行机构；
所述的检测装置包括MWD系统压力信号传感器、工具面解码器、动态工具面控制器、伺服和制动系统、角度检测装置和角度信号处理器，MWD系统压力信号传感器的输出与工具面解码器相连，工具面解码器的输出与动态工具面控制器的一路输入连接，动态工具面控制器的输出与伺服和制动系统相连，伺服和制动系统与驱动系统连接，角度检测装置的输出与角度信号处理器相连，角度信号处理器的输出与动态工具面控制器的另一路输入连接；所述的驱动系统包括顶驱驱动系统或转盘驱动系统；
所述的顶驱驱动系统包括顶驱和顶驱电机，顶驱电机安装在顶驱上，顶驱电机的主轴和顶驱的主轴同轴相连，顶驱电机上安装有角度检测装置，与顶驱驱动系统相对应的执行机构包括钻头、弯曲式造斜动力钻具、随钻测量系统、钻杆、防喷器、钻台和立管，钻头连接弯曲式造斜动力钻具，弯曲式造斜动力钻具连接随钻测量系统，随钻测量系统连接钻杆，钻杆上端穿过钻台，顶部连接顶驱，顶驱与立管连接，立管上设有MWD系统压力信号传感器；所述的转盘驱动系统包括转盘和转盘电机，转盘与转盘电机相连，转盘上安装有角度检测装置；与转盘驱动系统相对应的执行机构包括钻头、弯曲式造斜动力钻具、随钻测量系统、钻杆、防喷器、钻台、方钻杆、水龙头和立管，钻头连接弯角式造斜动力钻具，弯角式造斜动力钻具与随钻测量系统相连，随钻测量系统连接钻杆，钻杆上方连接方钻杆，方钻杆穿过安装在转台中部的转盘，上端与水龙头连接，水龙头上端连接立管，立管上安装有MWD系统压力信号传感器。
[0005]所述的角度检测装置为光电编码器，光电编码器由光栅盘和光电检测装置组成，其中光电编码器安装在顶驱驱动系统中顶驱电机的转轴上或光电编码器安装在转盘驱动系统的转盘上。
[0006]所述的角度检测装置为码盘装置，所述的码盘装置包括圆形盘体和传感器，其中，码盘装置的圆形盘体通过与其偏心的轴孔安装在驱动系统的顶驱电机或转盘电机的转轴上，传感器设置在圆形盘体的表面外侧，且传感器通过角度信号处理器与动态工具面控制器相连。
[0007]所述的防喷器安装在钻台下底面上方，钻杆套装于防喷器中部。
[0008]本发明具有以下优点:本发明采用的角度检测装置能自动计算出电机转轴的转动角度，计算精确、精度高、抗震性能好，且易于加工，成本低；节约定向钻井造斜成本，提高钻井效率，缩短钻井周期，能有效减少井下事故的发生；通过动态工具面控制器实现井下定向动力钻具工具面的动态控制，在钻具工具面发生漂移时，可实时地操作动态工具面控制器，调整钻具工具面，避免设备停钻、上提钻具，从而减少设备损耗，大幅节省人力物力，同时大大减少井下事故的发生。
【附图说明】
[0009]图1为实施例一的结构示意图；
图2为实施例一中光电编码器安装示意图；
图3为实施例二的结构示意图；
图4为实施例二中光电编码器安装示意图图5为实施例三的结构示意图图6为实施例四的结构示意图；
图中，1-钻头，2-弯曲式造斜动力钻具，3-随钻测量系统，4-钻杆，5-防喷器，6-钻台，7-顶驱，8-顶驱电机，9-光电编码器，10-工具面解码器，11-伺服和制动系统，12-角度信号处理器，13-动态工具面控制器，14-立管，15-MWD系统压力信号传感器，16-转盘，17-转盘电机，18-方钻杆，19-水龙头，20-码盘装置。
【具体实施方式】
[0010]下面结合附图对本发明做进一步的描述，本发明的保护范围不局限于以下所述:
实施例一:
如图1和图2所示，一种钻机角度精确定位检测和控制系统，它包括驱动系统、检测装置和与驱动系统相对应的执行机构；
所述的检测装置包括MWD系统压力信号传感器15、工具面解码器10、动态工具面控制器13、伺服和制动系统11、角度检测装置和角度信号处理器12，MWD系统压力信号传感器15的输出与工具面解码器10相连，工具面解码器10的输出与动态工具面控制器13的一路输入连接，动态工具面控制器13的输出与伺服和制动系统11相连，伺服和制动系统11与驱动系统连接，角度检测装置的输出与角度信号处理器12相连，角度信号处理器12的输出与动态工具面控制器13的另一路输入连接；
所述的驱动系统为顶驱驱动系统，所述的顶驱驱动系统包括顶驱7和顶驱电机8，顶驱电机8安装在顶驱7上，顶驱电机8的主轴和顶驱7的主轴同轴相连，顶驱电机8上安装有角度检测装置，与顶驱驱动系统相对应的执行机构包括钻头1、弯曲式造斜动力钻具2、随钻测量系统3、钻杆4、防喷器5、钻台6和立管14，在本实施例中，所述的防喷器5安装在钻台6下底面上方，钻杆4套装于防喷器5中部，钻头I连接弯曲式造斜动力钻具2，弯曲式造斜动力钻具2连接随钻测量系统3，随钻测量系统3连接钻杆4，钻杆4上端穿过钻台6，顶部连接顶驱7，顶驱7与立管14连接，立管14上设有MWD系统压力信号传感器15。
[0011 ] 在本实施例中，所述的角度检测装置为光电编码器9，光电编码器9由光栅盘和光电检测装置组成，其中光电编码器9安装在顶驱驱动系统中顶驱电机8的转轴上。
[0012]本实施例的工作原理为:
(1)钻井系统中的MWD系统压力信号传感器15采集井下MWD信号，并将采集到的井下MWD信号传送到工具面解码器10，工具面解码器10根据接收到的井下MWD信号，求解出井下工具面信息，并将井下工具面信息传递给动态工具面控制器13 ；
(2)动态工具面控制器13将接收到的井下工具面信息进行解码，并进行逻辑判断，判断是否超出动态工具面控制器13中设定的阈值；如果不超出设定阈值，则不采取调整措施，继续钻井；如果超出设定阈值，则启动伺服与制动系统11中的伺服系统；
(3)伺服与制动系统11中的伺服系统调整顶驱7的角度，此时，光电编码器9将角度值反馈给角度信号处理器12，角度信号处理器12将反馈信号进行信号处理，并传送给动态工具面控制器13 ;
(4)动态工具面控制器13判断当前的角度值是否达到设定的角度值，如果没有达到设定的角度值，则返回步骤(3)，伺服与制动系统11继续调整角度；如果达到设定的角度值，则启动伺服与制动系统11中的制动系统；
(5)伺服与制动系统11中的制动系统制动顶驱电机8，实现刹车，锁定工具面并继续钻井;
(6)返回步骤(1)，工具面解码器10持续接收井下MWD信号，实时跟踪井下工具面情况，如果工具面漂移到动态工具面控制器13设定的阈值以上时，将再次启动本会用新型动态工具面控制器13，进行新一轮的工具面自动调整作业。
[0013]本发明通过光电编码器9检测采集数据，精确定位电机的转动角度，并采用数控PID技术，实现对旋转角度的精确定位，满足井下定向动力钻具工具面动态调整的需求，可以代替步进电机、伺服电机的控制效果，实现角度的精确定位。
[0014]光电编码器9是一个中心有轴的光电码盘传感器，由光栅盘和光电检测装置组成，其上有环形通、暗的刻线，由光电发射和接受器件读取并获得信号，具有分辨能力强、测量精度高和工作可靠的特点，将其安装在变频电机轴上，实时检测工具面角反馈的