专利名称：指向式旋转导向执行机构心轴位移矢量控制系统及方法
技术领域：
本发明涉及旋转导向系统偏置控制系统及方法，特别是一种指向式旋转导向执行机构心轴位移矢量控制系统及方法。
背景技术：
目前，钻井技术已经向三维多目标井等复杂井方向发展，传统的钻井工具已不能满足当前的钻井需求，高科技的旋转导向钻井技术应运而生并逐渐得到应用。与传统的钻具相比，旋转导向技术具有显著的优势，包括:钻速高，连续钻进，闭环自动控制，井眼光滑等。在旋转导向技术中，导向执行机构是整个系统的核心。
旋转导向控制系统主要包括地面监控系统、井下工具系统、井下测量系统以及双向通讯系统等部分，地面监控系统的主要功能可概括为以下几个方面:随钻监测旋转导向钻井工具在井下的工作状况，此即所谓的“监”；当实钻井眼轨迹偏离了设计轨道，能够及时分析和计算出轨迹的偏离程度，设计出新的待钻井眼轨道，并产生使旋转导向系统按新的井眼轨道钻进的控制指令，此即所谓的“控”；把设计井眼轨道和实钻井眼轨迹以及其它相关的重要参数可视化地显示出来，便于现场工程技术人员直观地掌握和分析钻头所在位置以及旋转导向钻井工具对井眼轨迹的控制情况。井下测量系统主要由随钻测量系统和工具测控系统两部分组成。随钻测量系统主要用于测量井眼轨迹几何参数和地质参数，如井斜角、方位角、工具面角、自然伽马、电阻率等。井下测量信息，通过双向通讯系统上传至地面监控系统，上传数据包含两部分:检测的实钻井眼轨迹参数，井下工具系统自身测量的近钻头轨迹参数和有关旋转导向井下工具工况的参数。上传的数据可通过通讯电缆或数据传输线直接传到地面监控系统。现场工程师利用地面监控系统可对设计井眼轨道与已钻井眼轨迹进行比较，然后通过双向通讯系统发送控制指令到控制机构，实现对井眼轨迹的实时监控。旋转导向钻井系统的工作机理都是靠偏置机构分别偏置钻头或钻柱，从而产生导向。其中偏置导向执行机构按原理可分为:静态偏置推靠式和静态偏置指向式；其中，静态偏置推靠式主要靠钻具的偏心控制来改变钻头上的侧向力，井下复杂条件使得这种系统具有许多缺点，如位移工作方式、静止外套、小型化能力差、结构复杂等；静态偏置指向式采用控制钻柱弯曲特征来实现钻头轴线的有效导控，其优点是造斜率由工具本身确定，不受钻进地层岩性的影响，在软地层及不均质地层中效果明显，但由于静态偏置指向式导向执行机构多采用液压机构，结构复杂，此外高精度加工是保证这种系统导向效果的关键，对机构的零部件精度要求较高，因此成本较高；在使用中易发生漏油，不易维护；液压元件的响应延迟较长，导致导向控制精度误差大；钻柱承受高强度的交变应力，钻柱容易发生疲劳破坏。发明内容
本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种导向控制更精确、简单且便于维护的一种指向式旋转导向执行机构心轴位移矢量控制系统及方法。
本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是:一种指向式旋转导向执行机构心轴位移矢量控制系统，该系统为双闭环结构，包括地面监控系统、用于地面与井下装置之间数据传输的通信系统、以及位于井下的井下微处理器、运动控制卡、心轴偏置装置和传感器组；所述传感器组检测实钻井眼数据以及心轴的位移数据；所述心轴偏置装置包括少齿差行星轮系以及与其连接的两个伺服电机，通过所述的两个伺服电机驱动所述少齿差行星轮系内行星轮自转及公转，使心轴发生偏置；所述运动控制卡驱动所述的两个伺服电机工作；所述井下微处理器，向所述运动控制卡发送电机旋转角度控制指令；所述地面监控系统通过所述通信系统向所述井下微处理器发送心轴偏置位移目标指令；所述传感器组将心轴的位移数据实时反馈至所述井下微处理器，形成内环反馈，所述传感器组通过所述通信系统，将实钻井眼数据实时反馈至所述地面监控系统，形成外环反馈。所述心轴偏置装置还包括万向节，所述万向节两端分别与钻柱和心轴连接。所述运动控制卡为多轴、可编程、自闭环运动控制卡。所述的两个伺服电机均为直流伺服电机。进一步地，指向式旋转导向执行机构心轴位移矢量控制系统还包括数据采集卡，所述数据采集卡采集所述传感器组的信号，并发送至所述井下微处理器以及通过所述通信系统发送至所述地面监控系统。本发明还提供了一种指向式旋转导向执行机构心轴位移矢量控制方法，包括以下步骤:I)设置双闭环控制系统:包括地面监控系统、用于地面与井下装置之间数据传输的通信系统、以及位于井下的井下微处理器、运动控制卡、心轴偏置装置和传感器组；所述传感器组检测实钻井眼数据以及心轴的位移数据；所述心轴偏置装置包括少齿差行星轮系以及与其连接的两个伺服电机，通过所述的两个伺服电机驱动所述少齿差行星轮系内行星轮自转及公转，使心轴发生偏置；所述运动控制卡驱动所述的两个伺服电机工作；所述井下微处理器，向所述运动控制卡发送电机旋转角度控制指令；所述地面监控系统通过所述通信系统向所述井下微处理器发送心轴偏置位移目标指令；所述传感器组将心轴的位移数据实时反馈至所述井下微处理器，形成内环反馈，所述传感器组通过所述通信系统，将实钻井眼数据实时反馈至所述地面监控系统，形成外环反馈；2)所述地面监控系统，其内预设理想的井眼轨迹数据，将来自所述传感器组的当前实钻井眼数据反馈，与理想井眼参数比较得出偏差，向所述井下微处理器发送纠正偏差的心轴偏置位移目标指令；3)所述井下微处理器，根据所述地面监控系统发送的心轴偏置位移目标指令，计算出心轴偏置位移矢量目标值，将心轴偏置位移矢量目标值与所述传感器组反馈的心轴位移数据进行比较得出偏差，然后计算出所述的两个伺服电机为纠正偏差所分别旋转的角度，向所述运动控制卡发送电机旋转角度控制指令，所述运动控制卡驱动所述的两个伺服电机旋转，使偏差缩小；4)所述井下微处理器根据实时反馈的心轴位移数据，重复步骤3)，直至当前心轴偏置位移矢量实测值与心轴偏置位移矢量目标值之间的偏差小于或等于允许值时结束；5)所述地面监控系统根据实时反馈的实钻井眼数据，重复步骤2)至步骤4)，实时修正心轴偏置位移目标指令，以监测、控制井眼轨迹。
进一步地，在所述步骤3)中，所述井下微处理器计算所述的两个伺服电机为纠正偏差所分别旋转的角度，包括如下步骤:
(I)以初始位置为基准，确定导向执行机构心轴的最大偏心位移量:
假设所述导向执行机构驱动电机功率足够大，导向执行机构正常工作；初始位置时，心轴中心与导向执行机构外筒中心重合，心轴偏心位移矢量为0，根据所述导向执行机构偏置装置中少齿差行星轮的结构及工作原理，确定心轴的最大偏心位移量为r_ ；
(2)建立心轴偏心位移矢量的数学模型，对心轴偏心位移矢量进行合成与分解:
初始位置时，以导向执行机构中心为原点，建立全局坐标系；以所述少齿差行星轮系中行星轮的自转中心为原点，建立局部坐标系；心轴偏心位移矢量5由所述少齿差行星轮系的自转中心在所述全局坐标系的分位移矢量A和心轴中心在所述局部坐标系的分位移矢量6合成，根据所述少齿差行星轮系的结构参数，得出同=同丨，以及5;
(3)确定心轴合成偏心位移矢量控制范围:
以初始位置为基准，心轴偏心位移矢量的最大幅值出现在弓和A方向相同时，即ux=N+_2|;心轴偏心位移矢量的最小幅值出现在5和6方向相反时，即rmn =民|-阵| = 0，心轴偏心位移矢量的控制区域为整个控制平面；
(4)定量确定所述少齿差行星轮系的自转角和公转角:
基于矢量合成的原理，以所述少齿差行星轮系中行星轮的自转角和公转角为输入变量，定量计算分位移矢量巨I和分位移矢量，根据心轴偏心位移矢量目标值与当前心轴偏心位移矢量实测值之间的偏差，确定所述少齿差行星轮系中行星轮的自转角和公转角，从而得出所述的两个伺服电机为纠正偏差分别所需旋转的角度。
更进一步地，在所述步骤(4)中，定量计算分位移矢量和分位移矢量的步骤为:
①初始位置时，对心轴分位移矢量进行计算和合成:
初始位置时行星轮公转角度为Ci1，公转导致的行星轮自转角度为P1，行星轮自转角度为S1，分位移矢量€和分位移矢量&分别为:
权利要求
1.一种指向式旋转导向执行机构心轴位移矢量控制系统，其特征在于，该系统为双闭环结构，包括地面监控系统、用于地面与井下装置之间数据传输的通信系统、以及位于井下的井下微处理器、运动控制卡、心轴偏置装置和传感器组；所述传感器组检测实钻井眼数据以及心轴的位移数据；所述心轴偏置装置包括少齿差行星轮系以及与其连接的两个伺服电机，通过所述的两个伺服电机驱动所述少齿差行星轮系内行星轮自转及公转，使心轴发生偏置；所述运动控制卡驱动所述的两个伺服电机工作；所述井下微处理器，向所述运动控制卡发送电机旋转角度控制指令；所述地面监控系统通过所述通信系统向所述井下微处理器发送心轴偏置位移目标指令；所述传感器组将心轴的位移数据实时反馈至所述井下微处理器，形成内环反馈，所述传感器组通过所述通信系统，将实钻井眼数据实时反馈至所述地面监控系统，形成外环反馈。
2.根据权利要求1所述的指向式旋转导向执行机构心轴位移矢量控制系统，其特征在于，所述心轴偏置装置还包括万向节，所述万向节两端分别与钻柱和心轴连接。
3.根据权利要求1所述的指向式旋转导向执行机构心轴位移矢量控制系统，其特征在于，所述运动控制卡为多轴、可编程、自闭环运动控制卡。
4.根据权利要求1所述的指向式旋转导向执行机构心轴位移矢量控制系统，其特征在于，所述的两个伺服电机均为直流伺服电机。
5.根据权利要求1所述的指向式旋转导向执行机构心轴位移矢量控制系统，其特征在于，还包括数据采集卡， 所述数据采集卡采集所述传感器组的信号，并发送至所述井下微处理器以及通过所述通信系统发送至所述地面监控系统。
6.一种指向式旋转导向执行机构心轴位移矢量控制方法，其特征在于，包括以下步骤: 1)设置双闭环控制系统: 包括地面监控系统、用于地面与井下装置之间数据传输的通信系统、以及位于井下的井下微处理器、运动控制卡、心轴偏置装置和传感器组；所述传感器组检测实钻井眼数据以及心轴的位移数据；所述心轴偏置装置包括少齿差行星轮系以及与其连接的两个伺服电机，通过所述的两个伺服电机驱动所述少齿差行星轮系内行星轮自转及公转，使心轴发生偏置；所述运动控制卡驱动所述的两个伺服电机工作；所述井下微处理器，向所述运动控制卡发送电机旋转角度控制指令；所述地面监控系统通过所述通信系统向所述井下微处理器发送心轴偏置位移目标指令；所述传感器组将心轴的位移数据实时反馈至所述井下微处理器，形成内环反馈，所述传感器组通过所述通信系统，将实钻井眼数据实时反馈至所述地面监控系统，形成外环反馈； 2)所述地面监控系统，其内预设理想的井眼轨迹数据，将来自所述传感器组的当前实钻井眼数据反馈，与理想井眼参数比较得出偏差，向所述井下微处理器发送纠正偏差的心轴偏置位移目标指令； 3)所述井下微处理器，根据所述地面监控系统发送的心轴偏置位移目标指令，计算出心轴偏置位移矢量目标值，将心轴偏置位移矢量目标值与所述传感器组反馈的心轴位移数据进行比较得出偏差，然后计算出所述的两个伺服电机为纠正偏差所分别旋转的角度，向所述运动控制卡发送电机旋转角度控制指令，所述运动控制卡驱动所述的两个伺服电机旋转，使偏差缩小；4)所述井下微处理器根据实时反馈的心轴位移数据，重复步骤3)，直至当前心轴偏置位移矢量实测值与心轴偏置位移矢量目标值之间的偏差小于或等于允许值时结束； 5)所述地面监控系统根据实时反馈的实钻井眼数据，重复步骤2)至步骤4)，实时修正心轴偏置位移目标指令，以监测、控制井眼轨迹。
7.根据权利要求6所述的指向式旋转导向执行机构心轴位移矢量控制方法，其特征在于，在所述步骤3)中，所述井下微处理器计算所述的两个伺服电机为纠正偏差所分别旋转的角度，包括如下步骤: (1)以初始位置为基准，确定导向执行机构心轴的最大偏心位移量: 假设所述导向执行机构驱动电机功率足够大，导向执行机构正常工作；初始位置时，心轴中心与导向执行机构外筒中心重合，心轴偏心位移矢量为O，根据所述导向执行机构偏置装置中少齿差行星轮的结构及工作原理，确定心轴的最大偏心位移量为r_ ； (2)建立心轴偏心位移矢量的数学模型，对心轴偏心位移矢量进行合成与分解: 初始位置时，以导向执行机构中心为原点，建立全局坐标系；以所述少齿差行星轮系中行星轮的自转中心为原点，建立局部坐标系；心轴偏心位移矢量5由所述少齿差行星轮系的自转中心在所述全局坐标系的分位移矢量5和心轴中心在所述局部坐标系的分位移矢量乏2合成，根据所述少齿差行星轮系的结构参数，得出_| =民|，以及3= r +J2; (3)确定心轴合成偏心位移矢量控制范围: 以初始位置为基准，心轴偏心位移矢量的最大幅值出现在F1和A方向相同时，即‘ =|fc| + |e2| ；心轴偏心位移矢量的最小幅值出现在和S2方向相反时，即 =|引-|判=0，心轴偏心位移矢量的控制区域为整个控制平面； (4)定量确定所述少齿差行星轮系的自转角和公转角: 基于矢量合成的原理，以所述少齿差行星轮系中行星轮的自转角和公转角为输入变量，定量计算分位移矢量€和分位移矢量「根据心轴偏心位移矢量目标值与当前心轴偏心位移矢量实测值之间的偏差，确定所述少齿差行星轮系中行星轮的自转角和公转角，从而得出所述的两个伺服电机为纠正偏差分别所需旋转的角度。
8.根据权利要求7所述的指向式旋转导向执行机构心轴位移矢量控制方法，其特征在于，在所述步骤(4)中，定量计算分位移矢量5和分位移矢量6的步骤为: ①初始位置时，对心轴分位移矢量进行计算和合成: 初始位置时行星轮公转角度为O1，公转导致的行星轮自转角度为P1，行星轮自转角度为S工,分位移矢量g'和分位移矢量S2分别为:
9.根据权利要求6所述的指向式旋转导向执行机构心轴位移矢量控制方法，其特征在于，所述心轴偏置装置到达目标位置后，所述的两个伺服电机分别自锁，使在目标位置锁定行星轮。
10.根据权利要求6所述的指向式旋转导向执行机构心轴位移矢量控制方法，其特征在于，所述实钻井眼数据包括实钻点的坐标、井深、井斜角、方位角；所述心轴位移数据包括心轴的加速度和偏心位移矢量。
全文摘要
本发明公开了一种指向式旋转导向执行机构心轴位移矢量控制系统，该系统为双闭环结构，包括地面监控系统、用于地面与井下数据传输的通信系统、以及位于井下的井下微处理器、运动控制卡、心轴偏置装置和传感器组；运动控制卡驱动心轴偏置装置中的两个伺服电机，使心轴偏置，传感器组将心轴的位移数据实时反馈至井下微处理器，形成内环反馈，传感器组通过通信系统，将实钻井眼数据实时反馈至地面监控系统，形成外环反馈。本发明还公开了一种指向式旋转导向执行机构心轴位移矢量控制方法，将心轴偏心位移矢量的计算过程简化为分别位于全局坐标系和局部坐标系内两个位移矢量的合成。本发明其结构和控制方法简单，能够实现钻井系统的钻具精确导向钻进。
文档编号E21B47/12GK103195405SQ201310134388
公开日2013年7月10日 申请日期2013年4月17日 优先权日2013年4月17日
发明者牛文铁, 李远志, 李洪涛, 李帅 申请人:天津大学