一种基于顶驱设有光电编码器的角度精确定位的检测系统的制作方法

文档序号:8649420
一种基于顶驱设有光电编码器的角度精确定位的检测系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种基于顶驱设有光电编码器的角度精确定位的检测系统。
【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。
【实用新型内容】
[0003]本实用新型的目的在于克服现有技术的不足,提供一种节约定向钻井造斜成本,提高钻井效率,缩短钻井周期的基于顶驱设有光电编码器的角度精确定位的检测系统。
[0004]本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的:一种基于顶驱设有光电编码器的角度精确定位的检测系统,包括顶驱驱动系统、检测装置和钻具组合,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、光电编码器和角度信号处理器,所述的光电编码器包括光栅盘和光电检测装置,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另一路输入与角度信号处理器相连,动态工具面控制器的输出与伺服和制动系统相连,伺服和制动系统与顶驱电机连接,角度信号处理器的输入与光电编码器相连;
[0005]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,顶驱电机上安装有光电编码器,光电编码器安装在顶驱电机的转轴上;所述的钻具组合包括钻头、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。
[0006]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。
[0007]本实用新型的优点在于:
[0008]1.节约定向钻井造斜成本,提高钻井效率,缩短钻井周期;
[0009]2.能有效减少井下事故的发生;
[0010]3.在大部分定向钻井领域能作为价格昂贵的旋转导向的替代技术;
[0011]4.有助于打破西方石油公司在旋转导向领域的技术垄断,建立有中国自主知识产权的钻井导向控制技术和设备。
【附图说明】
[0012]图1为顶驱驱动系统的结构示意图;
[0013]图2为顶驱驱动系统下光电编码器的连接示意图;
[0014]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。
【具体实施方式】
[0015]下面结合附图进一步说明本实用新型的技术方案,但本实用新型的保护内容不局限于以下所述:
[0016]如图1、图2所示,一种基于顶驱设有光电编码器的角度精确定位的检测系统,包括顶驱驱动系统、检测装置和钻具组合;
[0017]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、光电编码器9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的另一路输入与角度信号处理器12相连,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与顶驱电机8连接,角度信号处理器12的输入与光电编码器9相连,光电编码器9包括光栅盘和光电检测装置,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上安装有光电编码器9,光电编码器9安装在顶驱电机8的转轴上,;所述的钻具组合包括钻头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,如图1所示,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。
[0018]针对顶驱7转动角度和弯角式造斜动力钻具2转动角度并非线性关系,控制难度较大的系统特点,本实用新型采用模糊PID结合纯滞后系统PID的策略进行控制。自适应模糊PID控制器的设计可分为两个部分,以模糊控制为粗调、PID为细调,即分为自适应模糊控制器部分和PID控制部分。两部分一起组成自适应模糊PID控制器,实现在模糊控制的基础上由PID控制系统向零点移动,实现无差控制。当工具面偏差比较大时,顶驱7以步进的模式一次旋转一定角度,然后等待井下MWD的信号,检测造斜器转动角度,重复此过程,直至工具面偏差到达需要PID调节的阶段,进行精确的PID调节。自适应模糊PID控制器的设计分为两部分,它在偏差|E|较大时范围内采用模糊推理控制,以偏差e(k)和偏差变化率ec (k)作为输入,经过模糊推理,得到不同时刻PID的3个参数,在偏差IE较小时范围采用PID精确输出。复合控制策略是在大偏差范围内采用模糊控制,在小偏差内转换成PID控制,二者的转换由程序根据事先给定的偏差范围自动实现,自适应模糊PID控制具有较小的超调量和较短的调节时间,良好的动、静态特性,更好的适应性和鲁棒性,优于常规的PID控制。
[0019]本实用新型的工作原理为:
[0020](I)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 ;
[0021](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;
[0022](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 ;
[0023](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;
[0024](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;
[0025](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。
[0026]本实用新型通过光电编码器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。
[0027]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角度信息,并传输到控制系统,实现角度的精确定位。
【主权项】
1.一种基于顶驱设有光电编码器的角度精确定位的检测系统,其特征在于:它包括顶驱驱动系统、检测装置和钻具组合; 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)、光电编码器(9)和角度信号处理器(12),所述的光电编码器(9)包括光栅盘和光电检测装置,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)的另一路输入与角度信号处理器(12)相连,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)与顶驱电机(8)连接,角度信号处理器(12)的输入与光电编码器(9)相连; 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)上安装有光电编码器(9),光电编码器(9)安装在顶驱电机(8)的转轴上; 所述的钻具组合包括钻头(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),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)。
2.根据权利要求1所述的一种基于顶驱设有光电编码器的角度精确定位的检测系统,其特征在于: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。
【专利摘要】本实用新型公开了一种基于顶驱设有光电编码器的角度精确定位的检测系统,包括驱动系统、检测装置和钻具组合;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)、光电编码器(9)和角度信号处理器(12),钻具组合包括钻杆(1)、弯曲式造斜动力钻具(2)、随钻测量系统(3)、钻杆(4)、钻台(6)和立管(14)。本实用新型通过光电编码器(9)检测采集数据,精确定位顶驱电机(8)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,能提高钻井效率,缩短钻井周期。
【IPC分类】E21B7-06, E21B47-024
【公开号】CN204357422
【申请号】CN201420840173
【发明人】王江阳, 李汉兴, 武广瑷
【申请人】四川宏华电气有限责任公司
【公开日】2015年5月27日
【申请日】2014年12月26日
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