一种旋转导向工具的控制方法
【专利摘要】一种能够确定导向工具控制模式和导向参数、实现井眼轨道自动控制、提高导向工具作业效率、满足定向钻井导向控制需求的旋转导向工具控制方法，包括获取测斜数据、对轨道进行监控等步骤，提高导向钻井作业效率和井眼轨道控制精度，能够满足大位移井、复杂地质结构水平井及地质导向钻井轨道控制的要求。
【专利说明】一种旋转导向工具的控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种定向钻井导向工具的控制方法，尤其涉及一种旋转导向工具的控 制方法。
【背景技术】
[0002] 现有技术中，旋转导向工具由于在钻柱旋转状态下实现井眼轨迹的导向控制，克 服了滑动导向作业中摩阻过大、岩屑沉积及极限位移小等缺陷，可大幅度提高井身质量、钻 井效率和钻井安全性，所以广泛应用于大位移井、水平井和三维复杂结构井的导向施工作 业，是当今典型的先进钻井装备之一。
[0003] 目前旋转导向工具按导向方式分为钻头推靠式和钻头指向式两种基本类型，按动 力传递结构方式又可划分为"驱动轴一不旋转套"结构和"全旋转"结构等，其中全旋转指向 式导向工具结合了指向式导向和全旋转钻井两者的优点，更能适应各种复杂的地层和作业 工况，钻得更深，钻速更高，在海洋油气资源开发以及在油田开发复杂油气藏中钻超深井、 高难定向井、丛式井、水平井、大位移井、分支井及三维复杂结构井等特殊工艺井中更具竞 争力。因此，它是当今钻井工程和油气勘探开发迫切需要的一项尖端钻井装备，是现代导向 钻井技术发展的趋势。
[0004] 在旋转导向工具设计研发上国内外现存很多种方式，在国外，很多公司研发的旋 转导向工具在设计上存在诸多差别，特点也各不相同。诸如贝克休斯公司的AutoTrack 是钻头推靠式工具的典型代表，研发的"驱动轴一不旋转套"结构特点在于通过控制不 旋转外套上推力块作用于井壁的合力大小及方向进行导向作业（例如参照专利文献 W02008101020A、US2013256034A等）。而典型的钻头指向式旋转导向工具诸如哈里伯顿 公司的Geo-Pilot (例如参照专利文献W02014055068A)、威德福公司的Revolution (例如 参照专利文献W02008120025A)及斯伦贝谢公司的PowerDrive Xceed (例如参照专利文献 N020061119A)等，其中所述Geo-Pilot和Revolution是静态指向式导向工具，特点是工具 造斜能力通过井下调整导向工具偏置位移实现，且可连续调节。所述PowerDrive Xceed是 "全旋转"结构，即全旋转指向式导向工具，采用了固定导向偏置结构，其造斜率通过交替变 化的导向和稳斜钻进模式来实现，依靠地面系统下传导向参数（工具面及导向比例）来进 行控制。由于受控制指令编码长度的限制，所传参数不能满足井眼轨道精细控制的需要，且 由于地层特性等引起导向工具造斜率变化时，频繁地下传导向指令，将影响导向钻井作业 效率。
[0005] 在国内也有多家公司和科研机构在研发旋转导向工具，现已成型的工具几乎全是 钻头推靠式导向方式，工作原理与国外产品基本相同，只是在具体技术实现方式上呈现出 一定的差异。而钻头指向式旋转导向工具目前国内尚处于空白状态。
[0006] 基于此，本 申请人:在深入调研国外钻头指向式旋转导向工具的基础上，特别是针 对斯伦贝谢公司的PowerDrive Xceed全旋转指向式导向工具存在的缺点，提出了一种全旋 转指向式导向工具的自适应控制方法，不但有效解决上述问题，大大提高了井眼轨道控制 精度和导向钻井作业效率，而且填补国内此项技术的空白。
【发明内容】
[0007] 鉴于此，本发明目的在于提出一种能够确定导向工具控制模式和导向参数、实现 井眼轨道自动控制、提高导向工具作业效率、满足定向钻井导向控制需求的旋转导向工具 的控制方法。
[0008] 根据本发明，能够优化旋转导向工具控制并实现闭环导向控制，提高导向钻井作 业效率和井眼轨道控制精度，能够满足大位移井、复杂地质结构水平井及地质导向钻井轨 道控制的要求。
[0009] 具体的，本发明提供一种导向工具的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
[0010] 设置导向数据的步骤，所述导向数据包括轨迹、测点、采样时间及初始导向参数， 所述初始导向参数包括导向长度、比例及工具面；
[0011] 下钻及系统测试步骤，其中，地面测试导向工具，测试正常后组合钻具下钻，在下 钻途中，选一两个系统测试点，测试下传指令、井下测量、数据上传等功能，确保下钻到底 后，导向系统能正常工作；
[0012] 获取测斜数据步骤，下钻到井底及钻达预设井斜测量点时，暂停钻柱运动，确保测 得较准确的井斜参数，将测斜数据上传到地面，确认后下发指令，进而井下和地面均获得完 整的测斜数据；
[0013] 轨道监控步骤，在得到地面确认后，向井下发送指令开始导向钻井作业，进行井眼 轨迹分析及导向计算，根据暂停钻柱运动所得测斜数据或导向工具姿态、地磁场参数及导 向工具旋转时磁力计和旋转变压器所测数据，计算导向工具动态工具面角，由磁力计和旋 转变压器所测旋转位置计算钻柱转速、导向芯轴转速，实现对旋转导向工具的控制。
[0014] 当导向系统需改变工具面时，根据给定工具面和所测钻柱转速，通过电机经减速 器驱动导向芯轴反向旋转（稍快或稍慢于钻柱转速），进行位置PID和速度PID双环控制， 达到所需工具面，并维持稳定（导向芯轴反向旋转，控制其转速与钻柱转速相等）。
[0015] 另外，本发明还提供一种井下导向工具自适应控制方法，其特征在于，其包括如下 步骤：
[0016] (1)按给定导向参数钻达预定测斜深度时，暂停钻柱运动测斜，井下及地面同时获 得完整的测斜数据和导向工具姿态；
[0017] ⑵向井下发送确认指令，井下获得当前测点深度，并初始化速度和位移；
[0018] (3)进行实钻井眼轨迹偏差分析，计算导向工具综合造斜能力和待钻井眼轨道导 向参数；
[0019] (4)上传井下计算的导向参数，地面进行对比分析；
[0020] (5)井下计算结果与地面一致，且为井下自动导向模式时，井下按照计算导向参数 和跟踪深度或时间进行自动导向控制，否则地面下传控制指令进行导向控制；
[0021] (6)井下实时测量导向工具姿态，上传到地面系统，跟踪工具井下实际控制情况；
[0022] (7)继续导向钻进，直到导向作业结束。
[0023] 根据本发明，为了实现井下深度及轨迹自动跟踪目的，导向工具下井前，存储器中 预存设计轨道分段节点数据、已钻轨迹基本参数和待钻井眼测量点深度数据，到达测量点 深度时（通常为接单根深度），暂停钻柱运动测斜，上传测斜数据到地面系统，然后下传确 认指令，井下获得测点轨迹基本参数（测深、井斜和方位），进而分析井眼轨迹偏差，确定待 钻轨道和导向参数。
[0024] 进一步，计算测斜后钻进深度增量，按照计算导向参数（导向模式、段长及工具面 角）自动控制井眼轨道，减少下传指令，提高导向作业效率和井眼轨道控制精度。
[0025] 根据本发明，在所使用的导向工具中均使用了导向偏置机构，而该导向偏置机构 可采用固定偏移和可调偏移两种方式。对于可调偏移方式而言，通过导向工具控制偏移量 大小来实现井眼曲率控制，机械结构复杂；对于固定偏移方式而言，通过导向工具采用导向 和稳斜模式交替作业来达到所需井眼曲率，机械结构较简单。从这一点上考虑，为了减少导 向工具控制机构的复杂程度，进一步提高系统的可靠性，通常采用固定偏移方式。针对导向 工具而言，确定导向控制模式、导向参数，以最优的控制方案实现设计井眼轨道是导向钻井 技术必须解决的一个核心问题，这也是本发明对导向工具控制方法进行改进之处，同时也 是本发明的优势所在。
[0026] 另外，根据本发明，在井斜角< 5°时，导向工具通常采用磁性工具面控制；当井 斜角> 5 °后，导向工具通常采用重力工具面进行控制。基于暂停钻柱运动测斜导向工具定 向传感器所获得的磁性工具面、重力工具面、井斜角、方位角、地磁倾角及地磁北与方位参 考北间的夹角，可计算出所述磁性工具面和所述重力工具面间的换算关系，进而在用重力 工具面导向时，可利用磁力计和旋转变压器测量求得的导向工具动态磁工具面，计算出重 力工具面。
[0027] 通常，导向工具控制模式有两种，一种是稳斜模式，一种是导向模式进行。在稳斜 模式中存在两种方案，一种方案是控制导向偏置机构反向旋转，并与导向工具保持一定转 速差；另一种方案是控制导向偏置机构反向旋转，与导向工具间保持相同转速，形成相对大 地稳定的工具面，并维持工具面一短暂时长，然后间隔一定角度，变化工具面和维持固定短 暂时长，以此达到稳斜钻井目的。而在导向模式中，通常按井眼轨道控制要求的工具面进行 导向工具控制。
[0028] 通常，在调整井眼曲率时，通过控制导向工具以稳斜和导向模式交替的方式来实 现。在采用井下自动导向模式时，通过轴向加速计获得钻进段长，可实现两种模式自动转 换。
[0029] 其中，通过自动监测井斜角、方位角和井眼曲率的变化，从而实现导向工具井下闭 环控制。
[0030] 发明效果
[0031] 根据本发明提供的导向工具的控制方法，实现了钻头指向式全旋转导向工具的控 制，根据设计井眼轨道和预计导向工具造斜能力，确定导向工具控制模式、导向比例及进 尺、磁性或重力工具面参数进行导向钻进作业；井下和地面进行双向通信，同时监测导向控 制结果，计算导向工具实际造斜能力及井眼轨道偏差；进而确定导向参数或调整待钻井眼 轨道，适应导向工具造斜能力的变化，满足井眼轨道控制精度要求；利用井下深度自动跟踪 装置及方法，实现导向系统井下智能控制目的，减少导向参数下传指令及误码率，提高导向 钻井作业效率及井眼轨道控制精度。
【专利附图】
【附图说明】
[0032] 图1为本发明【具体实施方式】的旋转导向系统示意图。
[0033] 图2为本发明【具体实施方式】的导向控制方法流程图。
【具体实施方式】
[0034] 下面参照附图结合【具体实施方式】对本发明做出进一步详细描述。应该指出的是， 本实施例中所采用的导向工具及导向系统是例示性的，控制方法中所采取的具体技术手段 也是例示性的，本发明应不仅仅限于下述【具体实施方式】之中，总之，所述实施方式仅仅是例 示性的，为的是能更清楚的阐述本发明。
[0035] 图1为本发明【具体实施方式】中所采用的旋转导向系统的示意图。
[0036] 本发明旋转导向系统，由地面监控子系统、双向通讯子系统及井下导向子系统构 成，如图1所示，本发明旋转导向系统井下基本配置包括：信息传输及随钻测量单元1、无线 短传接收/发送单元2、泥浆马达单元3、无线短传发送/接收单元4、对接与扩展单元5、供 电单元6、测量与控制单元7、导向执行单元8。
[0037] 在图1中，①表示定向参数测量，②表示无线短传井下信息，③表示涡轮发动机及 电池组，④表示磁力计（测转速及动态磁工具面），⑤表示定向传感器组件，⑥表示加速度 计（测轴向运动距离），⑦表示压力传感器（接收下传信息），⑧表示电机，⑨表示减速器， ⑩表示旋转变压器（测导向芯轴转速及导向偏置机构位置），?表示导向偏置机构，?表示 轴承，?表不导向芯轴，?表不传扭部件。
[0038] 在信息传输及随钻测量单元1上，布置有正脉冲发生器、驱动短节、电池筒短节、 定向参数、井下振动、电阻率及伽马等测量短节，实现工程、地质参数测量及井下测量数据 上传功能。当导向工具配泥浆马达3时，采用马达上下端配备的无线短传双向通信单元2 和4,实现导向工具和传输及随钻参数测量单元1之间的信息交换，泥浆马达3为提高导向 工具转速及钻头破岩扭矩而配；否则采用数据连接器进行机械及电气连接，实现数据通讯。 对接与扩展单元5实现导向工具与传输及随钻测量单元1机械、电连接。供电单元6包括 涡轮发电机及电池组，分别为电机和测控电路供电。测量与控制单元7包括横向磁力计、定 向传感器组件、轴向加速度计、压力传感器、旋转变压器、电机及减速器、导向偏置机构、测 量控制电路等；采用正交磁力计测量钻柱转速及工具面刻线的动态磁工具面；通用定向传 感器测量井斜角、方位角及工具面；柱内/环空压力传感器用于地面下传信号、测量工具内 外钻井液流体压力、监测钻井液循环状态；轴向加速度计⑥测量轴向加速度，用于计算轴向 运动距离；旋转变压器⑩测量导向偏置机构?旋转位置及速度；电机⑧及减速器⑨驱动导 向偏置机构?反向旋转，通过转速和位置控制实现工具面的调整及形成相对大地稳定的工 具面；测量控制电路负责解调下传指令、获取传感器读数、测量及控制计算、井下主控、数据 存储与通迅、驱动导向控制等。导向执行单元8带动导向芯轴?旋转，驱动钻头9按指定工 具面进行导向作业。
[0039] 进一步，为了实现井下深度及轨迹自动跟踪目的，导向工具下井前，存储器中预存 设计轨道分段节点数据、已钻轨迹基本参数和待钻井眼测量点深度数据，到达测量点深度 时（通常为接单根深度），暂停钻柱运动测斜，上传测斜数据到地面系统，然后下传确认指 令，井下获得测点轨迹基本参数（测深、井斜和方位），进而分析井眼轨迹偏差，确定待钻轨 道和导向参数。
[0040] 利用轴向加速度传感器计算测斜后钻进深度增量，按照计算导向参数（导向模 式、段长及工具面角）自动控制井眼轨道，减少下传指令，提高导向作业效率和井眼轨道控 制精度。
[0041] 其中，作为核心部件的全旋转指向式导向工具，自上而下由对接与扩展单元5、供 电单元6、测量控制单元7和导向执行单元8组成。对接与扩展单元5实现与传输及随钻 测量单元1的机械及电连接，若配泥浆马达3时与无线短传单元4连接；供电单元6为井下 导向工具提供动力，由涡轮发电机、电池、供电控制电路等组成；测量控制单元7包括井下 主控、定向参数/钻柱转速/内外压力测量部分，实现地面下传指令接收和导向控制指令输 出功能；导向执行单元8包括电机⑧、减速器⑨、旋转变压器⑩、导向偏置机构?、轴承组?、 导向芯轴?、传扭部件?和密封结构等。导向芯轴上端置于导向偏置机构内，通过轴承组连 接，可相对导向偏置机构自由转动；钻柱旋转动力由传扭部件传递给导向芯轴，驱动其下端 的钻头9旋转钻进。
[0042] 其中，通过电机以与钻柱相同速度驱动所述导向偏置机构反向旋转，从而在所述 导向工具内部动态形成一个相对大地稳定的工具面进行导向作业。
[0043] 图2为本发明【具体实施方式】的导向控制方法流程图。就导向工具控制方法而言， 大致主要包括如下步骤：
[0044](一）设置导向系统数据
[0045] 主要包括以下数据：
[0046] 基础数据：地磁场和重力加速度计参考值、磁偏角、磁倾角、子午线收敛角、导向工 具和随钻测量单元两井斜测量点距离、井底深度、测斜数据计算程序；
[0047] 设计轨道数据：设计靶区、设计分段数据、分段控制目标及偏差；
[0048] 已钻轨迹数据：测斜数据表（测深、井斜角、方位角）或最末点的测斜数据及坐标 数据；
[0049] 待钻井眼测斜点深度序列；
[0050] 待钻地层预测机械钻速表；
[0051 ] 井下数据传输数据模式及下传指令解释；
[0052] 传感器采样间隔：对于环空/柱内压力传感器、轴向加速度计、横向磁力计、旋转 变压器等，采样间隔通常分别设置为压力传感器1秒/点，加速度计〇. 001?〇. 1秒/点， 磁力计〇· 001秒/点，旋转变压器〇· 001秒/点；
[0053] 初始导向参数：导向长度、导向比例及工具面。
[0054] (二）下钻及系统测试
[0055] 地面测试导向工具，测试正常后组合钻具下钻。在下钻途中，选一两个系统测试 点，测试下传指令、井下测量、数据上传等功能，确保下钻到底后，导向系统能正常工作。 [0056](三）获取测斜数据
[0057] 下钻到井底及钻达预设井斜测量点时，暂停钻柱运动，确保测得较准确的井斜参 数。测斜数据上传到地面，确认后下发指令，进而井下和地面均获得完整的测斜数据（例如 测深、井斜角和方位角）及导向工具面姿态（磁工具面和重力工具面），作为轨迹跟踪分析 和导向控制计算的依据。
[0058] (四）进行轨道监控的计算
[0059] 在得到地面确认后，向井下发送指令开始导向钻井作业，进行井眼轨迹分析（例 如最近偏差距离、法面偏差距离）及导向计算，根据暂停钻柱运动所得测斜数据或导向工 具姿态、地磁场参数及导向工具旋转时磁力计和旋转变压器所测数据，计算导向工具动态 工具面角，并且根据两测点测斜数据，计算出导向工具综合造斜能力和平均井眼曲率，由磁 力计和旋转变压器所测旋转位置计算钻柱转速、导向芯轴转速，实现对旋转导向工具的控 制。
[0060] 其中，在井下自动跟踪钻进深度的场合中，在暂停钻柱运动测斜时，初始化运动速 度和位移为0 ;井下接收到地面指令后，获取当前深度数据，开始钻进；利用测量轴向运动 加速度，求出钻柱轴向运动位移，进而实现井下自动跟踪钻进深度。
[0061] (五）结束导向钻井作业
[0062] 当钻达预期目标、起钻更换钻头或及导向工具井下工作异常时，则结束导向钻进， 循环钻井液后起钻。
[0063] 实际上，在本发明的导向工具控制中，还可以进一步实现自适应控制，所述导向工 具自适应控制方法大致包括如下步骤：
[0064] (1)按给定导向参数钻达预定测斜深度时，暂停钻柱运动测斜，井下及地面同时获 得完整的测斜数据和导向工具姿态；
[0065] (2)向井下发送确认指令，井下获得当前测点深度，并初始化速度和位移；
[0066] (3)进行实钻井眼轨迹偏差分析，计算导向工具综合造斜能力和待钻井眼轨道导 向参数；
[0067] (4)上传井下计算的导向参数，地面进行对比分析；
[0068] (5)在井下计算结果与地面一致，且为井下自动导向模式时，井下按照计算导向参 数和跟踪深度或时间进行自动导向控制，否则地面下传控制指令进行导向控制；
[0069] (6)井下实时测量导向工具姿态，上传到地面系统，跟踪工具井下实际控制情况；
[0070] (7)继续导向钻进，直到导向作业结束。
[0071] 在本发明中，对固定弯角的导向系统而言，在控制井眼曲率时，须控制导向和稳斜 进尺或时间来达到井眼曲率控制的目的。在本发明中，根据设计井眼曲率和导向工具的造 斜能力来确定合理的导向比例参数，最优地逼近设计井眼轨道，并将其上传到地面。
[0072] 尽管上面以【具体实施方式】对本发明作出了详细的描述，但是这种描述是例示性 的，本发明不仅限于该【具体实施方式】之中，对于本领域技术人员而言，他们能够对本发明作 出各种变更和修饰，只要不脱离本发明宗旨和精神范围而对本发明作出的各种修改均应落 在所附权利要求的保护范围之中。
【权利要求】
1. 一种导向工具控制方法，其特征在于，包括如下步骤： 设置导向数据的步骤，所述导向数据包括轨迹、测点、采样时间及初始导向参数，所述 初始导向参数包括导向长度、比例及工具面； 下钻及系统测试步骤，其中，地面测试导向工具，测试正常后组合钻具下钻，在下钻途 中，选一两个系统测试点，测试下传指令、井下测量、数据上传等功能，确保下钻到底后，导 向系统能正常工作； 获取测斜数据步骤，下钻到井底及钻达预设井斜测量点时，暂停钻柱运动，确保测得较 准确的井斜参数，将测斜数据上传到地面，确认后下发指令，进而井下和地面均获得完整的 测斜数据； 轨道监控步骤，在得到地面确认后，向井下发送指令开始导向钻井作业，进行井眼轨迹 分析及导向计算，根据暂停钻柱运动所得测斜数据或导向工具姿态、地磁场参数及导向工 具旋转时磁力计和旋转变压器所测数据，计算导向工具动态工具面角，由磁力计和旋转变 压器所测旋转位置计算钻柱转速、导向芯轴转速，实现对旋转导向工具的控制。
2. -种井下导向工具自适应控制方法，其特征在于，其包括如下步骤： (1) 按给定导向参数钻达预定测斜深度时，暂停钻柱运动测斜，井下及地面同时获得完 整的测斜数据和导向工具姿态； (2) 向井下发送确认指令，井下获得当前测点深度，并初始化速度和位移； (3) 进行实钻井眼轨迹偏差分析，计算导向工具综合造斜能力和待钻井眼轨道导向参 数； (4) 上传井下计算的导向参数，地面进行对比分析； (5) 井下计算结果与地面一致，且为井下自动导向模式时，井下按照计算导向参数和跟 踪深度或时间进行自动导向控制，否则地面下传控制指令进行导向控制； (6) 井下实时测量导向工具姿态，上传到地面系统，跟踪工具井下实际控制情况； (7) 继续导向钻进，直到导向作业结束。
【文档编号】E21B7/06GK104453714SQ201410602852
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年11月2日 优先权日:2014年11月2日
【发明者】唐雪平, 窦修荣, 彭烈新, 禹德洲, 陈文艺, 张连成, 曹冲, 魏志刚, 弓志谦, 李林, 石荣, 洪迪峰 申请人:中国石油集团钻井工程技术研究院