一种旋转导向钻井控制系统结构的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型属于石油勘探开发领域，具体涉及一种旋转导向钻井控制系统结构。
【背景技术】
[0002]旋转导向钻井技术起源于上世纪80年代后期，该技术是随着相关科技水平的提高，为满足石油工业的实际需要在滑动导向钻井技术和工艺基础之上而发展起来的。其基本的思路就是在旋转钻井的同时，在钻压钻速及栗量的配合下，通过特定的井下导向工具，在近钻头附近，对旋转的钻柱在特定方向上施加一定的连续的可变的侧向力，人为地改变钻头前进的方向，进而达到旋转中几何导向或地质导向的目的。
[0003]与传统钻井技术相比，旋转导向钻井技术可使钻头处于持续地旋转状态，因此井眼净化效果更好，井身轨迹控制精度更高，钻井速度更快，出现卡钻等事故的几率更小，位移延伸能力更强。如果配上地质导向短节，就可以让钻头在井底自动寻找油层钻进，因此对油气资源的勘探和开发，提高油田的油气采收率具有重要意义。
[0004]目前，旋转导向钻井技术主要掌握在国外少数几家石油技术服务公司手中，基于其自身利益，对其所拥有的导向控制技术、导向工具仪器进行严格保密，并在价格上垄断、技术上限制、国际投标时制约、服务上拖延，严重影响了我国石油工业钻井工艺技术的进步，制约了国内钻井队伍开拓海外钻井市场的竞争能力，成为我国石油钻探行业技术发展进步的瓶颈。
[0005]现有技术中，公告号为CN102022082B的专利公开了一种控制旋转导向钻井工具的地面指令下传方法及装置。但该采用该技术方案用于钻井时，因钻头钻进的轨迹会与设计的井眼轨迹之间出现偏差，故需通过其地面控制系统来反复多次下传控制指令至旋转导向钻井工具来对钻进的轨迹进行调整，导致钻井周期的延长，限制了钻井效率的提升。
[0006]正是基于上述背景，申请人展开了针对旋转导向钻井技术的立项研究。
[0007]旋转导向钻井技术从导向机构的运动方式可分为静止式和动态式两种，从导向力产生的方式可分为推靠式和指向式两种，且目前国内用户普遍采用静态偏置推靠式旋转导向钻井工具。经过多年的研发，申请人已完成静态偏置推靠式旋转导向钻井工具整体结构设计，并相继提出了主题为“静态偏置推靠式旋转导向钻井工具”的系列技术方案(公告号分别为 CN103939017A、CN203783462U、CN203783488U 和 CN203783461U)，且上述“静态偏置推靠式旋转导向钻井工具”凭借其结构合理、高可靠性等优点，已能够代替国外同类产品进行使用。
[0008]但申请人在实践中发现，仅提出“静态偏置推靠式旋转导向钻井工具(公告号为CN103939017A)”的技术方案，还难以实现现代石油勘探工业所需的自动化、智能化、高效率地钻井。
[0009]故申请人考虑结合“静态偏置推靠式旋转导向钻井工具”结构来设计出与之相应旋转导向钻井控制系统结构，以获取具有自动化、智能化、高效率功能特点的钻井控制系统的硬件部分结构。【实用新型内容】
[0010]针对上述现有技术的不足，本实用新型所要解决的技术问题是:如何结合“静态偏置推靠式旋转导向钻井工具”结构(公告号分别为CN103939017A)，来提供一种旋转导向钻井控制系统结构，以获取具有自动化、智能化、高效率功能特点的钻井控制系统的硬件部分结构。
[0011]为了解决上述技术问题，本实用新型采用了如下的技术方案:
[0012]一种旋转导向钻井控制系统，包括地面控制系统、地面控制箱、旁通阀、MffD系统、具有解码单元的井下总控板以及能够控制导向工具中翼肋动作的主控板；其中，
[0013]所述地面控制系统包括上位机；
[0014]所述地面控制系统与所述地面控制箱电性连接；
[0015]所述旁通阀安装在与泥浆管道相连的旁通支管上，且所述旁通阀上的信号控制端与所述地面控制箱电性连接；所述泥浆管道用于输送钻井液并将导向工具和设置在地面的泥浆栗相连接；
[0016]还包括井下发电机、发电机安装段、耦合器以及用于安装该耦合器的耦合器安装段、近钻头姿态数据获取组件和电源板；
[0017]所述井下发电机固定安装在整体呈柱形且具有中空结构的发电机安装段的内部，所述发电机安装段的端部与导向工具上的耦合器安装段的端部相贯通并固定连接；
[0018]所述井下总控板安装在所述耦合器安装段，所述井下总控板上具有与所述井下发电机的输出端相连的接收端，并用于接收所述井下发动机的生成的电能以及通过解码单元来对泥浆中携带的指令进行解码；所述井下总控板还具有与所述耦合器的原边线圈相连的连接端、与所述MffD系统信号相连的信号端；
[0019]所述耦合器的副边线圈与所述主控板信号连接；
[0020]所述近钻头姿态数据获取组件和电源板固定安装在导向工具上的电路仓中；其中，所述近钻头姿态数据获取组件包括Z向与所述电路仓同轴向设置的三轴加速度计，所述三轴加速度计与所述主控板信号连接；所述主控板的电源输送端通过电源板与电路仓中的蓄电池相连接；所述主控板与用于控制翼肋动作的液压机构的控制信号端相连接。
[0021 ] 本实用新型控制系统结构中，蓄电池(高温可充电电池)设于电路仓内，主要目的是系统停电时(在接钻杆等需关闭泥浆栗并使得井下发电机停转时断电情况)能够为主控板提供电源，使得主控板能够实时不停地采集静态的近钻头姿态数据，为精确控制提供依据。
[0022]在正常钻进工作时，井下发电机输出的电压经整流、稳压后对井下总控板、主控板供电，同时对蓄电池充电。
[0023]在停电接钻杆时，切换到蓄电池对外供电，主控板采集三轴加速度计、温度传感器、压力传感器(为注油管路内设置的压力传感器，对应为公告号CN103939017A，主题为“静态偏置推靠式旋转导向钻井工具”技术方案中的“压力传感器18”)等静态数据，不对控制翼肋动作的液压机构下发命令；同时存储采集的静态数据，待系统重新上电时，将存储的静态数据第一时间上传给MffD系统，主控板中的程序将存储的静态数据与实时采集到的动态数据进行比较，快速获取正确的参数，依此指导下一步钻进动作。
[0024]作为改进，所述近钻头姿态数据获取组件还包括温度传感器，所述温度传感器与所述主控器信号连接。
[0025]因传感器(本技术方案为三轴加速度计和压力传感器)通常都有一定的温度系数，其输出信号会随温度变化而漂移，称为“温漂”，为了减小温漂，采用一些补偿措施在一定程度上抵消或减小其输出的温漂，这就是温度补偿。故当近钻头姿态数据获取组件中包括安装在电路仓中的温度传感器后，即可实时检测靠近钻头处的环境温度，从而根据该温度值来对传感器进行温度补偿，从而确保传感器输出更为精准的数据，进一步提高利于保证本控制系统结构的控制精度。此外，温度传感器的设置，还能够对井下温度进行检测与预警，让导向工具中的电子器件都能处在适宜工作的温度范围内，从而提高本控制系统结构的运用可靠性。
[0026]作为改进，所述井下总控板通过MffD转接板与所述MffD系统相连接。
[0027]实施上述改进后，因MffD系统是个完整的子系统，故井下总控板可通过MffD转接板来形成与MffD系统相连接的物理链路上的电气接口(即为“QBUS电气方式连接”)，从而将近钻头姿态数据通过MffD系统来上传。上述选择QBUS电气方式连接是因为QBUS的信号简单(一根信号线、一根地线)且通讯距离较长，不易受干扰。
[0028]同现有技术相比较，采用本实用新型的旋转导向钻井控制系统结构能够具有以下有益技术效果:
[0029]1、控制更简单、高效、节约成本和时间。
[0030]本实用新型控制系统结构只需要下发一次指令，并将该指令存储到主控板。因主控板与电路仓中用于测量近钻头姿态数据的各个传感器相连，故能够实时获取近钻头姿态数据，并实时将该近钻头姿态数据来与上述指令的数据进行比对，一旦发现出现偏差即根据合力分解算法及当前近钻头姿态数据分解下发指令来控制翼肋进行导向，从而消除上述偏差。可见，本实用新型能够结合结合“静态偏置推靠式旋转导向钻井工具”结构(公告号分别为CN103939017A)来实现智能化的闭环控制，自动高效地按设计的轨迹进行钻进，且使得地面控制系统的监控只起到辅助作用。而现有技术中的旋转导向控制系统中，地面控制系统的控制起主导作用，需要通过地面控制系统来监控钻头钻进情况，且需通过地面控制系统多次下发控制指令来对钻头钻进轨迹进行调整。
[0031]此外，还因近钻头姿态数据获取组件固定安装在导向工具上的电路仓中，相邻钻头设置(近钻头姿态数据获取组件与钻头之间的距离在0.5-1.5米左右)，这样一来，即可使得近钻头姿态数据获取组件中的各个传感器获得姿态数据更接近于钻头所在处的姿态数据，从而可使得本实用新型控制系统结构的控制速度、准确度和精度更高，即可取得更理想的控制效果。
[0032]2、获取更准确丰富的数据，实现更有限的钻井现场监控。
[0033]采用本实用新型的控制系统结构，能够借助MffD系统的数据传递通道来主控板中采集、计算得到的数据及可能出现的报警信息及时上传。能够存储下发的指令信息，定时或实时存储采集到用于测量近钻头姿态数据的各个传感器的数据。这样即可在地面