一种旋转导向系统及其控制方法
【技术领域】
[0001] 本申请涉及石油地质勘探和钻井工艺技术领域，特别涉及一种旋转导向系统及其 控制方法。
【背景技术】
[0002] 旋转导向钻井技术是20世纪末期发展起来的一项先进钻井新技术，随着全球范 围的推广应用，该技术日趋成熟，使世界钻井技术出现了一次质的飞跃。
[0003] 目前，世界上几家大石油公司的旋转导向系统已经实现了商业化技术应用：a、90 年代初德国KTB项目组与East Man Teleo公司联合开发研制的VDS自动垂直钻井系统；b、 AGIP公司与Baker Hughes公司合作在VDS系统的基础上开发研制的SDD自动直井钻井系 统；c、1991年美国能源部资助研制的ADD自动定向钻井系统；d、Sperry-sun公司1993年 研制了 AGS，1999年又推出新一代的Geo-Pilot旋转导向自动钻井系统，该系统的性能已达 到90年代末世界先进的RCLS和SRD系统水平，后来Sperry-sun公司与Halliburton公司 合并；e、1993年AGIP公司与Baker Hughes公司合作，经过3年的研制，在1997年，RCLS系 统注册为Auto Trak，正式推向市场；f、1994年英国Cameo公司研制出SRD全旋转导向自动 钻井系统，1999年5月，Cameo公司与Schlumberger公司的Anadrill公司合并，将SRD系 统注册为PowerDrive。
[0004] 按照旋转导向控制系统的原理分类，目前旋转导向钻井系统形成了两大发展方 向：一类是不旋转外筒式闭环自动导向钻井系统，包括Baker Hughes公司的Auto Trak RC1S 系统和 Halliburton 公司的 Geo-Pilot 系统；另一类是以 Schlumberger Anadrill 公司的Power Driver SRD系统为代表的全旋转自动导向钻井系统。然而这两类旋转导向 系统在现场应用时都有其局限性：依赖于随钻测量工具（MWD/LWD)来接收井下测量仪器的 信号和发送工作指令给井下偏置导向机构，即作业指令需要通过CPU编码，利用钻井液压 力波动实现上行和下行信号的传递，通常采用上行信号正脉冲和下行指令负脉冲的方式来 实现。由于受钻井液脉冲信号在传递过程中的衰减和压力信号波动干扰等问题的影响，作 业指令往往不能及时有效的发送给井下偏置机构，甚至出现信号干扰导致井下工具失效的 情况。
[0005] 应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本申请的技术方案进行清楚、 完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本申请的
【背景技术】部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。
【发明内容】
[0006] 本申请实施例的目的在于提供一种旋转导向系统及其控制方法，以避免利用正负 脉冲信号来实现指令的传递，保证井下工具的正常运行。
[0007] 本申请实施例提供的一种旋转导向系统及其控制方法是这样实现的：
[0008] -种旋转导向系统，包括偏置导向机构，井下传感器以及井下控制中心，其中：
[0009] 所述偏置导向机构，包括外壳以及被所述外壳包裹的钻柱；
[0010] 所述井下传感器，位于所述偏置导向机构的外壳上，用来检测所述钻柱的转速并 将所述转柱的转速发送至所述井下控制中心；
[0011] 所述井下控制中心，与所述偏置导向机构和所述井下传感器相连，用来根据所述 井下传感器发来的所述转柱的转速，确定所述转柱的转速对应的偏置导向机构的第一工具 面角和第一偏心距，并根据所述第一工具面角和第一偏心距调整所述偏置导向机构的工具 面角和偏心距。
[0012] -种旋转导向系统的控制方法，包括：
[0013] 获取偏置导向机构中钻柱的转速；
[0014] 根据预先建立的钻柱的转速与偏置导向机构的工具面角和偏心距的对应关系，确 定获取的转速对应的偏置导向机构的第一工具面角和第一偏心距；
[0015] 根据确定的第一工具面角和第一偏心距，调整偏置导向机构的工具面角和偏心 距。
[0016] 本申请实施例提供的一种旋转导向系统及其控制方法，通过预先建立转速与工具 面角和偏心距的对应关系，可以由井下工具实现对偏置导向机构的自测自控，避免了与地 面设备的信号传输，从而可以避免泥浆脉冲信号的衰减或丢失，保证了井下工具的正常运 行。
【附图说明】
[0017]图1为本申请提供的一种旋转导向系统的控制方法的流程图；
[0018] 图2为本申请实施例支撑翼肋的支撑力矢量和示意图；
[0019]图3为本申请实施例提供的一种旋转导向系统的功能模块图。
【具体实施方式】
[0020] 为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实 施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施 例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通 技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都应当属于本申请保护 的范围。
[0021] 本申请实施例通过钻井现场实践发现，在钻井过程中钻柱的转数是一个相对稳定 的、可控的钻井参数。本申请实施例提供的旋转导向系统及其控制方法可以在地面改变钻 柱的转速，然后利用井下传感器检测钻柱的转速，从而可以变相地获取地面的控制指令。接 着通过井下控制中心执行预先设置的程序，对偏置导向机构进行工具面角和偏心距的控 制，从而实现井下工具的自测自控，实现完全闭环导向系统。
[0022] 图1为本申请提供的一种旋转导向系统的控制方法的流程图。虽然下文描述流程 包括以特定顺序出现的多个操作，但是应该清楚了解，这些过程可以包括更多或更少的操 作，这些操作可以顺序执行或并行执行（例如使用并行处理器或多线程环境）。如图1所 示，所述方法可以包括：
[0023] S1 :获取偏置导向机构中钻柱的转速。
[0024] 本申请实施例可以预先建立钻柱的转速与偏置导向机构的工具面角和偏心距的 对应关系。该对应关系可以是测井人员预先制定，并用key-value的形式存储于井下控制 中心。其中，可以将钻柱的转速作为key，将偏置导向机构的工具面角和偏心距作为value。 井下控制中心根据钻柱的转速，便可以查询到与该转速对应的工具面角和偏心距。当然，钻 柱的转速与偏置导向机构的工具面角和偏心距的对应关系还可以用其他形式进行存储，本 申请对此并不做限定。表1为本申请实施例建立的钻柱的转速与偏置导向机构的工具面角 和偏心距的对应关系的不意表。
[0025] 表1转速与偏置导向机构的工具面角和偏心距的对应关系的不意表
[0026]
[0027] 从表1中可以看出，本申请实施例将偏置导向机构的工具面角以30°为间隔，分 为12组不同的工具面角，并且每个工具面角均对应着三组不同的偏心距。这样就形成了 36 组不同的工具面角与偏心距的组合。其中，每个组合均对应着唯一的钻柱的转速，这样便可 以实现钻柱的转速与工具面角和偏心距的一一对应关系。例如，转速76转/分钟对应着 90°的工具面角以及较小的偏心距，转速64转/分钟对应着240°的工具面角以及中等的 偏心距。
[0028] 从表1中还可以看出钻柱除了三个偏心距的状态，还存在中位状态，该中位状态 对应着多个不同范围的转速。这些不同范围的转速和上述与工具面角和偏心距一一对应的 转速也不相同，同样具备唯一性的特征。
[0029] 在实际钻井作业中，往往存在不同的钻井模式。在本申请实施例中，所述钻井模式 可以包括定向钻井模式和稳斜钻井模式。其中，当进行定向钻井模式时，需要计算出偏置导 向机构的工具面角和偏心距，以保证定向的需求。计算出偏置导向机构的工具面角和偏心 距后，可以在地面调节钻柱的转速，使得钻柱的转速与计算出的工具面角和偏心距相对应。 然后可以通过后续的检测和调整步骤，实现对井下偏置导向机构的定向。当进行稳斜钻井 模式时，则无需计算偏置导向机构的工具面角和偏心距，只需要将钻柱的转速调节为与中 位状态对应的转速，然后可以通过后续的检测和调整步骤，实现稳斜钻井模式。
[0030] 在某些实施例中，确定了钻井模式后，便可以根据确定的钻井模式，调整所述钻柱 的转速。当进行定向钻井模式时，计算出偏置导向机构的工具面角和偏心距后，可以在地面 调节钻柱的转速，使得钻柱的转速与计算出的工具面角和偏心距相对应。当进行稳斜钻井 模式时，只需要在地面将钻柱的转速调节为与中位状态对应的转速即可。在实际操作时，目 前钻机包括钻盘驱动和顶部驱动，本申请实施例可以通过调节钻机动力系统的输出功率来 调整所述钻柱的转速。
[0031] 由于钻柱的转速在地面和井下是保持一致的，因此在地面根据确定的钻井模式调 整所述钻柱的转速后，井下钻柱的转速会同步调整。本申请实施例可以在偏置导向机构的 不旋转外壳上安装井下传感器，从而可以由井下传感器检测偏置导向机构中转柱的转速并 将所述转速发送至井下控制中心。具体地，在本申请实施例中，所述井下传感器可以包括转 速计数器或转速表中的至少一种。井下传感器检测出所述钻柱的转速后，可以将该转速信 息发送至井下控制中心。所述井下控制中心同样可以位于所述偏置导向机构上，用来接收 所述井下传感器发来的所述转速以及其他井下工具发来的检测信息以及向各种井下工具 发送控制指令。
[0032] S2 :根据预先建立的钻柱的转速与偏置导向机构的工具面角和偏心距的对应关 系，确定获取的转速对应的偏置导向机构的第一工具面角和第一偏心距。
[0033] 所述井下控制中心接收到所述井下传感器发来的钻柱的转速后，可以根据步骤S1 中建立的钻柱的转速与偏置导向机构的工具面角和偏心距的对应关系，确定该转速对应的 偏置导向机构的第一工具面角和第一偏心距。具体地，井下控制中心可以将接收到的转速 作为key，检索存储的对应关系中该key对应的value，也就是该转速对应的工具面角和偏 心距。井下控制中心查找到该转速对应的工具面角和偏心距后，便可以