指向式旋转导向系统偏心轴电机转速控制方法与流程

本发明涉及油气钻井电机控制的技术领域，尤其涉及一种指向式旋转导向系统偏心轴电机转速控制方法。

背景技术：

旋转导向钻井技术是迈向自动化、智能化钻井的重要标志，是以井下闭环控制系统为核心的三维井眼轨迹控制钻井技术，代表了当今油气钻井工程的领先水平。近几年，国外在水平井、大位移井、三维多目标井钻井，尤其针对北美页岩气井，广泛推广应用旋转导向钻井技术，既提高了钻井速度，减少了事故，也降低了钻井成本，达到了降本增效的目的。

旋转导向系统按导向方式可分为推靠式和指向式。推靠式旋转导向系统主要利用导向块推靠井壁，从而对钻头产生侧向力，推动钻头离开该方向，以达到改变井斜和方位的目的。指向式旋转导向系统通过外套与旋转主轴之间的偏置机构使主轴偏置，从而为钻头提供一个与井眼轴线不一致的倾角，产生导向作用。由于指向式较于推靠式，工作时不推靠井壁，因此指向式旋转导向钻井系统钻出的井眼轨迹更为平滑，井眼质量更好，成为目前旋转导向系统技术的发展方向。

偏心轴电机是指向式旋转导向系统的关键导向部件之一。偏心轴电机输出扭矩，通过齿轮减速箱驱动偏心轴转动，偏心轴又通过偏心安装的轴承与钻头驱动轴相连接，带动钻头转动。偏心轴转动方向与钻铤相反，当二者转速一致时，偏心轴相对于大地为不旋转体，此时工具面角不变。因此，为改变工具面，偏心轴电机需提高或降低转速，与钻铤转速产生一定的偏差，当达到预期工具面后，偏心轴电机再次保持与钻铤相同的转速，使新工具面稳定。与常规电机转速单速度闭环控制不同，指向式旋转导向系统要求在只控制偏心轴转速的情况下，控制偏心轴转速在能达到钻铤转速的同时，工具面也能达到希望控制的位置，即同时实现转速速度环与工具面角位置环的双闭环控制。

为此，本发明的设计者有鉴于上述缺陷，通过潜心研究和设计，综合长期多年从事相关产业的经验和成果，研究设计出一种指向式旋转导向系统偏心轴电机转速控制方法，以克服上述缺陷。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种指向式旋转导向系统偏心轴电机转速控制方法，只控制偏心轴转速的情况下，实现转速速度环与工具面角位置环的双闭环控制，实现快速、稳定、精确的导向功能。

为解决上述问题，本发明公开了1.一种所述指向式旋转导向系统偏心轴电机转速控制方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤一：设定工具面角平面的坐标系，所述坐标系按照圆周分为-180°～+180°；

步骤二：通过工具面角平面确定初始工具面角α和目标工具面角β，计算目标工具面角β和初始工具面角α的差值，并根据差值确定控制调节，所述控制调节包含滞后调节或超前调节；

步骤三：进行控制调节，在工具面角达到目标工具面角后，偏心轴电机转速与钻铤转速保持一致。

其中：步骤三中的控制调节中偏心轴电机在某一时刻转速为：

n(i)＝n(i-1)+δn(i)(1)

n(i)为当前时刻偏心轴电机转速，n(i-1)为前一时刻偏心轴电机转速，δn(i)为变化增量。

其中：所述滞后调节的方案包含如下步骤：

(1)匀减速段：偏心轴电机转速按下式(2)变化

n(i)＝n(i-1)-a(2)

在此阶段δn(i)＝-a(a＞0)始终为常数，偏心轴电机作匀减速运动；

匀减速段是从开始阶段至|目标工具面角-初始工具面角|*30％的时间段；

(2)匀速段：偏心轴电机转速按下式(3)变化

n(i)＝n(i-1)(3)

在此阶段偏心轴电机转速始终不变，偏心轴电机作匀速运动；

匀速区是从匀减速段结束至|目标工具面角-初始工具面角|*80％的时间段；

(3)变加速段：偏心轴电机转速按下式(4)变化

n(i)＝n(i-1)+kn*(n钻铤-n(i-1))+kt*(tf目标-tf当前)(4)

在此阶段偏心轴电机转速的每一时刻的增量随着在对目标参数的逼近，在不断改变，偏心轴电机作变加速运动，开始阶段加速度较大，变化较快，当逼近目标参数时，加速度减小，当偏心轴电机转速达到钻铤转速，并且工具面角达到目标工具面角时，偏心轴电机转速开始与钻铤转速保持一致。

其中：超前调节的方案包含：

将偏心轴电机转速变化分为三个阶段进行控制：

(1)匀加速段：偏心轴电机转速按下式(5)变化

n(i)＝n(i-1)+a(5)

在此阶段δn(i)＝a(a＞0)始终为常数，偏心轴电机作匀加速运动；

匀加速段是从开始阶段至|目标工具面角-初始工具面角|*30％的时间段；

(2)匀速段：偏心轴电机转速按下式(6)变化

n(i)＝n(i-1)(6)

在此阶段偏心轴电机转速始终不变，偏心轴电机作匀速运动；

匀速区是从匀加速段结束至|目标工具面角-初始工具面角|*80％的时间段；

(3)变减速段：偏心轴电机转速按下式(7)变化

n(i)＝n(i-1)+kn*(n钻铤-n(i-1))+kt*(tf目标-tf当前)(7)

在此阶段偏心轴电机转速的每一时刻的增量随着在对目标参数的逼近，在不断改变，偏心轴电机作变加速运动；开始阶段加速度较大，变化较快，当逼近目标参数时，加速度减小，当偏心轴电机转速达到钻铤转速，并且工具面角达到目标工具面角时，偏心轴电机转速开始与钻铤转速保持一致。

其中：在步骤二中，若|差值|≤180°，当差值＞0°时，执行滞后调节，即令偏心轴电机进行先减速后加速的调节，工具面角会沿顺时针变化；当差值≤0°时，执行超前调节，即令偏心轴电机进行先加速后减速的调节，工具面角会沿逆时针变化；

若|差值|>180°，当差值＞0°时，执行超前调节，即令偏心轴电机进行先加速后减速的调节，工具面角会沿逆时针变化；当差值≤0°时，执行滞后调节，即令偏心轴电机进行先减速后加速的调节，工具面角会沿顺时针变化。

通过上述结构可知，本发明的指向式旋转导向系统偏心轴电机转速控制方法实现偏心轴转速速度环与工具面角位置环的双闭环控制，保证指向式旋转导向系统实现快速、稳定、精确的导向功能。

本发明的详细内容可通过后述的说明及所附图而得到。

附图说明

图1为本发明实施例提供的工具面角的平面示意图；

图2为本发明的偏心轴电机超前或滞后调节流程图；

图3为本发明的偏心轴电机超前或滞后调速的控制流程图。

图4为本发明的偏心轴电机滞后调节的工具面角和偏心轴转速变化示意图。

具体实施方式

参见图1至图3，显示了本发明的指向式旋转导向系统偏心轴电机转速控制方法。

所述指向式旋转导向系统偏心轴电机转速控制方法包括如下步骤：

步骤一：设定工具面角平面的坐标系，所述坐标系按照圆周如图1所示分为-180°～+180°；

步骤二：通过工具面角平面确定初始工具面角α和目标工具面角β，计算目标工具面角β和初始工具面角α的差值，并根据差值确定控制调节，所述控制调节包含滞后调节或超前调节；

为了实现本发明的指向式旋转导向系统偏心轴电机转速控制，需要将上述的初始工具面角α和能在一个圆周内沿最短路径变换到目标工具面角β，由此，本申请的技术方案根据实际情况，设计了不同的超前或滞后调节，能使工具面角顺时针或逆时针变化。即在初始时刻偏心轴转速和钻铤转速相等的情况下，快速有效的改变工具面角。

参见图2，确定调节方案进一步包含如下方法：

若|差值|≤180°，当差值＞0°时，执行滞后调节，即令偏心轴电机进行先减速后加速的调节，工具面角会沿顺时针变化；当差值≤0°时，执行超前调节，即令偏心轴电机进行先加速后减速的调节，工具面角会沿逆时针变化；

若|差值|>180°，当差值＞0°时，执行超前调节，即令偏心轴电机进行先加速后减速的调节，工具面角会沿逆时针变化；当差值≤0°时，执行滞后调节，即令偏心轴电机进行先减速后加速的调节，工具面角会沿顺时针变化。

步骤三：进行控制调节，所述控制调节包含如下方法：

偏心轴电机在某一时刻转速为：

n(i)＝n(i-1)+δn(i)(1)

n(i)为当前时刻偏心轴电机转速，n(i-1)为前一时刻偏心轴电机转速，δn(i)为变化增量。

图4示为偏心轴电机滞后调节的工具面角和偏心轴转速变化示意图。

滞后调节的方案a包含：

将偏心轴电机转速变化分为三个阶段进行控制：

(1)匀减速段(初始段)：偏心轴电机转速按下式(2)变化

n(i)＝n(i-1)-a(2)

在此阶段δn(i)＝-a(a＞0)始终为常数，偏心轴电机作匀减速运动。

匀减速段是从开始阶段至|目标工具面角-初始工具面角|*30％的时间段。

(2)匀速段(也可称为缓冲段)：偏心轴电机转速按下式(3)变化

n(i)＝n(i-1)(3)

在此阶段偏心轴电机转速始终不变，偏心轴电机作匀速运动。

匀速区是从匀减速段结束至|目标工具面角-初始工具面角|*80％的时间段。

(3)变加速段(最终段(核心阶段))：偏心轴电机转速按下式(4)变化

n(i)＝n(i-1)+kn*(n钻铤-n(i-1))+kt*(tf目标-tf当前)(4)

在此阶段偏心轴电机转速的每一时刻的增量随着在对目标参数的逼近，在不断改变，偏心轴电机作变加速运动。开始阶段加速度较大，变化较快，当逼近目标参数时，加速度减小，当偏心轴电机转速达到钻铤转速，并且工具面角达到目标工具面角时，偏心轴电机转速开始与钻铤转速保持一致。

式(4)中，kn和kt为两个控制系数，需根据具体情况进行调节，可采用控制变量法进行调节，设定kn为常数，若令kn＝1，则kt＝k*|tf目标-tf当前|^-0.5，其中k为常数，根据不同电机的特性不同，需对k值进行调节；n钻铤为钻铤转速，tf目标为目标工具面角，tf当前为当前时刻工具面角。

超前调节的方案b包含：

将偏心轴电机转速变化分为三个阶段进行控制：

(1)匀加速段(初始段)：偏心轴电机转速按下式(5)变化

n(i)＝n(i-1)+a(5)

在此阶段δn(i)＝a(a＞0)始终为常数，偏心轴电机作匀加速运动。

匀加速段是从开始阶段至|目标工具面角-初始工具面角|*30％的时间段。

(2)匀速段(也可称为缓冲段)：偏心轴电机转速按下式(6)变化

n(i)＝n(i-1)(6)

在此阶段偏心轴电机转速始终不变，偏心轴电机作匀速运动。

匀速区是从匀加速段结束至|目标工具面角-初始工具面角|*80％的时间段。

(3)变减速段(最终段(核心阶段))：偏心轴电机转速按下式(7)变化

n(i)＝n(i-1)+kn*(n钻铤-n(i-1))+kt*(tf目标-tf当前)(7)

在此阶段偏心轴电机转速的每一时刻的增量随着在对目标参数的逼近，在不断改变，偏心轴电机作变加速运动。开始阶段加速度较大，变化较快，当逼近目标参数时，加速度减小，当偏心轴电机转速达到钻铤转速，并且工具面角达到目标工具面角时，偏心轴电机转速开始与钻铤转速保持一致。

式(7)中，kn和kt为两个控制系数，需根据具体情况进行调节，可采用控制变量法进行调节，设定kn为常数，若令kn＝1，则kt＝k*|tf目标-tf当前|^-0.5，其中k为常数，根据不同电机的特性不同，需对k值进行调节；n钻铤为钻铤转速，tf目标为目标工具面角，tf当前为当前时刻工具面角。

首先，对偏心轴电机进行先加速后减速或先减速后加速的调节进行决策，保证在一个圆周内，工具面角沿最短路径调整到目标工具面，缩短所需的调节角度，从而缩短调节时间；其次，将调节过程分为匀加(减)速、匀速、变加(减)速三个阶段，前两个阶段匀加(减)速、匀速段使偏心轴与钻铤之间产生转速差，改变工具面角，最后阶段工具面随着对目标值的逼近，偏心轴电机作变加速运动，开始时加速度较大，变化较快，当逼近目标参数时，加速度减小，直到偏心轴电机转速达到钻铤转速，并且工具面角达到目标工具面角。

由此，本发明的方法具有如下优点：

1、控制方法有效，实现偏心轴转速速度环与工具面角位置环的双闭环控制，保证指向式旋转导向系统实现快速、稳定、精确的导向功能；

2、当外钻铤转速波动范围≤±10rpm时，设定目标工具面角后，实际工具面角跟踪效果较好，稳态误差≤±4°，动态误差≤±10°，满足工程需要。

显而易见的是，以上的描述和记载仅仅是举例而不是为了限制本发明的公开内容、应用或使用。虽然已经在实施例中描述过并且在附图中描述了实施例，但本发明不限制由附图示例和在实施例中描述的作为目前认为的最佳模式以实施本发明的教导的特定例子，本发明的范围将包括落入前面的说明书和所附的权利要求的任何实施例。