专利名称：一种用于旋转导向钻井系统的测控装置及其测控方法
技术领域：
本发明属于钻井测控技术领域，涉及一种钻井测控装置及其测控方法，具体地讲是关于一种用于旋转导向钻井系统的测控装置及其测控方法。
背景技术：
旋转导向钻井技术已经在石油钻井领域得到广泛的应用。在定向井、大位移井、三维轨迹井、复杂油气井作业中，使用旋转导向钻井技术，能够显著地降低作业风险，提高钻井效率，降低开发成本。目前所采用的旋转导向钻井工具，根据工作方式，可以分为以下3种类型静态偏置推靠式、动态偏置推靠式和静态偏置指向式。其中测控装置是旋转导向钻井工具的核心。 对于静态偏置指向式旋转导向钻井工具，其测控装置主要完成以下任务(1)采集井下的工况参数；(2)将接收到的压力脉冲信号解码为控制指令；(3)控制翼肋的伸缩，实现旋转导向钻井工具空间姿态的调整。经对现有技术的公开文献检索发现，虽然指出了旋转导向钻井工具测控装置的工作原理，并提出针对静态偏置指向式旋转导向钻井工具的测控方法，但是，仅限于是一种设想，并没有考虑实际应用的可实施性；同时，也没有考虑实际应用中，为保证测控装置功能模块的正常工作，需要进行处理器的冗余设计。
发明内容
为了使钻井工具偏心位移量测量的更准确，同时对翼肋的伸缩量控制的更精确， 本发明着重提出一种用于旋转导向钻井系统的测控装置及测控方法。该装置能够在旋转导向钻井系统进行钻井作业时，根据在井下所接收到的压力脉冲命令，控制旋转导向钻井系统的工作状态，同时将旋转导向钻井系统的工作参数实时上传。本发明为实现上述目的，采取以下技术方案一种用于旋转导向钻井系统的测控装置，其特征在于包括微处理器模块、数据采集模块、驱动模块、数据通讯模块、数据存储模块和电源管理模块；数据采集模块一端与钻井系统的压力传感器、温度传感器、位移传感器、加速度计连接，另一端与微处理器模块连接，将采集到的压力、温度、位移和加速度分量信号调理后传输到微处理器模块；驱动模块一端与微处理器模块连接，另一端与执行机构连接，接收微处理器模块的信息，控制执行机构的运动；数据通讯模块一端与微处理器模块连接，另一端与随钻测量工具连接；数据存储模块与微处理器模块连接，存储工作参数数据；电源管理模块负责先将井下交流电进行整流稳压处理成为直流电，再进行电压转换将直流电压分压，为测控装置提供所需电力。所述微处理器模块设置了主CPU和冗余CPU，当系统检测到主CPU无法正常工作时，自动切换到冗余CPU进行工作。所述数据通讯模块与微处理器模块之间采用RS485协议通讯，与随钻测量工具之间采用1553b协议通讯。
所述数据存储模块采用NorFlash作为存储介质。一种利用所述测控装置进行旋转导向钻井系统测控的方法，其特征在于包括如下操作1)在地面对控制指令进行压力脉冲编码，该编码通过开关泥浆泵所形成的压力脉冲传送到井下；2)同时对测控装置进行系统初始化并自检，系统检测测控装置的主CPU是否能够正常工作，如不能正常将自动切换到冗余CPU进行工作；3)微处理器模块对压力脉冲实时进行解码，得到压力脉冲所下传的指令数据；4)解码同时，系统进行数据采集，通过空间姿态解算，求得当前旋转导向钻井工具所处位置的井斜角和高边工具面角；5)利用测得的执行机构的位移数据，通过位移矢量合成算法，求得当前旋转导向钻井工具的偏心位移量；6)根据已得数据，计算执行机构的位移伸出量；7)系统根据解码脉冲指令，在脉冲指令下，对计算得到的执行机构位移伸出量执行PID控制，调整执行机构的位移伸出量，从而得到旋转导向钻井工具的目标偏心位移量；8)系统实时进行数据存储及上传。在步骤1)中，采用泥浆脉宽调制编码方法，定义一个最小脉冲宽度，其他脉冲宽度均是最小脉冲宽度的整数倍，编码格式采用如下形式同步码A+信息码+同步码B。在步骤4)中，解算井斜角和高边工具面角的方法如下①取三个重力加速度计测得X、Y、Z三个轴的重力加速度值(}x、Gy和Gz ；②通过Gx、Gy和Gz计算重力加速度合成值识=px+Gy+Gz ；③通过Gx、Gy 和 Gz 计算井斜角=arctanC^2 +G2y /Gz)；
Gv④通过Gx、Gy和Gz计算高边工具面角你=arctan(--f)。
ijZ在步骤幻中，解算偏心位移量的方法如下执行机构即三个翼肋在旋转导向工具的不旋转外套上处于同一径向截面上，因此以旋转导向工具翼肋所在截面处的井眼中心作为坐标原点建立坐标系，从井口向井底看， 井眼高边径向所指方向为X轴正方向，沿X轴正方向顺时针旋转90°为y轴正方向，设三个翼肋同时伸出与井壁接触，工具中心与井眼中心相重合时翼肋长度为原始长度，分别为OA、 OB、0C，即为井眼半径R ；实际工作时由于三个翼肋相对于工具的伸出量不同，使工具中心相对于井眼中心形成了一个偏心位移e，此时定义三个翼肋长度分别为0' A'、0' B'、0' C'，设三个翼肋的独立伸缩使工具中心形成的位移矢量分别为 、ζ、ζ，与Χ轴夹角分别为α ρ α 2、 α3，则有
权利要求
1.一种用于旋转导向钻井系统的测控装置，其特征在于包括微处理器模块、数据采集模块、驱动模块、数据通讯模块、数据存储模块和电源管理模块；数据采集模块一端与钻井系统的压力传感器、温度传感器、位移传感器、加速度计连接，另一端与微处理器模块连接，将采集到的压力、温度、位移和加速度分量信号调理后传输到微处理器模块；驱动模块一端与微处理器模块连接，另一端与执行机构连接，接收微处理器模块的信息，控制执行机构的运动；数据通讯模块一端与微处理器模块连接，另一端与随钻测量工具连接；数据存储模块与微处理器模块连接，存储工作参数数据；电源管理模块负责先将井下交流电进行整流稳压处理成为直流电，再进行电压转换将直流电压分压，为测控装置提供所需电力。
2.如权利要求1所述的一种用于旋转导向钻井系统的测控装置，其特征在于所述微处理器模块设置了主CPU和冗余CPU，当系统检测到主CPU无法正常工作时，自动切换到冗余CPU进行工作。
3.如权利要求1所述的一种用于旋转导向钻井系统的测控装置，其特征在于所述数据通讯模块与微处理器模块之间采用RS485协议通讯，与随钻测量工具之间采用155 协议通讯。
4.如权利要求1所述的一种用于旋转导向钻井系统的测控装置，其特征在于所述数据存储模块采用NorFlash作为存储介质。
5.一种利用权利要求1 4之一所述测控装置进行旋转导向钻井系统测控的方法，其特征在于包括如下操作1)在地面对控制指令进行压力脉冲编码，该编码通过开关泥浆泵所形成的压力脉冲传送到井下；2)同时对测控装置进行系统初始化并自检，系统检测测控装置的主CPU是否能够正常工作，如不能正常将自动切换到冗余CPU进行工作；3)微处理器模块对压力脉冲实时进行解码，得到压力脉冲所下传的指令数据；4)解码同时，系统进行数据采集，通过空间姿态解算，求得当前旋转导向钻井工具所处位置的井斜角和高边工具面角；5)利用测得的执行机构的位移数据，通过位移矢量合成算法，求得当前旋转导向钻井工具的偏心位移量；6)根据已得数据，计算执行机构的位移伸出量；7)系统根据解码脉冲指令，在脉冲指令下，对计算得到的执行机构位移伸出量执行 PID控制，调整执行机构的位移伸出量，从而得到旋转导向钻井工具的目标偏心位移量；8)系统实时进行数据存储及上传。
6.如权利要求5所述的旋转导向钻井系统的测控方法，其特征在于在步骤1)中，采用泥浆脉宽调制编码方法，定义一个最小脉冲宽度，其他脉冲宽度均是最小脉冲宽度的整数倍，编码格式采用如下形式同步码A+信息码+同步码B。
7.如权利要求5所述的旋转导向钻井系统的测控方法，其特征在于在步骤4)中，解算井斜角和高边工具面角的方法如下①取三个重力加速度计测得X、Y、Z三个轴的重力加速度值(}x、Gy和Gz；②通过(ix、Gy和Gz计算重力加速度合成值《=^jGx+Gy+Gz；③通过Gx、Gy和Gz计算井斜角=arctan^G,2+G2y IG2)；④通过(ix、Gy和Gz计算高边工具面角―=arctan(-·^)。
8.如权利要求5所述的旋转导向钻井系统的测控方法，其特征在于在步骤5)中，解算偏心位移量的方法如下执行机构即三个翼肋在旋转导向工具的不旋转外套上处于同一径向截面上，因此以旋转导向工具翼肋所在截面处的井眼中心作为坐标原点建立坐标系，从井口向井底看，井眼高边径向所指方向为χ轴正方向，沿χ轴正方向顺时针旋转90°为y轴正方向，设三个翼肋同时伸出与井壁接触，工具中心与井眼中心相重合时翼肋长度为原始长度，分别为OA、0B、 0C，即为井眼半径R;实际工作时由于三个翼肋相对于工具的伸出量不同，使工具中心相对于井眼中心形成了一个偏心位移e，此时定义三个翼肋长度分别为0' A'、0' B'、0' C'，设三个翼肋的独立伸缩使工具中心形成的位移矢量分别为 、ζ、ζ，与Χ轴夹角分别为αι、α2、α3， 则有
9.如权利要求5所述的旋转导向钻井系统的测控方法，其特征在于在步骤6)中，计算执行机构的位移伸出量方法为建立坐标系，原点O' 坐标为(e' -cosa ,e' .sina),直线O' ,k' i斜率为Ii1 =tan θ，则直线O' ,k' 方程为y = k^+e' (sin α-Ic1COS α )借助圆的方程 x2+y2 = R2将直线方程带入圆方程并整理得
全文摘要
本发明涉及一种用于旋转导向钻井系统的测控装置及测控方法，包括微处理器模块、数据采集模块、驱动模块、数据通讯模块、数据存储模块和电源管理模块。1)在地面对控制指令进行压力脉冲编码，传到井下微处理器模块；2)系统初始化并自检，检测主CPU是否正常工作，如不能正常切换到冗余CPU；3)微处理器模块对压力脉冲进行解码，得到压力脉冲下传的指令；4)系统采集数据，求得当前旋转导向钻井工具所处位置的井斜角、高边工具面角和偏心位移量、执行机构的位移伸出量；5)解码脉冲指令，对计算得到的执行机构位移伸出量执行PID控制，调整出执行机构的位移伸出量。本发明用于静态偏置指向式旋转导向钻井工具，可以准确测量工具偏心位移量，同时对翼肋的伸缩量控制也更精确。
文档编号E21B47/26GK102383777SQ201110301928
公开日2012年3月21日 申请日期2011年9月30日 优先权日2011年9月30日
发明者傅鑫生, 周建良, 周静, 张新强, 李汉兴, 牛海峰, 童征, 蒋世全, 贾中千, 赖庆强, 陈红新 申请人:中国海洋石油总公司, 中海石油研究中心, 北京远航科峰技术有限公司