一种旋转导向钻井控制系统及其控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于石油勘探开发领域，具体涉及一种旋转导向钻井控制系统及其控制方 法。
【背景技术】
[0002] 旋转导向钻井技术起源于上世纪80年代后期，该技术是随着相关科技水平的提 高，为满足石油工业的实际需要在滑动导向钻井技术和工艺基础之上而发展起来的。其基 本的思路就是在旋转钻井的同时，在钻压钻速及栗量的配合下，通过特定的井下导向工具， 在近钻头附近，对旋转的钻柱在特定方向上施加一定的连续的可变的侧向力，人为地改变 钻头前进的方向，进而达到旋转中几何导向或地质导向的目的。
[0003]与传统钻井技术相比，旋转导向钻井技术可使钻头处于持续地旋转状态，因此井 眼净化效果更好，井身轨迹控制精度更高，钻井速度更快，出现卡钻等事故的几率更小，位 移延伸能力更强。如果配上地质导向短节，就可以让钻头在井底自动寻找油层钻进，因此对 油气资源的勘探和开发，提高油田的油气采收率具有重要意义。
[0004] 目前，旋转导向钻井技术主要掌握在国外少数几家石油技术服务公司手中，基于 其自身利益，对其所拥有的导向控制技术、导向工具仪器进行严格保密，并在价格上垄断、 技术上限制、国际投标时制约、服务上拖延，严重影响了我国石油工业钻井工艺技术的进 步，制约了国内钻井队伍开拓海外钻井市场的竞争能力，成为我国石油钻探行业技术发展 进步的瓶颈。
[0005] 现有技术中，公告号为CN102022082B的专利公开了一种控制旋转导向钻井工具 的地面指令下传方法及装置。但该采用该技术方案用于钻井时，因钻头钻进的轨迹会与设 计的井眼轨迹之间出现偏差，故需通过其地面控制系统来反复多次下传控制指令至旋转导 向钻井工具来对钻进的轨迹进行调整，导致钻井周期的延长，限制了钻井效率的提升。
[0006] 正是基于上述背景，申请人展开了针对旋转导向钻井技术的立项研究。
[0007] 旋转导向钻井技术从导向机构的运动方式可分为静止式和动态式两种，从导向力 产生的方式可分为推靠式和指向式两种，且目前国内用户普遍采用静态偏置推靠式旋转导 向钻井工具。经过多年的研发，申请人已完成静态偏置推靠式旋转导向钻井工具整体结构 设计，并相继提出了主题为"静态偏置推靠式旋转导向钻井工具"的系列技术方案（公告号 分别为CN103939017A、CN203783462U、CN203783488U和CN203783461U)，且上述"静态偏置 推靠式旋转导向钻井工具"凭借其结构合理、高可靠性等优点，已能够代替国外同类产品进 行使用。
[0008] 但申请人在实践中发现，仅提出"静态偏置推靠式旋转导向钻井工具（公告号为 CN103939017A)"的技术方案，还难以实现现代石油勘探工业所需的自动化、智能化、高效率 地钻井。
[0009] 故申请人考虑结合"静态偏置推靠式旋转导向钻井工具"结构来设计出与之相应 旋转导向钻井控制系统及其控制方法，以实现具有自动化、智能化、高效率功能特点的钻井 控制。
【发明内容】
[0010] 针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：如何结合"静态偏置推 靠式旋转导向钻井工具"结构（公告号分别为CN103939017A)，来提供一种能够实现自动 化、智能化、高效率钻井的旋转导向钻井控制系统及其控制方法。
[0011] 为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：
[0012] 一种旋转导向钻井控制系统，包括地面控制系统、地面控制箱、旁通阀、MWD系统、 具有解码单元的井下总控板以及能够控制导向工具中翼肋动作的主控板；其中，
[0013] 所述地面控制系统包括安装有控制软件的上位机；
[0014] 所述地面控制系统与所述地面控制箱电性连接；
[0015] 所述旁通阀安装在与泥浆管道相连的旁通支管上，且所述旁通阀上的信号控制端 与所述地面控制箱电性连接；所述泥浆管道用于输送钻井液并将导向工具和设置在地面的 泥浆栗相连接；
[0016] 还包括井下发电机、发电机安装段、耦合器以及用于安装该耦合器的耦合器安装 段、近钻头姿态数据获取组件和电源板；
[0017] 所述井下发电机固定安装在整体呈柱形且具有中空结构的发电机安装段的内部， 所述发电机安装段的端部与导向工具上的耦合器安装段的端部相贯通并固定连接；
[0018] 所述井下总控板安装在所述耦合器安装段，所述井下总控板上具有与所述井下发 电机的输出端相连的接收端，并用于接收所述井下发动机的生成的电能以及通过解码单元 来对泥浆中携带的指令进行解码；所述井下总控板还具有与所述耦合器的原边线圈相连的 连接端、与所述MWD系统信号相连的信号端；
[0019] 所述耦合器的副边线圈与所述主控板信号连接；
[0020] 所述近钻头姿态数据获取组件和电源板固定安装在导向工具上的电路仓中；其 中，所述近钻头姿态数据获取组件包括Z向与所述电路仓同轴向设置的三轴加速度计，所 述三轴加速度计与所述主控板信号连接；所述主控板的电源输送端通过电源板与电路仓中 的蓄电池相连接；所述主控板与用于控制翼肋动作的液压机构的控制信号端相连接。
[0021] 作为改进，所述近钻头姿态数据获取组件还包括温度传感器，所述温度传感器与 所述主控板信号连接。
[0022] 因传感器（本技术方案为三轴加速度计和压力传感器）通常都有一定的温度系 数，其输出信号会随温度变化而漂移，称为"温漂"，为了减小温漂，采用一些补偿措施在一 定程度上抵消或减小其输出的温漂，这就是温度补偿。故当近钻头姿态数据获取组件中包 括安装在电路仓中的温度传感器后，即可实时检测靠近钻头处的环境温度，从而根据该温 度值来对传感器进行温度补偿，从而确保传感器输出更为精准的数据，进一步提高利于保 证本控制系统的控制精度。此外，温度传感器的设置，还能够对井下温度进行检测与预警， 让导向工具中的电子器件都能处在适宜工作的温度范围内，从而提高本控制系统的运用可 靠性。
[0023] 作为改进，所述井下总控板通过MWD转接板与所述MWD系统相连接。
[0024]实施上述改进后，因MWD系统是个完整的子系统，故井下总控板可通过MWD转接板 来形成与MWD系统相连接的物理链路上的电气接口（即为"QBUS电气方式连接"），从而将 近钻头姿态数据通过MWD系统来上传。上述选择QBUS电气方式连接是因为QBUS的信号简 单（一根信号线、一根地线）且通讯距离较长，不易受干扰。
[0025] -种旋转导向钻井控制方法，包括以下步骤：
[0026] a、井口测试
[0027] 将井眼轨道设计数据录入地面控制系统，形成轨道设计曲线，该轨道设计曲线包 括设计靶区、设计分段数据、分段控制目标及允许出现的误差范围；同时将已钻轨迹数据录 入地面控制系统；
[0028] b、获取近钻头姿态数据，设计井眼轨迹
[0029] 下钻至造斜点时，暂停下钻，并通过三轴加速度计来获取井斜角ai，通过MWD系统 来获取方位角约，通过MWD系统来上传主控板中通过所述三轴加速度计测得的井斜角a1; 设目标井斜角和方位角分别为a2、_，导向工具的造斜率为&，根据以下公式求解装置角 ?和需钻井的井段长度ADm:
[0033]由（1)式，可求得狗腿度y，将狗腿度y代入（2)式求得装置角《 ;
[0034] 当Ap为负值时，《取负值，设cosco=c，
[0035] Af) >〇, co = cos (4)
[0036] A,<〇，《= -cos丄。(5)
[0037] ADn= 30y/Kc (6)
[0038] c、下发指令
[0039]将上步中计算得出的装置角co、需钻井的井段长度ADni数值放入地面控制系统的 指令中，后将所述指令下发至主控板；
[0040] d、智能闭环控制
[0041] 主控板对指令进行存储；主控板根据近钻头姿态数据，并结合存储的指令对当前 钻井状态进行分析，若近钻头姿态数据与指令之间的偏差在误差范围内，则按当前的指令 继续自动钻进；若近钻头姿态数据与指令之间的偏差在误差范围外，则主控板通过计算来 自行调整三块翼肋的执行动作并消除偏差，完成钻井的智能闭环控制。
[0042] 本发明的旋转导向钻井控制系统的控制方法的"智能闭环控制":是指地面控制系 统只需下发一次指令，主控板不仅存储经过解析后的指令，还能够实时获取近钻头姿态数 据，并比对目标方向，不断调整液压机构来控制翼肋促使向着设定方向钻进。该智能闭环控 制具体步骤如下：
[0043] 1.主控板接收、解析并存储地面控制系统下发的造斜、扭方位等各种指令；
[0044] 2.按接收到的不同指令进入不同的处理程序，提取当前近钻头的重力工具面角 (通过三轴加速度计测得）实时参数，根据合理分解算法将各种指令分解到各个翼肋的液 压机构；
[0045] 3.各个翼肋的液压机构接收到相应命令后